Ultrakrótka historia elektroniki – historia półprzewodników

W poprzednich artykułach tej serii omówiliśmy różne zapomniane wzmacniacze sygnałów elektrycznych. Dziś dominują wzmacniacze półprzewodnikowe. Warto wiedzieć, że historia półprzewodników sięga zamierzchłych czasów jeszcze przed rokiem 1800. To też jest fascynujący wątek w historii elektroniki.

„Już starożytni Grecy…” albo „Już wiele wieków temu w Chinach…” – to początki opisów wielu wynalazków, których korzeni można, bardziej czy mniej słusznie, doszukiwać się w starożytności. Nie dotyczy to jednak półprzewodników, które niewątpliwie są podstawą naszej cywilizacji.

Półprzewodniki z roku 1782

Jak pisałem w pierwszym artykule tej serii (H011), dopiero bateria – stos Volty z roku 1800 umożliwiła systematyczne badania nad elektrycznością. Dlatego właśnie rok 1800 można słusznie uznać za początek ery elektryczności.

W tym kontekście na paradoks może wyglądać informacja, że określenie „półprzewodnik” pojawiło się wcześniej, już w roku 1782 w raporcie Volty dla London Royal Society. Alessandro Volta relacjonował tam przykłady rozładowania elektroskopu: metale rozładowywały elektroskop błyskawicznie (przewodniki), niektóre materiały nie rozładowywały go wcale (nieprzewodniki czyli izolatory), a niektóre rozładowywały, ale znacznie wolniej niż przewodniki – tu pojawiło się określenie „półprzewodniki”, po angielsku semiconductors. Jednak absolutnie nie w tym sensie, jaki to określenie ma dzisiaj.

Michael Faraday – odkrywca półprzewodników

Rysunek tytułowy przedstawia Michaela Faraday’a w jego pracowni. To właśnie jego można uznać za odkrywcę półprzewodników! Tak!

Ale najpierw wróćmy do stosu Volty: po roku 1800, mając stabilne źródło, jak dziś mówimy, stałego napięcia i prądu elektrycznego, podjęto dokładniejsze badania, jak prąd płynie przez różne substancje. Przez niektóre, jak np szkło, w ogóle nie chciał płynąć. Prąd dobrze, chętnie płynął przez wszystkie metale. Dziś mówimy, że mają one małą oporność, małą rezystancję elektryczną.

W latach 1825…27 Georg Simon Ohm empirycznie ustalił nazwane jego nazwiskiem prawo, dotyczące przepływu prądu przez metale. Co ciekawe, początkowo nie zostało ono zaakceptowane przez ówczesnych naukowców, mających inne, fałszywe wyobrażenia na ten temat.

Co bardzo ważne dla naszej opowieści, szybko zauważono, że ze wzrostem temperatury rezystancja metali rośnie. Opisał to Humphry Davy już wcześniej, w roku 1821. Są to wprawdzie nieduże, ale powtarzalne i dokładnie określone zmiany, co zresztą do dziś wykorzystujemy do budowy bardzo precyzyjnych termometrów, gdzie czujnikiem jest drucik platynowy, najczęściej o rezystancji 100 omów (czujniki Pt100).

I teraz przechodzimy do meritum: od dwustu lat, od roku 1821 wiedziano, że rezystancja przewodników – metali rośnie ze wzrostem temperatury, a w roku 1833 genialny Michael Faraday zaobserwował i opisał wyjątek: siarczek srebra (Ag₂S) w temperaturze pokojowej ma dość dużą rezystancję, która po podgrzaniu maleje, a w temperaturach powyżej +175°C zmniejsza się do wartości „metalicznych”.

Właśnie dlatego w wielu źródłach za ojca, odkrywcę półprzewodników uznaje się właśnie genialnego samouka – Michaela Faradaya. Za datę odkrycia półprzewodników można więc uznać rok 1833, czyli prawie dwieście lat temu! Wtedy jednak odkryte zjawisko było jedynie intrygującą ciekawostką, na której przekonujące wyjaśnienie trzeba było jeszcze poczekać mniej więcej 100 lat.

Zjawiska fotoelektryczne

W wieku XIX przeprowadzano mnóstwo rozmaitych eksperymentów związanych z elektrycznością. Między innymi zaobserwowano, że niektóre materiały po oświetleniu wytwarzają napięcie elektryczne lub mieniają swój opór elektryczny. Nie była to jeszcze prawdziwa fotowoltaika, czyli pozyskiwanie energii elektrycznej z promieniowania świetlnego.

Pierwsze informacje o wytwarzaniu napięcia elektrycznego pod wpływem światła, pochodzą z roku 1839. Wtedy to Edmond Becquerel opisał zachowanie pokrytej chlorkiem srebra elektrody platynowej, zanurzonej w roztworze kwasu azotowego, gdzie pod wpływem oświetlenia następowało wytwarzanie napięcia. Dziś wiemy, że było to złącze półprzewodnikowe.

W historii półprzewodników należy odnotować kolejny przykład przypadkowego odkrycia. Otóż liczni eksperymentatorzy zaobserwowali, że rezystancja pierwiastka selenu może zmieniać się w szerokich granicach, zależnie od kilku czynników, w tym od temperatury. W roku 1873 zajmujący się kablami podmorskimi angielski inżynier Willoughby Smith też przeprowadzał eksperymenty z wykorzystaniem selenu i ustalił, że jego rezystancja silnie zmniejsza się pod wpływem światła. Dziś wiemy, że jest to efekt typowy dla półprzewodników. Jednak 150 lat temu były to przypadkowe odkrycia. Wprawdzie niedługo później odkryto, że oświetlony selen może też wytwarzać energię elektryczną i już w roku 1884 zrealizowano pierwszy panel fotowoltaiczny, ale to oddzielna historia.

Takie właściwości selenu były długo wykorzystywane – fotografia 1 (z Wikipedii, Autor: Thomas Altfather Good CC BY-SA 3,0) pokazuje znany starszym Czytelnikom aparat fotograficzny Zenit E, który miał światłomierz z ogniwem selenowym.

Selen wykorzystywano też w prostownikach selenowych, które też możemy przypomnieć w ramach niniejszego cyklu.

(…) ciach!

To jest tylko początek, zapowiedź artykułu, którego pełna wersja ukazała się z numerze kwietniowym czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 4/2023). Czasopismo aktualnie nie ma wersji drukowanej na papierze. Wydawane jest w postaci elektronicznej (plików PDF). Pełna wersja czasopisma umieszczona jest na moim profilu Patronite i dostępna jest dla Patronów, którzy wspierają mnie kwotą co najmniej 10 zł miesięcznie. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 4/2023 znajduje się tutaj.

Piotr Górecki