), ir medžiagos [kurios faktiškai nelaidžia elektros srovės (izoliatoriai arba dielektrikai).

Puslaidininkiams būdinga stipri jų savybių ir charakteristikų priklausomybė nuo mikroskopinio juose esančių priemaišų kiekio. Pakeitus priemaišų kiekį puslaidininkyje nuo dešimties milijonų procentų iki 0,1-1%, galite pakeisti jų laidumą milijonus kartų. Kita svarbi puslaidininkių savybė yra ta, kad elektros srovę į juos neša ne tik neigiami krūviai – elektronai, bet ir vienodo dydžio teigiami krūviai – skylės.

Jei laikysime idealizuotą puslaidininkio kristalą, visiškai be jokių priemaišų, tada jo gebėjimą praleisti elektros srovę lems vadinamasis vidinis elektrinis laidumas.

Puslaidininkinio kristalo atomai yra sujungti vienas su kitu naudojant išoriniame elektronų apvalkale esančius elektronus. Šiluminių atomų virpesių metu šiluminė energija pasiskirsto netolygiai tarp elektronų, sudarančių ryšius. Atskiri elektronai gali gauti pakankamai šiluminės energijos, kad „atsiplėštų“ nuo savo atomo ir galėtų laisvai judėti kristale, t.y. tapti potencialiais srovės nešėjais (kitaip tariant, pereiti į laidumo juostą). Toks elektronų pasitraukimas pažeidžia atomo elektrinį neutralumą, jis įgyja teigiamą krūvį, kurio dydis lygus išėjusio elektrono krūviui. Ši laisva erdvė vadinama skyle.

Kadangi laisvą vietą gali užimti elektronas iš kaimyninės jungties, skylė taip pat gali judėti kristalo viduje ir tapti teigiamu srovės nešikliu. Natūralu, kad tokiomis sąlygomis elektronų ir skylių atsiranda vienodai, o tokio idealaus kristalo elektrinis laidumas bus vienodai būti nulemtas tiek teigiamų, tiek neigiami krūviai.

Jei vietoje pagrindinio puslaidininkio atomo įdėsime priemaišos atomą, kurio išoriniame elektronų apvalkale yra vienu elektronu daugiau nei pagrindinio puslaidininkio atome, tai toks elektronas pasirodys perteklinis, nereikalingas susidaryti. tarpatominiai ryšiai kristale ir silpnai sujungti su jo atomu. Pakanka dešimčių kartų mažiau energijos, kad atplėštų jį nuo atomo ir paverstų laisvu elektronu. Tokios priemaišos vadinamos donorinėmis, ty dovanojančiomis „papildomą“ elektroną. Priemaišos atomas, žinoma, įkraunamas teigiamai, bet skylė neatsiranda, nes skylė gali būti tik elektronų laisva vieta neužpildytame tarpatominiame ryšyje ir tokiu atveju visos jungtys baigtos. Šis teigiamas krūvis lieka susietas su jo atomu, nejuda, todėl negali dalyvauti elektros laidumo procese.

Priemaišų patekimas į puslaidininkį, kurio išoriniame elektronų apvalkale yra mažiau elektronų nei pagrindinės medžiagos atomuose, atsiranda neužpildytų ryšių, ty skylių. Kaip minėta aukščiau, šią laisvą vietą gali užimti elektronas iš kaimyninės jungties, o skylė gali laisvai judėti visame kristale. Kitaip tariant, skylės judėjimas yra nuoseklus elektronų perėjimas iš vienos kaimyninės jungties į kitą. Tokios priemaišos, kurios „priima“ elektroną, vadinamos akceptoriaus priemaišomis.

Didėjant vienokio ar kitokio tipo priemaišų kiekiui, kristalo elektrinis laidumas pradeda įgauti vis ryškesnį elektroninį ar skylės pobūdį. Pagal lotyniškų žodžių negativus ir positivus pirmąsias raides elektroninis elektrinis laidumas vadinamas i tipo elektriniu laidumu, o skylinis laidumas p-tipu, nurodantis, kokio tipo judrūs krūvininkai tam tikram puslaidininkiui yra pagrindiniai ir kuris yra nepilnametis.

Esant elektriniam laidumui dėl priemaišų (t. y. priemaišų), kristale vis dar išlieka 2 nešklių tipai: dauguma, atsirandančių daugiausia dėl priemaišų patekimo į puslaidininkį, ir mažuma, dėl kurių atsirado jų išvaizda. terminis sužadinimas. Elektronų n ir skylių p kiekis 1 cm3 (koncentracija) tam tikram puslaidininkiui tam tikroje temperatūroje yra pastovi reikšmė: n- p = const. Tai reiškia, kad didėja dėl įvedimo

Jei metalo-dielektriko-puslaidininkio struktūrai pritaikysite n tipo įtampą (paveikslėlyje nurodytas poliškumas), tada puslaidininkio paviršiniame sluoksnyje atsiranda elektrinis laukas, atstumiantis elektronus. Šiame sluoksnyje nebeliks elektronų ir jis turės didesnę varžą. Pasikeitus įtampos poliškumui, elektronus pritrauks elektrinis laukas, o paviršiuje susidarys prisodrintas sluoksnis su sumažinta varža.

P tipo puslaidininkyje, kur daugiausiai nešėjų yra teigiami krūviai – skylės, įtampos poliškumas, kuris atstūmė elektronus, pritrauks skylutes ir sukurs prisodrintą sluoksnį su sumažinta varža. Poliškumo schema šiuo atveju sukels skylių atstūmimą ir paviršiaus sluoksnio su padidintu atsparumu susidarymą.

Kita svarbi puslaidininkių savybė yra didelis jų jautrumas temperatūrai ir spinduliuotei. Kylant temperatūrai, vidutinė kristalo atomų virpesių energija didėja, nutrūks vis daugiau ryšių. Atsiras vis daugiau elektronų porų ir skylių. Esant pakankamai aukštai temperatūrai, vidinis (šiluminis) laidumas gali būti lygus priemaišų laidumui arba net gerokai jį viršyti. Kuo didesnė priemaišų koncentracija, tuo aukštesnėje temperatūroje šis poveikis pasireikš.

Ryšiai gali būti nutraukti ir apšvitinant puslaidininkį, pavyzdžiui, šviesa, jei šviesos kvantų energijos pakanka ryšiams nutraukti. Ryšių nutraukimo energija skirtingiems puslaidininkiams yra skirtinga, todėl jie skirtingai reaguoja į tam tikras švitinimo spektro dalis.

Kaip pagrindinės puslaidininkinės medžiagos naudojami silicio ir germanio kristalai, o kaip priemaišos – boras, fosforas, indis, arsenas, stibis ir daugelis kitų elementų, suteikiančių puslaidininkiams reikiamas savybes. Puslaidininkinių kristalų, turinčių tam tikrą priemaišų kiekį, gamyba yra sudėtingas technologinis procesas, atliekamas ypač švariomis sąlygomis naudojant itin tikslią ir sudėtingą įrangą elektroniniuose kompiuterių blokuose. Šiandien inžinieriai neapsieina be puslaidininkinių lygintuvų, jungiklių ir stiprintuvų. Lempos įrangos pakeitimas puslaidininkine įranga leido dešimt kartų sumažinti elektroninių prietaisų dydį ir svorį, sumažinti jų energijos sąnaudas ir smarkiai padidinti

Radijo imtuvas detektorius.

Įprastas detektorius.

Kur prasideda jaunas radijo mėgėjas? Iš detektoriaus imtuvo. Šis nuostabus prietaisas yra labai paprastas. Vielos ritė, neapibrėžtas detektoriaus akmenukas, ausinės. Štai ir visa išmintis. O kokią pasakišką galią įkūnija paprastų detalių derinys! Paklauskite vyresnės kartos žmonių, kurie savo rankomis pagamino pirmuosius detektorinius imtuvus. Jie sakys: galbūt visiškai naujas televizorius šiais laikais yra mažiau įdomus nei tos medinės dėžės.

Čia surinktas imtuvas iškilmingai padedamas ant stalo. Jo kūrėjas užlipa ant stogo ir ištiesia ilgą, trisdešimt keturiasdešimties metrų, anteną. Jis sujungia iš jo einantį laidą prie imtuvo (108) ir kurį laiką padirbinėja su detektoriumi. Atremiant elastinės spyruoklės galą į sidabrinį kristalą, įdėtą į stiklinį vamzdelį, reikia jausti ant jo jautrų tašką. Ir kai tik tai pasiekiama, įvyksta ilgai laukta „magija“: ausinėse skamba muzika ar kalba.

Detektoriaus kristalas, ko gero, yra pirmasis puslaidininkis, plačiai pritaikytas praktiškai. Kodėl to reikia?

Radijo bangos antenoje sužadina elektrinį lauką, kuris greitai keičia kryptį. Elektrinis laukas pajudina elektronus laide. Jie skrenda laidu, dabar pirmyn, dabar atgal. Tokie elektronų svyravimai vyksta šimtus tūkstančių kartų per sekundę. Norint išgirsti perdavimą, šiuos virpesius reikia sumažinti per pusę, per ausines leidžiant tik tuos elektronų judesius, kurie nukreipti viena kryptimi. Šiuo atveju sakoma, kad kintamoji srovė yra ištaisyta, virsta pulsuojančia nuolatine srove. Ir gana lėtuose jo stiprumo pokyčiuose (šimtai ir tūkstančiai virpesių per sekundę) perduodami garsai yra užfiksuoti. Kuo didesnė išlygintos srovės stipris, vadinasi, plieninę ausinių membraną stipriau traukia elektromagnetas. Srovė susilpnėja ir tolsta nuo elektromagneto. Membrana vibruoja, perduoda savo virpesius į orą, aplink sklinda garso bangos.

Trumpai tariant, tai yra paprasčiausio radijo imtuvo veikimo esmė. Kaip matote, be laidų, čia reikalingi tik du įrenginiai: ausinės ir srovės lygintuvas. Detektorius veikia kaip lygintuvas.

Kristalas, esantis stikliniame vamzdyje, yra puslaidininkis. Jo elektrinis laidumas, kaip gerai supratome anksčiau, gali būti elektroninis arba skylinis. Tarkime, jis turi elektroninį laidumą. Tačiau kristalas nėra vienodas. Jo paviršiuje yra vietų, kurios vienu ar kitu laipsniu yra užkimštos priemaišomis. Tarp jų taip pat yra vietų, kur, veikiamas priemaišų, elektroninis puslaidininkis virto skyliniu puslaidininkiu. O ties elektronų ir skylių sričių riba būtinai atsiranda pažįstamas blokuojantis sluoksnis – zona, kurioje nėra nei elektronų, nei skylių.

Prisiminkime šio sluoksnio ypatumą: vienoje jo pusėje budi „sienos apsaugos“ elektronai. Jie atstumia visus laisvuosius elektronus giliai į elektronų sritį. Kitoje sienos pusėje yra ta pati skylių apsauga. Jie, kaip prisimenate, atstumia kitas skyles giliau į skylės sritį. Trumpai tariant, blokuojančiame sluoksnyje atsiranda ribinis elektrinis laukas. Jis neutralizuoja elektronų ir skylių judėjimą į sąsają tarp puslaidininkio elektronų ir skylių sričių.

Užblokuojančiam sluoksniui pritaikykime išorinį elektrinį lauką. Priklausomai nuo krypties, jis arba pridės savo jėgą prie pasieniečių jėgos puslaidininkyje (išplės barjerinį sluoksnį), arba, atvirkščiai, susilpnins ir net nušluos „sienos apsaugos“ elektronus ir skyles.

O jeigu tiektume kintamąjį, tai yra besikeičiantį kryptį, elektrinį lauką? Akivaizdu, kad blokuojantis sluoksnis periodiškai plėsis ir išnyks, pasienio apsauga arba sustiprės, arba visai pašalins – laikui bėgant pasikeitus išorinio lauko krypčiai. O rezultatas bus toks: blokuojančio sluoksnio išsiplėtimo momentais per puslaidininkį netekės srovė (elektronai ir skylės išsisklaido į skirtingas puses); blokuojančio sluoksnio išnykimo momentais (110) per kristalą tekės srovė (elektronai ir skylės bėga vienas kito link).

Apibendrinti. Jautrus detektoriaus taškas yra puslaidininkio paviršiaus dalis, kurioje srovės nešikliai skiriasi nuo likusių kristalų. Tai reiškia, kad po spyruoklės galiuku yra fiksavimo sluoksnis. Detektorius įtrauktas į laidą, vedantį nuo antenos iki ausinių. Antenos elektrinis laukas, prasiskverbęs į kristalą, šį sluoksnį arba išplečia, arba sunaikina. O srovė per detektorių teka tik viena kryptimi – kai elektronai ir skylės juda vienas kito link.

Gyvsidabrio lempa – kintamosios srovės lygintuvas. Šis prietaisas yra didelis, neekonomiškas ir trapus. Žemiau yra puslaidininkinis germanio lygintuvas, pasižymintis dizaino paprastumu, patikimumu ir išskirtiniu efektyvumu.

Reikia pasakyti, kad šiuo principu ištaisoma srovė ne tik paprasčiausiame radijo imtuve. Lygintuvai, pagaminti iš puslaidininkių – vario oksido, seleno, vario sulfido ir Pastaruoju metu iš germanio – vis dažniau naudojami technikoje. Jų panaudojimo galimybės didžiulės: nuo paprastų matavimo priemonių iki radijo stočių, elektrometalurginių įrenginių, elektrinių lokomotyvų. Ir daugeliu atvejų taisantys puslaidininkiai pasirodė esąs geriausi turimi lygintuvai. Jų koeficientas naudingas veiksmas siekia 98-99 proc. Pridėkite prie šio stiprumo, patikimumo, mažo dydžio – ir suprasite, kodėl XX partijos kongreso direktyvose puslaidininkinių lygintuvų gamybai buvo skiriamas ypatingas dėmesys.

Bet grįžkime prie mūsų detektoriaus.

Tuo metu, kai pasirodė pirmieji detektoriai, jie dar buvo labai netobuli. Kartais tekdavo labai pasistengti, norint surasti jautrų tašką. Nuo jos vis atšokdavo spyruoklė. Teko vėl ir vėl nustatyti imtuvą. Inžinieriai įdėjo daug išradingumo tobulindami detektorių.

Šiuolaikiniai puslaidininkiniai prietaisai yra pirmųjų primityvių detektorių ir vakuuminių vamzdžių diodų paveldėtojai.

1919 m. jaunas radijo mėgėjas Olegas Vladimirovičius Losevas susidomėjo detektoriaus patobulinimu. Svajodamas savo gyvenimą pašvęsti radijo inžinerijai, jis pradėjo dirbti pasiuntiniu pirmojoje Nižnij Novgorodo radijo laboratorijoje (112) mūsų šalyje. Čia jie pastebėjo smalsų ir talentingą jaunuolį. Laboratorijos darbuotojai padėjo jam baigti išsilavinimą, o Losevas netrukus pradėjo savarankišką mokslinį darbą. Jis atidžiai ištyrė natūralius mineralus, naudojamus kaip detektoriai, ištyrė jų elektrines savybes ir 1922 m. padarė netikėtą atradimą. Jaunasis mokslininkas įrodė, kad jei į imtuvo grandinę ypatingu būdu įtraukiami du detektoriai ir elektros baterija, tai į ausines patenkančios elektros vibracijos gali būti sustiprintos.

Tuo metu Losevo atradimas buvo labai svarbus. Juk įprastas detektoriaus imtuvas leido klausytis tik šalia esančių stočių. Tolimasis priėmimas, ypač miestuose, kur daug trukdžių ir sunku sumontuoti aukštą ir ilgą anteną, pasirodė beveik neįmanomas. Ir Losevo imtuvai, kuriuos jis paskambino kristadinai, užtikrintai priimdavo laidas iš gana tolimų radijo stočių. Išradėjas taip pat pastatė kitus įrenginius, naudodamas kristalus – generatorius, tai yra elektrinių virpesių žadintuvus.

Losevas iš karto paskelbė savo atradimus jų nepatentavęs ir nereikalaudamas už juos jokio piniginio atlygio. Daugelyje šalių radijo mėgėjai pradėjo kurti imtuvus pagal jo dizainą. Amerikos žurnalas rašė: „Jaunasis rusų išradėjas perdavė savo išradimą pasauliui“. Prancūzų žurnalas pakartojo: (113) „Mokslo šlovė laukia Losevo. Savo atradimą jis paviešino, pirmiausia galvodamas apie savo draugus – radijo mėgėjus visame pasaulyje“.

Keletą metų išradėjo vardas neišėjo iš žurnalų puslapių, tačiau vėliau jis ėmė pasirodyti vis rečiau. Dešimtojo dešimtmečio pabaigoje jo idėja – panaudoti kristalus elektrinei vibracijai sustiprinti ir sužadinti – buvo pamiršta. Mokslas dar nepribrendęs kūrybingam, konstruktyviam šio plano vystymui. Nebuvo jokios puslaidininkių teorijos, beveik nebuvo galimybės dirbtinai sukurti tokias medžiagas. Visos radijo inžinierių viltys buvo nukreiptos į kitą naujovę – radijo lempas.

Vyresnės kartos radijo mėgėjai gerai prisimena pirmuosius pergalingo radijo vamzdžių žygio metus. Milijonuose radijo imtuvų, blizgančio stiklo ir metalo, šie subtilūs, trapūs prietaisai buvo išrikiuoti išdidžiomis eilėmis. Kokie tobuli jie atrodė lyginant su primityviais akmens detektoriais!

Radijo vamzdžiai tikrai turėjo kuo didžiuotis. Juk su jais gavome galimybę klausytis radijo be erzinančių ausinių! Būtent tada mūsų namuose pradėjo skambėti pirmieji garsiakalbiai.

Ką veikia radijo vamzdis?

Prisiminkite, kaip šį rytą prausėte veidą prie čiaupo. Jei čiaupas buvo gerai sureguliuotas, užtekdavo šiek tiek paliesti, ir srautas pastebimai sumažėtų arba, atvirkščiai, padidėtų. Nereikšmingos rankų pastangos sukėlė staigius vandens tėkmės pokyčius.

Kažkas panašaus vyksta radijo vamzdyje. Ten subtilūs antenos elektrinio lauko svyravimai keičia galingą elektronų srautą.

Vakuuminio triodo grandinė. Kairėje - lemputė „atrakinta“; dešinėje - „užrakinta“.

Kaip tai praktiškai įgyvendinama?

Paprasčiausias radijo vamzdis yra stiklinis indas, išlaisvintas iš oro. Žvelgdami į vidų pamatysime tris vienas nuo kito izoliuotus metalinius elektrodus: katodą, tinklelį ir anodą. Katodas ir anodas yra įtraukti į išorinę elektros grandinę su aukštu nuolatinė įtampa. O silpni antenos signalai tiekiami į tinklą.

Plonas katodo siūlas kaitinamas elektros srove. Todėl iš jo išskrenda elektronai. Susigavo stiprus laukas, jie tuoj pat skuba prie anodo. Tačiau elektronų kelyje yra vielos tinklo spiralė. Dėl savo mažo lauko jis pastebimai veikia šalia skraidančius elektronus: arba leidžia jiems laisvai praeiti, arba sulėtina skrydį, susilpnindamas per lempą tekančią srovę, arba galiausiai išmeta elektronus atgal į katodą - „užrakina“ lempa. Visi tokie elektronų srauto pokyčiai vyksta laikui bėgant, keičiantis tinklo elektriniam laukui. Elektronų srautas yra kaip vandens srovė vamzdyje, o tinklelis primena maišytuvą. Ir kaip lengvi maišytuvo judesiai sukelia staigius vandens smūgius vamzdyje, taip silpni antenos paimami signalai sukelia pastebimus srovės impulsus radijo vamzdyje. (115)

Signalai gali būti sustiprinti daug kartų keliose lempose iš eilės. Ir ne tik sustiprinti. Radijo vamzdžiai su dviem elektrodais (be tinklelio) ištaiso kintamos srovės- atlikti detektorių vaidmenį. Radijo vamzdžiai su papildomais elektrodais valdo elektronų srautus itin smulkiai. Galiausiai šiuose įrenginiuose nesunku sužadinti įvairias elektrines vibracijas.

Mokslininkų ir inžinierių rankose radijo lempa tapo galinga technologinės pažangos priemone. Nuolat tobulėjant, per kelerius metus jis užkariavo visas radijo technologijas. Jos dėka vystėsi televizija, atsirado radaras ir radijo navigacija, o jai dalyvaujant atsirado garso kinas, magnetinis garso įrašymas ir daug kitų nuostabių išradimų. Įvyko tikra techninė revoliucija, kuri atgaivino naują didžiulę žinių sritį – elektronika.

Atrodė, kad radijo inžinerijos ateitis yra neatsiejamai susijusi su radijo lempomis. Tačiau praėjo dešimtmečiai ir pamažu paaiškėjo, kad radijo lempos nėra tokios nepriekaištingos.

Per poliarinį žiemojimą radistui nutrūko sunkiai užmezgamas ryšys – užgeso kita lempa. Pilotas lėktuvą nutūpė nesėkmingai – borto radijo lempos neatlaikė drebėjimo ir sugedo. Daugeliu atvejų bet kuris radijo įrenginys sugesdavo dėl lempų trapumo. Jų tarnavimo laikas, įvertintas šimtais ir tūkstančiais valandų, nebetenkino technologijos. Ir po truputį jie įgijo nepatikimiausių, kaprizingiausių radijo sistemos elementų reputaciją.

Tada radijo vamzdžių matmenys pasirodė per dideli. Juk kitų šiuolaikinių radijo prietaisų jų yra daugiau nei šimtas, net daugiau nei tūkstantis. Projektuotojui nelengva (116) sutvarkyti šią įrangą taip, kad ji neužimtų per daug vietos.

Visa tai privertė radijo inžinierius rimtai pagalvoti apie radijo lempų keitimą kitais kompaktiškais ir patikimais įrenginiais.

Prasidėjo naujų sprendimų paieškos.

Bet koks vamzdinis radijas, samprotavo mokslininkai, sujungia sunkiai suderinamus konstrukcinius elementus: kietas medžiagas ir... tuštumą. Laidai, kondensatoriai, ritės, varžos – visa tai tvirta, visa tai galima tvirtinti, pagaminti tvirtai, ilgam. O radijo lempos? Siekiant padidinti ilgaamžiškumą, lempų cilindrai gaminami iš metalo, specialaus plastiko, keramikos. Tai tikrai padeda. Tačiau pagrindinis nepatogumas – tuštuma – išlieka. Jame reikia sumontuoti sudėtingus elektrodus ir šildyti katodo siūlą. Ten viskas švelnu, subtilu, bijo sukrėtimų ir drebėjimo.

Atrodytų, tuštuma nepakeičiama. Jame elektroniniai srautai tarsi atsiskleidžia, tampa prieinami reguliavimui ir patenka į silpno radijo vamzdžių tinklo elektrinio lauko galią.

Tačiau ar tik tuštumoje galima valdyti elektronų judėjimą?

O kas, jei vietoj tuštumos išbandytume puslaidininkinį kristalą? Akivaizdu, kad per jį reikia praleisti srovę ir pakeisti kristalo elektrinį laidumą iš išorės. Bet kaip tu gali tai pakeisti? Ar net įmanoma tai pasiekti?

Nuo šių klausimų sprendimo priklausė visos tolimesnės radijo technologijos raidos likimas.

Taigi O. V. Losevo idėja apie stiprintuvus ir osciliatorius ant kristalų buvo atgaivinta nauju pagrindu. (117)

Žinoma, joje daug kas pasikeitė. Tokiems tikslams naudoti įprastus detektorius tapo nepraktiška. Jie turėjo mažai įtakos. Kalba buvo apie kristalinio įrenginio, kuris užtikrintai galėtų konkuruoti su moderniu radijo vamzdžiu, sukūrimą.

Ne iš karto radome būdą, kaip išspręsti problemą. Buvo daug nelaimingų nesėkmių, gedimų ir abejonių. Bet galiausiai atsakymas buvo rastas: taip, kristalo laidumą galima valdyti, galima sukurti puslaidininkinį įrenginį – radijo vamzdžio pakaitalą. Buvo sukurta prietaiso teorija Amerikos fizikas William Shockley. Jo tautiečiai Bardinas ir Brattainas 1948 metais sukūrė pirmuosius prietaisų pavyzdžius, vadinamus krištoliniai triodai arba tranzistoriai.

Kaip jie statomi? Apie tai pakalbėsime šiek tiek toliau. Pirma, keli žodžiai apie medžiagą, iš kurios jie pagaminti.

Kristaliniai triodai daugiausia gaminami iš puslaidininkinio germanio. Jau minėjome šios medžiagos, suvaidinusios didžiulį vaidmenį plėtojant fiziką ir puslaidininkių technologiją, pritaikymą. Su juo susijęs dar vienas įdomus gamtos mokslų istorijos puslapis.

Kristalinis elementas germanis yra svarbiausias puslaidininkis. Priekyje yra vienas germanio kristalas.

1869 m., kai Dmitrijus Ivanovičius Mendelejevas sukūrė savo garsiąją periodinę lentelę, niekas neįtarė apie germanio egzistavimą. Tačiau puikus chemikas dėl grynai teorinių priežasčių numatė jo atradimą. Mokslininkas skyrė jai vietą savo daugiaaukštėje lentelėje ir net iš anksto aprašė, kokios gali būti pagrindinės jo savybės. Pagal periodinį dėsnį ši tuo metu nežinoma medžiaga daugeliu atžvilgių turėjo būti panaši į žinomą elementą silicį. Todėl Mendelejevas (118) jam suteikė sutartinį pavadinimą ekasilicium (silicis - Lotyniškas pavadinimas silicio, o priešdėlis „eka“ sanskrito kalba reiškia „panašus“).

Po šešiolikos metų nuostabi vizija išsipildė. Vokiečių tyrinėtojas Winkleris viename iš natūralių mineralų aptiko ekasilicio ir suteikė jam savo tėvynės vardą. Tai buvo tikras mokslinės minties triumfas.

„Vargu ar įmanoma, – rašė Winkleris, – rasti ryškesnį periodiškumo doktrinos pagrįstumo įrodymą... Tai ne tik drąsios teorijos patvirtinimas; čia matome... galingą žingsnį žinių srityje“.

Vėl praktinis pritaikymas atviras elementas Iš pradžių beveik nesupratau. Ilgam laikui jo sidabriškai pilki blizgūs kristalai tarnavo tik kaip unikalūs eksponatai chemijos kolekcijose. Bet už pastaraisiais metais germanis tapo svarbiausia technine medžiaga. Ir šlovės karūną jis pasiekė vos tapęs kristalinių prietaisų – radijo lempų pakaitalų – pagrindu.

Štai prieš mus – germanio triodas, krištolas, pakeičiantis tuštumą, pakeičiantis radijo vamzdžio stiklinį burbulą. Tai atrodo kaip mažas, žirnio dydžio grybas. Iš dangtelio tęsiasi trys laidai.

Puslaidininkiniai triodai. Kiek jie mažesni už radijo vamzdį!

Atidarykite jį ir pamatysite, kad net miniatiūriniame plieniniame įrenginyje didžiąją tūrio dalį (119) užima korpusas, apvalkalas. Ir pats kristalas yra dešimtis kartų mažesnis.

Išsiaiškinkime, kaip veikia įrenginys, kaip jis valdo elektronų srautą. Ant metalinio stovo vadinamas bazė, kristalinė germanio plokštelė su elektroniniu laidumu yra ramybės būsenoje. Įjungta viršutinis paviršius Kristalas buvo specialiai apdorotas, kad būtų sukurta skylės laidumo zona. Kaip visada tokiais atvejais, tarp skylės ir elektronų sričių atsiranda blokuojantis sluoksnis. Dviejų labai plonų platininių laidų galai yra pritvirtinti vienas šalia kito prie kristalo paviršiaus. Vienas iš jų vadinamas skleidėjas, Kita - kolekcininkas.

Emiteris, kolektorius ir bazė yra trys kristalinio stiprintuvo elektrodai. Jie atitinka radijo vamzdžio katodą, anodą ir tinklelį. Tačiau kristalas į stiprinimo grandinę įvedamas kitaip nei radijo vamzdis.

Valdymo signalo šaltinis yra prijungtas tarp pagrindo ir emiterio. Perjungimas atliekamas taip, kad blokuojantis sluoksnis netaptų kliūtimi valdymo signalams (signalų elektrinis laukas nukreiptas prieš blokuojančio sluoksnio elektrinį lauką). Palyginti aukštos įtampos srovės šaltinis, kurį reikia valdyti, per rezistorių tiekiamas į kolektorių ir pagrindą. Bet jis įtrauktas į priešinga kryptis kad blokuojantis sluoksnis nepraleistų srovės.

Puslaidininkinė triodinė grandinė.

Schema paruošta. Siųskime valdymo signalą.

Per emiterio laidą į kristalo skylės sritį patenka elektrinio lauko impulsas. Jis išlaužia skylę barjeriniame sluoksnyje ir įtraukia į ją skyles. Taigi spinduolis tarsi įšvirkščiamas į kristalo elektroninę sritį. Trumpam paklaidžioję kristale, jie sugeba pakliūti po kolektoriaus laidu O kai čia užtvarinis sluoksnis akimirksniu prisodrintas, jis tampa elektrai laidus aukštos įtampos srovei, sujungtai tarp pagrindo ir kolektoriaus. Šios srovės impulsas sklinda per barjerinį sluoksnį „uždrausta“ kryptimi. Tai iš karto paveikia išorinės įrenginio grandinės būseną. Ten pasirodo sustiprintas signalas. Kuo arčiau emiterio ir kolektoriaus laidų galai yra ant kristalo, tuo jis reikšmingesnis.

Taigi, mes sustiprinome silpną elektrinį signalą naudodami kristalą ir padarėme be radijo vamzdžio. Kristalas yra patikimas. Jis yra kietas ir patvarus. Jis nesprogs ir neskils kaip stiklinis indas. (121)

Specialus germanio kristalų apdorojimas leidžia sukurti vadinamuosius plokštuminius puslaidininkinius triodus. Juose kristalas santykinai padalintas į tris dideli plotai elektronų ir skylių laidumas.

Plokštuminiams triodams nereikia plonų švino laidų, todėl jie yra dar tvirtesni ir patvaresni. Be to, jie sugeba per save praleisti reikšmingesnes sroves ir veikti stabiliau.

Puslaidininkiniai stiprintuvai išsiskiria dar viena nuostabia savybe – efektyvumu. Juk jiems nereikia eikvoti energijos katodo šildymui ar stipraus elektrinio lauko kūrimui. Jei radijo vamzdžio naudingumo koeficientas yra procentinė dalis, tai kristaliniuose trioduose jis siekia 50-60 procentų.

Visa tai turi didžiulį pelną. Tačiau puslaidininkiniai įtaisai turi ir trūkumų.

Ploniausi įėjimai ir sluoksniai, nežymūs atstumai tarp elektrodų – visa tai, atrodytų, kristalinį triodą turėtų paversti išskirtinai greito veikimo, gebančiu sustiprinti itin dažnus elektros virpesius. Tiesą sakant, kaip tik atvirkščiai. Kietajame kūne, kristale, elektronai nėra tokie laisvi, kaip radijo vamzdžio tuštumoje. Atrodo, kad jų galimybės keisti savo judėjimą yra ribotos, todėl itin aukšti elektrinių virpesių dažniai, tokie svarbūs šiuolaikinėje radijo inžinerijoje, dar nepasiekiami kristaliniams įrenginiams.

Daugelyje šalių fizikai siekia, kad puslaidininkiniai įtaisai būtų judresni ir greitesni. Šiame kelyje buvo padaryta tam tikra pažanga. Pavyzdžiui, gana efektyvūs yra triodai, kurių išorinis paviršius yra elektroninis, o pats kristalas yra skylėtas. Tada emiteris įleidžia elektronus į blokuojantį sluoksnį, ir jie yra beveik dvigubai mobilesni už skyles. Dėl to (122) procesai, apie kuriuos kalbėjome, vyksta daug greičiau. Šiuolaikiniai tokio tipo krištoliniai triodai sugeba kas sekundę sustiprinti iki dešimties milijonų elektrinių virpesių.

Pasirodė dar pažangesni kristalų stiprintuvai - tetrodai- su keturiomis skirtingo laidumo puslaidininkių sritimis. Tarp kristalų tai yra rekordininkai, skirti greičiausiam veiksmui. Jie sužadina arba sustiprina dešimtis, šimtus, net tūkstančius milijonų elektrinių virpesių per sekundę. Dažnesni svyravimai išlieka ir, aišku, išliks vakuuminės elektronikos sfera,

Yra ir kitų naujų įrenginių trūkumų. Kol kas neįmanoma pagaminti didelės galios įrangos naudojant kristalus. Germanis kaitinant labai pakeičia savo savybes. Germanio stiprintuvai sunkiai atlaiko padidėjusią temperatūrą. Štai kodėl pastaruoju metu žmonės vis dažniau nori gaminti kristalinius prietaisus iš silicio. Jie mažiau kaprizingi.

Tiesa, čia galimas įdomus sprendimas: į vienodai miniatiūrinius puslaidininkinius elektrinius šaldytuvus įdėti mažyčius kristalinius stiprintuvus (apie juos skaitykite aukščiau – skyriuje „Karščio vaikymasis“). Tokie eksperimentai atliekami ir duoti gerų rezultatų.

Tačiau kartais nutinka taip, kad kristalinis stiprintuvas, nepaisant visų galimų atsargumo priemonių, staiga pakeičia savo savybes be jokios aiškios priežasties. To paties tipo įrenginiai ne visada veikia taip pat. Priežastis yra tik viena: puslaidininkinių įtaisų savybės nėra pakankamai ištirtos, o jų gamybos technologija nėra iki galo išvystyta. Todėl visiškai klaidinga manyti, kad radijo lempos visur tuoj bus pakeistos puslaidininkiais.

Puslaidininkiai taip pat yra labai naudingi kuriant vakuuminę elektroniką. Jie naudojami gaminant naujus labai efektyvius elektronų šaltinius radijo lempoms, įtaisams, uždegantiems gyvsidabrio (123) lygintuvų iškrovą, ir daug daugiau. Tarp puslaidininkių ir vakuuminių prietaisų vyksta ne priešiškumas, o draugiška konkurencija.

Abiejose srityse laukia daug tiriamųjų darbų, naujų sistemų, naujų dizaino sprendimų paieškos. Vakuuminė elektronika yra praturtinta nuostabiais išradimais. Tuo pačiu kasmet tobulinami puslaidininkiniai radijo prietaisai. Didžiulė mokslininkų, inžinierių ir radijo mėgėjų armija nenuilstamai dirba, savo darbu tiesdama kelią kristalams.

Viskas apie kristalinį įrenginį yra kompaktiška ir paprasta. Tačiau šis paprastumas nėra lengvas. Filigraninis darbas buvo įdėtas į miniatiūrinį puslaidininkinį stiprintuvą.

Pirmiausia germanio ruošinys specialia mašina deimantiniu pjūklu buvo įpjautas į ploniausias plokštes. Jūs net negalite jų paimti į rankas - jie tokie maži. Nepaisant to, jie buvo rūšiuojami ir valomi cheminiais tirpalais. Žvelgiant pro mikroskopą prie kristalo buvo pritvirtintos beveik nematomos laidų ūseliai, o priešingi galai buvo prilituoti prie storesnių laidų. Tada prietaisą padengė apsauginiu laku, uždarė korpuse ir visas tuštumas užpildė specialiu plastiku. Kai kurios operacijos turėjo būti atliekamos beorėje aplinkoje, o teisingas surinkimas buvo nuolat stebimas elektriniai matavimai. Tačiau tai toli gražu ne pabaiga. Su puslaidininkiniu stiprintuvu dar reikės daug padirbėti, kol jis pagaliau bus paruoštas.

Beveik visi šie juvelyrikos darbai atliekami rankomis. Ir nesunku įsivaizduoti, kokią didelę patirtį, kokius puikius įgūdžius turi turėti puslaidininkinių radijo prietaisų surinkėjai.

Inžinieriai ir mokslininkai dabar siekia mechanizuoti ir (124) netgi automatizuoti kristalinių diodų ir triodų gamybą.

Vietoj deimantinio pjūklo germaniui ir siliciui pjauti pradėtas naudoti ultragarsas. Apsauginis skutimosi peiliukas, pritvirtintas prie dažnai vibruojančio ultragarsinio generatoriaus strypo, pasineria į trapų kristalą kaip stalo peilis į sviestą. O įprastu būdu apdoroti kitą kristalinį puslaidininkį taip pat sunku, kaip, tarkime, iš arbatos trapučio iškirpti raštuotą žvaigždę. Ultragarsas čia taupo medžiagas (gaunama nepalyginamai mažiau pjuvenų, nereikia brangaus deimanto), pagreitina darbus, o svarbiausia – atveria jo mechanizavimo galimybę.

Taip pat taikoma originalus būdas elektrocheminis kristalų apdorojimas. Kai kurių tipų plokštuminiams puslaidininkiniams triodams būtina gauti itin plonas (0,005 milimetro) germanio plokštes. Jų negausite su jokia mechanine apdaila. Tačiau išeitis vis tiek buvo rasta.

Plonos ėsdinimo tirpalo srovės nukreipiamos ant kristalinės germanio plokštės iš abiejų pusių. Jie vienu metu atlieka laidų vaidmenį: per juos per puslaidininkinį sluoksnį praeina elektros srovė iš akumuliatoriaus. Nuo pusantros iki dviejų minučių kristalas korozuojamas šiuo elektrocheminiu metodu. Iš abiejų germanio plokštės pusių susidaro skylės, tarp kurių lieka plona puslaidininkio plėvelė.

Tada plėvelės paviršius padengiamas metalo sluoksniais, naudojant tą patį elektrocheminį metodą.

Apdorojimo metu būtina nuolat ir itin smulkiai reguliuoti srovės stiprumą tirpalo purkštukuose ir puslaidininkyje. Reguliavimas atliekamas šviesos spinduliu, nukreiptu į germanio plokštę. Juk šis puslaidininkis apšviestas žymiai padidina savo laidumą. Kuo stipresnė į ją nukreipta šviesa – ir tuo didesnis plokštės elektrinis laidumas; dėl to didėja ir juo tekanti srovė (125), ir ėsdinimo tirpalo srovės.

Plokštuminių triodų gamyboje naudojamas ir difuzijos reiškinys – lėtas vienos medžiagos atomų skverbimasis į kitos medžiagos storį.

Taip pat siūlomi kiti nuostabūs krištolo radijo prietaisų gamybos būdai.

Kai kurie mokslininkai mano, kad gali būti įmanoma išauginti skirtingų sluoksnių kristalus. Daugelio ekspertų teigimu, viename mažyčiame kristale bus galima sukurti ištisas radioelektronines sistemas – taip, kaip chemikai jau seniai iš tirpalų gamina paprastus kristalus. Kolboje arba tiglyje cheminiu būdu įmontuotas radijo imtuvas! Kas gali būti nuostabiau!

Taip pat atsiranda unikalių juvelyrinių mašinų, skirtų krištolo stiprintuvams surinkti. Technologijos žengia link to, kad puslaidininkinių įtaisų gamyba būtų tikrai masinė ir jie būtų dar mažesni. Inžinieriai dabar rimtai kalba apie matricos sukūrimą su vaiko kubo tūriu tūkstantis krištoliniai triodai. Ir jie ne tik kalba, bet ir sunkiai dirba su šia problema.

Didelis atradimas niekada nelieka izoliuotas. Jis iškelia naujas užduotis ir skatina išradingumą susijusiose srityse. Tai ypač aiškiai matyti puslaidininkių įvedimo į radijo inžineriją pavyzdyje.

Kai tik buvo sukurti pirmieji kristalinių stiprintuvų pavyzdžiai, tapo aišku, kad radijo prietaisų dydis gali būti smarkiai sumažintas. Tačiau iškart iškilo klausimas: o kaip su antena? Ar tikrai išliks taip ilgai, kaip anksčiau? Ar, tarkime, indukcinės ritės, kondensatoriai? Juk jei jų nesumažins, atsiras disproporcija (126) – ir ne tik detalių dydžiu, bet ir techniniu lygiu. Tiesą sakant, stambią vielos ritę pastatyti šalia mažyčio puslaidininkinio stiprintuvo, idealaus paprastumo ir tobulumo, galbūt yra tas pats, kas žvakėmis apšviesti metro traukinius. Taigi užduotis tapo subrendusi: pažodžiui pertvarkyti visus radijo komponentus, iš naujo įrengti visą praktinę radijo įrangą.

Ir vėl čia į pagalbą atėjo puslaidininkiai, pirmiausia medžiagos, vadinamos feritai.

Visi yra matę pasagos magnetą. Jį rasite garsiakalbyje, bet kuriame elektros generatoriuje, automobilio magnete. Nuolatiniai magnetai turi rimtą trūkumą – jie sunkūs. Kad jie būtų lengvesni, metalo mokslininkai sukūrė specialius lydinius. Kai kurie iš jų yra gana vertingi. Bet jūs vis tiek negalite padaryti metalo labai lengvo.

Pažymėkime dar vieną metalo savybę magnetinės medžiagos: Jie yra puikūs elektros laidininkai. Ši savybė naudingai panaudojama daugeliu atvejų – pavyzdžiui, atliekant aukšto dažnio grūdinimą. Kintamasis laukas pagreitina elektronus metale. Yra elektros srovių sūkuriai, kurie greitai padidina temperatūrą. Štai ko čia reikia. Tačiau kitais atvejais šildymas yra žalingas.

Paimkite, pavyzdžiui, transformatoriaus šerdį. Jo visai nereikia šildyti. Juk tai atima papildomos energijos. Be to, sūkurinės srovės neleidžia magnetiniam metalui greitai išsimagnetinti ir įmagnetinti bei sulėtina tokius procesus. Ir šiuolaikiniams radijo prietaisams dažnai reikia labai „judrus“ magnetinės medžiagos.

Elektrikai ir radijo inžinieriai įdėjo daug darbo, kad atsikratytų sūkurinės srovės. Transformatorių, droselių, ritinių šerdis nuspręsta gaminti iš plonų geležinių plokščių, padengtų izoliaciniu laku. Tokios šerdys buvo pagamintos iš izoliacinės masės, sumaišytos su geležies drožlėmis. Tai atnešė šiek tiek naudos (127), bet aš norėjau daugiau. Idealu būtų rasti lengvų magnetinių medžiagų, kurios beveik nelaidžia elektros srovės.

Būtent tokie ir pasirodė feritai.

Feritai turi visiškai kasdienę išvaizdą. Pilkai juodos nepastebimos plokštelės, žiedai, strypai. Jie gaminami iš labiausiai paplitusių gamtoje paplitusių medžiagų – geležies oksidų ir kai kurių kitų metalų. Jiems priklauso ir paprastasis rūdos magnetitas.

Dar praėjusiame amžiuje chemikai žinojo tokių junginių sudėtį, jų vidinė struktūra, pagrindinės savybės. Atrodė, kad mokslas jau seniai iš jų atėmė viską, ką jie galėjo duoti žmogui.

Tačiau iš tikrųjų viskas pasirodė kitaip. Prieš keletą metų fizikai pradėjo tirti feritus. Juos pradėjo sumalti į miltelius, maišyti įvairiomis proporcijomis, spausti, deginti, sukepinti. Ir paaiškėjo, kad ypatingai apdirbus tokias medžiagas jos įgyja įvairių ir labai vertingų derinių elektrines savybes su magnetiniais.

Tarp feritų yra medžiagų, kurios įmagnetinamos žaibo greičiu net esant silpnam magnetiniam laukui ir taip pat greitai keičia įmagnetinimą laikui bėgant keičiantis magnetiniam laukui. Tokios medžiagos viela apvyniotas strypas gali būti puiki antena.

Tokius strypus dabar galima pamatyti daugelyje naujų radijo imtuvų ir televizorių. Antenos yra tokios mažos, kad montuojamos tiesiai į korpusą. Pavyzdžiui, Dorozhny imtuve yra pieštuko ilgio antena. Jis pakeičia daugybę metrų metalinės vielos. Magnetinė ferito antena gali būti net degtuko dydžio! (128)

Ferito šerdys ritėms, transformatoriams, droseliams yra puiki dovana radijo inžinerijai. Turint tokį branduolį, nebereikia gudrauti kovojant su sūkurinės srovės, pasirūpinkite įmagnetinimo apsisukimo greičiu. Sunku patikėti, kad mažytė elektrai laidžios medžiagos spiralė, teptuku užtepta ant ferito plokštės (kitaip tariant, nupiešta), imtuve atliks tą patį vaidmenį, kokį paprastai atlieka stambiagabaritė. indukcinė ritė pagamintas iš vielos.

Žinoma, spiralę galima ne tik nupiešti, bet ir atspausdinti. Nesunku atspausdinti ir jungiamuosius laidininkus, ir tokias detales kaip varžos (beje, dabar jas galima padaryti tokio taško dydžio, kokį popieriuje palieka aštriai paaštrintas pieštukas). Pagaliau netgi galima spausdinti kondensatorius, bet ne ant ferito, o ant plokščių, pagamintų iš kitų medžiagų – feroelektrikų, pavyzdžiui, iš vadinamųjų. bario titanatai.

Bario titanatai ir kitos panašios medžiagos taip pat yra nuostabios šiuolaikinės radijo inžinerijos medžiagos. Prieš keletą metų buvo atskleistos jų vertingosios savybės sovietų fizikas SSRS mokslų akademijos narys korespondentas B. M. Bul. Jais naudojant galima pagaminti mažyčius (129) kondensatorius – varikondus – turinčius nepaprastų savybių, sukurti miniatiūrines antenas ir kitus prietaisus, kurie gerokai supaprastina radijo įrangą.

Kristalinių diodų ir triodų, ferito dalių, varikondų įvedimas rodo, kad net sudėtingos radijo sistemos – ištisi radijo siųstuvai ar radijo imtuvai – gali būti sumažintos iki nereikšmingo dydžio. Atsiveria galimybė juos visiškai sukurti unikaliu tipografiniu būdu, panašiai kaip gaminami atvirukai ar pašto ženklai.

Bet kuris radijo įrenginys turi būti maitinamas energija. Namų imtuvui valdyti reikia dešimčių vatų. Jie paimti iš apšvietimo tinklo, iš baterijų, o pastaruoju metu iš mums jau pažįstamų termoelektrinių generatorių.

O jeigu radijo aparatai būtų pašto ženklo dydžio ir būtų tiesiog prisiūti ant švarko atlapo? Ar jie taip pat turės būti prijungti prie tinklo arba prijungti prie sunkių, didelių gabaritų akumuliatorių?

Ne, tokie maitinimo šaltiniai nereikalingi miniatiūriniam puslaidininkiniam radijo įrenginiui. Tam prireiks dešimčių, šimtų, net daug tūkstančių kartų mažiau energijos nei įprastiems šiuolaikiniams radijo prietaisams. Todėl jam užteks nedidelės baterijos, kurią, beje, dabar išmoko padaryti talpią ir patvarią.

Štai vienas iš jų – jis perpus mažesnis už degtuką. Jo svoris yra 5 gramai, tarnavimo laikas yra daugiau nei metus. Yra mygtuko dydžio baterijos, kurių tarnavimo laikas yra dveji metai. Taip pat yra mažų baterijų.

Galbūt dar įdomesnė yra vadinamoji atominė baterija. Jo nepertraukiamo galiojimo laikas yra daugiau nei dvidešimt metų. (130)

Atominės baterijos konstrukcija primena puslaidininkinį vožtuvo fotoelementą, tik energijos šaltinis joje nėra šviesa, o radioaktyvioji spinduliuotė. Silicio kristalas, kuriame specialaus apdorojimo būdu sukuriamos elektronų ir skylių sritys, yra padengtas radioaktyvaus stroncio sluoksniu – medžiaga, kurią nesunku gauti branduoliniame katile. Skildami stroncio atomai skleidžia vadinamuosius beta spindulius, tai yra tiesiog elektronų srautą.

Kiekvienas iš jų, patekęs į puslaidininkį, išskiria jame apie du šimtus tūkstančių laidumo elektronų.

Tokią bateriją galima įmontuoti į radijo imtuvą jau jo pagaminimo metu ir tarnaus tol, kol imtuvas pasens (galite garantuoti, kad tai įvyks po dvidešimties metų).

Tačiau puslaidininkiniai radijo įrenginiai kartais apsieina visai be baterijų. Energiją jiems gali suteikti, pavyzdžiui, vožtuvų fotoelementai – šviesos gaudyklės. Neseniai vienos amerikiečių kompanijos inžinierių sukonstravo kišeninį „saulės“ radijo imtuvą su keturiais krištoliniais stiprintuvais. Tiesiog kurį laiką palaikykite jį šviesoje, o tada jis gali dirbti penkis šimtus valandų visiškoje tamsoje. Šio imtuvo svoris yra 280 gramų.

Pagaliau radijo mėgėjai sugalvojo dar vieną nuostabų būdą maitinti radijo įrenginį be baterijų. Mažytis puslaidininkinis radijas tiekiamas elektra... žmogaus balsas – pats garsas, kuris perduodamas per radiją.

Jūs kalbate į mikrofoną. Ten balso garsai paverčiami elektriniais impulsais. Dalis susidariusios pulsuojančios srovės energijos siunčiama į radijo siųstuvą, kuris sustiprinamas ir paverčiamas radijo bangomis. O kita mikrofono srovės dalis išlyginama specialiame įrenginyje ir eina į maitinimą to paties (131) siųstuvo, o kartu ir imtuvo, kuris priima atsakomuosius radijo signalus. Naudojant puslaidininkinius kristalus garsas tarsi virsta radijo bangomis. Visa ši sistema yra itin kompaktiška: radijo stotis telpa į mikrofono korpusą.

Paklauskime radijo inžinieriaus ir puslaidininkių entuziasto:

Kokio tipo mažiausi dydžiai Ar gali pasiekti kristalų radijo įrenginiai?

Inžinierius gūžteli pečiais:

Šiais laikais ekspertai nenustebs perskaitę pranešimą apie kviečio grūdo dydžio radijo imtuvą!

Besigrožėdami šiuo stebuklu, šiuo nuostabiu mokslo laimėjimu, mes kartu nevalingai susimąstome apie jo praktinio aptarnavimo galimybes. O jei kalbame apie kviečio grūdo dydžio imtuvą, kyla klausimas: kam toks mikroskopinis radijo įrenginys? Tinka tik skruzdėlynų radiofikacijai, atrodo kaip niekučiai, kaip plieninė blusa, kurį Leskovas aprašė istorijoje „Kairysis“. Prisiminkite, mažytis „dėmėtukas“, kurį reikėjo suvynioti raktu, o tada jis pradėjo šokti. Jei mažytis radijo prietaisas atitinka Leskovo blusą, tai kas iš to? Visiškai jokios.

Žinoma, puslaidininkinė radijo technologija nesiekia maksimaliai sumažinti radijo prietaisų. Tikslas – ne siekti miniatiūrinių rekordų, o patogiais kiekiais sutalpinti pažangiausią įrangą.

Koks tai jausmas?

Sudėtingas cigarečių dėklo dydžio radijo imtuvas (132) tapo ne tokia retenybė. Įsidėjai jį į kišenę ir pakeliui į darbą troleibuse klausai radijo.

Siuntimo ir priėmimo radijo instaliaciją ant kristalų galima įdėti į degtukų dėžutę. Tai puiki pagalba, pavyzdžiui, sportuojant. Pirmą kartą iš lėktuvo į oro bedugnę metęs parašiutininkas kalbasi su patyrusiu bendražygiu ant žemės, klauso jo ramių patarimų. Treneris radijo ryšiu duoda nurodymus slalomininkui, plaukikui ir bėgikui.

Kokios naudingos tokios miniatiūrinės radijo stotys statybų pramonėje! Mūrininkas galės nuolat palaikyti ryšį su krano operatoriumi. Nereikės įtempti balso šaukiant, šauksmas „mano“ ir „vira“ taps praeitimi, nebereikės kandiklių.

Toliau – naujos galimybės. Įsivaizduokite ateities telefoną. Tai arba mažas įrašas švarko kišenėje, arba, tarkime, specialiai įrengtas rašiklis: vienoje pusėje – mikrofonas, kitoje – ausinė kaip gilė.

Telefone bus nereikalingi laidai. Ultratrumpos radijo bangos sujungs mūsų butus, gamyklas ir įstaigas su automobiliais ir lėktuvais, su geležinkelio traukiniais ir pėstieji. Asmuo galės vesti pokalbius telefonu bet kur, bet kuriuo metu ir bet kuriuo tašku. Ši problema šiais laikais rimtai aptarinėjama specialių žurnalų puslapiuose. Jau yra visuotinai priimtas tokio ryšio terminas - „universalus“.

Kaip manote, ar galima žaisti futbolą su radijo siųstuvu?

Klausimas nuo proto pametusio žmogaus, sakote.

Pasirodo, šis atsakymas pernelyg skubotas.

Puslaidininkiniai radijo prietaisai dabar pagaminti tokie tvirti ir patikimi, kad juos galima pritvirtinti prie kamuolio padangos, nerizikuojant, kad prietaisai gali būti sugadinti nuo futbolininkų smūgių. Kokia iš to nauda? Kodėl jums reikalinga radijo stotis?

Dažnas Amerikoje sportinis žaidimas golfas. Į nedidelį kietą rutulį jie smogia lazda – jis pašoka, rieda, atsitrenkia į duobutes, bet kartais pasiklysta žolėje ar krūmuose. Žaidėjams kartais tenka ilgai ieškoti. Taigi, norėdami pagreitinti paiešką, kad kamuoliukai nedingtų, jie pasiūlė juose įrengti puslaidininkinius radijo siųstuvus. Kad ir koks būtų įtemptas rutulys, jame esantis radijo siųstuvas veikia be perstojo. Jis skleidžia radijo signalą, kurį gali paimti imtuvas su kryptine antena, įmontuota grotuvo lazdoje. Jei (134) kamuolys pametamas, žaidėjas prideda radijo lazdelę prie ausies ir lengvai suranda kryptį, iš kurios pasigirsta trūkstamo kamuolio „balsas“. Dabar jį labai lengva rasti.

Tiesa, toks puslaidininkinių stiprintuvų naudojimas yra labiau reklaminis nei praktinis pobūdis. Tuo pačiu tikslu radijo siųstuvai ant kristalų montuojami įprastą santechniko plaktuką. Galite daužyti plaktuku kiek norite, prietaisas nenustos veikti.

Dabar gaminama daug panašių radijo inžinerijos keistenybių ir puslaidininkių žaislų. Jie suteikia ypač aiškų supratimą apie didžiausią praktinę krištolo diodų ir triodų vertę. Įranga, kurią esame įpratę laikyti gležna ir trapi, įgauna akmens tvirtumą. Jį galima montuoti į didelio aukščio raketą, net į artilerijos sviedinį – tirti jos skrydį. Įtempčiausioje aplinkoje jis tarnaus be klaidų.

Kokia nepajudinamai stipri lėktuvų, sraigtasparnių ir laivų radijo įranga tampa atsiradus puslaidininkiams. Aštriausi smūgiai ir stipriausias kratymas nebėra baisūs!

Pateikėme tik keletą puikių puslaidininkinių radijo technologijų paslaugų pavyzdžių. Galbūt jie nėra labiausiai atskleidžiantys.

Tačiau dabar vis dar labai sunku numatyti visas gausias puslaidininkių panaudojimo galimybes šioje srityje. Kone kiekviena diena atneša naujienas apie naujus atradimus, naujus sprendimus.

Paveikslėlis dešinėje rodo galimą televizoriaus, surinkto tik ant puslaidininkių, išvaizdą. Vietoj katodinių spindulių vamzdžio bus naudojamas tam tikras plokščias šviečiantis ekranas su metaliniu tinkleliu.

Jie stato rašalinės dydžio garso įrašymo įrenginius. Televizorius kuriamas be vakuuminio vamzdžio, su plokščiu ekranu. Jį galima pakabinti ant sienos kaip paveikslą arba padėti ant stalo kaip stalinį kalendorių. Kada nors atsiras ir kišeniniai televizoriai – nešiojamojo kompiuterio stiliaus vaizdo telefonai.

Fortepijonas buvo išrastas maždaug prieš du šimtus penkiasdešimt metų. Smuikas, violončelė, įvairūs variniai ir mediniai vamzdžiai buvo sukurti dar anksčiau.

Per šimtmečius jie visi pasiekė aukščiausią tobulumą. Galime drąsiai teigti: gražesnio garso nei šiuolaikiniuose muzikos instrumentuose iš stygų, nendrių ir vibruojančių oro kolonų neišgausi. Bet ar tai reiškia, kad gražesnių garsų sukurti neįmanoma? Žinoma ne. Per pastaruosius dešimtmečius atsirado naujos muzikos – elektrinės – entuziastų. Jie sukonstravo daugybę instrumentų su nuostabiais, anksčiau nežinomais balsais (136) gimsta, transformuojasi ir sustiprėja radijo lempose. Todėl visi elektriniai muzikos instrumentai turi vamzdinių radijo imtuvų trūkumą: jie yra trumpalaikiai, sunkūs ir nepatogūs. Pavyzdžiui, vieno balso instrumentas emiritonas sveria apie 90 kilogramų. Per daug!

Šiais laikais elektrinės muzikos entuziastai noriai imasi puslaidininkių kūrimo. Jau pastatyti pirmieji elektriniai vargonai su kristaliniais osciliatoriais ir stiprintuvais. Praeis keli metai – ir mūsų namuose, parkuose ir gatvėse skambės nuostabūs elektros vamzdžiai, varpeliai, stygos. Kompozitoriai pradės kurti ne tik partitūras, bet ir naujus tembrus. Atsiras lengvi ir patikimi elektriniai muzikos instrumentai, prieinami kiekvienam ir nereikalaujantys daugelio metų studijų.

Praturtintas mokslu, muzikinė kultūra taps dar artimesnis žmonėms.

Šiuolaikinės elektronikos viršūnė neabejotinai yra kompiuteriniai įrenginiai. Jie atlieka sudėtingus matematinius skaičiavimus, valdo mašinas, verčia tekstus iš vienos kalbos į kitą, sprendžia šachmatų uždavinius. Žmogus duoda mašinai „instrukciją“, o tada ji pati per kelias valandas ar net minutes atlieka titanišką skaičiavimo darbą – darbą, kurio prireiktų. ilgus metus daugelio šimtų žmonių darbas.

Elektroniniai kompiuteriai yra labai sudėtingi ir sudėtingi. Jie užima didžiules sales, kartais ištisus pastatus. Ir kiekvienas turi tūkstančius radijo vamzdžių. Nesunku suprasti, kokį nepaprastą efektą čia suteikia puslaidininkių panaudojimas. Skaičiavimo mašinos lustuose užima kelis kartus mažiau vietos, yra daug lengvesnės, nepalyginamai taupesnės energijos sąnaudos (137), o svarbiausia – patikimesnės. Trijų milimetrų ferito žiedas, perbrauktas keliais plonais laidais, gali pakeisti porą radijo vamzdžių ir keletą kitų skaičiavimo mašinos dalių. Kitų tipų feritai atlieka unikalių elektroninio skaičiavimo įrenginio atminties ląstelių vaidmenį.

Ateityje neabejotinai atsiras staliniai, o gal net ir kišeniniai puslaidininkiniai kompiuteriai. Tai bus tikrai visapusiško ne tik fizinio, bet ir psichinio žmogaus darbo mechanizavimo priemonės.

Vienas iš elektroninio kompiuterio, naudojančio vakuuminius vamzdžius, komponentų. Kairėje yra tas pats ferito dalių mazgas.

Meteorologams į pagalbą ateis elektroninės skaičiavimo technologijos, sulauksime astronomiškai tikslių orų prognozių. Buhalteriai, bibliotekininkai ir dispečeriai nurodys mašinoms sudaryti įvairius katalogus, informacines ataskaitas, tvarkaraščius ir statistines ataskaitas.

Su šviesoforais sujungti kompiuteriai reguliuos gatvių eismą.

Buvo atlikti pirmieji automatinio orlaivių judėjimo nuo žemės valdymo eksperimentai. Vykdydamas komandas iš elektroninio kompiuterio, orlaivis savarankiškai pakyla, pakyla, atlieka manevrus ir nusileidžia norimoje (138) vietoje. Kaip toli ši nuostabi automatika paliko „regintį“ mokslinės fantastikos istorijos automobilį!

Pramonėje Elektroniniai prietaisai valdys dirbtuves ir ištisas gamyklas. Žmogus privers juos išduoti žaliavas, kontroliuoti ir keisti technologijas, rūšiuoti ir skaičiuoti produktus. Ir visur čia puslaidininkiai užtikrins be problemų.

Mūsų laikas vadinamas atominio amžiaus pradžia. Pagrįstas pavadinimas, bet nepilnas. Planetos pertvarkymas žmonijos labui susijęs su daugybe puikių mokslo pergalių. Štai pasiekimai branduolinė fizika, ir sparti elektronikos plėtra, ir puslaidininkių fizikos pažanga, ir nuostabios chemijos sėkmės. Energetikos, metalurgijos, mechaninės inžinerijos, statybos ir žemės ūkio srityse yra galingų ir išmaniųjų technologijų.

Puslaidininkių studijos žengia į priekį vieningai su visomis svarbiausiomis tiksliųjų žinių ir pramonės šakomis, remiantis jų ilgamete patirtimi.

Savo ruožtu puslaidininkių fizika praturtina susijusias mokslo ir technologijų sritis.

Pavyzdžiui, paaiškėjo, kad puslaidininkinės medžiagos yra puikūs katalizatoriai – cheminių procesų greitintojai. SSRS mokslų akademijos narys korespondentas S. Z. Roginskis vienoje mokslinėje konferencijoje pažymėjo, kad iki šiol chemikai buvo „smulkioji buržua tarp bajorų“. Moljero herojus neįtarė, kad visą gyvenimą kalbėjo proza, o chemikai nežinojo, kad daugelyje cheminių procesų jie susiduria su puslaidininkiais, su elektroniniais procesais puslaidininkiuose.

Instrumentų pramonė turi įvaldyti dar vieną puslaidininkių savybę (139) – elektros srovės poslinkį juose veikiant išoriniam magnetiniam laukui. Tuo remiantis galima sukurti precedento neturinčius jautrius ir tikslius kompasus, sukurti prietaisus, gebančius aptikti objektų judėjimą iki dešimties milijonų milimetro dalių!

Puslaidininkių fizikai taip pat teko susidurti su tokia netikėta šiam mokslui žinių sritimi kaip fiziologija. Pasirodo, elektroniniai reiškiniai čia taip pat vaidina svarbų vaidmenį. Vengrų fiziologas E. Ernstas ne taip seniai pastebėjo, kad nemažai būdingi bruožai nerviniai procesai randa paprastą paaiškinimą, jei darome prielaidą, kad kai kurios struktūrinės nervų dariniai yra tam tikri puslaidininkiniai lygintuvai. Kas žino, gal chirurgai, naudodami dar nežinomus puslaidininkius, išmoks pasidaryti dirbtinius nervus!

Puslaidininkinių medžiagų mechaninės savybės dar nėra pakankamai ištirtos. Tuo tarpu tokių tyrimų laukas platus ir dėkingas. Kai kurie puslaidininkiai yra ypač stiprūs ir atsparūs karščiui – atlaiko daugiau nei 4000 laipsnių temperatūrą! Galbūt kada nors iš tokių medžiagų bus pastatytos tarpplanetinių erdvėlaivių variklių ir įrangos degimo kameros branduoliniai varikliai.

Šiandieninis puslaidininkių tyrimas prieš mus pakėlė tik kampelį laiko šydo, kuris slepia rytoj. Bet net ir per šį plyšį pamatėme daug. Rytojaus mieste susidūrėme su šalčio įkaitusiais pastatais, dykumose – nuostabiais spinduliuojančios energijos spąstais. Mes numatėme saulės energijos gimimą. Matėme visuotinį naujų radijo technologijų plitimą, pergalingą miniatiūrinių mašinų, turinčių regėjimą ir atmintį, žygį, pagavome negirdėtų muzikos instrumentų garsus.

Tai mūsų ateities grūdai. Tačiau juos gauti nėra lengva. (140) Reikia įveikti tūkstančius didelių ir mažų kliūčių, toliau plėtoti puslaidininkių – ne tik kristalinių, bet ir stiklinių bei skystų – teoriją, ieškoti geresnių jų valymo ir apdorojimo būdų.

Socialistinio darbo didvyris, akademikas A.F.Ioffe'as, seniausias sovietų mokslininkas, daugiau nei ketvirtį amžiaus paskyręs darbui puslaidininkių fizikos srityje, sako: „Mes įžengiame į naują techninės pažangos erą. Turime pakankamai jėgų ir galimybių – tiek moralinių, tiek materialinių – bet kokio masto problemas spręsti ateinančiais metais, ateinančiais dešimtmečiais.

Sovietų šalies mokslininkai ir inžinieriai užtikrintai laukia. Drąsios svajonės, aiškaus proto žmonės, nenuilstantys mokslo entuziastai, jie šiandien ruošia tai, kas rytoj taps žmonių nuosavybe, kuri bus įtraukta į nesuskaičiuojamus ateinančio komunizmo šimtmečius.

Garsiausias puslaidininkis yra silicis (Si). Tačiau be jo yra daug kitų. Pavyzdžiui, tokios natūralios puslaidininkinės medžiagos kaip cinko mišinys (ZnS), kupitas (Cu 2 O), galenas (PbS) ir daugelis kitų. Puslaidininkių šeima, įskaitant puslaidininkius, susintetintus laboratorijose, yra viena iš universaliausių žmogui žinomų medžiagų klasių.

Puslaidininkių charakteristikos

Iš 104 periodinės lentelės elementų 79 yra metalai, 25 – nemetalai, iš kurių 13 pasižymi puslaidininkinėmis, o 12 – dielektrinėmis savybėmis. Pagrindinis skirtumas tarp puslaidininkių yra tas, kad didėjant temperatūrai jų elektrinis laidumas žymiai padidėja. Žemoje temperatūroje jie elgiasi kaip dielektrikai, o aukštoje – kaip laidininkai. Tuo puslaidininkiai skiriasi nuo metalų: metalo varža didėja proporcingai didėjant temperatūrai.

Kitas skirtumas tarp puslaidininkio ir metalo yra tas, kad puslaidininkio varža krenta veikiant šviesai, o pastaroji neturi įtakos metalui. Puslaidininkių laidumas taip pat pasikeičia, kai įvedamas nedidelis kiekis priemaišų.

Puslaidininkiai randami tarp įvairių kristalų struktūrų cheminių junginių. Tai gali būti elementai, tokie kaip silicis ir selenas, arba dvejetainiai junginiai, tokie kaip galio arsenidas. Daugelis poliacetileno (CH) n, - puslaidininkinių medžiagų. Kai kurie puslaidininkiai pasižymi magnetinėmis (Cd 1-x Mn x Te) arba feroelektrinėmis (SbSI) savybėmis. Kiti, turintys pakankamai dopingo, tampa superlaidininkais (GeTe ir SrTiO 3). Daugelis neseniai atrastų aukštos temperatūros superlaidininkų turi nemetalines puslaidininkines fazes. Pavyzdžiui, La 2 CuO 4 yra puslaidininkis, bet susidarius lydiniui su Sr jis tampa superlaidininku (La 1-x Sr x) 2 CuO 4.

Fizikos vadovėliuose puslaidininkis apibrėžiamas kaip medžiaga su elektrinė varža nuo 10 -4 iki 10 7 omų m. Galimas ir alternatyvus apibrėžimas. Puslaidininkio juostos tarpas yra nuo 0 iki 3 eV. Metalai ir pusmetaliai yra medžiagos, kurių energijos tarpas yra nulinis, o medžiagos, kuriose jis viršija 3 eV, vadinamos izoliatoriais. Yra išimčių. Pavyzdžiui, puslaidininkinio deimanto juostos plotis yra 6 eV, pusiau izoliacinio GaAs - 1,5 eV. GaN, mėlynam regionui skirta medžiaga, turi 3,5 eV juostos tarpą.

Energijos tarpas

Atomų valentinės orbitalės kristalinėje gardelėje skirstomos į dvi energijos lygių grupes – laisvąją juostą, esančią aukščiausiame lygyje ir lemiančią puslaidininkių elektrinį laidumą, ir valentinę juostą, esančią žemiau. Šie lygiai, priklausomai nuo kristalinės gardelės simetrijos ir atomų sudėties, gali susikirsti arba būti vienas nuo kito atstumu. Pastaruoju atveju tarp zonų atsiranda energijos tarpas arba, kitaip tariant, uždrausta zona.

Lygių vieta ir užpildymas lemia medžiagos elektrinio laidumo savybes. Pagal šį kriterijų medžiagos skirstomos į laidininkus, izoliatorius ir puslaidininkius. Puslaidininkio juostos tarpas svyruoja tarp 0,01-3 eV, o dielektriko energijos tarpas viršija 3 eV. Metalai neturi energijos spragų dėl lygių sutapimo.

Puslaidininkiai ir dielektrikai, priešingai nei metalai, turi valentinę juostą, užpildytą elektronais, o artimiausia laisva juosta arba laidumo juosta yra atskirta nuo valentinės juostos energijos atotrūkiu – draudžiamų elektronų energijų sritimi.

Dielektrikuose šiluminės energijos ar nedidelio elektrinio lauko nepakanka, kad būtų atliktas šuolis per šį tarpą, elektronai nepatenka į laidumo juostą. Jie negali judėti išilgai kristalinės gardelės ir tapti elektros srovės nešėjais.

Norint inicijuoti elektrinį laidumą, elektronui valentiniame lygyje turi būti suteikta energija, kurios pakaktų energijos atotrūkiui įveikti. Tik sugerdamas energijos kiekį, ne mažesnį už energijos tarpo dydį, elektronas pereis iš valentinio lygio į laidumo lygį.

Jei energijos tarpo plotis viršija 4 eV, puslaidininkio laidumo sužadinimas apšvitinimu ar kaitinimu praktiškai neįmanomas – elektronų sužadinimo energija lydymosi temperatūroje yra nepakankama peršokti per energijos tarpo zoną. Kaitinamas, kristalas ištirps tol, kol prasidės elektroninis laidumas. Tokios medžiagos yra kvarcas (dE = 5,2 eV), deimantas (dE = 5,1 eV) ir daugelis druskų.

Puslaidininkių priemaišos ir savitasis laidumas

Grynieji puslaidininkiniai kristalai turi savo laidumą. Tokie puslaidininkiai vadinami vidiniais puslaidininkiais. Vidiniame puslaidininkyje yra vienodas skaičius skyles ir laisvųjų elektronų. Kaitinant, vidinis puslaidininkių laidumas didėja. Esant pastoviai temperatūrai, susidaro dinaminės pusiausvyros būsena elektronų skylių poros ir rekombinuojančių elektronų bei skylių skaičius, kurie tam tikromis sąlygomis išlieka pastovūs.

Priemaišų buvimas turi didelę įtaką puslaidininkių elektriniam laidumui. Jų pridėjimas leidžia labai padidinti laisvųjų elektronų skaičių su nedideliu skaičiumi skylių ir padidinti skylių skaičių su nedideliu elektronų skaičiumi laidumo lygyje. Priemaišiniai puslaidininkiai yra laidininkai, turintys priemaišų laidumą.

Priemaišos, kurios lengvai atsisako elektronų, vadinamos donorinėmis priemaišomis. Donorinės priemaišos gali būti cheminiai elementai su atomais, kurių valentingumo lygiuose yra daugiau elektronų nei pagrindinės medžiagos atomuose. Pavyzdžiui, fosforas ir bismutas yra silicio donorės.

Energija, reikalinga elektronui peršokti į laidumo sritį, vadinama aktyvacijos energija. Priemaišiniams puslaidininkiams jo reikia daug mažiau nei pagrindinei medžiagai. Esant nedideliam kaitinimui ar apšvietimui, daugiausia išsiskiria priemaišų puslaidininkių atomų elektronai. Elektrono, kuris palieka atomą, vietą užima skylė. Tačiau elektronų rekombinacija į skyles praktiškai nevyksta. Donoro skylės laidumas yra nereikšmingas. Taip atsitinka todėl, kad mažas priemaišų atomų skaičius neleidžia laisviesiems elektronams dažnai priartėti prie skylės ir ją užimti. Elektronai yra šalia skylių, bet negali jų užpildyti dėl nepakankamo energijos lygio.

Nedidelis donorinės priemaišos pridėjimas padidina laidumo elektronų skaičių keliomis eilėmis, palyginti su laisvųjų elektronų skaičiumi vietiniame puslaidininkyje. Elektronai čia yra pagrindiniai priemaišinių puslaidininkių atomų krūvininkai. Šios medžiagos priskiriamos n tipo puslaidininkiams.

Priemaišos, kurios suriša puslaidininkio elektronus, padidindamos jame skylių skaičių, vadinamos akceptorinėmis priemaišomis. Akceptorių priemaišos yra cheminiai elementai, kurių valentiniame lygyje yra mažiau elektronų nei baziniame puslaidininkyje. Boras, galis, indis yra silicio akceptoriaus priemaišos.

Puslaidininkio charakteristikos priklauso nuo jo kristalinės struktūros defektų. Dėl šios priežasties reikia auginti itin grynus kristalus. Puslaidininkio laidumo parametrai valdomi pridedant priedų. Silicio kristalai yra legiruojami fosforu (V pogrupio elementu), kuris yra donoras, kad būtų sukurtas n tipo silicio kristalas. Norint gauti kristalą su skylutiniu laidumu, į silicį įvedamas akceptoriaus boras. Puslaidininkiai su kompensuotu Fermi lygiu, kad jį būtų galima perkelti į juostos tarpo vidurį, sukuriami panašiai.

Vieno elemento puslaidininkiai

Labiausiai paplitęs puslaidininkis, žinoma, yra silicis. Kartu su germaniu jis tapo plačios klasės puslaidininkių, turinčių panašias kristalų struktūras, prototipu.

Si ir Ge yra tokie patys kaip deimantas ir α-alavas. Jame kiekvieną atomą supa 4 artimiausi atomai, kurie sudaro tetraedrą. Šis koordinavimas vadinamas keturkampiu koordinavimu. Tetradriliškai sujungti kristalai tapo pagrindiniais elektronikos pramonės elementais ir atlieka pagrindinį vaidmenį šiuolaikinėse technologijose. Kai kurie periodinės lentelės V ir VI grupių elementai taip pat yra puslaidininkiai. Šio tipo puslaidininkių pavyzdžiai yra fosforas (P), siera (S), selenas (Se) ir telūras (Te). Šiuose puslaidininkiuose atomai gali turėti trigubą (P), dvigubą (S, Se, Te) arba keturių kartų koordinavimą. Dėl to panašūs elementai gali egzistuoti keliose skirtingose ​​kristalų struktūrose ir taip pat gali būti gaminami stiklo pavidalu. Pavyzdžiui, Se buvo auginamas monoklininėse ir trigoninėse kristalų struktūrose arba kaip stiklas (kuris taip pat gali būti laikomas polimeru).

Deimantas turi puikų šilumos laidumą, puikų mechaninį ir optines charakteristikas, didelis mechaninis stiprumas. Energijos tarpo plotis yra dE = 5,47 eV.

Silicis yra puslaidininkis, naudojamas saulės energija varomas, o amorfinėje formoje – plonasluoksniuose saulės elementuose. Tai dažniausiai fotovoltiniuose elementuose naudojamas puslaidininkis, jį lengva gaminti, jis turi geras elektrines ir mechanines savybes. dE = 1,12 eV.

Germanis yra puslaidininkis, naudojamas gama spektroskopijoje ir didelio efektyvumo fotovoltiniuose elementuose. Naudojamas pirmuosiuose dioduose ir tranzistoriuose. Valyti reikia mažiau nei siliciui. dE = 0,67 eV.

Selenas yra puslaidininkis, naudojamas seleno lygintuvuose, kurie pasižymi dideliu atsparumu radiacijai ir savaiminio gijimo savybėmis.

Dviejų elementų jungtys

Puslaidininkių, sudarytų iš periodinės lentelės 3 ir 4 grupių elementų, savybės primena 4 grupes. Perėjimas iš 4 elementų grupės prie 3-4 grupės junginių. paverčia ryšius iš dalies joniniais dėl elektronų krūvio perdavimo iš 3 grupės atomo į 4 grupės atomą. Joniškumas keičia puslaidininkių savybes. Tai yra Kulono tarpjoninės sąveikos padidėjimas ir energijos pertraukos energija elektronų juostos struktūroje. Šio tipo dvejetainio junginio pavyzdys yra indžio antimonidas InSb, galio arsenidas GaAs, galio antimonidas GaSb, indžio fosfidas InP, aliuminio antimonidas AlSb, galio fosfidas GaP.

Joniškumas didėja, o jo vertė dar labiau auga 2-6 grupių medžiagų junginiuose, tokiuose kaip kadmio selenidas, cinko sulfidas, kadmio sulfidas, kadmio teluridas, cinko selenidas. Dėl to daugumos 2–6 grupių junginių juostos tarpas yra platesnis nei 1 eV, išskyrus gyvsidabrio junginius. Gyvsidabrio teluridas yra puslaidininkis be energijos tarpo, pusmetalis, kaip α-alavas.

Lazerių ir ekranų gamyboje naudojami 2-6 grupių puslaidininkiai su dideliu energijos tarpu. Infraraudonųjų spindulių imtuvams tinka 2-6 grupių dvejetainiai junginiai su susiaurintu energijos tarpu. Dvejetainiai 1-7 grupių elementų junginiai (vario bromidas CuBr, sidabro jodidas AgI, vario chloridas CuCl) dėl didelio joniškumo turi platesnį nei 3 eV juostos tarpą. Tiesą sakant, jie nėra puslaidininkiai, o izoliatoriai. Kristalo sanglaudos energijos padidėjimas dėl Kulono tarpjoninės sąveikos skatina atomų struktūravimą šešis kartus, o ne kvadratine koordinacija. 4-6 grupių junginiai – švino sulfidas ir teluridas, alavo sulfidas – taip pat yra puslaidininkiai. Šių medžiagų joniškumo laipsnis taip pat prisideda prie šešių kartų koordinacijos susidarymo. Didelis joniškumas netrukdo jiems turėti labai siaurų juostų tarpų, todėl juos galima naudoti IR spinduliuotei priimti. Galio nitridas, 3-5 grupių junginys, turintis platų energijos tarpą, buvo pritaikytas šviesos dioduose, veikiančiuose mėlynoje spektro dalyje.

GaAs, galio arsenidas, yra antras pagal populiarumą puslaidininkis po silicio, dažniausiai naudojamas kaip substratas kitiems laidininkams, pvz., GaInNAs ir InGaAs, IR šviesos dioduose, aukšto dažnio lustuose ir tranzistoriuose, didelio efektyvumo fotovoltiniuose elementuose, lazeriniuose dioduose ir branduolinės spinduliuotės detektoriai. dE = 1,43 eV, o tai leidžia padidinti įrenginių galią, palyginti su siliciu. Jis yra trapus, jame yra daugiau priemaišų ir jį sunku gaminti.

ZnS, cinko sulfidas – cinko druska vandenilio sulfido rūgštis su 3,54 ir 3,91 eV dažnių juostos diapazonu, jis naudojamas lazeriuose ir kaip fosforas.

SnS, alavo sulfidas – fotorezistoriuose ir fotodioduose naudojamas puslaidininkis, dE= 1,3 ir 10 eV.

Oksidai

Metalų oksidai paprastai yra puikūs izoliatoriai, tačiau yra išimčių. Šio tipo puslaidininkių pavyzdžiai yra nikelio oksidas, vario oksidas, kobalto oksidas, vario dioksidas, geležies oksidas, europio oksidas, cinko oksidas. Kadangi vario dioksidas yra mineralinio kuprito pavidalu, jo savybės buvo plačiai ištirtos. Šio tipo puslaidininkių auginimo procedūra dar nėra visiškai suprantama, todėl jų naudojimas vis dar ribotas. Išimtis yra cinko oksidas (ZnO), 2-6 grupių junginys, naudojamas kaip konverteris ir lipniųjų juostų bei klijų gamyboje.

Situacija dramatiškai pasikeitė po to, kai daugelyje vario ir deguonies junginių buvo aptiktas superlaidumas. Pirmasis Müllerio ir Bednorzo atrastas aukštos temperatūros superlaidininkas buvo junginys, sudarytas iš puslaidininkio La 2 CuO 4, kurio energijos tarpas yra 2 eV. Trivalentį lantaną pakeitus dvivalenčiu bariu arba stronciu, į puslaidininkį įvedami skylių krūvininkai. Pasiekus reikiamą skylių koncentraciją, La 2 CuO 4 paverčiama superlaidininku. IN duotas laikas Aukščiausia perėjimo į superlaidžią būseną temperatūra priklauso junginiui HgBaCa 2 Cu 3 O 8. At aukštas kraujo spaudimas jo vertė 134 tūkst.

ZnO, cinko oksidas, naudojamas varistoriuose, mėlynuose šviesos dioduose, dujų jutikliuose, biologiniuose jutikliuose, langų dangose, atspindinčiose infraraudonąją šviesą, kaip laidininkas LCD ekranuose ir saulės elementuose. dE = 3,37 eV.

Sluoksniuoti kristalai

Dvejetainiai junginiai, tokie kaip švino dijodidas, galio selenidas ir molibdeno disulfidas, išsiskiria sluoksnine kristalų struktūra. Sluoksniuose veikia reikšmingos jėgos, daug stipresnės nei van der Waals ryšiai tarp pačių sluoksnių. Šio tipo puslaidininkiai yra įdomūs, nes elektronai sluoksniuose elgiasi beveik dvimačiai. Sluoksnių sąveiką keičia trečiųjų šalių atomų įvedimas – interkalacija.

MoS 2, molibdeno disulfidas naudojamas aukšto dažnio detektoriuose, lygintuvuose, memristorius, tranzistorius. dE=1,23 ir 1,8 eV.

Organiniai puslaidininkiai

Puslaidininkių, kurių pagrindą sudaro organiniai junginiai, pavyzdžiai yra naftalenas, poliacetilenas (CH 2) n, antracenas, polidiacetilenas, ftalocianidai, polivinilkarbazolas. Organiniai puslaidininkiai turi pranašumą prieš neorganinius: jais lengva suteikti norimas savybes. Medžiagos su konjuguotais ryšiais formos -C=C-C= turi didelį optinį netiesiškumą ir dėl to yra naudojamos optoelektronikoje. Be to, organinių puslaidininkių energijos tarpo zonos keičiamos keičiant junginio formulę, o tai yra daug lengviau nei įprastinių puslaidininkių. Anglies, fullereno, grafeno ir nanovamzdelių kristaliniai alotropai taip pat yra puslaidininkiai.

Fullereno struktūra yra išgaubto uždaro daugiakampio formos, sudarytos iš lyginio anglies atomų skaičiaus. Ir fullereno C 60 dopingas šarminis metalas paverčia jį superlaidininku.

Grafeną sudaro monoatominis anglies sluoksnis, sujungtas į dvimatę šešiakampę gardelę. Turi rekordinį šilumos laidumą ir elektronų mobilumą, didelį standumą

Nanovamzdeliai yra grafito plokštės, susuktos į kelių nanometrų skersmens vamzdelį. Šios anglies formos yra daug žadančios nanoelektronikoje. Priklausomai nuo sukibimo, jie gali pasižymėti metalinėmis arba puslaidininkinėmis savybėmis.

Magnetiniai puslaidininkiai

Junginiai su magnetiniais europio ir mangano jonais pasižymi įdomiomis magnetinėmis ir puslaidininkinėmis savybėmis. Šio tipo puslaidininkių pavyzdžiai yra europio sulfidas, europio selenidas ir kietų tirpalų, panašus į Cd 1-x- Mn x Te. Magnetinių jonų kiekis turi įtakos tam, kaip medžiagose atsiranda tokios magnetinės savybės kaip antiferomagnetizmas ir feromagnetizmas. Puslaidininkiai yra kietieji puslaidininkių magnetiniai tirpalai, kuriuose yra mažos koncentracijos magnetinių jonų. Tokie solidūs sprendimai patraukia dėmesį savo perspektyvumu ir dideliu galimų pritaikymų potencialu. Pavyzdžiui, skirtingai nei nemagnetiniai puslaidininkiai, jie gali pasiekti milijoną kartų didesnį Faradėjaus sukimąsi.

Stiprūs magneto-optiniai magnetinių puslaidininkių efektai leidžia juos panaudoti optiniam moduliavimui. Perovskitai, tokie kaip Mn 0,7 Ca 0,3 O 3, pasižymi pranašesnėmis savybėmis už metalo-puslaidininkio perėjimą, kurio tiesioginė priklausomybė nuo magnetinio lauko sukelia milžiniškos magnetinės varžos reiškinį. Naudojamas radijo inžinerijoje, optiniai instrumentai, kuriuos valdo magnetinis laukas, mikrobangų prietaisų bangolaidžiuose.

Puslaidininkiniai feroelektrikai

Šio tipo kristalai išsiskiria tuo, kad yra elektros momentai ir spontaniškos poliarizacijos atsiradimas. Pavyzdžiui, tokias savybes turi puslaidininkiai švino titanatas PbTiO 3, bario titanatas BaTiO 3, germanio teluridas GeTe, alavo teluridas SnTe, kurie žemoje temperatūroje pasižymi feroelektrinėmis savybėmis. Šios medžiagos naudojamos netiesiniuose optiniuose, saugojimo įrenginiuose ir pjezoelektriniuose jutikliuose.

Puslaidininkinių medžiagų įvairovė

Be pirmiau minėtų puslaidininkių medžiagų, yra daug kitų, kurios nepatenka į jokią iš išvardytų tipų. Elementų, kurių formulė 1-3-5 2 (AgGaS 2) ir 2-4-5 2 (ZnSiP 2), junginiai sudaro kristalus chalkopirito struktūroje. Junginių ryšiai yra tetraedriniai, panašūs į 3-5 ir 2-6 grupių puslaidininkius, turinčius cinko mišinio kristalinę struktūrą. Junginiai, sudarantys 5 ir 6 grupių puslaidininkių elementus (kaip As 2 Se 3), yra puslaidininkiai kristalo arba stiklo pavidalu. Puslaidininkiuose naudojami bismuto ir stibio chalkogenidai termoelektriniai generatoriai. Šio tipo puslaidininkių savybės yra nepaprastai įdomios, tačiau dėl riboto pritaikymo jie nesulaukė populiarumo. Tačiau faktas, kad jie egzistuoja, patvirtina vis dar neištirtų puslaidininkių fizikos sričių buvimą.

Paruoškime puslaidininkį. Kartą jau pavyko – kai aliuminio šaukštą pavertei srovės lygintuvu. Dabar patirtis ne mažiau įdomi ir su teoriniais paaiškinimais. Geriau tai daryti chemijos būrelyje ar mokyklos laboratorijoje, o ne todėl, kad eksperimentas būtų pavojingas: greičiausiai namuose neturite reikiamų medžiagų.

Pirma – preliminari patirtis. Paruoškite švino nitrato arba acetato tirpalą ir perleiskite vandenilio sulfidą (dirbkite pagal trauką!). Išdžiovinkite nusodintą švino sulfidą PbS ir patikrinkite, kaip jis praleidžia elektrą. Pasirodo, tai yra labiausiai paplitęs izoliatorius. Taigi, ką su tuo turi puslaidininkiai?

Neskubėkime daryti išvadų, o atlikime šį pagrindinį eksperimentą. Tam turėsite paruošti vienodus kiekius, tarkime, po 15 ml, 3 % tiokarbamido NH 2 C(S)NH 2 tirpalo ir 6 % švino acetato tirpalo. Abu tirpalus supilkite į nedidelę stiklinę. Pincetu į tirpalą įkiškite stiklinę plokštelę ir laikykite ją vertikaliai (arba pritvirtinkite šioje padėtyje). Mūvėdami gumines pirštines, į stiklinę beveik iki viršaus (atsargiai!) įpilkite koncentruoto šarmo tirpalo ir labai atsargiai išmaišykite stikline lazdele, stengdamiesi juo neliesti lėkštės. Tirpalą šiek tiek pašildykite, kol pasirodys garai; Toliau maišykite. Po maždaug dešimties minučių stiklinę plokštelę atsargiai nuimkite, nuplaukite po tekančiu vandeniu ir nusausinkite.

Ir šiuo atveju jūs gavote švino sulfidą – tai koks skirtumas?

Antrajame eksperimente reakcija vyksta lėtai, o nuosėdos nesusidaro iš karto. Jei stebėjote tirpalą, pastebėjote, kad iš pradžių jis tapo drumstas ir tapo beveik panašus į pieną, o tik tada patamsėjo – šie tarpiniai junginiai irdami sudarė juodąjį švino sulfidą. Ir nusėda ant stiklo plonos juodos plėvelės, susidedančios iš labai mažų kristalų, matomų tik pro mikroskopą, pavidalu. Todėl plėvelė atrodo labai lygi, beveik veidrodinė.

Prie plėvelės prijunkite du elektrinius kontaktus ir pradėkite srovę. Jei švino sulfidas ankstesniame eksperimente elgėsi kaip dielektrikas, dabar jis veda srovę! Prijunkite ampermetrą prie grandinės, išmatuokite srovę ir apskaičiuokite varžą: ji bus didesnė nei metalų, bet ne tokia didelė, kad trukdytų srovei praeiti.

Pritraukite uždegtą lempą labai arti plokštės ir vėl įjunkite srovę. Iš karto pastebėsite, kad švino sulfido atsparumas smarkiai sumažėjo. Juoda plėvelė elgsis maždaug taip pat, jei ji bus tiesiog kaitinama. Bet jei laidumas didėja šviesai ir šildant, tai mes turime reikalą su puslaidininkiu!

Kodėl švino sulfidas turi šią savybę? Užrašėme jo formulę kaip PbS, tačiau tikroji šios medžiagos kristalų sudėtis jos ne visai atitinka. Kai kurie junginiai, įskaitant švino sulfidą, nepaklūsta pastovios sudėties dėsniams. Ir jie visi yra puslaidininkiai. (Beje, tas pats pasakytina ir apie aliuminio oksidą, kuris ištaisė kintamąją srovę.)

Atrodytų, PbS kristale dalelių išdėstymo tvarka turėtų būti griežtai kartojama. Tačiau dažnai dėl to, kad tirpalų, iš kurių gaunami kristalai, koncentracijos svyruoja, tvarka sutrinka. Jaučiama temperatūros ir kitų išorinių priežasčių įtaka. Tačiau tikrame kristale sieros ir švino atomų santykis nėra tiksliai 1:1. Nukrypimai nuo šio santykio labai maži, tik apie 0,0005. Bet to pakanka, kad savybės gerokai pasikeistų.

Švino ir sieros atomus kristale jungia du elektronai: švinas juos paaukoja sierai. Na, kada sugenda santykis 1:1? Jei šalia švino atomo nėra sieros atomo, elektronai bus laisvi – jie tarnaus kaip srovės nešėjai. Ir tokių atvejų nėra taip mažai, kaip gali pasirodyti. Žinoma, santykis 1,0005:1 yra beveik lygus vienybei, bet jei prisiminsite, kiek atomų yra kristale, tai šis nedidelis skirtumas jums nebeatrodys toks nereikšmingas.

Švino sulfido sudėtis gali būti koreguojama. Tai būtina norint pakeisti jo laidumą. Kai kristale yra daugiau sieros atomų, laidumas mažėja, o kai jų mažiau, susidaro daugiau laisvųjų elektronų ir padidėja laidumas. Trumpai tariant, pakeisdami sieros ir švino atomų santykį, galite gauti reikiamą laidumą. Šį eksperimentą atlikti nėra lengva; Jei nedrįstate atlikti eksperimento, laikykis mano žodžio, kad jis veiks.

Paimkite kvarcinį vamzdelį ir įdėkite į jį švino sulfido valtį. Kitoje pusėje į vamzdelį įkiškite tą pačią valtį su švinu ir labai įkaitinkite vamzdelį, kad švinas pradėtų garuoti. Tokiu atveju sulfidas sugers garus, jis bus praturtintas švinu, o jo elektrinis laidumas žymiai padidės.

Belieka tik atsakyti į klausimą, kodėl švino sulfidas yra toks jautrus šviesai. Šviesos kvantai perduoda energiją elektronams, o kiekvienu konkrečiu atveju tam tikro bangos ilgio spinduliai yra efektyviausi. Švino sulfido atveju tai yra infraraudonoji šiluminė spinduliuotė. Todėl patarėme lempą priartinti prie plėvelės.

Beje, infraraudonųjų spindulių imtuvuose dažniausiai naudojamas puikus puslaidininkis – švino sulfidas.

O. Holguinas. „Eksperimentai be sprogimų“
M., „Chemija“, 1986 m

Kristalinė struktūra suprantama kaip kieta medžiagos fazė, kurios atomų ir molekulių išsidėstymas rodo tam tikrą modelį, bent jau mikroskopinėse srityse. Šiuo atveju atomai sudaro kristalinę gardelę, o tam tikra atomų ar vienetinių ląstelių kombinacija kartojasi bet kuria kryptimi. Puslaidininkinis kristalas susidaro dėl daugybės atomų sugrupavimo tam tikrose kristalinės gardelės vietose, o tai gali būti laikoma didelė molekulė. Savybės kristalinė gardelė nustatyti visas puslaidininkių savybes.

Monokristalas- monokristalas, jis dirbtinai auginamas iš lydalų ir tirpalų.

Polikristalas- kietas kūnas, susidedantis iš daugybės kristalų (grūdelių), gretimų grūdelių kristalinės gardelės dažniausiai yra neteisingai orientuotos kampais, matuojamais laipsniais ir dešimtimis laipsnių. Dauguma puslaidininkių savybių yra susijusios su galimybe keisti jų elektrinį laidumą veikiant įvairių veiksnių. Puslaidininkių laidumą galima valdyti valdant įvadą mažas kiekis priemaišų atomai.

Veiksniai, turintys įtakos laidininkų elektrinėms savybėms, yra terminio apdorojimo įvairių dujų atmosferoje poveikis, medžiagos struktūra, taip pat puslaidininkio paviršiaus būklė, jo savybių pokyčiai veikiant elektrinei ir magnetinei jėgai. laukai. Vokietijai ir Siliciui būdingos deimantinio tipo grotelės. Deimantinio tipo elementarioji kristalinė gardelė turi kubinę simetriją, todėl pagrindu galima pasirinkti stačiakampę koordinačių sistemą (x y z). IC gamybos technologijoje dažniausiai naudojami Millerio indeksai, kurie nustato kristalų plokštumų padėtį arba kristalografines kryptis, statmenas atitinkamoms plokštumoms. Kubinių kristalų Millerio indeksai yra 3 skaitmenys, susiję su stačiakampė sistema koordinates Kaip matote, skaičius „1“ reiškia, kad nagrinėjama plokštuma eina per tašką, atitinkantį ašį, kurios koordinatė = „1“. Skaičius „0“ reiškia, kad kristalografinė plokštuma yra lygiagreti ašiai. Atitinkamai kristalografinė plokštuma (1 0 0) eina per tašką x=1 ir yra lygiagreti y ir z ašims. Vertinant būtina išlaikyti Milerio koeficientą svarbus turtas kristalinė gardelė, būtent anizotropija, tai yra mechaninių ir elektrinių savybių poreikis skirtingomis kryptimis.

Pagrindiniai techninių procesų apibrėžimai:

Epitaksija- atominio silicio nusodinimo ant monokristalinio silicio plokštelių procesas, kurio metu gaunama plėvelė, kuri yra struktūros tąsa. Epitaksija leidžia sukurti vieno kristalo puslaidininkinę plėvelę su tam tikra kristalografine paviršiaus tankio orientacija.

Norėdami sukurti sluoksnius puslaidininkyje su skirtingi tipai laidumo ir p-n sandūrose naudojami 2 priemaišų įvedimo būdai – šiluminė difuzija ir jonų implantacija (dopingas).

Difuzija- tai kryptingas atomų judėjimas, vykstantis veikiant koncentracijai arba temperatūros gradientui.

Jonų implantacija- plokštelės arba epitaksinio sluoksnio dopingo metodas, bombarduojant jį priemaišų jonais, pagreitintais iki energijos, kurios pakaktų prasiskverbti į gylį kietas.

Dielektriko terminis oksidavimas- SiO2 plėvelės gavimas atlieka keletą svarbių funkcijų:

apsauga (kaip dielektrikas)

Kaukės funkcija (per kurią patenka būtinos priemaišos)

Litografija- apsauginės kaukės, būtinos vietiniam apdorojimui formuojant IC struktūrą, sukūrimo procesas. Kaukėje yra iš anksto sukurtų angų rinkinys – langai.

Ofortas- nemechaninis kieto kūno paviršiaus topografijos keitimo būdas. Odinant tirpalai naudojami bendram ir vietiniam kietos medžiagos paviršinio sluoksnio pašalinimui iki tam tikro gylio.

Paruošimo procesas: vienkristaliniai silicio luitai gaunami zoniniu lydymo būdu ir kristalizuojant iš lydalo Czochralski metodu.

Taikant metodą, strypai su sėkla monokristalinio silicio pavidalu, po sąlyčio su puslaidininkio lydalu, lėtai keliami vienu metu sukant. Tokiu atveju po sėklos ištraukiamas augantis ir stingstantis luitas. Kristalografinė luito orientacija (skerspjūvis) lemia sėklos kristalografinę orientaciją. Tipinis luito skersmuo – 10-15 cm, luito ilgis – iki metro. Silicio luitai supjaustomi į daugybę plonų plokštelių – 400-500 mikronų, ant kurių vėliau gaminami IC ir įrenginiai.

Zonos tirpimas- pateikiant polikristalinio silicio luitą ir kaitinant zonos gale. Išlydyta zona juda ir paverčia polikristalinį silicį į monokristalinį silicį. Tuo pačiu metu vyksta ir valymo procesas.