Полупроводники. 
Концепции современного естествознания

В 2000 г. Нобелевская премия по физике была присуждена трем ученым «за фундаментальные работы, но информационно-коммуникационным технологиям». Двое из них, а именно русский физик Ж. И. Алферов и немецко-американский ученый Г. Кремер, получили премию «за развитие полупроводниковых гетероструктур, используемых в высокочастотной и оптической электронике». Американец Дж. С. Килби получил премию «за вклад в изобретении интегральных схем». Чтобы понять значимость работ этих авторов, придется обратиться к физике полупроводников. Именно к этой области относятся открытия Алферова, Кремера и Килби.

Полупроводники, как свидетельствует их название, отличаются от проводников и диэлектриков (изоляторов, непроводников). Полупроводники, например германий, кремний, арсенид гелия, проводят электрический ток хуже проводников, в частности металлов. Что касается диэлектриков, то они, как правило, вообще не проводят электрический ток. Впрочем, при сильном нагревании они по своей электропроводности становятся похожими на полупроводники.

Рис. 2.23. Зоны твердых тел.

Почему различные материалы отличаются по степени электропроводности? Чтобы ответить на этот вопрос, сравним энергетические уровни атомов, либо не связанных, либо, наоборот, связанных друг с другом. В первом случае электроны могут находиться в различных дискретных состояниях, которые определяются видом их волновых функций. Во втором случае происходит объединение волновых функций. В результате дискретные уровни преобразуются в энергетические зоны. Между зоной проводимости и валентной зоной находится запрещенная зона. Электроны, находящиеся в валентной зоне, будучи тесно связанными с ядрами атомов химических элементов, не могут принять участие в механизме электропроводности. Впрочем, если им сообщить энергию большей ширины запрещенной зоны, то они переходят в зону проводимости (рис. 2.24).

В случае проводников Е = 0. Это означает, что в проводнике всегда имеются подвижные свободные электроны. У диэлектриков Е > 4 эВ. Свободные электроны отсутствуют. У полупроводников Е больше 0, но, как правило, меньше 2 эВ. Что касается вопроса о наличии в полупроводниках свободных электронов, то он заслуживает специального обсуждения.

Собственная проводимость полупроводников возникает за счет перехода некоторой части электронов из валентной зоны в зону проводимости. Они ответственны за^{-проводимость} (п является обозначением отрицательного (англ, negative) заряда электронов). Места, освобожденные электронами, называются дырками. На их место перескакивают электроны с соседних атомов, притягиваемые положительно заряженным ионом, образовавшимся после «бегства» валентных электронов. Механизм замещения дырок называется /^-проводимостью (от англ, positive — положительный). Он происходит так, как будто дырки обладают положительным зарядом.

В действительности, конечно же, нет никаких дырок, а есть перескакивание валентных электронов от одного атома к другому.

В идеальном полупроводниковом кристалле и-ток и р-ток уравновешивают друг друга. Это равновесие может быть нарушено внесением в полупроводниковый материал примесей. Если в кремний с валентностью, равной 4, внести мышьяк, валентность которого равна 5, то возрастет число электронов в зоне проводимости. В результате n-проводимость превзойдет р-проводимость. Если же в кремний будет внесен индий, валентность которого равна 3, то это приведет к увеличению числа дырок. В результате доминировать будет р-проводимость.

Возможно, читатель помнит со школьной скамьи удивительные свойства р-п-перехода, схематически представленного на рис. 2.24.

Если привести в контакт два полупроводника с разным типом проводимости, то начнется диффузия электронов в сторону р-проводника, а дырок — в сторону «-проводника. В результате на границе двух материалов возникнет напряжение, которое будет препятствовать дальнейшей диффузии. В этой связи говорят, что на границе двух материалов образовался запирающий слой. Его замечательная особенность состоит в том, что он пропускает ток лишь в одном направлении, а именно от р-проводника к «-проводнику. Если к р-проводнику подключить «+» батареи, а к «-проводнику «-» батареи, дырки начнут перемещаться в сторону запирающего слоя, где они, попутно «нейтрализовав» электроны запирающего строя, продолжат свое движение к «-» полюса. Электроны будут притягиваться «+» полюсом (напомним читателю, что направление электрического тока противоположно направлению движения электронов). Если же поменять полярность батарей, то произойдет усиление запирающего слоя. Дело в том, что дырки, перемещаясь к «-» батареи, усилят отрицательный заряд запирающего слоя. Соответственно, электроны, перемещаясь к «+» батареи, усилят положительный заряд запирающего слоя. В итоге напряжение, создаваемое запирающим слоем, нейтрализует напряжение батареи. Ток в этих условиях невозможен.

Рис. 2.24. Образование запирающего слоя.

Рассмотренное свойство р-«-нерехода позволило сконструировать полупроводниковый диод, часто используемый для выпрямления тока. Не входя в тонкости устройства транзистора, отметим лишь, что в нем используется как р-п-, так и и-р-переход. Транзистор представляет собой управляющее устройство: ток, который подается на базу, управляет током коллектор-эмиттер. Как видим, полупроводники обладают особенностями, благодаря которым они успешно используются в квантовой электронике, в частности при создании микропроцессоров и больших интегральных схем. Интегральные системы представляют собой небольшие пластины, изготовленные из полупроводника, например из кристалла кремния, с размещенными на них микроприборами. Размер одного микротранзистора равняется -1 мкм = 10 ⁶ м. Вследствие малых размеров полупроводниковых микроприборов их число в одном 1 мм³ достигает 10 000.

Рассмотренный выше переход (р-п или п-р) называют гомопереходом (от греч. homos — равный). В отличие от него гетеропереход (от греч. heteros — другой) образуется при контакте двух полупроводников, различных по своему химическому составу. Главное отличие гетеропереходов от гомопереходов состоит в том, что они обладают большей гибкостью в конструировании нужного потенциального профиля зоны проводимости и зоны валентности.

После всего сказанного открылась, наконец, возможность обратиться к новаторским работам Ж. И. Алферова. Он прославился изучением и конструированием различных типов гетеропереходов. Особенно успешным оказалось изучение им гетероперехода между арсенидом галлия (GaAs) и кристаллом AlGaAs, изготовленном из арсенида галлия и арсенида алюминия (AlAs). Потенциальный профиль указанного перехода гаков, что наблюдается явление инжекции. Оно состоит в том, что при пропускании электрического тока в прямом направлении через р-д-переход создаются высокие концентрации неравновесных (инжектированных, т. е. впрыснутых) носителей заряда. Создание Ж. И. Алферовым в 1967 г. эффективно инжектирующих гетеропереходов в системе GaAs, AlGaAs придало развитию электроники мощный толчок. Явление инжекции лежит в основе многих полупроводниковых приборов, в том числе инжекционно-пролетных диодов, биполярных транзисторов, светодиодов, интегральных схем и полупроводниковых инжекционных лазеров, имевших важнейшее значение для рождения и бурного развития волоконно-оптических систем связи. Функционирование первого полупроводникового лазера на гетероструктурах было продемонстрировано группой исследователей во главе с Ж. И. Алферовым в 1970 г. В очередной раз мы видим, как новые знания, добытые в физике, стимулируют очередную научно-техническую революцию.

Выводы

• • Полупроводники являются разновидностью конденсированных сред. Физика полупроводников является одной из физических дисциплин.
• • Вначале физики обнаружили удивительные свойства полупроводниковых гомопереходов, а затем и гетеропереходов.
• • Своими успехами они инициировали микроэлектронную революцию, которая решающим образом преобразовала все стороны человеческой жизни