Глеб Анфилов - Что такое полупроводник

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 триодами или транзисторами.

Как они устроены? Об этом мы расскажем немного дальше. Прежде — несколько слов о материале, из которого они изготовляются.

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.

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.

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.