Полупроводники оказали огромное влияние на наше общество. Вы найдете полупроводники в основе микропроцессорных чипов, а также транзисторов. Все, что компьютеризировано или использует радиоволны, зависит от полупроводников.
Сегодня большинство полупроводниковых микросхем и транзисторов создаются изкремния. Возможно, вы слышали такие выражения, как «Кремниевая долина» и «кремниевая экономика», и вот почему - кремний является сердцем любого электронного устройства.
Aдиод - это простейшее из возможных полупроводниковых устройств, и поэтому это отличная отправная точка, если вы хотите понять, как работают полупроводники. В этой статье вы узнаете, что такое полупроводник, как работает легирование и как из полупроводников можно создать диод. Но сначала давайте внимательно посмотрим на кремний.
Кремний - очень распространенный элемент, например, он является основным элементом в песке и кварце. Если вы посмотрите на «кремний» в периодической таблице, вы обнаружите, что он находится рядом с алюминием, ниже углерода и выше германия.
Углерод, кремний и германий (германий, как и кремний, также является полупроводником) обладают уникальным свойством электронной структуры - каждый имеетчетыре электрона на внешней орбитеЭто позволяет их, чтобы сформировать хорошие кристаллы. Четыре электрона образуют идеальные ковалентные связи с четырьмя соседними атомами, создаваярешетку Кристаллическую форму углерода мы знаем как алмаз. Кристаллическая форма кремния представляет собой серебристое металлическое вещество.
Металлы, как правило, являются хорошими проводниками электричества, потому что у них обычно есть «свободные электроны», которые могут легко перемещаться между атомами, а электричество связано с потоком электронов. Хотя кристаллы кремния выглядят металлическими, на самом деле это не металлы. Все внешние электроны в кристалле кремния вовлечены видеальные ковалентные связи, поэтому они не могут перемещаться. Чистый кристалл кремния является почтиизолятором - 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,легируяего. При легировании вы подмешиваете небольшое количествопримеси в кристалл кремния.
Есть два типа примесей:
- N-тип - При легировании N-типа в кремний в небольших количествах добавляют фосфор или мышьяк. Фосфор и мышьяк имеют по пять внешних электронов, поэтому они оказываются не на своем месте, 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 позволить электрическому току течь через кремний. Кремний N-типа является хорошим проводником. Электроны имеют отрицательный заряд, отсюда и название N-типа.
- P-type - При легировании P-типа легирующей примесью является бор или галлий. Бор и галлий имеют только по три внешних электрона. При смешивании с решеткой кремния они образуют «дыры» в решетке, где кремниевому электрону не с чем связываться. Отсутствие электрона создает эффект положительного заряда, отсюда и название P-типа. Отверстия могут проводить ток. Дырка с радостью принимает электрон от соседа, перемещая дырку по пространству. Кремний P-типа является хорошим проводником.
Незначительное количество легирования N-типа или P-типа превращает кристалл кремния из хорошего изолятора в жизнеспособный (но не отличный) проводник - отсюда и название «полупроводник».
Кремний N-типа и P-типа сам по себе не так уж удивителен; но когда вы соединяете их вместе, вы получаете очень интересное поведение на стыке. Вот что происходит в диоде.
Aдиод - простейшее полупроводниковое устройство. Диод позволяет току течь в одном направлении, но не в другом. Возможно, вы видели турникеты на стадионе или на станции метро, которые пропускают 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 является проводником, комбинация, показанная на схеме, не проводит электричество. Отрицательные электроны в кремнии N-типа притягиваются к положительной клемме батареи. Положительные отверстия кремния P-типа притягиваются к отрицательной клемме батареи. Ток через переход не течет, потому что дырки и электроны движутся в неправильном направлении.
Еслиперевернуть аккумулятор, диод прекрасно проводит электричество. Свободные электроны в кремнии N-типа отталкиваются от отрицательного полюса батареи. Отверстия в кремнии P-типа отталкиваются положительным полюсом. Впереходемежду кремнием N-типа и P-типа встречаются дырки и свободные электроны. Электроны заполняют дырки. Эти дырки и свободные электроны перестают существовать, и их место занимают новые дырки и электроны. Эффект заключается в том, чтоток течет через соединение.
В следующем разделе мы рассмотрим использование диодов и транзисторов.
Диоды и транзисторы
Устройство, блокирующее ток в одном направлении и пропускающее ток в другом, называетсядиодом Диоды можно использовать по-разному. Например, устройство, в котором используются батареи, часто содержит диод, который защищает устройство, если вы вставляете батареи обратной стороной. Диод просто блокирует выход тока из батареи, если он перевернут - это защищает чувствительную электронику устройства.
Приобратном смещении идеальный диод блокирует весь ток. Настоящий диод пропускает, наверное, 10 мкА - немного, но все же не идеально. И если вы приложите достаточное обратное напряжение (V), соединение сломается и пропустит ток. Обычно напряжение пробоя намного превышает напряжение, которое может увидеть схема, поэтому оно не имеет значения.
Припрямом смещении для включения диода требуется небольшое напряжение. В кремнии это напряжение составляет около 0,7 вольта. Это напряжение необходимо для запуска процесса соединения дырки и электрона на стыке.
Еще одна монументальная технология, связанная с диодами, - это транзистор. Транзисторы и диоды имеют много общего.
Транзисторы
транзисторсоздается с использованиемтрех слоев вместо двух слоев, используемых в диоде. Вы можете создать сэндвич NPN или PNP. Транзистор может действовать как переключатель или усилитель.
Транзистор выглядит как два диода, включенных друг к другу. Вы можете себе представить, что ток не может течь через транзистор, потому что встречно-параллельные диоды блокируют ток в обоих направлениях. И это правда. Однако, когда вы подаете небольшой ток нацентральный слойбутерброда, гораздо больший ток может течь через весь бутерброд. Это дает транзистору егопереключение поведение. Небольшой ток может включать и выключать больший ток.
Aкремниевый чип - это кусок кремния, который может содержать тысячи транзисторов. С транзисторами, действующими как переключатели, вы можете создавать логические элементы, а с помощью логических элементов вы можете создавать микросхемы микропроцессора.
Естественный переход от кремния к легированному кремнию, от транзисторов к чипам сделал микропроцессоры и другие электронные устройства такими недорогими и широко распространенными в современном обществе. Основополагающие принципы удивительно просты. Чудо заключается в постоянном совершенствовании этих принципов до такой степени, что сегодня десятки миллионов транзисторов могут быть с минимальными затратами размещены на одном кристалле.
Для получения дополнительной информации о полупроводниках, диодах, микросхемах и многом другом перейдите по ссылкам ниже.
Часто задаваемые вопросы о полупроводниках
Кремний - это полупроводник?
Да, большинство полупроводниковых микросхем и транзисторов создаются из кремния, который является исходным материалом из-за его стабильной структуры.
Для чего используются полупроводники?
Полупроводники в основном используются 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 (подмешивая небольшое количество примеси) фосфором или мышьяком (легирование N-типа) или бором или галлием (легирование P-типа). допинг).
Что такое полупроводники?
Полупроводники - это материалы, которые имеют электрическую проводимость между проводниками (обычно металлами) и непроводниками или изоляторами (такими как большинство керамики).
Кто являются крупнейшими полупроводниковыми компаниями?
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)..