Полупроводники
Часть I. Применение в электронике

Начало кремниевого века

В далеком 1947 году, в недрах лабораторий телефонной компании Bell «родился» первый в мире транзистор – полупроводниковый усилительный элемент. Событие ознаменовало собой переход электроники из громоздких вакуумных труб на более компактные и экономичные полупроводники. Начался новый виток цивилизации, получивший название «кремниевый век».

Полупроводниковые приборы и их классификация.

В современной электронике на основе полупроводников производят активные элементы. То есть те, которые способны менять свои электрические характеристики в зависимости от подаваемого на них напряжения. Скажем, тот же транзистор является активным элементом, поскольку его значение внутреннего сопротивления будет меняться в зависимости от разных условий в электронной цепи. А вот, например обычный резистор относиться к категории пассивных элементов, так как его сопротивление будет всегда одинаковым. К пассивным электронным компонентам относятся также конденсаторы и катушки. Их создают из других материалов.

Фундаментальными активными элементами являются транзисторы и диоды. Другие полупроводниковые приборы, такие как варикапы, тиристоры и симисторы - это модификации и тех же транзисторов и диодов. Приборы с одним элементом называются дискретными. Соединив множество полупроводниковых элементов на одном кристалле, получают интегральную схему. Например, процессор и память компьютера являются интегральными схемами, состоящими из сотен миллионов транзисторов.

Германий VS Кремний

Самыми распространенными полупроводниками в производстве электронных компонентов являются германий (Ge) и кремний (Si). На заре полупроводниковой эпохи предпочитали использовать германий. По сравнению с кремнием, у него более низкое напряжение отпирания pn-перехода (0.1V - 0.3V против 0.6V - 0.7V). Это делает германий более экономичным в плане энергозатрат.

Кремний лучше сохраняет стабильность работы на высоких температурах и превосходит германий по частотным характеристикам. К тому же запасы Si на планете практически безграничны, а технология его получения и очистки значительно дешевле, чем Ge, довольно редкого в природе элемента. Все это привело к неизбежной и быстрой замене германиевых полупроводников на кремниевые. Первый транзистор на основе этого материала появился уже в 1954 году.

Полупроводники в процессорах. Закат эпохи кремния

В таких передовых областях, как разработка и производство процессоров, где размер и скорость полупроводниковых элементов играют решающую роль, развитие технологий использования кремния практически подошло к пределу своих возможностей. Улучшение производительности интегральных схем, достигающееся путем наращивания рабочей тактовой частоты и увеличения количества транзисторов, при дальнейшем использовании Si становиться все более сложной и дорогостоящей задачей.

По мере повышения скорости переключения транзисторов, их тепловыделение усиливается по экспоненте. Это остановило в 2005 году максимальную тактовую частоту процессоров где-то в районе 3 ГГц и заставило разработчиков перейти на стратегию «многоядерности».

Количество полупроводниковых элементов в одном чипе увеличивается путем уменьшения их физических размеров – переход на более тонкий технологический процесс. Каждый такой шаг означает снижение линейных размеров транзистора примерно в 1,4 раза и площади примерно в 2 раза. Всем известный Intel на данный момент (2011 год) владеет технологией в 32 нм при которой длина канала транзистора составляет 20 нм. Переход на более тонкий тех. процесс осуществляется этой компанией примерно каждые 2 года.

Быстродействие транзисторов по мере их уменьшения растет, но уже не повышается тактовая частота ядра процессора, как было до 90 нм тех. процесса. Это оставляет дальнейшее развитие кремниевых технологий малоперспективным.

Будущее за графеном?

Основной претендент на смену кремнию, по мнению многих экспертов, это графен. Этот новый полупроводниковый материал, открытый в 2004 году, является особой формой углерода (C).

Сейчас разрабатывается транзистор на базе графена, который может работать в трех различных режимах. Для аналогичной задачи в кремниевом чипе, потребовалось бы три отдельных полупроводниковых транзистора. Это позволит создавать интегральные схемы из меньшего количества транзисторов, которые будут выполнять те же функции, что и их кремниевые аналоги.

Еще одним важным преимуществом графеновых транзисторов является их способность работать на высоких частотах. Как заявляют некоторые ученые специалисты, эти частоты могут достигать 500-1000 ГГц.

Однако многообещающие технологии на базе графена пока еще находятся на стадии исследований и разработок. Время покажет, сколько они еще таят в себе подводных камней. Ну, а кремний все еще остается рабочей лошадкой в современной электронике, и не спешит сдавать позиции.

ССЫЛКИ ПО ТЕМЕ:

Полупроводники. Часть II. Строение атома и электропроводность

Полупроводники. Часть III. Типы проводимости полупроводников

КОММЕНТАРИИ:

Алексей
писал: 2013-02-26
Автору данного ресурса огромная благодарность за содержательный и наглядный материал статей. Думаю многие, посещавшие ваш сайт, со мной согласятся - неопытному человеку намного проще и понятнее постигать знания имея под рукой подробные и понятные иллюстрации. Сайт мне очень понравился и был весьма полезен!
Иван
писал: 2013-03-17
Поддерживаю предыдущего автора. Благодарю за доступное изложение материала.
Мастер
писал: 2013-05-05
Все гениальное - просто.
Админ
писал: 2013-10-02
Спасибо за теплые слова. Буду стараться дальше )
Admin
писал: 2013-10-28
ну бля ребят как мок нахуй
Коля
писал: 2013-10-28
Автор, исправь текст и нагни раком своего учителя по русскому языку!
Химик
писал: 2013-11-13
1) На заре полупроводниковой техники применяли жёлтый цинкит - природый полупроводник, а не германий. Потом пришли на смену окись меди и селен. Так что германий - это не заря - так как им занялись уже имея в багаже развитую зонную теорию и общие представления о роли примесей. 2) В далёком 1928 году Лосев припаял "хороший" кристалл прироного цинкита к монете и прижал к нему две стальные иглы - и получил первый "трёхэлектродный кристадин", первый на планете транзистор. Тогдаже он изучил многоэмиттерные и многоколлекторные транзисторы, но в своей публикации через год упомянул лишь двух- и трёхэлектродные кристадины. Потом в ходе исследования цинкитных кристадинов впервые сформулировал зонную теорию, и пришёл к выводу что технологически доступный полупроводник с воспроизводимыми свойствами должен быть кристаллическим, элементарным, легкоплавким, узкозонным - чем и инициировал исследование серого селена и серого олова - ближайшего родственника германия. А в компании Белл создали лишь первый на планете транзистор с воспроизводимыми параметрами. 3) Полупроводниковая технология графена похоже вряд ли будет реализована вообще, ввиду его крайней нетехнологичности, роднящей его с цинкитом. Скорее всего кремний будет вытеснен арсенидом галлия, и этот процесс идёт уже сегодня.
Азамат
писал: 2013-12-03
очень хорошо написано спосибо огромное
шайтан
писал: 2013-12-03
спасибо всем я хочу чтобы вы тоже делали ставки на футбол-на вершине победы
desert
писал: 2013-12-25
Замечательный материал, все понятно и доступно, спасибо!
Таксыр
писал: 2014-01-23
Супер, автор красава
Абдурахмон
писал: 2014-04-30
очень хороший материал!

Добавить комментарий:

Ваше имя:
Ваш E-mail:
Ваш комментарий:
Введите сумму чисел с картинки (защита от роботов):