Pusvadītāju fizika pēta pusvadītāju materiālu struktūru, defektus, elektroniskās un optiskās īpašības, kā arī šo materiālu pielietojamību elektroniskās un optoelektroniskās ierīcēs.
Saistītie šķirkļi
Nozares un apakšnozares
cietvielu fizika
- pusvadītāju fizika
Satura rādītājs
Praktiskā un teorētiskā nozīme
Pusvadītāju fizikas praktiskā nozīme saistīta ar mūsdienu elektronikas elementu un ierīču izveidi un izmantošanu. Galvenie pusvadītāju ierīču pielietojumi ir saistīti ar elektronisko signālu pastiprināšanu (tranzistori) un enerģijas pārveidi (saules baterijas). Pusvadītāju fizikas teorētiskā nozīme saistīta ar pusvadītāju materiālu īpašību izpēti un jaunu pusvadītāju ierīču īpašību modelēšanu.
Vieta zinātnes klasifikācijā. Galvenie sastāvelementi
Pusvadītāju fizika ir cietvielu fizikas apakšnozare. Tās galvenie sastāvelementi ir fundamentālā pusvadītāju fizika (ķīmiskā saite, kristāliskā struktūra, defekti, kristāliskā režģa svārstības, zonu struktūra, lādiņnesēju pārvietošanās, lādiņnesēju rekombinācija, heterostruktūras) un pusvadītāju ierīces (diode, tranzistors, saules baterija, gaismu starojošā diode, lāzers).
Galvenās teorijas
Pusvadītāji ir vielas, kuru elektriskā vadāmība istabas temperatūrā ir starp metālu elektrisko vadāmību (~107 (Ωm)‑1) un dielektriķu elektrisko vadāmību (~10-9 (Ωm)‑1). Pusvadītāju īpašības raksturo cietvielu zonu teorija, izmantojot valences zonas, vadāmības zonas un aizliegtās zonas jēdzienus. Valences zona attēlo materiālu veidojošo atomu elektronu līmeņus, kas aizpildīti ar elektroniem, bet vadāmības zona – daļēji aizpildītus vai tukšus līmeņus. Starp šīm zonām atrodas aizliegtā zona, kuras platums jeb enerģija ir viens no pusvadītājus raksturojošiem parametriem. Materiālus, kuru vadāmības zona ir daļēji aizpildīta, sauc par metāliem, savukārt materiālus, kuriem aizliegtā zona pārsniedz 3 eV – par dielektriķiem. Pusvadītājiem aizliegtā zona ir robežās no 0 eV līdz 3 eV. Piemēram, silīcijam (Si) istabas temperatūrā aizliegtā zona ir ~1.1 eV, bet germānijam (Ge) ~ 0,67 eV.
Pētniecības metodes
Galvenās pētniecības metodes, ko izmanto pusvadītāju raksturošanai, ir elektriskās vadāmības (electric conductivity), fotovadāmības (photoconductivity) un Holla efekta (Hall effect) mērījumi; dziļu līmeņu pāreju spektroskopija (deep level transient spectroscopy); zemas enerģijas elektronu difrakcija (low energy electron diffraction); elektronu mikroskopijas metodes: skenējošo elektronu mikroskopija (scanning electron microscopy) un caurstarojošo elektronu mikroskopija (transmission electron microscopy); stacionārās un laikā izšķirtās fotoluminiscences (stationary and time-resolved photoluminescence) metodes un Ramana spektroskopija (Raman spectroscopy).
Īsa vēsture
Par pusvadītāju fizikas sākumu uzskata 1839. gadu, kad franču fiziķis Aleksandrs Bekerels (Alexandre Edmond Becquerel) atklāja fotoelektrisko efektu. 1873. gadā angļu elektroinženieris Vilougbijs Smits (Willoughby Smith), eksperimentējot ar selēna (Se) rezistoru, novēroja, ka gaismas iedarbībā tā pretestība ievērojami samazinājās, kas nav raksturīgs tradicionālajiem vadītājiem. 1883. gadā amerikāņu izgudrotājs Čārlzs Fritss (Charles Fritts) radīja pirmo saules šūnu (saules bateriju), kas sastāvēja no metāla plāksnes un selēna kārtiņas, kas pārklāta ar plānu zelta (Au) kārtiņu. Šai šūnai gaismas-elektrības efektivitāte bija mazāka par 1 %. 1878. gadā amerikāņu fiziķis Edvīns Holls (Edwin Herbert Hall) atklāja, ka lādiņnesēji, pārvietojoties cietvielu materiālā, magnētiskā lauka iedarbībā noliecas (Hola efekts). 1938. gadā vācu fiziķis Valters Šotkijs (Walter Hermann Schottky) un angļu fiziķis Nevils Mots (Sir Nevill Francis Mott) izstrādāja modeļus potenciāla barjerai un strāvas plūsmai caur metāla-pusvadītāju robežu. 1945. gadā amerikāņu fiziķis un izgudrotājs Viljams Šoklijs (William Bradford Shockley) piedāvāja pusvadītāju pastiprinātāja koncepciju, kuras pamatā ir lauka-efekta princips. 1947. gadā amerikāņu fiziķi Džons Bardīns (John Bardeen) un Volters Bratains (Walter Houser Brattain) uz germānija bāzes izveidoja tranzistoru un pierādīja, ka šī ierīce var strādāt kā pastiprinātājs. V. Šoklijs, Dž. Bardīns un V. Bratains par atklājumiem 1956. gadā saņēma Nobela prēmiju. 1958. gadā amerikāņu elektroinženieris Džeks Kelbijs (Jack St. Clair Kilby) radīja pirmo integrālo shēmu, kurā vairāki pusvadītāju elementi izvietoti uz silīcija plāksnes. 1970. gadā Vilards Boils (Willard Sterling Boyle) un Džordžs Smits (George Elwood Smith) radīja lādiņsaites ierīces (charge coupled device, CCD) koncepciju, par ko abi zinātnieki 2009. gadā saņēma Nobela prēmiju. 1995. gadā japāņu zinātnieki Isamu Akasaki (赤崎 勇), Hiroši Amano (天野 浩) un Šudži Nakamura (中村 修二) radīja efektīvu zilās gaismas pusvadītāja diodi, kuras izmantošana kombinācijā ar zaļās un sarkanās gaismas diodēm pavēra iespējas radīt efektīvus baltās gaismas avotus, ko mūsdienās plaši izmanto enerģiju taupošos gaismekļos.
Pašreizējais attīstības stāvoklis
Mūsdienās aktīvi tiek pētīti pusvadītāju materiāli, ko veido kvantu akas, heterostruktūras, kā arī nanostruktūras: nanocaurulītes, nanovadi un kvantu punkti. Papildus tradicionālajiem neorganiskajiem materiāliem (Si, Ge, gallijam (Ga), arsēnam (As)), tiek pastiprināti pētīti nitrīdi, grafēns, kā arī organiskie pusvadītāji.
Galvenās pētniecības iestādes
Pusvadītāju izpētes jomā strādā daudzas zinātniskās iestādes un uzņēmumi. Par svarīgākajām var uzskatīt Masačūsetsas Tehnoloģiju institūtu (Massachusetts Institute of Technology) Amerikas Savienotajās Valstīs; Karalisko Tehnoloģiju institūtu (Kungliga Tekniska högskolan, KTH) Stokholmā, Zviedrijā; Tokijas Universitāti (東京大学) Japānā; tehnoloģiju kompānijas IBM Research laboratoriju Cīrihē (IBM Research Zurich).
Nozīmīgākie periodiskie izdevumi
Pusvadītāju fizikas fundamentālo un pielietojuma pētījumu rezultāti tiek publicēti: Nature Materials (kopš 2002. gada; izdod Nature Publishing Group), Semiconductor Science and Technology (kopš 1986. gada; izdod IOP Publishing), Applied Physics Letters (kopš 1962. gada; izdod American Institute of Physics).
Ievērojamākie pētnieki
Izcilākie nozares pētnieki: amerikāņu inženieris Rasels Ols (Russel Shoemaker Ohl) 1941. gadā patentējis pusvadītāja taisngriezi, kas veidots uz silīcija bāzes; krievu fiziķis Žoress Alfjorovs (Жорес Иванович Алфёров) un vācu fiziķis Herberts Krēmers (Herbert Krömer) 1963. gadā izveidoja pusvadītāju heterostruktūru, ko izmanto liela ātruma elektronikā un optoelektronikā. Par šo atklājumumu abiem zinātniekiem piešķirta Nobela prēmija (2000). Džordžs Smits (George Elwood Smith) un V. Boils (Willard Boyle) 1969. gadā izgudroja pusvadītāja ierīci – lādiņsaites sensoru, ko mūsdienās plaši izmanto digitālajos fotoaparātos un mobilajos telefonos (Nobela prēmija, 2009). 1980. gadā Klauss fon Klicings (Klaus von Klitzing) eksperimentāli pierādīja Hola pretestības kvantēto dabu (Nobela prēmija, 1985). Japāņu zinātnieki I. Akasaki, H. Amano un Š. Nakamura 2014. gadā saņēma Nobela prēmiju par efektīvas zilās gaismas diodes izgudrošanu.