半导体电子学

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近十年来,半导体材料在电子学中获得了极其广泛的应用。在半导体电子学方面的一系列的发明,在研究获得高纯度材料的方法中所得到的成就,都使我们可能用新的观点来理解某些早已熟知的物理现象,都使我们能制造出极有前途的现代化电子仪器。

例如,仅能将百分之一的光能转变为电能的普通光电池,已经被能将13—15%的光能转变为电能的硅电池所代替。这种电池已经用来作为能源。从一平方公尺太阳照射的表面上,可以得到100瓦的电力。

利用半导体可以制造能将7—10%的热能转变为电能的热偶发电机(温差发电机),并且还可以制造出经济的冷冻元件。苏联科学院半导体研究所在1954—1956年间用半导体冷冻元件所制成的家用冰箱(冷藏柜)样品,具有与其它型式冰箱工业样品相近似的经济指标,但比其它型式的冰箱优越的地方是:使用可靠,工作时无噪声。

所有上述半导体器件的主要特征是能将某一种形式的能量,直接转化为另一种形式的能量。取消了中间过程(产生蒸汽,机械运动),这就简化了设备的结构,减轻了重量,提高了工作的可靠性,降低了维修费用。

半导体还可以用来直接将原子能变成电能。

图1
图1 🔍原图 (657×460)

强功率的锗和硅二极管(整流器)在动力工程中具有极大的意义。它们具有很高的效率,很长的使用期限,很小的体积和很大的机械强度。例如,图1所示的硅二极管,在300伏的电压下,可保证整流电流达475安。在电化学工业、运输工业和其它部门中,用这样的二极管就可以在解决许多重要同题时大大简化。

但是,现代应用半导体最广的还是在无线电电子学中。半导体三极放大管(晶体管)仅仅是在九年以前才造成的。三极管的发明,使整个半导体电子学的发展得到了大大的跃进。半导体器件的出现并不是偶然的,无线电电子学的整个发展过程为它创造了条件。

从半导体三极管存在的第一天起,就显示出了它比无线电电子管具有一系列重要的优点。这些优点在面接触型三极管制成以后,就更清楚的表现出来了。根据实验的资料确定,半导体三极管能很好地完成电子管的全部主要任务,并且半导体三极管尺寸要小得多,它可以在极低的电源电压下(1伏以下)工作,须要的电流只有几微安。它具有很高的机械强度,并且没有颤噪效应;使用期限可达几万小时。但是,除了这些优点以外,初制出的半导体三极管样品也具有一系列严重的缺点:噪音电平很高,容许的电流和电压值很低,各种参数受温度的影响很大,最高的工作频率较低等。但半导体三极管令人鼓舞的最初结果和改善各参数的显著可能性,都引起了广大学者的注意。

除了在研究试制特性优良的三极管时要遇到困难外,在成批生产中,还要遇到许多新的困难。由于工艺过程复杂,很难得到具有化学纯度的均匀原始材料(原料),这就使得最初几批半导体三极管各管参数间具有很大的差别。利用很纯的原料,对各工序进行仔细的检验和将成品分组都可以在很大程度上消灭这个缺点。但目前各管参数间的较大差别仍然是一个很大的缺点。

在扩展半导体工作频率范围方面,也作了很多工作。由于用扩散的方法将某些杂质加到制造三极管所用的材料中,以及利用专门的方法来制造单晶体,到1954年就能制造出工作频率范围为400兆周的三极管样品,稍迟一点,在1955年制出的四极管实验性样品,就可以优良地在1000兆周的频率下工作。

图2
图2 🔍原图 (449×412)

现在在苏联已经设计生产出了数十种点接触型和面接触型三极管。图2是玻璃外壳的П型三极管。另外还生产有如图3所示的П6、C3、C4型三极和。和旁边10戈比钱币比较看,很容易就可知道它们大小了。同时必须指出,三极管的工作元件体积还不到总体积的十分之一,因而晶体三极管的尺寸还可能进一步缩小。图4是用超小型三极管装成的三级放大器的一个例子,这种放大器的总面积仅为0.5平方厘米。

图3
图3 🔍原图 (559×491)
图4
图4 🔍原图 (470×676)

现在,用半导体器件作成各种低频装置和产生持续时间为0.1微秒的脉冲线路是它广泛应用的一个范围。这些器件也同样被应用在助听器中。这里,不管是从缩小体积的观点出发,或者是从电源消耗的观点出发,所得到的益处都是很明显的。从1956年起,普遍生产的助听器就都是半导体助听器了。

用半导体器件来装配便携式或袖珍电池无线电接收机,有着广阔的前途。

由于半导体能在极低的电压下工作,故近来它们又被用在无源电子设备中。在这些设备中,首先应当指出的是用太阳电池和邻近强功率无线电台的电磁能来作为电源的无线电接收机。无线电台的电磁能经单独的专用天线(有时是公用的接收天线)而进入接收机,供给该接收机接收较弱电台的信号。

用从话筒输出端取下的一部份电能来供给发射装置的试验,也是非常有趣的。

一系列科学研究工作的结果,表明半导体器件还有一些巨大的优点,能使半导体器件应用到有线通信中:如用于中继放大器,送话器放大器,自动电话局的交换装置,及多路通信机等。在这些地方利用半导体器件不仅有可能提高通信线路工作的可靠性,而且它可以使这些机器的电源和安置问题更容易解决。用电子交换机来代替自动电话局中的机械式交换机,可将这些设备的动作速度提高许多倍。

使用半导体器件最重要、最有趣和最有前途的领域是航空无线电电子设备。现代重型轰炸机的无线电设备,共有几百上千的电子管,其重最不止一百公斤。利用半导体三极管不仅可减轻飞机设备的重量,缩小体积,减少设备所消耗之电能,并且还可以扩大这种设备所起的作用。

最后应当指出,现在已经没有任何一个科学技术和国民经济部门,其中电子设备不起到重要作用的。工作经验告诉我们,只要在能够代换电子管的地方用半导体器件来代特电子管,几乎总会给我们很大的好处。但是,将这些好处实际表现出来,还做得很不够,但能够希望在不久的将来,随着半导体器件的大批生产,这种情况将会好转。((苏联)я.费多托夫)(陈达邦译自苏联“无线电”杂志1957年11月号)