Bez nich nie byłoby komputerów, smartfonów, fal radiowych. Półprzewodniki są ukrytym silnikiem współczesnego społeczeństwa. Znajdują się one w samym sercu mikroprocesora i kontrolują wszystkie tranzystory w urządzeniu. Kiedy maszyny wykonują obliczenia lub przesyłają sygnały, ich działanie opiera się na tych materiałach.
Większość chipów, które dziś widzisz, jest oparta na krzemie. Właśnie dlatego w wiadomościach biznesowych dominują określenia takie jak „Dolina Krzemowa”. Nazwa tej dzielnicy nie pochodzi od startupu technologicznego. Swoją nazwę zawdzięcza źródłu energii. Krzem jest podstawą przemysłu elektronicznego. Bez tego „gospodarka krzemowa” nie istniałaby.
Podstawy diod
Aby zrozumieć, jak działają półprzewodniki, musisz zacząć od czegoś prostego. Dioda jest najprostszym urządzeniem półprzewodnikowym. To świetny punkt wyjścia do nauki podstaw. W tym przewodniku przyjrzymy się bliżej, czym dokładnie są półprzewodniki. Dowiedz się, jak dodatek stopowy zmienia właściwości materiału. Przyjrzymy się również, jak inżynierowie wykorzystują te zasady do tworzenia diod.
Zanim jednak przyjrzymy się bliżej działaniu diod, musimy przyjrzeć się bliżej samemu materiałowi: krzemowi.
Obfitość krzemu
Silikon nie jest rzadkością. On jest wszędzie. Jeśli kiedykolwiek spacerowałeś plażą lub patrzyłeś na kryształ, widziałeś go. Piasek i kwarc składają się głównie z krzemu.
Krzem zajmuje szczególne miejsce w układzie okresowym pierwiastków. Jest obok aluminium. Znajduje się poniżej węgla. Znajduje się nad germanem. Ta pozycja w hierarchii pierwiastków nadaje krzemowi unikalne właściwości elektryczne. Zrozumienie jego miejsca na stole pomaga wyjaśnić, dlaczego stał się podstawowym materiałem w elektronice.
Krystaliczna podstawa półprzewodników
Węgiel, krzem i german mają szczególne właściwości w swojej konfiguracji elektronicznej. Każdy z tych pierwiastków ma 4 elektrony na swoim zewnętrznym orbicie. To nie jest tylko mały szczegół. Zdolność do tworzenia stabilnych, powtarzalnych struktur determinuje ich zdolność do tworzenia stabilnych, regularnie powtarzających się struktur.
Te cztery elektrony walencyjne tworzą wiązania kowalencyjne z czterema sąsiadującymi atomami. Rezultatem jest sztywna siatka. Można o tym myśleć jak o sieci molekularnej. Struktura jest zachowana, ponieważ każde łącze jest spełnione.
W przypadku węgla siatka ta wygląda jak diament. Solidny. Przezroczysty. Cenny.
Krzem nabiera innego wyglądu. Swoją krystaliczną formą przypomina metal. Ma srebrzysty połysk. Jednak w przeciwieństwie do miedzi czy żelaza jest półprzewodnikiem. Pod tym względem german zachowuje się podobnie jak krzem. Znajduje się w tej samej grupie układu okresowego. Ma także te cztery zewnętrzne elektrony. Dzięki tej wspólnej cesze te dwa materiały stanowią podstawę współczesnej elektroniki.
Konfiguracja czteroelektronowa jest kluczowa. Możliwe jest teraz wiązanie kowalencyjne i powstaje pełna struktura krystaliczna.
Ta kratka jest nie tylko piękna. Jest praktyczna. Określa, w jaki sposób te materiały przewodzą prąd elektryczny. Bez tej specjalnej konfiguracji czterech elektronów struktura kryształu może się zapaść lub zachowywać w nieprzewidywalny sposób. Ta stabilność uczyniła krzem standardem dla chipów komputerowych.
Metale przewodzą prąd dzięki swobodnym elektronom. Łatwo przemieszczają się pomiędzy atomami. Krzem jest jak metal. To świeci. Odbija światło. Ale nie on jeden.
W czystym krysztale krzemu wszystkie zewnętrzne elektrony są związane silnymi wiązaniami kowalencyjnymi. Nie mogą się poruszać. Wynik? Prawie idealna izolacja. Zerowa przewodność.
Już nie.
Doping zmienia wszystko
Nie zmienia struktury krzemu. Zmieniasz chemię. zanieczyszczenia są dodawane.
Proces ten nazywa się stopowaniem. Zamienia izolator w półprzewodnik. Zostaje przewodnikiem, ale niezbyt wielkim. I to wystarczy.
Istnieją dwa sposoby domieszkowania krzemu. Występują w typie N i typu P.
Domieszkowanie typu N: wolne elektrony
Do domieszkowania typu N stosuje się elementy z pięcioma zewnętrznymi elektronami. Fosfor. Arsen.
W sieci krystalicznej krzemu znajdują się cztery elektrony.
Kiedy fosfor wchodzi do sieci krystalicznej, cztery elektrony tworzą wiązania. A piąty? On nie ma partnera. Pozostaje wolny.
Nawet niewielka liczba takich atomów tworzy wystarczającą ilość wolnych elektronów, aby przewodzić prąd. Elektrony mają ładunek ujemny. Dlatego ten typ nazywa się typem N.
Doping typu P: tworzenie „dziury”
Doping typu P zmienia zasady gry. Stosuje się bor lub gal.
Elementy te mają tylko trzy zewnętrzne elektrony.
Po wbudowaniu ich w krzemową strukturę pozostają niewypełnione przestrzenie – „dziury”.
Elektrony z sąsiednich atomów poruszają się, aby wypełnić te dziury. Dziura się porusza. Zachowuje się jak ładunek dodatni. Dlatego ten typ nazywa się typem P.
Niewielkie dodatki któregokolwiek z tych pierwiastków przekształcają krzem z izolatora w użyteczny przewodnik.
Przejście: tam, gdzie dzieje się magia
Chcesz rozróżnić krzem typu N i typu P? Nudny.
Połącz je.
Coś interesującego dzieje się na granicy połączenia. To jest serce diody.
Dioda jest najprostszym urządzeniem półprzewodnikowym. Umożliwia przepływ prądu tylko w jednym kierunku. To wszystko.
Wyobraź sobie kołowrotek na stadionie. Człowiek, który raz przez nią przeszedł, nie może już wrócić tą samą drogą. Dioda to elektroniczny kołowrotek jednokierunkowy.
Połączenie krzemu typu N i typu P tworzy barierę. Energia elektryczna łatwo przepływa w jednym kierunku. W drugą stronę jest całkowicie zablokowana.
To wyjątkowe zachowanie to nie tylko teoria. To jest podstawa współczesnej elektroniki. Bez tego przejścia nic nie działa.
Krzem domieszkowany fosforem tworzy warstwę N. Krzem domieszkowany borem tworzy warstwę P. Obydwa materiały same przewodzą prąd. Jeśli podłączysz je w konfiguracji pokazanej na schemacie, nic się nie stanie. Obwód pozostanie pozbawiony napięcia.
Przyczyna leży w sposobie podłączenia źródła zasilania. Jeśli podłączysz akumulator biegunem ujemnym skierowanym w stronę warstwy N, elektrony zostaną odciągnięte ze złącza. Jednocześnie biegun dodatni odciąga dziury w warstwie P od środka. Poruszają się w przeciwnych kierunkach, oddalając się od siebie. Prąd nie przepływa przez szczelinę. Dioda blokuje przepływ.
Zmień polaryzację
Odwróć baterię. Teraz konfiguracja została całkowicie zmieniona.
Zacisk ujemny odpycha wolne elektrony w krzemie typu N, kierując je w stronę złącza. Biegun dodatni odpycha dziury w krzemie typu P, kierując je również do tego samego punktu spotkania. Zderzają się. Elektrony wypełniają dziury. Wzajemnie się kompensują.
To już nie jest blokowanie statyczne. To jest przepływ dynamiczny. Gdy elektrony wypełniają dziury w złączu, na zewnętrznych krawędziach generowane są nowe dziury i elektrony, aby je zastąpić. Prąd przepływa przez skrzyżowanie. Dioda umożliwia przepływ prądu.
Diody i tranzystory
To kierunkowe zachowanie jest podstawowym mechanizmem leżącym u podstaw kontroli mocy w elektronice. W następnej sekcji zbadano, w jaki sposób ta szczególna właściwość pozwala na szerokie zastosowanie diod i tranzystorów w nowoczesnych urządzeniach.
Jak faktycznie działają diody w Twoich urządzeniach
Dioda jest zasadniczo jednokierunkowym kanałem dla prądu elektrycznego. Blokuje prąd w jednym kierunku i umożliwia jego przepływ w przeciwnym kierunku. Jeśli kiedykolwiek włożyłeś baterię do pilota w niewłaściwy sposób i nie zadziałała z powodu złej polaryzacji, prawdopodobnie dioda była powodem, dla którego urządzenie nie świeciło. Pełni funkcję urządzenia zabezpieczającego. W przypadku nieprawidłowego włożenia akumulatora diody zapobiegają jego rozładowaniu i chronią wrażliwą elektronikę wewnętrzną przed uszkodzeniem.
W idealnym przypadku dioda polaryzacji zwrotnej powinna blokować cały prąd. Faktycznie, nie jest doskonały. Prawdziwa dioda może przeciekać około 10 µA. W większości zastosowań można to pominąć, ale prąd ten jest obecny. Jeśli do złącza zostanie przyłożone wystarczająco wysokie napięcie wsteczne (V), ostatecznie przebije się ono i umożliwi przepływ prądu. To napięcie przebicia jest zwykle tak wysokie, że standardowe obwody nigdy go nie osiągną, dlatego można je pominąć w codziennym użytkowaniu.
Robi się ciekawiej z nastawieniem do przodu. Dioda do działania potrzebuje określonego napięcia. W przypadku diod krzemowych próg ten wynosi około 0,7 wolta. Ten skok napięcia uruchamia proces rekombinacji dziur i elektronów w złączu. Jest to niewielka przeszkoda, jednak istotna dla prawidłowej pracy urządzenia.
Tranzystor: wyłącznik natury
Tranzystory były kolejnym logicznym krokiem w rozwoju półprzewodników. Diody wykorzystują dwie warstwy materiału, podczas gdy tranzystory wykorzystują trzy warstwy. Mogą być wykonane w formie konstrukcji warstwowych NPN lub PNP. Dzięki takiej konstrukcji tranzystor może pełnić zarówno funkcję przełącznika, jak i wzmacniacza.
Wizualnie tranzystor wygląda jak dwie diody połączone tyłem do siebie. Jeśli się nad tym zastanowić, taki obwód powinien blokować prąd w obu kierunkach. Technicznie tak. Ale oto sztuczka. Kiedy przepuszczasz niewielki prąd elektryczny przez środkową warstwę kanapki, dzieje się coś magicznego. Przez całą konstrukcję mogą przepływać duże prądy.
To właśnie to zachowanie przełączania napędza współczesne komputery. Mały prąd może włączyć lub wyłączyć duży prąd. To nie magia, to po prostu fizyka doprowadzona do perfekcji przez naukę.
Od krzemu do mikroprocesora
Chip krzemowy to po prostu kawałek krzemu zawierający tysiące, a nawet miliony tranzystorów. Użycie tranzystora jako przełącznika tworzy bramkę logiczną. Połączenie tych bramek tworzy obwód logiczny. Jeśli połączysz ich wystarczającą liczbę, otrzymasz mikroprocesor.
Przejście od czystego krzemu do domieszkowanego krzemu, następnie do tranzystorów i wreszcie do złożonych chipów sprawiło, że komputery stały się bardzo tanie i dostępne dla każdego. Podstawowa zasada jest zaskakująco prosta. Prawdziwym cudem jest to, jak je udoskonaliliśmy. Możemy teraz zbudować dziesiątki milionów tranzystorów na jednym chipie, nie wydając dużych pieniędzy.
Często zadawane pytania dotyczące półprzewodników
Czy krzem jest półprzewodnikiem?
Tak. Większość układów półprzewodnikowych i tranzystorów jest wykonana z krzemu. Jest to surowiec chętnie wybierany, gdyż jego struktura jest stabilna i przewidywalna.
Do czego służą półprzewodniki?
Stanowią podstawę urządzeń elektronicznych. Półprzewodniki są stosowane w chipach, diodach, tranzystorach i układach scalonych. Wszystko, co jest skomputeryzowane lub opiera się na falach radiowych, zależy od tej klasy materiałów.
Jakie elementy są stosowane w półprzewodnikach?
Możesz zacząć od czystych pierwiastków, takich jak krzem, węgiel i german. Możesz też dodać do nich zanieczyszczenia. Dodatek fosforu lub arsenu tworzy domieszkę typu N. Dodatek boru lub galu tworzy domieszkę typu P. Procedura ta zmienia sposób, w jaki materiał przewodzi prąd elektryczny.
Jaka jest definicja półprzewodnika?
Przewodność elektryczna półprzewodników jest pośrednia między przewodnikami (takimi jak metale) i nieprzewodnikami (takimi jak większość ceramiki). Nie są całkowicie izolatorami i nie są całkowicie przewodnikami. Istnieją w pośrednim obszarze kontroli.
Jakie są największe firmy produkujące półprzewodniki?
Dynamika rynku się zmienia, ale historycznie dominowali giganci. Według danych za 2020 r. głównymi konkurentami są TSMC ze sprzedażą na poziomie około 45,4 miliarda dolarów, Samsung ze sprzedażą na poziomie około 52,2 miliarda dolarów oraz zajmujący pierwsze miejsce Intel ze sprzedażą na poziomie 73,9 miliarda dolarów. Sytuacja się zmieniła, ale popyt na te chipy tylko rośnie.
