), dan zat [yang sebenarnya tidak menghantarkan arus listrik (isolator atau dielektrik).

Semikonduktor dicirikan oleh ketergantungan yang kuat antara sifat dan karakteristiknya pada jumlah mikroskopis pengotor yang dikandungnya. Dengan mengubah jumlah pengotor dalam semikonduktor dari sepersejuta persen menjadi 0,1-1%, Anda dapat mengubah konduktivitasnya jutaan kali lipat. Sifat penting lainnya dari semikonduktor adalah bahwa arus listrik dibawa ke dalamnya tidak hanya oleh muatan negatif - elektron, tetapi juga oleh muatan positif yang besarnya sama - lubang.

Jika kita mempertimbangkan kristal semikonduktor yang diidealkan, benar-benar bebas dari pengotor apa pun, maka kemampuannya untuk menghantarkan arus listrik akan ditentukan oleh apa yang disebut konduktivitas listrik intrinsik.

Atom-atom dalam kristal semikonduktor dihubungkan satu sama lain menggunakan elektron pada kulit elektron terluar. Selama getaran termal atom energi panas didistribusikan secara tidak merata antar elektron yang membentuk ikatan. Elektron individu dapat menerima energi panas yang cukup untuk “melepaskan diri” dari atomnya dan dapat bergerak bebas di dalam kristal, yaitu menjadi pembawa arus potensial (dengan kata lain, mereka berpindah ke pita konduksi). Kepergian elektron seperti itu melanggar netralitas listrik atom; ia memperoleh muatan positif yang besarnya sama dengan muatan elektron yang dilepaskan. Ruang kosong ini disebut lubang.

Karena tempat yang kosong dapat ditempati oleh elektron dari ikatan tetangga, lubang juga dapat bergerak di dalam kristal dan menjadi pembawa arus positif. Secara alami, dalam kondisi ini, elektron dan lubang muncul dalam jumlah yang sama, dan konduktivitas listrik dari kristal ideal tersebut akan sama sama ditentukan oleh positif dan muatan negatif.

Jika sebagai ganti atom semikonduktor utama kita menempatkan atom pengotor, yang kulit elektron terluarnya mengandung satu elektron lebih banyak daripada atom semikonduktor utama, maka elektron tersebut akan menjadi berlebihan, tidak diperlukan untuk pembentukan. ikatan antar atom dalam kristal dan terikat lemah dengan atomnya. Energi puluhan kali lebih sedikit sudah cukup untuk melepaskannya dari atomnya dan mengubahnya menjadi elektron bebas. Pengotor semacam itu disebut donor, yaitu menyumbangkan elektron “ekstra”. Atom pengotor tentu saja bermuatan positif, tetapi tidak ada lubang yang muncul, karena lubang hanya dapat berupa kekosongan elektron dalam ikatan antar atom yang tidak terisi, dan dalam dalam hal ini semua koneksi selesai. Muatan positif ini tetap terikat dengan atomnya, tidak bergerak sehingga tidak dapat mengambil bagian dalam proses konduksi listrik.

Masuknya pengotor ke dalam semikonduktor, yang kulit elektron terluarnya mengandung lebih sedikit elektron daripada atom zat utama, menyebabkan munculnya ikatan tak terisi, yaitu lubang. Seperti disebutkan di atas, kekosongan ini dapat ditempati oleh elektron dari ikatan tetangga, dan lubang dapat bergerak bebas ke seluruh kristal. Dengan kata lain, pergerakan lubang adalah transisi elektron secara berurutan dari satu ikatan tetangga ke ikatan lainnya. Pengotor yang “menerima” elektron disebut pengotor akseptor.

Dengan peningkatan jumlah pengotor dari satu jenis atau lainnya, konduktivitas listrik kristal mulai memperoleh karakter elektronik atau lubang yang semakin jelas. Sesuai dengan huruf pertama kata latin negativus dan positivus, konduktivitas listrik elektronik disebut konduktivitas listrik tipe-i, dan konduktivitas lubang disebut tipe-p, yang menunjukkan jenis pembawa muatan bergerak mana untuk semikonduktor tertentu yang utama dan yang mana yang kecil.

Dengan konduktivitas listrik karena adanya pengotor (yaitu pengotor), 2 jenis pembawa masih tertinggal dalam kristal: pembawa utama, yang muncul terutama karena masuknya pengotor ke dalam semikonduktor, dan pembawa minor, yang muncul karena eksitasi termal. . Kandungan dalam 1 cm3 (konsentrasi) elektron n dan lubang p untuk semikonduktor tertentu pada suhu tertentu adalah nilai konstan: n- p = konstanta. Artinya, meningkat karena adanya perkenalan

Jika Anda menerapkan tegangan tipe-n (polaritas ditunjukkan pada gambar) ke struktur semikonduktor logam-dielektrik, maka medan listrik muncul di lapisan dekat permukaan semikonduktor, yang menolak elektron. Lapisan ini menjadi kekurangan elektron dan akan memiliki resistensi yang lebih tinggi. Ketika polaritas tegangan berubah, elektron akan tertarik oleh medan listrik dan lapisan yang diperkaya dengan resistansi yang berkurang akan tercipta di permukaan.

Dalam semikonduktor tipe-p, di mana pembawa mayoritas adalah muatan positif - lubang, polaritas tegangan yang menolak elektron akan menarik lubang dan menciptakan lapisan yang diperkaya dengan resistansi yang berkurang. Skema polaritas dalam hal ini akan menyebabkan tolakan lubang dan pembentukan lapisan dekat permukaan dengan peningkatan resistensi.

Sifat penting semikonduktor berikutnya adalah sensitivitasnya yang kuat terhadap suhu dan radiasi. Ketika suhu naik, energi getaran rata-rata atom-atom dalam kristal meningkat, dan semakin banyak ikatan yang putus. Pasangan elektron dan lubang akan semakin banyak. Pada suhu yang cukup tinggi, konduktivitas intrinsik (termal) dapat sama dengan konduktivitas pengotor atau bahkan melebihinya secara signifikan. Semakin tinggi konsentrasi pengotor, semakin tinggi suhu efek ini akan terjadi.

Ikatan juga dapat diputus dengan menyinari semikonduktor, misalnya dengan cahaya, jika energi kuanta cahaya cukup untuk memutus ikatan. Energi pemutusan ikatan berbeda untuk semikonduktor yang berbeda, sehingga bereaksi berbeda terhadap bagian tertentu dari spektrum iradiasi.

Kristal silikon dan germanium digunakan sebagai bahan semikonduktor utama, dan boron, fosfor, indium, arsenik, antimon, dan banyak elemen lain yang memberikan sifat yang diperlukan pada semikonduktor digunakan sebagai pengotor. Produksi kristal semikonduktor dengan kandungan pengotor tertentu adalah proses teknologi yang kompleks, dilakukan dalam kondisi bersih menggunakan peralatan presisi tinggi dan kompleks di blok komputer elektronik. Insinyur saat ini tidak dapat hidup tanpa penyearah, sakelar, dan amplifier semikonduktor. Mengganti peralatan lampu dengan peralatan semikonduktor telah memungkinkan pengurangan ukuran dan berat perangkat elektronik sepuluh kali lipat, mengurangi konsumsi daya dan meningkatkan secara tajam

Penerima radio detektor.

Detektor biasa.

Di mana seorang amatir radio muda memulai? Dari penerima detektor. Perangkat luar biasa ini sangat sederhana. Kumparan kawat, kerikil detektor yang tidak mencolok, headphone. Itu semua kebijaksanaannya. Dan betapa luar biasa kekuatan yang terkandung dalam kombinasi detail sederhana! Tanyakan kepada orang-orang dari generasi tua siapa yang membuat alat penerima detektor pertama dengan tangan mereka sendiri. Mereka akan berkata: mungkin TV baru saat ini kurang menyenangkan dibandingkan kotak kayu itu.

Di sini penerima yang telah dirakit ditempatkan dengan sungguh-sungguh di atas meja. Penciptanya naik ke atap dan membentangkan antena sepanjang tiga puluh hingga empat puluh meter. Dia menghubungkan kabel yang datang darinya ke penerima (108) dan mengotak-atik detektor untuk beberapa waktu. Meletakkan ujung pegas elastis pada kristal perak yang ditempatkan dalam tabung kaca, Anda perlu merasakan titik sensitif di atasnya. Dan segera setelah hal ini tercapai, “keajaiban” yang telah lama ditunggu-tunggu terjadi: musik atau ucapan terdengar di headphone.

Kristal detektor mungkin merupakan semikonduktor pertama yang menemukan aplikasi praktis yang luas. Mengapa itu diperlukan?

Gelombang radio membangkitkan medan listrik di antena, yang dengan cepat berubah arah. Medan listrik menggerakkan elektron-elektron dalam kawat. Mereka terbang di kawat, lalu maju, lalu mundur. Osilasi elektron seperti itu terjadi ratusan ribu kali per detik. Untuk mendengarkan transmisi, Anda perlu memotong getaran ini menjadi dua, hanya membiarkan gerakan elektron yang diarahkan ke satu arah melalui headphone. Dalam hal ini, arus bolak-balik dikatakan disearahkan, berubah menjadi arus searah yang berdenyut. Dan dalam perubahan kekuatannya yang relatif lambat (ratusan dan ribuan getaran per detik), suara yang ditransmisikan ditangkap. Semakin besar kekuatan arus yang disearahkan berarti membran baja earphone ditarik semakin kuat oleh elektromagnet. Arus melemah dan menjauh dari elektromagnet. Membran bergetar, mentransmisikan getarannya ke udara, dan gelombang suara menyebar.

Singkatnya, inilah inti pengoperasian penerima radio yang paling sederhana. Seperti yang Anda lihat, selain kabel, hanya dua perangkat yang diperlukan di sini: headphone dan penyearah arus. Detektor bertindak sebagai penyearah.

Kristal yang terletak di dalam tabung kaca merupakan semikonduktor. Konduktivitas listriknya, seperti yang telah kita pahami sebelumnya, dapat berupa elektronik atau lubang. Katakanlah ia diberkahi dengan konduktivitas elektronik. Namun kristalnya tidak seragam. Di permukaannya terdapat area yang, pada tingkat tertentu, tersumbat oleh kotoran. Ada juga tempat di mana, di bawah pengaruh pengotor, semikonduktor elektronik berubah menjadi semikonduktor lubang. Dan di perbatasan wilayah elektron dan lubang, lapisan pemblokiran yang sudah dikenal pasti muncul - zona di mana tidak ada elektron atau lubang.

Mari kita ingat kekhasan lapisan ini: di satu sisinya, elektron “penjaga perbatasan” berjaga. Mereka menolak semua elektron bebas jauh ke dalam wilayah elektron. Di sisi lain perbatasan ada lubang penjaga yang sama. Mereka, seperti yang Anda ingat, mengusir lubang lain yang lebih dalam ke wilayah lubang tersebut. Singkatnya, medan listrik batas muncul di lapisan pemblokiran. Ini melawan pergerakan elektron dan lubang ke antarmuka antara daerah elektron dan lubang semikonduktor.

Mari kita terapkan medan listrik eksternal ke lapisan pemblokiran. Tergantung pada arahnya, ia akan menambah kekuatannya pada kekuatan penjaga perbatasan di semikonduktor (memperluas lapisan penghalang), atau, sebaliknya, melemahkan dan bahkan menyapu elektron dan lubang “penjaga perbatasan”.

Bagaimana jika kita menyuplai medan listrik bolak-balik, yaitu perubahan arah? Jelasnya, lapisan pemblokiran akan meluas dan menghilang secara berkala, Penjaga Perbatasan akan diperkuat atau dihilangkan sama sekali - seiring dengan perubahan arah bidang eksternal. Dan hasilnya adalah ini: pada saat lapisan pemblokiran mengembang, tidak ada arus yang mengalir melalui semikonduktor (elektron dan lubang tersebar ke arah yang berbeda); pada saat (110) hilangnya lapisan pemblokiran, arus akan mengalir melalui kristal (elektron dan lubang saling mendekat).

Mari kita rangkum. Titik sensitif detektor adalah bagian permukaan semikonduktor yang pembawa arusnya berbeda dibandingkan bagian kristal lainnya. Artinya di bawah ujung pegas terdapat lapisan pengunci. Detektor disertakan dalam kabel yang menghubungkan antena ke headphone. Medan listrik antena, menembus kristal, memperluas lapisan ini atau menghancurkannya. Dan arus yang melalui detektor hanya mengalir dalam satu arah - ketika elektron dan lubang bergerak menuju satu sama lain.

Lampu merkuri - penyearah AC. Perangkat ini berukuran besar, tidak ekonomis, dan rapuh. Di bawah ini adalah penyearah germanium semikonduktor, yang ditandai dengan kesederhanaan desain, keandalan, dan efisiensi luar biasa.

Harus dikatakan bahwa prinsip ini digunakan untuk menyearahkan arus tidak hanya pada penerima radio yang paling sederhana. Penyearah terbuat dari semikonduktor - tembaga oksida, selenium, tembaga sulfida, dan akhir-akhir ini dari germanium - semakin banyak digunakan dalam teknologi. Kemungkinan penggunaannya sangat besar: mulai dari alat ukur sederhana hingga stasiun radio, instalasi elektrometalurgi, dan lokomotif listrik. Dan dalam banyak kasus, semikonduktor penyearah telah terbukti menjadi perangkat penyearah terbaik yang ada. Koefisien mereka tindakan yang bermanfaat mencapai 98-99 persen. Tambahkan ke kekuatan, keandalan, ukuran kecil ini - dan Anda akan memahami mengapa produksi penyearah semikonduktor mendapat perhatian khusus dalam Arahan Kongres Partai ke-20.

Tapi mari kita kembali ke detektor kita.

Pada saat detektor pertama kali muncul, detektor tersebut masih sangat tidak sempurna. Terkadang butuh banyak usaha untuk menemukan titik sensitif. Mata air terus melompat dari sana. Saya harus menyesuaikan receiver berulang kali. Para insinyur mengerahkan banyak kecerdikan untuk meningkatkan detektor.

Perangkat semikonduktor modern adalah pewaris detektor primitif pertama dan dioda tabung vakum.

Pada tahun 1919, seorang amatir radio muda, Oleg Vladimirovich Losev, tertarik untuk meningkatkan detektor. Bermimpi mengabdikan hidupnya untuk teknik radio, ia memulai dengan bekerja sebagai pembawa pesan di laboratorium radio Nizhny Novgorod pertama di (112) negara kita. Di sini mereka memperhatikan seorang pemuda yang ingin tahu dan berbakat. Staf laboratorium membantunya menyelesaikan pendidikannya, dan Losev segera memulai karya ilmiah independen. Dia dengan cermat memeriksa mineral alami yang digunakan sebagai detektor, mempelajari sifat listriknya, dan pada tahun 1922 menemukan penemuan yang tidak terduga. Ilmuwan muda ini membuktikan bahwa jika dua detektor dan sebuah baterai listrik dimasukkan ke dalam rangkaian penerima dengan cara yang khusus, maka getaran listrik yang masuk ke headphone dapat diperkuat.

Untuk saat itu, penemuan Losev sangatlah penting. Lagi pula, penerima detektor biasa memungkinkan untuk hanya mendengarkan stasiun terdekat. Penerimaan jarak jauh, terutama di kota-kota yang banyak gangguan dan sulit memasang antena yang tinggi dan panjang, ternyata hampir mustahil. Dan penerima Losev, yang dia telepon kristadin, dengan percaya diri menerima siaran dari stasiun radio yang relatif jauh. Penemunya juga membuat perangkat lain menggunakan kristal - generator, yaitu pembangkit osilasi listrik.

Losev segera mempublikasikan penemuannya tanpa mematenkannya atau menuntut imbalan uang apa pun atas penemuannya. Di banyak negara, amatir radio mulai membuat receiver berdasarkan desainnya. majalah Amerika menulis: “Penemu muda Rusia menyampaikan penemuannya kepada dunia.” Majalah Prancis menggemakan: (113) “Kemuliaan ilmiah menanti Losev. Dia mempublikasikan penemuannya, pertama-tama memikirkan teman-temannya - amatir radio di seluruh dunia."

Selama beberapa tahun nama penemunya tidak meninggalkan halaman majalah, tetapi kemudian semakin jarang muncul. Pada akhir tahun 20-an, idenya - menggunakan kristal untuk memperkuat dan membangkitkan getaran listrik - dilupakan. Ilmu pengetahuan belum matang untuk mengembangkan rencana ini secara kreatif dan konstruktif. Tidak ada teori tentang semikonduktor; hampir tidak ada kemampuan untuk menciptakan zat semacam itu secara artifisial. Semua harapan para insinyur radio terfokus pada inovasi lain - tabung radio.

Para amatir radio dari generasi yang lebih tua mengingat dengan baik tahun-tahun pertama perjalanan kemenangan tabung radio. Di jutaan radio, kaca dan logam berkilau, perangkat halus dan rapuh ini berjejer dalam barisan yang megah. Betapa sempurna tampilannya dibandingkan dengan detektor batu primitif!

Tabung radio memang punya sesuatu yang bisa dibanggakan. Lagi pula, bersama mereka kami mendapat kesempatan untuk mendengarkan radio tanpa headphone yang mengganggu! Saat itulah pengeras suara pertama mulai terdengar di rumah kami.

Apa fungsi tabung radio?

Ingat bagaimana Anda mencuci muka di keran pagi ini. Jika keran disetel dengan baik, cukup dengan menyentuhnya sedikit, dan alirannya akan berkurang atau, sebaliknya, bertambah. Upaya tangan yang tidak signifikan menyebabkan perubahan aliran air secara tiba-tiba.

Hal serupa terjadi di tabung radio. Di sana, fluktuasi halus pada medan listrik antena mengubah aliran elektron yang kuat.

Rangkaian triode vakum. Di sebelah kiri - lampu "tidak terkunci"; di sebelah kanan - "terkunci".

Bagaimana hal ini dapat dicapai secara praktis?

Tabung radio yang paling sederhana adalah wadah kaca yang bebas dari udara. Melihat ke dalam, kita akan melihat tiga elektroda logam yang diisolasi satu sama lain: katoda, jaringan, dan anoda. Katoda dan anoda dimasukkan dalam rangkaian listrik eksternal dengan tegangan tinggi tegangan konstan. Dan sinyal antena yang lemah disuplai ke jaringan.

Filamen katoda tipis dipanaskan oleh arus listrik. Oleh karena itu, elektron terbang keluar darinya. Tertangkap bidang yang kuat, mereka segera bergegas ke anoda. Tapi di jalur elektron ada spiral wire mesh. Dengan medannya yang kecil, ia secara nyata mempengaruhi elektron-elektron yang terbang di dekatnya: ia membiarkannya lewat dengan bebas, atau memperlambat penerbangannya, melemahkan arus yang mengalir melalui lampu, atau, akhirnya, melemparkan elektron kembali ke katoda - “mengunci” lampu. Semua perubahan aliran elektron terjadi seiring dengan perubahan medan listrik jaringan. Aliran elektron seperti pancaran air di dalam pipa, dan jaringnya menyerupai keran. Dan seperti gerakan ringan keran yang menimbulkan guncangan tajam pada air di dalam pipa, demikian pula sinyal lemah yang ditangkap oleh antena menyebabkan denyut arus yang nyata di dalam tabung radio. (115)

Sinyal dapat diperkuat berkali-kali dalam beberapa lampu berturut-turut. Dan tidak hanya untuk memperkuatnya. Tabung radio dengan dua elektroda (tanpa grid) diperbaiki arus bolak-balik- Memainkan peran detektor. Tabung radio yang dilengkapi dengan elektroda tambahan mengontrol aliran elektron dengan sangat halus. Terakhir, tidak sulit untuk membangkitkan berbagai getaran listrik pada perangkat ini.

Di tangan para ilmuwan dan insinyur, tabung radio telah menjadi sarana kemajuan teknologi yang ampuh. Terus berkembang, dalam beberapa tahun ia menaklukkan semua teknologi radio. Berkat dia, televisi berkembang, navigasi radar dan radio muncul, dan dengan partisipasinya, sinema suara, rekaman suara magnetik, dan banyak penemuan luar biasa lainnya muncul. Sebuah revolusi teknis yang nyata terjadi, yang menghidupkan bidang pengetahuan baru yang luas - elektronik.

Tampaknya masa depan teknik radio terkait erat dengan tabung radio. Namun, beberapa dekade berlalu, dan lambat laun menjadi jelas bahwa tabung radio tidaklah begitu sempurna.

Selama musim dingin di kutub, operator radio kehilangan koneksi yang sulit terjalin - lampu lain padam. Pilot tidak berhasil mendaratkan pesawat - lampu radio di dalam pesawat tidak dapat menahan guncangan dan rusak. Dalam sebagian besar kasus, perangkat radio apa pun rusak karena rapuhnya lampu. Masa pakai mereka, yang diperkirakan mencapai ratusan dan ribuan jam, tidak lagi memuaskan teknologi. Dan sedikit demi sedikit mereka memperoleh reputasi sebagai elemen sistem radio yang paling tidak dapat diandalkan dan berubah-ubah.

Kemudian dimensi tabung radio tersebut ternyata terlalu besar. Lagipula, perangkat radio modern lainnya jumlahnya lebih dari seratus, bahkan lebih dari seribu. Tidak mudah (116) bagi perancang untuk menata peralatan ini agar tidak memakan terlalu banyak ruang.

Semua ini memaksa para insinyur radio untuk secara serius mempertimbangkan untuk mengganti tabung radio dengan beberapa perangkat kompak dan andal lainnya.

Pencarian solusi baru dimulai.

Setiap radio tabung, menurut para ilmuwan, menggabungkan elemen struktural yang sulit dipadukan: benda padat dan… kekosongan. Kabel, kapasitor, kumparan, resistansi - semuanya kokoh, semua ini dapat diperbaiki, dibuat kokoh, untuk waktu yang lama. Bagaimana dengan tabung radio? Untuk meningkatkan daya tahan, silinder lampu terbuat dari logam, plastik khusus, dan keramik. Hal ini tentu saja membantu. Namun, ketidaknyamanan utama - kekosongan - tetap ada. Penting untuk memasang elektroda kompleks di dalamnya dan memanaskan filamen katoda. Segala sesuatu di sana lembut, halus, takut guncangan dan guncangan.

Tampaknya kekosongan tidak tergantikan. Di dalamnya, aliran elektronik tampaknya terekspos, dapat diakses oleh regulasi, dan berada di bawah pengaruh medan listrik lemah dari jaringan tabung radio.

Namun, apakah hanya dalam ruang hampa saja pergerakan elektron dapat dikendalikan?

Bagaimana jika kita mencoba kristal semikonduktor dan bukannya kekosongan? Jelasnya, perlu untuk mengalirkan arus melaluinya dan mengubah konduktivitas listrik kristal dari luar. Tapi bagaimana Anda bisa mengubahnya? Apakah mungkin untuk mencapai hal ini?

Nasib seluruh perkembangan teknologi radio selanjutnya bergantung pada pemecahan masalah ini.

Dengan demikian, gagasan O.V. Losev tentang penguat dan osilator pada kristal dihidupkan kembali dengan dasar baru. (117)

Tentu saja banyak yang berubah pada dirinya. Penggunaan detektor konvensional untuk tujuan ini menjadi tidak praktis. Pengaruhnya kecil. Pembicaraannya adalah tentang menciptakan perangkat kristal yang dapat bersaing dengan tabung radio modern.

Kami tidak segera menemukan cara untuk menyelesaikan masalah tersebut. Ada banyak kegagalan, kehancuran, dan keraguan yang tidak menguntungkan. Namun pada akhirnya jawabannya ditemukan: ya, konduktivitas kristal dapat dikontrol, dimungkinkan untuk membuat perangkat semikonduktor - pengganti tabung radio. Teori perangkat dikembangkan Fisikawan Amerika William Shockley. Rekan senegaranya, Bardeen dan Brattain, pada tahun 1948 menciptakan sampel perangkat pertama yang disebut trioda kristal atau transistor.

Bagaimana cara pembuatannya? Kami akan membicarakan hal ini lebih jauh. Pertama, beberapa kata tentang bahan dari mana mereka dibuat.

Trioda kristal dibuat terutama dari semikonduktor germanium. Kami telah menyebutkan penerapan zat ini, yang memainkan peran besar dalam perkembangan fisika dan teknologi semikonduktor. Halaman menarik lainnya dalam sejarah ilmu pengetahuan alam terkait dengannya.

Elemen kristal germanium adalah semikonduktor terpenting. Di depannya ada satu kristal germanium.

Pada tahun 1869, ketika Dmitry Ivanovich Mendeleev membuat tabel periodiknya yang terkenal, tidak ada yang mencurigai keberadaan germanium. Namun ahli kimia yang brilian, karena alasan teoretis semata, meramalkan penemuannya. Ilmuwan memberinya tempat di tabel bertingkatnya dan bahkan menjelaskan sebelumnya apa saja sifat utamanya. Menurut hukum periodik, zat ini, yang tidak diketahui pada waktu itu, seharusnya dalam banyak hal mirip dengan unsur silikon yang diketahui. Mendeleev (118) oleh karena itu memberinya nama konvensional ekasilicium (silikon - nama latin silikon, dan awalan “eka” dalam bahasa Sansekerta berarti “serupa”).

Enam belas tahun kemudian, visi luar biasa itu menjadi kenyataan. Peneliti Jerman Winkler menemukan eca-silikon di salah satu mineral alami dan memberinya nama tanah airnya. Ini merupakan kemenangan sejati pemikiran ilmiah.

“Hampir tidak mungkin,” tulis Winkler, “untuk menemukan bukti yang lebih mencolok mengenai keabsahan doktrin periodisitas... Ini bukan sekadar konfirmasi atas teori yang berani; di sini kita melihat... sebuah langkah yang kuat dalam bidang pengetahuan.”

Aplikasi praktis lagi elemen terbuka Awalnya saya hampir tidak mengerti. Untuk waktu yang lama kristalnya yang berkilau abu-abu keperakan hanya berfungsi sebagai pameran unik dalam koleksi bahan kimia. Tapi untuk beberapa tahun terakhir germanium menjadi bahan teknis terpenting. Dan dia mencapai puncak kejayaan segera setelah dia menjadi dasar perangkat kristal - pengganti tabung radio.

Ini dia di depan kita - triode germanium, kristal, menggantikan kekosongan, menggantikan gelembung kaca tabung radio. Bentuknya seperti jamur kecil seukuran kacang polong. Tiga kabel memanjang dari tutupnya.

Trioda semikonduktor. Betapa lebih kecilnya mereka dibandingkan tabung radio!

Bukalah, dan Anda akan melihat bahwa bahkan dalam perangkat baja mini, sebagian besar volumenya ditempati (119) oleh badan, yaitu cangkang. Dan kristal itu sendiri sepuluh kali lebih kecil.

Mari kita cari tahu cara kerja perangkat, cara mengontrol aliran elektron. Di dudukan logam disebut basis, sepiring kristal germanium dengan konduktivitas elektronik dalam keadaan diam. Pada permukaan atas Kristal tersebut telah diproses secara khusus untuk menciptakan area dengan konduktivitas lubang. Seperti biasa dalam kasus seperti ini, lapisan pemblokiran muncul di antara daerah lubang dan elektron. Ujung dua kawat platina yang sangat tipis dipasang berdampingan pada permukaan kristal. Salah satunya disebut emitor, Lainnya - pengumpul.

Emitor, kolektor dan basis adalah tiga elektroda penguat kristal. Mereka sesuai dengan katoda, anoda dan jaringan tabung radio. Tetapi kristal yang dimasukkan ke dalam rangkaian amplifikasi berbeda dari tabung radio.

Sumber sinyal kendali dihubungkan antara basis dan emitor. Peralihan dilakukan sedemikian rupa sehingga lapisan pemblokiran tidak menjadi penghalang sinyal kendali (medan listrik sinyal diarahkan melawan medan listrik lapisan pemblokiran). Sumber arus tegangan relatif tinggi yang akan dikontrol diumpankan melalui resistor ke kolektor dan basis. Tapi itu termasuk di dalamnya arah berlawanan sehingga lapisan pemblokiran tidak membiarkan arus melewatinya.

Rangkaian triode semikonduktor.

Skemanya sudah siap. Mari kita kirim sinyal kontrol.

Pulsa medan listrik memasuki daerah lubang kristal melalui kawat emitor. Itu membuat lubang di lapisan penghalang dan membuat lubang ke dalamnya. Jadi, lubang seolah-olah disuntikkan oleh emitor ke wilayah elektronik kristal. Berkeliaran sebentar di dalam kristal, mereka berhasil masuk ke bawah kawat kolektor. Dan ketika lapisan penghalang diperkaya dengan lubang untuk sementara waktu, lapisan tersebut menjadi konduktif secara elektrik untuk arus tegangan tinggi yang terhubung antara basis dan kolektor. Dorongan arus ini terbang melalui lapisan penghalang ke arah “terlarang”. Hal ini langsung mempengaruhi keadaan sirkuit eksternal perangkat. Sinyal yang diperkuat muncul di sana. Semakin dekat ujung kabel emitor dan kolektor pada kristal, semakin signifikan.

Jadi, kami memperkuat sinyal listrik yang lemah menggunakan kristal dan melakukannya tanpa tabung radio. Kristal itu dapat diandalkan. Itu keras dan tahan lama. Itu tidak akan pecah atau pecah seperti wadah kaca. (121)

Pemrosesan khusus kristal germanium memungkinkan terciptanya apa yang disebut trioda semikonduktor planar. Di dalamnya, kristal dibagi menjadi tiga secara relatif wilayah yang luas konduktivitas elektron dan lubang.

Trioda planar tidak memerlukan kabel timah tipis, sehingga lebih kuat dan tahan lama. Selain itu, mereka mampu mengalirkan arus yang lebih besar melalui dirinya sendiri dan beroperasi dengan lebih stabil.

Amplifier semikonduktor dibedakan oleh properti luar biasa lainnya - efisiensi. Bagaimanapun, mereka tidak perlu membuang energi untuk memanaskan katoda atau menciptakan medan listrik yang kuat. Jika efisiensi tabung radio hanya sepersekian persen, maka pada trioda kristal mencapai 50-60 persen.

Ada keuntungan besar dalam semua ini. Namun perangkat semikonduktor juga memiliki kelemahan.

Input dan lapisan tertipis, jarak antar elektroda yang tidak signifikan - semua ini, tampaknya, membuat triode kristal bekerja sangat cepat, mampu memperkuat osilasi listrik yang sangat sering. Faktanya justru sebaliknya. Dalam benda padat, dalam kristal, elektron tidak sebebas dalam kekosongan tabung radio. Mereka tampaknya terbatas dalam kemampuannya untuk mengubah gerakannya, dan oleh karena itu osilasi listrik frekuensi sangat tinggi, yang sangat penting dalam teknik radio modern, belum dapat diakses oleh perangkat kristal.

Di banyak negara, fisikawan berupaya membuat perangkat semikonduktor lebih gesit dan cepat. Beberapa kemajuan telah dicapai sepanjang jalur ini. Yang cukup efisien, misalnya, adalah trioda, yang permukaan luarnya bersifat elektronik, dan kristalnya sendiri berbasis lubang. Kemudian emitor menyuntikkan elektron ke dalam lapisan pemblokiran, dan elektron tersebut hampir dua kali lebih mobile dibandingkan lubang. Hasilnya (122), proses yang kita bicarakan terjadi lebih cepat. Trioda kristal modern jenis ini berhasil memperkuat hingga sepuluh juta osilasi listrik setiap detik.

Amplifier kristal yang lebih canggih telah muncul - tetroda- dengan empat area semikonduktor dengan konduktivitas berbeda. Di antara kristal, ini adalah pemegang rekor tindakan tercepat. Mereka menggairahkan atau memperkuat puluhan, ratusan, bahkan ribuan juta osilasi listrik per detik. Osilasi yang lebih sering masih terjadi dan, tentu saja, akan tetap menjadi domain elektronik vakum,

Ada kelemahan lain pada perangkat baru ini. Belum mungkin membuat peralatan berdaya tinggi menggunakan kristal. Germanium sangat mengubah sifat-sifatnya ketika dipanaskan. Amplifier Germanium tidak dapat menahan peningkatan suhu dengan susah payah. Itulah sebabnya akhir-akhir ini masyarakat semakin memilih untuk membuat perangkat kristal dari silikon. Mereka tidak terlalu berubah-ubah.

Benar, solusi menarik mungkin terjadi di sini: memasukkan amplifier kristal kecil ke dalam lemari es listrik semikonduktor mini (Anda membacanya di atas - di bab “Mengejar Panas”). Eksperimen semacam itu dilakukan dan diberikan hasil yang bagus.

Namun, terkadang penguat kristal, meskipun telah dilakukan semua tindakan pencegahan, tiba-tiba mengubah propertinya tanpa alasan yang jelas. Perangkat dengan tipe yang sama tidak selalu bekerja dengan cara yang sama. Hanya ada satu alasan: fitur perangkat semikonduktor belum dipelajari secara memadai, dan teknologi produksinya belum sepenuhnya dikembangkan. Oleh karena itu, sangatlah keliru jika berpikir bahwa tabung radio di mana-mana akan segera digantikan oleh semikonduktor.

Semikonduktor juga ternyata sangat berguna dalam pengembangan elektronika vakum. Mereka digunakan untuk menghasilkan sumber elektron baru yang sangat efisien untuk tabung radio, perangkat yang memicu pelepasan merkuri (123) penyearah, dan banyak lagi. Bukan permusuhan, tetapi persaingan persahabatan sedang terjadi antara semikonduktor dan perangkat vakum.

Di kedua bidang tersebut, masih banyak penelitian yang harus dilakukan, pencarian sistem baru, solusi desain baru. Elektronik vakum diperkaya dengan penemuan luar biasa. Pada saat yang sama, perangkat radio semikonduktor ditingkatkan setiap tahun. Sekelompok besar ilmuwan, insinyur, dan amatir radio bekerja tanpa kenal lelah, membuka jalan bagi kristal dengan kerja keras mereka.

Segala sesuatu tentang perangkat kristal kompak dan sederhana. Namun kesederhanaan ini tidaklah mudah. Karya kerawang telah dimasukkan ke dalam amplifier semikonduktor mini.

Pertama, blanko germanium digergaji dengan gergaji berlian menjadi pelat tertipis pada mesin khusus. Anda bahkan tidak dapat memegangnya - ukurannya sangat kecil. Meskipun demikian, mereka disortir dan dibersihkan dengan larutan kimia. Melihat melalui mikroskop, sulur-sulur kabel yang hampir tak terlihat dilekatkan pada kristal, dan ujung yang berlawanan disolder ke kabel yang lebih tebal. Kemudian mereka melapisi perangkat tersebut dengan pernis pelindung, menutupnya di dalam wadah, dan mengisi semua lubang dengan plastik khusus. Beberapa pengoperasian harus dilakukan di lingkungan tanpa udara, dan perakitan yang benar terus dipantau pengukuran listrik. Tapi ini masih jauh dari akhir. Masih banyak mengutak-atik amplifier semikonduktor sebelum akhirnya siap.

Hampir semua pengerjaan perhiasan ini dilakukan dengan tangan. Dan mudah untuk membayangkan betapa luasnya pengalaman, betapa hebatnya keterampilan yang harus dimiliki oleh para perakit perangkat radio semikonduktor.

Insinyur dan ilmuwan kini mendorong mekanisasi dan (124) bahkan otomatisasi produksi dioda kristal dan trioda.

Alih-alih gergaji berlian, USG mulai digunakan untuk memotong germanium dan silikon. Pisau silet pengaman, yang dipasang pada batang generator ultrasonik yang sering bergetar, dimasukkan ke dalam kristal rapuh seperti pisau meja ke dalam mentega. Dan dengan cara biasa, memproses semikonduktor kristal lainnya sama sulitnya dengan, katakanlah, memotong bintang berpola dari kerupuk teh. Ultrasonografi menghemat bahan di sini (lebih sedikit serbuk gergaji yang diperoleh, tidak diperlukan berlian berharga), mempercepat pekerjaan, dan yang paling penting, membuka kemungkinan mekanisasinya.

Berlaku juga cara asli pemrosesan kristal secara elektrokimia. Untuk beberapa jenis trioda semikonduktor planar, diperlukan pelat germanium yang sangat tipis (0,005 milimeter). Anda tidak akan mendapatkannya dengan penyelesaian mekanis apa pun. Namun jalan keluar masih ditemukan.

Semburan tipis larutan etsa diarahkan ke pelat kristal germanium dari kedua sisi. Mereka secara bersamaan memainkan peran kabel: arus listrik dari baterai dilewatkan melalui lapisan semikonduktor. Selama satu setengah hingga dua menit kristal terkorosi dengan metode elektrokimia ini. Lubang terbentuk di kedua sisi lempeng germanium, di antaranya terdapat lapisan tipis semikonduktor.

Kemudian permukaan film dilapisi dengan lapisan logam menggunakan metode elektrokimia yang sama.

Selama pemrosesan, perlu untuk mengatur kekuatan arus dalam pancaran larutan dan semikonduktor secara konstan dan sangat halus. Penyetelan dilakukan dengan sinar yang diarahkan ke pelat germanium. Bagaimanapun, semikonduktor ini secara signifikan meningkatkan konduktivitasnya ketika diterangi. Semakin kuat cahaya yang diarahkan padanya, semakin besar konduktivitas listrik pelat tersebut; akibatnya, arus (125) yang mengalir melaluinya dan pancaran larutan etsa meningkat.

Dalam produksi trioda planar, fenomena difusi juga digunakan - penetrasi atom yang lambat dari satu zat ke dalam ketebalan zat lain.

Teknik luar biasa lainnya untuk membuat perangkat radio kristal juga diusulkan.

Beberapa ilmuwan percaya bahwa ada kemungkinan untuk menumbuhkan kristal dengan lapisan yang berbeda. Menurut sejumlah ahli, seluruh sistem radio-elektronik dapat dibuat dalam satu kristal kecil - seperti halnya ahli kimia telah lama memproduksi kristal biasa dari larutan. Penerima radio yang dibuat dalam labu atau wadah dengan cara kimia! Apa yang lebih menakjubkan!

Mesin perhiasan unik untuk merakit amplifier kristal juga muncul. Teknologi bergerak menuju produksi perangkat semikonduktor yang benar-benar diproduksi secara massal dan menjadikannya lebih kecil. Para insinyur sekarang secara serius membicarakan tentang pembuatan matriks dengan volume kubus anak-anak ribu triode kristal. Dan mereka tidak hanya berbicara, tetapi juga bekerja keras untuk mengatasi masalah ini.

Sebuah penemuan besar tidak pernah terisolasi. Ini mengedepankan tugas-tugas baru dan memupuk pemikiran kreatif di bidang terkait. Hal ini terutama terlihat jelas dalam contoh pengenalan semikonduktor ke dalam teknik radio.

Segera setelah sampel pertama penguat kristal dibuat, menjadi jelas bahwa ukuran perangkat radio dapat dikurangi secara drastis. Namun pertanyaan segera muncul: bagaimana dengan antenanya? Akankah itu tetap bertahan seperti sebelumnya? Atau, katakanlah, kumparan induksi, kapasitor? Lagi pula, jika tidak dikurangi, akan terjadi disproporsi (126) - dan tidak hanya pada ukuran bagian-bagiannya, tetapi juga pada tingkat teknisnya. Faktanya, menempatkan kumparan kawat besar di samping amplifier semikonduktor kecil, ideal dalam kesederhanaan dan kesempurnaan, mungkin sama dengan menyalakan kereta bawah tanah dengan lilin. Jadi tugasnya menjadi matang: mengubah semua komponen radio, melengkapi kembali semua peralatan radio praktis.

Dan sekali lagi, semikonduktor datang untuk menyelamatkan di sini, terutama bahan yang disebut ferit.

Setiap orang pernah melihat magnet tapal kuda. Anda akan menemukannya di pengeras suara, di generator listrik mana pun, di magnet mobil. Magnet permanen memiliki kelemahan serius - yaitu berat. Untuk membuatnya lebih ringan, para ilmuwan logam telah mengembangkan paduan khusus. Beberapa di antaranya cukup berharga. Namun Anda tetap tidak bisa membuat logam menjadi sangat ringan.

Mari kita perhatikan ciri lain dari logam bahan magnetik: Mereka adalah konduktor listrik yang sangat baik. Properti ini bermanfaat digunakan dalam beberapa kasus - misalnya, selama pengerasan frekuensi tinggi. Medan bolak-balik mempercepat elektron dalam logam. Timbul pusaran arus listrik yang dengan cepat meningkatkan suhu. Inilah yang diperlukan di sini. Namun dalam kasus lain, pemanasan berbahaya.

Ambil contoh, inti transformator. Tidak perlu dipanaskan sama sekali. Sebab, hal ini memerlukan tenaga ekstra. Selain itu, arus eddy mencegah logam magnetis mengalami demagnetisasi dan magnetisasi dengan cepat serta memperlambat proses tersebut. Dan perangkat radio modern sering kali membutuhkan perangkat yang sangat “lincah” zat magnetis.

Teknisi listrik dan radio berupaya keras untuk menghilangkannya arus eddy. Diputuskan untuk membuat inti transformator, tersedak, dan kumparan dari pelat besi tipis yang dilapisi dengan pernis isolasi. Inti semacam itu dibuat dari massa isolasi yang diselingi dengan serbuk besi. Hal ini membawa beberapa manfaat (127), tapi saya menginginkan lebih. Yang ideal adalah menemukan zat magnetik ringan yang hampir tidak menghantarkan arus listrik.

Ternyata seperti itulah ferit.

Ferit memiliki penampilan sehari-hari. Pelat, cincin, batang yang tidak mencolok berwarna abu-abu kehitaman. Mereka terbuat dari zat paling umum yang tersebar luas di alam - oksida besi dan beberapa logam lainnya. Magnetit bijih biasa juga milik mereka.

Bahkan pada abad terakhir, ahli kimia mengetahui komposisi senyawa tersebut struktur internal, sifat dasar. Tampaknya ilmu pengetahuan telah lama mengambil dari mereka segala sesuatu yang dapat mereka berikan kepada manusia.

Namun kenyataannya ternyata berbeda. Beberapa tahun lalu, fisikawan mulai mempelajari ferit. Mereka mulai menggilingnya menjadi bubuk, mencampurkannya dalam proporsi berbeda, memerasnya, membakarnya, dan mensinternya. Dan ternyata jika bahan-bahan tersebut diolah dengan cara khusus, maka diperoleh kombinasi yang beragam dan sangat berharga sifat listrik dengan yang magnetis.

Di antara ferit, terdapat material yang termagnetisasi dengan kecepatan kilat bahkan dalam medan magnet yang lemah dan juga dengan cepat mengubah magnetisasi seiring dengan perubahan medan magnet. Batang yang dibungkus kawat dari bahan tersebut dapat berfungsi sebagai antena yang sangat baik.

Batang seperti itu sekarang dapat dilihat di banyak radio dan televisi baru. Antenanya sangat kecil sehingga dipasang langsung ke dalam housing. Misalnya, receiver Dorozhny dilengkapi antena sepanjang pensil. Ini menggantikan kawat logam bermeter-meter. Antena ferit magnetis bahkan bisa seukuran korek api! (128)

Inti ferit untuk kumparan, transformator, tersedak adalah hadiah yang luar biasa untuk teknik radio. Memiliki inti seperti itu, tidak perlu lagi bersusah payah untuk melawannya arus eddy, jaga kecepatan pembalikan magnetisasi. Sulit dipercaya bahwa spiral kecil bahan penghantar listrik yang diaplikasikan dengan kuas ke pelat ferit (dengan kata lain, digambar) akan memainkan peran yang sama pada receiver seperti yang biasanya dimainkan oleh receiver besar. kumparan induksi terbuat dari kawat.

Tentu saja spiral tidak hanya bisa digambar, tetapi juga dicetak. Tidak sulit untuk mencetak konduktor penghubung dan detail seperti resistansi (omong-omong, sekarang keduanya dapat dibuat seukuran titik yang ditinggalkan pensil tajam di atas kertas). Akhirnya, kapasitor bahkan dapat dicetak, tetapi tidak pada ferit, tetapi pada pelat yang terbuat dari bahan lain - feroelektrik, misalnya dari apa yang disebut barium titanat.

Barium titanat dan zat serupa lainnya juga merupakan bahan yang bagus untuk teknik radio modern. Beberapa tahun yang lalu properti berharga mereka terungkap Fisikawan Soviet Anggota Koresponden dari Akademi Ilmu Pengetahuan Uni Soviet B.M.Bul. Dengan menggunakannya, dimungkinkan untuk membuat kapasitor kecil (129) - varikond - dengan sifat luar biasa, untuk membuat antena mini dan perangkat lain yang sangat menyederhanakan peralatan radio.

Pengenalan dioda dan trioda kristal, bagian ferit, varikond menunjukkan bahwa bahkan sistem radio yang kompleks - seluruh pemancar radio atau penerima radio - dapat dikurangi hingga ukuran yang dapat diabaikan. Peluang terbuka untuk membuatnya seluruhnya dengan cara tipografi yang unik, mirip dengan cara pembuatan kartu pos atau prangko.

Perangkat radio apa pun harus diberi daya. Dibutuhkan puluhan watt untuk mengoperasikan receiver rumah. Mereka diambil dari jaringan penerangan, dari baterai, dan baru-baru ini dari generator termoelektrik yang sudah kita kenal.

Bagaimana jika radio seukuran prangko dan hanya dijahit di kerah jaket? Apakah perangkat tersebut juga harus dicolokkan ke jaringan atau dihubungkan ke baterai yang berat dan besar?

Tidak, catu daya seperti itu tidak diperlukan untuk perangkat radio semikonduktor mini. Ini akan membutuhkan energi puluhan, ratusan, bahkan ribuan kali lebih sedikit dibandingkan perangkat radio konvensional modern. Oleh karena itu, baterai kecil akan cukup baginya, yang kini telah mereka pelajari untuk membuatnya menjadi luas dan tahan lama.

Ini salah satunya - ukurannya setengah korek api. Beratnya 5 gram, masa pakainya lebih dari setahun. Ada baterai seukuran kancing dengan masa pakai dua tahun. Ada juga baterai kecil.

Mungkin yang lebih menarik lagi adalah apa yang disebut baterai atom. Masa berlaku berkelanjutannya lebih dari dua puluh tahun. (130)

Desain baterai atom menyerupai fotosel katup semikonduktor, hanya saja sumber energi di dalamnya bukan cahaya, melainkan radiasi radioaktif. Kristal silikon, di mana daerah elektron dan lubang dibuat melalui pemrosesan khusus, dilapisi dengan lapisan strontium radioaktif, suatu zat yang tidak sulit diperoleh dalam ketel nuklir. Saat mengalami peluruhan, atom strontium memancarkan apa yang disebut sinar beta, yaitu aliran elektron.

Masing-masing dari mereka, memasuki semikonduktor, melepaskan sekitar dua ratus ribu elektron konduksi di dalamnya.

Baterai semacam itu dapat dipasang ke dalam penerima radio tepat pada saat pembuatannya, dan akan berfungsi sampai penerima tersebut menjadi usang (Anda dapat menjamin bahwa hal ini pasti akan terjadi dalam dua puluh tahun).

Namun, perangkat radio semikonduktor terkadang tidak memerlukan baterai sama sekali. Energi dapat diberikan kepada mereka, misalnya, melalui fotosel katup - perangkap cahaya. Baru-baru ini, penerima radio saku “surya” dengan empat amplifier kristal dibuat oleh para insinyur dari sebuah perusahaan Amerika. Simpan saja di tempat terang sebentar, lalu bisa bekerja selama lima ratus jam dalam kegelapan total. Berat receiver ini 280 gram.

Akhirnya, amatir radio menemukan cara luar biasa lainnya untuk memberi daya pada perangkat radio tanpa baterai. Radio semikonduktor kecil menyediakan listrik... suara seseorang sama dengan suara yang ditransmisikan melalui radio.

Anda berbicara melalui mikrofon. Di sana, suara suara diubah menjadi impuls listrik. Sebagian energi dari arus pulsasi yang dihasilkan dikirim ke pemancar radio untuk diperkuat dan diubah menjadi gelombang radio. Dan sebagian kecil dari arus mikrofon dihaluskan dalam perangkat khusus dan disuplai ke pemancar (131) yang sama, dan pada saat yang sama ke penerima yang menerima sinyal radio respons. Dengan bantuan kristal semikonduktor, suara diubah menjadi gelombang radio. Keseluruhan sistem ini sangat kompak: stasiun radio cocok dengan wadah mikrofon.

Mari kita bertanya kepada seorang insinyur radio dan penggemar semikonduktor:

Jenis apa ukuran terkecil dapatkah perangkat radio pada kristal mencapainya?

Insinyur akan mengangkat bahu:

Saat ini, para ahli tidak akan terkejut membaca laporan tentang penerima radio seukuran sebutir gandum!

Mengagumi keajaiban ini, pencapaian ilmu pengetahuan yang luar biasa ini, pada saat yang sama kita tanpa sadar memikirkan kemungkinan-kemungkinan penerapan praktisnya. Dan jika kita berbicara tentang receiver seukuran sebutir gandum, muncul pertanyaan: mengapa perangkat radio mikroskopis seperti itu? Ini hanya cocok untuk radiofikasi sarang semut, bentuknya seperti pernak-pernik kutu baja, yang digambarkan Leskov dalam cerita “Kiri”. Ingat, “titik” kecil yang harus dililitkan dengan kunci, dan kemudian mulai menari. Jika perangkat radio kecil bisa menandingi kutu Leskov, lalu apa gunanya? Sama sekali tidak ada.

Tentu saja, teknologi radio semikonduktor tidak berupaya untuk mengurangi jumlah perangkat radio secara maksimal. Tujuannya bukan untuk membuat rekor mini, tetapi untuk mengakomodasi peralatan paling canggih dalam volume yang nyaman.

Seperti apa itu?

Penerima radio yang rumit (132) seukuran kotak rokok sudah menjadi barang langka. Anda memasukkannya ke dalam saku dan mendengarkan radio di bus listrik dalam perjalanan ke tempat kerja.

Instalasi radio pemancar dan penerima pada kristal dapat ditempatkan di kotak korek api. Ini sangat membantu, misalnya dalam olahraga. Seorang penerjun payung, yang pertama kali melemparkan dirinya dari pesawat ke jurang udara, berbicara dengan rekannya yang berpengalaman di darat, mendengarkan nasihatnya yang tenang. Pelatih memberikan instruksi kepada pemain ski slalom, perenang, dan pelari melalui radio.

Betapa bergunanya stasiun radio mini dalam industri konstruksi! Mandor tukang batu akan dapat terus menjaga kontak dengan operator derek. Tidak perlu memaksakan suara Anda dengan berteriak, tangisan "milikku" dan "vira" akan menjadi masa lalu, dan tidak perlu lagi menggunakan corong.

Berikutnya adalah peluang baru. Bayangkan telepon masa depan. Ini bisa berupa piringan hitam kecil di saku jaket, atau, katakanlah, pena yang dilengkapi peralatan khusus: di satu sisi ada mikrofon, di sisi lain ada lubang suara seperti biji pohon ek.

Telepon akan memiliki kabel yang tidak perlu. Gelombang radio ultrapendek akan menghubungkan apartemen, pabrik dan institusi kami dengan mobil dan pesawat terbang, dengan dengan kereta api dan pejalan kaki. Seseorang akan dapat melakukan percakapan telepon dimana saja, kapan saja, dan pada titik mana saja. Masalah ini sedang serius dibicarakan akhir-akhir ini di halaman majalah khusus. Sudah ada istilah yang diterima secara umum untuk koneksi semacam itu - “universal”.

Menurut Anda apakah mungkin bermain sepak bola dengan pemancar radio?

Sebuah pertanyaan dari seorang pria yang kehilangan akal sehatnya, katamu.

Ternyata jawaban ini terlalu terburu-buru.

Perangkat radio semikonduktor kini dibuat sangat kuat dan andal sehingga dapat dipasang pada ban bola tanpa risiko perangkat rusak akibat pukulan pemain sepak bola. Apa gunanya ini? Mengapa Anda membutuhkan stasiun radio di Ball?

Umum di Amerika permainan olahraga golf. Mereka memukul bola kecil yang keras dengan tongkat - bola itu melompat, menggelinding, mengenai lubang, tetapi terkadang hilang di rumput atau semak-semak. Pemain terkadang harus mencarinya dalam waktu lama. Maka, untuk mempercepat pencarian agar bola tersebut tidak hilang, mereka mengusulkan untuk memasang pemancar radio semikonduktor di dalamnya. Betapapun ketatnya bola, pemancar radio di dalamnya tetap beroperasi tanpa henti. Ini memancarkan sinyal radio yang dapat ditangkap oleh penerima dengan antena pengarah yang terpasang pada tongkat pemain. Jika (134) bola hilang, pemain menempelkan radio ke telinganya dan dengan mudah menemukan arah dari mana “suara” bola yang hilang itu terdengar. Sekarang sangat mudah untuk menemukannya.

Benar, penggunaan amplifier semikonduktor ini lebih bersifat periklanan daripada praktis. Untuk tujuan yang sama, pemancar radio pada kristal dipasang di palu tukang ledeng biasa. Anda dapat memukulnya dengan palu sebanyak yang Anda suka, perangkat tidak akan berhenti bekerja.

Ada banyak keanehan teknik radio dan mainan semikonduktor serupa yang dibuat saat ini. Mereka memberikan gambaran yang sangat jelas tentang nilai praktis terbesar dari dioda kristal dan trioda. Peralatan, yang biasa kita anggap halus dan rapuh, memperoleh kekuatan seperti batu. Itu dapat dipasang di roket ketinggian tinggi, bahkan di cangkang artileri - untuk mempelajari penerbangannya. Dalam lingkungan yang paling sibuk, ini akan berfungsi tanpa gagal.

Betapa kuatnya peralatan radio di pesawat terbang, helikopter, dan kapal laut dengan munculnya semikonduktor. Pukulan paling tajam dan guncangan terkuat tidak lagi menakutkan!

Kami hanya memberikan beberapa contoh layanan luar biasa dari teknologi radio semikonduktor. Mungkin itu bukan yang paling terbuka.

Namun sekarang masih sangat sulit untuk meramalkan beragam kemungkinan penggunaan semikonduktor di bidang ini. Hampir setiap hari membawa berita tentang penemuan baru, solusi baru.

Gambar di sebelah kanan menunjukkan kemungkinan tampilan TV yang seluruhnya terbuat dari semikonduktor. Alih-alih menggunakan tabung sinar katoda, ia akan menggunakan semacam layar bercahaya datar dengan jaring logam.

Mereka sedang membuat alat perekam suara seukuran wadah tinta. TV dibuat tanpa tabung vakum, dengan layar datar. Bisa digantung di dinding seperti gambar, atau diletakkan di meja seperti kalender meja. Suatu hari nanti juga akan ada TV saku - telepon video bergaya notebook.

Piano ditemukan sekitar dua ratus lima puluh tahun yang lalu. Biola, cello, dan berbagai pipa tembaga dan kayu diciptakan lebih awal.

Selama berabad-abad, semuanya telah mencapai kesempurnaan tertinggi. Kami dapat mengatakan dengan yakin: Anda tidak dapat menghasilkan suara yang lebih indah daripada alat musik modern dari senar, buluh, dan kolom udara yang bergetar. Namun apakah ini berarti tidak mungkin menciptakan suara yang lebih indah? Tentu saja tidak. Selama beberapa dekade terakhir, penggemar musik baru telah bermunculan - musik elektrik. Mereka membangun banyak instrumen dengan suara-suara indah yang sebelumnya tidak diketahui. Getaran listrik di sana (136) dilahirkan, diubah, dan diperkuat dalam tabung radio. Oleh karena itu, semua alat musik elektrik memiliki kelemahan dibandingkan radio tabung: berumur pendek, berat, dan besar. Misalnya, instrumen suara tunggal emiriton memiliki berat sekitar 90 kilogram. Terlalu banyak!

Saat ini, para pecinta musik elektrik sangat antusias mengikuti perkembangan semikonduktor. Organ listrik pertama dengan osilator kristal dan amplifier telah dibuat. Beberapa tahun akan berlalu - dan pipa, bel, dan tali listrik yang indah akan berdering di rumah kita, di taman, dan di jalanan. Komposer tidak hanya akan mulai membuat musik, tetapi juga warna nada baru. Alat musik elektrik yang ringan dan andal akan muncul, dapat diakses oleh semua orang, dan tidak memerlukan pembelajaran bertahun-tahun untuk menguasainya.

Diperkaya dengan ilmu pengetahuan, budaya musik akan menjadi lebih dekat dengan masyarakat.

Puncak dari elektronik modern tidak diragukan lagi adalah perangkat komputasi. Mereka melakukan perhitungan matematis yang rumit, mengoperasikan mesin, menerjemahkan teks dari satu bahasa ke bahasa lain, dan memecahkan masalah catur. Seseorang memberi sebuah mesin sebuah "instruksi", dan kemudian mesin itu sendiri, dalam beberapa jam atau bahkan menit, melakukan pekerjaan komputasi yang sangat besar - pekerjaan yang akan memakan waktu selama bertahun-tahun karya ratusan orang.

Komputer elektronik sangat kompleks dan tidak praktis. Mereka menempati aula besar, terkadang seluruh bangunan. Dan masing-masing memiliki ribuan tabung radio. Tidak sulit untuk memahami betapa luar biasa pengaruh penggunaan semikonduktor di sini. Mesin komputasi pada chip membutuhkan ruang beberapa kali lebih sedikit, jauh lebih ringan, konsumsi energinya jauh lebih hemat (137), dan yang paling penting, lebih andal. Cincin ferit berukuran tiga milimeter, dilintasi beberapa kabel tipis, dapat menggantikan sepasang tabung radio dan beberapa bagian lain dalam mesin hitung. Ferit jenis lain memainkan peran sel memori unik dari alat penghitung elektronik.

Di masa depan, tidak diragukan lagi akan ada komputer desktop, dan mungkin bahkan komputer berbasis semikonduktor berukuran saku. Ini akan menjadi sarana mekanisasi yang benar-benar komprehensif tidak hanya dari kerja fisik, tetapi juga mental seseorang.

Salah satu komponen komputer elektronik yang menggunakan tabung vakum. Di sebelah kiri adalah rakitan yang sama pada bagian ferit.

Teknologi komputasi elektronik akan membantu para ahli meteorologi, dan kita akan menerima ramalan cuaca yang akurat secara astronomis. Akuntan, pustakawan, dan petugas operator akan menginstruksikan mesin untuk menyusun berbagai katalog, laporan informasi, jadwal, dan laporan statistik.

Terhubung dengan lampu lalu lintas, komputer akan mengatur lalu lintas jalan.

Eksperimen pertama dalam pengendalian otomatis pergerakan pesawat dari darat telah dilakukan. Mengikuti perintah dari komputer elektronik, pesawat secara mandiri lepas landas, lepas landas, melakukan manuver, dan mendarat di tempat yang diinginkan (138). Seberapa jauh otomatisasi yang luar biasa ini meninggalkan mobil yang “terlihat” dalam cerita fiksi ilmiah!

Di industri perangkat elektronik akan mengelola bengkel dan seluruh pabrik. Seseorang akan memaksa mereka untuk mengeluarkan bahan mentah, mengontrol dan mengubah teknologi, menyortir, dan menghitung produk. Dan di mana pun di sini, semikonduktor akan memberikan layanan bebas masalah.

Zaman kita disebut awal zaman atom. Nama yang dibenarkan, tetapi tidak lengkap. Membangun kembali planet ini demi kepentingan umat manusia melibatkan banyak kemenangan besar bagi ilmu pengetahuan. Berikut pencapaiannya fisika nuklir, dan pesatnya perkembangan elektronik, dan kemajuan fisika semikonduktor, dan keberhasilan kimia yang menakjubkan. Ada teknologi yang kuat dan cerdas di bidang energi, metalurgi, teknik mesin, konstruksi, dan pertanian.

Studi tentang semikonduktor bergerak maju seiring dengan semua cabang terpenting dari pengetahuan dan industri presisi, dengan mengandalkan pengalaman mereka selama bertahun-tahun.

Pada gilirannya, fisika semikonduktor memperkaya bidang ilmu pengetahuan dan teknologi terkait.

Ternyata, misalnya bahan semikonduktor adalah katalis yang sangat baik - akselerator proses kimia. Anggota Terkait dari Akademi Ilmu Pengetahuan Uni Soviet S.Z. Roginsky mencatat pada sebuah konferensi ilmiah bahwa hingga saat ini para ahli kimia berada pada posisi “borjuis kecil di kalangan bangsawan.” Pahlawan Moliere tidak curiga bahwa dia telah berbicara dalam bentuk prosa sepanjang hidupnya, dan ahli kimia tidak mengetahui bahwa dalam banyak proses kimia mereka berurusan dengan semikonduktor, dengan proses elektronik dalam semikonduktor.

Industri instrumen harus menguasai fitur lain (139) semikonduktor - perpindahan arus listrik di dalamnya di bawah pengaruh medan magnet eksternal. Atas dasar ini, dimungkinkan untuk menciptakan kompas yang sangat sensitif dan akurat, untuk membangun perangkat yang mampu mendeteksi pergerakan objek hingga sepersepuluh juta milimeter!

Fisika semikonduktor juga harus menghadapi bidang pengetahuan yang tidak terduga untuk ilmu ini seperti fisiologi. Ternyata fenomena elektronik juga berperan penting di sini. Ahli fisiologi Hongaria E. Ernst baru-baru ini memperhatikan bahwa sejumlah ciri ciri proses saraf menemukan penjelasan sederhana jika kita berasumsi bahwa beberapa formasi struktural saraf adalah sejenis penyearah semikonduktor. Siapa tahu, mungkin ahli bedah, dengan menggunakan semikonduktor yang belum diketahui, akan belajar membuat saraf buatan!

Sifat mekanik zat semikonduktor belum cukup dipelajari. Sementara itu, bidang penelitiannya luas dan bermanfaat. Beberapa semikonduktor sangat kuat dan tahan panas—dapat menahan suhu lebih dari 4.000 derajat! Mungkin ruang bakar mesin dan peralatan pesawat ruang angkasa antarplanet suatu hari nanti akan dibuat dari bahan tersebut mesin nuklir.

Studi tentang semikonduktor saat ini telah mengangkat dihadapan kita hanya satu sudut tabir waktu yang menyembunyikan hari esok. Tetapi bahkan melalui celah ini kami melihat banyak hal. Di kota masa depan kami menjumpai bangunan-bangunan yang dipanaskan oleh embun beku, di gurun - perangkap energi pancaran yang menakjubkan. Kami meramalkan lahirnya energi matahari. Kami melihat penyebaran teknologi radio baru secara universal, kemenangan mesin miniatur dengan visi dan memori, dan menangkap suara alat musik yang belum pernah terdengar sebelumnya.

Ini adalah benih-benih masa depan kita. Namun mereka tidak mudah mendapatkannya. (140) Ribuan kendala besar dan kecil harus diatasi, teori semikonduktor - tidak hanya kristal, tetapi juga kaca dan cair - harus dikembangkan lebih lanjut, dan cara yang lebih baik untuk memurnikan dan memprosesnya harus ditemukan.

Pahlawan Buruh Sosialis, Akademisi A.F. Ioffe, ilmuwan Soviet tertua yang mengabdikan lebih dari seperempat abad untuk bekerja di bidang fisika semikonduktor, mengatakan: “Kita sedang memasuki era baru kemajuan teknis. Kita mempunyai cukup kekuatan dan kemampuan, baik moral maupun material, untuk memecahkan masalah-masalah dalam skala apa pun di tahun-tahun mendatang, dalam beberapa dekade mendatang.”

Para ilmuwan dan insinyur di negara Soviet dengan percaya diri menantikan hal ini. Orang-orang yang memiliki mimpi yang berani, pikiran yang jernih, penggemar ilmu pengetahuan yang tak kenal lelah, mereka saat ini sedang mempersiapkan apa yang akan menjadi milik rakyat di masa depan, yang akan dimasukkan dalam komunisme yang akan datang selama berabad-abad yang tak terhitung jumlahnya.

Semikonduktor yang paling terkenal adalah silikon (Si). Tapi selain dia, masih banyak orang lain. Contohnya adalah bahan semikonduktor alam seperti zinc blende (ZnS), cuprite (Cu 2 O), galena (PbS) dan masih banyak lagi lainnya. Keluarga semikonduktor, termasuk semikonduktor yang disintesis di laboratorium, mewakili salah satu kelas material paling serbaguna yang dikenal manusia.

Karakteristik semikonduktor

Dari 104 unsur dalam tabel periodik, 79 unsur merupakan logam, 25 unsur nonlogam, 13 unsur di antaranya bersifat semikonduktor, dan 12 unsur bersifat dielektrik. Perbedaan utama antara semikonduktor adalah konduktivitas listriknya meningkat secara signifikan seiring dengan meningkatnya suhu. Pada suhu rendah berperilaku seperti dielektrik, dan pada suhu tinggi berperilaku seperti konduktor. Inilah perbedaan semikonduktor dengan logam: resistansi logam meningkat sebanding dengan kenaikan suhu.

Perbedaan lain antara semikonduktor dan logam adalah resistansi semikonduktor turun di bawah pengaruh cahaya, sedangkan logam tidak terpengaruh oleh cahaya. Konduktivitas semikonduktor juga berubah ketika sejumlah kecil pengotor dimasukkan.

Semikonduktor ditemukan di antara senyawa kimia dengan berbagai struktur kristal. Ini bisa berupa unsur seperti silikon dan selenium, atau senyawa biner seperti galium arsenida. Banyak poliasetilen (CH) n, - bahan semikonduktor. Beberapa semikonduktor menunjukkan sifat magnetik (Cd 1-x Mn x Te) atau feroelektrik (SbSI). Lainnya, dengan doping yang cukup, menjadi superkonduktor (GeTe dan SrTiO 3). Banyak dari superkonduktor suhu tinggi yang baru ditemukan memiliki fase semikonduktor non-logam. Misalnya, La 2 CuO 4 adalah semikonduktor, tetapi setelah terbentuk paduan dengan Sr, ia menjadi superkonduktor (La 1-x Sr x) 2 CuO 4.

Buku teks fisika mendefinisikan semikonduktor sebagai bahan dengan hambatan listrik dari 10 -4 hingga 10 7 Ohm m. Definisi alternatif juga dimungkinkan. Celah pita semikonduktor adalah dari 0 hingga 3 eV. Logam dan semilogam adalah bahan dengan celah energi nol, dan zat yang melebihi 3 eV disebut isolator. Ada pengecualian. Misalnya, berlian semikonduktor memiliki lebar celah pita 6 eV, GaAs semi-isolasi - 1,5 eV. GaN, material untuk wilayah biru, memiliki celah pita sebesar 3,5 eV.

Kesenjangan energi

Orbital valensi atom dalam kisi kristal dibagi menjadi dua kelompok tingkat energi - pita bebas, terletak di tingkat tertinggi dan menentukan konduktivitas listrik semikonduktor, dan pita valensi, terletak di bawah. Tingkatan ini, bergantung pada simetri kisi kristal dan komposisi atom, dapat berpotongan atau terletak pada jarak satu sama lain. Dalam kasus terakhir, kesenjangan energi atau, dengan kata lain, zona terlarang muncul di antara zona tersebut.

Lokasi dan pengisian level menentukan sifat konduktivitas listrik suatu zat. Berdasarkan kriteria ini, zat dibedakan menjadi konduktor, isolator, dan semikonduktor. Celah pita semikonduktor bervariasi antara 0,01-3 eV, dan celah energi dielektrik melebihi 3 eV. Logam tidak memiliki kesenjangan energi karena tumpang tindih levelnya.

Semikonduktor dan dielektrik, berbeda dengan logam, memiliki pita valensi yang berisi elektron, dan pita bebas terdekat, atau pita konduksi, dibatasi dari pita valensi oleh celah energi - wilayah energi elektron terlarang.

Dalam dielektrik, energi panas atau medan listrik kecil tidak cukup untuk melompat melalui celah ini; elektron tidak memasuki pita konduksi. Mereka tidak mampu bergerak sepanjang kisi kristal dan menjadi pembawa arus listrik.

Untuk memulai konduktivitas listrik, elektron pada tingkat valensi harus diberi energi yang cukup untuk mengatasi kesenjangan energi. Hanya dengan menyerap sejumlah energi yang tidak kurang dari besarnya celah energi barulah elektron berpindah dari tingkat valensi ke tingkat konduksi.

Jika lebar celah energi melebihi 4 eV, eksitasi konduktivitas semikonduktor dengan iradiasi atau pemanasan praktis tidak mungkin dilakukan - energi eksitasi elektron pada suhu leleh tidak cukup untuk melompati zona celah energi. Jika dipanaskan, kristal akan meleleh hingga terjadi konduksi elektronik. Zat tersebut termasuk kuarsa (dE = 5,2 eV), intan (dE = 5,1 eV), dan banyak garam.

Pengotor dan konduktivitas intrinsik semikonduktor

Kristal semikonduktor murni memiliki konduktivitasnya sendiri. Semikonduktor semacam ini disebut semikonduktor intrinsik. Semikonduktor intrinsik mengandung jumlah yang sama lubang dan elektron bebas. Ketika dipanaskan, konduktivitas intrinsik semikonduktor meningkat. Pada suhu konstan, keadaan kesetimbangan dinamis muncul dalam jumlah yang terbentuk pasangan lubang elektron dan jumlah elektron dan lubang yang bergabung kembali, yang tetap konstan pada kondisi tertentu.

Kehadiran pengotor mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap konduktivitas listrik semikonduktor. Menambahkannya memungkinkan Anda untuk meningkatkan jumlah elektron bebas dengan jumlah lubang yang sedikit dan meningkatkan jumlah lubang dengan jumlah elektron yang sedikit pada tingkat konduksi. Semikonduktor pengotor adalah konduktor dengan konduktivitas pengotor.

Pengotor yang mudah melepaskan elektron disebut pengotor donor. Pengotor donor dapat berupa unsur kimia dengan atom yang tingkat valensinya mengandung lebih banyak elektron dibandingkan atom zat basa. Misalnya, fosfor dan bismut merupakan pengotor donor silikon.

Energi yang diperlukan elektron untuk melompat ke daerah konduksi disebut energi aktivasi. Semikonduktor pengotor membutuhkan lebih sedikit daripada bahan utama. Dengan sedikit pemanasan atau penerangan, sebagian besar elektron atom semikonduktor pengotor dilepaskan. Sebuah lubang menggantikan elektron yang meninggalkan atom. Namun rekombinasi elektron menjadi lubang praktis tidak terjadi. Konduktivitas lubang donor dapat diabaikan. Hal ini terjadi karena sedikitnya jumlah atom pengotor menghalangi elektron bebas untuk sering mendekati lubang dan menempatinya. Elektron terletak di dekat lubang, tetapi tidak dapat mengisinya karena tingkat energinya tidak mencukupi.

Sedikit penambahan pengotor donor meningkatkan jumlah elektron konduksi beberapa kali lipat dibandingkan dengan jumlah elektron bebas dalam semikonduktor asli. Elektron di sini adalah pembawa utama muatan atom semikonduktor pengotor. Zat-zat ini diklasifikasikan sebagai semikonduktor tipe-n.

Pengotor yang mengikat elektron semikonduktor sehingga menambah jumlah lubang di dalamnya disebut pengotor akseptor. Pengotor akseptor adalah unsur kimia dengan elektron lebih sedikit pada tingkat valensi dibandingkan semikonduktor basa. Boron, galium, indium merupakan pengotor akseptor silikon.

Karakteristik semikonduktor bergantung pada cacat pada struktur kristalnya. Inilah alasan perlunya menumbuhkan kristal yang sangat murni. Parameter konduktivitas semikonduktor dikontrol dengan menambahkan dopan. Kristal silikon diolah dengan fosfor (elemen subkelompok V), yang merupakan donor, untuk membuat kristal silikon tipe-n. Untuk mendapatkan kristal dengan konduktivitas lubang, boron akseptor dimasukkan ke dalam silikon. Semikonduktor dengan tingkat Fermi yang dikompensasi untuk memindahkannya ke tengah celah pita dibuat dengan cara yang sama.

Semikonduktor elemen tunggal

Semikonduktor yang paling umum, tentu saja, adalah silikon. Bersama dengan germanium, ia menjadi prototipe untuk kelas semikonduktor yang luas yang memiliki struktur kristal serupa.

Si dan Ge sama dengan intan dan α-timah. Di dalamnya, setiap atom dikelilingi oleh 4 atom terdekat, yang membentuk tetrahedron. Koordinasi ini disebut koordinasi empat kali lipat. Kristal berikatan tetradrikal telah menjadi dasar industri elektronik dan memainkan peran penting dalam teknologi modern. Beberapa unsur golongan V dan VI tabel periodik juga merupakan semikonduktor. Contoh semikonduktor jenis ini adalah fosfor (P), belerang (S), selenium (Se) dan telurium (Te). Dalam semikonduktor ini, atom dapat memiliki koordinasi tiga kali lipat (P), dua kali lipat (S, Se, Te) atau empat kali lipat. Akibatnya, unsur serupa dapat terdapat dalam beberapa struktur kristal berbeda dan juga dapat diproduksi dalam bentuk kaca. Misalnya, Se telah ditanam dalam struktur kristal monoklinik dan trigonal atau sebagai kaca (yang juga dapat dianggap sebagai polimer).

Berlian memiliki konduktivitas termal yang sangat baik, mekanik yang sangat baik dan karakteristik optik, kekuatan mekanik yang tinggi. Lebar celah energinya adalah dE = 5,47 eV.

Silikon adalah semikonduktor yang digunakan dalam bertenaga surya, dan dalam bentuk amorf - dalam sel surya film tipis. Ini adalah semikonduktor yang paling banyak digunakan dalam sel fotovoltaik, mudah dibuat, dan memiliki sifat listrik dan mekanik yang baik. dE = 1,12 eV.

Germanium adalah semikonduktor yang digunakan dalam spektroskopi gamma dan sel fotovoltaik efisiensi tinggi. Digunakan pada dioda dan transistor pertama. Membutuhkan lebih sedikit pembersihan dibandingkan silikon. dE = 0,67 eV.

Selenium adalah semikonduktor yang digunakan dalam penyearah selenium, yang memiliki ketahanan radiasi tinggi dan kemampuan penyembuhan diri.

Koneksi dua elemen

Sifat-sifat semikonduktor yang dibentuk oleh unsur-unsur golongan 3 dan 4 pada tabel periodik menyerupai 4 golongan. Peralihan dari unsur golongan 4 ke senyawa golongan 3-4. membuat ikatan sebagian bersifat ionik karena adanya transfer muatan elektron dari atom golongan 3 ke atom golongan 4. Ionicity mengubah sifat semikonduktor. Hal inilah yang menyebabkan peningkatan interaksi interonik Coulomb dan energi pemutusan energi pada struktur pita elektron. Contoh senyawa biner jenis ini adalah indium antimonida InSb, galium arsenida GaAs, galium antimonida GaSb, indium fosfida InP, aluminium antimonida AlSb, galium fosfida GaP.

Ionisitas meningkat, dan nilainya semakin meningkat pada senyawa zat golongan 2-6, seperti kadmium selenida, seng sulfida, kadmium sulfida, kadmium telurida, seng selenida. Akibatnya, sebagian besar senyawa golongan 2–6 memiliki celah pita lebih lebar dari 1 eV, kecuali senyawa merkuri. Merkuri telurida adalah semikonduktor tanpa celah energi, semimetal, seperti α-timah.

Semikonduktor golongan 2-6 dengan celah energi yang besar digunakan dalam produksi laser dan layar. Senyawa biner golongan 2-6 dengan celah energi yang menyempit cocok untuk penerima inframerah. Senyawa biner unsur golongan 1-7 (tembaga bromida CuBr, perak iodida AgI, tembaga klorida CuCl) karena ionisitasnya yang tinggi memiliki celah pita yang lebih lebar dari 3 eV. Mereka sebenarnya bukan semikonduktor, tapi isolator. Peningkatan energi kohesi kristal karena interaksi interionik Coulomb mendorong penataan atom dengan koordinasi enam kali lipat, bukan kuadrat. Senyawa golongan 4-6 - timbal sulfida dan telurida, timah sulfida - juga merupakan semikonduktor. Derajat ionisitas zat ini juga berkontribusi terhadap pembentukan koordinasi enam kali lipat. Ionisitas yang signifikan tidak mencegahnya memiliki celah pita yang sangat sempit, sehingga memungkinkannya digunakan untuk menerima radiasi IR. Gallium nitrida, senyawa 3-5 gugus dengan kesenjangan energi yang lebar, telah diterapkan pada LED yang beroperasi pada bagian spektrum biru.

GaAs, gallium arsenide, adalah semikonduktor terpopuler kedua setelah silikon, biasa digunakan sebagai substrat untuk konduktor lain, seperti GaInNAs dan InGaAs, dalam LED IR, chip dan transistor frekuensi tinggi, sel fotovoltaik efisiensi tinggi, dioda laser, dan detektor radiasi nuklir. dE = 1,43 eV, yang memungkinkan peningkatan daya perangkat dibandingkan silikon. Ini rapuh, mengandung lebih banyak kotoran, dan sulit untuk diproduksi.

ZnS, seng sulfida - garam seng asam hidrogen sulfida dengan rentang celah pita 3,54 dan 3,91 eV, digunakan dalam laser dan sebagai fosfor.

SnS, timah sulfida - semikonduktor yang digunakan dalam fotoresistor dan fotodioda, dE= 1,3 dan 10 eV.

Oksida

Oksida logam umumnya merupakan isolator yang sangat baik, namun ada pengecualian. Contoh semikonduktor jenis ini adalah oksida nikel, oksida tembaga, oksida kobalt, tembaga dioksida, oksida besi, oksida europium, seng oksida. Karena tembaga dioksida ada dalam bentuk mineral kuprit, sifat-sifatnya telah dipelajari secara ekstensif. Tata cara budidaya semikonduktor jenis ini belum sepenuhnya dipahami sehingga penggunaannya masih terbatas. Pengecualiannya adalah seng oksida (ZnO), senyawa golongan 2-6, yang digunakan sebagai pengubah dan dalam produksi pita perekat dan perekat.

Situasi berubah secara dramatis setelah ditemukannya superkonduktivitas pada banyak senyawa tembaga dengan oksigen. Superkonduktor suhu tinggi pertama yang ditemukan oleh Müller dan Bednorz adalah senyawa berbasis semikonduktor La 2 CuO 4 dengan celah energi 2 eV. Dengan mengganti lantanum trivalen dengan barium atau strontium divalen, pembawa muatan lubang dimasukkan ke dalam semikonduktor. Mencapai konsentrasi lubang yang dibutuhkan mengubah La 2 CuO 4 menjadi superkonduktor. DI DALAM waktu yang diberikan Temperatur transisi tertinggi ke keadaan superkonduktor dimiliki oleh senyawa HgBaCa 2 Cu 3 O 8. Pada tekanan darah tinggi nilainya 134 K.

ZnO, seng oksida, digunakan dalam varistor, LED biru, sensor gas, sensor biologis, pelapis jendela untuk memantulkan cahaya inframerah, sebagai konduktor pada layar LCD dan sel surya. dE=3,37 eV.

Kristal berlapis

Senyawa biner seperti timbal diiodida, galium selenida, dan molibdenum disulfida dibedakan berdasarkan struktur kristal berlapisnya. Gaya-gaya yang signifikan bekerja pada lapisan-lapisan tersebut, jauh lebih kuat daripada ikatan van der Waals antar lapisan itu sendiri. Semikonduktor jenis ini menarik karena elektron berperilaku kuasi-dua dimensi pada lapisannya. Interaksi lapisan diubah dengan masuknya atom pihak ketiga - interkalasi.

MoS 2, molibdenum disulfida digunakan dalam detektor frekuensi tinggi, penyearah, memristor, transistor. dE=1,23 dan 1,8 eV.

Semikonduktor organik

Contoh semikonduktor berbahan dasar senyawa organik adalah naftalena, poliasetilen (CH 2) n, antrasena, polidiasetilen, ftalosianida, polivinilkarbazol. Semikonduktor organik memiliki keunggulan dibandingkan semikonduktor anorganik: mudah untuk memberikan kualitas yang diinginkan. Zat dengan ikatan terkonjugasi bentuk -C=C-C= memiliki nonlinier optik yang signifikan dan, oleh karena itu, digunakan dalam optoelektronik. Selain itu, zona kesenjangan energi semikonduktor organik diubah dengan mengubah rumus senyawa, yang jauh lebih mudah dibandingkan semikonduktor konvensional. Alotrop kristal karbon, fullerene, graphene, dan nanotube juga merupakan semikonduktor.

Fullerene memiliki struktur berupa polihedron tertutup cembung dengan jumlah atom karbon genap. Dan doping fullerene C 60 logam alkali mengubahnya menjadi superkonduktor.

Graphene dibentuk oleh lapisan karbon monatomik yang dihubungkan ke dalam kisi heksagonal dua dimensi. Memiliki rekor konduktivitas termal dan mobilitas elektron, kekakuan tinggi

Nanotube adalah pelat grafit yang digulung menjadi tabung dengan diameter beberapa nanometer. Bentuk karbon ini mempunyai potensi besar dalam nanoelektronik. Tergantung pada daya rekatnya, bahan tersebut mungkin menunjukkan kualitas logam atau semikonduktor.

Semikonduktor magnetik

Senyawa dengan ion magnet europium dan mangan memiliki sifat magnet dan semikonduktor yang menarik. Contoh semikonduktor jenis ini adalah europium sulfida, europium selenida dan solusi yang solid, mirip dengan Cd 1-x- Mn x Te. Kandungan ion magnetik mempengaruhi bagaimana sifat magnetik seperti antiferromagnetisme dan feromagnetisme muncul dalam suatu zat. Semikonduktor semimagnetik adalah larutan semikonduktor magnetik padat yang mengandung ion magnetik dalam konsentrasi kecil. Solusi solid tersebut menarik perhatian karena menjanjikan dan potensi besar untuk penerapannya. Misalnya, tidak seperti semikonduktor non-magnetik, semikonduktor ini dapat mencapai rotasi Faraday jutaan kali lebih besar.

Efek magneto-optik yang kuat dari semikonduktor magnetik memungkinkannya digunakan untuk modulasi optik. Perovskit seperti Mn 0,7 Ca 0,3 O 3 memiliki sifat yang lebih unggul daripada transisi logam-semikonduktor, yang ketergantungan langsungnya pada medan magnet menghasilkan fenomena resistensi magnet raksasa. Digunakan dalam teknik radio, instrumen optik, yang dikendalikan oleh medan magnet, dalam pemandu gelombang perangkat gelombang mikro.

Feroelektrik semikonduktor

Jenis kristal ini dibedakan berdasarkan keberadaannya momen listrik dan terjadinya polarisasi spontan. Misalnya, sifat-sifat tersebut dimiliki oleh semikonduktor timbal titanat PbTiO 3 , barium titanat BaTiO 3 , germanium telurida GeTe, timah telurida SnTe, yang pada suhu rendah memiliki sifat feroelektrik. Bahan-bahan ini digunakan dalam optik nonlinier, perangkat penyimpanan, dan sensor piezoelektrik.

Berbagai bahan semikonduktor

Selain zat semikonduktor yang disebutkan di atas, masih banyak zat lain yang tidak termasuk dalam jenis yang tercantum. Senyawa unsur dengan rumus 1-3-5 2 (AgGaS 2) dan 2-4-5 2 (ZnSiP 2) membentuk kristal pada struktur kalkopirit. Ikatan senyawanya bersifat tetrahedral, mirip dengan semikonduktor golongan 3-5 dan 2-6 dengan struktur kristal zinc blende. Senyawa pembentuk unsur semikonduktor golongan 5 dan 6 (seperti As 2 Se 3) adalah semikonduktor yang berbentuk kristal atau kaca. Bismut dan antimon kalkogenida digunakan dalam semikonduktor generator termoelektrik. Sifat-sifat semikonduktor jenis ini sangat menarik, tetapi belum mendapatkan popularitas karena penerapannya yang terbatas. Namun, fakta keberadaannya menegaskan adanya bidang fisika semikonduktor yang masih belum dijelajahi.

Mari kita siapkan semikonduktor. Anda telah berhasil sekali - ketika Anda mengubah sendok aluminium menjadi penyearah arus. Kini pengalamannya tidak kalah menarik, dan dengan penjelasan teoretis. Lebih baik melakukannya di klub kimia atau di laboratorium sekolah, dan bukan karena eksperimennya berbahaya: kemungkinan besar Anda tidak memiliki zat yang diperlukan di rumah.

Yang pertama adalah pengalaman awal. Siapkan larutan timbal nitrat atau asetat dan masukkan hidrogen sulfida ke dalamnya (kerjakan di bawah aliran udara!). Keringkan PbS timbal sulfida yang diendapkan dan periksa bagaimana ia menghantarkan listrik. Ternyata ini adalah isolator yang paling umum. Jadi apa hubungannya semikonduktor dengan itu?

Jangan terburu-buru mengambil kesimpulan, tapi mari kita lakukan eksperimen dasar berikut ini. Untuk itu Anda harus menyiapkan jumlah yang sama, katakanlah masing-masing 15 ml, larutan tiokarbamid 3% NH 2 C(S)NH 2 dan larutan timbal asetat 6%. Tuang kedua larutan ke dalam gelas kecil. Dengan menggunakan pinset, masukkan pelat kaca ke dalam larutan dan pegang secara vertikal (atau kencangkan pada posisi ini). Dengan mengenakan sarung tangan karet, tuangkan larutan alkali pekat ke dalam gelas hampir sampai ke atas (hati-hati!) dan aduk dengan sangat hati-hati dengan batang kaca, usahakan jangan sampai menyentuh piring. Panaskan larutan sedikit sampai muncul uap; Lanjutkan mengaduk. Setelah sekitar sepuluh menit, lepaskan pelat kaca dengan hati-hati, cuci dengan air mengalir dan keringkan.

Dan dalam hal ini, Anda mendapat timbal sulfida - jadi apa bedanya?

Pada percobaan kedua, reaksi berlangsung lambat dan endapan tidak langsung terbentuk. Jika Anda mengamati larutannya, Anda memperhatikan bahwa mula-mula larutan menjadi keruh dan menjadi hampir seperti susu, dan baru kemudian menjadi gelap - senyawa antara ini, terurai, membentuk timbal sulfida hitam. Dan mengendap di kaca dalam bentuk film hitam tipis, yang terdiri dari kristal sangat kecil yang hanya terlihat di bawah mikroskop. Oleh karena itu, film tampak sangat halus, hampir seperti cermin.

Pasang dua kontak listrik ke film dan lewati arus. Jika timbal sulfida berperilaku seperti dielektrik pada percobaan sebelumnya, sekarang ia menghantarkan arus! Hubungkan ammeter ke sirkuit, ukur arus dan hitung hambatannya: ammeter akan lebih tinggi dari logam, tetapi tidak terlalu besar sehingga menjadi penghalang aliran arus.

Dekatkan lampu yang menyala ke pelat dan nyalakan kembali arusnya. Anda akan segera menemukan bahwa ketahanan timbal sulfida telah menurun tajam. Film hitam akan berperilaku kurang lebih sama jika hanya dipanaskan. Tetapi jika konduktivitasnya meningkat seiring dengan cahaya dan pemanasan, maka yang kita hadapi adalah semikonduktor!

Mengapa timbal sulfida memiliki sifat ini? Kami menuliskan rumusnya sebagai PbS, tetapi komposisi sebenarnya dari kristal zat ini tidak sesuai dengannya. Beberapa senyawa, termasuk timbal sulfida, tidak mematuhi hukum komposisi konstan. Dan semuanya adalah semikonduktor. (Omong-omong, hal yang sama juga berlaku untuk aluminium oksida, yang menyearahkan arus bolak-balik.)

Dalam kristal PbS, urutan susunan partikel tampaknya harus diulang secara ketat. Namun seringkali, karena konsentrasi larutan yang menghasilkan kristal berfluktuasi, urutannya terganggu. Pengaruh suhu dan penyebab eksternal lainnya sangat terasa. Namun, dalam kristal nyata rasio atom belerang dan timbal tidak persis 1:1. Penyimpangan dari rasio ini sangat kecil, hanya sekitar 0,0005. Tapi ini cukup untuk mengubah properti secara signifikan.

Atom timbal dan belerang dihubungkan dalam kristal oleh dua elektron: timbal menyumbangkannya menjadi belerang. Nah, kapan rasio 1:1 itu rusak? Jika tidak ada atom belerang di sebelah atom timbal, elektron akan bebas - elektron akan berfungsi sebagai pembawa arus. Dan kasus seperti ini tidak sedikit seperti yang terlihat. Tentu saja, perbandingan 1,0005:1 hampir sama dengan satu, tetapi jika Anda ingat berapa banyak atom yang ada dalam kristal, maka perbedaan kecil ini tidak lagi tampak sepele bagi Anda.

Komposisi timbal sulfida dapat disesuaikan. Hal ini diperlukan untuk mengubah konduktivitasnya. Ketika terdapat lebih banyak atom belerang dalam kristal, konduktivitasnya menurun, dan jika jumlahnya lebih sedikit, lebih banyak elektron bebas yang terbentuk dan konduktivitasnya meningkat. Singkatnya, dengan mengubah rasio atom belerang dan timbal, Anda dapat memperoleh konduktivitas yang diperlukan. Eksperimen ini tidak mudah untuk dilakukan; Jika Anda tidak berani melakukan eksperimen, percayalah bahwa eksperimen itu akan berhasil.

Ambil tabung kuarsa dan letakkan perahu timbal sulfida di dalamnya. Di sisi lain, masukkan perahu yang sama berisi timah ke dalam tabung dan panaskan tabung hingga timah mulai menguap. Dalam hal ini, sulfida akan menyerap uap, diperkaya dengan timbal, dan konduktivitas listriknya akan meningkat secara signifikan.

Tinggal menjawab pertanyaan mengapa timbal sulfida sangat sensitif terhadap cahaya. Kuanta ringan memberikan energi kepada elektron, dan dalam setiap kasus, sinar dengan panjang gelombang tertentu adalah yang paling efektif. Untuk timbal sulfida, ini adalah radiasi termal inframerah. Itu sebabnya kami menyarankan Anda untuk mendekatkan lampu ke film.

Omong-omong, penerima radiasi infra merah biasanya menggunakan semikonduktor yang sangat baik - timbal sulfida.

O. Holguin. "Eksperimen tanpa ledakan"
M., "Kimia", 1986

Struktur kristal dipahami sebagai fase padat suatu zat, susunan atom dan molekulnya menunjukkan pola tertentu, setidaknya dalam wilayah mikroskopis. Dalam hal ini, atom membentuk kisi kristal, dan kombinasi atom atau sel satuan tertentu diulangi ke segala arah. Kristal semikonduktor terbentuk sebagai hasil pengelompokan sejumlah besar atom pada lokasi tertentu dalam kisi kristal, yang dapat dianggap molekul besar. Properti kisi kristal menentukan semua sifat semikonduktor.

Monokristal- kristal tunggal, ditumbuhkan secara artifisial dari lelehan dan larutan.

Polikristal- benda padat yang terdiri dari banyak kristal (butir), kisi kristal butiran yang berdekatan biasanya salah arah pada sudut yang diukur dalam derajat dan puluhan derajat. Sebagian besar sifat semikonduktor dikaitkan dengan kemampuan untuk mengubah konduktivitas listriknya di bawah pengaruh berbagai faktor. Konduktivitas semikonduktor dapat dikontrol dengan mengontrol pengenalan jumlah kecil atom pengotor.

Faktor-faktor yang mempengaruhi sifat kelistrikan konduktor adalah pengaruh perlakuan panas berbagai gas di atmosfer, struktur material, serta keadaan permukaan semikonduktor, perubahan sifat-sifatnya di bawah pengaruh listrik dan magnet. bidang. Jerman dan Silikon dicirikan oleh kisi-kisi tipe berlian. Kisi kristal dasar tipe berlian memiliki simetri kubik, sehingga sistem koordinat persegi panjang (x y z) dapat dipilih sebagai basis. Dalam teknologi pembuatan IC, indeks Miller biasanya digunakan, yang menentukan posisi bidang kristal atau arah kristalografi yang tegak lurus terhadap bidang yang bersangkutan. Untuk kristal kubik, indeks Miller berhubungan dengan 3 digit sistem persegi panjang koordinat Seperti yang Anda lihat, angka “1” berarti bidang yang ditinjau melewati titik yang bersesuaian dengan sumbu dengan koordinat = “1”. Angka “0” berarti bidang kristalografi sejajar dengan sumbu. Oleh karena itu, bidang kristalografi (1 0 0) melalui titik x=1 dan sejajar dengan sumbu y dan z. Mempertahankan koefisien Miller diperlukan untuk penilaian properti penting kisi kristal yaitu anisotropi yaitu kebutuhan sifat mekanik dan listrik dalam arah yang berbeda.

Definisi dasar proses teknis:

Epitaksi- proses pengendapan silikon atom ke wafer silikon monokristalin, di mana diperoleh film yang merupakan kelanjutan dari struktur. Epitaksi memungkinkan pembuatan film semikonduktor kristal tunggal dengan orientasi kristalografi kepadatan permukaan tertentu.

Untuk membuat lapisan dalam semikonduktor dengan jenis yang berbeda konduktivitas dan sambungan p-n menggunakan 2 metode memasukkan pengotor - difusi termal dan implantasi ion (doping).

Difusi- ini adalah pergerakan atom terarah yang terjadi di bawah pengaruh konsentrasi atau gradien suhu.

Implantasi ion- metode doping lapisan wafer atau epitaksial dengan membombardirnya dengan ion pengotor, dipercepat hingga energi yang cukup untuk penetrasi ke kedalaman padat.

Oksidasi termal dielektrik- memperoleh film SiO2 melakukan beberapa fungsi penting:

perlindungan (seperti dielektrik)

Fungsi masker (melalui mana kotoran yang diperlukan dimasukkan)

Litografi- proses pembuatan masker pelindung yang diperlukan untuk pemrosesan lokal selama pembentukan struktur IC. Topeng berisi satu set bukaan yang telah dirancang sebelumnya - jendela.

Etsa- metode non-mekanis untuk mengubah topografi permukaan benda padat. Saat mengetsa, larutan digunakan untuk menghilangkan lapisan permukaan benda padat secara umum dan lokal hingga kedalaman tertentu.

Proses persiapan: ingot silikon kristal tunggal diperoleh dengan peleburan zona dan kristalisasi dari lelehan menggunakan metode Czochralski.

Dalam metode ini, batang dengan biji dalam bentuk silikon monokristalin, setelah kontak dengan lelehan semikonduktor, diangkat secara perlahan sambil diputar secara bersamaan. Dalam hal ini, setelah benih, batangan yang tumbuh dan mengeras ditarik keluar. Orientasi kristalografi ingot (penampang melintang) menentukan orientasi kristalografi benih. Diameter khas ingot adalah 10-15 cm, panjang ingot mencapai satu meter. Ingot silikon dipotong menjadi banyak wafer tipis - 400-500 mikron, tempat IC dan perangkat kemudian diproduksi.

Pencairan zona- dalam penyajian ingot silikon polikristalin dan pemanasan di ujung zona. Zona cair bergerak dan mengubah silikon polikristalin menjadi silikon monokristalin. Pada saat yang sama, proses pembersihan juga terjadi.