Почему полупроводники такие маленькие, p-n и n-p переходы


Люди никогда не любили что-либо половинчатое. «Вот ты, разве сядешь на половину лошади?» – спрашивал Леонид Ильич Брежнев цыганского барона в художественном фильме «Заяц над бездной». Полубог – это как бы не совсем бог. Полупроводник — половинка проводника и половинка непроводника. И так далее, список половинок можно продолжать до бесконечности.

Содержание:
1. Если соединить две половинки
2. Полупроводник — половинка проводника и половинка диэлектрика
3. Электропроводность полупроводников
4. Проводники, полупроводники и непроводники электричества
5. Полупроводники в связке с другими материалами
6. Два вида полупроводников: n-типа и p-типа
7. Открытие p-n перехода
8. Выпрямитель переменного тока в постоянный
9. Задача усложняется: p-n-p и n-p-n переходы
10. Изобретение транзистора
11. Транзистор и сила сигнала
12. Микроминиатюризация транзисторной электроники
13. Современные микросхемы

Далее изложена занимательная наглядная история человеческой мысли по созданию полупроводниковой техники, современных микросхем процессоров, памяти, применяемых в персональных компьютерах, гаджетах, в быту и в производстве, везде и повсюду вокруг нас. В основе этой техники лежат принципы работы p-n и n-p переходов, а также особенности работы транзисторов с p-n-p и n-p-n структурами.

Соединение двух половинок

Есть исключения из уничижительных наименований, начинающихся с приставки «полу», например: «Ты – моя половинка». Это пример, как из двух половинок создается нечто единое целое, скажем, семейный союз. Половинка сама по себе не интересна, а вот в сочетании с другой половинкой мы надеемся получить нечто такое, чем не обладали до этого ни одна из двух ранее разъединенных половинок.

Берем половинку чайной пары – блюдце, соединяем со второй половиной пары – с чашкой. И вот перед нами чайная пара, которую не стыдно выставить себе и гостям на праздничный стол.

Вообще, соединение одной половинки с другой половинкой – это нормальная практика человеческой жизни. Мы настолько часто это делаем, что даже не замечаем. Вот была половинка дела, половинка результата. И как только эта половинка соединилась с другой половинкой – результат налицо.

Выходит, что любая половинка обречена на бесконечные поиски второй половинки. Такова ее судьба. Речь идет не только о браках между людьми, а вообще обо всем. Целое часто бывает соединением двух одинаковых или разных половинок, чаще разных, но не факт, что всегда только разных.

Значит любое «полу» – это не приговор! Решение задачи с половинками, с «полу» вещами, предметами, явлениями, обычаями и прочим – это соединение половинки со второй половинкой. Это самое общее, и самое правильное решение проблемы.

Полупроводник — половинка проводника и половинка диэлектрика

Полупроводники – половинки от проводников – были известны людям давно.

С момента освоения людьми электричества, все вещества в природе стали делить на проводники, через которых электрический ток проходит без сопротивления, и на диэлектрики или изоляторы, через которые электрический ток не проходит от слова «совсем». И те, и другие сразу нашли практическое применение.

Проводники превратились в бесконечные электрические провода, опутавшие нашу жизнь почище, чем паутина. Куда мы теперь без проводов? Но чтобы электричеством можно было пользоваться безопасно, электрические провода надо изолировать от окружающей среды и от людей. Для этого сгодились изоляторы, диэлектрики, не пропускающие электрический ток.

Висят провода на столбе, их в висячем положении поддерживают изоляторы. Провод нельзя просто «намотать» на столб, потому что по столбу, особенно намокшему от дождя, электричество пройдет безо всякого сопротивления либо в землю, либо ударит случайного прохожего. Положен кабель в земле. А от земли проводник изолирован диэлектрической оболочкой кабеля, иначе электричества на другом конце кабеля не будет, оно все «уйдет в землю». И так далее.

Электропроводность полупроводников

А какая польза от полупроводника?

Полупроводник, с одной стороны электричество проводит плохо. Если сделать кабель из полупроводника вместо проводника, то на другом конце кабеля электричества не будет. Не будет не потому, что оно уйдет в землю. Электричество «погибнет», испытывая постоянно, пусть небольшое, сопротивление полупроводника по всей длине кабеля.

С другой стороны, если из полупроводника сделать изолятор, то такой изолятор не защитит ни столбы, ни кабели, ни людей от электричества. Полупроводник, пусть немного, но пропускает электрический ток. А даже самый слабый электрический ток может попросту убить человека или животное.

Считается, что сила тока 0,1 ампер (сокращенно А) способна убить человека, как капля никотина убивает лошадь. Поэтому в горных шахтах, в других опасных местах, электрическое напряжение для использования людьми не превышает 36 вольт (сокращенно В). Чтобы с учетом сопротивления тела человека ток, проходящий через него, никогда не мог достигнуть опасного значения 0,1А.

В общем, полу- и есть полу-. Ни тебе проводник, ни тебе диэлектрик. Так и оставались пылиться полупроводники, как совершенно ненужные материалы для человеческой деятельности.

Проводники, полупроводники и непроводники электричества

Изоляторы

Изоляторы

Люди никогда не останавливались в своем познании. Есть полупроводники. Им нет применения. Значит, надо найти.

А что если попробуем соединить полупроводник с проводником, что получится? Ровным счетом, ничего. По проводнику электрический ток идет, попадает далее в полупроводник, где и затухает постепенно. Не происходит усиления свойств проводника, например, проводник не становится лучше, а скорее наоборот.

Хорошо. Соединим полупроводник с диэлектриком. Попробуем за их счет усилить свойства непроводника (диэлектрика), чтобы он еще лучше удерживал электричество. Например, можем ли мы уменьшить размер непроводника, «подсыпав» к нему полупроводник? Увы. Любая связка полупроводника с диэлектриком лишь ухудшает свойства изолятора, требует увеличивать размеры, а не уменьшать их.

Получается, что полупроводники никому не нужны? Так, но не так, ведь проводники и непроводники – это лишь два кандидата на пару для полупроводника. Разве можно вот так сразу подобрать себе спутницу или спутника жизни? У кого-то получается сразу, а кто-то долго-долго ищет…

Полупроводники в связке с другими материалами

Долго ли коротко ли, но выяснилось, что подходящих пар для полупроводников среди других материалов как не было, так и нет. Да, конечно, перебрать все возможные пары невозможно, но люди умеют обобщать свои знания, делать расчеты, прогнозы.

Все это вместе взятое показывает – нет толка от полупроводников в связке с другими материалами. Получается, что это «дохлый номер», если хочешь найти пару для полупроводника.

Тем не менее, чем больше делалось исследований, тем более внимательно люди смогли изучить полупроводники. Отрицательный результат в науке и технике иногда тоже есть результат! Выяснилось, что полупроводники не все одинаковые.

Два вида полупроводников: n-типа и p-типа

Полупроводники условно можно разделить на две группы.

В полупроводниках одной группы для прохождения электрического тока используются частицы одной полярности, скажем отрицательной. А полупроводниках другого типа ток проводят частицы с положительной полярностью.

С бытовой точки зрения это выглядит, как одинаковое движение тока как в полупроводниках одного типа, так и в полупроводниках другого типа. Но «внутри» них на атомарном уровне ток переносят частицы либо слева направо, либо справа налево в зависимости от полярности тех самых частиц для переноса.

Назвали такие полупроводники, чтобы отличать друг от друга, n-типа («эн-типа») и p-типа («пэ-типа»).

Назвали, и назвали, и что? Надо попытаться соединить их вместе, вдруг что-то получится? Человечество занялось тем, чтобы соединить две половинки полупроводников, потому что люди нашли различия между полупроводниками.

Прикладываем полупроводник n-типа к полупроводнику p-типа и… ничего. Ток как шел черед полупроводники, так и идет. Как затухал этот ток при прохождении через полупроводники, так и затухает, как не работал полупроводник в качестве диэлектрика, так и не работает.

Ничего не вышло. Но знания остались, есть полупроводники двух типов: p и n.

Открытие p-n перехода

p-n переход

p-n переход

Пытливые умы никогда не перестают думать и пробовать. Вот и тут. Есть два типа полупроводников, но толку от этого на практике нет никакого.

Что будет, если полупроводник n-типа слегка внедрить внутрь полупроводника p-типа? Что значит, «внедрить», как Вы это себе представляете? А так: несколько атомов вещества n-типа внедрить в кристаллическую решетку на поверхности полупроводника p-типа. Как внедрить? Напылением.

Это уже сложные технологии, не просто присоединить или припаять. Тут надо на атомарном уровне «загнать» чужие атомы внутрь «родных» атомов основного полупроводника. Сказано – сделано. Технологии развиваются, можно сделать и такое. Внедрили, и тут – эврика!

Оказывается, если создать такой p-n переход, когда на очень малую глубину, буквально несколько атомов, в основной полупроводник «внедрить» напылением другой полупроводник, то из-за разницы в проводящих частицах возникнет p-n переход. На удивление, такой переход вдруг становится непреодолимым препятствием для электрического тока, правда, только в одном направлении.

Например, из p в n ток идет, а наоборот ни-ни. Полупроводник с p-n переходом стоит мертво, как диэлектрик. Здорово! Так значит есть польза от двух половинок, соединенных вместе? Появятся новые диэлектрики, построенные на новых принципах. Э-э-э, погодите.

Одно дело, взять готовый природный диэлектрик, придать ему форму и повесить на столб. Другое дело напылять один полупроводник на атомарном уровне внедряя его в другой полупроводник, а потом… придавать этому форму и тоже вешать на столб? Не дороговато ли?

А если ток потечет не в ту сторону, куда надо, то диэлектрик сразу превратится в полупроводник, как карета в тыкву в праздничную полночь? Как бабахнет на том столбе! Тогда зачем нужен этот p-n переход?

Выпрямитель переменного тока в постоянный

Попробуем наоборот — напылить и сделать n-p переход. Сделали, проверили, все то же самое: ток идет в одну сторону и не идет в другую. А ведь это…

Да, это выпрямитель переменного тока в постоянный! Вот вам и первое практическое применение полупроводников – появились диоды, приборы, которые пропускают электрический ток только в одном направлении.

Диоды, конечно, вещь полезная, но ведь как-то жили и без них. Были выпрямители, основанные на других принципах. Значит, мы сделали полуоткрытие, которому снова надо искать вторую половинку. Человечество не любит всяких там полуоткрытий.

Задача усложняется: p-n-p и n-p-n переходы

У p-n и n-p переходов есть только одно применение – выпрямление электричества, направление его только в одном направлении. И такой диод неплохо было бы соединить с чем-то еще, чтобы получилось нечто важное, ради чего творец создал никому на первый взгляд не нужные полупроводники.

Пробовали, соединяли, создавали схемы все более и более надежного выпрямления электричества, превращения переменного тока в постоянный с минимальными потерями. Но ничего более… Тупик?

Интересующийся ум никогда не сдается. Что, если создать за один технологический цикл сразу два перехода p-n и n-p. Как это делается?

Сначала в полупроводник, скажем, n-типа на небольшую глубину в несколько атомов внедряем атомы полупроводника p-типа. Затем, не прекращая процесс, уже в атомы полупроводника p-типа на небольшую глубину внедряем атомы полупроводника снова n-типа.

Но внедряем так, чтобы между последним слоем полупроводника n-типа и основным кристаллом полупроводника n-типа остался маленький зазор из атомов полупроводника p-типа.

Говоря бытовым языком, создаем слоеный пирог: внутрь слоя полупроводника n-типа внедряем небольшой слой полупроводника p-типа. Затем в слой полупроводника p-типа снова внедряем слой полупроводника n-типа. Получаем своеобразный n-p-n переход, состоящий из двух переходов n-p и p-n.

По такой же схеме можно сделать и наоборот, получить p-n-p переход. Получили n-p-n и p-n-p, и что дальше?

Дальше подсоединим в такому смешанному полупроводнику три провода. И сделаем три контакта: контакт, соединенный с n-типом, контакт, соединенный с p-типом и третий контакт, который соединен с третьим слоем n-типа нашего слоеного пирога. И вот тут-то оказалось…

Изобретение транзистора

Транзистор

Транзистор

Транзистор – это уже готовый прибор, имеющий три контакта. Думаю, вы догадались, куда подсоединены эти контакты. Конечно, к трем элементам слоеного пирога n-p-n или p-n-p.

Как оказалось – это было, пожалуй, одно из самых важных изобретений человечества в последнем столетии. Транзистор показал изумительные свойства.

К примеру, попытаемся послать электрический ток между двумя крайними контактами, соединенными только с n-полупроводниками в системе n-p-n, или только с p-полупроводниками в системе p-n-p.

Ток не пойдет – это свойства диэлектрика. Почему? Потому что p-n переход пропускает ток только в одном направлении, а переходы p-n и n-p в транзисторе стоят навстречу друг другу. Это не позволяет пропускать ток ни в одном направлении.

И что? Мы получили идеальный диэлектрик? А зачем он нам, такой дорогой, где нужно выполнять даже не одну, а две операции внедрения атомов одного полупроводника в кристаллическую решетку атомов другого полупроводника? Не проще ли использовать природные диэлектрики? Конечно, природные дешевле и технологичнее.

Тогда какая польза от транзистора? Оказывается, польза от него возникает благодаря третьему контакту, соединенному с промежуточным полупроводником, находящимся между одинаковыми полупроводниками n-типа или p-типа.

Достаточно подать очень слабый сигнал на третий контакт, как немедленно открываются оба p-n и n-p перехода, сигнал начинает свободно проходить между двумя крайними контактами.

Выходит, при таком раскладе полупроводник можно сделать либо диэлектриком, если не подавать сигнал на третий (средний) контакт, либо проводником, если такой сигнал подать на средний контакт.

Транзистор и сила сигнала

Транзистор так устроен, что он умеет различать силу, величину сигнала на третьем среднем контакте. Чем больше сила сигнала на среднем контакте, тем сильнее сигнал между крайними контактами.

Скажем, подключаем микрофон к среднему контакту, начинаем в него тихо говорить или «шепотом» петь. Сигнал на среднем контакте транзистора начинает меняться синхронно нашему голосу.

А между крайними контактами пойдет сильный сигнал, полностью повторяющий наш голос. Получился усилитель, который уже громко, если нужно, на весь стадион «споет» песню, которую прошептал в микрофон исполнитель.

Средний контакт транзистора назвали «база», а крайние «эмиттер» и «коллектор».

Началось бурное развитие транзисторной электроники, мгновенно или почти мгновенно вытеснив ламповую технику, которая была более громоздкой, менее надежной, требующей высокого напряжения и, порой, большой силы тока. Транзисторная техника стала карманной, на батарейках.

А Вы говорите: «полупроводники, да кому они нужны?». Всем нужны и каждому!

Микроминиатюризация транзисторной электроники

Микросхема

Микросхема

Транзисторы теперь есть. Их можно соединять между собой на обычных печатных платах обычными проводниками. Строить из них схемы, большие схемы. Даже создавать электронно-вычислительные машины, надежные, быстрые. Но мысль-то движется. А что, если?…

Действительно, зачем делать миллион транзисторов, затем их соединять проводами по особым схемам, чтобы получить работающую вычислительную машину? Да в такой ЭВМ будут миллионы и миллионы контактов. А как известно, радиоэлектроника – это наука о плохих контактах. Стоит где-то какому-то контакту, одному из нескольких миллионов, дать сбой, и ЭВМ встала.

Как найти место сбоя, где этот контакт? Приходилось делать самотестирование, сложные системы диагностики и прочее. Держать квалифицированный персонал возле ЭВМ, да еще и с большими запасами спирта (!) для периодической чистки контактов.

И вот новая идея: собрать всю огромную схему из миллионов транзисторов сразу на одном кристалле полупроводника. Кто мешает напылить не один, а сразу миллионы n-p-n или p-n-p переходов, соединить их между собой напыленными проводниками из проводящих материалов? Никто не мешает, кроме технологических возможностей.

Так появилась фотолитография – главный процесс в изготовлении микросхем. Это как старая фотография на фотопластинках. Где темно, там напыление не происходит, где светло, происходит напыление. Делаем «фотографию» одновременно миллионов будущих p-n-p или n-p-n переходов и – вперед! Да, но нужна ведь огромная точность такой фотолитографии, ведь напыление идет на атомарном уровне!

Современные микросхемы

Лиха беда начало. Начали с относительно больших размеров. Теперь самые современные установки фотолитографии дают точность 7нм (нм – сокращение от «нанометр» – это одна миллиардная часть метра).

Ученые и инженеры «грозятся» сделать предел точности 1 нм. Дальше, говорят, нельзя, там уже другие законы физики работают, слишком все становится маленьким.

Скоро сказка сказывается, да не скоро дело делается. И вот перед нами современные микросхемы сверхбольшой степени интеграции, вокруг которых разгораются международные конфликты, возникают запреты, санкции, кому можно, кому нельзя поставлять как сами микросхемы, так и технологии их изготовления. А попробуйте сделать сами установку фотолитографии на 7 нм?!

В общем, микроэлектроника стала очень микроминиатюрной. Строится она исключительно на n-p-n и p-n-p переходах, фигурно созданных миллионы и миллионы раз на малюсеньких кремниевых пластинах.

И вот перед нами готовые изделия – это процессоры современных ПК (персональных компьютеров), микросхемы памяти и многое другое, с чем мы давно привыкли жить, как само собой разумеющееся.

А ведь когда-то люди не понимали, зачем им судьба предоставила полупроводники, которые не годятся ни на что. Вот разве что на… Теперь, без преувеличения, самые современные и сложнейшие технологии лежат именно в области изготовления полупроводниковых микросхем.

Вот так, совсем ненужные половинки полупроводников нашли друг друга и остались навсегда в дружном и неразлучном союзе, скрепленным p-n и n-p переходами на атомарном уровне. Да здравствуют крепкие нерушимые союзы, слава полупроводникам!

Дополнительно:

1. Языки программирования: почему появились, яркие представители, как выбрать язык

2. Аналитическая машина Бэббиджа как прообраз первого компьютера

3. Русский язык программирования, а почему бы и нет?




Получайте актуальные статьи по компьютерной грамотности прямо на ваш почтовый ящик.
Уже более 3.000 подписчиков

.

Важно: необходимо подтвердить свою подписку! В своей почте откройте письмо для активации и кликните по указанной там ссылке. Если письма нет, проверьте папку Спам.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *