Патриархи компьютерного века: полупроводники: меньше далучше

Патриархи компьютерного века: полупроводники: меньше далучше

Главным их элементом был подключенный к антенне детектор из кусочка галенита — сульфида свинца. Посредством железной иголки, подсоединенной одним финишем к наушникам, на поверхности галенита возможно было отыскать успешную точку контакта и слушать радиопередачи. Мальчишки поступали еще легче — брали свинец и вплавляли в него серный порошок, оставалось сделать простенькую антенну, наушники — и готов радиоприемник.

Это было в собственном роде чудо: устройство трудилось, но никто, кроме того самый выдающийся физик, не имел возможности бы растолковать, из-за чего так происходит. Отыскать ответ помогла квантовая механика, и в то время, когда необычные особенности полупроводников прекратили быть тайной, в истории современной цивилизации наступила очередная технологическая революция, которая продолжается и сейчас.

Первые ласточки

В простых условиях полупроводниковые материалы в полной мере оправдывают собственный наименование. Они выполняют ток значительно хуже проводников, но заметно лучше диэлектриков. Во всем остальном их поведение никак не назовешь «промежуточным». Стоит их охладить — и они становятся диэлектриками, тогда как металлы ведут себя с точностью до напротив. А при нагревании полупроводники, в противоположность металлам, начинают все лучше и лучше проводить электричество.

Такое необыкновенное поведение сульфида серебра замечал еще в середине позапрошлого века Майкл Фарадей.

На базе полупроводников возможно делать выпрямители — устройства для преобразования переменного тока в постоянный. Имеется у этих материалов и еще одно необыкновенное свойство — светочувствительность — при освещении они начинают лучше проводить электрический ток. В первый раз это увидели британские инженеры, трудившиеся с телеграфным кабелем. Изоляцию кабеля делали из селена, но выяснилось, кроме того лунный свет способен заметно поменять ее сопротивление.

Так элемент, названный в честь Луны, через пять десятилетий необычным образом его оправдал.

Кстати, открытием особенных особенностей селена не замедлил воспользоваться германский изобретатель Вернер фон Сименс, что в 1875 году создал первый полупроводниковый фотометр. В простую электрическую цепь Сименс включил селеновый элемент, сопротивление которого изменялось в зависимости от освещенности, соответственно увеличивая либо уменьшая регистрируемый гальванометром ток.

С изобретением радио все силы были брошены на создание устройств для усиления и детектирования радиосигналов. Само собой разумеется, самые чувствительные радиоприемники в то время были ламповыми, но не обошлось и без полупроводниковых устройств, не потребовавших питания и применявших энергию радиоволн. Каждому радиолюбителю тех лет был знаком кристадин, придуманный в первой половине 20-ых годов XX века лаборантом Нижегородской радиолаборатории Олегом Владимировичем Лосевым.

На базе полупроводникового материала цинкита (ZnO) Лосев создал первые в мире полупроводниковые генератор и усилитель электрических сигналов. Эти результаты привлекли общее внимание, но тогда подобные устройства никак не могли составить борьбу электронным лампам, потому, что параметры полупроводников были не весьма надежны, а характеристики не сильный.

Шли годы, и, не обращая внимания на постоянные усовершенствования, лампы не поспевали за новыми техническими требованиями к энергопотреблению и быстродействию, а экономия размеров при создании сложных схем и вовсе оборачивалась головной болью для схемотехников. В 1940-е годы на смену громоздким и медленным лампам стали приходить германиевые диоды и другие полупроводниковые элементы. Но для полного счастья недоставало одной ответственной подробности — полупроводникового усилителя.

Размер имеет значение

Практически в один момент с Лосевым, в 1925 году, американский исследователь Юлиус Лилиенфельд внес предложение несложную идею усилительного устройства, основанную на так именуемом «эффекте поля». Она заключалась в следующем. Заберём плоский конденсатор, одна обкладка которого железная, а вторая — из легированного полупроводника, где имеется определенное количество избыточных носителей заряда, к примеру электронов.

В случае если на железную пластину подать отрицательный потенциал, поле будет вытеснять электроны из приповерхностного слоя полупроводника, в том месте появится недочёт носителей тока, и электрическое сопротивление полупроводниковой пластины увеличится. При смене полярности, напротив, носителей в данной области увеличиться и сопротивление уменьшится.

Получается, что посредством напряжения, приложенного между полупроводником и металлом, возможно руководить сопротивлением полупроводниковой пластины. Что и требовалось взять! Но у данной привлекательной идеи был один недочёт — все попытки вынудить подобное устройство трудиться оканчивались неудачей.

И все же галенитовые селеновые выпрямители и детекторы употреблялись в настоящих устройствах, была создана зонная теория, разрешавшая очень многое растолковать, соответственно, был предлог для оптимизма. Уже летом 1945 года в Bell Labs организовали группу по изучению полупроводников. Задача была сформулирована в полной мере четко — отыскать полупроводниковую замену ламповым усилителям и электромеханическим реле.

Решили направляться идеям об эффекте поля и сосредоточить упрочнения на изучении кремния и германия, как материалов самые стабильных и дающих громаднейшую возможность получения высокочистых кристаллов.

Теоретик Джон экспериментатор и Бардин Уолтер Браттейн трудились совместно. По окончании бесплодных попыток воспроизвести эффект поля они неспешно перешли к опытам без диэлектрика. Сперва экспериментировали с кремнием, после этого с германием, додавая на его поверхность капельки электролита.

Позже электролит заменили узким слоем золота. И вот показался первый, еще очень не сильный эффект, его удалось замечать на схеме, где один контакт был подсоединен к напыленному пятну золота, а второй воображал собой вольфрамовую иголку. Тщательные вычисления продемонстрировали, что для наблюдения заметного усиления два контакта должны пребывать на расстоянии всего в 50 микрон (диаметр людской волоса).

Чтобы получить такие мелкие расстояния, золотые полосы напыляли на кристалл и разрезали бритвой.

И вот в конце 1947 года был изготовлен действующий транзистор — конструкция на базе полупроводникового материала, которая разрешала усиливать электрический сигнал. О итогах доложили руководству, но публичное объявление об открытии решили до тех пор пока отложить, потому, что исчерпывающего объяснения результата не было — схема принципиально отличалась от той, что предлагал Лилиенфельд.

Сейчас один из начальников той же лаборатории Уильям Шокли занялся собственными изысканиями и по окончании нескольких недель напряженной работы отыскал объяснение. Он сформулировал теорию p-n перехода, а помимо этого, придумал новый вариант устройства — биполярный транзистор, значительно более действенный, чем первый точечный, реализованный Бардином и Браттейном. Во второй половине 50-ых годов двадцатого века, в то время, когда важность этих открытий уже ни у кого не приводила к, всем троим была присуждена Нобелевская премия в области физики.

Биполярный транзистор является сэндвичем , где между слоями полупроводника одного типа расположен слой полупроводника другого, к примеру, p-типа. Узкая прослойка делает роль необычного затвора, как на плотине. «Опуская» либо «поднимая» ее, возможно регулировать главный ток. Дабы эта конструкция трудилась, прослойка должна быть достаточно узкой.

Чем она уже, тем больше коэффициент усиления и выше быстродействие транзистора.

Лаборатории Белла сходу оформили патент на это революционное изобретение, но, что касается разработок, тут дела продвигались не так быстро, как хотелось бы. Первые транзисторы, поступившие в продажу во второй половине 40-ых годов XX века, не внушали оптимизма — стоило их потрясти, и коэффициент усиления изменялся многократно, а при нагревании они и вовсе прекратили трудиться. Но им не было равных в миниатюрности.

Аппараты для людей с пониженным слухом возможно было поместить в оправе очков! Осознав, что вряд ли она сама сможет совладать со всеми технологическими проблемами, компания решилась на необыкновенный ход: в начале 1952 года она заявила, что всецело передаст права на изготовление транзистора всем компаниям, готовым выложить достаточно скромную сумму в $25 тысяч вместо регулярных выплат за пользование патентом. Доступность разработки дала собственные плоды — мир начал быстро изменяться.

И все-таки он трудится!

Не обращая внимания на успех биполярных транзисторов, самые упорные исследователи не оставляли попытки сделать прибор на базе результата поля, названный «полевой транзистор». Первую трудящуюся конструкцию придумал все тот же Шокли. Вместо железного слоя над главным полупроводником он применял очень сильно легированный (с громадным числом примесей) полупроводник противоположного типа. Роль управляющего затвора делал p-n переход.

И вдобавок через пара лет удалось-таки отыскать подходящие материалы, дабы в точности реализовать идею Лилиенфельда.

К громадной эйфории технологов это были двуокись и кремний кремния. Устройства стали называться в соответствии со своей конструкцией: МДП-структуры (металл-диэлектрик-полупроводник) либо, дабы выделить, что роль диэлектрика делает окисел, — МОП-структуры (металл-окисел-полупроводник). Основное преимущество полевых транзисторов — низкое энергопотребление.

Руководит знаком поле, другими словами напряжение, а ток в управляющем канале фактически не течет, и значит, никаких утрат нет.

Итак, физики выполнили собственную задачу, дальше за дело взялись технологи. Их главными целями были мелкие размеры элементов, их быстродействие и надёжность. В июле 1958 года Джек Килби, поступивший незадолго до того на работу в Texas Instruments, написал в собственном лабораторном издании: «Возможно добиться чрезвычайной миниатюризации множества электрических цепей, разместив резисторы, конденсаторы, диоды и транзисторы на одном куске кремния».

А дальше на пяти страницах детально растолковал, как это возможно сделать.

не меньше ответственным, чем сама мысль «интеграции» элементов, стало изобретение планарной разработке, разрешающей изготавливать все контакты и слои транзистора на одной стороне пластины кремния. А в то время, когда Нойс, сотрудник созданной Шокли компании Fairchild Semiconductor, придумал, как возможно наносить токопроводящие соединения между отдельными элементами, на свет показалась первая интегральная схема (ИС).

Первая промышленная ИС, выпущенная в первой половине 60-ых годов XX века, содержала шесть элементов: четыре биполярных транзистора и два резистора, размещенных на пластине диаметром 1 см. Сейчас нас этим не поразишь — современная микросхема приблизительно для того чтобы же размера, к примеру в персональном компьютере, содержит уже не единицы, а миллионы транзисторов.

Зонная теория

Появление квантовой механики растолковало поведение носителей тока в металлах, полупроводниках и диэлектриках. В жёстком теле за счет сотрудничества электронных оболочек соседних атомов электроны находятся в определенных энергетических территориях (их энергия не может быть произвольной). В полупустой территории электроны смогут вольно перемещаться, перенося электрический ток (металл).

В случае если любая из территорий либо заполнена, либо безлюдна, это диэлектрик. Дабы электрон диэлектрика имел возможность попасть в свободную территорию и дать вклад в ток, ему необходимо преодолеть энергетический барьер (запрещенную территорию) между заполненной зоной и зоной проводимости. Полупроводники — это практически диэлектрики, у которых ширина запрещенной территории довольно мала.

Достаточно чуть добавить энергии, к примеру посветить либо нагреть, и ток заметно возрастает, по причине того, что значительно больше электронов получают возможность преодолеть запрещенную территорию. Концентрацию носителей тока возможно поменять, додавая в полупроводник примеси — атомы элементов с другой валентностью. Данный процесс именуется легированием.

В случае если у примесных атомов остаются незадействованные связи, лишние электроны легко смогут попадать в зону проводимости, и получается полупроводник n-типа. В случае если связей не достаточно, появляются дополнительные носители с хорошим зарядом — «дырки». Таковой полупроводник именуется полупроводником p-типа.

транзисторы и Диоды на p-n переходе

Соединим между собой два полупроводника различных типов. В одной части покажется избыток отрицательных носителей заряда, в второй — хороших, и на их границе появится особенная область — p-n переход. В нем мало свободных носителей, и он представляет собой энергетический барьер для их перемещения из одной области в другую.

В случае если к области n-типа присоединить «плюс», а к области p-типа «минус» внешнего источника, носители тока будут двигаться от территории p-n перехода: электроны в собственную сторону, а дырки — в собственную. Барьер станет еще больше, и фактически никакого тока через p-n переход не отправится. А вот в случае если поменять полярность, носители с обеих сторон будут легко попадать через p-n переход.

Так трудится полупроводниковый диод — пропускает ток лишь в одну сторону. Биполярный транзистор формально возможно представить как два p-n перехода, включенных навстречу друг другу: к примеру, между двумя областями p-типа (коллектор и эмиттер) расположена область n-типа (база). В случае если приложить напряжение лишь между коллектором и эмиттером, то при любой полярности никакого тока не будет — один из двух p-n переходов будет закрыт.

Но стоит включить напряжение между базой и эмиттером — и в цепи эмиттер-коллектор потечет ток, что возможно регулировать намного меньшим по величине током эмиттер-база. Принципиально важно, что эта конструкция трудится лишь в том случае, если база достаточно узкая. Тогда носители, прибывающие из эмиттера, дабы поучаствовать в токе базы, легко смогут пройти напрямую в коллектор и дают вклад в ток эмиттер-коллектор.

Чем уже база, тем большинство носителей успевает «проскочить» ее полностью. Соответственно, тем больше отношение тока эмиттер-коллектор к току эмиттер-база, другими словами коэффициент усиления транзистора.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№37, ноябрь 2005).

Патриархи ХХ века


Темы которые будут Вам интересны:

Читайте также: