Полупроводники - Смит Р.
Скачать (прямая ссылка):
сульфид, селенид и теллурид свинца. Они были использованы для создания
чувствительных детекторов инфракрасного излучения, что в свою очередь
привело к появлению большого количества работ по изучению свойств этих
соединений. Эти работы были начаты в Германии в 1940-1945 гг., а затем
получили широкое развитие в целом ряде лабораторий. Обзор современных
исследований, посвященных этим соединениям, а также разработке детекторов
инфракрасного излучения, составлен автором настоящей книги [22]. Свойства
этих детекторов и их использование в инфракрасной спектроскопии подробно
описаны автором совместно с Джонсом и Чесмером [23].
В последние годы полупроводники нашли также множество других применений,
так что электротехника и электроника, базирующиеся на использовании этих
материалов, стали теперь одними из наиболее крупных и быстро
развивающихся областей промышленности. Например, в технике больших
мощностей полупроводники используются в выпрямителях, коммутирующих
устройствах, регуляторах мощности, а также в большом количестве
контролыю-
*) Обзор работ, которые привели к изобретению транзистора, сделали Шокли
[20], Пирсон и Браттейн [29].
24
1. Простейшие свойства полупроводников
измерительного оборудования. В телевизионной технике большинство
механических переключающих систем к настоящему времени уступило место
твердотельным устройствам; они применяются и в автоматической телефонной
связи. На явлении фотоэффекта в полупроводниках основано использование
солнечных батарей для .энергообеспечения спутников. В настоящее время
активно изучается пригодность солнечных батарей для нужд земной
энергетики.
Следующей ступенью развития транзистора явилось создание интегральной
схемы, в которой множество транзисторов и связанных с ними элементов,
таких, как резисторы, конденсаторы и т. д., изготовляются методом
контролируемой диффузии примесей в единой кремниевой матрице небольшого
размера ("чип"). Эти приборы уже через два десятилетия произвели новый
переворот в электронной технике и сделали возможным появление таких
необычайно сложных систем, как современные электронные цифровые
вычислительные машины.
Следует особо упомянуть одно применение полупроводников, основанное на их
оптических свойствах. Это твердотельные лазеры, предоставившие
спектроскопистам перестраиваемый источник инфракрасного излучения с очень
малой шириной спектра, что привело к новым достижениям в области
спектроскопии. Такой полупроводниковый лазер, вероятно, будет играть
важную роль в линиях оптической связи, так как он легко поддается
модуляции и его можно состыковать с оптическим световодом. Менее сложный,
но родственный ему прибор, светоизлучающий диод, находит широкое
применение при разработке дисплеев для калькуляторов, компьютеров и
сигнальных систем; он также может сыграть ключевую роль в технике
оптической связи. По причинам, которые мы поясним позже, для этих
оптических применений больше всего подходят сложные полупроводниковые
соединения. В настоящее время наиболее широко используются с этой целью
такие вещества, как GaAs и сплавы типа Ga^Alx-^As.
1.3. Элементарная теория полупроводников
Как мы уже указывали, прежде чем появилась теория, способная
удовлетворительно объяснить свойства полупроводников, была проведена
огромная работа по их экспериментальному изучению. Эго неудивительно, так
как для объяснения даже самых элементарных свойств полупроводников
требуется привлечение аппарата квантовой механики. Лишь после применения
его к исследованию движения электрона в кристаллах можно было приступить
к построению более или менее удовлетворительной теории полупроводников.
Это было сделано Вильсоном в 1931 г. [24]. До появления теории Вильсона
нельзя было даже дать удовлетворительного оп-
1. Простейшие свойства полупроводников
25
\................... I К
а
6
Рис. 1.1. Потенциальная энергия электрона в кристалле. а - модель
Зоммерфельда; б - периодический потенциал атомных остатков.
ределения понятию полупроводник. Интересно отметить, что в первоначальных
работах Вильсона выражались сомнения по поводу того, является ли кремний
полупроводником или металлом. Это показательно для той степени
неопределенности наших знаний о полупроводниках, которая существовала
даже в начале 30-х годов и ликвидации которой в значительной мере
способствовала сама теория Вильсона.
Первым применением квантовой механики к рассмотрению движения электронов
в твердых телах явилась теория электропроводности металлов Зоммерфельда
(251. Единственное отличие этой работы от предшествовавших ей
теоретических исследований, основанных на классической теории электронов,
состояло в том, что энергетические уровни, которые могут занимать
различные электроны в твердом теле, определялись в ней с помощью
квантовой механики. Предполагалось, что в металле электроны внешних
атомных оболочек, иначе говоря, валентные электроны (поскольку только они
принимают участие в образовании химических связей), не принадлежат
