|
| Основатель кафедры физики полупроводников |
С.Г. Калашников стал заведующим кафедрой общей физики в 1948 г. Он был блестящим лектором. На его лекции приезжали студенты и аспиранты из разных Институтов Москвы. Его учебник "Электричество" выдержал несколько изданий, был переведен на немецкий и испанский языки. Демонстрационные опыты, поставленные им в кабинете физических демонстраций, до сих пор показывают студентам на лекциях. Его общая эрудиция позволяла тонко чувствовать новое в физике.
Конец 40-х и начала 50-х гг. в физике был периодом бури и натиска. Одним из направлений, возникшим еще во время второй мировой войны в связи с радиолокационными разработками, было исследование полупроводниковых диодов -- сверхвысокочастотных детекторов из германия и кремния. С.Г. Калашников, кроме работы в Университете, руководил лабораторией по исследованиям СВЧ детекторов в радиотехническом институте, который возглавлял академик А.И. Берг. Преподаватели физического факультета Н.А. Пенин и В.Г. Алексеева также участвовали в этих исследованиях.
В 1948 г. В. Шокли, Дж. Бардин и У. Браттэйн в лабораториях фирмы Белл изобрели транзисторы -- вначале лишь точечные полупроводниковых триоды из германия (потом -- Нобелевская премия). Научной основой изобретения были интереснейшие явления в полупроводниках: проводимость, обусловленная носителями тока двух знаков -- электронов и дырок; инжекция носителей через электронно-дырочный (p-n-) переход; диффузия и рекомбинация неравновесных электронов и дырок. Это открытие стало началом нового этапа развития физики твердого тела, создающего основы полупроводниковой электроники. Группе С.Г. Калашникова это было понятно. В промышленной лаборатории были поставлены работы по выращиванию монокристаллов германия. В лаборатории кафедры общей физики начали разрабатываться методы исследования их электрических свойств.
В связи со строительством новых зданий в 1948--53 гг. Московский Университет получил большие возможности для развития естественных наук. Проект строительства физического факультета включал обеспечение лабораторий источниками переменного и постоянного электрического тока с различным напряжением, сеть снабжения газом и сжатым воздухом, специальную вентиляцию, криогенный корпус. Были выделены большие средства на заказы и приобретение научного оборудования и приборов. В 1954--56 гг. на факультет были приглашены академики И.Е. Тамм, Л.Д. Ландау, М.А. Леонтович, Л.А. Арцимович и организованы новые кафедры по перспективным направлениям физики. Одной из них стала кафедра физики полупроводников.
Развитие физики полупроводников было связано с возникновением новых направлений в квантовой теории твердого тела и привлекало внимание теоретиков. С.Г. Калашников, по рекомендации акад. Н.Н. Боголюбова, пригласил работать на кафедру молодого талантливого теоретика -- В.Л. Бонч-Бруевича. Он окончил физический факультет, вернувшись на 4-й курс после армии в конце войны, и начинал свою научную работу по теории полупроводников под руководством проф. Ф.Ф. Волькенштейна -- ученого школы А.Ф. Иоффе. Имея большой интерес к математическим методам в теоретической физике, Виктор Леопольдович участвовал в работе группы Н.Н. Боголюбова. Одновременно он преподавал физику в Институте Связи. Он с большим энтузиазмом отнесся к новой работе и в 1956 г. начал читать курс теории, согласованный с общим курсом физики полупроводников.
| Старший преподаватель Валентина Васильевна Остробородова проработала в спецпрактикуме кафедры почти 50 лет |
Большую часть усилий кафедра тратила на экспериментальное обучение студентов. Был создан специальный практикум по физике полупроводников, задачи в котором были поставлены В.Г. Алексеевой, Н.А. Пениным, Я.Е. Покровским и В.В. Остробородовой -- первой аспиранткой, защитившей на факультете диссертацию по физике полупроводников и оставленной на кафедре для педагогической работы. На многие годы студенческие задачи по электропроводности и эффекту Холла в полупроводниках, по измерению подвижности, времени жизни и диффузионной длины неравновесных носителей, по свойствам p-n-переходов и транзисторов стали классическими. Довольно долгое время практикум был обязательным для всех студентов факультета. Практикум стал примером для кафедр, связанных с физикой полупроводников во многих Университетах и Институтах. Разработанные в нем методические пособия копировались и передавались многим преподавателям, приходившим на кафедру для получения консультаций по новой специальности.
Первые студентами, защищавшими дипломные работы по физике полупроводников, были А.Э. Юнович (1953 г.), О.Г. Кошелев, Е.Ю. Львова, Б.К. Салосин (1956 г.). В 1956 г. кафедра приняла первую группу студентов, специализировавшихся по физике полупроводников, конкурс в которую выдерживали лучшие студенты (В.Д. Егоров, И.В. Карпова, К.И. Свистунова, С.Н. Иванов, К.П. Тиссен). Вскоре студенты группы академика И.К. Кикоина с кафедры общей физики стали специализироваться на кафедре полупроводников. Многие продолжали работу по специальности и внесли свой вклад в развитие науки (В.И. Николаев -- профессор факультета; В.Б. Лазарев -- руководитель лаборатории в Институте им. Курчатова, И.Н. Николаев -- профессор МИФИ, И.Г. Харитоненков -- профессор биологического факультета, А.Г. Миронов, В.А. Морозова -- сотрудники кафедры).
С.Г. Калашников был научным руководителем новой лаборатории в Институте Радиотехники и Электроники АН, который возглавлял акад. В.А. Котельников. Выпускники кафедры -- И.В. Карпова, С.Н. Иванов, К.И. Свистунова, Е.Г. Ландсберг, Э.Э. Годик, П.С. Серебренников, Н.Г. Жданова, А.Н. Ковалев, В.Н. Губанков, Н.Г. Яременко, В.В. Анисимкин, В.К. Старостин -- составили костяк этой лаборатории и ряда близких лабораторий ИРЭ. Вскоре в эту лабораторию перешли из МГУ В.Г. Алексеева и Я.Е. Покровский (впоследствии чл.-корр. АН СССР, лауреат Премии Европейского Физического Общества; после кончины С.Г. Калашникова он возглавил эту лабораторию).
Лаборатория полупроводников Физического Института им. П.Н. Лебедева АН, руководителем который был акад. Б.М. Вул, была одной из баз кафедры, в которой студенты выполняли дипломные работы и оставались там для научных исследований. Выпускники кафедры -- А.А. Гиппиус, Т.Н. Галкина, И.В. Кучеренко стали ведущими сотрудниками этой лаборатории. На семинарах кафедры МГУ и полупроводниковой лаборатории ФИАН взаимно обсуждались новые работы и представлявшиеся к защите диссертации. В ФИАН проводил исследования действия излучений на полупроводники В.С. Вавилов, и в 1956 г. С.Г. Калашников пригласил его преподавать по совместительству на кафедре. В 1960 г. В.С. Вавилов защитил докторскую диссертацию в Ленинграде, в Гос. Оптическом Институте.
Проф. В.Е. Лашкарев, один из учеников акад. А.Ф. Иоффе, ставший научным руководителем и организатором Института Полупроводников АН Украины, был другом С.Г. Калашникова. Кафедра поддерживала тесные связи с Институтом. В.Е. Лашкарев и профессор Института В.И. Ляшенко оппонировали первые кандидатские диссертации на кафедре. Руководители лабораторий ИПАН -- О.В. Снитко, В.Г. Литовченко, М.К. Шейнкман, Н.Б. Лукьянчикова -- приезжали в МГУ апробировать свои работы. Выпускники кафедры И.И. Бойко, Г.В. Лашкарев, Ф.В. Моцный стали ведущими сотрудниками ИПАН УССР.
Признанным мировым центром физики полупроводников был Ленинградский Физико-Технический Институт АН, организованный А.Ф. Иоффе в 30-е годы и носящий теперь его имя. В 1955 г. А.Ф. Иоффе созвал в Ленинграде первую послевоенную Всесоюзную Конференцию по физике полупроводников. Сотрудники кафедры участвовали в ней с докладами. Они посетили и ФТИ, и вновь организованный Институт Полупроводников. Тогда были завязаны связи кафедры с этими Институтами, продолжающиеся и по сей день. Многие диссертации из них (например, А.А. Рогачева, Б.В. Царенкова -- впоследствии лауреатов Ленинской премии) апробировались на семинарах кафедры. Некоторые крупные исследования впоследствии выполнялись кафедрой совместно с ФТИ. В Институте Кристаллографии АН была организована группа Н.М. Шефталя, ядром которой стали выпускники кафедры Е.И. Гиваргизов (потом руководитель лаборатории), А.Н. Степанова, С.И. Гринберг.
В Институте акад. А.И. Берга (НИИ-108) продолжались исследования высокочастотных диодов -- детекторов СВЧ -- в контакте с группой С.Г. Калашникова и Н.А. Пенина. Эти работы были удостоены Сталинской Премии. Для разработок оказалось необходимым уменьшать последовательное сопротивление диодов и, следовательно, сильно легировать германий. Вольт-амперные характеристики некоторых диодов при этом оказывались нестабильными; диоды откладывались как бракованные. В 1959 г. Лео Есаки в Японии сделал открытие: в сильно легированных германиевых p-n-переходах ток определяется туннельным эффектом, что обусловливает отрицательный наклон вольт-амперной характеристики и возможность применения диодов в быстродействующих схемах (Нобелевская Премия). Отложенные ранее диоды после этой публикации были изучены и оказались туннельными. В спецпрактикуме кафедры уже в 1962 г. была поставлена студенческая задача о туннельных диодах.
Разработки полупроводниковых диодов различного назначения проводились также в НИИ-311 ("Сапфир"). Кафедра направляла студентов на практику в этот Институт, где они могли оставаться на работе как инженеры-исследователи. В.К. Аладинский (впоследствии лауреат Ленинской премии), Г.В. Смирнов, В.А. Титова, А.П. Храмцов, О.Н. Ермаков стали ведущими сотрудниками этого Института. Государственной Премии 1972 г. за разработки диодов вместе с сотрудниками Института был удостоен и С.Г. Калашников.
Группа М.И. Иглицына, с которой кафедра тесно сотрудничала, перешла в Институт Редких Металлов (ГИРЕДМЕТ) -- основной разработчик проблем полупроводниковой металлургии. Студенты проходили практику в ГИРЕДМЕТ. Э.А. Омельяновский (впоследствии руководитель лаборатории), Н.С. Рытова, Е.В. Соловьева (впоследствии лауреат Государственной премии), Р.Н. Глориозова стали ведущими сотрудниками Института.
В начале 60-х гг. центр электронной промышленности был создан в г. Зеленограде, под Москвой. Его развитие потребовало привлечения молодых кадров. Выпускники кафедры Э.А. Полторацкий, Л.А. Ангелова, П.В. Маргольеш и другие стали ведущими научными сотрудниками Институтов этого центра.
Для разработок полупроводниковых инфракрасных фотоприемников в НИИ Прикладной Физики (научный руководитель -- проф. Л.Н. Курбатов) также требовались выпускники кафедры. А.И. Другова, Т.Н. Лалаева, Н.В. Кравченко, Т.С. Днепровская были ведущими сотрудниками НИИ ПФ.
В НИИ "Полюс" в разработках полупроводниковых лазеров активно участвовали выпускники кафедры И.В. Крюкова, В. Карнаухов, . .Астафьев.
Тон дискуссии, всегда доброжелательный, задавал Сергей Григорьевич, добиваясь от докладчика ясного изложения. Его фраза в ходе дискуссии: "Я продолжаю не понимать", -- была сильнее самой едкой критики. Иногда в ходе дискуссии возникали проблемы, которые вырастали в важные направления исследований. Так было с работой И.А. Куровой по неустойчивости тока в Ge:Au при низких температурах. Так было с работой В.Л. Бонч-Бруевича по экранировке потенциала примесей в сильно легированных полупроводниках. Так было с докладом О.Г. Кошелева об электронном парамагнитном резонансе. Особую роль на семинарах играл В.Л. Бонч-Бруевич, принципиально и жестко требовавший строгости в изложении теоретических вопросов. Работа, одобренная семинаром, публиковалась редакцией любого научного журнала. Семинар играл роль научного центра по физике полупроводников в Москве. На нем делали доклады сотрудники академических и промышленных институтов. На семинаре обсуждались проблемы рекомбинации электронов и дырок на примесях, проблемы сильного легирования, эффекта поля и поверхностной рекомбинации, поведения носителей тока в сильных электрических полях, -- важнейшие проблемы, связанные с принципиальными вопросами физики твердого тела. Решение этих проблем давало обоснование разработкам электронных приборов. К концу 60-х гг. развитие физики полупроводников в академических институтах и высших учебных заведениях привело к работе новых семинаров, обсуждавших аналогичные проблемы. Но многие из их участников прошли школу семинара кафедры в МГУ.
Кандидатская диссертация по этой теме, защищенная В.В. Остробородовой в 1954 г., была посвящена т. н. "термоакцепторам"; было показано, что возникающие при прогревах акцепторы обусловлены примесью меди, резко уменьшающей время жизни носителей тока. Первые работы по электрическим свойствам Ge при низких температурах были выполнены И.А. Куровой под совместным руководством С.Г. Калашникова и А.И. Шальникова (зав. кафедрой низких температур). В них были определены энергии активации некоторых мелких водородоподобных примесей и обнаружено влияние теплового фона на электропроводность, важное для работы ИК-фотоприемников.
В первых работах П.Г. Елисеева (совместно с В.Г. Алексеевой) было исследовано влияние дислокаций на свойства Ge; доклад Елисеева, тогда еще студента, обсуждался на семинаре кафедры. Работа Н.Г. Ждановой была посвящена примеси кислорода в Ge; характерно, что С.Г. Калашников просил ее применить не только электрические измерения, но и такой простой метод, как точное гидростатическое измерение удельного веса. Работа одного из первых аспирантов К.П. Тиссена (сына известного немецкого ученого П. Тиссена, вывезенного из Германии после войны и работавшего в Сухуми "за золотой решеткой" по ядерным проблемам) -- была посвящена примеси Al в Ge. Студентка Е.Ю. Львова исследовала примесь Cd -- двухзарядного акцептора в Ge; было обнаружено, что энергия активации изменяется в зависимости от степени компенсации. Н.Д. Тяпкина исследовала примесь двухзарядного акцептора -- Be. Исследования проводились в широком интервале температур, начиная от гелиевых, в криостатах оригинальных конструкций, разработанных В.Б. Диком. В.В. Остробородова, изучая гальваномагнитные эффекты, впервые определила факторы вырождения четырех уровней примеси Au в Ge, что было принципиально для статистики глубоких уровней. В.А. Морозовой были исследованы спектры шумов в Ge с примесями, важные для научного обоснования разработок ИК-фотоприемников; эти проблемы В.А. Морозова излагала в отдельных лекциях спецкурса по полупроводниковым приборам.
Широкая постановка работ, их технологическое обеспечение, подробные экспериментальные измерения и глубокий теоретический анализ результатов создали кафедре высокий научный авторитет. Активная роль студентов и аспирантов в научных исследованиях, их творческое взаимодействие с профессором и преподавателями были незабываемой школой. Постановка и результаты работ были необходимы для развития полупроводниковой электроники, которая в тот период была основана на германиевых транзисторах.
Темп работ был напряженным. Были испробованы несколько вариантов устройств для высокочастотных плавок, обеспечивавших многократное прохождение расплавленной зоны через слиток. Были перепробованы разные образцы кварцевых трубок, со стенок которых кристаллы могли загрязняться примесью кислорода. После проведения исследований электрических свойств нелегированного материала были выращены кристаллы с различными примесями, которые послужили основой для большого цикла исследований. Его с начала 60-х годов Я.Е. Покровский вместе с К.И. Свистуновой продолжал в Институте Радиотехники и Электроники АН.
Продолжение этих работ было связано с изучением кинетики эффекта поля в германии, зависимостью эффекта от частоты модуляции поля и связью с кинетикой поверхностной рекомбинации. Результаты были проанализированы теоретически; было показано, что время жизни неосновных носителей у поверхности определяет кинетику обоих эффектов, впервые было введено понятие поверхностной емкости и емкости поверхностных состояний. Это оказалось интересным не только в научном плане, но и для вскоре появившихся разработок полевых транзисторов. Работы по свойствам поверхности германия и кремния проводились широким фронтом и в группе А.В. Ржанова в ФИАН, и в группе В.И. Ляшенко, О.В. Снитко, В.Г. Литовченко в Киевском ИПАН, и в группе Р.Х. Бурштейн в Институте Электрохимии. Дружественные связи кафедры с этими группами продолжались многие годы. Они были и с созданным Институтом Полупроводников Сибирского Отделения, который возглавил А.В. Ржанов.
В 50--60-х гг. полупроводниковая электроника начала осваивать кремний, который постепенно вытеснял германий как материал для диодов и транзисторов. Поверхностные свойства кремния оказались чрезвычайно важными для этих разработок. На кафедре были поставлены работы по кинетике эффекта поля и поверхностной рекомбинации в кремнии. Их проводили студенты В.И. Тихонов (потом руководитель лаборатории холловских датчиков в НИИ Электромеханики), Л. Лейстнер (потом -- руководитель лаборатории в Будапеште) и аспирант из Египта Г.Х. Талат (потом профессор Института Национальных Исследований в Каире). Результаты этих работ были использованы в монографиях по поверхностным свойствам полупроводников, опубликованных разными авторами и в СССР, и за рубежом.
| Основатель теоретической группы на кафедре |
Обсуждая научные проблемы, связанные с туннельными диодами, он начал изучение электронного спектра сильно легированных полупроводников. Тогда он сделал работу об экранировке потенциала примесей электронным газом, об изменении спектра и образовании "хвоста плотности состояний". Эти работы стали началом цикла исследований сильно легированных полупроводников, в котором важную роль играли разработанные В.Л. Бонч-Бруевичем математические методы. В 1959 г. он защитил докторскую диссертацию, эта первая докторская защита была праздником кафедры.
Работы были на самых "горячих" тогда направлениях и привлекли талантливых молодых теоретиков. В.Л. Бонч-Бруевич организовал теоретический семинар. В нем принимали участие физики, ставшие потом сами главами крупных лабораторий и теоретических групп: Ю.В. Гуляев -- лауреат Ленинской и Государственной премий, академик и директор ИРЭ, Р.А. Сурис -- руководитель теоретического отдела в Зеленограде, потом профессор Политехнического Института и ФТИ в Ленинграде, Э.Ю. Нагаев -- руководитель теоретической лаборатории ЦНИИ ЧЕРМЕТ, В.Б. Сандомирский, Ш.М. Коган и П.В. Зильберман -- ведущие сотрудники теоретической группы ИРЭ. На семинаре должны были присутствовать студенты-теоретики, которым поручались доклады, либо по темам дипломных работ, либо по научной литературе. Будущие сотрудники кафедры -- А.Г. Миронов и И.П. Звягин (потом -- профессор факультета) -- начинали научную работу на этом семинаре.
Громадную работу в этот и последующий периоды сделал В.Л. Бонч-Бруевич, бывший инициатором перевода и редактором целой серии книг по физике твердого тела и физике полупроводников. Его поддерживал в этом хорошо знавший его А.А. Гусев, один из редакторов издательства "Иностранная Литература" (потом -- "Мир"). Книги Дж. Займана, Дж. Слэтера, М. Коуэна, Р. Маттука по теории твердого тела сопровождались в переводе оригинальными предисловиями, примечаниями, дополнительными списками литературы. В сборнике "Проблемы физики полупроводников" были собраны обзоры и оригинальные статьи по самым важным проблемам. Монография У.Данлепа в переводе служила элементарным введением в физику полупроводников. Они служили учебными пособиями для студентов, ими пользовались практически все советские физики, работавшие в этой области.
Одновременно В.Л. Бонч-Бруевич стал редактировать раздел "Физика Полупроводников" во вновь созданном Реферативном Журнале "Физика"; потом он передавал редакторство своим младшим коллегам. Он привлекал сотрудников и аспирантов кафедры к переводам книг и сборников статей. Начинающие физики под редакторством Виктора Леопольдовича проходили суровую, но чрезвычайно полезную школу подготовки научной литературы.
И.А. Курова, исследуя электрические свойства Ge:Au при низких температурах, обнаружила новое явление: при повышении электрического поля в некотором интервале температур в цепи с образцом возникали низкочастотные колебания. Вольт-амперная характеристика имела N-образный характер и на участке отрицательного сопротивления ток через образец становился неустойчивым. После долгих дискуссий на семинаре С.Г. Калашникова объяснить эти неустойчивости и наблюдавшиеся движущиеся области сильного поля -- электрические домены -- удалось В.Л. Бонч-Бруевичу, построившего теорию зависимости сечения захвата электрона на отталкивающем центре от поля.
Эти работы отражали общий физический интерес к неравновесным системам. Они опережали аналогичные работы Ридли в Англии и шли практически одновременно с работами по сильным полям в арсениде галлия, которые привели к открытию эффекта Ганна и использованию неустойчивостей в высокочастотных генераторах. Экспериментальные исследования Ge:Au продолжались в кандидатских диссертациях М.Враны (впоследствии сотрудником Чехословацкого Института Физики, активно сотрудничавшим с Объединенным Институтом Ядерных Исследований в Дубне) и С.И. Желудевой (потом доктора наук). Позже за эти работы В.Л. Бонч-Бруевичу и И.А. Куровой была присуждена Ломоносовская Премия МГУ. Они стали началом цикла работ, который был обобщен В.Л. Бонч-Бруевичем в соавторстве с А.Г. Мироновым и И.П. Звягиным в книге "Доменная электрическая неустойчивость в полупроводниках".
Работы по сильным полям и неустойчивостям в различных полупроводниках разворачивались во многих физических и прикладных лабораториях. Продолжение работ в группе И.А. Куровой проводилось аспиранткой (потом -- сотрудницей) Н.Н. Ормонт на примере акустоэлектрических неустойчивостей в арсениде галлия. В период конца 50-х и 60-х гг. работы были тесно связаны с работами школы С.Г. Калашникова в ИРЭ. В группе А.Э. Юновича рекомбинационная неустойчивость в арсениде галлия исследовалась в диссертации А.П. Кульсрешта (впоследствии Советника по Науке Индийского Посольства в Москве и одного из руководителей Департамента Науки и Технологии Правительства Индии).
Дипломникам А.А. Гиппиусу (впоследствии руководителю лаборатории в ФИАН) и М.М. Горшкову (впоследствии заведующему кафедрой физики во 2-м Мед. Институте) было предложено исследование излучательной рекомбинации в Ge p-n-переходах. Расчеты В. Шокли и Ван-Росбрука о малом квантовом выходе излучения в Ge были подтверждены, но факт наблюдения инфракрасного излучения в непрямозонном полупроводнике был очень важен. Это была первая советская работа по излучательной рекомбинации в новых полупроводниках.
В группе были проведены измерения квантового выхода германиевых фотоэлементов. Сравнительно простые, но количественные измерения показали, что увеличение энергии кванта света приблизительно в три раза больше ширины запрещенной зоны приводит к ударной ионизации и пороговому увеличению числа электронно-дырочных пар на один фотон от единицы до двух. Эти эксперименты положили начало большому циклу работ в лабораториях разных стран по порогу ионизации в различных полупроводниках. В развитие этих работ М.В. Чукичев определил порог ионизации пар в Ge для гамма-квантов Co60; вскоре по предложению В.С. Вавилова он перешел на педагогическую работу на кафедру.