Физика 20 века: ключевые эксперименты - Тригг Дж.
Скачать (прямая ссылка):
как весьма срочное, поскольку во время второй мировой войны
полупроводниковые диоды с точечным контактом
1 В щелочно-галоидных соединениях слой может быть сделан еще большим, и в
1938 г. Р. Хильшу и Р У. Полю удалось ввести электрод в кристалл
бромистого калия и использовать его как управляющую сетку триода. Однако
это устройство можно было использовать лишь при частотах порядка 1 Гц.
2 Как известно, внутри проводника отсутствует постоянное элек-
трическое поле. Оно может существовать'только вблизи поверхности
и (падает на расстоянии, называемом радиусом экранирования. Этот радиус
тем меньше, чем выше скорость электронов (тепловая или фермиевская) и
концентрация носителей Последнее обстоятельство играет основную роль в
различии металлов и полупроводников - Прим ред.
177
были очень нужны для радаров и других электронных устройств. Работа была
поручена Дж. X. Скаффу, X. С. Тойереру и Е. Е. Шумахеру. Им удалось не
только получить материалы значительно большей чистоты, чем это было ранее
возможно, но и кон-тролировать тип дефектов и примесей; вскоре они
обнаружили, что проводимость вызывалась в основном малыми долями этих
примесей. Именно тогда Оль ввел термины ""-тип" или "p-тип" для кремния,
так как слабый ток возникал в точечном контакте, когда кремний служил
отрицательным или положительным электродом соответственно. Исследователи
установили также, что примеси имеют тенденцию оставаться в расплаве при
затвердевании образца ', однако эта тенденция выражена по-разному для
двух типов примесей, характеризующих материалы гатила и p-типа. Так, если
расплавленный образец охлаждался и затвердевал со стороны одного конца,
то этот конец становился полупроводником "-типа, а противоположный -
полупроводником p-типа. Скафф, Тойерер и Шумахер в дальнейшем смогли
также выделить сами примеси. Они показали, что элементы пятой группы
периодической таблицы элементов вели себя как доноры, и с ними получали
материалы л-типа, тогда как элементы третьей группы являлись акцепторами
и приводили к материалам p-типа. В 1946 г. была создана группа при
лаборатории "Белл телефон" во главе с Уильямом Шокли. Исследователи
решили остановить свой выбор на кремнии и германии, а не на более широко
используемых окислах меди и цинка; такой выбор был обусловлен двумя
обстоятельствами: во-первых, с элементами было легче работать, чем с
соединениями; во-вторых, как говорилось выше, соответствующая технология
материалов была уже достаточно развита 2.
1 Эта тенденция была использована более полно примерно 15 лет спустя при
разработке способа очистки, называемого методом зонной плавки. В этом
методе зона плавления передвигается от одного конца стержня к другому.
Примеси имеют тенденцию оставаться в зоне расплава и таким образом
собираются на одном конце. Повторяя такие "проходы", с помощью этого
метода удается получить одни из самых чистых на сегодняшний день
материалов.
2 Разумеется, не вся работа выполнялась в лабораториях фирмы "Белл".
Важные вклады - как научные, так и технологические - внесли группы при
Университете Пэрдью и Массачусетском технологическом институте, а также
английские -исследователи.
178
Примерно в это время стало ясно, что существующая теория выпрямления тока
не вполне адекватна. Согласно этой теории, выпрямляющее действие контакта
должно было зависеть от работы выхода электрона из металла, что не
подтверждалось экспериментально. Теория предсказывала также существование
контактной разности потенциалов между кремнием р- и n-типа, не
обнаруженной в экспериментах. Наконец, в соответствии с этой теорией,
контакт между двумя полупроводниками из одного материала, но разного типа
(р- и п-) должен был служить хорошим выпрямителем, тогда как в
действительности подобный контакт сходен с двумя включенными навстречу
друг другу выпрямителями.
И еще один экспериментальный факт казался на первый взгляд непонятным.
Шокли предположил, что слоем объемного заряда можно управлять при помощи
электрического поля, и если образец настолько тонок, что этот слой
составляет заметную его часть, то это должно привести к изменению тока,
текущего вдоль поверхности, и его усилению. Был поставлен эксперимент,
однако его результаты не были опубликованы, поскольку эффект оказался
гораздо меньше, чем ожидалось вначале
Позднее Браттейн писал: "Группа в целом постепенно осознавала, что все
эти результаты имели некоторую общую причину, и именно Бардин успешно
объяснил их, дополнив рассмотрение идеей поверхностных состояний2. Эта
идея состоит в том, что электроны захватываются поверхностью
полупроводника и он приходит в равновесие со своей поверхностью до того,
как образец приводится в какой-либо электрический контакт. Это,
разумеется, предполагает наличие в полупроводнике слоя объемного заряда,
равного по величине и противоположного по знаку заряду, захваченному
поверхностью. Следовательно, изменение электростатического потенциала
между внутренней областью полупро-
