Bez nich by nebyly počítače, chytré telefony ani rádiové vlny. Polovodiče jsou skrytým motorem moderní společnosti. Jsou umístěny v samém srdci mikroprocesoru a řídí všechny tranzistory v zařízení. Když stroje provádějí výpočty nebo přenášejí signály, spoléhají na fungování těchto materiálů.
Většina čipů, které dnes vidíte, je založena na křemíku. To je důvod, proč obchodním zprávám dominují výrazy jako „Silicon Valley“. Tato čtvrť není pojmenována po technologickém startupu. Je pojmenován podle svého energetického zdroje. Křemík je základem elektronického průmyslu. Bez toho by „křemíková ekonomika“ neexistovala.
Základy diod
Abyste pochopili, jak polovodiče fungují, musíte začít něčím jednoduchým. Dioda je nejjednodušší polovodičové zařízení. To je skvělý výchozí bod pro naučení se základů. V tomto návodu se blíže podíváme na to, co přesně polovodiče jsou. Přečtěte si, jak legování mění vlastnosti materiálu. Podíváme se také na to, jak inženýři používají tyto principy k vytvoření diod.
Než se ale blíže podíváme na to, jak diody fungují, musíme se blíže podívat na samotný materiál: křemík.
Hojnost křemíku
Křemík není neobvyklý. Je všude. Pokud jste se někdy procházeli po pláži nebo se dívali na krystal, viděli jste ho. Písek a křemen se skládají převážně z křemíku.
Křemík zaujímá zvláštní místo v periodické tabulce prvků. Je vedle hliníku. Nachází se pod uhlíkem. Nachází se nad germaniem. Tato pozice v elementární hierarchii dává křemíku jeho jedinečné elektrické vlastnosti. Pochopení jeho místa v tabulce pomáhá vysvětlit, proč se stal základním materiálem v elektronice.
Krystalická báze polovodičů
Uhlík, křemík a germanium mají ve své elektronické konfiguraci speciální vlastnosti. Každý z těchto prvků má ve svém vnějším orbitálu 4 elektrony. To není jen malý detail. Schopnost vytvářet stabilní opakující se struktury určuje jejich schopnost vytvářet stabilní, pravidelně se opakující struktury.
Tyto čtyři valenční elektrony tvoří kovalentní vazby se čtyřmi sousedními atomy. Výsledkem je pevná síť. Můžete si to představit jako molekulární síť. Struktura je zachována, protože je splněn každý odkaz.
V případě uhlíku tato mřížka vypadá jako diamant. Solidní. Průhledný. Cenný.
Křemík získává jiný vizuální vzhled. Jeho krystalická forma připomíná kov. Má stříbřitý lesk. Na rozdíl od mědi nebo železa je to však polovodič. V tomto ohledu se germanium chová podobně jako křemík. Je ve stejné skupině periodické tabulky. Má také tyto čtyři vnější elektrony. Díky této společné vlastnosti jsou tyto dva materiály základem moderní elektroniky.
Klíčová je čtyřelektronová konfigurace. Nyní je možná kovalentní vazba a vytvoří se kompletní krystalová struktura.
Tato mřížka není jen krásná. Je praktická. Určuje, jak tyto materiály vedou elektrický proud. Bez této speciální konfigurace čtyř elektronů se může krystalová struktura zhroutit nebo se chovat nepředvídatelným způsobem. Tato stabilita učinila z křemíku standard pro počítačové čipy.
Kovy vedou elektřinu díky volným elektronům. Snadno se pohybují mezi atomy. Křemík je jako kov. Svítí to. Odráží světlo. Ale není jediný.
V krystalu čistého křemíku jsou všechny vnější elektrony vázány do silných kovalentních vazeb. Nemohou se hýbat. Výsledek? Téměř dokonalá izolace. Nulová vodivost.
Už ne.
Doping všechno mění
Nemění strukturu křemíku. Změníte chemii. nečistoty se přidávají.
Tento proces se nazývá legování. Promění izolant v polovodič. Stává se průvodcem, ale ne skvělým. A to stačí.
Existují dva způsoby, jak dopovat křemík. Dodávají se v typu N a typu P.
Doping typu N: volné elektrony
Pro doping typu N se používají prvky s pěti vnějšími elektrony. Fosfor. Arsen.
V křemíkové krystalové mřížce jsou čtyři elektrony.
Když fosfor vstoupí do krystalové mřížky, čtyři elektrony vytvoří vazby. A pátý? Nemá partnera. Zůstává svobodný.
I malý počet takových atomů vytváří dostatek volných elektronů k vedení elektřiny. Elektrony mají záporný náboj. Proto se tento typ nazývá N-typ.
Doping typu P: vytvoření „díry“
Doping typu P mění hru. Používá se bór nebo galium.
Tyto prvky mají pouze tři vnější elektrony.
Když jsou zabudovány do křemíkové struktury, zůstávají nevyplněné prostory – „díry“.
Elektrony ze sousedních atomů se pohybují, aby zaplnily tyto díry. Díra se pohybuje. Chová se jako kladný náboj. Proto se tento typ nazývá P-typ.
Malé přídavky kteréhokoli z těchto prvků přeměňují křemík z izolátoru na použitelný vodič.
Přechod: Kde se děje kouzlo
Chcete rozlišovat mezi křemíkem typu N a typu P? Nudný.
Kombinujte je.
Na hranici připojení se děje něco zajímavého. Toto je srdce diody.
Dioda je nejjednodušší polovodičové zařízení. Umožňuje proudění pouze jedním směrem. To je vše.
Představte si turniket na stadionu. Když jím člověk jednou projde, nemůže se vrátit zpět stejnou cestou. Dioda je elektronický jednosměrný turniket.
Kombinace křemíku typu N a typu P vytváří bariéru. Elektřina snadno proudí jedním směrem. V opačném směru je zcela zablokován.
Toto jedinečné chování není jen teorií. To je základ moderní elektroniky. Bez tohoto přechodu nic nefunguje.
Křemík dopovaný fosforem vytváří N-vrstvu. Křemík dopovaný borem vytváří P-vrstvu. Oba materiály vedou elektrický proud samy o sobě. Pokud je připojíte v konfiguraci zobrazené na schématu, nic se nestane. Obvod zůstane bez napětí.
Důvod spočívá ve způsobu připojení napájecího zdroje. Pokud připojíte baterii tak, aby její záporný pól směřoval k vrstvě N, elektrony budou odváděny pryč z přechodu. Zároveň kladný pól vytahuje otvory v P-vrstvě směrem od středu. Pohybují se opačnými směry, od sebe. Proud mezerou neprochází. Dioda blokuje průtok.
Změňte polaritu
Otočte baterii. Nyní je konfigurace zcela změněna.
Záporný terminál odpuzuje volné elektrony v křemíku typu N a směřuje je směrem ke spoji. Kladný pól odpuzuje díry v křemíku typu P a také je nasměruje do stejného bodu setkání. Srazí se. Elektrony vyplňují díry. Vzájemně se kompenzují.
Toto již není statické blokování. Toto je dynamický tok. Jak elektrony vyplňují díry v přechodu, na vnějších okrajích se generují nové díry a elektrony, které je nahrazují. Proud prochází křižovatkou. Dioda umožňuje průchod elektřiny.
Diody a tranzistory
Toto směrové chování je základním mechanismem řízení výkonu v elektronice. Další část zkoumá, jak tato konkrétní vlastnost umožňuje široké použití diod a tranzistorů v moderních zařízeních.
Jak vlastně fungují diody ve vašich zařízeních
Dioda je v podstatě jednosměrný kanál pro elektrický proud. Blokuje proud v jednom směru a umožňuje mu proudit v opačném směru. Pokud jste někdy vložili baterii do dálkového ovladače špatným směrem a nefungovalo to kvůli špatné polaritě, pak byla pravděpodobně dioda důvodem, proč se zařízení nerozsvítilo. Funguje jako bezpečnostní zařízení. Při nesprávném vložení baterie zabraňují diody vybití baterie a chrání citlivou vnitřní elektroniku před poškozením.
V ideálním případě by dioda zpětného zkreslení měla blokovat veškerý proud. Ve skutečnosti není dokonalý. Skutečná dioda může unikat asi 10 µA. Ve většině aplikací to lze zanedbat, ale tento proud je přítomen. Pokud je na přechod přivedeno dostatečně vysoké zpětné napětí (V), nakonec prorazí a umožní proudění. Toto průrazné napětí je obvykle tak vysoké, že ho standardní obvody nikdy nedosáhnou, takže ho lze při každodenním používání zanedbat.
S předpojatostí to začíná být zajímavější. Dioda vyžaduje k provozu určité napětí. U křemíkových diod je tato prahová hodnota asi 0,7 voltu. Tento skok napětí spustí proces rekombinace děr a elektronů v přechodu. Jedná se o malou překážku, která je však důležitá pro správný chod zařízení.
Tranzistor: spínač přírody
Tranzistory byly dalším logickým krokem ve vývoji polovodičů. Diody používají dvě vrstvy materiálu, zatímco tranzistory používají tři vrstvy. Mohou být vyrobeny ve formě sendvičových struktur NPN nebo PNP. Díky této struktuře může tranzistor fungovat jako spínač i zesilovač.
Vizuálně vypadá tranzistor jako dvě diody spojené zády k sobě. Pokud se nad tím zamyslíte, takový obvod by měl blokovat proud v obou směrech. Technicky ano. Ale tady je ten trik. Když projdete střední vrstvou sendviče malý elektrický proud, stane se něco magického. Velké proudy mohou protékat celou konstrukcí.
Právě toto chování při přepínání pohání moderní výpočetní techniku. Malý proud může zapnout nebo vypnout velký proud. Není to magie, je to jen fyzika dovedená vědou k dokonalosti.
Od křemíku k mikroprocesoru
Křemíkový čip je jednoduše kus křemíku obsahující tisíce nebo dokonce miliony tranzistorů. Použití tranzistoru jako spínače vytváří logické hradlo. Spojením těchto hradel vznikne logický obvod. Pokud jich zkombinujete dostatek, získáte mikroprocesor.
Přechod od čistého křemíku k dopovanému křemíku, poté k tranzistorům a nakonec ke komplexním čipům způsobil, že počítače byly velmi levné a dostupné pro každého. Základní princip je překvapivě jednoduchý. Skutečným zázrakem je, jak jsme je zdokonalili. Nyní můžeme vytvořit desítky milionů tranzistorů na jediném čipu, aniž bychom museli utrácet spoustu peněz.
Často kladené otázky o polovodičích
Je křemík polovodič?
Ano. Většina polovodičových čipů a tranzistorů je vyrobena z křemíku. Je to surovina volby, protože její struktura je stabilní a předvídatelná.
K čemu se používají polovodiče?
Jsou základem elektronických zařízení. Polovodiče se používají v čipech, diodách, tranzistorech a integrovaných obvodech. Cokoli, co je počítačově nebo na rádiových vlnách, závisí na této třídě materiálů.
Jaké prvky se používají v polovodičích?
Můžete začít s čistými prvky, jako je křemík, uhlík a germanium. Nebo do nich můžete přidat nečistoty. Přidáním fosforu nebo arsenu vzniká doping typu N. Přidáním boru nebo galia vzniká doping typu P. Tento postup mění způsob, jakým materiál vede elektrický proud.
Jaká je definice polovodiče?
Elektrická vodivost polovodičů je mezi vodiči (jako jsou kovy) a nevodiči (jako je většina keramiky). Nejsou zcela izolátory a nejsou zcela vodiči. Existují ve střední oblasti kontroly.
Jaké jsou největší polovodičové společnosti?
Dynamika trhu se mění, ale historicky dominují obři. Podle údajů z roku 2020 jsou hlavními konkurenty TSMC s tržbami asi 45,4 miliardy dolarů, Samsung s tržbami asi 52,2 miliardy dolarů a Intel, který je na prvním místě s tržbami 73,9 miliardy dolarů. Situace se změnila, ale poptávka po těchto čipech jen roste.
