Здравствуйте, уважаемые читатели. На днях писала я о китайских сере и селитре, столь необходимых для производства пороха. Комментариев оказалось много, и среди них этот:
Как обычно, наши альтернативщики выказали неспособность к различению, отсутствие у них качества уместности, а также невежество в сфере своих "профессиональных" интересов. На сей раз - радиоинженерных :о)))
Конечно, началось всё не с этого комментария. Но когда до него дошло, я поняла, что передо мной очередная зловредная утка альтернативщины. Потому решила с вопросом разобраться.
Тема для меня новая (и, как я понимаю, для многих других), потому и разбираемся с основами и с началами :о)
Во-первых, автор коммента лукавит. Степень чистоты германия для первых экземпляров не была такой.
"Уместно отметить, что самые чистые металлы довоенного времени только в виде редкого исключения достигали содержания основного вещества пять девяток (99,999%), содержание основного вещества в большинстве химически чистых металлов не превышало трех девяток (99,9%). Разработка технологических методов получения некоторых металлов чистотой шесть и больше девяток является большим успехом металлургии послевоенных лет."
Методы получения металлов высочайшей чистоты в интернете описаны:
"Чистые металлы можно получить электролизом, но степень их чистоты недостаточно высокая, поэтому для получения металлов ОСЧ – особой чистоты, используют специальные методы:
- переплавка в вакууме (получают ОСЧ литий, щелочно-земельные металлы, хром, марганец, бериллий);
- разложение летучих соединений на раскаленной поверхности (получают ОСЧ титан, цирконий, хром, тантал, ниобий, кремний и др.);
- использование так называемой «зонной плавки» (получают германий, кремний, олово, алюминий, висмут и галлий).
Зонная плавка основана на различной растворимости примесей в твердой и жидкой фазах очищаемого металла. Лодочку или тигель специальной формы со слитком металла передвигают с очень медленной скоростью (несколько мм в час) через печь При этом происходит расплавление небольшого участка (зоны) металла. По мере продвижения тигля зона жидкого металла перемещается от одного конца слитка к другому. Примеси, содержащиеся в металле, собираются в зоне плавления, перемещаются вместе с ней и после окончания плавки оказываются в конце слитка. Многократное повторение операции дает возможность получить металл высокой степени чистоты."
Об истории зонной плавки здесь. Там же рассказано, что появление зонной плавки не было случайным и имеет свою предысторию. Как видим из этой истории, зонная плавка, при помощи которой получают ОСЧ металлы, появилась гораздо позже, чем сами полупроводники.
Далее о диодах (сборный материал из просторов интернета)
Тема для меня новая (и, как я понимаю, для многих других), потому и разбираемся с основами и с началами :о)
Диод - это самое простое полупроводниковое устройство, и поэтому является отличной отправной точкой, если вы хотите понять, как работают полупроводники. Сначала давайте внимательно посмотрим на кремний.
Кремень ещё имеет латинское название - silicium (от латинского silex). Русское название кремний ведёт родословную от греческого кремос - утёс, гора.
Кремний - очень разпространённый элемент - например, он является основным элементом в песке и в кварце. Если вы посмотрите на «кремний» в периодической таблице вы обнаружите, что он разполагается рядом с алюминием, ниже углерода и выше германия.
Углерод, кремний и германий (углерод и германий, как и кремний, также являются полупроводниками) обладают уникальным свойством их электронной структуры - каждый имеет на своей внешней орбите четыре электрона. Это позволяет им образовывать красивые кристаллы. Четыре электрона образуют совершенные ковалентные связи с четырьмя соседними атомами, создавая решетку. В углероде мы знаем кристаллическую форму как алмаз. В кремнии кристаллическая форма представляет собой серебристое металлическое вещество.
В кремниевой решетке все атомы кремния отлично соединяются с четырьмя соседями, не оставляя свободным электронам электрический ток. Это делает кремниевый кристалл изолятором, а не проводником.
Металлы, как правило, являются хорошими проводниками электричества, потому что у них обычно есть «свободные электроны», которые могут легко перемещаться между атомами, а электричество связано с потоком электронов. Хотя кристаллы кремния выглядят металлическими, на самом деле металлами они не являются. Все внешние электроны в кристалле кремния участвуют в идеальных ковалентных связях, поэтому они не могут двигаться. Чистый кристалл кремния почти изолятор - через него будет проходить очень мало электричества.
Но вы можете изменить поведение кремния в процессе допинга и, например, превратить его в проводник путем легирования. При легировании в кристалл кремния вводится небольшое количество примеси (добавок).
Существует два типа примесей:
N-тип. При легировании N-типа в кремний в небольших количествах добавляют фосфор или мышьяк. Они имеют пять внешних электронов, поэтому, при встраивании в решетку кремния им не достаёт места . Пятый электрон не имеет ничего общего решёткой, поэтому он может свободно передвигаться. Для создания достаточного количества свободных электронов требуется очень небольшое количество примеси, чтобы электрический ток мог протекать через кремний. Силикон типа N является хорошим проводником. Электроны имеют отрицательный заряд, отсюда и название N-типа.
P-тип. В легировании P-типа легирующей примесью являются бор и галлий. Каждый атом бора и галлия имеют только три внешних электрона. При смешивании с решеткой кремния они образуют в решётке «дырки», с которой электрон кремния не имеет ничего общего. Отсутствие электрона создает эффект положительного заряда, отсюда и название P-типа. Отверстия могут проводить проводить ток. Силикон (кремний) типа P является хорошим проводником.
Минимальное доза легирования N-типа или P-типа превращает кристалл кремния из хорошего изолятора в жизнеспособный (но не большой по объёму) проводник - отсюда и название «полупроводник».
Кремний N-типа и P-типа не настолько изумительны сами по себе; но когда вы их объединяете, вы получаете очень интересное поведение на стыке. Это то, что происходит в диоде - самом простом полупроводниковом устройстве. Диод позволяет току течь в одном направлении, но не пропускает его в другом. Возможно, вы видели турникеты на стадионе или станции метро, которые позволяли людям проходить в одном направлении. Диод - это односторонний турникет для электронов.
Вернёмся к кремнию. "Кремний — очень редкий минеральный вид из класса самородных элементов. На самом деле это удивительно, как редко химический элемент кремний, составляющий в связанном виде не менее 27,6% массы земной коры, встречается в природе в чистом виде. Но кремний прочно связывается с кислородом и почти всегда находится в виде кремнезёма — диоксида кремния, SiO2 (семейство кварца) или в составе силикатов (SiO44-). Самородный кремний как минерал был найден в продуктах вулканических испарений и как мельчайшие включения в самородном золоте." Отсюда
В чистом виде кремний был выделен в 1811 году французскими учеными Жозефом Луи Гей-Люссаком и Луи Жаком Тенаром.
Карл Шеель впервые получил плавиковую кислоту, которая растворяет песок и образует фтористый кремний.
В 1825 году шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус действием металлического калия на фтористый кремний SiF4 получил чистый элементарный кремний в виде порошка коричневого цвета, растворимого в воде.
Несколько позже, в 1855 году, другой ученый - Сент Клер-Девилль - сумел синтезировать другую аллотропную разновидность - кристаллический кремний.
Итак, мы добрались до момента получения синтезированного кремния. Запомните год этого события, ибо нынче синтезированного кремния производится очень много и по всему миру. Что касается чистоты кремния, то она обезпечивается технологией его производства, которая появилась и развилась опытным путём, и над этим потрудились не только химики, но и физики, и инженеры.
О производстве кремния и о технологиях можно прочитать в интернете (сведений много), например, тут
Так что, фраза, как минимум, некорректна. Тому, кто объявляет себя радиоинженером,
должно быть стыдно за элементарное невежество в профессиональной области.
Но я продолжу, ибо был ещё такой комментарий
Усилиями учёных знания о кремнии и о его свойствах стали очень быстро пополняться. Были выявлены его уникальные особенности, которым находили применение в различных отраслях. Так кремний стал сегодня одним из самых возтребованных элементов, как в электронике, так и в технике. С каждым годом границы его применения разширяются.
Переходим к вопросу об изобретении диода.
Так почему никто не слышал об изобретателе диода? Ведь изобретение диода журнал Atlantic недавно назвал четвертым по важности изобретением (наряду с изобретением колеса).
Одной из причин этого могло быть то, что он был обнаружен почти 150 лет назад; в ту же эпоху, что и телефон. Другая причина - сложная линия его эволюции. Популярные медиа предпочитают выдавать простую историю с единственным героем. А в успех диода внесли свой вклад буквально сотни инженеров и ученых.
Вот как отвечает на этот вопрос Дэвид Лавс (David Laws):
- Сначала он назывался выпрямителем из-за его способности преобразовывать переменный ток в постоянный. Диодом его назвал в 1919 году английский физик Уильямом Генрих Экклес, который образовал термин из греческого корня di , что означает «два», и ода, укороченная форма «электрода» (название придумано Майклом Фарадеем из греческих слов elektron и hodos ; путь, дорога или соединение). Этимология вполне подходяща.
Хотя физическая структура диода может казаться обманчиво простой, диоды обладают свойствами, сулящими множество возможных областей их применения: от радиолокационных микроволновых детекторов до широко используемого светоизлучающего диодной (светодиодной) лампы.
Две фундаментальные диодные структуры, термоэмиссионная (вакуумная трубка) и твердотельная (полупроводник) были изобретены друг за другом в течение 12 месяцев во второй половине XIX века.
Термический диод
В 1873 году британский профессор и автор научных трудов в области магнетизма и электричества Фредерик Гатри открыл принцип работы ламповых вакуумных диодов с прямым накалом.
В 1880 году Уильям Дж. Хаммер, помощник Томаса Эдисона в своем Менло-парке, штат Нью-Джерси, сообщил о синем сиянии вокруг положительного полюса и почернении провода на отрицательном полюсе ранней электрической лампочки. Первоначально феномен назывался «Призрачная тень Хаммера», был переименован в «Эффект Эдисона», когда работодатель Хаммера запатентовал лампу накаливания в 1883 году.
Оба исследователя самостоятельно обнаружили тепловой поток заряда в одном направлении, известном как термоэлектронное излучение, но не предвидели какого-либо практического применения для их работы. Двадцать лет спустя бывший сотрудник Эдиссона Джон Амброуз Флеминг понял, что этот эффект может быть использован как детектор для радиосигналов. Флеминг запатентовал термоэлектронный диод, первое практическое электронное устройство вакуумной трубки, в Великобритании в 1904 году.
Полупроводниковый диод
Немецкий физик Фердинанд Браун, 24-летний выпускник Берлинского университета, изучал характеристики электролитов и кристаллов, проводящих электричество в университете Вюрцбурга. При этом он делает первое своё открытие - электрический эффект ректификации, который имеет место в точке контакта между металлами и некоторыми кристаллическими материалами. В 1874 году, исследуя кристаллы галенита (сульфид свинца) с точкой тонкой металлической проволоки, он заметил, что ток протекает свободно только в одном направлении. На эту тему он пишет в 1874 г. в Analen der Physik und Chemie: «… большое количество естественных и искусственных серных металлов… имело разное сопротивление в зависимости от направления, величины и продолжительности тока. Различия составляли до 30 % от полной величины.» Это в корне противоречило известному закону Ома. Браун продемонстрировал своё полупроводниковое устройство в Лейпциге в 1876 году. Браун не смог объяснить происходящего, но, продолжив исследования, установил, что и сопротивление участка пропорционально протекающему току. Что также выглядело необычно. В 1909 году при вручении ему Нобелевской премии Браун в его речи отметил, что обнаружил целый ряд материалов, проявляющих новые свойства. Эти материалы привлекли его внимание по простой причине: они проводили электрический ток, хотя и не были простыми металлами. Открытие Брауна не нашло полезного приложения до появления радио в начале 1900-х годов.
"Вернер Сименс отметил похожие свойства селена. Браун установил, что свойства конструкции проявляются наиболее ярко при небольшом размере контактов, приложенных к кристаллу сульфида. Исследователь применял:
- подпружиненную проволоку с давлением 1 кг;
- ртутный контакт;
- металлизированную медью площадку.
Так на свет появился точечный диод, в 1900 году помешавший нашему соотечественнику Попову взять патент на детектор для радио. В собственных работах Браун излагает исследования марганцевой руды (псиломелана). Прижав контакты к кристаллу струбциной и изолировав губки от токонесущей части, учёный получил превосходные результаты, но применения эффекту в то время не нашлось. Описав, необычные свойства сульфида меди, Фердинанд положил начало твердотельной электронике." Отсюда
Около 1886 года C.E. Фиттс (C.E.Fitts) в США сконструировал токовый выпрямитель, использующий селен. Его работа не привела к появлению каких-либо практических устройств до тех пор, пока не была применена в 1930-х годах, где выпрямитель Фиттса нашел широкое применение в качестве эффективного средства преобразования переменного напряжения в постоянный ток в промышленных установках с относительно большими требованиями к мощности.
В 1901 году Джагадиш Чандра Бос (Jagadis Chandra Bose), профессор физики в Калькутте, Индия, подал патент США на полупроводниковый диод с галенитовым кристаллом для обнаружения радиосигналов.
Начиная с 1902 года американский инженер в области телефонии и телеграфии Гринлиф В. Пикард проверил тысячи образцов минералов для оценки их свойств ректификации. Он подал патент на кремниевый точечный контактный детектор в 1906 году и впоследствии основал компанию Wireless Specialty Apparatus Company для продажи кристальных радиодетекторов «виски». Вероятно, это была первая компания, которая занимается производством и продажей полупроводниковых приборов на кремниевых полупроводниках. Многие другие изобретатели экспериментировали с альтернативными материалами. Генри Данвуди получил патент на детектор карборунда (карбид кремния) всего через две недели после Пикарда. Wichi Torikata заработал японский патент на детектор минералов в 1908 году.
К середине 1920-х годов полупроводниковые диоды в большинстве радиоконструкций заменили ламповые диоды, имевшие более предсказуемую работу. Полупроводники вновь завоевали известность во Второй мировой войне в качестве радар-детекторов из-за их способности работать на СВЧ-частотах.
Объяснение работы полупроводникового диода
Немецкое слово « halbleiter », переведенное на английский язык как «полупроводник», впервые было использовано в 1911 году для описания материалов с электропроводностью между металлами (проводниками) и изоляторами. Но объяснение поведения полупроводников ускользало от ученых на протяжении десятилетий. Еще в 1931 году физик Вольфганг Паули предположил, что «нельзя работать на полупроводниках, это грязный беспорядок; кто знает, существуют ли какие-либо полупроводники ».
Удовлетворительные объяснения выпрямления в полупроводниковом устройстве, наконец, появились в 1938 году. Борис Давыдов в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН, Ленинград, Невилл Мотт в Бристольском университете, Англия и Уолтер Шоттки в Siemens и Halske в Мюнхене, Германия независимо приписывали это явление концентрации электронов на поверхности полупроводника, которые устанавливали асимметричный барьер на поток тока.
Солнечные элементы и радарные детекторы
Изучая использование кремниевых диодов в качестве радар-детекторов в 1940 году, Рассел Ол, электрохимик в Bell Telephone Labs в Холмделе, штат Нью-Джерси, изследовал небольшую кремниевую плиту, которая давала странные результаты. При воздействии на неё яркого света ток, протекающий через плиту, заметно повышался.
Ол и коллега Джек Скафф обнаружили, что шов в плите означал разделение кремния на области, содержащие различные виды примесей. Одна примесь, элемент фосфора, привела к небольшому избытку электронов в образце, в то время как примесь другого элемента - бора, привела к небольшому дефициту (позже признанному как «дырки»). Они называли области n-типа (для отрицательных) и p-типа (положительные); поверхность или «барьер», где эти области встречались, стали известны как pn-переход . Свет, падающий на это соединение, стимулировал движение электронов от n-стороны к p-стороне, что приводило к электрическому току. Ол обнаружил фотогальванический эффект, который воздействует на сегодняшние солнечные элементы.
Работа Ohl и Scaff привела к гигантскому скачку вперед в технологии полупроводниковых материалов, поскольку кремниевые и германиевые диоды были развернуты для военных усилий. Исследователи из Великобритании и США разработали методы для очистки обоих элементов и «допировали» их выбранными примесями для получения желаемых характеристик. Бесчисленные микроволновые частотные диоды были изготовлены для использования в радиолокационных приемниках Allied. Улучшение качества полупроводниковых материалов, вытекающих из этой работы, позволило создать первый транзистор в Bell Labs в 1947 году.
" Во время Второй мировой войны исследовательские бюджеты многократно выросли, но, по мнению Питера Морриса, в физике полупроводников было сделано слишком мало. Все существенные достижения были связаны с военным заказом в двух направлениях, в которых были бессильны вакуумные лампы, — детектирование инфракрасного излучения и детектирование отражённого сигнала в радиолокации[9]. Излучатели ранних радиолокаторов работали на частотах до 3 ГГц, а частотный диапазон детекторов на вакуумных диодах был ограничен 400 МГц[3]. Контактные полупроводниковые детекторы, напротив, могли эффективно выпрямлять сверхвысокие частоты, поэтому в конце 1930-х годов правительства Великобритании, Германии и США начали масштабные проекты по совершенствованию полупроводников. В ходе этих исследований были исследованы фундаментальные свойства полупроводников и заложены основы технологии их производства, сделавшие возможным серийный выпуск полупроводниковых приборов[10]. " Вики
Так кто же изобретатель диода?
Полупроводниковые диоды и транзисторы постепенно заменяли вакуумные трубки на цифровых компьютерах в 1950-х годах. К 1960 году все новые конструкции использовали полупроводники для логических функций. Широкий спектр других возможных применений, которые возникли для диода с момента его открытия, стимулировал исследования в лабораториях во всем мире в отношении того, как новые технологии производства могут применяться для создания лучших устройств для электронных систем. В сочетании с революционным плановым процессом Жана Хуерни работа, описанная исследователями в Fairchild, дала новые коммерческие продукты, которые способствовали важным источникам дохода в первые дни существования компании.
С этой длинной историей, в которой участвуют сотни инженеров и ученых по всему миру, целесообразно ли назначить кого-либо из них «изобретателем диода»? Некоторые даровали бы честь тем, кто впервые обнаружил эффект (Гатри и Брауну). Другие поддерживают кандидатуру тех, кто запатентовал первые полезные устройства (Флеминг и Бозе). Этимологи могут голосовать за тех, кто придумал имя (Эклс и Фарадей). Мое предпочтение состоит в том, чтобы признать, что это один из многих примеров в истории науки и техники, где успех имеет много отцов, в том числе и ранние изследователи Fairchild Semiconductor.
По материалам (со многими дополнениями и включениями)
Предлагаю прочитать:
Тайна вольфрамовых пружинок Урала и не только его
Как цивилизация Древнего Инда проживала без рек
Велика Пермь водопроводом, Но лучше о Соловках :о)
Как изготавливали деревянные трубы
Как изготавливали деревянные трубы-2
Каналы, акведуки и другие гидротехнические сооружения доколумбовой Южной Америки
Каналы, акведуки и другие гидротехнические сооружения доколумбовой Америки - 2
BISO KOTUWA – инженерное чудо Шри-Ланки
Акведук Понт дю Гард и камень. Что возможно
Арийско-тартарийская гидра, ой, гидравлика :о)))
Борьба с засухой в древней Индии
Qanat – персидский вклад в цивилизацию
Построено без инопланетян (Дамба Цезаря и др. Иран)
Помпеи. Водовод Доминико Фонтана
Помпеи и вода. Цивилизация 2000 лет назад