Теория полупроводников

Современные автомобили буквально напичканы микросхемами, которые следят за поступлением топлива в двигатель, сцеплением шин с дорогой и другими параметрами движения. Микросхемы в стиральных и посудомоечных машинах, микроволновых печах обеспечивают действие предусмотренных программ. Микросхемы окружают нас со всех сторон, но без полупроводников они бы не появились.

Металлы, как правило, очень хорошо проводят электричество. Поэтому электропровода изготавливают, например, из меди. Другие вещества, такие как стекло, бумага и резина, напротив, проводят электричество очень плохо, и из них делают изоляцию для проводов. Промежуточное положение между проводниками и изоляторами занимают полупроводники. Существуют элементы с полупроводниковыми свойствами - германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др., а также соединения-полупроводники - арсенид галлия, галенит (свинцовый блеск), теллуриды ртути и индия и т. д. Все эти материалы используются в полупроводниковой промышленности, но безусловное первенство принадлежит кремнию.

Полупроводник, как и изолятор, не проводит электричество, но при определенных условиях в нем возникает ток. В 1830-х гг. исследователи обнаружили, что некоторые вещества теряют электропроводность при нагревании, а другие, с высоким сопротивлением, пропускают ток в одном направлении, когда их освещают.

Когда итальянский физик Гульельмо Маркони экспериментировал с превращением электротока в радиоволны, ему потребовалось устройство для обнаружения поступающих волн - детектор, или выпрямитель, пропускающий ток лишь в одном направлении. В 1874 г. немецкий физик Фердинанд Браун открыл эффект выпрямителя у кристалла галенита. Такие кристаллы впоследствии применялись в первых, детекторных, радиоприемниках. Выпрямитель Брауна стал первым полупроводниковым устройством. В 1909 г. Браун и Маркони поделили Нобелевскую премию.

У выпрямительных диодов два контакта, но для развития радиотехники потребовались трехконтактные устройства, позволявшие контролировать силу тока или напряжение, возникавшие между двумя контактами, силой тока или напряжением на третьем контакте. Первые трехконтактные устройства появились в виде электронных ламп-триодов. Позднее в одну лампу стали помещать сразу несколько триодов. Электронные лампы были очень энергоемкими, а также сильно грелись; у них перегорали металлические части, и лампы выходили из строя.

В 1947 г. трое американских физиков Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн создали первое твердотельное трехконтактное устройство - точечный транзистор - на основе полупроводника германия. В 1948 г. они изготовили несколько таких транзисторов и, соединив их с другими радиодеталями, получили радиоусилитель. В отличие ламповых усилителей, новому прибору не требовалось нагрева перед работой. В 1956 г. все трое ученых были награждены Нобелевской премией по физике.

Шокли в 1948 г. изобрел плоскостной транзистор, состоящий из тонких слоев спрессованного полупроводникового материала. Он также обнаружил, что наличие примесей в германиевом кристалле усиливает его полупроводниковые свойства.

Современные полупроводники изготавливают из тонких срезов кремния с добавлением примесей - несколько единиц на миллион частей кремния. Добавление примесей называется легированием. При легировании мышьяком каждый атом мышьяка соединяется с четырьмя атомами кремния при одном свободном электроне. Электроны несут отрицательный заряд, поэтому такой полупроводник относится к п-типу (negative - отрицательный). Если же добавляется бор, то одного электрона недостает; превалирует положительный заряд протона. В валентной зоне образуется «дырка»; полупроводник относится к р-типу (positive - положительный). Если подать электрический ток, в проводнике п-типа свободные электроны потекут в одном направлении, а проводнике р-типа - создадут дыры для движения в противоположном направлении.

В 1958 г. инженер-электронщик Джек Килби (США) изобрел способ делать транзисторы не по одному, а сразу помногу, добавляя различные легирующие добавки, и размещать их на одном полупроводнике. Добавив другие компоненты, такие как диоды, конденсаторы и сопротивления, Килби изобрел интегральную схему.

Интегральная схема площадью 13 мм'. На поверхности кристалла кремния смонтированы полупроводниковые устройства - транзисторы, диоды, конденсаторы и сопротивления - и соединяющие их проводники, и все это представляет собой единое целое. Подобная схема - это сердце едва ли не каждого электронного прибора.

Годом позже швейцарский физик Жан Эрни и американский инженер-электронщик Роберт Нойс разработали планарную технологию. Она предусматривает сбор множества тончайших слоев в кремниевый многослойный бутерброд и напыление на поверхность металлических полосок, обеспечивающих электрический контакт.

Площадь микросхемы в компьютерах, цифровых камерах и других электронных устройствах меньше почтовой марки. Это пластиковая коробочка, наполненная «листочками» с транзисторами, другими деталями и соединяющими их проводниками на кремниевой основе. Так выглядит интегральная микросхема, выполненная по полупроводниковой технологии.

Из интегральной схемы, нанесенной химическим способом на травленую поверхность кремниевой пластинки, выходит множество контактов, соединяющих ее с металлическими проводниками. Компьютерный микрочип - это интегральная микросхема вместе с контактами.