На примере BаTiO3 рассмотрим структуру и свойства сегнетоэлектриков.
Химические связи в BаTiO3 ионно-ковалентные. Титанат бария кристаллизуется в структуру типа перовскит. Элементарную ячейку решетки такого типа можно представить следующим образом: основу структуры составляют кислородные октаэдры, в центре которых расположены ионы титана. В свою очередь, ионы кислорода центрируют грани куба, составленного из ионов бария.
Размеры элементарной ячейки больше удвоенной суммы ионных радиусов ионов титана и кислорода. Поэтому ион титана имеет некоторую свободу перемещения в кислородном октаэдре.
При достаточно высоких температурах тепловая энергия иона титана достаточна для того, чтобы он непрерывно перебрасывался от одного иона кислорода к другому, поэтому усредненное положение иона титана находится в центре элементарной ячейки, и элементарная ячейка является симметричной – кубической.
Понижение температуры ведет к снижению кинетической энергии иона титана и при некоторой температуре (ниже 120 °С) он локализуется вблизи одного из ионов кислорода. В результате, симметрия в расположении заряженных частиц нарушается, и элементарная ячейка приобретает дипольный момент. В соседней элементарной ячейке ион титана смещается к отрицательному полюсу образовавшегося диполя. Таким образом, соседние элементарные ячейки становятся спонтанно поляризованными.
Одновременно со спонтанной поляризацией идет деформация кристаллической решетки, и кубическая решетка становится ромбоэдрической.
Итак, ниже некоторой температуры (температуры Кюри) сегнетоэлектрики самопроизвольно поляризуются, и при этом деформируется их кристаллическая решетка. Выше температуры Кюри сегнетоэлектрики переходят в параэлектрическое состояние, и кристаллическая решетка становится симметричной. Изменение типа кристаллической решетки при переходе через точку Кюри принято называть фазовым переходом.
Образование доменов в кристаллах сегнетоэлектриков связано с тем, что в том случае, когда все соседние элементарные ячейки кристалла поляризованы в одном и том же направлении, вокруг кристалла появляется внешнее электрическое поле. Наличие электрического поля повышает энергию системы и для снижения энергии кристалл самопроизвольно разбивается на домены.
Поскольку ниже температуры Кюри симметрия кристаллической решетки уменьшается, то число направлений, вдоль которых выгодна спонтанная поляризация соседних кристаллических решеток, сравнительно мало. Такими направлениями будут направления типа <111>. Соответственно соседние домены могут быть разориентированы на 180 или на 90 градусов. Поскольку суммарные электрические моменты соседних доменов антипараллельны или перпендикулярны, то в целом кристалл сегнетоэлектрика не обладает электрическим моментом.
Важно отметить, что на границах доменов происходит постепенный поворот дипольных моментов из одного направления в другое, аналогично тому, как происходит этот поворот в ферромагнетиках. В этом еще одно сходство сегнетоэлектриков с ферромагнетиками. Очевидно, что границы доменов в сегнетоэлектриках взаимодействуют со структурными несовершенствами решетки так же, как и ферромагнетиках.
4. Рождение полупроводникового диода
Важными явились работы немецкого физика К.Ф. Брауна по исследованию проводимости целого ряда полупроводников, сернистого цинка, перекиси свинца, карборунда и других, проведенные в течении 1906 г. В результате исследований была обнаружена односторонняя проводимость полупроводников. Это послужило толчком к созданию кристаллического детектора только не К.Ф. Брауном, а американским генералом Х. Дамвуди (H.H. Dunwody) в том же 1906 г.
Нобелевская речь К.Ф. Брауна называлась «Мои работы по беспроволочной телеграфии и электрооптике». Впоследствии она была издана отдельной книгой в России, в Одессе в 1910 г.
На некоторое время кристаллический детектор уступил свое место в радиоприемнике электронной лампе. Двухэлектродная лампа, используемая для преобразования токов высокой частоты в токи звуковой (низкой) частоты, в радиоприемной и измерительной аппаратуре носит название диод-детектор. Широкое внедрение в радиотехнику электронных ламп не остановило исследований по совершенствованию кристаллических детекторов.
В 1919 году совершенствованием детектора увлекся молодой радиолюбитель Олег Владимирович Лосев. Мечтая посвятить жизнь радиотехнике, он начал с того, что еще совсем юным поступил рассыльным на первую в нашей стране Нижегородскую радиолабораторию. Здесь заметили любознательного и талантливого юношу. Сотрудники лаборатории помогли ему пополнить образование, и вскоре Лосев приступил к самостоятельной научной работе.
В феврале 1922 г. 19-летний научный сотрудник Нижегородской лаборатории Олег Лосев результате целенаправленного исследования обнаружил короткий подающий участок вольтамперной характеристики кристаллического детектора, используя который, можно приводить к самовозбуждению колебательный контур. Он сконструировал радиоприемник с генерирующим кристаллом, названный 'Кристадином', что означало кристаллический гетеродин. В детекторе этого приемника использовалось пара 'цинкит – угольная нить', на которую подавалось постоянное напряжение порядка 10В. Он установил, что основным условием генерирования и усиления такой пары есть отрицательное сопротивление контактной пары детектора. Позже вместо цинкита стали использовать галенит. Для того времени открытие Лосева было очень важным. Ведь обычный детекторный приемник давал возможность слушать лишь близкие станции. Дальний прием, особенно в городах, где много помех и трудно устроить высокую и длинную антенну, оказывался практически невозможным.
Лосев сразу же опубликовал свои открытия, не запатентовав их, не требуя за них никакого денежного вознаграждения. Во многих странах радиолюбители принялись строить приемники по его схемам.
9 марта 1927 г. О. Лосев сообщил о результатах исследований детекторной пары «карборунд – стальная игла». Он обнаружил слабое свечение на стыке исследуемой поры разнородных материалов при прохождении через нее тока.
Характеристики свечения, отмеченные им в то время, сегодня являются важнейшими для современных светодиодов, индикаторов, оптронов и излучателей инфракрасного света. Только после освоения производство полупроводников началось использование эффекта свечения О. Лосева.
Прошло более 30 лет, прежде чем кристаллический детектор вернулся на свое место. За это время были выяснены принципы работы полупроводников и наложено их производство. Сейчас промышленность выпускает большой ассортимент кристаллических детекторов, по современной классификации они носят название полупроводниковых точечных диодов. При их изготовлении используют метод электрической формовки, т.е. мощные кратковременные импульсы токов пропускают через точечный контакт. При этом контакт разогревается, о кончик иглы сплавляется с полупроводником, обеспечивая механическую прочность. В области контакта образуется маленький полусферический р-п-переход. Такие диоды имеют устойчивые электрические параметры.
Так как в настоящее время ламповые диоды используются очень редко и наибольшее распространение получили полупроводники, то полупроводниковые диоды называют просто диодами. Сравнение вольтамперных характеристик вакуумного и полупроводникового диодов показывает, что в области прямого напряжения характеристика полупроводникового диода напоминает ламповую. Разница лишь в том, что один и тот же ток для полупроводникового диода получается при значительно меньших напряжениях. Это и является преимуществом полупроводниковых диодов при использовании их в выпрямителях. Недостаток полупроводникового диода – наличие обратного тока, хотя и небольшого по сравнению с прямым током. Диоды, используемые в схемах выпрямления, называют также вентилями.
В 1926 г. был предложен полупроводниковый выпрямитель переменного тока из закиси меди. Позднее появились выпрямители из селена и сернистой меди. Бурное развитие радиотехники (особенно радиолокации) в период второй мировой войны дало новый толчок к исследованиям в области полупроводников. Были разработаны точечные выпрямители переменных токов СВЧ на основе кремния и германия, а позднее появились плоскостные германивые диоды.
Полупроводниковые приборы быстро и широко распространились за 50-е-70-е годы во все области народного хозяйства.
В 1957 г. класс диодов пополнился новыми приборами – управляемыми полупроводниковыми вентилями. Международная электротехническая комиссия (МЭК) дала им название тиристоры. Слово «тиристор» состоит из двух слов: греческого thyra – дверь, вход и английского resistor – сопротивление. Тиристоры представляют класс полупроводниковых приборов, который подразделяется на диодные (динисторы), триодные (тринисторы), запираемые и симметричные (симисторы).
5. История развития полупроводников
После изобретения в 1904 г. Дж. Флемингом двухэлектродной лампы-диода и Л. Де Форестом в 1906 г. трехэлектродной лампы-триода в радиотехнике произошла революция. Эти изобретения позволили усиливать не только телеграфные сигналы, но и перейти к радиотелефонии – передаче по радио человеческого голоса. Помимо этого, они позволили усиливать высокочастотные колебания.
Началось бурное развитие радиотехники. Но одновременно с ним
выявились недостатки применения вакуумных электронных приборов. Электронная
лампа имеет небольшой срок службы. Приняв средний срок службы лампы за 500
часов, при количестве ламп в одном устройстве 2000 штук в среднем каждые 15
минут следовало бы ожидать отказа по крайней мере 1 лампы. Для обнаружения
неисправности следовало проверить как минимум несколько сотен ламп. Самой
уязвимой частью ламп является нить накала. При включении и выключении прибора
нить поочередно раскаляется и охлаждается, что повышает вероятность ее
перегорания. Для разогрева лампы требуется мощность в сотые доли ватта.
Помноженная на количество ламп потребная мощность достигает нескольких сотен, а
иногда тысяч ватт.
Недостатки электронных ламп особенно остро выявились в конце 40-х–начале 50-х
гг. прошлого века с появлением первых электронно-вычислительных машин. Их
надежность и размеры определялись именно размерами, энергетической емкостью и
надежностью используемых в них вакуумных ламп.
Выход из кризиса открыли полупроводниковые приборы, которые, несмотря на свои недостатки, имели явные преимущества по сравнению с лампами: небольшие размеры, мгновенная готовность к работе ввиду отсутствия нити накала, отсутствие хрупких стеклянных баллонов. Эти необходимые в то время свойства побудили к поиску способов устранения недостатков полупроводников.
