Всем хорошо известно, что полупроводники лежат в основе большинства электронных устройств, но задумывались ли вы когда-нибудь о том, как они работают? В этой статье мы выясним, что такое полупроводники; как они работают, чем отличаются полупроводники N-типа от P-типа; из чего сделаны полупроводники и как они создаются; а также где они используются и в чем их польза. В заключение мы вкратце коснемся закона Мура и того, что произойдет, когда производство полупроводников достигнет пределов, установленных законами физики.
Что такое полупроводник?
Полупроводник - это материал или вещество, которое проводит электричество только при определенных условиях. Некоторые элементы таблицы Менделеева, такие как углерод, кремний и германий, являются внутренними (чистыми) полупроводниками из-за количества электронов в их внешних электронных оболочках. Для сравнения, внешние (нечистые) полупроводники представляют собой композиционные материалы, созданные путем обработки или введения в собственные полупроводники других элементов из таблицы Менделеева (подробнее об этом поговорим ниже).
Проводник, полупроводник, изолятор
В периодической таблице Менделеева полупроводники (также известные как металлоиды) расположены вдоль диагональной линии между проводниками и изоляторами (диэлектриками). Благородные газы, такие как гелий и неон, являются плохими проводниками электричества, поэтому мы называем их электрическими изоляторами. Медь и другие металлы являются проводниками, которые позволяют электронам свободно перемещаться по материалу. Переходные металлы в свою очередь являются отличными проводниками тепла. Но если вы нагреете медный провод, он станет менее проводящим и будет вести себя скорее как электрический изолятор. Нагревание полупроводников, наоборот, делает их более проводящими.
Полупроводники также характеризуются своим поведением по отношению к электричеству, ведь для выполнения своих функций они требуют электрической энергии. При подключении к источнику напряжения полупроводник будет передавать энергию при определенных условиях, но если вы измените условия, то количество энергии, проходящее через полупроводник, также изменится. Без электроэнергии даже самый современный полупроводник останется всего лишь красивым камнем.
Из чего состоят полупроводники?
Принцип работы полупроводников зависит от материалов, из которых они изготовлены. В основе многих полупроводников лежит кремний, в кристаллическую решетку которого внедрены атомы других элементов (таких как фосфор или бор, которые сами по себе также являются полупроводниками), а этот процесс, называется "легированием". Выбор легирующей примеси определяет, какими свойствами будет обладать готовый полупроводник.
Существует огромное количество экзотических полупроводниковых материалов, почти столько же, сколько и проектов по материаловедению, использующих эти материалы. Однако в современном производстве доминируют два основных типа полупроводников: N-типа и P-типа.
Полупроводники N-типа и P-типа
Как и углерод, кремний имеет четыре электрона в своей внешней электронной оболочке, что позволяет ему формировать четыре соединения. В полупроводниках N-типа используются легирующие атомы из элементов V группы с пятью и более электронами в валентной оболочке. Чаще всего в промышленности используется широкодоступный фосфор. “Лишний” электрон от каждого легирующего атома действует как отрицательный заряд, поэтому полупроводники этого типа называются отрицательными или N-типа.
В полупроводниках P-типа, в отличие от них, используется легирующий элемент из III группы периодической таблицы (например, бор, индий или галлий). Эти элементы имеют только три электрона в своей валентной оболочке, поэтому там, где полупроводники N-типа легированы донорами электронов, в полупроводниках P-типа используются примеси, которые действуют как акцепторы электронов.
Бор встраивается в кристаллическую решетку подобно атомам кремния, но поскольку у бора всего три электрона, на месте электрона образуется своего рода дыра. Отсутствие отрицательного заряда является своего рода положительным зарядом, поэтому такие полупроводники называются полупроводниками P-типа.
Когда полупроводник содержит материалы N-типа и P-типа, он называется комплементарным металлооксидным полупроводником (КМОП или CMOS).
Как производятся полупроводники?
Жизненный цикл многих полупроводников начинается с массивных цилиндрических монокристаллических кремниевых слитков, называемых булями. Эти слитки формируются путём погружения затравочного кристалла в чистый расплавленный кремний. Внешние полупроводники (те, в которых используются легирующие примеси) также можно создавать путем осаждения из паровой фазы внутри электромагнитного поля. Выращивание этих гигантских кристаллов занимает много часов.
Макроснимок кремниевой пластины.
Затем були разрезают на тонкие пластины-подложки толщиной всего в несколько миллиметров, которые шлифуются и полируются до безупречного зеркального блеска. После этого на них методом фотолитографии с использованием интенсивного света наносятся функциональные рисунки (такие как резисторы, транзисторы и конденсаторы). Результат называется интегральной микросхемой.
На многих пластинах (подложках) содержится множество копий одного типа интегральной схемы, которые затем разрезают и упаковывают по отдельности.
Процессор AMD Ryzen также является полупроводником.
Поскольку интегральные схемы тонкие и хрупкие, их часто помещают в корпус из пластика или металла, который затем соединяется с печатной платой с помощью металлических проводов. Такую форму "корпусирования" применяют в поверхностно-монтируемых компонентах для производителей (SMT), а также для потребительских компьютерных чипов, таких как процессоры компаний Intel и AMD. Однако в суперкомпьютерах используют процессоры, сделанные из целой пластины, для обеспечения огромной пропускной способности при очень низкой задержке.
Как работают полупроводники?
При подаче напряжения на материал, такой как полупроводник, отрицательная сторона напряжения отталкивает электроны (поскольку схожие заряды отталкиваются), а положительная сторона притягивает электроны к себе. При движении электронов в одном направлении создает электрический ток. Колебания в потоке электронов могут использоваться для кодирования данных, таких как аналоговые показания датчиков или двоичный код.
Полупроводниковое устройство, управляемое колебаниями электрического поля, называется полевым транзистором или FET. Термин "КМОП" часто относится именно к слоистой физической структуре таких устройств, как металлооксид-полупроводниковые полевые транзисторы, или МОП-транзисторы. МОП-транзисторы имеют металлический электрод затвора поверх оксидного изолятора, который сам прикреплен к пластинке полупроводникового материала. Благодаря синергии материалов N-типа и P-типа, логические системы на основе КМОП часто более энергоэффективны, чем чисто NMOS- или PMOS-логика.
Что такое "Запрещенная зона" или Bandgap?
Работа полупроводников основана на квантовых эффектах, таких как запрещенные зоны, поэтому нам придется немного обсудить квантовую механику - здесь мы постараемся использовать максимально простой язык.
Сначала немного предыстории. Электроны не ведут себя как объекты на макроуровне; во многом игнорируя законы кинематики Ньютона. Вместо этого они следуют законам квантовой механики, описывающим вероятность их нахождения в различных точках пространства. «Одинаковые заряды отталкиваются» — это также правило, определяющее места, которые электроны выбирают для размещения вокруг своих атомов-хозяев. Притянутые к положительно заряженному ядру электромагнитными силами, электроны все же стремятся равномерно распределиться в трехмерном пространстве, что ведет к образованию замысловатых рисунков распределения, похожих на крошечные чернильные пятна Роршаха.
Квантовая механика не может предсказать точное местоположение частицы в пространстве, а лишь вероятность её обнаружения в различных местах. Более яркие области соответствуют более высокой вероятности нахождения электрона.
Все электроны, слабо связанные с одним ядром атома, образуют зону проводимости. Поглощая энергию в форме фонона (тепла) или фотона (света), электроны могут получить достаточно энергии, чтобы перепрыгнуть в зону проводимости. Ширина запрещенной зоны — это разность энергий между самым высоким энергетическим уровнем или «верхом» валентной зоны (то есть энергией, заключенной в электроне с самой высокой энергией, который не отскакивает от валентной оболочки) и нижней границей зоны проводимости.
Изоляторы имеют широкую запрещенную зону, которую электронам трудно пересечь, не поглотив много энергии, если они вообще способны ее преодолеть. В отличие от них, проводники имеют узкую или вовсе отсутствующую запрещённую зону. Полупроводники иногда рассматриваются как изоляторы с узкой запрещённой зоной.
Для визуального объяснения различий между полупроводниками N-типа и P-типа, включая четкое визуальное объяснение запрещенной зоны, посмотрите следующее видео, начиная примерно с четвертой минуты:
Поскольку ширина запрещённой зоны измеряется энергией, её выражают в электронвольтах (эВ).
Для чего используются полупроводники?
В большинстве электронных устройств используются полупроводники, собранные в транзисторы и интегральные схемы. Благодаря своей способности передавать электричество (но только при определённых условиях), полупроводники могут выступать в качестве датчиков, излучателей или их комбинированной формы - транзистора. На данный момент существует слишком много областей применения, чтобы их перечислять, но вот три наиболее важных, каждая из которых по-своему демонстрирует ключевые свойства полупроводника.
Солнечные батареи
Элементы солнечных панелей используют полупроводники для получения возобновляемой энергии Солнца. В солнечной панели слой полупроводникового материала поглощает энергию Солнца в виде фотонов и излучает ее в виде электронов, создавая электрический ток.
Эффективность солнечных панелей значительно выросла за последние 20 лет благодаря таким разработкам, как наложение слоев различных полупроводников, каждый из которых имеет свою собственную запрещенную зону, чтобы улавливать как можно более широкий диапазон солнечной энергии.
Светоизлучающие диоды (LED)
Светодиоды — ещё одна область применения полупроводников, зависящая от ширины запрещённой зоны, но для светодиодов ширина запрещённой зоны играет как функциональную, так и эстетическую роль. Когда частица или материал поглощает энергию, она переходит в возбужденное состояние. Высвобождение энергии, эквивалентной ширине запрещенной зоны, возвращает ее в предыдущее состояние.
В тот момент, когда частица "расслабляется", она испускает фотон вместо электрона. Каждый фотон имеет свою длину волны, соответствующую цвету. Точная настройка полупроводниковых устройств с использованием этого эффекта позволяет получить широкий диапазон цветов: от низкоэнергетического и длинноволнового (инфракрасного) через видимый спектр до высокоэнергетического ультрафиолетового диапазона. Однако по мере уменьшения длины волны становится всё труднее преодолеть инженерные проблемы, возникающие из-за того, что компоненты становятся всё меньше.
Транзисторы
Возможно, наиболее важным применением полупроводниковых материалов являются транзисторы, которые обеспечивают работу вычислительной техники и радиосвязи. Транзисторы — это электронные компоненты устройства, которые могут работать как переключатели или усилители. Обычно транзисторы имеют как минимум три контакта, а часто и четыре, как, например, в обычном МОП-транзисторе. Электрическое напряжение или ток, подаваемый на одну пару клемм, контролирует выходной ток через другую пару. Один из способов понять принцип работы транзисторов - это сравнить их с садовым шлангом с перегибом. Положительный заряд транзистора действует подобно распрямлению шланга, позволяя протекать потоку электронов.
Поскольку транзисторы полезны в качестве "переключателей", они также играют роль логических вентилей — физических структур, кодирующих булевую логику. Центральные и графические процессоры, лежащие в основе ноутбуков и ПК, опираются на полупроводники с "выгравированными" логическими схемами, способными передавать данные без движущихся частей.
Закон Мура и пределы масштабирования полупроводников
С эпохи ламповых вычислений программное обеспечение стало невероятно сложным. Устройства, необходимые для быстрой обработки данных, в большинстве случаев соответствуют этой сложности как по своей внутренней логической структуре, так и в абсолютном размере элементов интегральной схемы. Каждый новый улучшенный технологический узел позволяет заводам и литейным предприятиям реализовать больше функций в одном чипе. В настоящее время миллиарды невидимых невооруженным глазом транзисторов занимают площадь одного транзистора образца 1950-х годов. Со временем интегральные схемы становились меньше, быстрее и эффективнее - но всему есть предел.
По мере уменьшения размера элемента уменьшается и количество энергии, необходимой для активации каждого отдельного транзистора. Длины волн света, которые могут "выгравировать" эти крошечные узоры на пластине, также становятся меньше, поэтому для гравировки требуется свет более высокой энергии. В то же время, по мере того как микросхемы становятся все более плотными, чипу приходится прилагать больше усилий для отвода тепла. Совокупность этих явлений часто называют законом Мура (хотя сам Мур больше ориентировался на физический размер транзисторов, а частотные и тепловые/электрические свойства уменьшающихся схем описывались масштабированием Деннарда). При этом, по мере приближения размеров к ширине одного атома, все заметнее начинали проявляться квантовые эффекты вроде туннелирования электронов, вызывающие ошибки при производстве и в работе конечного продукта.
Новые технологии
Упершись в физические ограничения, полупроводниковые компании вынуждены были исследовать разные стратегии выжимания максимума производительности из следующего технологического процесса. Возможно, нам вообще не понадобятся схемы, которые работают на частоте 10 гигагерц, если мы сможем получить пропускную способность другими способами, кроме сырой скорости. Чипам не обязательно достигать внутренней температуры, приближающейся к температуре поверхности Солнца.
Также проводники не обязательно должны были иметь толщину в один атом. Если производителям чипов не удается впихнуть еще один транзистор на квадратный миллиметр в свой чип нового поколения, возможно, пришло время искать новые типы полупроводниковых материалов. Еще один многообещающий вариант - "трехмерный" форм-фактор, когда функциональные слои укладываются друг на друга, как пласты в осадочных породах. Некоторые ученые предлагают еще более футуристический вариант - объемные кристаллические полупроводники, которые можно заметить в фантастических фильмах. Мы считаем, что будущее за новыми материалами и трехмерной компоновкой микросхем, а не за бесконечной миниатюризацией чипов.