Да будет свет!

НОВОСТИ НАУКИ

Да будет свет!

Л.БЕЛОПУХОВ

НОБЕЛЕВСКУЮ ПРЕМИЮ 2014 ГОДА ПО ФИЗИКЕ ПОЛУ- чили японские инженеры-физики Исаму Акасаки, Хироши Амано и Сюдзи Накамура «за изобретение эффективных синих светодиодов, приведших к появлению ярких и энергосберегающих источников белого света». Ключевое слово формулировки «светодиод» говорит о том, что это изобретение – из области полупроводниковой техники. А другие, простые и всем понятные, слова отражают факт огромного значения этого достижения для нашей жизни, или, говоря словами завещания Альфреда Нобеля, достижения, «принесшего наибольшую пользу человечеству». Светодиодами занимались многие. Впервые свечение некоторых природных полупроводников было зафиксировано радиотехниками – в 1907 году сотрудником компании Г.Маркони Генри Раундом, а в 1923 году – Олегом Лосевым в Нижегородской радиолаборатории. Почти 40 лет этот эффект назывался «свечением Лосева». Но только после создания к середине XX века современной квантовой теории физики твердого тела пришло понимание этого явления. Первый светодиод, излучающий красный свет, был изобретен в 1961 году в США Ником Холоньяком и быстро нашел использование в индикаторных и сигнальных устройствах. Но достоточно яркие красные светодиоды были вначале очень дорогими. Начиная с 1980 года в ряде стран (США, Япония, Россия) продолжались работы по созданию светодиодов всех цветов радуги – от красного до голубого. Однако их стоимость продолжала оставаться высокой, а эффективность была недостаточной для того, чтобы создать осветительные устройства, конкурирующие с лампами накаливания или газоразрядными лампами. Возможность получения многочисленных световых оттенков стала широко использоваться в дизайне, шоу-бизнесе и дорогих игрушках. Но две группы японских исследователей продолжали упорную работу по созданию эффективных светодиодов не для зрелищного удовольствия, а для освещения улиц и помещений. Главную трудность при этом представляли достаточно интенсивные светодиодные источники синего цвета. Только они в комбинации с уже созданными источниками красного, желтого и зеленого цветов могли дать источник белого света. Вспомним основные положения теории полупроводников, существенные для понимания процессов в светодиодах и

трудностей, стоявших перед исследователями. Достаточно рассмотреть только кристаллические полупроводники, в которых атомы связаны друг с другом парами обобществленных валентных электронов (так называемая ковалентная связь). Например, элементы четвертой группы периодической системы – кремний, германий. Каждый атом таких элементов имеет 4 электрона, находящихся в среднем дальше от ядра, чем другие электроны. Эти электроны являются валентными, т.е. способными на связь с соседними атомами. Когда атомы находятся близко друг к другу, устанавливается симметричная картина – атомы связаны друг с другом четырьмя парами электронов. Эта ковалентная связь достаточно прочная, что означает невозможность валентному электрону получить малую порцию энергии, чтобы оторваться от своей связи. Согласно квантовой физике твердого тела, ковалентный электрон не может, слегка увеличив свою энергию, остаться частично привязанным к атому. У него могут быть только два состояния – или сильно связанное, или свободное. Иное природой (квантовыми законами) запрещено. Поэтому минимально необходимая для освобождения электрона энергия получила в физике твердого тела название ширины запрещенной зоны энергий. Такую энергию электрон иногда может получить от соседнего атома, когда тот в своем колебательном движении будет иметь амплитуду, значительно отличающуюся от средней. Колебательное движение атомов кристаллической решетки твердого тела существует при любой температуре (согласно квантовой теории, даже при абсолютном нуле). При температуре порядка 300 К (комнатная температура) средняя энергия колебательного движения атомов составляет 0,025 эВ. А ширина запрещенной зоны энергий в полупроводниках по крайней мере в 50 раз больше. Чтобы валентному электрону приобрести такую энергию и стать свободным, один из соседних атомов должен испытать очень сильное колебание, энергия которого будет значительно отличаться от средней. Это – событие крайне редкое, поэтому оторвавшихся электронов мало. Но зато эти электроны способны к более или менее свободному хаотическому перемещению по кристаллу. А в электрическом поле их перемещение становится ориентированным, похожим на направленное движение свободных электронов проводимости в металле. Кристалл проводит ток, хотя и достаточно слабый. Удельная проводимость таких веществ в $10^{12}$ раз меньше, чем у проводников (металлов). Поэтому они получили название полупроводников. Но у полупроводников есть очень важное качественное отличие от металлов – образование «дырок». Вакантное место в конструкции связей, образовавшееся после освобождения одного из электронов, долго не остается таким – оно замещается каким-нибудь валентным электроном от одного из соседних атомов. Этот процесс может повторяться снова

Японские инженеры-физики Исаму Акасаки, Хироши Амано и Сюдзи Накамура

14

КВАНТ 2015/№1

и снова. Каждый освободившийся электрон рождает освободившуюся «квартиру» – дырку в стройной структуре ковалентных связей. Перемещения электронов из одного положения в другое хаотичны – дырка хаотично перемещается по кристаллу. Но в электрическом поле эти перемещения становятся ориентированными. Перемещение отсутствия отрицательного заряда эквивалентно перемещению положительного заряда. Ток, соответствующий этому перемещению, является током положительных зарядов – дырок, а связанная с ними проводимость называется дырочной. Число дырок соответствует числу освободившихся электронов, поэтому электронная и дырочная проводимости полупроводника имеют примерно одинаковую величину. Эта суммарная проводимость чистого полупроводника получила название собственной проводимости. Отличие собственной проводимости полупроводников от чисто электронной проводимости металлов – не только количественное. Совершенно по-другому меняется проводимость полупроводников, например, при изменении температуры. При повышении температуры резко (экспоненциально) увеличивается вероятность отрыва электронов от атомной связи, а значит, резко увеличивается концентрация электронов и дырок. Проводимость полупроводников экспоненциально увеличивается с температурой, тогда как у металлов при нагревании она, напротив, уменьшается (по линейному закону). Очевидно, что на проводимость полупроводников может влиять и наличие посторонних примесей и с помощью примесей полупроводник можно целенаправленно «испортить». Например, сделать так, что его проводимость станет почти чисто электронной – без образования дырок. Для этого нужно к четырехвалентному элементу добавить некоторое строго контролируемое количество пятивалентного элемента – мышьяка или фосфора. При охлаждении и кристаллизации атомы примеси будут встраиваться в конструкцию четырехвалентных атомов, но при этом у каждого атома примеси остается «бесхозный» пятый электрон. В электрическом поле эти электроны будут такими же электронами проводимости, как и собственные свободные электроны полупроводника. Но, во-первых, их будет значительно больше (обычно в $10^{6}$ раз больше), а во-вторых, при этом не образуется дырок. Такой примесный полупроводник будет почти на 100% обладать только электронной проводимостью и лишь на малые доли процента – дырочной проводимостью. Он называется полупроводником n-типа (от negative – отрицательный), а примесь называется донорной (дающей). Но можно сделать наоборот – добавить к четырехвалентному элементу примесь трехвалентного – галлия или индия. Когда его атомы будут встраиваться в структуру четырехвалентных атомов, им для образования четырех парноэлектронных связей с соседями будет не хватать одного электрона – образуется дырка. Так же, как и в случае собственной проводимости, дырка начнет замещаться электронами соседних атомов и перемещаться по кристаллу. В электрическом поле это перемещение будет носить характер тока положительных зарядов. Такой примесный полупроводник будет почти на 100% обладать только дырочной проводимостью и лишь на доли процента – электронной. Он называется полупроводником р-типа (от positive – положительный), а примесь называется акцепторной (принимающей). Главное применение примесных полупроводников – это создание полупроводниковых приборов, основанных на свойствах р–n-перехода – контакта полупроводников n- и р-типа. При контакте начинается диффузия электронов проводимости из полупроводника n-типа в область контакта и диффузия дырок из полупроводника р-типа в область контакта. Но

диффузия быстро заканчивается – ее обрывает то, что полупроводник n-типа, потеряв часть электронов, приобретает избыточный положительный заряд, а полупроводник ртипа – избыточный отрицательный заряд. На пути дальнейшего перемещения электронов и дырок возникает потенциальный барьер. Внутреннее электрическое поле этого барьера направлено от полупроводника n-типа к полупроводнику р-типа, тем самым препятствуя дальнейшему перемещению электронов и дырок. Поэтому р–n-контакт часто называют запирающим слоем. Но если этот контакт подключить к источнику тока так, чтобы в запирающем слое появилось электрическое поле, противоположное по направлению внутреннему полю потенциального барьера (для этого нужно положительный полюс источника тока подсоединить к полупроводнику р-типа), то потенциальный барьер на пути зарядов значительно ослабнет. По цепи пойдет ток, сила которого будет экспоненциально увеличиваться с увеличением приложенного напряжения. При одном и том же напряжении она в тысячи раз будет больше силы тока через чистый (беспримесный) полупроводник. Такое подключение р—n-перехода называют прямым. Если же источник тока подключить в противоположном направлении, то потенциальный барьер, наоборот, возрастет, и тока через контактную область практически не будет (вернее, он будет очень слабеньким). Такое подключение называют обратным. Таким образом, через р–n-переход проходит ток практически только одного направления. Переменный ток «выпрямляется» (при этом в течение полпериода переменного синусоидального тока контакт ток не пропускает). По аналогии с первыми радиолампами, появившимися на рубеже ХХ века, устройство было названо диодом. Главное достоинство полупроводниковых выпрямителей по сравнению с ламповыми – это их компактность. Полупроводниковый диод стал быстро усложняться добавлением других электродов для целей усиления и генерирования сигналов, комбинация р–n-переходов (получившая название транзистора) стала основным элементом полупроводниковых радиосхем и многих других приборов, в которых применение радиоламп из-за их громоздкости было затруднено или вовсе невозможно. Создатели первых полупроводниковых устройств Уильям Бредфорд Шокли, Джон Бардин и Уолтер Хаузер Браттейн в 1956 году стали Нобелевскими лауреатами « за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта». Полупроводниковая революция так сильно изменила лицо человеческой цивилизации, что этого не могли предположить и самые смелые фантасты. В 1961 году началось исследование еще одного свойства р– n-перехода – генерирование им света. И действительно, в области контакта должно возникать электромагнитное излучение – рождение квантов лучистой энергии. Ведь при прямом подключении р–n-перехода к источнику тока интенсивное движение в области контакта свободных электронов и дырок навстречу друг другу должно приводить к случайному (вероятностному) замещению дырок электронами. В физике этот процесс называется рекомбинацией электрона и дырки. Электрон при этом скачком приобретает отрицательную потенциальную энергию (отрицательную потому, что это энергия сил притяжения). И точно так же, как и при рекомбинации электрона и иона, при этом должен появиться квант излучения, энергия которого равна величине появляющейся у электрона потенциальной энергии связи. Это – процесс, обратный освобождению электрона при разрушении ковалентной связи. Поэтому квант излучения, возникающий при рекомбинации электрона и дырки, имеет энергию, равную ширине запрещенной зоны.