Без них не было бы ни компьютеров, ни смартфонов, ни радиоволн. Полупроводники — это скрытый двигатель современного общества. Они находятся в самом сердце микропроцессора и управляют всеми транзисторами устройства. Когда машины выполняют вычисления или передают сигналы, они полагаются на эти материалы для своей работы.
Большинство чипов, которые вы видите сегодня, созданы на основе кремния. Именно поэтому такие термины, как «Силиконовая долина», доминируют в бизнес-новостях. Этот район назван не в честь технологического стартапа. Он назван в честь своего источника энергии. Кремний — это основа электронной промышленности. Без него не существовало бы «кремниевой экономики».
Основы работы диодов
Чтобы понять, как работают полупроводники, нужно начать с чего-то простого. Диод — это простейшее полупроводниковое устройство. Это отличная отправная точка для изучения основ. В этом руководстве мы подробнее рассмотрим, что именно представляют собой полупроводники. Узнайте, как легирование изменяет свойства материала. Мы также рассмотрим, как инженеры используют эти принципы для создания диодов.
Но прежде чем мы подробнее разберёмся в том, как работают диоды, нам нужно поближе познакомиться с самим материалом — кремнием.
Изобилие кремния
Кремний — не редкость. Он повсюду. Если вы когда-либо ходили по пляжу или смотрели на кристалл, вы его видели. Песок и кварц в основном состоят из кремния.
Кремний занимает особое место в периодической таблице элементов. Он находится рядом с алюминием. Он расположен ниже углерода. Он находится выше германия. Это положение в иерархии элементов придаёт кремнию уникальные электрические свойства. Понимание его места в таблице помогает объяснить, почему он стал основным материалом в электронике.
Кристаллическая основа полупроводников
Углерод, кремний и германий обладают особыми свойствами в своей электронной конфигурации. У каждого из этих элементов 4 электрона на внешней орбитали. Это не просто небольшая деталь. Способность образовывать стабильные повторяющиеся структуры определяет их возможность формировать устойчивые, регулярно повторяющиеся структуры.
Эти четыре валентных электрона образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами. В результате возникает жёсткая сетка. Можно представить её как молекулярную сеть. Структура сохраняется, поскольку каждая связь удовлетворена.
В случае углерода эта решётка выглядит как алмаз. Твёрдый. Прозрачный. Ценный.
Кремний принимает иной визуальный облик. Его кристаллическая форма напоминает металл. Он имеет серебристый блеск. Однако, в отличие от меди или железа, он является полупроводником. В этом отношении германий ведёт себя аналогично кремнию. Он находится в той же группе периодической таблицы. У него также есть те самые четыре внешних электрона. Благодаря этой общей особенности эти два материала являются основой современной электроники.
Четырёхэлектронная конфигурация является ключевой. Теперь становится возможным ковалентное связывание, и формируется полная кристаллическая структура.
Эта решётка не просто красива. Она практична. Она определяет, как эти материалы проводят электрический ток. Без этой особой конфигурации из четырёх электронов кристаллическая структура может разрушиться или вести себя непредсказуемым образом. Эта стабильность сделала кремний стандартом для компьютерных чипов.
Металлы проводят электричество благодаря свободным электронам. Они легко перемещаются между атомами. Кремний похож на металл. Он блестит. Отражает свет. Но он не единственный.
В чистом кристалле кремния все внешние электроны связаны в прочные ковалентные связи. Они не могут двигаться. Результат? Почти идеальная изоляция. Нулевая проводимость.
Больше нет.
Легирование меняет всё
Оно не изменяет структуру кремния. Вы меняете химию. Добавляются примеси.
Этот процесс называется легированием. Он превращает изолятор в полупроводник. Он становится проводником, но не отличным. И этого достаточно.
Существует два способа легирования кремния. Они бывают N-типа и P-типа.
N-тип легирования: свободные электроны
Для N-тип легирования используются элементы с пятью внешними электронами. Фосфор. Мышьяк.
В кристаллической решётке кремния четыре электрона.
Когда фосфор попадает в кристаллическую решётку, четыре электрона образуют связи. А пятый? У него нет пары. Он остаётся свободным.
Даже небольшое количество таких атомов создаёт достаточно свободных электронов для проведения электричества. Электроны имеют отрицательный заряд. Поэтому этот тип называется N-типом.
P-тип легирования: создание «дырки»
P-тип легирования меняет правила игры. Используются бор или галлий.
Эти элементы имеют только три внешних электрона.
Когда они встраиваются в структуру кремния, остаются незаполненные места — «дырки».
Электроны от соседних атомов перемещаются, чтобы заполнить эти дырки. Дырка перемещается. Она ведёт себя как положительный заряд. Поэтому этот тип называется P-типом.
Небольшие добавки любого из этих элементов превращают кремний из изолятора в пригодный для использования проводник.
Переход: где происходит магия
Хотите различать N-тип и P-тип кремния? Скучно.
Объедините их.
На границе соединения происходит нечто интересное. Это сердце диода.
Диод — это простейшее полупроводниковое устройство. Оно позволяет току протекать только в одном направлении. Вот и всё.
Представьте турникет на стадионе. Один раз пройдя через него, человек не может вернуться назад по тому же пути. Диод — это электронный односторонний турникет.
Соединение N-типа и P-типа кремния создаёт барьер. Электричество легко протекает в одном направлении. В другом направлении оно полностью блокируется.
Это уникальное поведение — не просто теория. Это основа современной электроники. Без этого перехода ничего не работает.
Кремний, легированный фосфором, создаёт N-слой. Кремний, легированный бором, создаёт P-слой. Оба материала проводят электрический ток самостоятельно. Если соединить их в конфигурации, показанной на схеме, ничего не произойдёт. Цепь останется обесточенной.
Причина кроется в способе подключения источника питания. Если подключить батарею так, чтобы её отрицательный полюс был обращён к N-слою, электроны будут оттянуты от перехода. Одновременно положительный полюс оттягивает дырки в P-слое от центра. Они движутся в противоположных направлениях, друг от друга. Ток не пересекает зазор. Диод блокирует поток.
Изменение полярности
Переверните батарею. Теперь конфигурация полностью меняется.
Отрицательный полюс отталкивает свободные электроны в кремнии N-типа, направляя их к переходу. Положительный полюс отталкивает дырки в кремнии P-типа, также направляя их к этой же точке встречи. Они сталкиваются. Электроны заполняют дырки. Они взаимно компенсируют друг друга.
Это уже не статическое блокирование. Это динамический поток. По мере того как электроны заполняют дырки в переходе, на внешних краях генерируются новые дырки и электроны, чтобы заменить их. Ток проходит через переход. Диод пропускает электричество.
Диоды и транзисторы
Это направленное поведение является фундаментальным механизмом, лежащим в основе управления мощностью в электронике. В следующем разделе рассматривается, как это конкретное свойство обеспечивает широкое применение диодов и транзисторов в современных устройствах.
Как на самом деле работают диоды в ваших устройствах
Диод — это, по сути, односторонний канал для электрического тока. Он блокирует ток в одном направлении и пропускает его в противоположном. Если вы когда-нибудь вставляли батарейку в пульт дистанционного управления не той стороной и он не работал из-за неправильной полярности, то диод, вероятно, стал причиной того, что устройство не загорелось. Он действует как защитное устройство. Когда батарейка вставлена неправильно, диоды предотвращают разряд батареи и защищают чувствительную внутреннюю электронику от повреждений.
В идеале диод в обратном смещении должен блокировать весь ток. На самом деле, он не идеален. Реальный диод может пропускать утечку около 10 мкА. В большинстве приложений этим можно пренебречь, но этот ток присутствует. Если к переходу приложить достаточно высокое обратное напряжение (V), оно в конечном итоге пробьется и позволит току протекать. Это напряжение пробоя обычно настолько велико, что стандартные схемы никогда его не достигают, поэтому в повседневном использовании им можно пренебречь.
Более интересно становится при прямом смещении. Диоду требуется определенное напряжение для работы. Для кремниевых диодов этот порог составляет около 0,7 вольта. Этот скачок напряжения запускает процесс рекомбинации дырок и электронов в переходе. Это небольшое препятствие, но оно важно для правильной работы устройства.
Транзистор: переключатель природы
Транзисторы были следующим логическим шагом в развитии полупроводников. Диоды используют два слоя материала, тогда как транзисторы используют три слоя. Они могут быть выполнены в виде NPN- или PNP-структур «сэндвича». Благодаря такой структуре транзистор может действовать как переключатель и как усилитель.
Визуально транзистор похож на два диода, включенных встречно. Если подумать, такая схема должна блокировать ток в обоих направлениях. Технически да. Но вот в чем хитрость. Когда вы пропускаете небольшой электрический ток через средний слой «сэндвича», происходит нечто волшебное. По всей структуре могут протекать большие токи.
Именно это поведение переключения питает современные вычисления. Небольшой ток может включать или выключать большой ток. Это не магия, это просто физика, доведенная до совершенства наукой.
От кремния к микропроцессору
Кремниевый чип — это просто кусочек кремния, содержащий тысячи или даже миллионы транзисторов. Использование транзистора в качестве переключателя создает логический вентиль. Соединение этих вентилей создает логическую схему. Если соединить их достаточно много, вы получите микропроцессор.
Переход от чистого кремния к легированному кремнию, затем к транзисторам и, наконец, к сложным чипам сделал компьютеры очень дешевыми и доступными для всех. Основной принцип удивительно прост. Настоящее чудо заключается в том, как мы их усовершенствовали. Теперь мы можем формировать десятки миллионов транзисторов на одном чипе, не тратя много денег.
Часто задаваемые вопросы о полупроводниках
Является ли кремний полупроводником?
Да. Большинство полупроводниковых чипов и транзисторов изготавливаются из кремния. Это сырье выбора, потому что его структура стабильна и предсказуема.
Для чего используются полупроводники?
Они являются основой электронных устройств. Полупроводники используются в чипах, диодах, транзисторах и интегральных схемах. Все, что является компьютеризированным или основано на радиоволнах, зависит от этого класса материалов.
Какие элементы используются в полупроводниках?
Можно начать с чистых элементов, таких как кремний, углерод и германий. Или можно добавить в них примеси. Добавление фосфора или мышьяка создает легирование N-типа. Добавление бора или галлия создает легирование P-типа. Эта процедура изменяет способ проводимости материала электрическим током.
Каково определение полупроводника?
Электрическая проводимость полупроводников промежуточная между проводниками (такими как металлы) и непроводниками (такими как большинство керамики). Они не являются полностью изоляторами и не являются полностью проводниками. Они существуют в промежуточной области управления.
Какие крупнейшие компании-производители полупроводников?
Динамика рынка меняется, но исторически доминировали гиганты. Согласно данным за 2020 год, ведущими конкурентами являются TSMC с продажами около 45,4 млрд долларов, Samsung с продажами около 52,2 млрд долларов и Intel, которая занимает первое место с продажами 73,9 млрд долларов. Ситуация изменилась, но спрос на эти чипы только растет.
