По часовой стрелке сверху: микросхема, светодиод и транзистор сделаны из полупроводникового материала.
Полупроводники оказали огромное влияние на наше общество. В основе микропроцессорных чипов и транзисторов лежат полупроводники . Все, что компьютеризировано или использует радиоволны, зависит от полупроводников.
Сегодня большинство полупроводниковых чипов и транзисторов создано из кремния. Возможно, вы слышали такие выражения, как «Кремниевая долина» и «кремниевая экономика», и именно поэтому кремний - это сердце любого электронного устройства.
Диод является простейшим полупроводниковым прибором, и поэтому является отличной отправной точка начала , если вы хотите понять , как работают полупроводники. Из этой статьи вы узнаете, что такое полупроводник, как работает легирование и как можно создать диод из полупроводников. Но сначала давайте внимательно посмотрим на кремний.
Кремний - очень распространенный элемент, например, он является основным элементом в песке и кварце. Если вы посмотрите «кремний» в периодической таблице, вы обнаружите, что он находится рядом с алюминием, ниже углерода и выше германия.
Кремний находится рядом с алюминием и ниже углерода в периодической таблице.
Углерод, кремний и германий (германий, как и кремний, также является полупроводником) обладают уникальным свойством электронной структуры - каждый из них имеет четыре электрона на внешней орбитали . Это позволяет им образовывать красивые кристаллы. Четыре электрона образуют идеальные ковалентные связи с четырьмя соседними атомами, создавая решетку . В углероде мы знаем кристаллическую форму алмаза. В кремнии кристаллическая форма представляет собой серебристое, металлическое вещество.
В решетке кремния все атомы кремния идеально соединяются с четырьмя соседями, не оставляя свободных электронов для проведения электрического тока. Это делает кремний изолятором, а не проводником.
Металлы, как правило, являются хорошими проводниками электричества, потому что у них обычно есть «свободные электроны», которые могут легко перемещаться между атомами, а электричество включает поток электронов. Хотя кристаллы кремния выглядят металлическими, на самом деле они не металлы. Все внешние электроны в кристалле кремния образуют идеальные ковалентные связи , поэтому они не могут двигаться. Чистый кристалл кремния - почти изолятор - через него проходит очень мало электричества.
Но все это можно изменить с помощью процесса, называемого допингом.
Легирование кремния
Вы можете изменить поведение кремния и превратить его в проводник, легируя его. При легировании вы подмешиваете небольшое количество примеси в кристалл кремния.
Есть два типа примесей:
- N-тип - При легировании N-типа фосфор или мышьяк добавляются в кремний в небольших количествах. У фосфора и мышьяка по пять внешних электронов, поэтому они неуместны, когда попадают в решетку кремния. Пятому электрону не с чем связываться, поэтому он может свободно перемещаться. Требуется лишь очень небольшое количество примеси, чтобы создать достаточно свободных электронов, чтобы электрический ток мог протекать через кремний. Кремний N-типа - хороший проводник. Электроны имеют отрицательный заряд, отсюда и название N-типа.
- P-тип - При легировании P-типа бор или галлий являются легирующими добавками. У бора и галлия только по три внешних электрона. При смешивании с решеткой кремния они образуют «дыры» в решетке, где электрону кремния не с чем связываться. Отсутствие электрона создает эффект положительного заряда, отсюда и название P-типа. Отверстия могут проводить ток. Дыра с радостью принимает электрон от соседа, перемещая дыру в пространстве. Кремний P-типа - хороший проводник.
Кремний N-типа и P-типа не так уж и хорош сам по себе; но когда вы соединяете их вместе, вы получаете очень интересное поведение на стыке. Вот что происходит в диоде.
Диод представляет собой простейшее полупроводниковое устройство. Диод позволяет току течь в одном направлении, но не в другом. Возможно, вы видели турникеты на стадионе или станции метро, пропускающие людей только в одном направлении. Диод - это односторонний турникет для электронов.
Когда вы соединяете кремний N-типа и P-типа вместе, как показано на этой диаграмме, вы получаете очень интересное явление, которое придает диоду его уникальные свойства.
Несмотря на то, что кремний N-типа сам по себе является проводником, а кремний P-типа сам по себе также является проводником, комбинация, показанная на схеме, не проводит электричество. Отрицательные электроны в кремнии N-типа притягиваются к положительной клемме батареи. Положительные отверстия в кремнии P-типа притягиваются к отрицательной клемме батареи. Ток не течет через переход, потому что дырки и электроны движутся в неправильном направлении.
Если перевернуть аккумулятор , диод отлично проводит электричество. Свободные электроны в кремнии N-типа отталкиваются отрицательной клеммой батареи. Дырки в кремнии P-типа отталкиваются положительным выводом. На стыке кремния N-типа и P-типа встречаются дырки и свободные электроны. Электроны заполняют дырки. Эти дырки и свободные электроны перестают существовать, и на их место появляются новые дырки и электроны. Эффект состоит в том, что ток течет через переход.
В следующем разделе мы рассмотрим использование диодов и транзисторов.
Диоды и транзисторы
Устройство, которое блокирует ток в одном направлении, позволяя току течь в другом направлении, называется диодом. Диоды можно использовать по-разному. Например, устройство, которое использует батареи, часто содержит диод, который защищает устройство, если вы вставляете батареи задом наперед. Диод просто блокирует выход любого тока из батареи, если он перевернут - это защищает чувствительную электронику в устройстве.
Поведение полупроводникового диода не идеально, как показано на этом графике:
При обратном смещении идеальный диод блокировал бы весь ток. Настоящий диод пропускает около 10 микроампер - немного, но все же не идеально. И если вы приложите достаточное обратное напряжение (В), соединение разорвется и пропустит ток. Обычно напряжение пробоя намного больше, чем когда-либо может увидеть схема, поэтому это не имеет значения.
При прямом смещении требуется небольшое напряжение, чтобы диод заработал. В кремнии это напряжение составляет около 0,7 вольт. Это напряжение необходимо для запуска процесса комбинации дырка-электрон на переходе.
Еще одна монументальная технология, связанная с диодом, - это транзистор. У транзисторов и диодов много общего.
Транзисторы
Транзистор создается с помощью трех слоев, а не двух слоев , используемых в диоде. Вы можете создать сэндвич NPN или PNP. Транзистор может действовать как переключатель или усилитель.Транзистор выглядит как два последовательно соединенных диода. Можно представить, что через транзистор не может протекать ток, потому что диоды, соединенные спиной к спине, блокируют ток в обоих направлениях. И это правда. Однако, когда вы прикладываете небольшой ток к центральному слою сэндвича, через сэндвич в целом может протекать гораздо больший ток. Это дает транзистору возможность переключения. Небольшой ток может включать и выключать больший ток.
Кремниевый чип представляет собой кусок кремния, который может содержать тысячи транзисторов. С транзисторами, действующими как переключатели, вы можете создавать логические вентили, а с логическими вентилями вы можете создавать микропроцессорные микросхемы.
Естественный прогресс от кремния к легированному кремнию, транзисторам и микросхемам сделал микропроцессоры и другие электронные устройства такими недорогими и повсеместными в современном обществе. Основные принципы удивительно просты. Чудо - это постоянное совершенствование этих принципов до такой степени, что сегодня десятки миллионов транзисторов можно без больших затрат собрать на одном кристалле.
Для получения дополнительной информации о полупроводниках, диодах, микросхемах и многом другом перейдите по ссылкам на следующей странице.
Полупроводники FAQ
Кремний - это полупроводник?
Да, большинство полупроводниковых чипов и транзисторов создано из кремния, который является предпочтительным сырьем из-за его стабильной структуры.
Для чего используются полупроводники?
Полупроводники используются в основном в электронных устройствах, включая микросхемы, диоды, транзисторы и интегральные схемы. Все, что компьютеризировано или использует радиоволны, зависит от полупроводников.
Какие элементы используются в полупроводниках?
Полупроводники могут быть чистыми элементами, включая кремний, углерод и германий, или проводниками, легированными (с добавлением небольшого количества примеси) фосфором или мышьяком (легирование N-типа), бором или галлием (легирование P-типа).
Что такое полупроводники?
Полупроводники - это материалы, которые обладают электрической проводимостью между проводниками (обычно металлами) и непроводниками или изоляторами (такими как большая часть керамики).
Кто являются крупнейшими производителями полупроводников?
Согласно Yahoo! Finance, тремя крупнейшими претендентами в мире в 2020 году были Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (выручка 45,4 миллиарда долларов), Samsung (выручка 52,2 миллиарда долларов) и Intel (выручка 73,9 миллиарда долларов).
