Полупроводники - фундамент цивилизации. Часть 1 Диоды⁠⁠

Если попытаться создать рейтинг изобретений 20 века, которые оказали наибольшее влияние на нашу жизнь, полупроводники и полупроводниковые приборы окажутся, если не на первом месте, то в десятке – непременно.

В основе технологий полупроводниковой электроники, как очевидно из названия, лежат полупроводники. В недавней беседе с одним своим знакомым, я был несколько удивлён, когда узнал, что, хотя он и был осведомлён, в принципе, что делают и для чего нужны такие устройства, как диод и транзистор, он понятия не имел, как они устроены, и почему они так работают. Мысленно я поблагодарил его за то, что нашёл тему для своего следующего поста.
И так, давайте рассмотрим первый столп современной электроники – диод.

Для начала упомяну тот факт, который знают, если не всё, то многие – основное свойство диода – пропускать электрический ток только в одном направлении. Но чтобы понять, почему так происходит, сперва давайте более пристально посмотрим на химический элемент с номером 14 – кремний. Кремний весьма распространён в природе, он содержится, в частности, в обычном песке или в кварце. Если посмотреть на то, где «прописан» кремний в периодической таблице, то, вспомнив школьный курс химии, можно определить, что у таких элементов как углерод, кремний или германий есть достаточно редкое свойство – у всех них по 4 электрона на внешней орбитали (подробнее об орбиталях и внутреннем устройстве атома можно почитать в посте "Правила общежития электронов внутри атома").

Это свойство позволяет им формировать идеальные ковалентные связи с соседними атомами, создавая, тем самым, правильную кристаллическую решётку. В случае с углеродом, в зависимости от конфигурации атомов, мы можем получить либо графит, либо алмаз. В случае же с кремнием, его кристаллическая форма выглядит как серебристое вещество с металлическим блеском:

Лирическое отступление: многие, наверное, слышали или встречали название Silicon Valley, которую безмозглые переводчики иногда переводят как «Силиконовая долина». Так вот, этимологически-правильный перевод: «Кремниевая долина». Силиконы – это общее название химических соединений кремния, ещё называемые полиорганосилоксаны. В частности, из них делают смазки, герметики, ну и самое замечательное – имплантаты для увеличения груди. Не уподобляйтесь пожалуйста безграмотным, не путайте силиконы и кремний!

Хотя кристаллы кремния и выглядят металлическими, металлом кремний не являются. Как я уже сказал, все четыре его электрона «заняты» в ковалентных связях с соседями, а основным требованием для тог, чтобы вещество проводило электрический ток, является наличие свободных электронов на внешней оболочке (как у металлов). Чистый кремний ведёт себя практически как изолятор.

Так что же сделать, чтобы кремний стал проводить ток? Для этого используется процесс, который называется «легирование» (doping). По факту, легирование – это внесение «загрязнений» (посторонних атомов) в кристаллическую решётку.
Ведь, что, по сути, надо сделать? Либо добавить свободных электронов, чтобы они смогли переносить отрицательный заряд, и тогда мы получим полупроводник N-типа (от Negative – отрицательный), либо уберём часть электронов так, чтобы получился полупроводник P-типа (от Positive – положительный).
Для легирования кремния с целью получить полупроводник N-типа используют небольшое добавление фосфора или мышьяка. Эти атомы имеют по 5 электронов на внешней оболочке, и, когда такие атомы внедряются в кристалл кремния, один электрон не формирует связи и остаётся свободным.
Для полупроводников P-типа используют, наоборот, атомы бора или галлия. У них по три внешних электрона, и, когда они внедряются в кристаллическую решётку, остаются «дырки», где у соседнего атома кремния остаётся электрон, который не может сформировать ковалентную связь. Отсутствие электрона создаёт эффект положительного заряда. Этот электрон может перескакивать от дырки к дырке, таким образом, тоже проводя электрический ток.
Хотя легирование и позволяет нашему кристаллу проводить электрический ток, но хорошим проводником его не делает, отсюда и название – полупроводник.

Ад перфекциониста – людям с ОКР теперь требуется соблюдать осторожность при обращении с полупроводниковыми приборами!

Сами по себе, ни полупроводники N-типа, ни полупроводники P-типа не замечены в чём-либо замечательном. «Волшебство» начинается, когда мы соединяем их вместе. На месте соединения свободные электроны полупроводника N-типа начинают занимать места «дырок» в полупроводнике P-типа, и приграничная область в полупроводнике P-типа становится от этого слегка отрицательно заряженной, а в N-полупроводнике эта область станет слегка положительно заряженной. На границе образуется так называемый «Инверсный слой» (англ. depletion region), в котором отсутствуют как свободные электроны, так и «дырки»:

Образовавшееся в этом слое электрическое поле создаст потенциальный барьер, который воспрепятствует какой-либо дальнейшей естественной миграции электронов в ту или другую сторону. Величина потенциала колеблется от 0,3 В при 25°C для германиевых P-N соединений, и примерно 0,7 В (при 25°C) для кремниевых.
Давайте посмотрим, что будет происходить, когда мы пропустим электрический ток по нашему P-N соединению.
Если подключить положительный полюс батареи к N-области, а отрицательный – к P области, то электроны и «дырки» будут притягиваться к местам подключения электродов, и толщина инверсного слоя увеличится, что прохождение тока через эту пару полупроводников будет невозможным. Подобное подключение называют подключением с Обратным (запорным) смещением (англ. Reverse bias).

Если же мы теперь перевернём батарею и подключим положительный полюс к P-области, а отрицательный – к N области, то электроны в N-области начнут отталкиваться от отрицательного заряда батареи устремятся в сторону положительного полюса, перескакивая из дырки в дырку, и, если поданное напряжение будет превышать потенциальный барьер (для кремниевого полупроводника он составляет ≈0,7 Вольт), то по цепи пойдёт электрический ток.Такой тип подключения называют подключением с «прямым смещение» (англ. forward bias).

По описанному принципу работает простейшее полупроводниковое устройство под названием диод. Этимология слова происходит от двух греческих корней ди- (от δί), что означает «два» или «двойной» и –од (от ὁδός), что означает «путь», «тропа».
В электрических схемах, диоды обозначаются следующим символом, сами же диоды промаркированы полоской со стороны катода:

Диод в электронике играет роль своего рода клапана, который позволяет проходить току только в одну сторону. Но не стоит обольщаться. Диод, как и любое другое устройство можно испортить. Если подключить по схеме обратного смещения слишком большое напряжение, то диод выйдет из строя и, таки, пропустит через себя ток. К счастью, подобное напряжение в случае нормальной работы электронной схемы возникнуть не должно. Для полупроводников с малой долей примесей величина напряжения пробоя больше, чем для полупроводников с высокой концентрацией легирующих элементов:

Свойства диодов проводить ток только в одном направлении нашли самое широкое применение. Наверное, наиболее востребованной и известной стала роль диодов в так называемых «выпрямителях» – устройствах, позволяющих преобразовать переменный ток в постоянный. Кроме этого, диоды применяются в радиоприёмных устройствах (см. диодные детекторы), диоды защищают электронные устройства от неправильной полярности включения, защищают от перегрузок. Диодные переключатели применяются для коммутации высокочастотных сигналов. Диоды используются в барьерах искрозащиты, и ещё в огромном количестве устройств, названия которых могут ничего вам и не сказать, однако, без них, почти ни один ваш электронный гаджет не смог бы работать.
Есть, однако, одна разновидность диодов, на которой стоит остановиться поподробнее, так как они настолько тесно интегрированы в нашу повседневную жизнь, что современная цивилизация без них попросту немыслима.
Речь идёт о светодиодах (англ. Light Emitting Diode – LED).

По сути, эти устройства являются теми же самыми диодами, то есть в них присутствует P-N переход, а свечение вызвано интересным «побочным» эффектом, который наблюдается при встрече свободного электрона и «дырки».
В одном из моих предыдущих постов (Как выглядит атом) я описал подробно механизм испускания фотонов электронами, так что останавливаться подробно не буду, скажу лишь, что электроны могут испускать фотоны света определённой частоты при переходе с более высокого уровня на более низкий. То же происходит и здесь – электрон, нормально имеющие большую энергию, чем позволяет место в «дырке», отдаёт излишек в виде фотона определённой частоты. Этот процесс происходит в любом диоде и называется «рекомбинация». Однако, видеть эти фотоны мы можем только, если диод состоит из определённых материалов. Например, разница в энергетических уровнях электронов и «дырок» в стандартном кремниевом диоде настолько мала, что частота испускаемого фотона не попадает в видимый человеческому глазу спектр излучения – по большей части, «светиться» подобный диод будет в инфракрасном диапазоне.
Собственно, это не всегда плохо. Например, инфракрасные светодиоды широко используются в пультах дистанционного управления к разнообразной бытовой технике.
Если мы хотим получить от диода видимый свет, нам нужна большая разница между энергией электрона и энергией «дырки». Эта разница определяет частоту испускания фотонов, и, соответственно, цвет, с которым будет светиться светодиод. Не все полупроводниковые материалы эффективны для данных целей. Наиболее распространёнными комбинациями полупроводников для данной цели являются арсенид галлия (GaAs), фосфит индия (InP), селенид цинка ZnSe или теллурид кадмия (CdTe).

Как жили до полупроводников?

Наверное, стоит ещё сказать пару слов о том, как мы жили до эры полупроводников, и какими раньше были диоды. А диоды раньше были тёплыми и ламповыми.

Работа электронных ламп основана на использовании термоэлектронной эмиссии, которая состоит в том, что накалённый до высокой температуры проводник выделяет в окружающее пространство свободные электроны. Это объясняется тем, что в проводнике имеются беспорядочно движущиеся «полусвободные» электроны, скорость которых при нагревании увеличивается. При высокой температуре они движутся так быстро, что некоторые из них вылетают за пределы проводника.
Катод служит для эмиссии электронов. Количество электронов, выделяемое катодом за каждую секунду, называют током эмиссии или просто эмиссией
При малых температурах эмиссии практически нет, а при увеличении температуры она растёт все быстрее и быстрее, достигая значительной величины при температурах порядка сотен градусов и выше. Чрезмерно повышать температуру нельзя, так как в конце концов нить перекалится и расплавится, что обычно не совсем правильно называют перегоранием.
Итак, чем больше температура катода, тем больше эмиссия. При увеличении поверхности катода эмиссия также становится больше. На величину эмиссии большое влияние оказывает материал катода.
Анод служит для того, чтобы притягивать электроны, выделяемые катодом, и создавать в лампе поток свободных электронов.
Чтобы анод мог притягивать электроны, он должен быть заряжен положительно. Притяжение электронов к аноду объясняется тем, что между анодом и катодом образуется электрическое поле. Электроны, вылетевшие из катода, под действием этого поля движутся к аноду.
Баллон служит для того, чтобы внутри лампы можно было создать вакуум, т.е. пространство, из которого удалён почти весь воздух. Для свободного движения электронов к аноду вакуум должен быть очень высоким. Наличие воздуха в лампе недопустимо и потому, что накалённый катод сгорит, т.е. вступит в химическое соединение с кислородом.
Из того, что мы уже знаем, мы можем предсказать, что ток не будет проходить через лампу, если изменится его направление, так как анод в этом случае не будет заряжен положительно, и не сможет притягивать электроны.
На этом первая часть поста заканчивается, а следующая часть будет посвящена не менее великому полупроводниковому устройству – его величеству транзистору.