Вони перебувають посередині. Не зовсім провідник, як мідь, і зовсім ізолятор, як гума. Цей «проміжний простір» робить напівпровідникові матеріали основою кожного пристрою, до якого ми торкаємось сьогодні.
Без цих кристалічних твердих тіл у нас не було б смартфонів у кишенях, серверів, які забезпечують роботу Інтернету та електромобілів на дорогах. Діоди, транзистори та інтегральні схеми все ґрунтуються на них. Вони малі. Вони надійні. І найголовніше: ви не витрачаєте багато енергії.
Розрив у провідності
Матеріали зазвичай поділяються на три категорії.
Ізолятори блокують електрику. Візьмемо, наприклад, плавлений кварц чи скло. Їх провідність неймовірно низька, зазвичай становить від $10^{-18}$ до $10^{-10}$ Сіменса на сантиметр. Провідники, такі як алюміній, дозволяють струму текти безперешкодно. Їх провідність висока, зазвичай від $10^4$ до $10^6$ Сіменса на сантиметр.
Напівпровідники існують у хаотичному стані між ними.
Провідність напівпровідника не фіксована. Вона змінюється.
Ця мінливість це особливість, а не недолік. Температура. Світло. Магнітні поля. Навіть найдрібніші домішки можуть радикально змінити електричну провідність напівпровідника.
Візьмемо кремній. Це найпоширеніший напівпровідниковий матеріал. Чистий кремній не має особливої провідності. Але якщо додати лише жменю атомів бору — приблизно 10 атомів бору на мільйон атомів кремнію — ситуація повністю змінюється.
Це невелике додавання, також зване легуванням, збільшує електричну провідність у тисячу разів.
Чому це важливо? Тому що це дозволяє інженерам створювати компоненти із точними, контрольованими характеристиками обробки потужності. Ви можете створювати транзистори, які діють як перемикачі чи підсилювачі. Ви можете створювати оптичні датчики, що виявляють світло. Ви можете створювати твердотільні лазери, що випромінюють точні промені.
Ці окремі компоненти є корисними. Але їхня справжня сила полягає в інтеграції. Їх можна щільно запакувати в мікроелектронні схеми. Ця інтеграція забезпечує сучасні обчислення. Йдеться про складні системи, які поміщаються на чіп розміром не більше нігтя.
Ця масштабованість стимулює споживчі та промислові ринки. Напівпровідники є ключовими елементами від обробки сигналів до систем керування. Вони всюди. І вони залишаться такими в найближчому майбутньому.
Історія напівпровідників починається з атомів. На початку XIX століття дослідники почали вивчати матеріали між провідниками та ізоляторами. Найпростіші є елементними. Вони складаються лише з одного типу атомів. Кремній (Si), германій (Ge) та олово (Sn) відносяться до IV групи періодичної таблиці елементів. Селен (Se) та телур (Te) знаходяться у шостій групі.
Але реальна складність виникає в сполук. Вони є сумішшю двох або більше елементів. Арсенід галію (GaAs) – це бінарне з’єднання групи III-V. Він поєднує галій із групи III з миш’яком із групи V. Можна отримати ще складніші структури. Трикомпонентні сполуки містять три елементи. Телурид ртуті-індія (HgIn2Te4) є прикладом сполуки групи II-III-VI. У деяких випадках вони можуть складатися лише з двох груп. Арсенід алюмінію-галію (AlGaAs) – це трикомпонентний сплав груп III-V. Алюміній та галій обидва перебувають у третій групі. Співвідношення залежить від складу. Якщо індекс x дорівнює 1 це чистий алюміній. 0 означає чистий галій.
Чистий кремній, як і раніше, є королем інтегральних схем. Однак у плані люмінесценції домінують бінарні та трикомпонентні сполуки групи III-V.
Перехід від германію до кремнію
До 1947 напівпровідники були простими. То були двоконтактні пристрої. Використовувалися як випрямлячі. Або як фотодіоди. Потім з’явився біполярний транзистор. Це змінило все.
На початку 1950-х германій був матеріалом вибору. Він працював. Але в нього був недолік. Пристрої з Німеччини мали занадто великий струм витоку. Навіть при помірних температурах витік був неприйнятний у багатьох додатках.
Кремній з’явився на сцені на початку 1960-х років. Він швидко витіснив германій. Причини були практично. По-перше, пристрої на кремнії мають набагато менші струми витоку. По-друге, діоксид кремнію (SiO2) легко утворюється лежить на поверхні кремнію. Утворює високоякісну ізоляцію. Це полегшує виробництво.
Сьогодні кремнієві технології всюди. Кремнієві пристрої становлять понад 95 відсотків усіх напівпровідникових продуктів у всьому світі.
Яскраві плями з’єднань напівпровідників
Кремній універсальний. Проте він підходить для всіх завдань. Багато сполук напівпровідників мають електричні та оптичні властивості, які не може повторити кремній. Арсенід галію є найбільш яскравим прикладом. Він краще справляється зі світлом та певними радіочастотами.
Саме тому основні процесори комп’ютерів не використовують GaAs. Його можна знайти в галузі оптоелектроніки. Він застосовується у радіочастотних додатках. На цих нішевих ринках стають очевидними обмеження кремнію.
Як вибір матеріалу визначає продуктивність пристрою
Вибір матеріалу – це не просто академічне питання. Він визначає, що пристрій може робити практично. Якщо вам потрібно обробляти дані, кремній це відповідь. Якщо вам потрібно випромінювати світло або передавати високочастотні сигнали, ви шукатимете в іншому місці.
Цей поділ пояснює сучасну картину напівпровідників. Один матеріал домінує за обсягом. Інші домінують у продуктивності у певних областях. Фізичні властивості атомів визначають застосування.
Як атоми формують кремнієву основу
Напівпровідники ґрунтуються на монокристалах. Атоми вишиковуються в щільну тривимірну сітку. У чистому кремнії ця структура практично бездоганна.
Подивіться спрощений двовимірний зріз цього кристала. Кожен атом кремнію оточений чотирма сусідами. У нього є чотири зовнішні електрони. Він ділиться ними. Кожна спільна пара утворює ковалентний зв’язок. Притягнення між електронами та ядрами утримує грати разом.
Ізольовані атоми поводяться інакше. Вони мають окремі рівні енергії. Коли ви поєднуєте багато атомів в кристал, ці рівні розширюються. Вони перетворюються на енергетичні зони.
Бар’єр забороненої зони
Температура має важливе значення. При абсолютному нулі, без теплових коливань електрони повністю заповнюють певні зони. Найповніша зона — це валентна зона. Над нею знаходиться зона провідності.
Між ними є проміжок. Заборонена зона. Електрони не можуть існувати тут. У діелектриків цей зазор величезний. У напівпровідників він менший. Ця заборонена зона визначає поведінку матеріалу.
Найкорисніші напівпровідники мають значення від 0,25 до 2,5 електрон-вольт. Кремній – 1,12 еВ. Арсенід галію – 1,42 еВ. Алмаз, ідеальний діелектрик, має значення до 5,5 еВ. Розмір цього зазору визначає, наскільки легко тече струм.
У чистому напівпровіднику за низьких температур електрони виявляються «замкненими». Вони знаходяться у своїх енергетичних зонах і не здатні проводити електричний струм. Нагрів змінює ситуацію. Теплові коливання можуть розривати ковалентні зв’язки та вивільняти електрони, здатні переносити електрику. Однак звільнення електрона залишає після себе вакантне місце.
Це вакантне місце називається «діркою».
Дірки поводяться як фіктивні частки з позитивним зарядом. Вони рухаються у напрямку, протилежному до руху електронів. При застосуванні електричного поля як вільні електрони у зоні провідності, і дірки у валентної зоні переміщаються через кристал. Цей подвійний рух створює електричний струм. Провідність залежить від двох факторів: густини цих носіїв заряду та їх рухливості.
У власному напівпровіднику кількість вільних електронів дорівнює кількості дірок. Однак вони рухаються із різною швидкістю. Рухливість електронів, зазвичай, вище. Візьмемо свій кремній при кімнатній температурі. Електрони рухаються зі швидкістю 1500 см²/(В·с), а дірки відстають зі швидкістю 500 см²/(В·с). Загалом, при підвищенні температури рухливість знижується як електронів, так дірок.
Чистий кремній погано проводить струм за кімнатної температури. Щоб виправити це, виробники піддають його легуванню. Вони вводять домішки у концентрації близько однієї мільйонної частки. Це створює домішний напівпровідник. Легування значно підвищує провідність, хоча трохи знижує рухливість носіїв.
Створення матеріалів n-типу та p-типу
Легування здійснюється шляхом заміни атомів.
Коли атом кремнію замінюється пенталентним атомом, таким як миш’як, чотири його п’яти зовнішніх електронів утворюють зв’язки з сусідніми атомами кремнію. П’ятий електрон залишається вільним. Він перетворюється на зону провідності. Це створює напівпровідник n-типу. Миш’як є донором. Він віддає електрони.
Якщо замінити кремній на тривалентний атом, такий як бір, у нього є лише три зовнішні електрони. Для утворення стабільних ковалентних зв’язків йому потрібний четвертий електрон. Він захоплює електрон із сусіднього зв’язку. Це створює дірку у валентній зоні. Таким чином утворюється напівпровідник p-типу. Бор діє як акцептор.
p-n-перехід
Там, де зустрічаються матеріали n-типу та p-типу, відбувається щось цікаве.
Ефект діода та пробою переходу
Коли тип домішки всередині монокристалу раптово змінюється з p-типу (акцептори) на n-тип (донори), утворюється p-n перехід. Саме тут відбувається магія. На p-стороні основними носіями заряду є дірки, звані основні носії. Там же залишаються і деякі термічно згенеровані електрони, що виступають у ролі неосновних носіїв. На n-стороні ситуація змінюється протилежну: домінують електрони, а дірки є неосновними носіями.
Збіднений шар (область просторового заряду) розташований безпосередньо на межі розділу. Вільні носії заряду видалені з цієї області, що ефективно перетворює перехід на ізолятор. Це «мертва зона», доки зовнішня напруга не запустить процеси.
Випрямлення: як струм тече в одному напрямку
Визначальною властивістю p-n переходу є випрямлення. Це дозволяє струму легко протікати в одному напрямку та блокуватися в іншому. Подивіться на вольт-амперну характеристику кремнієвого p-n переходу**: вона нелінійна. Вона «уперта».
Якщо прикласти пряму напругу – позитивну на p-стороні, негативну на n-стороні – бар’єр руйнується. Більшість основних носіїв прямує через перехід. Струм тече вільно. Просто.
Зворотнє усунення? І тут протилежності не притягуються, а відштовхуються. Носії заряду віддаляються від переходу і збіднений шар збільшується. Крізь нього проходить лише невеликий струм витоку. Їм можна знехтувати. Поки що він не перестане бути таким.
Розуміння напруги пробою
При додатку зворотного усунення струм витоку залишається незмінним. Тобто доти, доки ви не досягнете критичного порога. Перехід руйнується. Струм раптово зростає.
Цей пробою переходу часто нешкідливий, якщо ви контролюєте потужність, що розсіюється. Не дайте йому перегрітися і діод виживе. Це не відмова; це межа.
Пряма напруга, необхідна включення p-n переходу, зазвичай становить менше вольту. А що щодо напруги зворотного пробою? Воно сильно варіюється. У деяких пристроях менше одного вольта, в інших тисячі вольт. Концентрація домішок та параметри пристрою визначають, де проводиться ця межа.
Чому це важливо
Можна подумати, що “p-n переходи” – це просто абстрактна фізика. Це негаразд. Вони є основою сучасної електроніки. Хоча існують і більш складні структури, такі як p-n-p і n-p-n транзистори, всі вони засновані на базовій поведінці простого p-n переходу.
Без цього одностороннього клапана немає випрямлення. Немає стабілізації. Не було б інтегральних схем, які живлять все від телефонів до енергомереж. Це проста структура. Точний кордон. Але вона змінює все.
Ми, як і раніше, розширюємо межі того, наскільки тонкими можуть бути ці шари, як швидко вони можуть перемикатися і яку напругу вони можуть витримати до пробою. Фізика не змінилася, але сфери застосування постійно розширюються. Звідки прийде таке проривне відкриття?
