Тураев Э. Ю. Аморфные полупроводники (монография)

ВВЕДЕНИЕ
В начале XX века все материалы по электрофизическим свойствам считались проводниками и диэлектриками. Изучая электрофизических свойств некоторых материалов академик А.Ф.Иоффе обратил внимание на кремния и германия, электропроводность которых увеличивалось с увелечением температуры, т.е. в этих материалах электропроводность был пропорционален к температуре, тогда электропроводность других материалов (например: медь, алюминий) был противоположно пропорционален температуре.
Электропроводность еще нескольких элементов (например: селен, теллур, мышьяк, индий) также имел такую зависимость от температуры. По этому впервые академик А.Ф.Иоффе ввел название “полупроводники” и поделил материалов на три группы: проводники, диэлектрики и полупроводники [12].
Физика полупроводников - это большой раздел современной физики и, естественно, его детальное рассмотрение в кратком учебном пособии не возможно. Поэтому мы ограничились изложени­ем наиболее фундаментальных свойств полупроводников - электри­ческих свойств, сделав попытку объяснить их с позиций современ­ных представлений физики твердого тела.
В истории физики есть разные мнения о дате рождения физи­ки полупроводников. Многие историки науки временем ее появле­ния считают 1914 год. Именно в этом году немецкий физик Кенигсберге опубликовал первый обзор по электрическим свойствам большого класса материалов, которые он назвал "класс полупро­водников". В этом обзоре впервые было дано и определение полу­проводников - как материалов, обладающих металлической прово­димостью, сопротивление которых уменьшается с ростом темпера­туры и изменением освещения.
Другие - дату рождения физики полупроводников относят к глубокой древности - к 500 году до н.э., так как именно в эти годы греческий философ Фалес обнаружил удивительное явление - янтарь, натертый шерстью, притягивает к себе пушинки. Янтарь по-гречески "электрон" и поэтому указанное явление стало назы­ваться "электричество". Историки утверждают, что Фалес и его современники не обнаружили других тел, которые электризуются при трении. Честь открытия таких тел (алмаз, сапфир, сера, гор­ный хрусталь и др.) приписывается английскому ученому Вильяму Гильберту. Свои опыты он описал в книге "О магните, магнитных телах и большом магните - Земли" (1600 г.).
Но, конечно, и Фалес, и Гильберт были еще слишком далеки от физики полупроводников. Они явились родоначальниками ученияоб электричестве. Наиболее близко к открытию физики полупровод­ников стоял английский ученый Стефан Грей, который заметил, чтоэлектризация передается от одного тела к другому с помощьюме­таллической проводки. Это подтверждалось таким опытом: к на­электризованной стеклянной палочке спомощью металлическойни­ти был привязан шарик из слоновой кости,которыйпритягивал пушинки.Это дало основание Грею считать, чтометаллическая проволка "проводит" электричество. Соединение стекляннойпалочкии шарика из слоновой кости с помощью шелковой нити не позво­ляло шарику притягивать пушинки, т.е шелковая нить "не прово­дит" электричество. В 1739 г. английский физик Ж.Т.Дезагюлье предложил называть материалы, проводящие электричество, "про­водниками", а материалы, не проводящие электричество, - "изо­ляторами".
Американский физик Эбенезер Кеннерсли показал, что если через проводник пропустить разряд лейденской банки (лейденская банка - первый в истории электрический конденсатор), то можно нагреть его до красного каления. Этим свойством проводников воспользовался (1776г.) английский ученый Генри Кавендиш для из­мерения относительного удельного сопротивления различных ме­таллов. Он взял две проволки различных металлов одинаковой дли­ны и одинакового сечения и пропустил через них разряд лейденс­ких банок. Изменяя заряд батареи, он добивался того, что одна из проволок сплавлялась. Очевидно, что эта проволка облада­ла меньшей проводимостью (большим сопротивлением). Таким обра­зом Кавендиш выстроил металлы в порядке уменьшения их проводи­мости.
В 1821 году знаменитый химик Хэмфри Дэви установил, что проводимость металлов уменьшается с ростом температуры. Ученик Дэви - великий английский физик Майкл Фарадей с 1833 года ка­чал систематические исследования температурной зависимости про­водимости различных металлов и обнаружил, что сернистое серебро (оно считалось тогда металлом) ведет себя необычно - с ростом температуры его проводимость возрастала, а не падала. В 1838 году Фарадей завершил свои исследования и доказал, что сущест­вует целая группа материалов, подобно сернистому серебру обла­дающих аномальной температурной зависимостью проводимости (суль­фид ртути, фторид свинца и др.). Однако большого интереса это открытие не вызвало. И лишь после того, как английский инженер Уилби Смит в 1873 году обнаружил, что проводимость селена возрастает при его освещении, исследователи обратили пристальноевнимание на новый класс материалов - оказалось, что для многих из них проводимость возрастает при освещении. Такое свойство (фсточувствительность) почти немедленно нашло практическое использование вэтических приборах к класс материалов "не ме­тали и.не изолятора" выдвинулся на передовые рубежи науки.
В 1931 г. английский.физик А.Вильсон создал стройную теорию электропроводности твердых тела которая объясняла по ка­ким свойствам материал можно считать металлом, полупроводником или изолятором. В 1933 г, советский физик Яков Ильич Френкель объяснил необычный эффект, когда электрический ток в некоторых полупроводниках переносится не отрицательно заряженными части­цами (электронами), а положительно заряженными частицами (дыр­ками). В 1947 г. американские ученые Бардин, Браттейн и Шокли создали первый в мире твердотельный усилитель на полупроводниковом кристалле - германии (точечный транзистор). За это открытие они были удостоены Нобелевской премии. Их транзистор открыл новую эпоху в истории физики - эпоху твердотельной электроники.