Как сделать полупроводник
Добавил пользователь Евгений Кузнецов Обновлено: 04.10.2024
Мы живем в эпоху, сущность которой определяют цифровые технологии и электроника. И краеугольный камень этого мира — миниатюрная микросхема, состоящая из кремниевых транзисторов. А они, в свою очередь, были бы невозможны без полупроводников.
Микросхемы, транзисторы и полупроводники можно найти почти в любом устройстве сложнее вентилятора, начиная со стиральных машин и заканчивая космическими спутниками и аппаратами ИВЛ. Поэтому освоение полупроводников можно без сомнений назвать главным изобретением XX века. Рассказываем историю рождения технологии, сформировавшей нашу реальность.
Что такое полупроводники и почему они наше всё
Для начала немного физики. Полупроводники — это вещества с особыми свойствами проводимости электричества. На этих свойствах основана вся современная электроника — именно они позволяют модулировать, усиливать и направлять ток и обмениваться электросигналами.
Но сам по себе полупроводник — это всего лишь материал. Для того, чтобы использовать его особенности, инженеры разработали транзисторы — сложные миниатюрные устройства, управляющие током и преобразующие его. Главный элемент транзистора — p-n-переход (positive-negative), в котором соприкасаются два полупроводника. А из комбинаций транзисторов состоят микросхемы, которые используют обмен сигналами между ними для вычислений.
Свойствами полупроводников обладают многие другие элементы и вещества, например германий или сапфир, но в подавляющем большинстве случаев сегодня используется кремний. Для того, чтобы усилить особые свойства полупроводников, они обогащаются добавками — например, мышьяком. Добавление примесей — отдельная непростая задача, которую можно решить множеством способов.
Первые догадки
История покорения полупроводников началась в 1833 году, когда физик Майкл Фарадей заметил, что электропроводность сульфида серебра повышается при нагревании. Другие металлы реагируют обратным образом — чем выше температура, тем хуже через них проходит ток. Через пять лет Антуан Анри Беккерель заметил, что некоторые материалы меняют электропроводность под воздействием света.
Майкл Фарадей
По сути, четыре эти открытия описывают основные свойства полупроводников. Но сущность этих свойств осталась для физиков XIX века загадкой — тогдашняя наука была не способна объяснить их. Исследовать полупроводники удалось лишь в 1920-1940-х годах, когда ученые смогли объяснить их устройство материалов на атомарном уровне.
Германий меняет мир
Электроника, то есть совокупность технологий, позволяющих использовать электрический ток для вычислений и обработки информации, появилась еще в 1930-х годах. До середины 1950-х основным компонентом электронного оборудования были вакуумные лампы. Именно их использовали первые компьютеры, созданные в годы Второй Мировой войны для военных целей.
Главным недостатком вакуумных ламп была чрезвычайная громоздкость. Вакуумная лампа примерно такого же размера, как лампочка накаливания. А транзистор, который выполняет ту же роль, крошечный: первая в истории серийная интегральная микросхема Intel 4004, выпущенная в 1971 году, была 5 сантиметров в длину и вмещала 2300 транзисторов. Поэтому ламповые компьютеры занимали по несколько комнат, но действовали очень медленно.
Первая в истории серийная интегральная микросхема Intel 4004
Кроме того, лампы потребляли гигантские объемы энергии и выделяли огромное количество тепла. Для того, чтобы электроника развивалась дальше, нужно было создать гораздо более экономичный электронный компонент — то есть транзистор.
Первый патент на концепцию полупроводникового транзистора, в котором использовался сульфид меди, еще в 1926 году подал польско-американский изобретатель Юлиус Лилиенфельд. Однако ему так и не удалось воплотить свое гипотетическое изобретение в жизнь — идея была реализована лишь 20 лет спустя.
Транзистор создали ученые из лабораторий корпорации Bell. Они начали изучать потенциал p-n перехода полупроводников еще в середине 1930-х. Однако из-за Второй Мировой войны почти всем передовым американским физикам пришлось пойти работать на армейские проекты, где разрабатывали радары и ядерное оружие. Исследования остановились на несколько лет, и возобновились после разгрома стран Оси.
Первый рабочий транзистор был создан в конце 1947 года. В качестве полупроводника в нем был использован германий — его научились очищать и выращивать раньше, чем кремний. Транзистор разработала группа инженеров во главе с Уильямом Шокли, Уолтером Браттейном и Джоном Бардином. В 1950 году Шокли получил патент на оригинальный транзистор, а Браттейн и Бардин — на его трехэлектродную версию. В 1956 году все трое были награждены Нобелевской премией по физике. Бардин стал единственным человеком, получившим эту премию дважды — в 1972 году он вместе с двумя другими физиками был награжден ей за разработку теории сверхпроводимости.
Тот самый патент Шокли
Открытие транзисторов породило совершенно новую индустрию, причем главным их покупателем стали военные, а чуть позже и НАСА. Лидером отрасли, помимо Bell, стала компания Philco, транзисторы которой первые годы были даже быстрее. Но уже в 1955 году группа ученых из Bell совершила еще одну мини-революцию, создав диффузионный транзистор — он отличался особым способом добавления усиливающих примесей а вещество-полупроводник.
Военные требуют кремния
Германиевые транзисторы стали огромным прорывом. Тем не менее, у них было как минимум два существенных недостатка — они сильно нагревались и не могли работать на высоких температурах. Забегая вперед, отметим, что и для современных интегральных микросхем германий не подходит. Физики знали, что гораздо более удобным полупроводником является кремний. Об этом было известно и военным, которые требовали разработать универсальные и жаропрочные кремниевые транзисторы.
Квалифицированных ученых в США в те годы было очень мало — с 1946 по 1948 год американские университеты выпустили всего 416 физиков и 378 математиков. Фундаментальная наука в стране как отрасль только зарождалась — до Второй Мировой государство почти не финансировало ученых, и им приходилось заниматься сугубо практическими и быстро коммерциализируемыми исследованиями для нужд промышленности, а почти все прорывные теоретические открытия совершались в Европе. Именно Вторая Мировая война, в начале которой Америка заметно отставала в технологиях от Германии, побудила Вашингтон создать первые федеральные программы поддержки фундаментальных исследований.
Количество ученых в США вскоре возросло во много раз, что быстро сделало их мировым лидером во многих отраслях науки. Однако этот эффект проявился лишь через десятилетие. А в 1950-х инновационными исследованиями могли заниматься всего несколько сотен человек на всю огромную страну. Потеряв группу специалистов, компания могла утратить инновацию Поэтому главным механизмом конкуренции стало переманивание ученых.
Слева еще германиевый, а справа уже кремниевый транзистор от Texas Instruments
Эти новые кремниевые транзисторы от Texas Instruments были адаптированы для использования в военной аппаратуре: бортовых радарах, средствах связи и навигационном оборудовании. К концу 1950-х они сделали Texas Instruments лидером отрасли и главным получателем военных госзаказов в сфере электроники. Очень вовремя — из-за Холодной войны в ВПК потекли огромные деньги. Их продажи выросли с нескольких сотен тысяч долларов в 1954 году до более чем 80 миллионов долларов в 1960 году.
В следующей статье мы расскажем о создании микрочипа, рождении современной Кремниевой долины, а также о состоянии полупроводниковой индустрии сегодня.
Если попытаться создать рейтинг изобретений 20 века, которые оказали наибольшее влияние на нашу жизнь, полупроводники и полупроводниковые приборы окажутся, если не на первом месте, то в десятке – непременно.
В основе технологий полупроводниковой электроники, как очевидно из названия, лежат полупроводники. В недавней беседе с одним своим знакомым, я был несколько удивлён, когда узнал, что, хотя он и был осведомлён, в принципе, что делают и для чего нужны такие устройства, как диод и транзистор, он понятия не имел, как они устроены, и почему они так работают. Мысленно я поблагодарил его за то, что нашёл тему для своего следующего поста.
И так, давайте рассмотрим первый столп современной электроники – диод.
Это свойство позволяет им формировать идеальные ковалентные связи с соседними атомами, создавая, тем самым, правильную кристаллическую решётку. В случае с углеродом, в зависимости от конфигурации атомов, мы можем получить либо графит, либо алмаз. В случае же с кремнием, его кристаллическая форма выглядит как серебристое вещество с металлическим блеском:
Ад перфекциониста – людям с ОКР теперь требуется соблюдать осторожность при обращении с полупроводниковыми приборами!
Диод в электронике играет роль своего рода клапана, который позволяет проходить току только в одну сторону. Но не стоит обольщаться. Диод, как и любое другое устройство можно испортить. Если подключить по схеме обратного смещения слишком большое напряжение, то диод выйдет из строя и, таки, пропустит через себя ток. К счастью, подобное напряжение в случае нормальной работы электронной схемы возникнуть не должно. Для полупроводников с малой долей примесей величина напряжения пробоя больше, чем для полупроводников с высокой концентрацией легирующих элементов:
Как жили до полупроводников?
Наверное, стоит ещё сказать пару слов о том, как мы жили до эры полупроводников, и какими раньше были диоды. А диоды раньше были тёплыми и ламповыми.
где — начальная электрическая проводимость; — проводимость после прекращения освещения; t — время; — время жизни неосновных носителей тока.
Если поместить однородный прямоугольный образец полупроводника в магнитное поле, перпендикулярное направлению тока, протекающему по образцу, то на боковых гранях возникает поперечная разность потенциала, называемая э. д. с. Холла (рис. 5-25), равная:
где -холловская разность потенциалов; R -коэффициент Холла; I -ток через образец; В-магнитная индукция; d — толщина пластинки в направлении магнитного поля.
В общем виде коэффициент Холла определяется выражением
где b — отношение подвижностей.
В частных случаях для резко выраженных типов полупроводников коэффициент Холла равен:
Эффект Холла позволяет определять тип проводимости полупроводника (по знаку возникающей между точками А к В разности потенциалов) и концентрацию носителей. Кроме того, можно определять величину подвижности носителей тока. Для этой цели нужно знать величину электропроводности данного полупроводника. Для полупроводника резко выраженного типа подвижность равна:
Эффект Холла используется для измерения магнитной индукции постоянных и переменных полей, тока и мощности в электрических цепях, преобразования постоянного тока в переменный, модуляции сигналов переменного тока, детектирования и усиления сигналов, генерирования электрических колебаний и т. п.
Наиболее важной особенностью некоторых полупроводников является выпрямляющее свойство контакта между двумя полупроводниками, имеющими разнородную проводимость (электронную и дырочную), или полупроводника с металлом. Сущность этого явления сводится к тому, что на границе соприкосновения двух полупроводников (или на границе полупроводника с металлом) образуется тонкий слой, обладающий свойством пропускать электроны в одном направлении и препятствовать прохождению их в обратном направлении. Этот слой называют запирающим . Это свойство используется для изготовления полупроводниковых вентилей, фотоэлементов с запирающим слоем и фотодиодов. Более сложные сочетания между разнотипными полупроводниками дают возможность получить полупроводниковые триоды и тетроды для генерирования и усиления электрических колебаний.
Ряд полупроводников обладает специфическими свойствами, позволяющими использовать их для создания различных полупроводниковых приборов. К таким свойствам относятся пьезоэлектрический и тензорезистивный эффекты, ферромагнитные и люминесцентные свойства и др.
Рис. 5-25. Поперечное поле, обусловленное эффектом Холла (полупроводник n-типа).
В ту эпоху полупроводники еще не нашли своего применения в электронной технике, и считались бесполезными. Действительно, если требуется проводник, то лучше взять медь, алюминий, а если требуется диэлектрик то, фарфор, слюду или стекло.
Электрические свойства материалов
Полупроводники, по своим свойствам, это и плохие диэлектрики и плохие проводники. Но без полупроводников не было бы современной электронной техники. Из полупроводников широко используются Кремний, Галлий, Германий и Селен. Все атомы, как известно, соединяются в молекулы.
Рисунок объединения атомов в молекулу
Только с изобретением полупроводников стало возможным значительно уменьшить размеры электронной техники. Вся современная электронная техника, будь то диод, транзистор, микросхема или новейший микропроцессор создана благодаря открытию полупроводников. Для примера, простейшая ламповая ЭВМ, далеко не сравнимая по мощности с современными компьютерами, занимала несколько комнат, причем надежность её была низкой.
Электропроводность полупроводника сильно зависит от температуры и излучения (например светового).
Атомы с кристаллической решеткой
Германий и кремний имеют по четыре валентных электрона, они находятся во внешних слоях оболочек атома. И кремний и германий являются алмазоподобными кристаллами. Их валентные электроны имеют единые орбиты.
Рисунок единые орбиты электронов
Если в расплавленный кремний ввести атомы мышьяка (или фосфора) имеющего валентность пять, то есть 5 электронов на внешних слоях атома, 4 электрона атома мышьяка займут свое место в кристаллической решетке.
Донорные и акцепторные примеси
Если концентрация электронов в полупроводнике значительно превышает концентрацию дырок, то основные носители заряда электроны, если же в полупроводнике преобладают дырки, то основные носители дырки. Те же электроны, которые не смогли занять место в кристаллической решетке, им просто не хватило места, становятся свободными. Говорят, что в таком случае кремний стал полупроводником n – типа. Атом Мышьяка выступил в роли "донорной” примеси.
Рисунок с электроном и дыркой
Ток в полупроводниках, может осуществляться, не только за счет электронов, но и за счет "дырок”. Что же такое "дырка”? Если в расплавленный кремний или германий ввести немного Индия, который имеет валентность три электрона на внешних слоях атома, то он также займет свое место в кристаллической решетке, правда у него имеются только 3 электрона, и он будет вынужден забрать 1 электрон у атома кремния. Таким образом образовалась "дырка” или положительный заряд. Такая примесь называется "акцепторной” и создает в атоме дырочную проводимость. Принято говорить, что такой полупроводник становится р – типа. Если к выводам такого полупроводника приложить напряжение, то он начинает проводить ток ! При этом электроны начинают притягиваться положительным полюсом источника тока, (как мы помним разноименные заряды притягиваются) они уходят из полупроводника в источник тока и оставляют позади себя дырки и при этом создается такая картина, что электроны двигаются к плюсу, а дырки к минусу, что и видно на приведенном ниже рисунке.
Как двигаются электроны и дырки в полупроводнике
В освободившиеся дырки у отрицательного полюса "впрыгивают” электроны и начинают свое движение к положительному полюсу. В полупроводнике, пока к нему не подключен источник тока, дырки и электроны блуждают хаотически и только с подачей напряжения начинают двигаться упорядоченно. Проводимость бывает собственная и примесная. В полупроводниках с собственной проводимостью количество дырок примерно равно количеству свободных электронов. Примесная проводимость, как и было рассказано выше появляется путем введения в кристалл полупроводника трех или пяти валентной примеси. Используются при создании электронных приборов полупроводники с примесной проводимостью. На следующем рисунке изображено добавление фосфора, пятивалентного элемента в атомы германия:
Свободный электрон германий
Чем больше в атом кремния введено атомов мышьяка, тем больше в нем становится свободных электронов способных создавать ток. Такой проводник становится проводником n – типа. Соответственно, чем больше в атом кремния введено атомов индия, тем больше будет в нем количество "дырок”, электроны в этих полупроводниках двигаются от дырки к дырке. Такие полупроводники, как писалось выше, становятся полупроводниками p –типа. Электропроводность полупроводников с введенными в них примесями, становится выше в несколько раз, по сравнению с чистыми полупроводниками. Полупроводники позволяют преобразовывать тепловую энергию и энергию света в электрическую. Они могут работать и как охлаждающие элементы:
Полупроводниковые охлаждающие батареи
И как преобразущие в электроэнергию тепло.
Для питания устройства на лампах необходимо питание от сети либо громоздкий аккумулятор, для питания же устройства на транзисторах достаточно небольшой батареи питания. Появление полупроводниковых транзисторов позволило значительно уменьшить размеры радиоприемников:
На фото ламповый радиоприемник. Ниже изображен транзисторный радиоприемник, разница в размерах, как все знают, существенная - в 10-100 раз.
Если бы в свое время не были открыты полупроводники, а позднее транзисторы, которые входят в состав любой микросхемы, не было бы очень многих технических достижений, полётов в космос, компьютеров, не говоря уже о таких устройствах как мобильный телефон и планшетный компьютер. Изобретение транзистора в 1948 году учеными Браттейн, Бардин и Шокли означало новую эру в электронной технике, эру полупроводников. Так выглядел первый транзистор:
Фото первый транзистор
А вот так выглядит выпущенный позднее советский транзистор МП39-МП42 со спиленным корпусом.
Транзистор с открытым корпусом
С тех пор полупроводниковые приборы и в частности транзисторы сильно эволюционировали:
Фото современных транзисторов
На фото изображены сверху вниз: транзистор большой мощности, средней мощности, малой мощности и транзистор в SMD исполнении. В общем можно смело утверждать, что не будь в природе полупроводниковых материалов, мы бы до сих пор пользовались ламповыми приёмниками и усилителями, а про смартфоны и планшеты никто бы и не мечтал. Материал подготовил AKV.
Форум по обсуждению материала ПОЛУПРОВОДНИКИ
Что такое OLED, MiniLED и MicroLED телевизоры - краткий обзор и сравнение технологий.
В каком направлении течет ток - от плюса к минусу или наоборот? Занимательная теория сути электричества.
Про использование технологии беспроводного питания различных устройств.
Приводятся основные сведения о планарных предохранителях, включая их технические характеристики и применение.
Читайте также: