1. Полупроводниковые вещества
Свое название полупроводники получили благодаря тому, что по величине удельной электропроводности они занимают промежуточное положение между хорошо проводящими Электрический ток металлами (проводниками) и практически не проводящими ток диэлектриками (изоляторами). Название это далеко не исчерпывает всего многообразия свойств полупроводников, нашедших за короткое время широкое применение. Полупроводниковыми свойствами обладает большинство неорганических веществ, а также ряд органических соединений. Все вещества, .обладающие полупроводниковыми свойствами, можно разделить на две группы: элементарные полупроводники, в состав которых входят атомы только одного вида, и полупроводниковые соединения, состоящие из атомов двух и более видов.
В группу элементарных полупроводников входят 12 химических элементов, которые образуют компактную группу, расположенную в середине таблицы Д. И. Менделеева (рис.2.3). Цифры |в кружке справа от символа химического элемента обозначают ширину запрещенной зоны в кристалле данного химического элемента. Можно заметить, что ширина запрещенной зоны закономерно изменяется в этой группе: она возрастает в каждом периоде при переходе от элемента к элементу слева направо, она уменьшается каждой группе при переходе от элемента к элементу сверху вниз, га закономерность не является неожиданной, так как полупроводниковые свойства вещества определяются, в конечном счете структурой внешних электронных оболочек его атомов.
Вторая группа полупроводниковых веществ очень обширна, включает как неорганические, так и органические соединения. Среди них прежде всего следует отметить двойные соединения элементов третьей и пятой групп периодической системы элементов таких, как, например GаАs, InАs, GаР, GаSb, 1nSb, АlSb и др. Эти соединения, которые часто обозначают символом А Ш В V , по своим свойствам очень похожи на такие элементарные полупроводники, как германий и кремний, первыми получившие широкое практическое применение и поэтому наиболее хорошо изученные. Соединения А Ш В V широко применяются в настоящее время для изготовления различных полупроводниковых приборов. Находят практическое применение такие полупроводниковые вещества, как сульфиды, селениды, теллуриды и окислы металлов.
2. Кристаллическая решетка
При описании правильной внутренней структуры кристаллов пользуются понятием кристаллической решетки.
Кристаллическая решетка представляет собой пространственную сетку в узлах которой располагаются частицы (атомы, ионы или молекулы), образующие кристалл.
В основе кристаллической решетки лежит элементарная кристаллическая ячейка, представляющая собой параллелепипед с характерным для .данной решетки расположением атомов (рис.П1). Если взять большое число одинаковых кристаллических ячеек и вплотную уложить их в определенном объеме, сохраняя параллельность ребер и граней, то мы будем иметь пример строения идеального монокристалла.
Формы кристаллов чрезвычайно разнообразны. Изучением их занимается наука кристаллография.
Важнейшим геометрическим свойством кристаллов, кристаллических решеток и их
ячеек является симметрия по отношению к определенным направлениям (осям) и плоскостям.
Число возможных видов симметрии ограничено.
Французский кристаллограф О.Браве в 1848г. положил начало геометрической теории
кристаллов и показал, что в зависимости от соотношения величины и взаимной ориентации ребер элементарной кристаллической ячейки может существовать 14 типов кристаллических (они получили название решеток Браве).
Различают примитивные (простые), базоцентрированные, объемноцентрированные
и гранецентрированные решетки Браве. Если узлы кристаллической решетки расположены только в вершинах параллелепипеда, представляющего собой элементарную ячейку,то такая
решетка называется примитивной или простой, если, кроме того, имеются узлы в центре оснований параллелепипеда, то решетка называется базоцентрированной, если есть узел в месте пересечения пространственных диагоналей — решетка называется объемноцентрированной, а если имеются узлы в центре всех боковых граней — гранецентрированной.
В 1867 г. русский инженер и кристаллограф А. В. Гадолин показал, что может существовать 32 возможные комбинации элементов симметрии. Каждая из таких возможных комбинаций элементов симметрии называется классом симметрии.
В 1881 г. выдающийся русский кристаллограф Е. С. Федоров исследовал все мыслимые пространственные расположения частиц кристалла, исходя из того, что’ плотное заполнение пространства кристаллическими ячейками возможно только при определенной форме ячеек, и установил, что внутри 32 классов симметрии может существовать 230 различных пространсгцвенных групп (т.е. 230 типов геометрического расположения атомов в кристаллах). Несколько позже Е.С.Федорова к таким же результатам пришел немецкий математик А.Шенфлис.
По форме ячейки в зависимости от углов между ее гранями, , (рис.2) и от соотношения между величиной ребер а, b, с различают семь кристаллических систем (сингоний):
1) правильная или кубическая;
4) тригональная или ромбоэдрическая;
6) моноклинная и
В кристаллах кубической системы (см. рис.П2) возможны три решетки: простая, объемноцентрированная и гранецентрированная.
В кубической системе все углы элементарной ячейки прямые и все ребра ее равны между собой.
Элементарная ячейка гексагональной системы представляет собой прямую призму, в основании которой лежит ромб с углами 60 и 120° (рис. П3). Два угла между осями ячейки прямые, а один равен 120°.
Высота элементарной призмы не равна длине стороны ромба, лежащего в основании. Три таких ячейки составляют гексагональную призму, которая имеет более тесную связь с элементами симметрии, чем примитивная ячейка. Таким образом, элементарная ячейка сингонии не всегда является элементарной ячейкой примитивной решетки.
Простейшая ячейка в тетрагональной системе представляет собой прямоугольный параллелепипед, в основании которого лежит квадрат (рис.П4). В этой системе наблюдаются два варианта решетки: простая и объемно-центрированная. Как видно, обе эти решетки отличаются от соответствующих решеток кубической системы только неравенством ребер а и b.
Подробное рассмотрение геометрии других типов кристаллической решетки, см., например, Бушманов Б.Н., и Хромов Ю.А.Физика твердого тела. Учебн. Пособие для втузов. М., “ВШ”
3. 3D решетки Браве
Решетка Браве — периодическая решетка, состоящая из эквивалентных узлов. Всего в 3D существует 14 различных решеток Браве.
Ниже представлены только 3 типа решеток с кубической симметрией
.
Простая кубическая Объемо-центрированная Гране-центрированная
элементарная ячейка кубическая (ОЦК) элементарная кубическая (ГЦК) элементарная
ячейка, Такую структуру имеют ячейка, Такую структуру имеют
a-Fe, Na, K, b-Ti. Cu, Au, Ag, Al, Pt, Pd.
Si, Ge (и алмаз), решетка алмаза подобна Решетка Si, Ge 5x5x5,
решетке GaAs, но состоит из атомов одного
GaAs (ZnS, InAs, InP, AlAs, CdTe, HgTe) Решетка (GaAs, ZnS, InAs, InP, AlAs,
История полупроводников — главной инновации эпохи: от опытов Фарадея до первого транзистора
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 одном монокристалле сформированы две области, отличающиеся механизмом электропроводности. А из комбинаций транзисторов состоят микросхемы, которые используют обмен сигналами между ними для вычислений.
Чаще всего в качестве полупроводников для транзисторов используют кремний — это самый удобный, дешевый и универсальный материал. Кремний для изготовления полупроводника должен быть очень чистым и состоять из одного кристалла. Поэтому материал для полупроводников выращивают в лабораториях, «вытягивая» расплавленное вещество.
Свойствами полупроводников обладают многие другие элементы и вещества, например германий, 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 соли и металлы реагируют обратным образом — чем выше температура, тем хуже через них проходит ток. Через много лет Антуан Анри Беккерель заметил, что некоторые материалы меняют электропроводность под воздействием света.
В 1874 году Карл Фердинанд Браун обнаружил, что некоторые вещества изменяют электрическое сопротивление в зависимости от направления, величины и продолжительности тока. Это открытие привело к разработке технологии «выпрямления», то есть преобразования переменного тока в постоянный — именно такой механизм лежит в основании радиотехники. Примерно в то же время Артур Шустер сообщил о схожих результатах исследований контакта между проводами из чистой и окисленной меди — последняя здесь действует как полупроводник.
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 была выпущена в 1971 году. Ламповые компьютеры занимали по несколько комнат, но действовали очень медленно.
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.
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 в 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.
В 1952 году компания Texas Instruments «схантила» у Bell химика Гордона Тила. В 1954 году он помог техасским инженерам создать первый кремниевый транзистор. Это открытие стало большим сюрпризом. Тил произвел огромный фурор на одной из научных конференций по радиоэлектронике сухой репликой: «несмотря на то, что коллеги рассказывали вам о безрадостных перспективах кремниевых транзисторов, у меня в кармане лежит несколько таких». А затем показал преимущества своего изобретения, обмокнув усилитель работающего музыкального проигрывателя в масло — при этом музыка не остановилась. Именно этот транзистор можно считать прямым предком подавляющего большинства микросхем, окружающих нас.
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.
О сервисе Онлайн Патент
Онлайн Патент — цифровая система № 1 в рейтинге Роспатента. С 2013 года мы создаем уникальные LegalTech‑решения для защиты и управления интеллектуальной собственностью. Зарегистрируйтесь в сервисе Онлайн‑Патент и получите доступ к следующим услугам:
Онлайн‑регистрация программ, патентов на изобретение, товарных знаков, промышленного дизайна;
Подача заявки на внесение в реестр отечественного ПО;
Опции ускоренного оформления услуг;
Бесплатный поиск по базам патентов, программ, товарных знаков;
Мониторинги новых заявок по критериям;
Больше статей, аналитики от экспертов и полезной информации о интеллектуальной собственности в России и мире ищите в нашем Телеграм‑канале.
Получите скидку в 1000 рублей на первый заказ. Подробнее в закрепленном посте
История полупроводников — главной инновации эпохи: от опытов Фарадея до первого транзистора
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.
Чаще всего в качестве полупроводников для транзисторов используют кремний — это самый удобный, дешевый и универсальный материал. Кремний для изготовления полупроводника должен быть очень чистым и состоять из одного кристалла. Поэтому материал для полупроводников выращивают в лабораториях, «вытягивая» расплавленное вещество.
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.
В 1874 году Карл Фердинанд Браун обнаружил, что некоторые вещества изменяют электрическое сопротивление в зависимости от направления, величины и продолжительности тока. Это открытие привело к разработке технологии «выпрямления», то есть преобразования переменного тока в постоянный — именно такой механизм лежит в основании радиотехники. Примерно в то же время Артур Шустер сообщил о схожих результатах исследований контакта между проводами из чистой и окисленной меди — последняя здесь действует как полупроводник.
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.
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.
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.
В 1952 году компания Texas Instruments «схантила» у Bell химика Гордона Тила. В 1954 году он помог техасским инженерам создать первый кремниевый транзистор. Это открытие стало большим сюрпризом. Тил произвел огромный фурор на одной из научных конференций по радиоэлектронике сухой репликой: «несмотря на то, что коллеги рассказывали вам о безрадостных перспективах кремниевых транзисторов, у меня в кармане лежит несколько таких». А затем показал преимущества своего изобретения, сунув усилитель работающего музыкального проигрывателя в кипящее масло — при этом музыка не остановилась. Именно этот транзистор можно считать прямым предком подавляющего большинства микросхем, окружающих нас.
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.
Что такое полупроводник?
Полупроводниками называют материалы (химические элементы или соединения), которые нельзя однозначно отнести к диэлектрикам. То есть к веществам, не проводящим (ну или почти) электрический ток, так и к металлам, через которые он достаточно хорошо проходит, а при некоторых условиях вообще не оказывающим сопротивления его протеканию.
Такие соединения, как сульфид свинца, применялись ещё в начале прошлого столетия как простейшие детекторы в примитивных радиоприёмниках. Однако подлинную революцию в электротехнике совершили такие элементы как германий (Ge), кремний (Si) и разнообразные соединения галлия (Ga), например, арсенид галлия (GaAs) позволившие электронике, достигшей предела развития электровакуумных радиокомпонентов (радиоламп), шагнуть на новую ступень и открыть миру широкие возможности полупроводниковой электроники.
Данная статья познакомит вас с историей возникновения полупроводников, описанием материалов для их получения, принципом их работы и многообразием.
Время чтения: 15 минут
Эксперт — Василий Мокрецов
Открытие полупроводниковых материалов: от прошлого к настоящему
Все материалы для полупроводников (ПП) обладают рядом небезынтересных особенностей, одна из которых – сильная зависимость их электрического сопротивления от облучения световым, ультрафиолетовым, инфракрасным рентгеновским или другими излучениями, а также от температуры. Но, в отличие от металлов, их сопротивление снижается при нагревании. Именно это свойство и было впервые замечено английским учёным Майклом Фарадеем в 1833 году при проведении экспериментов по прохождению тока через множество опытных материалов.
Некоторые из участвовавшие в его опытах образцов проявляли именно ту, необычную для металлов, электропроводимость при нагреве. Ими были сульфид серебра, фторид свинца, оксид сурьмы и некоторые соединения ртути. Именно они и представили собой первые ПП, но само название «полупроводник» появилось немного позже.
Лишь спустя десятилетия династией французских ученых-физиков Беккерель были выявлены и описаны другие свойства ПП-материалов: например, уменьшение электросопротивления под действием света. Во второй половине XIX века был обнаружен эффект выпрямления переменного тока при прохождении его через вещества с разной проводимостью, например, через медные и свинцовые проводники, между которыми располагался сульфат меди, обладающий ПП-свойствами.
Вскоре, в начале XX века был запатентован и стал частью телеграфной аппаратуры первый в мире кристаллический детектор на основе сульфида свинца. После всех этих открытий изучение полупроводников прекратилось почти полностью в связи с нестабильностью ПП-свойств открытых ранее материалов. Несовершенство технологий того времени, изобретение и бурное развитие ламповой электроники на несколько десятилетий поставили крест на подобном виде техники. Даже сама научная деятельность в этом направлении считалась неприемлемой. Перспектив ПП-приборов никто не видел.
В 1947 году американскими учёными Уильямом Шокли, Джоном Бардиным и Уолтером Браттейном был изобретён первый в мире ПП-триод – им был германиевый биполярный транзистор, который будучи ещё крайне несовершенным, уже показал огромное преимущество перед электровакуумными лампами. Он мог усиливать и генерировать электрические колебания.
Параллельно с американскими учёными работы по его созданию велись в Европе и Советском Союзе. Спустя 10 лет после изобретения транзистора технология его изготовления достигла небывалых высот: учёным удалось повысить степень миниатюризации настолько, что несколько сотен или даже тысяч таких микрокомпонентов стало возможным разместить на крошечной пластинке из полупроводника. Так в конце 50-х – начале 60-х были разработаны первые в мире микросхемы на основе кремния.
Современные микросхемы, в числе которых центральные (CPU) и графические (GPU) процессоры в компьютерах содержат миллиарды транзисторов, демонстрируя огромную вычислительную мощность и крайне низкое энергопотребление. Но даже это не предел эволюции ПП-технологий, которая каждые несколько лет многократно превосходит сама себя.
Фундаментальные аспекты работы полупроводниковых электронных устройств
Устройство и принцип функционирования
Основы и рабочие особенности ПП-приборов будем рассматривать на примере простейшего из них – полупроводникового диода:
Полупроводниковый диод
Конструктивно он состоит из двух зон с отличающейся проводимостью: n- (negative) и p- (positive) областей .
Проводимость n-области электронная – носители электрического заряда отрицательно заряженные электроны. Проводимость p-области дырочная – здесь носители электрозаряда дырки – атомы полупроводника, у которых отсутствует один электрон, имеющие такие образом положительный заряд. Место, где соприкасаются области p- и n-типа, называется p-n-переходом.
Обе области делают из ПП-материала (кремния, германия и других), а различная проводимость задаётся дополнительными примесями в составе (легированием):
- для достижения электронной n-проводимости кристаллическая решетка легируется донорами – веществами, чьи атомы будут отдавать ей электрон;
- для обеспечения p-проводимости осуществляется её легирование акцепторами, придающими ПП-кристаллу дырочный тип проводимости.
| Доноры | Акцепторы |
|---|---|
| Фосфор (P), Мышьяк (As), Сурьма (Sb), реже медь (Cu), Золото (Au) |
Бор (B), Индий (In), Галлий (Ga), Алюминий (Al) |
Высокочистый ПП, лишенный примесей в составе, называется собственным полупроводником. Его электропроводимость невысока, ввиду одинакового количества носителей отрицательного (электронов) и положительного (дырок) заряда. Чтобы придать ему конкретный и ярко выраженный тип проводимости, его легируют донорами или акцепторами. Легированный полупроводник называется несобственным или примесным.
Место соприкосновения областей p- и n-типа называется p-n-переходом. Электрические процессы в p-n-переходе – основа работы множества полупроводников, включая диоды, биполярные транзисторы и прочие.
На p-n-переходе свободные электроны из богатой ими n-области переходят в p-область, где имеется недостаток электронов, а дырки из богатой ими p-области переходят в n-область. Этот процесс называется диффузией.
В тонком слое между областями с различной проводимостью образуется тонкий слой, имеющий запирающее электрическое поле E, отталкивающее от себя электроны в n-области и дырки в p-области. При подведении прямого напряжения (положительного потенциала к аноду и отрицательного к катоду), создающим внешнее электрополе E′, ширина запирающего внутреннего поля E уменьшится, и у носителей заряда появится возможность начать движение – в диоде возникнет электроток. При подведении обратного напряжения (когда «минус» подаётся на анод, а «плюс» – на катод) ширина внутреннего запирающего электрополя E, наоборот, увеличится, и проходящий ток практически будет отсутствовать (до момента электрического пробоя при превышении предельного обратного напряжения, после чего начнёт увеличиваться лавинообразно). Именно так и реализуется односторонняя проводимость диода и его выпрямительные свойства.
Вариативность полупроводниковых материалов
Здесь будут рассмотрены основные практически используемые в массовой электронике виды ПП-материалов и дано их сравнительное описание. Их архаичные представители, такие как закись меди, сульфат свинца, а также перспективные, но не использующие на практике, допустим, графен, рассматриваться не будут.
Кремний
Он самый широко используемый ПП-элемент. Незаменим при изготовлении практически любых электронных компонентов: диодов, транзисторов и микросхем. Является вторым по распространённости в земной коре элементом. Наиболее распространён в виде минерала кварца, являющегося одной из аллотропных модификаций оксида кремния. Почти по всем характеристикам превосходит другие материалы; полупроводниковые приборы на нём могут работать на частотах вплоть до десятков гигагерц, имея при этом низкую чувствительность к температуре и другим видам внешнего воздействия.
Германий
До 1970-х годов его применяли повсеместно для изготовления диодов и транзисторов. Для выпуска микросхем используется крайне ограниченно и, как правило, совместно с кремнием.
Германий имеет некоторые преимущества перед кремнием. Так, способность реагировать на внешнее электрическое поле, то есть коэффициент подвижности носителей заряда электронов и дырок в германии выше, чем в кремнии, приблизительно в три раза. Падение напряжение на p-n-переходе германиевого диода или транзистора составляет около 0.1÷0.3 вольта, тогда как в случае кремниевых элементов этот показатель равен 0.6÷0.7 вольт.
Основными минусами германия стали его относительная редкость и высокая стоимость, но, что главное, низкая теплопроводность, препятствующая эффективному отводу тепла от кристалла германиевого ПП-прибора и серьёзное ухудшение его параметров с ростом температуры. Сейчас он используется только для изготовления некоторых электронных приборов, работающих на сверхвысоких частотах, а также специальной оптики, стёкол и линз.
Арсенид галлия
Третий по объёму применения полупроводник. Изначально на его основе производили ПП-оптические приборы: светодиоды и твердотельные лазеры, но позже из него также стали изготавливать диоды, транзисторы и микросхемы. Электроника на основе арсенида галлия может работать на частотах до нескольких сотен гигагерц, имеет лучшую радиационную стойкость, чем её разновидности из кремния, что делает его незаменимыми в аэрокосмической отрасли.
Карбид кремния
Он имеет отличную теплопроводность, превышающую аналогичную характеристику кремния в несколько раз, высокую максимальную рабочую температуру (порядка 600 градусов по Цельсию), а также высокую электрическую прочность. В совокупности это делает его востребованным при выпуске электронных приборов ограничения перенапряжения, варисторов, разрядников, тиристоров и иных коммутационных устройств, а также для высоковольтных диодов.
Применяется и для изготовления светодиодов некоторых цветов свечения, а сам эффект светоизлучения кристаллом карбида кремния был открыт ещё на заре полупроводниковой техники – в начале XX столетия.
Нитрид галлия
ПП-свойства этого элемента, так же как и карбида кремния, открыли в начале XX века. Именно многократно большая светимость кристалла карбида кремния поставила крест на развитии оптических приборов на основе «несовершенного» нитрида галлия. Но в конце века учёные вновь обратили на него внимание, и на его основе удалось разработать довольно много ПП-компонентов, преимущественно мощных и высокочастотных полевых транзисторов. Также на его основе производят солнечные батареи. Современные технологии легирования позволили нитриду галлия стать недорогим и эффективным материалом для производства синих и УФ-светодиодов.
Основные ПП-приборы: схемы, назначение
В этом разделе будут описаны некоторые основные ПП-приборы, показаны их условные графические изображения и описано назначение.
Диод
Двухэлектродный полупроводник
Это простейший двухэлектродный полупроводник. Он предназначен для выпрямления переменного тока промышленной частоты в сетевых блоках питания, для детектирования высокочастотного переменного тока в радиоприёмной аппаратуре, а также устанавливается в цепях защиты и гашения ЭДС самоиндукции нагрузок с большой индуктивностью (электродвигатели, электромагниты, электромагнитные реле и т. п.)
Стабилитрон
Стабилитрон — разновидность диода
Это разновидность диода предназначена для стабилизации напряжения. Принцип работы очень прост. Режим электрического пробоя, возникающего, когда превышается предельное обратное напряжение, для диода является недопустимым режимом работы. Однако относительно стабилитрона – самым что ни на есть рабочим: стабилитроны изготавливаются с чётко заданным напряжением пробоя при обратном включении, которое с высокой степенью стабильности поддерживается этим прибором при широком диапазоне обратного тока. Применяется он в цепях стабилизации напряжения различных источников питания.
Светоизлучающий диод
Светодиод
Светодиод, в зависимости от применяемого полупроводника и примесей в его составе, может испускать свет как видимого спектра, так и более длинноволнового ИК-излучения, или высокочастотного УФ-излучения.
ИК-светодиоды применяются в системах дистанционного управления, ночного видения; светодиоды видимого спектра используются в составе различных индикаторов и дисплеев; УФ-светодиоды находят применение в медицине и промышленности. Особый тип светоизлучающего диода – лазерный – применяется в оптоволоконных линиях связи в качестве управляемого источника световых импульсов, а также в устройствах чтения и записи компакт-дисков.
Варикап
Тип ПП-диода — варикап
Он тоже относится к одному из типов ПП-диодов. Принцип его работы основан на изменении электрической ёмкости p-n-перехода в зависимости от приложенного обратного напряжения. Служит конденсатором переменной ёмкости в различных частотозадающих цепях.
Транзистор
Биполярные и полевые транзисторы
Это трёхэлектродный полупроводник, который усиливает, генерирует и коммутирует электросигналы. В зависимости от структурных и эксплуатационных особенностей существует два типа транзисторных устройств:
- Биполярный транзистор оборудован тремя выводами: база (Б), эммитер (Э) и коллектор (К). Он состоит из двух близко расположенных p-n-переходов и управляется током базы.
- Выводы полевого транзистора называются исток (И), сток (С) и затвор (З). Он состоит из ПП-материала одного типа проводимости, который расположен в виде тонкого канала между истоком и стоком, а управление происходит посредством изменения напряжения (то есть меняющегося электрического поля, отсюда и название – «полевой») на изолированном от канала затворе.
Существует также гидрид обоих типов устройств. Это биполярный транзистор с изолированным затвором – IGBT-транзистор.
Q1 – биполярный транзистор структуры n-p-n;
Q2 – биполярный транзистор структуры p-n-p;
Q3 – полевой транзистор с каналом p-типа;
Q4 – полевой транзистор с каналом n-типа.
Тиристор
Тиристор
Это полупроводниковый элемент с тремя или более p-n-переходами, находящийся в двух устойчивых состояниях: открыт (включен) или закрыт (выключен).
Подача небольшого напряжения на управляющий электрод (УЭ) открывает его. Если напряжение между анодом (А) и катодом (К) будет выше определённого напряжения удержания, то тиристор останется открытым, даже если прекратить подачу управляющего питания. Следовательно, для его закрытия оно должно оказаться ниже напряжения удержания. Устройство пропускает ток только в одном направлении. То есть в случае с переменным током тиристор каждый раз будет закрываться при отрицательной полуволне. Его разновидность, пропускающая ток в обоих направлениях, называется симистором:
Триак (симистор)
А тиристор, не имеющий УЭ, и который открывается при достижении определенного напряжения между анодом и катодом, называется динистором:
Динистор
Тиристор, симистор и динистор применяются в силовой электронике в качестве мощных бесконтактных коммутационных приборов.
Варистор
Варистор
Это полупроводниковый прибор, сопротивление которого нелинейно зависит от приложенного напряжения: оно скачкообразно падает до незначительных величин при достижении определенного порога. Применяется в цепях защиты от перенапряжения.
Фоторезистор
Фоторезистор
Это ещё один полупроводниковый прибор без p-n-переходов, изменяющий своё сопротивление при воздействии на него света. Увеличение интенсивности воздействующего светового потока приводит к его снижению. Применим фоторезистор в качестве разных датчиков.
Кроме него, существуют фотоэлектронные виды буквально всех приборов: фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры и другие.
Безо всяких сомнений, полупроводники — основа современной электроники, и останутся таковыми по крайней мере еще многие столетия.
Полупроводниковые приборы вытеснили электронные лампы и другие классические радиокомпоненты почти из всех видов техники. Но, самое главное, развитие ПП-микроэлектроники дало нам микросхемы – устройства, содержащие внутри себя сотни, тысячи, миллионы сверхминиатюрных транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов. Именно ПП-микросхемы сделали наш мир таким, каким мы его знаем. Без этих «кусочков кремния» мы бы так и не смогли иметь ни персональный компьютер, ни мобильный телефон, ни все те достижения науки и техники, которые так привычны для нас.