Что такое полупроводник

Что такое полупроводники. Объясняем простыми словами

Полупроводники — кристаллические вещества (химические элементы, соединения и сплавы), которые по способности проводить электрический ток занимают промежуточное положение между проводниками (металлами) и диэлектриками (изоляторами).

Полупроводники в нормальном состоянии проводят небольшое количество тока или не проводят вообще. Но с ростом температуры или под действием света начинают лучше пропускать электрические заряды. Также проводимость полупроводников меняется при введении примеси — этот процесс называется «легирование».

Самый известным полупроводник — кремний (Si).

Ключевые современные полупроводниковые устройства — процессоры и иные микросхемы.

Полупроводники есть как почти во всех девайсах, которыми мы ежедневно пользуемся, так и в крупной промышленной, медицинской и другой технике: смартфонах, компьютерах, телевизорах, автомобилях, аппаратах ИВЛ, космических спутниках и т. п.

Пример употребления на «Секрете»

«Из-за дефицита полупроводников Минпромторг хочет организовать в России собственное производство кристаллов для радиоэлектронной аппаратуры. Тендер на проведение опытно-конструкторских работ (ОКР) для выращивания монокристаллов арсенида галлия и германия (GaAs и GeAs) диаметром 100 и 150 мм объявили в конце сентября. На работы выделяют 1,2 млрд рублей в течение четырёх лет».

Кризис полупроводников

Вскоре после того как весной 2020 года на фоне пандемии коронавируса автопроизводители сократили заказы, во всём мире возникла нехватка чипов для электроники. Как [объяснил] (https://secretmag.ru/news/deficit-mikroskhem-dobralsya-do-rossiiskogo-avtoproma.htm) генеральный директор научно-производственного предприятия ИТЭЛМА Евгений Горелик, цикл производства микросхем превышает шесть месяцев и предусматривает выращивание кремниевых кристаллов. Из-за специфики производства кристаллов производители запускают процесс выращивания раз в квартал, а некоторые и вовсе раз в год. При этом обычно их производят в большом количестве, а затем отправляют одну часть в корпусы, а вторую часть — на склад. За первый год пандемии запасы производителей кристаллов сократились до нуля.

Кроме коронавируса, повлиял рост спроса со стороны производителей других товаров, особенно бытовой электроники. Затем на поставках сказались [ледяной шторм в Техасе] (https://secretmag.ru/news/v-ssha-krupnye-zavody-priostanovili-rabotu-iz-za-anomalnykh-kholodov-i-snegopadov.htm), который остановил работу некоторых производителей микросхем из-за сбоев в подаче электроэнергии, и пожар на фабрике чипов компании Renesas в Японии.

Дефицит полупроводников заставил сразу несколько крупных производителей отказаться от полноценного выпуска автомобилей. Например, по этой причине General Motors пришлось на неделю приостановить производство электромобилей Chevrolet Bolt и Bolt EUV. О нехватке сообщали Ford, Honda и другие компании. В результате в России [очереди] (https://secretmag.ru/news/ocheredi-za-avtomobilyami-v-rossii-dostigli-kolossalnykh-razmerov-15-09-2021.htm) на новые иномарки достигли колоссальных размеров.

Мировой дефицит добрался и до российского автопрома. Некоторое время автозаводы покрывали нехватку чипов из складских запасов, но к лету нехватка стала заметной проблемой. Завод Volkswagen в России неоднократно [приостанавливал] (https://secretmag.ru/news/volkswagen-snova-priostanovit-zavod-v-rossii-iz-za-nekhvatki-chipov-02-09-2021.htm) работу. АвтоВАЗ также в течение лета несколько раз прекращал производство некоторых моделей.

Из-за дефицита пришлось [отложить] (https://secretmag.ru/news/obyazatelnuyu-ustanovku-glonass-otlozhili-iz-za-deficita-mikroskhem-24-08-2021.htm) обязательную установку системы ГЛОНАСС на выпускаемых на территории Европейского экономического союза (ЕАЭС) автомобилях.

В компании Boston Consulting Group (BCG) ожидают, что стабилизация наступит не раньше второго полугодия 2022-го.

Мнение

Миллиардер Илон Маск сравнил дефицит микрочипов, с которым столкнулся мир в 2021 году, с нехваткой туалетной бумаги, которую пережили многие страны в начале пандемии коронавируса. Несмотря на столь несерьёзную аналогию, проблема с поставками полупроводников, по признанию миллиардера, стала «самым большим вызовом для Tesla». Маск отметил, что «никогда не видел ничего подобного».

Источник

Полупроводники — что это: типы, суть, промышленность и инвестиции

Здравствуйте, уважаемые читатели проекта Тюлягин! В сегодняшней статье поговорим о полупроводниках. Вы узнаете что такое полупроводники в чем их основное значение и суть в современной промышленности, технологиях и экономике. Разберем основные типы полупроводников и их особенности. Также поговорим о нюансах при инвестировании в полупроводники и полупроводниковую промышленность, включая риски полупроводников, такие как высокий и низкий спрос на полупроводники и их дефицит.

Содержание статьи:

Что такое полупроводник?

Полупроводник — это материальный продукт, обычно состоящий из кремния, который проводит электричество больше, чем изолятор, такой как стекло, но меньше, чем чистый проводник, такой как медь или алюминий. Их проводимость и другие свойства могут быть изменены путем введения примесей, называемых легированием, для удовлетворения конкретных потребностей электронного компонента, в котором он находится.

Полупроводники, также известные как чипы, можно найти в тысячах продуктов, таких как компьютеры, смартфоны, бытовая техника, игровое оборудование и медицинское оборудование.

Суть полупроводников

Полупроводниковые устройства могут демонстрировать ряд полезных свойств, таких как показывать переменное сопротивление, легче пропускать ток в одном направлении, чем в другом, и реагировать на свет и тепло. Их фактическая функция включает усиление сигналов, переключение и преобразование энергии. Таким образом, они находят широкое применение почти во всех отраслях промышленности, а компании, производящие и тестирующие их, считаются отличными индикаторами состояния экономики в целом.

Типы полупроводников

Вообще говоря, полупроводники делятся на четыре основные категории продукции:

Память

Микросхемы памяти служат временным хранилищем данных и передают информацию в мозг компьютерных устройств и из него. Консолидация рынка памяти продолжается, в результате чего цены на память настолько низки, что лишь несколько гигантов, таких как Toshiba, Samsung и NEC, могут позволить себе остаться в игре.

Микропроцессоры

Это центральные процессоры, которые содержат базовую логику для выполнения задач. Доминирование Intel в сегменте микропроцессоров вытеснило почти всех конкурентов (за исключением Advanced Micro Devices — AMD) с основного рынка в более мелкие ниши или разные сегменты в целом.

Товарная интегральная схема

Иногда их называют «стандартными чипами», они производятся огромными партиями для повседневной обработки. Этот сегмент, в котором доминируют очень крупные азиатские производители микросхем, предлагает мизерную прибыль, с которой могут конкурировать только крупнейшие полупроводниковые компании.

Комплекс SOC

«Система на кристалле» («System on a Chip» — SOC) — это, по сути, создание микросхемы интегральной схемы с возможностью использования всей системы. Рынок вращается вокруг растущего спроса на потребительские товары, сочетающие в себе новые функции и более низкие цены. Поскольку двери на рынки памяти, микропроцессоров и товарных интегральных схем плотно закрыты, сегмент SOC, пожалуй, единственный, у кого осталось достаточно возможностей для привлечения широкого круга компаний.

Полупроводниковая промышленность

Успех в полупроводниковой промышленности зависит от создания более компактных, быстрых и дешевых продуктов. Преимущество малого размера заключается в том, что на один и тот же чип можно поместить больше энергии. Чем больше транзисторов на микросхеме, тем быстрее она выполняет свою работу. Это создает жесткую конкуренцию в отрасли, а новые технологии снижают стоимость производства одного чипа, так что в течение нескольких месяцев цена нового чипа может упасть на 50%.

Это привело к закономерности, названной законом Мура, который гласит, что количество транзисторов в плотной интегральной схеме удваивается примерно каждые два года. Это наблюдение названо в честь Гордона Мура, соучредителя Fairchild Semiconductor и Intel, который написал статью с описанием этого в 1965 году. В настоящее время период удвоения часто составляет 18 месяцев — цифру, которую приводит исполнительный директор Intel Дэвид Хаус.

В результате на производителей микросхем постоянно оказывается давление, чтобы они изобрели что-то лучше и даже дешевле, чем то, что определяло современное состояние всего несколько месяцев назад. Поэтому полупроводниковым компаниям необходимо поддерживать большие бюджеты на исследования и разработки. Ассоциация исследования рынка полупроводников IC Insights сообщила, что 10 крупнейших полупроводниковых компаний потратили в среднем 13,0% продаж на НИОКР в 2017 году, в диапазоне от 5,2% до 24,0% для отдельных компаний.

Традиционно полупроводниковые компании контролировали весь производственный процесс, от проектирования до производства. Тем не менее, многие производители микросхем теперь делегируют все больше и больше продукции другим представителям отрасли. Литейные компании, единственной сферой деятельности которых является производство, в последнее время вышли на передний план, предлагая привлекательные варианты аутсорсинга. Помимо литейных заводов, ряды дизайнеров, специализирующихся на производстве, и тестировщиков микросхем начинают пополняться. Компании по производству микросхем становятся все более экономичными и эффективными. Производство чипов теперь напоминает кухню ресторана изысканной кухни, где повара выстраиваются в очередь, чтобы добавить в смесь нужные специи.

В 1980-е производители микросхем жили с доходностью (количество работающих устройств от всего произведенного) 10-30%. Сегодня некоторые производители микросхем стремятся к доходности 80–90%. Это требует очень дорогих производственных процессов. В результате многие компании, производящие полупроводники, занимаются проектированием и маркетингом, но предпочитают отдать часть или все производство на аутсорсинг. Известные как производители микросхем без фабрики, эти компании имеют высокий потенциал роста, поскольку они не обременены накладными расходами, связанными с производством или «изготовлением».

Инвестиции в полупроводниковую промышленность

Помимо инвестирования в отдельные компании, есть несколько способов контролировать инвестиционные показатели всего сектора. К ним относятся эталонный индекс PHLX Semiconductor Index, известный как SOX, а также его производные формы в биржевых фондах. Есть также индексы, которые делят сектор на производителей микросхем и производителей оборудования для микросхем. Последний разрабатывает и продает оборудование и другую продукцию, используемую для разработки и тестирования полупроводников.

Кроме того, некоторые зарубежные рынки, такие как Тайвань, Южная Корея и в меньшей степени Япония, сильно зависят от полупроводников, и поэтому их индексы также дают представление о состоянии мировой промышленности.

Особенности инвестирования в полупроводники

Если инвесторы в полупроводники должны помнить одну вещь, это должно быть то, что полупроводниковая промышленность очень циклична. Производители полупроводников часто сталкиваются с циклами «подъема и спада», основанными на базовом спросе на продукты на основе микросхем. В хорошие времена прибыль производителей микросхем может быть очень высокой, из-за высокого спроса и дефицита полупродников на рынке. Однако когда спрос падает, цены на микросхемы могут резко упасть и оказать серьезное влияние на цепочки поставок во многих отраслях.

Спрос обычно отслеживает спрос со стороны конечного рынка на персональные компьютеры, сотовые телефоны и другое электронное оборудование. В хорошие времена такие компании, как Intel и Toshiba, не могут производить микрочипы достаточно быстро, чтобы удовлетворить спрос, возникает дефицит полупроводников на рынке. Когда наступают тяжелые времена, они могут быть совершенно жестокими. Например, низкие продажи ПК могут поставить отрасль — и цены на ее акции — в штопор.

В то же время нет смысла говорить о «цикле чипа», как если бы это было событием особого характера. В то время как полупроводники по-прежнему являются сырьевым бизнесом, их конечные рынки настолько многочисленны — ПК, коммуникационная инфраструктура, автомобили, потребительские товары и т. д. — что маловероятно, что избыток производственных мощностей в одной области приведет к падению всей отрасли.

Риски цикличности

Удивительно, но цикличность отрасли может в определенной степени утешить инвесторов. В некоторых других технологических секторах, таких как телекоммуникационное оборудование, никогда нельзя быть полностью уверенным в том, является ли состояние циклическим или постоянным. Напротив, инвесторы могут быть почти уверены, что рынок в какой-то момент в не столь отдаленном будущем развернется.

Цикличность дает некоторое утешение, но также создает риск для инвесторов. Производители чипов должны регулярно участвовать в азартных играх с высокими ставками. Большой риск связан с тем, что после крупного проекта разработки компаниям может потребоваться много месяцев или даже лет, чтобы выяснить, сорвали ли они джекпот или все сорвали. Одной из причин задержки является переплетенная, но фрагментированная структура отрасли: различные секторы достигают пика и минимума в разное время.

Например, нижняя точка для литейных производств часто наступает намного раньше, чем для разработчиков микросхем. Другой причиной является длительное время выполнения заказа в отрасли: на разработку микросхемы или создание литейного цеха уходят годы, и еще больше времени, прежде чем продукты приносят прибыль.

Компании, производящие полупроводники, сталкиваются с классической загадкой: двигает ли рынок технология, или рынок движет технологией. Инвесторы должны признать, что оба случая применимы для полупроводниковой промышленности.

Поскольку компании тратят значительную часть доходов на исследования и разработки, окупаемость которых может занять несколько месяцев или даже лет — а иногда и никогда, если технология неисправна, — инвесторам следует с осторожностью относиться к заявлениям компаний, которые утверждают, что владеют новейшими и лучшими технологиями в полупроводниковой промышленности.

Популярные вопросы о полупроводниках

Чем полупроводник отличается от проводника или изолятора?

Полупроводник, по сути, функционирует как гибрид проводника и изолятора. В то время как проводники представляют собой материалы с высокой проводимостью, которые позволяют течь заряду при приложении напряжения, а изоляторы не допускают протекания тока, полупроводники поочередно действуют как изолятор и проводник там, где это необходимо.

Что такое полупроводник N-типа?

Полупроводник n-типа представляет собой полупроводник со смешанными примесями, в котором используются пятивалентные примесные атомы, такие как фосфор, мышьяк, сурьма, висмут.

Что такое полупроводник P-типа?

Полупроводник p-типа — это тип примесного полупроводника, который содержит трехвалентные примеси, такие как бор и алюминий, которые увеличивают уровень проводимости обычного полупроводника, сделанного исключительно из кремния.

Что такое собственный полупроводник?

Собственный или чистый (нелегированный) полупроводник — это полупроводник, в который не добавлены какие-либо примеси или легирующие примеси, как в случае полупроводников p-типа и n-типа. В собственных полупроводниках количество возбужденных электронов и количество дырок равны: n = p.

Резюме

А на этом сегодня все про полупроводники. Надеюсь статья оказалась для вас полезной. Делитесь статьей в социальных сетях и мессенджерах и добавляйте сайт в закладки. Успехов и до новых встреч на страницах проекта Тюлягин!

Источник

Что такое полупроводник

Полупроводник — особый тип материала, который является основой для микрочипов. В статье разбираемся, как он устроен, и почему эта отрасль имеет решающее значение для всего мира.

Главной технологией 2021 года были далеко не метавселенные, блокчейн или танцующие (псевдо)роботы Илона Маска, недавно писал Wired. Ей оказалось то, что десятилетиями было скрыто от глаз, но продолжало двигать вперед целые индустрии — обычные кремниевые полупроводники. Те, что дали название Кремниевой долине, даже если сейчас она ассоциируется в основном с интернет-гигантами типа Amazon или Google, а не с производителями компьютеров вроде Intel.

Такой фокус на полупроводниках, которые существуют по меньшей мере полвека, связан с кризисом. Не успев оправиться после пандемии COVID-19 и карантинов, мир столкнулся с нехваткой этих полупроводников. Сыграли два фактора: во-первых, спрос на электронику при переходе на удаленку заметно вырос, во-вторых, на заводах по производству полупроводников работа временно останавливалась из-за аварий. Бум майнинга тоже размывал баланс спроса и предложения.

От кризиса пострадали буквально все отрасли. Хрестоматийный пример — автопром, ведь даже простые бензиновые машины содержат более 100 компонентов на основе этого материала, а продвинутые — свыше 1 000.

Дефицит полупроводников, как ожидается, сохранится до 2023–2024 года. Их производство сейчас в основном сосредоточено в Азии, в «большой четверке» стран: Китае, Японии, Южной Корее и на Тайване. Однако заводы начинают строить по всему миру, потому что правительство осознало важность локализации технологии, которая раньше казалась сама собой разумеющейся.

При этом в бытовом плане понимание того, что такое полупроводники, для некоторых остается загадкой. В этой статье объясняем значение слова «полупроводник» и саму технологию.

Полупроводник — это особый материал

Самый популярный пример такого материала — кремний, а также химические элементы германий, селен, теллур, мышьяк и другие. В определенных условиях они могут проводить больше электричества, чем изоляторы (например, стекло, резина), но меньше, чем чистые проводники (медь или алюминий). Свойства полупроводников, в том числе кремния, можно усилить путем легирования — добавления различных примесей в исходный материал.

Процесс их изготовления и подготовки для дальнейшей работы сложный, включает много этапов. Кристаллы сверхчистого монокристаллического кремния выращиваются по методу Чохральского из расплавленного поликристаллического кремния (который, в свою очередь, получают из мелкого белого песка или кварцевого песка, очищенного от 99,999999999% других элементов). Уже после этого кристалл режется на тонкие пластины.

Полупроводники обычно используются при создании электроники, если конкретнее — микросхем в ней. Поэтому иногда их называют просто чипами (хотя это обобщение и упрощение). Их основная задача, с учетом их свойств, — контролировать как, когда и куда будет двигаться поток электронов. Они могут усиливать сигнал, переключать его и преобразовывать.

Подробнее о том, как устроен полупроводник (если вы ощущаете себя ботаником)

Сначала вспомним определение электрического тока — это поток электронов, передающихся от одного атома вещества к другому. Структура, скажем, металлов такова, что в оболочках их атомов всегда есть пара свободных электронов, почти не связанных с ядром. Это значит, что они могут перемещаться внутри материала, делая его высоко проводимым для электричества. В изоляторах типа резины связь электронов с ядром атома очень прочная, поэтому ток они не проводят.

В полупроводниках свободных электронов тоже не очень много, но к ним можно «подсадить» с помощью легирования определенные атомы: трех- или пятивалентные:

Видео хорошо демонстрирует, насколько сложными бывают чипы:

Основные виды полупроводниковых чипов

Их задача — хранить и передавать данные другим частям компьютера. Есть два основных вида: оперативная (ОЗУ, RAM) — для временного хранения — и постоянная память (ПЗУ, ROM). У обоих есть вариации. Так, среди ROM выделяют: однократно программируемую (PROM), перепрограммируемую с помощью спецустройств (EPROM), электрически перепрограммируемую (EEPROM, к ней относится флеш-память) и другие. При этом основной спрос связан с четырьмя позициями: DRAM, Flash ROM, SRAM и MRAM.

Скоро могут появиться новые прорывные чипы. В начале 2022 года ученые из Ланкастерского университета в своей статье объявили, что почти готовы к массовому производству разработанной ими же UltraRAM. Она, по словам исследователей, будет сочетать энергонезависимость флэш-памяти со скоростью, энергоэффективностью и долговечностью DRAM (динамической оперативной памяти).

Основными лидерами в производстве чипов памяти сейчас являются Toshiba, Samsung и NEC из Японии и Южной Кореи, пишет Investopedia. Если же говорить о самой популярной DRAM, здесь к монополисту Samsung (который держит 43% рынка) добавляются конкуренты в лице корейской SK hynix и американской Micron Technology. За счет относительно низкой маржинальности бизнеса и высоких затрат (например, на строительство заводов) оставаться в нем под силу только гигантским корпорациям.

Для иллюстрации чипов памяти и их важности в современной технике предлагаем посмотреть рекламный ролик Samsung про DDR5:

Центральный процессор (ЦПУ, CPU) — устройство, которое отвечает за выполнение операций, прописанных в машинном коде. Если проще — это то, что часто называют «сердцем» или «мозгом» компьютера, да и любой сложной техники. Может быть реализован в виде одной микросхемы или комплекта из нескольких микросхем.

Первые процессоры появились более 50 лет назад, в 1968–1971 гг. За это время было создано несколько архитектур — принципов организации компонентов в процессорах. Сейчас в компьютерах используются в основном 32-х и 64-х разрядные чипы от Intel, AMD и IBM на архитектурах x86-64 и POWER, в мобильных устройствах применяется ARM. А вот в автомобилях и не очень требовательных чипах могут применяться 8-ми, 16-ти и 24-х разрядные микропроцессоры.

Обычно среди микропроцессоров отдельно выделяют графические процессоры (GPU), которые, например, отвечают за отображение графики на компьютерах. Они гораздо моложе, их массовая история началась где-то в 1999 году и позволила кратно увеличить производительность устройств, а также сделала возможным решение уникальных задач вроде майнинга криптовалюты.

Основными производителями графических процессоров часто называют NVIDIA и AMD. В контексте передовых решений это действительно так, но в общем случае это скорее заблуждение — более 60% рынка GPU до сих пор принадлежит компании Intel с их дискретной графикой Intel HD Graphics.

Подробное видео о создании центрального процессора от Intel:

Другие интегральные схемы

Обычно их используют для повторяющихся процедур в устройствах типа сканера штрих-кода или для автоматизации на производствах. Часто они заточены под одну конкретную задачу, в этом случае иногда говорят про ASIC — интегральные схемы специального назначения.

Например, есть ASIC для управления радиоканалом смартфона или чипы для майнинга биткоина — других функций у них, по сути, нет. К простым схемам также можно отнести программируемые вентильные матрицы (FPGA) — они настраиваются в соответствии со спецификациями производителя.

Отдельно можно выделить SoC — то есть «системы на кристалле». Все электронные компоненты SoC находятся на одном чипе и способны выполнять функции целого устройства (скажем, всего ПК), а в смартфонах — дополнительно содержать графический слой, камеру, слой обработки аудио- и видео и так далее. Хороший пример таких систем — серия Apple silicon, которая используется в технике Apple.

Спрос на потребительские товары с широким функционалом и низкой ценой растет. При этом рынок памяти и процессоров давно занят, на нем остались, можно сказать, монополисты. Поэтому сейчас сегмент «систем на кристалле» остался, возможно, единственным дружелюбным для новых компаний, считают некоторые эксперты.

Чего ждать в производстве чипов глобально

Самые современные полупроводниковые компоненты выпускают три корпорации: TSMC на Тайване, Samsung в Южной Корее и Intel в США. Причем последние, судя по всему, отстают не только в плане объемов (доля США в мировом производстве микросхем упала с 37% в 1990-м до 12% в 2021 году, по данным SIA), но и в техническом плане.

При этом производство чипов имеет решающее значение не только в базовых отраслях, но и в направлениях, которые являются ключом к экономическому и стратегическому лидерству: искусственный интеллект, 5G, робототехника.

О будущем России в этой сфере недавно писал Forbes. Такие отечественные полупроводники как «Байкал» и «Эльбрус» целиком зависели от компонентов тайваньской TSMC. Новых поставщиков пока не нашлось, а собственные технологии еще не готовы их заменить.

Многие компании (в основном IT-корпорации) пытаются создавать чипы самостоятельно, чтобы меньше зависеть от упомянутых выше монополистов. Большое внимание сейчас уделяется графическим процессорам, потому что они лучше подходят для задач искусственного интеллекта. Среди тех, кто ведет разработки — Apple, Amazon, Alphabet (Google), Microsoft и даже Tesla.

Однако все это может только снизить число инноваций, считает профессор Массачусетского технологического института Нил Томпсон, потому что делает технологию более разрозненной (знаменитый закон Мура об экспоненциальном росте мощности чипов каждые 24 месяца уже не работает). С другой стороны, не исключено, что ИИ, ради которых сейчас создают новые чипы, скоро будет проектировать их сам.

Источник

Полупроводник

Полупроводни́к — материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличается от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводника является увеличение электрической проводимости с ростом температуры. [1]

Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры.

В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон или захватывает его, примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.

Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков.

Содержание

Механизм электрической проводимости

Полупроводники характеризуются как свойствами проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах атомы устанавливают ковалентные связи (то есть, один электрон в кристалле кремния, как и алмаза, связан двумя атомами), электронам необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома (1,76·10 −19 Дж против 11,2·10 −19 Дж, чем и характеризуется отличие между полупроводниками и диэлектриками). Эта энергия появляется в них при повышении температуры (например, при комнатной температуре уровень энергии теплового движения атомов равняется 0,4·10 −19 Дж), и отдельные атомы получают энергию для отрыва электрона от атома. С ростом температуры число свободных электронов и дырок увеличивается, поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное сопротивление уменьшается. Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией связи электронов меньшей чем 1,5—2 эВ. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

Дырка

Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома. Это обуславливает переход электрона с другого атома на атом со свободным местом. На атом, откуда перешёл электрон, входит другой электрон из другого атома и т. д. Это обуславливается ковалентными связями атомов. Таким образом, происходит перемещение положительного заряда без перемещения самого атома. Этот условный положительный заряд называют дыркой.

Обычно подвижность дырок в полупроводнике ниже подвижности электронов.

Энергетические зоны

Между зоной проводимости Е_п и валентной зоной Е_в расположена зона запрещённых значений энергии электронов Е_з. Разность Е_п−Е_в равна ширине запрещенной зоны Е_з. С ростом ширины Е_з число электронно-дырочных пар и проводимость собственного полупроводника уменьшается, а удельное сопротивление возрастает.

Подвижность

Подвижностью называют коэффициент пропорциональности между дрейфовой скоростью носителей тока и величиной приложенного электрического поля

При этом, вообще говоря, подвижность является тензором:

Подвижность электронов и дырок зависит от их концентрации в полупроводнике (см. рисунок). При большой концентрации носителей заряда, вероятность столкновения между ними вырастает, что приводит к уменьшению подвижности и проводимости.

Собственная плотность

При термодинамическом равновесии, плотность электронов полупроводника связана с температурой следующим соотношением:

— Постоянная Планка — масса электрона — температура; — уровень проводимой зоны — уровень Ферми;

Также, плотность дырок полупроводника связана с температурой следующим соотношением:

— Постоянная Планка; — масса дырки; — температура; — уровень Ферми; — уровень валентной зоны.

Собственная плотность связана с и следующим соотношением:

Виды полупроводников

По характеру проводимости

Собственная проводимость

Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки» появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью. В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация свободных электронов равняется концентрации «дырок».

Проводимость связана с подвижностью частиц следующим соотношением:

где — удельное сопротивление, — подвижность электронов, — подвижность дырок, — их концентрация, q — элементарный электрический заряд (1,602·10 −19 Кл).

Для собственного полупроводника концентрации носителей совпадают и формула принимает вид:

Примесная проводимость

Для создания полупроводниковых приборов часто используют кристаллы с примесной проводимостью. Такие кристаллы изготавливаются с помощью внесения примесей с атомами трехвалентного или пятивалентного химического элемента.

По виду проводимости

Электронные полупроводники (n-типа)

Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет примесную природу. В четырёхвалентный полупроводник (например, кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например, мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются донорными.

Проводимость N-полупроводников приблизительно равна:

Дырочные полупроводники (р-типа)

Термин «p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего положительный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. В четырёхвалентный полупроводник (например, в кремний) добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента (например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвёртым атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в этом случае, называются акцепторными.

Проводимость p-полупроводников приблизительно равна:

Использование в радиотехнике

Полупроводниковый диод

Полупроводниковый диод состоит из двух типов полупроводников — дырочного и электронного. В процессе контакта между этими областями из области с полупроводником n-типа в область с полупроводником p-типа проходят электроны, которые затем рекомбинируют с дырками. Вследствие этого возникает электрическое поле между двумя областями, что устанавливает предел деления полупроводников — так называемый p-n переход. В результате в области с полупроводником p-типа возникает некомпенсированный заряд из отрицательных ионов, а в области с полупроводником n-типа возникает некомпенсированный заряд из положительных ионов. Разница между потенциалами достигает 0,3-0,6 В.

Связь между разницей потенциалов и концентрацией примесей выражается следующей формулой:

В процессе подачи напряжения плюсом на p-полупроводник и минусом на n-полупроводник внешнее электрическое поле будет направлено против внутреннего электрического поля p-n перехода и при достаточном напряжении электроны преодолеют p-n переход, и в цепи диода появится электрический ток (прямая проводимость). При подаче напряжения минусом на область с полупроводником p-типа и плюсом на область с полупроводником n-типа между двумя областями возникает область, которая не имеет свободных носителей электрического тока (обратная проводимость). Обратный ток полупроводникового диода не равен нулю, так как в обоих областях всегда есть неосновные носители заряда. Для этих носителей p-n переход будет открыт.

Таким образом, p-n переход проявляет свойства односторонней проводимости, что обуславливается подачей напряжения с различной полярностью. Это свойство используют для выпрямления переменного тока.

Транзистор

Транзистор — полупроводниковое устройство, которое состоит из двух областей с полупроводниками p- или n-типа, между которыми находится область с полупроводником n- или p-типа. Таким образом, в транзисторе есть две области p-n перехода. Область кристалла между двумя переходами называют базой, а внешние области называют эмиттером и коллектором. Самой употребляемой схемой включения транзистора является схема включения с общим эмиттером, при которой через базу и эмиттер ток распространяется на коллектор.

Биполярный транзистор используют для усиления электрического тока.

Типы полупроводников в периодической системе элементов

В нижеследующей таблице представлена информация о большом количестве полупроводниковых элементов и их соединений, разделённых на несколько типов:

Все типы полупроводников обладают интересной зависимостью ширины запрещённой зоны от периода, а именно — с увеличением периода ширина запрещённой зоны уменьшается.

Физические свойства и применение

Прежде всего, следует сказать, что физические свойства полупроводников наиболее изучены по сравнению с металлами и диэлектриками. В немалой степени этому способствует огромное количество эффектов, которые не могут быть наблюдаемы ни в тех ни в других веществах, прежде всего связанные с устройством зонной структуры полупроводников, и наличием достаточно узкой запрещённой зоны. Конечно же, основным стимулом для изучения полупроводников является производство полупроводниковых приборов и интегральных микросхем — это в первую очередь относится к кремнию, но затрагивает и другие соединения (Ge, GaAs, InP, InSb).

Собственный полупроводник при температуре абсолютного нуля не имеет свободных носителей в зоне проводимости в отличие от проводников и ведёт себя как диэлектрик. При легировании ситуация может поменяться (см. вырожденные полупроводники).

В связи с тем, что технологи могут получать очень чистые вещества, встаёт вопрос о новом эталоне для числа Авогадро.

Легирование

Объёмные свойства полупроводника могут сильно зависеть от наличия дефектов в кристаллической структуре. И поэтому стремятся выращивать очень чистые вещества, в основном для электронной промышленности. Легирующие примеси вводят для управления величиной и типом проводимости полупроводника. Например, широко распространённый кремний можно легировать элементом V подгруппы периодической системы элементов — фосфором, который является донором, и создать n-Si. Для получения кремния с дырочным типом проводимости (p-Si) используют бор (акцептор). Также создают компенсированные полупроводники с тем чтобы зафиксировать уровень Ферми в середине запрещённой зоны.

Методы получения

Свойства полупроводников зависят от способа получения, так как различные примеси в процессе роста могут изменить их. Наиболее дешёвый способ промышленного получения монокристаллического технологического кремния — метод Чохральского. Для очистки технологического кремния используют также метод зонной плавки.

Для получения монокристаллов полупроводников используют различные методы физического и химического осаждения. Наиболее прецизионный и дорогой инструмент в руках технологов для роста монокристаллических плёнок — установки молекулярно-лучевой эпитаксии, позволяющей выращивать кристалл с точностью до монослоя.

Оптика полупроводников

Поглощение света полупроводниками обусловлено переходами между энергетическими состояниями зонной структуры. Учитывая принцип запрета Паули, электроны могут переходить только из заполненного энергетического уровня на незаполненный. В собственном полупроводнике все состояния валентной зоны заполнены, а все состояния зоны проводимости незаполненные, поэтому переходы возможны лишь из валентной зоны в зону проводимости. Для осуществления такого перехода электрон должен получить от света энергию, превышающую ширину запрещённой зоны. Фотоны с меньшей энергией не вызывают переходов между электронными состояниями полупроводника, поэтому такие полупроводники прозрачны в области частот , где — ширина запрещённой зоны, — постоянная Планка. Эта частота определяет фундаментальный край поглощения для полупроводника. Для полупроводников, которые зачастую применяются в электронике (кремний, германий, арсенид галлия) она лежит в инфракрасной области спектра.

Дополнительные ограничения на поглощение света полупроводников накладывают правила отбора, в частности закон сохранения импульса. Закон сохранения импульса требует, чтобы квазиимпульс конечного состояния отличался от квазиимпульса начального состояния на величину импульса поглощённого фотона. Волновое число фотона , где — длина волны, очень мало по сравнению с волновым вектором обратной решётки полупроводника, или, что то же самое, длина волны фотона в видимой области намного больше характерного межатомного расстояния в полупроводнике, что приводит к требованию того, чтобы квазиимпульс конечного состояния при электронном переходе практически равнялся квазиимпульсу начального состояния. При частотах, близких к фундаментальному краю поглощения, это возможно только для прямозонных полупроводников. Оптические переходы в полупроводниках, при которых импульс электрона почти не меняется называются прямыми или вертикальными. Импульс конечного состояния может значительно отличаться от импульса начального состояния, если в процессе поглощения фотона участвует ещё одна, третья частица, например, фонон. Такие переходы тоже возможны, хотя и менее вероятны. Они называются непрямыми переходами.

Таким образом, прямозонные полупроводники, такие как арсенид галлия, начинают сильно поглощать свет, когда энергия кванта превышает ширину запрещённой зоны. Такие полупроводники очень удобны для использования в оптоэлектронике.

Непрямозонные полупроводники, например, кремний, поглощают в области частот света с энергией кванта чуть больше ширины запрещённой зоны значительно слабее, только благодаря непрямым переходам, интенсивность которых зависит от присутствия фононов, и следовательно, от температуры. Граничная частота прямых переходов кремния больше 3 эВ, то есть лежит в ультрафиолетовой области спектра.

При переходе электрона из валентной зоны в зону проводимости в полупроводнике возникают свободные носители заряда, а следовательно фотопроводимость.

При частотах ниже края фундаментального поглощения также возможно поглощение света, которое связано с возбуждением экситонов, электронными переходами между уровнями примесей и разрешенными зонами, а также с поглощением света на колебаниях решётки и свободных носителях. Экситонные зоны расположены в полупроводнике несколько ниже дна зоны проводимости благодаря энергии связи экситона. Экситонные спектры поглощения имеют водородоподобную структуру энергетических уровней. Аналогичным образом примеси, акцепторы или доноры, создают акцепторные или донорные уровни, лежащие в запрещённой зоне. Они значительно модифицируют спектр поглощения легированного полупроводника. Если при непрямозонном переходе одновременно с квантом света поглощается фонон, то энергия поглощенного светового кванта может быть меньше на величину энергии фонона, что приводит к поглощению на частотах несколько ниже по энергии от фундаментального края поглощения.

Список полупроводников

Полупроводниковые соединения делят на несколько типов:

Широкое применние получили следующие соединения:

На основе большинства из приведённых бинарных соединений возможно получение их твёрдых растворов: (CdTe)_x(HgTe)_1-x, (HgTe)_x(HgSe)_1-x, (PbTe)_x(SnTe)_1-x, (PbSe)_x(SnSe)_1-x и других.

Соединения A II B V используют в качестве люминофоров видимой области, светодиодов, датчиков Холла, модуляторов.

Окисные полупроводниковые соединения применяют для изготовления фотоэлементов, выпрямителей и сердечников высокочастотных индуктивностей.

Источник

Полупроводниковая электроника

Полупроводниковая электроника существенно изменила мир. Многие вещи, которые долгое время не сходили со страниц произведений фантастов стали возможны. Чтобы знать, как работают и чем уникальны полупроводниковые приборы, необходимо понимание различных физических процессов, протекающих внутри.

В статье разобраны принципы работы основных полупроводниковых устройств. Описание функционирования изложено с позиции физики. Статья содержит вводное описание терминов, необходимых для понимания материала широкому кругу читателей.

Иллюстраций: 34, символов: 51 609.

На Хабре в последнее время появилось большое количество тематических статей по различным полупроводниковым устройствам и их параметрам. Не удивительно, что данный материал особенно интересен новичкам в области электроники, поскольку современное изобилие различных устройств обязано именно полупроводниковой электронике. Данный материал следует расценивать как некоторое дополнение к прекрасным статьям AveNat, Dooez и IIIa66uMEM6eP, опубликованным в этом блоге. Описание, приведённое в статье, изложено с целью рассказать больше о физической стороне вопроса, хотя некоторые технические особенности также указаны. Помимо всего прочего материал частично перекликается с уже опубликованными статьями, что также является плюсом для изучающих материал, поскольку информация об одном и том же из разных уст продвигает ближе к истине. Традиционно материал рассчитан на широкий круг читателей, поэтому изложение достаточно подробное. Быстро можно ознакомиться с содержанием по резюмирующим абзацам, которые находятся в конце каждого раздела. В конце статьи для интересующихся размещён список дополнительных источников знаний.

Современные электрические приборы являются очень сложными устройствами. Физические детали их функционирования не всегда легко поддаются пониманию. Для того, чтобы ясно представлять принцип работы того или иного устройства, необходимо знать базовые физические явления, лежащие в их основе. Поэтому, для того чтобы далее вести разговор на одном языке, ниже представлено краткое описание таких понятий как электрическое поле, электрический ток и диффузия.

Шаг 1. Электрическое поле

С позиции физики электрическое поле — это некоторая материя, которая существует «рядом» с заряженными телами. Следует отметить, что такие термины как материя, тело и заряд обсуждаться здесь не будут, т.к. это темы дискуссий на грани физики и философии. Следует лишь уяснить, что это всё связано с явлением электричества и соответственно под зарядом понимается электрический заряд. Для большей наглядности можно взглянуть на рисунок ниже.

На картинке размещено два объекта — шарики. Каждый шарик обладает особой характеристикой — зарядом. Данный заряд может быть либо положительным, либо отрицательным. Эти два шарика взаимодействуют друг с другом через электрическое поле, которое находится «вокруг» них. В этом и проявляется сущность электрического поля: оно обусловлено существованием определённых электрических сил между заряженными телами. Данные силы таковы, что если у шариков заряды одинакового знака, то они друг от друга будут отдаляться, если разного, то наоборот — приближаться. Более подробно вопрос можно изучить в физических учебниках по тематике закона Кулона и электростатического поля.

Для удобства, электрическое поле характеризуют специальной величиной — напряжённостью. Она нужна для того, чтобы сравнивать какое поле «сильнее», а какое «слабее». То, по каким формулами рассчитывается и в каких единицах измеряется в данном случае не важно. Главное то, что чем больше напряжённость электрического поля, тем «сильнее» оно действует на заряженное тело. Также данная характеристика поля имеет направление. В этом случае говорят, что напряжённость — векторная величина, поскольку вектор обычно имеет какое-то направление. Направление необходимо знать, чтобы определить в какую сторону будет поле «толкать» заряженное тело. Прояснить ситуацию можно с помощью рисунка и одной формулы.

На картинке один шарик, помещённый в электрическое поле. В данном случае не важно какими заряженными телами поле было образовано. Поле характеризуется напряжённостью, которая имеет определённое направление. Шарик имеет определённый заряд какого-то знака. Формула, приведённая на рисунке, говорит о том, что если заряд шарика положителен, то поле его «толкает» вперёд (говорят по полю), если отрицателен, то против поля.

Простейшим примером реальных заряженных тел является электрон. Который, являясь чисто квантовым объектом и «живя» по «волшебным» законам, в некотором приближении можно считать шариком, для которого справедливы все рассуждения выше. Заряд у электрона отрицательный, поэтому он «летит» против поля.

Помимо всего прочего, кроме напряжённости, которая описывает силовые характеристики электрического поля, вводят ещё одну характеристику — потенциал. Потенциал является энергетической характеристикой. Энергия в физике вообще штука интересная и её понимание тоже относится к разряду философско-физических дискуссий. Из-за своих свойств она очень удобна для математических расчётов. Останавливаться на этом вопросе здесь не будем.

Потенциал описывает энергетические свойства каждой точки, где есть поле и в общем случае для каждой точки он разный. Особый интерес представляет разность потенциалов. Между разностью потенциалов и напряжённостью поля есть связь. Суть данного понятия можно уяснить из рисунка ниже. Разность потенциалов обычно именуют напряжением (не путать с напряжённостью). Это не совсем то напряжение, которое меряют в электрических цепях с помощью вольтметра, хотя некоторая связь есть. Опять-таки все тонкости можно извлечь из учебников по физике.

В физике любое движение заряженных тел, имеющее чёткое направление, называют током. В данном случае — электрическим током. Очень важно, что движение заряженных тел может происходить не только из-за действия поля на них. По причине того, что существует выделенное направление, ток также имеет какое-то направление. Исторически сложилось, что для движения заряженных отрицательно частиц ток считают направленным в обратную сторону. Подробнее об этом на рисунке.

На практике, обычно используют величину — сила тока, которую просто называют ток, и которая измеряется в Амперах. Эта величина описывает то, как много заряженных тел «пролетает» в единицу времени через определённую область (сечение материала). Связь между током (силой тока) и напряжением определяется законом Ома (формула на картинке). Эти две величины связывает коэффициент, который называют сопротивлением. Данный коэффициент характеризует материал и различные физические явления, которые сопровождают течение тока в этом материале. Обычно сопротивление это просто какое-то число, хотя бывают и более сложные случаи. Об этом можно почитать в учебниках. Иногда для удобства используют вместо сопротивления другую величину — проводимость. Разница между ними ясна из названия: чем больше сопротивление у материала, тем у него хуже (меньше) проводимость.

Среди электрических явлений ещё одной очень интересной особенностью является то, что если имеются какие-либо скопления разноимённых зарядов, то между ними возникает электрическое поле (напряжение), это указывает на то, что такая система хранит энергию электрического поля. Данные системы численно характеризуются параметром — электрическая ёмкость. На данном принципе работают популярные электрические устройства — конденсаторы. Не будем вдаваться в нюансы.

Также нужно понимать, что электрические явления есть частный случай проявление электромагнетизма, о котором можно подробнее почитать в литературе, которая приведена в конце статьи.

Резюме

В основе электроники лежат различные физические явления электрической природы. Наиболее важными понятиями являются электрическое поле заряженных частиц и их электрический ток. Электрическое поле характеризуется напряжённостью и распределением потенциала. Наличие разности потенциалов говорит о наличии электрического поля и наоборот. Под действием каких-либо сил, в том числе и со стороны электрического поля, возникает электрический ток (упорядоченное движение зарядов). Скопления разноимённых зарядов хранят энергию электрического поля и характеризуются электрической ёмкостью (конденсаторы).

Шаг 2. Диффузия

У энергии, существует одна особенность, она всегда стремится быть минимально возможной в любой ситуации. Это закон природы. В некотором роде вообще всё, что происходит вокруг нас можно объяснить именно этим законом. Его иногда называют принципом наименьшей энергии. Собственно поэтому после прыжка мы всегда падаем вниз, кофе всегда остывает, дует куда-нибудь ветер и т.д. Этим же принципом объясняется явление диффузии. Для наглядного представления можно посмотреть, что будет, если кусочек сахара поместить в стакан с водой и не размешивать.

Растворившись, частички сахара будут находиться в одном месте, допустим на дне стакана. Через некоторое время можно будет заметить, что вся вода в стакане стала сладкая, т.е. частички сахара разместились полностью по всему объёму стакана. Это показано схематично на рисунке ниже.

Вот такое поведение частичек какого-нибудь вещества называют диффузией. Поэтому можно сказать, что раз все объекты состоят из молекул и атомов, то при наличии области, где частиц (молекул или атомов) больше, чем в других областях, то возникает перенос из области большей концентрации в меньшую. Другими словами природа стремится всё уровнять, чтобы минимизировать энергию, привести к состоянию равновесия (иногда говорят в равновесное состояние).

Резюме

Благодаря законам природы частички вещества, если их где-то много, всегда будут стремиться туда, где их мало. Это явление называется диффузией.

Шаг 3. Твёрдые тела

Представление о том, как устроены различные материалы очень и очень сложно. Существуют различные направления в физике, которые изучают те или иные вопросы, касающиеся веществ. Для понимания полупроводниковой электроники основной интерес представляют твёрдые тела. Различные тонкости этого вопроса можно изучить в учебниках по физике твёрдого тела или материаловедению. Основная (поверхностная) идея же заключается в том, что все твёрдые тела можно представить в виде решёток. Это определённые структуры, которые состоят из атомов. На картинке ниже представлены некоторые типы моделей решёток. Чёрные точки на рисунке — это атомы.

Свойства различных материалов определяются типами их решёток, видами атомов, а также рядом других факторов. Любое рассуждение о структуре вещества, в конечном счёте, приведёт к вопросам квантовой физики с её «волшебными» явлениями.

Для описания «внутренностей» материалов хорошо подходит зонная теория твёрдого тела. Данная теория неразрывно связана с понятием энергии. Выше уже говорилось о специфичности термина «энергия». Здесь и в дальнейшем не будем углублять данное понятие. Узнать о том, какую роль играет энергия, можно из обыкновенной модели атома, взглянув на рисунок ниже.

На картинке представлена грубая модель атома в виде слоёной структуры. В центре размещено ядро атома, которое окружено электронными облаками. Электронные облака — это и есть собственно электроны. Такое представление электрона больше похоже на правду, нежели представление в виде шариков с точки зрения квантовой физики. Электронный слой ещё именуют электронным уровнем. Дело в том, что на каждом уровне электроны обладают какой-то энергией. Чем «дальше» от ядра — тем больше энергия. Также такую структуру удобно изображать в виде энергетической диаграммы, которая также приведена на рисунке выше. Такую диаграмму часто можно встретить в учебниках по физике. Энергия обозначается буквой Е. Самый верхний энергетический уровень называют валентным.

Когда атомы «соединяются» друг с другом, образуя решётку, т.е. формируют некоторое тело (материал) энергетические уровни у них меняются из-за того, что атомы действуют друг на друга. И среди энергетических уровней наблюдается определённый порядок: энергетические уровни делятся на так называемые зоны. Отсюда и название — зонная теория. На рисунке ниже представлены возможные случаи распределения зон. Следует отметить, что это характеристики всего материала.

Нижняя зона называется валентной зоной. Электроны, которые находятся там, относятся к атомам. Электроны, которые находятся в верхней зоне, являются «общими». Эти электроны очень хорошо реагируют на электрическое поле и непосредственно отвечают за формирование электрического тока в веществе, т.е. за его электрические свойства. Такая зона называется зоной проводимости. Между ними находится запрещённая зона. На картинке также видно, как зависят от ширины запрещённой зоны свойства материалов и принадлежность к тому или иному классу веществ. Видно, что у металлов зоны перекрываются, поэтому у них электроны легко становятся «общими» и соответственно их в зоне проводимости много и течёт хороший заметный ток. У полупроводников зоны находятся на некотором расстояние, но не значительном. Это значит, что электрон может «перепрыгнуть» через эту зону, если получит извне достаточно энергии. У диэлектриков зона шире, поэтому «перекинуть» электроны в зону проводимости трудно, в результате чего токи там текут очень маленькие. И вообще говорят, что диэлектрики токи не проводят.

Есть ещё ряд не менее важных моментов, но здесь рассмотрение их будет опущено и для начального понимания сути физической природы, достаточно будет и этих данных.

Резюме

Для описания свойств твёрдых тел используется зонная теория. Суть теории заключается в том, что внутри материала существуют электроны, которые могут учувствовать в образование электрического тока, остальные же принадлежат атомам. Если подавать на материал энергию (свет, тепло, электрическое поле), то можно «отрывать» электроны от атома для того, чтобы они проводили ток. Есть материалы, где это легко сделать, а есть где сложно. «Золотую середину» занимает класс материалов — полупроводники. В действительности все свойства веществ описываются квантовой физикой.

Шаг 4. Полупроводники

Чем же так особенны полупроводниковые материалы, что они совершили революционный переворот в технике? Весь секрет кроется именно в достаточно узкой запрещённой зоне. Давая электронам какую-нибудь энергию, можно регулировать проводимость материала. Это может быть
электрическое поле, свет (электромагнитные волны), температура и т.д. Это и объясняет колоссально широкое применение полупроводниковых приборов.

Для более детального рассмотрения следует ввести некоторые термины, используемые в теории. В первую очередь «дырки». Дело вот в чём. Если из валентной зоны «улетит» электрон, то там останется свободное место. На это место может «прилететь» другой электрон. Т.к. электрон имеет отрицательный электрический заряд, то «улетая» от атома, он уносит собой этот кусочек общего заряда атома и атом становится чуть-чуть положительней. Конечно рассуждения грубы, но это наводит на мысль о том, что можно представить, что на месте электрона образовалась дырка, которая «несёт» положительный заряд. Это настолько удачная мысль, что в теории полупроводников эти «дырки» называют даже частицами. Хотя на самом деле это никакая не частица, а просто вот такой трюк. Этот трюк удобен для теории, поэтому останавливаться подробно не будем на этом, но терминологию такую использовать будем. Также «дырки» и электроны в теории полупроводников называют p и n частицами от positive и negativе соответственно.

Раз в полупроводниках существует два типа частиц с зарядом, способных упорядоченно двигаться, то существует в полупроводниках два типа тока: электронный и дырочный. Кроме того, двигаться частицы эти могут либо из-за электрического поля, либо из-за диффузии. Соответственно токи ещё могут быть или диффузионными или дрейфовыми.

Наиболее популярными полупроводниковыми материалами на данный момент являются кремний, германий и соединение арсенид галлия.

Сложной и самой важной конструкцией в полупроводниковых приложениях является контакт полупроводников p-типа и n-типа, так называемый pn-переход.

Резюме

Полупроводниковые материалы обладают относительно узкой запрещённой зоной, что делает их гибкими в электрических применениях. В терминологии теории применяется понятие «дырка», которая интерпретируется как частица и может создавать электрической ток. «Дырка» является свободным местом под электрон и «имеет» положительный заряд. В чистом полупроводнике равное количество электронов и «дырок». Для технических применений создают специальные материалы с большим количеством или «дырок» (p-тип) или электронов (n-тип).

Шаг 5. PN-переход

Если взять два полупроводниковых материала и соединить их так, как показано на рисунке ниже, то можно получить pn-переход. На самом деле так не делают, потому что невозможно получить общую кристаллическую решётку просто приложив два материала, но для общих представлений достаточно и такой модели.

Напомню, что в чистый полупроводник добавили примесь, благодаря которой, материал стал обладать повышенной концентрацией зарядов, в одном случае «дырок», в другом — электронов.

Как только два материала «соединили», образовав единый кусок вещества, возникает явление диффузии, которое стремится уровнять концентрации частиц по всему объёму. Самое интересное здесь будет происходить на границе, где рекомбинируют (уничтожаются) электроны и «дырки». В конечном счёте около границы двух материалов возникнет тонкий слой без «дырок» и электронов, т.е. весь заряд скомпенсировался. Однако, примеси, которые были добавлены в материалы, здесь вносят свой вклад. Эти примеси представляют собой ионы (атомы), которые имеют также какой-то заряд. Этот слой показан на рисунке.

Тот факт, что имеются заряженные ионы, и предотвращает дальнейший рост слоя рекомбинированных пар электронов и «дырок». Дело в том, что между двумя противоположно заряженными областями образуется электрическое поле, напряжённость которого направлена от положительной области к отрицательной. В итоге возникает равновесие в материале: при определённой толщине слоя, поле будет на столько сильным, чтобы отправлять обратно заряженные частицы (p и n), которые будут стремиться перетекать под действие диффузии в другую область. Противоборство электрического поля и диффузии и образуют pn-переход. На рисунке ниже это представлено более наглядно.

На рисунке квадратиками обозначены ионы, а кружочками частицы (p и n). Следует отметить, что если проводник n-типа — это ещё не значит что там только электроны, там также есть и дырки, но их очень мало. Это видно по диаграмме, которая нарисована на листочке. Можно догадаться, что для тех частиц, которых мало в той или иной области поле будет их ускорять, т.е. пропускать. Это так называемый ток неосновных носителей заряда. Если pn-переход никак не трогать, то данные токи равны и соответственно общий ток равен нулю.

Самые интересные свойства pn-перехода проявляются если на него воздействовать какой-нибудь энергией, например, электрической.

В области контакта отсутствуют основные носители заряда, т.к. они все рекомбинировали. Соответственно это можно интерпретировать, как участок с большим сопротивлением. По крайней мере большим, чем остальной объём полупроводника. Также в виду того, что там присутствует поле, можно говорить, что имеется некоторая разность потенциалов, которую обычно называют контактной. Также говорят, что эта разность потенциалов формирует потенциальный барьер. Углубляться в этот вопрос не будем. Однако с этим связаны не менее интересные вещи, к примеру, именно этот потенциальный барьер определяет то, какое напряжение будет на переходе, если рассматривать pn-переход включённым в некоторую электрическую цепь. Вообще величина данного барьера зависит от типа материала. Поэтому различные полупроводниковые приборы, сделанные из разных материалов, отличаются рядом параметров, в том числе и падающим напряжением на переходе.

Дело в том, что энергия, о которой постоянно идёт речь и которая очень важна для физики, обладает таким свойством, что она ниоткуда не берётся и никуда не уходит, она лишь способна менять свою форму. Когда электрон с дыркой рекомбинируют, а это, если вспомнить про зонную теорию, значит, что электрон встал на своём место в валентной зоне, т.е. уменьшил свою энергию. Данная энергия никуда не исчезает, а лишь трансформируется. Можно сделать такие конструкции, что эта энергия будет излучаться в виде света. Тогда можно использовать pn-переход в качестве излучателя. От типа примеси значительно зависит частота (длина волны) излучения. Другими словами, подмешивая разные примеси в полупроводник, можно управлять цветом его излучения. Существуют также более сложные конструкции с несколькими pn-переходами. Какой из них будет светить — зависит от тока. Так можно делать излучатель на несколько цветов.

В инженерной и научной практике обычно, для наглядности отображения свойств каких-нибудь сложных физических структур, используют специальные диаграммы зависимостей различных величин от других. В электротехнике часто это бывают зависимости тока и напряжения друг от друга. Для pn-перехода, где определяющим является ток, протекающий через переход, очень удобны зависимости тока от напряжения. Такая зависимость приведена на рисунке ниже. Её также называют вольт-амперной характеристикой или сокращённо ВАХ.

Знание ВАХ позволяет не держать в голове все физические процессы в материале, а опираясь на такие зависимости проектировать устройства. На рисунке эта зависимость нарисована оранжевым фломастером. Можно заметить, что если увеличивать напряжение в обратном смещение, то после некоторого значения резко растёт ток. Физически это своеобразное поведение электронов, похожее на лавину. Говорят, что происходит лавинный пробой. Обычно после такого pn-переход своими свойствами больше не походит на pn-переход. Подробно не будем рассматривать эту тему. Отметим, лишь, что иногда, но в меру лавинный пробой бывает полезным.

Ещё одной особенностью pn-перехода является то, что тот обеднённый слой на месте контакта двух проводников, который создаёт внутреннее поле, очень похож на конденсатор. Поэтому говорят, что внутри перехода имеет ёмкость. Её именуют барьерной, чтобы подчеркнуть способ её образования. Также существует ещё одна ёмкость, которая наблюдается при прямом включение перехода и она объясняется динамическими процессами в полупроводниках. Её называют диффузионной. Подробно касаться этого тоже не будем. Ёмкости нужно время для того, чтобы зарядится и разрядится, поэтому если возникает желание быстро менять местами напряжение на концах pn-перехода, то из одного режима в другой переход перейдёт не мгновенно. Для того, чтобы подчеркнуть, что ёмкость очень важна даже рисуют вот такие эквивалентные схемы для pn-перехода.

Ёмкость pn-перехода также интересна для использования на практике. Дело в том, что при обратном смещении от напряжения зависит толщина обеднённого слоя, а соответственно и количество заряда, которое находится по обе стороны перехода. В таком случае можно говорить, что напряжение изменяет ёмкость перехода.

Резюме

Самой популярной конструкцией в полупроводниковой электронике является pn-переход, который представляет собой соединение двух полупроводников разного типа (p и n). Данный переход обладает уникальными свойствами, что определяет его широкое применение. Основной особенностью данного контакта можно считать пропускание электрического тока только в одну сторону. Кроме того, pn-переход может генерировать свет и реагировать на него.

Шаг 6. Переход полупроводник-металл

Кратко можно упомянуть ещё об одном виде контактных явлений: между металлом и полупроводником. При определённых условиях в таком контакте может появиться также потенциальный барьер. Очень часто можно встретить название — барьер Шоттки. По имени изобретателя. Для наглядности посмотрим как это происходит, если соединить металл с полупроводником n-типа. Рассуждения для полупроводника p-типа похожи.

При таком контакте основные носители заряда (электроны) из полупроводника будут перетекать в металл. Что приведёт к схожей ситуации с pn-переходом. Возникнет область с полем, которое будет тормозить дальнейшее увеличение объёма необогащённого слоя. Процессы внутри материала отличаются, конечно, от pn-перехода, но в некоторой степени схожи. ВАХ имеет похожую структуру.

Основным отличием от pn-перехода является то, что данный переход является более быстрым в виду того, что за ток отвечают только электроны (подвижность электронов выше, чем у «дырок»). Также ёмкость перехода намного меньше. Также следует отметить, что на переходе падает меньше напряжение, чем при контакте двух полупроводников.

Резюме

Помимо pn-перехода существуют другие типы соединений. Интересным с практической точки зрения является контакт металл-полупроводник, который обладает схожими свойствами с pn-переходом.

Шаг 7. Диод

Простейшим среди полупроводниковых устройств является диод. Название такое от того, что у него два вывода (вход и выход). В основе всех диодов лежат свойства pn-перехода, обыгрывая какой-нибудь из параметров, получаются разные диоды. Простейший диод, на основе pn-перехода выглядит и обозначается вот так:

Ниже приведено краткое описание других типов диодов. Диоды Шоттки основаны на использовании барьера Шоттки; варикапы используют ёмкостные эффекты pn-перехода; стабилитроны используют особенности обратной ветки ВАХ диода (показано на рисунке) для стабилизации напряжения; туннельные диоды используются при проектировании генераторов; фотодиоды и светодиоды применяются для детектирования и излучения света (возможна модификации для излучения когерентного света — лазеры).

Также существует класс устройств с тремя выводами, но по функциональности они ближе к диодам. Это так называемые тиристоры. Они часто применяются для электрических приложений с большими мощностями. В каком-то отдалённом смысле принцип работы можно сравнить с ещё одним сложным устройством, но более популярным — транзистором. В тиристорах также один pn-переход управляет другим. Более подробно можно почитать о тиристорах, динисторах и других устройствах из этого класса в дополнительной литературе. Кроме всего прочего, существует большое разнообразие других видов, таких как лавинные фотодиоды (очень чувствительные, используются в экспериментах с квантовыми компьютерами и криптографией), pin-диоды, оптроны, импульсные диоды и т.д.

Широкое разнообразие разновидностей диодов говорит об очень больших областях применения. Более популярными (с академической позиции) являются использование диодов для выпрямления сигнала (из переменного в постоянный), для стабилизации напряжения, для подстройки частоты (через изменение ёмкости) колебательного контуры. И многое другое. Необходимо отметить, что полупроводниковая электроника развивается большими темпами и сейчас диод именно как чистый pn-переход внедрён повсеместно. Подробности будут сказаны ниже.

Резюме

Полупроводниковый диод является простейшим конечным устройством, использующим pn-переход. Существуют различные модификации диодов, которые используют те или иные параметры pn-перехода. Полупроводниковые диоды очень широко распространены.

Шаг 8. Транзистор

Не менее популярными и значимыми устройствами в классе полупроводниковых приборов являются транзисторы. Это устройства обычно с тремя выводами, которые можно разделить на два больших класса: биполярные и полевые.

Полевой транзистор представляет собой некоторую полупроводниковую структуру, в которой имеется чётко выраженная область либо p, либо n-типа. Такую область называют каналом. Данный канал имеет какую-то определённую проводимость (сопротивление). Суть работы полевого транзистора состоит в том, что дополнительные полупроводниковые конструкции в виде pn-переходов в нём позволяют управлять проводимостью (сопротивлением) этого канала. Другими словами, полевой транзистор — это переменное сопротивление, которое полезно использовать в различных схемах. Само слово транзистор, в принципе, расшифровывается как переменное сопротивление. На рисунке ниже показана структура типичного полевого транзистора.

Как видно канал имеет два вывода, обладающие особой терминологией: исток и сток. Эти выводы подключают к участку цепи, где нужно переменное сопротивление. Третий вывод транзистора являет управляющим. На него подаётся сигнал, который изменяет проводимость (сопротивление) канала. Этот вывод именуют затвором. Существуют различные способы организации данного эффекта управления, по которым полевые транзисторы ещё делятся на несколько подклассов.

На рисунке выше изображён полевой транзистор с управляющим pn-переходом. Принцип его работы основан на рассмотренных выше свойствах pn-перехода. В данном случае pn-переход включают в обратном направлении и под действие внешнего электрического поля переход либо увеличивается (в размере) или уменьшается. Таким образом, регулируется площадь канала. Чем меньше площадь (поперечного сечения) материала, по которому течёт ток, тем меньше его сила (при прочих равных условиях). Дальнейшие тонкости рассматривать не будем. Имеет место аналогия с вентилями на трубах, работа которых аналогична. Как уже выше отмечалось, удобно перейти к различным зависимостям, которые будут отражать суть эффекта для технической реализации. На картинке представлены такие зависимости для изображённого транзистора. Это два совмещённых графика: выходная характеристика (правый) и характеристика прямой передачи (левый). Через pn-переход в обратном включении течёт маленький ток, поэтому неудобно говорить об управляющем токе. В основном рассматривают управляющее напряжение, поэтому на характеристике прямой передачи (зависимости выходного тока) рассматривается зависимость от напряжения. Видно, что с увеличением напряжения, уменьшается выходной ток (растёт переход и перекрывается канал). На правом графике приведено несколько зависимостей. Они отличаются друг от друга только входным напряжением. По данному графику тоже хорошо видно, что чем больше сопротивление, тем меньше ток на выходе.

На следующем рисунке представлен другой подкласс полевых транзисторов — транзисторы с изолированным затвором. По их структуре их ещё называют МДП (метал-диэлектрик-полупроводник), чтобы подчеркнуть изолированность металлического затвора диэлектриком от полупроводникового канала. Также встречается название МОП (вместо слово диэлектрик подставляют более конкретно — оксид). Изоляция тут нужна для того, чтобы не создавать сложных контактных структур, потому, что нужно только электрическое поле, которое и создаётся затвором (между затвором и другим контактом-подложкой, как в конденсаторе).

На рисунке схематично изображена конструкция такого полевого транзистора. Когда на затвор подают потенциал больше, чем на подложке, то напряжённость поля будет направлена в сторону подложки и все те немногочисленные электроны, что есть в p-полупроводнике будут «примагничиваться» к затвору. Через некоторое время образуется тонкий слой электронов, который создаёт «мостик» между стоком и истоком и выступает в качестве канала. Говорят, что канал индуцировался (образовался). Поэтому такие транзисторы называют «с индуцированным каналом». Существует также немного другая модификация, когда принцип тот же самый, но изначально делают очень тонкий канал, для того, чтобы можно было что-нибудь проводить и без подачи потенциала на затвор. Такой полевой транзистор называют со встроенным каналом.

Как можно заметить, сила тока варьируется от двух параметров: от площади поперечного сечения проводника и от количества зарядов, «протекающих» через это сечение. Полевые транзисторы для управления током используют оба эти параметра, регулируя в одном случае концентрацию зарядов (изолированный затвор), а в другом случае площадь поперечного сечения (управляющий pn-переход).

Другим классом транзисторов, являются биполярные транзисторы, которые в отличии от полевых (поле), состоят из двух pn-переходов и управление током через один переход производится с помощью другого. На рисунке показано обозначение биполярных транзисторов и их принцип работы.

Можно выделить основные части биполярного транзистора: база, эмиттер и коллектор. На рисунке они изображены одинакового размера, хотя на самом деле базу стараются сделать уже. Дальше будет понятно почему.

Если подключить провода к двум концам такого транзистора (эмиттеру и коллектору) и подать напряжение, то через него не будет течь ток вообще ни в каком направлении. Это объясняется структурой. Можно заметить, что в любом случае какой-нибудь из pn-переходов будет в обратном смещении. Однако, если на базовый контакт подать соответствующее напряжение, то можно заметить увеличение тока. Секрет кроется в том, что при подаче напряжения, например как на рисунке, один переход будет в прямом смещении, в другой в обратном. Прямое смещение первого перехода создаёт хороший поток «дырок» из эмиттера в базу, где они, конечно же, рекомбинируют с огромным количеством электронов. Если величина тока достаточная, то часть «дырок» не будет успевать рекомбинировать и их количество будет накапливаться. По действием диффузии они потекут к коллекторному переходу, а там уже переход в обратном смещении, который для неосновных носителей является ускоряющим, т.е. поле перехода «выкинет» «подлетевшую» к нему «дырку», что и создаёт ток коллектора. Заметим, что «дырок» в этом случае в n-полупроводнике больше, чем обычно, поэтому будет течь существенный ток. такой режим работы биполярного транзистора называют активным (один переход открыт, другой закрыт). Также существуют и другие режимы, в зависимости от направления смещения pn-переходов. Особенности эти трогать не будем, о них можно почитать в дополнительной литературе.

Для биполярных транзисторов также используют описание с помощью всевозможных характеристик, обычно это входные (входной ток) и выходные (выходной ток). На рисунке ниже представлены наиболее популярные способы использования биполярных транзисторов и их характеристики.

Дело в том, что и полевые и биполярные транзисторы можно подключать к электрической цепи по-разному, основное отличие состоит в том, куда подавать управляющий сигнал (по правде немного по-другому: какой выход будет общим для управляющей цепи и для управляемой). Для полевых транзисторов данное описание было опущено, а вот для биполярных в виду существенной разницы приведено для двух более популярных случаев (бывает ещё с общим коллектором).

Для того, чтобы не запутаться где рисовать и какие стрелки на обозначениях транзисторов, запомните, что стрелка как у компаса указывает на N (n-тип полупроводника).

Это актуально и для биполярных и для полевых транзисторов (там бывает канал разного типа). У одних она всегда рисуется на эмиттере, у других на затворе.

В радиотехнике существует много разных подходов для описания устройств и их параметров. Один из них — это представление устройства в виде чёрного ящика с несколькими выводами. Каждый вывод соответствует физическому выводу устройства. Такой подход позволяет также абстрагироваться от физики и использовать лишь непосредственно свойства устройства. Для транзисторов типична схема включения, когда один из её выводов является общим для управляющей и для управляемой цепи. В итоге получается, что транзистор как бы имеет 4 вывода. В этом случае называют чёрный ящик четырёхполюсником. Между входом и выходом устройства есть очевидно связь и эту связь можно описать разными коэффициентами, которые называют параметрами. Для транзисторов наибольший интерес представляют h-параметры (H-параметры). Значения их приведено на рисунке ниже.

Среди них наиболее интересный это h₂₁ параметр, который часто можно встретить в документации на транзисторы, что он значит будет сказано ниже.

Вопросы работы с транзисторами достаточно сложны, как и с любыми полупроводниковыми устройствами, поскольку включают в себя также различные зависимости от температуры, от частоты сигнала, различные шумы и т.д. Касаться всего этого не будем, ниже лишь немного рассмотрим два наверно наиболее популярных применения транзисторов, в качестве усилителей сигналов и в качестве ключей.

Резюме

Самым интересным устройством среди полупроводниковых приборов является транзистор. Транзисторы позволяют реализовывать различные цифровые и аналоговые устройства. Различают два класса: биполярные (ток) и полевые (поле) транзисторы.

Шаг 9. Транзистор-усилитель

Когда говорят об усилительных свойствах какого-нибудь устройства, обычно рисуют графики, как на рисунке ниже. На графиках показывается как меняется выходной сигнал в зависимости от входного.

Взглянув на рисунок, можно заметить схему, это самая простая схема включения транзистора (в данном случае биполярного), которая позволяет ему усиливать сигнал. Самое сложное тут, это «передвинуть» входной сигнал так (по входной характеристике), чтобы он начал усиливаться, да ещё и без искажений. Для этого, нужно, чтобы «центр» сигнала был в такой точке, от которой по обе стороны одинаково меняется кривая. Это нужно, чтобы не было искажений. Такую точку называют рабочей. Для этого на схеме есть специальный резистор, который к входному сигналу даёт постоянное смещение. По графикам можно проследить, что сигнал усилился. Видно, что усиление происходит по току, ну и как следствие по напряжению тоже. Поэтому для характеристики усилительных свойств транзисторов вводят специальные коэффициенты, которые показывают во сколько раз выходной ток, напряжение или мощность больше входного. Параметр h₂₁, о котором говорилось выше, является приблизительно равным коэффициенту усиления по току. На этом следует остановиться, ибо вопросы, касаемые усилителей и усилительных каскадов сложны и являются вообще отдельной веткой электроники. Поэтому об этом или говорить всё или лучше ничего или почти ничего, здесь рассмотрены лишь основы. Вершиной совершенства полупроводниковых усилителей являются специальные каскады, которые называются операционные усилители, которые сейчас представляют целое полупроводниковое аналоговое устройство с наисложнейшей архитектурой

Резюме

В аналоговой электроники самое популярное применение транзисторов — это усилительные каскады. Усиление происходит за счёт особенностей работы транзистора. Для того, чтобы сигнал усиливался без искажений нужно правильно подбирать напряжение смещения.

Шаг 10. Транзистор-ключ

Другим направлением развития применения транзисторов, которое стало также очень популярным и положило начало всей современной цифровой электронике, является применение транзисторов в качестве ключей. Ключом называют обычный переключатель между двумя состояниями. На рисунке представлен пример такого обычного переключателя.

Для того, чтобы сделать из транзистора ключ, необходимо также выбрать два состояния транзистора, между которыми производить переключение. Обычно это когда транзистор проводит большой ток и когда маленький, говорят транзистор «открыт» или «закрыт». С позиции цифровых применений, это соответствует «1» и «0». Проектирование цифровых ключей тоже имеет много подводных камней и схемы во много раз сложнее тех, что изображены на рисунке, но основа та же. Дело в том, что для ключей критическим является скорость переключения, а также различимость двух состояний. Поэтому требуются расчёты и модернизации, чтобы оптимальным образом работать с характеристиками транзистора.

Основная идея заключается в том, что имеется некоторая электрическая цепь с одним постоянным сопротивлением и одним переменным, в качестве которого выступает транзистор. Если сопротивление транзистора намного больше постоянного сопротивления, то всё напряжение падает на нём, а на резисторе оставшееся. Если же, у транзистора на много меньше сопротивление постоянного, то ситуация противоположная. Суммарно напряжение на транзисторе и постоянном сопротивление всегда равно напряжению питания. Это закон, который ещё называют законом Кирхгофа №2. Отсюда становится понятна идея, что при подаче сигнала (тока, напряжения) на вход транзистора, он открывается и всё падает на постоянном сопротивлении, если убрать сигнал, то он «закрыт» и всё падает на транзисторе. Если мерить напряжение на транзисторе, то зависимость между входом и выходом будет похожа на логическую операцию инверсия: когда на входе «1», на выходе «0» и т.д.

Большую популярность сейчас имеют схемы, на подобие той что приведена в правом верхнем углу рисунка. Это так называемая комплементарная пара. Тут всё просто: подавая один и тот же сигнал на транзисторы с разным типом канала, всегда будет открыт только один из транзисторов. Это позволяет уменьшить энергетическое потребление схемы.

Цифровые транзисторные ключи позволяют создавать сложные логические схемы, которые уже способны производить наисложнейшие вычисления.

Резюме

В цифровой электроники самое популярное применение транзисторов — это ключи. Транзисторы переключаются между двумя состояниями, за счёт чего и проявляется эффект «ключа». Реальные ключи являются сложными каскадами с дополнительными элементами для улучшения параметров. На транзисторных ключах формируются логические элементы.

Шаг 11. Логические элементы

Рассмотренные в предыдущем разделе транзисторные ключи в первую очередь нашли своё применение в цифровой электроники. Можно даже говорить, что они её сформировали. При помощи только одного ключа можно сформировать все нужные конструкции, чтобы рассчитывать логические функции. В математике доказывается, что для это не нужно реализовывать все возможные функции, достаточно того, чтобы можно было сделать только несколько основных (базис), через которые уже можно выразить все остальные. Например, это может быть операция инверсии и конъюнкция (2И-Не), а может быть исключающее или и инверсия. Простой ключ уже сам по себе реализует инверсию. А конструкции, которые показаны ниже на рисунке, позволяют реализовать операцию 2И-Не (такой каскад называют вентиль).

На картинке изображены две схемы, одна для биполярного транзистора, другая для полевого, причём полевой транзистор использует комплементарные пары. Существует огромное количество различных модификаций данных типов соединений. Но эти являются самыми основными. Причём КМДП логика на данный момент является самой популярной, правда, не в чистом виде. Все технологические новинки являются коммерческой тайной производителей электроники.

Рассмотрим для примера работу ТТЛ (транзистор-транзисторная логика). Тот интересный транзистор, который расположен на входе, на самом деле не является конкретным устройством, это всё реализуется интегральными методами, но об этом позже. Пусть, к примеру, напряжение питания 5 вольт, а на входах A и B сигналы «0», т.е. примерно 0.1 вольт. Это говорит о том, что эмиттерные переходы смещены в прямом направлении. Если устройство делается из кремния, то на таком переходе будет примерно 0.7 вольт (это факт, связанный с потенциальным барьером). Тогда, опираясь на закон Кирхгофа №2, можно говорить, что между базой входного транзистора и землёй, которая у выходного транзистора падает примерно около 0.8 вольт. Точность тут не важна, главное понимать, что этого мало, поскольку для того, чтобы по этой цепи протекал электрический ток, нужно как минимум 0.7 + 0.7, поскольку в цепи два pn-перехода (один коллекторный — от первого транзистора, второй эмиттерный — от второго). Тогда транзистор на выходе закрыт, и на выходе ключа «1». Ситуация, когда A и B «1» и «0» (или «0» и «1») ничего не меняет, поскольку разные потенциалы на входе будут замыкаться, и pn-переход также будет в прямом смещении. Однако, если подать на вход «1» и «1» т.е. по 5 вольт, тогда между базой и эмиттерами переходы будут в обратном смещении. Т.е. на них будут маленькие напряжения, что говорит о том, что на базе почти 5 вольт. Тут тоже точность не нужна. Важно то, что этого напряжения уже достаточно и спокойно открываются оба pn-перехода. Это приводит к тому, что начинает течь ток и открывается выходной транзистор, на выходе которого «0». Вот такая зависимость между A, B и Y называется 2И-Не, поскольку это операция логическое умножение и затем инверсия.

Также очень интересной является И2Л (интегрально-инжекционная логика), которая тут не представлена на картинке, т.к. не очень популярна, однако в СССР были значительные успехи в её применении. Уникальность её заключается в сверхмалой потребляемой мощности (можно работать с напряжениями до 1 вольта), устойчивости к шуму и очень компактные размеры (связано с планарной технологией). О принципах её работы также здесь не будет сказано, поскольку говорить нужно о многом.

Резюме

Транзисторные ключи позволяют формировать универсальные логические каскады — вентили, которые могут формировать путём каскадных соединений более сложные логические функции. Все современные цифровые устройства состоят из такого рода вентилей. Сейчас при проектировании микросхем (о них в следующем разделе) редко пользуются транзисторным масштабом, всё сводится к описанию соединений между уже готовыми логическими модулями (часто для это применяют языки HDL).

Шаг 12. Где в процессоре транзисторы?

Яркими представителями современных полупроводниковых устройств являются процессоры и иные микросхемы. Все эти устройства построены на pn-переходах. Миллионы транзисторов образуют ключи, которые в свою очередь образуют логические элементы, реализующие разнообразные операции: сложение, вычитание, умножение, деление и т.д. О том, как на элементе 2И-Не всё это можно реализовать следует почитать в дополнительной литературе по алгебре логики.

Современные сложные машины могут «засунуть» такое огромное количество транзисторов в такие маленькие размеры при помощи так называемой планарной технологии. Суть её состоит в том, что берётся чистый кусок полупроводника (тонкая пластинка) и на него наслаивают различные уровни примесей через специальную маску, чтобы разместить примесь в нужном месте. И так поочерёдно образовывая сложные соединения. Это действительно высокие технологии, которые не стоят на месте. Конечно, сейчас операции намного сложнее, чем тут описано, однако принцип остаётся тем же. Более подробно о производстве полупроводниковых микросхем можно почитать в литературе, а также посмотреть интересные статьи от компании Intel.

Резюме

В данной статье сжато (где это возможно) рассказано об очень важной области электроники. Рассмотренные темы действительно можно считать наиболее ключевыми для общего понимания принципов функционирования полупроводниковых устройств. Найти ответы на появившиеся вопросы поможет список книг и статей ниже. Безусловно отрасль полупроводниковой электроники ещё долгое время будет задавать темп научно-технического развития общества. Недаром процессоры, как представители этого направления, включили в тренды технологий 2012 года по версии EE Times.

Шаг 13. Почитать

Источник