Без них не було б ні комп’ютерів, ні смартфонів, ні радіохвиль. Напівпровідники – це прихований двигун сучасного суспільства. Вони знаходяться в самому серці мікропроцесора та керують усіма транзисторами пристрою. Коли машини виконують обчислення або передають сигнали, вони покладаються ці матеріали для своєї роботи.
Більшість чіпів, які ви бачите сьогодні, створені на основі кремнію. Саме тому такі терміни, як «Силіконова долина», домінують у бізнес-новинах. Цей район названо не на честь технологічного стартапу. Його названо на честь свого джерела енергії. Кремній це основа електронної промисловості. Без нього не було б «кремнієвої економіки».
Основи роботи діодів
Щоб зрозуміти, як працюють напівпровідники, потрібно почати з чогось простого. Діод – це найпростіший напівпровідниковий пристрій. Це відмінна відправна точка вивчення основ. У цьому посібнику ми докладніше розглянемо, що саме є напівпровідники. Дізнайтеся, як легування змінює властивості матеріалу. Ми також розглянемо, як інженери використовують ці принципи для створення діодів.
Але перш ніж ми докладніше розберемося в тому, як діоди працюють, нам потрібно ближче познайомитися з самим матеріалом — кремнієм.
Достаток кремнію
Кремній – не рідкість. Він усюди. Якщо ви коли-небудь ходили пляжем або дивилися на кристал, ви його бачили. Пісок та кварц в основному складаються з кремнію.
Кремній займає особливе місце у періодичній таблиці елементів. Він знаходиться поряд з алюмінієм. Він розташований нижче від вуглецю. Він знаходиться вище за германію. Це положення в ієрархії елементів надає кремнію унікальних електричних властивостей. Розуміння його місця у таблиці допомагає пояснити, чому він став основним матеріалом в електроніці.
Кристалічна основа напівпровідників
Вуглець, кремній і германій мають особливі властивості у своїй електронній конфігурації. У кожного із цих елементів 4 електрона на зовнішній орбіталі. Це не просто невелика деталь. Здатність утворювати стабільні структури, що повторюються, визначає їх можливість формувати стійкі, регулярно повторювані структури.
Ці чотири валентні електрони утворюють ковалентні зв’язки з чотирма сусідніми атомами. В результаті виникає тверда сітка. Можна уявити її як молекулярну мережу. Структура зберігається, оскільки кожен зв’язок задоволений.
У разі вуглецю ці грати виглядають як алмаз. Жорсткий. Прозорий. Цінний.
Кремній набуває іншого візуального вигляду. Його кристалічна форма нагадує метал. Він має сріблястий блиск. Проте, на відміну міді чи заліза, він напівпровідником. У цьому плані германій веде себе аналогічно кремнію. Він знаходиться у тій же групі періодичної таблиці. У нього також є ті самі чотири зовнішні електрони. Завдяки цій загальній особливості ці два матеріали є основою сучасної електроніки.
Чотириелектронна конфігурація є ключовою. Тепер стає можливим ковалентне зв’язування і формується повна кристалічна структура.
Ці грати не просто красиві. Вона практична. Вона визначає, як ці матеріали проводять електричний струм. Без цієї особливої конфігурації з чотирьох електронів кристалічна структура може зруйнуватися або поводитися непередбачуваним чином. Ця стабільність зробила кремній стандартом для комп’ютерних чипів.
Метали проводять електрику завдяки вільним електронам. Вони легко рухаються між атомами. Кремній нагадує метал. Він блищить. Відбиває світло. Але він не єдиний.
У чистому кристалі кремнію всі зовнішні електрони пов’язані у міцні ковалентні зв’язки. Вони можуть рухатися. Результат? Майже ідеальна ізоляція. Нульова провідність.
Більше нема.
Легування змінює все
Воно не змінює структуру кремнію. Ви міняєте хімію. Додаються домішки.
Цей процес називається “легуванням”. Він перетворює ізолятор на напівпровідник. Він стає провідником, але не відмінним. І цього достатньо.
Існує два способи легування кремнію. Вони бувають N-типу та P-типу.
N-тип легування: вільні електрони
Для N-тип легування використовуються елементи із п’ятьма зовнішніми електронами. фосфор. Миш’як.
У кристалічній решітці кремнію чотири електрони.
Коли фосфор потрапляє в кристалічну решітку, чотири електрони утворюють зв’язки. А п’ята? Він не має пари. Він залишається вільним.
Навіть невелика кількість таких атомів створює достатньо вільних електронів щодо електрики. Електрони мають негативний заряд. Тому цей тип називається N-типом.
P-тип легування: створення «дірки»
P-тип легування змінює правила гри. Використовуються бор чи галій.
Ці елементи мають лише три зовнішні електрони.
Коли вони вбудовуються в структуру кремнію, залишаються незаповнені місця – дірки.
Електрони від сусідніх атомів рухаються, щоб заповнити ці дірки. Дірка рухається. Вона поводиться як позитивний заряд. Тому цей тип називається P-типом.
Невеликі добавки будь-якого з цих елементів перетворюють кремній з ізолятора на придатний для використання провідник.
Перехід: де відбувається магія
Бажаєте розрізняти N-тип і P-тип кремнію? Нудно.
Об’єднайте їх.
На межі з’єднання відбувається щось цікаве. Це серце діода.
Діод – це найпростіший напівпровідниковий пристрій. Воно дозволяє струму протікати лише в одному напрямку. Ось і все.
Уявіть турнікет на стадіоні. Одного разу пройшовши через нього, людина не може повернутися назад тим же шляхом. Діод – це електронний односторонній турнікет.
З’єднання N-типу та P-типу кремнію створює бар’єр. Електрика легко протікає щодо одного напрямі. В іншому напрямку воно повністю блокується.
Ця унікальна поведінка – не просто теорія. Це є основою сучасної електроніки. Без цього переходу нічого не працює.
Кремній, легований фосфором, створює N-шар. Кремній, легований бором, створює P-шар. Обидва матеріали проводять електричний струм самостійно. Якщо з’єднати їх у конфігурації, показаній на схемі, нічого не станеться. Ланцюг залишиться знеструмленим.
Причина у способі підключення джерела живлення. Якщо підключити батарею так, щоб її негативний полюс був звернений до N-шару, електрони будуть відтягнуті від переходу. Одночасно позитивний полюс відтягує дірки P-шарі від центру. Вони рухаються у протилежних напрямках, один від одного. Струм не перетинає зазор. Діод блокує потік.
Зміна полярності
Переверніть батарею. Тепер конфігурація повністю змінюється.
Негативний полюс відштовхує вільні електрони у кремнії N-типу, спрямовуючи їх до переходу. Позитивний полюс відштовхує дірки в кремнії P-типу, також спрямовуючи їх до цієї точки зустрічі. Вони стикаються. Електрони заповнюють дірки. Вони взаємно компенсують один одного.
Це не статичне блокування. Це динамічний потік. У міру того, як електрони заповнюють дірки в переході, на зовнішніх краях генеруються нові дірки та електрони, щоб замінити їх. Струм проходить через перехід. Діод пропускає електрику.
Діоди та транзистори
Ця спрямована поведінка є фундаментальним механізмом, що лежить в основі керування потужністю в електроніці. У наступному розділі розглядається, як ця конкретна властивість забезпечує широке застосування діодів та транзисторів у сучасних пристроях.
Як насправді працюють діоди у ваших пристроях
Діод – це, власне, односторонній канал для електричного струму. Він блокує струм в одному напрямку та пропускає його в протилежному. Якщо ви коли-небудь вставляли батарейку в пульт дистанційного керування не тією стороною і він не працював через неправильну полярність, то діод, ймовірно, став причиною того, що пристрій не спалахнув. Він діє як захисний пристрій. Коли батарея вставлена неправильно, діоди запобігають розряду батареї та захищають чутливу внутрішню електроніку від пошкоджень.
В ідеалі діод у зворотному усуненні повинен блокувати весь струм. Насправді він не ідеальний. Реальний діод може пропускати витік близько 10 мкА. У більшості додатків це можна знехтувати, але цей струм присутній. Якщо до переходу докласти досить високу зворотну напругу (V), вона зрештою проб’ється і дозволить струму протікати. Ця напруга пробою зазвичай настільки велика, що стандартні схеми ніколи її не досягають, тому в повсякденному використанні їм можна знехтувати.
Цікавіше стає при прямому зміщенні. Діоду потрібна певна напруга для роботи. Для кремнієвих діодів цей поріг становить близько 0,7 вольт. Цей стрибок напруги запускає процес рекомбінації дірок та електронів у переході. Це невелика перешкода, але вона важлива для правильної роботи пристрою.
Транзистор: перемикач природи
Транзистори були наступним логічним кроком у розвитку напівпровідників. Діоди використовують два шари матеріалу, тоді як транзистори використовують три шари. Вони можуть бути виконані у вигляді NPN або PNP-структур «сендвіча». Завдяки такій структурі транзистор може діяти як перемикач та як підсилювач.
Візуально транзистор схожий на два діоди, включені зустрічно. Якщо подумати, така схема має блокувати струм в обох напрямках. Технічно так. Але ось у чому хитрість. Коли ви пропускаєте невеликий електричний струм через середній шар сендвіча, відбувається щось чарівне. По структурі можуть протікати великі струми.
Саме ця поведінка перемикання живить сучасні обчислення. Невеликий струм може включати або вимикати великий струм. Це не магія, це просто фізика, доведена до досконалості наукою.
Від кремнію до мікропроцесора
Кремнієвий чіп – це просто шматочок кремнію, що містить тисячі або навіть мільйони транзисторів. Використання транзистора як перемикач створює логічний вентиль. Поєднання цих вентилів створює логічну схему. Якщо з’єднати їх досить багато, ви отримаєте процесор.
Перехід від чистого кремнію до легованого кремнію, потім транзисторів і, нарешті, до складних чіпів зробив комп’ютери дуже дешевими і доступними всім. Основний принцип напрочуд простий. Справжнє диво полягає у тому, як ми їх удосконалили. Тепер ми можемо формувати десятки мільйонів транзисторів на одному чіпі, не витрачаючи багато грошей.
Часті питання про напівпровідники
Чи є кремній напівпровідником?
Так. Більшість напівпровідникових чіпів та транзисторів виготовляються із кремнію. Ця сировина вибору, тому що її структура стабільна та передбачувана.
Для чого використовуються напівпровідники?
Вони є основою електронних пристроїв. Напівпровідники використовуються у чіпах, діодах, транзисторах та інтегральних схемах. Все, що є комп’ютеризованим або заснованим на радіохвилях, залежить від цього класу матеріалів.
Які елементи використовуються у напівпровідниках?
Можна розпочати з чистих елементів, таких як кремній, вуглець та германій. Або можна додати до них домішки. Додавання фосфору чи миш’яку створює легування N-типу. Додавання бору або галію створює легування P-типу. Ця процедура змінює спосіб провідності матеріалу електричним струмом.
Яке визначення напівпровідника?
Електрична провідність напівпровідників є проміжною між провідниками (такими як метали) та непровідниками (такими як більшість кераміки). Вони є повністю ізоляторами і є повністю провідниками. Вони існують у проміжній галузі управління.
Які найбільші компанії-виробники напівпровідників?
Динаміка ринку змінюється, але історично домінували гіганти. Згідно з даними за 2020 рік, провідними конкурентами є TSMC з продажами близько 45,4 млрд доларів, Samsung з продажами близько 52,2 млрд доларів та Intel, яка займає перше місце з продажами 73,9 млрд доларів. Ситуація змінилася, але попит на ці чіпи лише зростає.
