Текст книги "Что такое полупроводник"
Автор книги: Глеб Анфилов
сообщить о нарушении
Текущая страница: 7 (всего у книги 8 страниц)
ЗАЧЕМ НУЖНА ПУСТОТА?
Любой ламповый радиоприемник, рассуждали ученые, сочетает в себе трудно совместимые конструкционные элементы: твердые тела и... пустоту. Провода, конденсаторы, катушки, сопротивления – все это твердое, все это можно закрепить, сделать прочно, надолго. А радиолампы? Чтобы увеличить стойкость, баллоны ламп выполняют из металла, из специальных пластмасс, керамики. Это, конечно, помогает. Однако главное неудобство – пустота – остается. В ней приходится монтировать сложные электроды, разогревать нить катода. Все там нежное, тонкое, боящееся толчков, тряски.
Казалось бы, пустота незаменима. В ней электронные потоки словно обнажаются, становятся доступными регулировке, попадают во власть слабого электрического поля сетки радиолампы.
Впрочем, только ли в пустоте можно управлять движением электронов?
Что, если попробовать вместо пустоты полупроводниковый кристалл? Надо, очевидно, пропускать через него ток и извне менять электропроводность кристалла. Но каким способом менять ее? Можно ли вообще этого добиться?
От решения этих вопросов зависела судьба всего дальнейшего развития радиотехники.
Так на новой основе возродилась идея О. В. Лосева об усилителях и генераторах на кристаллах. {117}
Конечно, многое в ней изменилось. Применять для такой цели обычные детекторы стало нецелесообразно. Эффект они давали небольшой. Речь шла о создании кристаллического прибора, способного уверенно соперничать с современной радиолампой.
Не сразу нащупали путь решения проблемы. Много было досадных неудач, срывов, сомнений. Но в конце концов ответ был найден: да, проводимостью кристалла можно управлять, можно создать полупроводниковый прибор – заменитель радиолампы. Теорию прибора разработал американский физик Вильям Шокли. Его соотечественники Бардин и Браттейн создали в 1948 году первые образцы приборов, названных кристаллическими триодамиили транзисторами.
Как они устроены? Об этом мы расскажем немного дальше. Прежде – несколько слов о материале, из которого они изготовляются.
ПРЕДСКАЗАННОЕ ВЕЩЕСТВО
Делают кристаллические триоды главным образом из полупроводника германия. Мы уже упоминали о применениях этого вещества, сыгравшего огромную роль в развитии физики и техники полупроводников. С ним связана и другая интереснейшая страница истории естествознания.
Кристаллический элемент германий – важнейший полупроводник. Впереди – монокристалл германия.
В 1869 году, когда Дмитрий Иванович Менделеев создавал свою знаменитую периодическую систему, о существовании германия никто не подозревал. Но гениальный химик по чисто теоретическим соображениям предсказал его открытие. Ученый отвел ему место в своей многоэтажной таблице и даже описал заранее, какими могут быть его основные свойства. Согласно периодическому закону, это неведомое в ту пору вещество должно было во многом походить на известный элемент кремний. Менделеев {118} поэтому присвоил ему условное название экасилиций (силиций – латинское название кремния, а приставка «эка» на санскритском языке означает «сходный»).
Спустя шестнадцать лет замечательное предвидение сбылось. Немецкий исследователь Винклер отыскал в одном из природных минералов экасилиций и дал ему имя своей родины. То был подлинный триумф научной мысли.
«Едва ли, – писал Винклер, – можно найти более поразительное доказательство справедливости учения о периодичности... Это не просто подтверждение смелой теории; здесь мы видим... мощный шаг в области познания».
Практического применения вновь открытый элемент сначала почти не получил. Долгое время его серебристо-серые блестящие кристаллы служили лишь уникальными экспонатами в химических коллекциях. Зато за последние годы германий стал важнейшим техническим материалом. И венца славы он достиг, как только стал основой кристаллических приборов – заменителей радиоламп.
ПОЛУПРОВОДНИК-УСИЛИТЕЛЬ
Вот он перед нами – германиевый триод, кристаллик, идущий на смену пустоте, на смену стеклянному пузырю радиолампы. Он похож на крошечный, величиной с горошинку, грибок. Из шляпки тянутся три проволочки.
Полупроводниковые триоды. Насколько они меньше радиолампы!
Вскройте его, и вы убедитесь, что даже в сталь миниатюрном устройстве подавляющая часть объема занята {119} корпусом, оболочкой. А сам кристалл еще в десятки раз меньше.
Разберемся, как устроен прибор, как управляет он потоками электронов. На металлической подножке, которую называют базой,покоится кристаллическая пластиночка германия с электронной проводимостью. На верхней поверхности кристалла специальной обработкой создана область с дырочной проводимостью. Между дырочной и электронной областями, как всегда в подобных случаях, возникает запирающий слой. К поверхности кристалла присоединены рядом концы двух тончайших платиновых проволочек. Одна из них называется эмиттером,Другая – коллектором.
Эмиттер, коллектор и база – три электрода кристаллического усилителя. Они соответствуют катоду, аноду и сетке радиолампы. Но в усилительную схему кристалл вводится не так, как радиолампа.
Источник управляющих сигналов включается между базой и эмиттером. Включение делают с таким расчетом, чтобы запирающий слой не служил препятствием для управляющих сигналов (электрическое поле сигналов направляют против электрического поля запирающего слоя). Источник тока сравнительно высокого напряжения, которым нужно управлять, подводят через сопротивление к коллектору и базе. Но его включают в противоположном направлении, чтобы запирающий слой не пропускал тока.
{120}
Схема полупроводникового триода.
Схема готова. Подадим управляющий сигнал.
Через проволочку эмиттера в дырочную область кристаллика входит импульс электрического поля. Он прорывает брешь в запирающем слое и увлекает туда дырки. Таким образом, дырки как бы впрыскиваются эмиттером в электронную область кристаллика. Недолго блуждая в кристалле, они успевают попасть под проволочку коллектора, А когда запирающий слой на мгновение обогащается здесь дырками, он делается электропроводным и для тока высокого напряжения, включенного между базой и коллектором. Толчок этого тока пролетает через запирающий слой в «запретном» направлении. Это немедленно сказывается на состоянии внешней цепи прибора. Там возникает усиленный сигнал. Он тем значительнее, чем ближе расположены на кристалле концы проволочек эмиттера и коллектора.
ДОРОГУ КРИСТАЛЛАМ
Итак, мы усилили слабый электрический сигнал при помощи кристалла, обошлись без радиолампы. Кристалл надежен. Он тверд и прочен. Он не лопнет, не разобьется, как стеклянный баллон. {121}
Специальная обработка германиевых кристаллов позволяет создать так называемые плоскостные полупроводниковые триоды. В них кристалл разделен на три сравнительно крупные области электронной и дырочной проводимости.
Плоскостные триоды не нуждаются в тончайших проволочных вводах, поэтому они еще прочнее и долговечнее. Кроме того, они способны пропускать через себя более значительные токи, устойчивее работают.
Полупроводниковые усилители отличаются и еще одним замечательным свойством – экономичностью. Ведь в них не нужно тратить энергию на разогрев катода, на создание сильного электрического поля. Если коэффициент полезного действия радиолампы составляет доли процента, то в кристаллических триодах он доходит до 50—60 процентов.
Во всем этом огромный выигрыш. Однако есть у полупроводниковых приборов и недостатки.
Тончайшие вводы и слои, ничтожные расстояния между электродами – все это, казалось бы, должно делать кристаллический триод исключительно быстродействующим, способным усиливать чрезвычайно частые электрические колебания. На самом деле как раз наоборот. В твердом теле, в кристалле электроны не столь свободны, как в пустоте радиолампы. Они как бы стеснены в возможностях изменять свое движение, и поэтому сверхвысокие частоты электрических колебаний, столь важные в современной радиотехнике, кристаллические приборам пока недоступны.
Во многих странах физики стремятся сделать полупроводниковые устройства более «поворотливыми», быстродействующими. На этом пути достигнуты некоторые успехи. Довольно «расторопны», например, триоды, в которых наружная поверхность электронная, а сам кристалл дырочный. Тогда в запирающий слой эмиттер впрыскивает электроны, а они почти вдвое подвижнее дырок. В результате {122} процессы, о которых мы говорили, совершаются гораздо быстрее. Современные кристаллические триоды такого типа успевают усиливать каждую секунду до десяти миллионов электрических колебаний.
Появились и еще более совершенные кристаллические усилители – тетроды– с четырьмя областями полупроводников разной проводимости. Среди кристаллов – это рекордсмены по быстроте действия. Они возбуждают или усиливают десятки, сотни, даже тысячи миллионов электрических колебаний в секунду. Более же частые колебания остаются и, очевидно, останутся областью вакуумной электроники,
Есть и другие недостатки у новых приборов. На кристаллах пока не удается делать аппаратуру большой мощности. Германий сильно меняет свойства при нагревании. Повышение температуры германиевые усилители переносят с трудом. Вот почему в последнее время все чаще предпочитают делать кристаллические приборы из кремния. Они менее капризны.
Правда, здесь возможен любопытный выход: заключать крошечные кристаллические усилители в столь же миниатюрные полупроводниковые электрохолодильники (о них вы читали выше – в главе «Погоня за теплом»). Такие опыты ставятся и дают хорошие результаты.
Все же иногда случается, что кристаллический усилитель, несмотря на всяческие меры предосторожности, без видимых причин вдруг меняет свойства. Не всегда приборы одного типа работают одинаково. Причина здесь одна: недостаточно изучены особенности полупроводниковых устройств, не разработана до конца технология их производства. Поэтому совсем неверно думать, что всюду радиолампы сразу сменятся полупроводниками.
Полупроводники оказываются весьма полезны и в развитии вакуумной Электроники. Из них вырабатывают новые высоко эффективные источники электронов для радиоламп, устройства, поджигающие разряд в ртутных {123} выпрямителях, и многое другое. Не вражда, а дружеское соревнование разворачивается между полупроводниками и вакуумными приборами.
В обеих областях впереди большой исследовательский труд, поиски новых систем, новых конструктивных решений. Замечательными изобретениями обогащается вакуумная электроника. Вместе с тем с каждым годом совершенствуются полупроводниковые радиоприборы. Огромная армия ученых, инженеров, радиолюбителей неустанно работает, своим трудом прокладывая дорогу кристаллам.
ПРОИЗВОДСТВО ПОД МИКРОСКОПОМ
В кристаллическом приборе все компактно и просто. Но нелегко дается эта простота. Филигранный труд вложен в миниатюрный полупроводниковый усилитель.
Сначала германиевую болванку на специальном станке распиливали алмазной пилой на тончайшие пластинки. Их и в руку не возьмешь – так они малы. Тем не менее их сортировали, очищали химическими растворами. Глядя в микроскоп, к кристаллику присоединили почти невидимые усики проводов, а противоположные концы припаяли к проволочкам потолще. Потом покрыли прибор защитным лаком, заключили в корпус, все пустоты заполнили особой пластмассой. Некоторые операции приходилось вести в безвоздушной среде,– а правильность сборки то и дело контролировать электрическими измерениями. Но и этим дело далеко не завершается. Много еще придется повозиться с полупроводниковым усилителем, прежде чем он будет окончательно готов.
Такая ювелирная работа почти вся выполняется вручную. И легко представить себе, каким огромным опытом, каким тонким мастерством должны обладать сборщики полупроводниковых радиоприборов.
Инженеры и ученые добиваются сейчас механизации и {124} даже автоматизации производства кристаллических диодов и триодов.
Вместо алмазной пилы для резки германия и кремния стали применять ультразвук. Лезвие безопасной бритвы, приделанное к часто вибрирующему стержню ультразвукового генератора, входит в хрупкий кристалл, как столовый нож в масло. А обычным способом обработать иной кристаллический полупроводник так же трудно, как, скажем, выпилить узорную звездочку из чайного сухаря. Ультразвук здесь экономит материалы (получается несравненно меньше опилок, не нужен драгоценный алмаз), ускоряет работу, а главное – открывает возможность ее механизации.
Применяется и оригинальный способ электрохимической обработки кристаллов. Для некоторых видов плоскостных полупроводниковых триодов нужно получать необычайно тонкие (0,005 миллиметра) пластинки германия. Никакой механической отделкой их не получишь. Но выход все же был найден.
На кристаллическую пластинку германия направляют с двух сторон тонкие струи травящего раствора. Они одновременно играют роль проводов: через них сквозь слой полупроводника пропускается электрический ток от батарейки. Полторы – две минуты кристалл разъедается этим электрохимическим способом. С двух сторон в пластинке германия образуются лунки, между которыми остается тончайшая пленка полупроводника.
Затем поверхность пленки таким же электрохимическим способом покрывают слоями металла.
Во время обработки нужно постоянно и исключительно тонко регулировать силу тока в струях раствора и в полупроводнике. Регулировку ведут световым лучом, направленным на пластинку германия. Ведь этот полупроводник значительно повышает свою проводимость при освещении. Сильнее направленный на него свет – и больше электропроводность пластинки; следовательно, и ток, {125} текущий через него и струи травящего раствора увеличиваются.
При производстве плоскостных триодов применяют также явление диффузии – медленное проникновение атомов одного вещества в толщу другого.
Предлагаются также и другие удивительные приемы изготовления кристаллических радиоприборов.
Некоторые ученые считают, что, вероятно, можно будет наращивать кристаллы с различными слоями. По мнению ряда специалистов, в одном крошечном кристаллике удастся создавать целые радиоэлектронные системы – подобно тому, как давно уже химики получают из растворов обычные кристаллы. Радиоприемник, построенный в колбе или в тигле химическим путем! Что может быть поразительнее!
Появляются и своеобразные машины-ювелиры для сборки кристаллических усилителей. Техника идет к тому, чтобы производство полупроводниковых приборов стало по-настоящему массовым, чтобы они были еще миниатюрнее. Инженеры сейчас всерьез говорят о создании матрицы объемом в детский кубик с тысячьюкристаллическими триодами. И не только говорят, но и упорно работают над этой проблемой.
НОВЫЕ ЗАДАЧИ
Большое открытие никогда не остается изолированным. Оно выдвигает новые задачи, питает изобретательскую мысль в смежных областях. Это особенно хорошо видно на примере внедрения в радиотехнику полупроводников.
Как только были созданы первые образцы кристаллических усилителей, стало ясно, что размеры радиоаппаратов могут быть резко уменьшены. Но тут же возник вопрос: а антенна? Неужели она останется такой же длинной, как и раньше? Или, скажем, индукционные катушки, конденсаторы? Ведь если их не уменьшить, получится диспропорция {126} – и не только в размерах деталей, но и в их техническом уровне. В самом деле, ставить громоздкую проволочную катушку рядом с крошечным, идеальным по простоте и совершенству полупроводниковым усилителем – это, пожалуй, все равно, что освещать свечами поезда метрополитена. Так назрела задача: преобразовать буквально все радиодетали, перевооружить всю практическую радиотехнику.
И снова здесь пришли на помощь полупроводники, в первую очередь – материалы, называемые ферритами.
Каждый видел подкову магнита. Вы найдете ее в громкоговорителе, в любом электрогенераторе, в магнето автомобиля. Постоянные магниты имеют серьезный недостаток – они тяжелы. Чтобы облегчить их, металловеды разработали специальные сплавы. Некоторые из них весьма ценны. Но металл все же очень легким не сделаешь.
Отметим и другую особенность металлических магнитных материалов: они отлично проводят электрический ток. Это свойство в ряде случаев применяется с пользой – например, при высокочастотной закалке. Переменное поле разгоняет в металле электроны. Там возникают вихри электрических токов, которые быстро повышают температуру. Здесь это и требуется. Зато в других случаях нагрев вреден.
Возьмем, к примеру, сердечник трансформатора. Его совсем не нужно греть. Ведь на это уходит лишняя энергия. К тому же вихревые токи не дают магнитному металлу быстро размагничиваться и намагничиваться, тормозят такие процессы. А в современных радиоаппаратах часто необходимы весьма «поворотливые» магнитные вещества.
Много труда положили электрики и радиотехники, чтобы избавиться от вихревых токов. Сердечники трансформаторов, дросселей, катушек решили набирать из тонких железных пластинок, покрытых изоляционным лаком. Делали такие сердечники из изоляционной массы со вкрапленными в нее железными опилками. Пользу это кое-какую {127} приносило, но хотелось большего. Идеально было бы найти легкие магнитные вещества, почти совсем не проводящие электрический ток.
Именно такими оказались ферриты.
КЕРАМИЧЕСКИЕ МАГНИТЫ
Вид у ферритов совсем будничный. Серо-черные невзрачные пластинки, колечки, стерженьки. Сделаны они из самых обычных, широко распространенных в природе веществ – из окислов железа и некоторых других металлов. Обыкновенная руда магнетит тоже относится к ним.
Еще в прошлом столетии химики знали состав подобных соединений, их внутреннюю структуру, основные свойства. Казалось, наука давно взяла от них все, что они могут дать человеку.
Но в действительности вышло иначе. Несколько лет назад за исследование ферритов взялись физики. Они стали их размалывать в порошок, смешивать в разных пропорциях, прессовать, обжигать, спекать. И выяснилось, что, если такие материалы специальным образом обработать, они приобретают разнообразные и очень ценные сочетания электрических свойств с магнитными.
Есть среди ферритов материалы, которые молниеносно намагничиваются даже в слабом магнитном поле и также быстро меняют намагниченность в такт с переменами магнитного поля. Обмотанный проволокой стерженек из такого материала может служить отличной антенной.
Такие стерженьки можно увидеть сейчас во многих новых радиоприемниках и телевизорах. Антенны настолько невелики, что их монтируют прямо в корпусе. Например, приемник «Дорожный» оснащен антенной длиной в карандаш. Она заменяет много метров металлической проволоки. Магнитная ферритовая антенна может быть даже величиной со спичку! {128}
Ферритовые сердечники для катушек, трансформаторов, дросселей – чудесный подарок радиотехнике. Имея такой сердечник, уже не нужно ухищряться в борьбе с вихревыми токами, заботиться о быстроте перемагничивания. Трудно поверить, что крошечная спиралька из электропроводящего вещества, нанесенная кисточкой на ферритовую пластинку (иначе говоря, нарисованная), будет играть в приемнике ту же роль, какую обычно играет громоздкая индукционная катушка из проволоки.
Конечно, спиральку можно не только нарисовать, но и напечатать. Нетрудно напечатать и соединительные проводники и такие детали, как сопротивления (их, кстати, теперь удается делать размером в точку, которую оставляет на бумаге остро отточенный карандаш). Наконец, даже конденсаторы удается печатать, только не на феррите, а на пластинах из других веществ – сегнетоэлектриков, например из так называемых титанатов бария.
Титанаты бария и другие подобные вещества – это тоже замечательные материалы современной радиотехники. Несколько лет назад их ценные свойства раскрыл советский физик член-корреспондент Академии наук СССР Б. М. Бул. Применяя их, удается делать крошечные {129} конденсаторы – вариконды – с необычайными свойствами, создавать миниатюрные антенны и другие устройства, которые значительно упрощают радиоаппаратуру.
Внедрение кристаллических диодов и триодов, ферритовых деталей, варикондов, показывает, что даже сложные радиосистемы – целые радиопередатчики или радиоприемники – можно довести до ничтожных размеров. Открывается возможность создавать их целиком своеобразным типографским способом, подобно тому, как выпускаются открытки или почтовые марки.
ПИТАНИЕ КРИСТАЛЛОВ
Любой радиоаппарат надо питать энергией. На работу домашнего приемника уходят десятки ватт. Их берут из осветительной сети, от батарей, в последнее время от знакомых уже нам термоэлектрогенераторов.
А если радиоприемники получат размер почтовой марки и будут попросту пришиваться к лацкану пиджака? Неужели их тоже придется включать в сеть или присоединять к тяжеловесным громоздким батареям?
Нет, такие источники питания для миниатюрного полупроводникового радиоаппарата не нужны. Энергии ему потребуется в десятки, сотни, даже во многие тысячи раз меньше, чем обычными современным радиоустройствам. Поэтому ему хватит маленькой батарейки, которые, кстати, теперь научились делать емкими и долговечными.
Вот одна из них – она вдвое меньше спички. Вес ее – 5 граммов, срок службы – больше года. Есть батарейки двухгодичного срока службы величиной с пуговицу. Существуют также крошечные аккумуляторы.
Пожалуй, еще интереснее так называемая атомная батарея. Срок ее непрерывного действия – более двадцати лет. {130}
Устройством атомная батарея напоминает полупроводниковый вентильный фотоэлемент, только источником энергии в ней служит не свет, а радиоактивное излучение. На кристалл кремния, в котором особой обработкой созданы электронная и дырочная области, нанесен слой радиоактивного стронция – вещества, которое нетрудно получить в атомном котле. Претерпевая распад, атомы стронция испускают так называемые бета-лучи, то есть попросту поток электронов.
Каждый из них, попадая в полупроводник, освобождает в нем около двухсот тысяч электронов проводимости.
Такую батарею можно вмонтировать в радиоприемник прямо при его изготовлении, и она будет служить, пока приемник не устареет (можно ручаться, что за двадцать лет это произойдет наверняка).
Впрочем, полупроводниковые радиоаппараты иногда обходятся и вовсе без батарей. Энергию им могут давать, например, вентильные фотоэлементы – ловушки света. Недавно карманный «солнечный» радиоприемник с четырьмя кристаллическими усилителями построен инженерами одной из американских фирм. Стоит некоторое время подержать его на свету, и он потом может пятьсот часов работать в полной темноте. Вес этого приемника – 280 граммов.
Наконец, радиолюбители придумали и другой удивительный способ безбатарейного питания радиоаппарата. Крошечной полупроводниковой радиостанции дает электроэнергию... голос человека – тот самый звук, который передается по радио.
Вы говорите в микрофон. Там звуки голоса преобразуются в импульсы электрического тока. Некоторая доля энергии полученного пульсирующего тока поступает в радиопередатчик для усиления и преобразования в радиоволны. А другая доли микрофонного тока сглаживается в специальном устройстве и идет на питание этого же {131} передатчика, а заодно и приемника, воспринимающего ответные радиосигналы. Звук с помощью полупроводниковых кристалликов словно сам себя переделывает в радиоволны. Вся эта система необычайно компактна: радиостанция умещается в корпусе микрофона.
