10.1.3.Исследования полупроводников

С точки зрения электропроводности, все твердые вещества подразделяются на металлы, полупроводники и диэлектрики. Интерес к исследованию электрических свойств полупроводни-ков возник в середине ХIХ в. Еще в 1833 г. М. Фарадей обнару-жил увеличение электропроводности сульфида серебра при по-вышении температуры, что было абсолютно не свойственно ме-таллам. Отдельные ученые, независимо друг от друга, стали изу-чать фотоэлектрические и выпрямляющие свойства некоторых полупроводниковых соединений, подобных сульфиду серебра, сульфиду цинка, селену.

В 1873 г. У. Смит описал явление фотопроводимости: при освещении селена его проводимость возрастала. Так был от-крыт "внутренний фотоэффект". В 1887 г. Г. Герц обнаружил внешний фотоэффект в полупроводниках. Поскольку такими "за-мечательными" свойствами ни металлы, ни диэлектрики не обла-дали, сфера исследований свойств полупроводников была значи-тельно расширена.

Изучение фотоэлектрического эффекта в полупроводни-ках проводилось в научных центрах всего мира. Французский ученый А.-Э. Беккерель в 1839 г. установил фотовольтарический эффект - возможность генерации напряжения при освещении пе-рехода между электролитом и веществом. Исследования русского физика 1913 г. А. Иоффе доказали квантовую природу фотоэф-фекта и были отмечены премией Петербургской Академии наук. А. Столетов в 1888 г. провел опыты по определению законов "внешнего фотоэффекта" и изобрел фотоэлемент. Эти исследова-ния позволили дать теоретическое и экспериментальное обосно-вание возможности прямого преобразования электрической энер-гии в световую с помощью полупроводников.

Воспользовавшись понятием фотона - кванта электромагнитного излучения, А. Эйнштейн в 1905 г. увязал фотоэлектри-ческий эффект с зародившейся квантовой механикой и создал квантовую теорию света. В 1921 г. он получил Нобелевскую премию "за важные физико-математические исследования, осо-бенно за открытие законов фотоэлектрического эффекта".

Фундаментальные уравнения Дж. Максвелла, подтвержденные опытами Г. Герца в совокупности с законами "внутрен-него фотоэффекта" и "внешнего фотоэффекта" легли в основу изучения полупроводников. Квантово-механические уравнения Э. Шрёдингера позволили понять большинство процессов, проте-кающих в полупроводниках. Развитие теории продолжил совет-ский физик Л. Ландау, который в 1930 г. на основе гипотезы о свободных электронах создал теорию диамагнитных свойств ме-таллов, и его соотечественник И. Тамм, обосновавший в 1931 г. теорию фотоэффекта в металлах. Эти ученые создали теорию проводимости металлов и полупроводников. В 1930-е гг. сущест-венный вклад в развитие теории полупроводников внесли А.-Х. Вильсон и Н. Мотт в Англии, В. Шоттки в Германии и А. Давы-дов и Я. Френкель в СССР.

Полупроводниковые приборы подразделяются на фотоприемники и излучатели. Фотоприемники осуществляют преоб-разование оптических сигналов в электрические. Излучатели преобразуют электрические сигналы в оптические для отображе-ния обработанных данных и представления их в виде, удобном для человека (т.е. биологического зрения), а также для исследо-вания окружающего мира в различных областях оптического спектра. История исследования полупроводников находится в неразрывной связи с физической оптикой, изучающей оптиче-ский диапазон излучения, который подразумевает не только ви-димое, но также ультрафиолетовое, инфракрасное и некоторые другие виды излучения.

Создание полупроводниковых излучателей берет начало в 1923 г. Русский радиоинженер О. Лосев в ходе исследования то-чечно-контактных карбидокремниевых детекторов, использую-щихся в радиотехнике, получил слабое зеленовато - голубое свечение при пропускании через них электрического тока. Это открытие, названное "эффектом Лосева", обсуждалось на заседа-нии Русского физического общества, но практического примене-ния не получило в силу крайне малой интенсивности излучения и нестабильности эффекта. Подобное свечение также наблюдал французский физик Дестрио в 1936 г.

Явление люминесценции (свечения) было известно давно. Так, считалось, что голубое свечение чистых жидкостей, возни-кающее под воздействием γ - излучения, которое исследовалось еще Ж. и М. Кюри, вызвано люминесценцией. Исследования лю-минесценции были продолжены академиком С. Вавиловым. Он предположил, что свечение жидкостей под воздействием γ-лучей, экспериментально наблюдаемое его учеником П. Черенко-вым, имеет совершенно другую природу. Оно вызвано излучени-ем электронов, движущихся с большими скоростями. "Эффект Черенкова - Вавилова" на основе классической электродинамики в 1937 г. был теоретически обоснован советскими физиками И. Таммом и И. Франком. Из теории следовало, что любая заряжен-ная частица, движущаяся в прозрачной среде, должна излучать свет, если ее скорость превышает фазовую скорость света. Эта работа была удостоена Сталинской премии, а в 1958 г. и Нобе-левской премии уже после смерти С. Вавилова.

Понимание процессов, протекающих в полупроводниках, привело к созданию в 1931 г. зонной диаграммы А. Вильсона. Зонная теория полупроводников постулирует, что в твердом теле энергетическое состояние электронов может быть представлено в виде периодической последовательности зон разрешенных и за-прещенных энергий. К разрешенным зонам относятся зона про-водимости и валентная зона. Переход электронов, возбужденных различными способами (разогрев, электрический пробой, осве-щение) на более высокие энергетические уровни, уменьшает со-противление полупроводника. На месте освободившихся элек-тронов образуются дырки, которые могут быть условно пред-ставлены как носители положительного заряда. В зависимости от легирования (введения специальных примесей), существуют по-лупроводники двух типов: n-типа (электронный тип) и p-типа (дырочный тип). Благодаря квантово-механической теории было доказано, что принципиальное отличие электрических свойств полупроводников от металлов определяется энергетической зон-ной диаграммой.

Таким образом, теоретические и экспериментальные ис-следования в физике конца ХIХ - первой трети ХХ вв., открытие законов внутреннего и внешнего фотоэффекта позволили обосно-вать возможность обработки электрических сигналов и преобра-зования световой энергии в электрическую с помощью полупро-водников.