Кремний (Часть 1)
Введение
Кремний является основным материалом для большого количества компьютерного оборудования. Он широко использовался на протяжении десятилетий и представляет собой материал, который хорошо понимают инженеры и ученые и с которым легко манипулировать. Достижения в этой манипуляции привели как к увеличению скорости, так и к уменьшению размера сложного вычислительного оборудования. В этой статье я объясню, как кремний используется в компьютерах, а в следующих двух статьях я расскажу о некоторых потенциальных заменах кремния, а также о преимуществах и недостатках каждого из них.
В компьютерных микросхемах и транзисторах кремний известен как полупроводник. Но кремний сам по себе не является полупроводником; на самом деле это изолятор. Это связано с химической структурой элемента Кремний. Кремний имеет 4 валентных электрона (внешние электроны, которые могут участвовать в образовании связей с другими атомами), это позволяет атомам кремния образовывать прочные ковалентные связи с другими атомами кремния без свободных электронов в результате связи. Это означает, что когда электричество подается на кремний, оно не может пройти через материал, потому что в нем нет свободных электронов.
Ковалентная связь — это особая химическая связь между атомами, образованная, когда атомы имеют один или несколько общих внешних электронов.
Так как же можно использовать кремний в качестве проводника? Кремний может стать полупроводником с помощью процесса, известного как легирование. Используются два вида допинга. Первый тип называется N-типом. При этом типе легирования в кремний в очень малых количествах добавляют либо фосфор, либо мышьяк. И фосфор, и мышьяк имеют по 5 внешних электронов, поэтому, когда они образуют ковалентные связи с атомами кремния, становится свободным электрон. Даже небольшое количество фосфора или мышьяка может произвести достаточно свободных электронов, чтобы кремний стал полупроводником. Эти свободные электроны придадут легированному кремнию отрицательный заряд; поэтому этот тип легирования называется N-типом.
Другой тип легирования называется P-Type. В этом типе легирования для связи с кремнием используется либо бор, либо галлий. Отличие этого типа легирования в том, что бор и галлий имеют по три внешних электрона. Итак, когда ковалентные связи образуются с атомами кремния, образуется «дырка». Это отсутствие электрона дает эффект положительного заряда (отсюда и название «P-тип»), который на самом деле противоположен легированному кремнию N-типа.
Сами по себе эти легированные кремниевые полупроводники не являются чем-то особенным. Однако, когда мы соединяем их вместе, могут происходить интересные вещи. На рисунке 1 кремниевый блок P-типа расположен рядом с кремниевым блоком N-типа. На первый взгляд это может показаться немного странным. У нас есть то, что очень похоже на положительные и отрицательные заряды рядом друг с другом — разве электроны не переместятся на положительную сторону, чтобы уравновесить заряды?
Рисунок 1: Кремний P-типа и N-типа, образующий диод
Нет. Электроны кремния N-типа не будут перемещаться в кремний P-типа, чтобы сбалансировать заряды. Это из-за полосы пропускания. Само по себе количество заряда недостаточно велико, чтобы стимулировать подвижность электронов. Эта ширина запрещенной зоны позволяет нам делать удивительные вещи с легированным кремнием.
Если мы поместим кремний N-типа рядом с силиконом P-типа и объединим их с источником питания, мы можем сделать диод. Диод — это базовое электронное устройство, которое позволяет электричеству течь только в одном направлении — направлении, которое обеспечивает энергию, превышающую ширину запрещенной зоны легированного кремния. На рис. 2 показан кремний P-типа и N-типа вместе в цепи с источником питания. Когда источник питания находится в правильном направлении, электричество будет течь через диод, когда он находится в неправильном направлении, электричество не будет течь.
Рисунок 2: диод, подключенный к источнику питания
Здесь стоит отметить, что если источник питания достаточно большой, то диод выйдет из строя, и электричество будет течь в любом направлении. Это связано с тем, что в противоположном направлении также имеется запрещенная зона, хотя для преодоления ширины запрещенной зоны требуется гораздо большее количество энергии, она не бесконечна.
Диоды — это очень простой, но очень ценный и часто используемый электронный компонент. Однако одним из наиболее важных электронных компонентов, изготовленных из кремния, является транзистор. Чтобы сделать транзистор из легированного кремния, мы можем объединить легированный кремний в своего рода сэндвич. Эти типы транзисторов называются «переходными транзисторами», и существует два типа таких переходных транзисторов. Существует тип NPN, в котором кремний P-типа зажат между двумя кусочками кремния N-типа. Существует также переходной транзистор типа PNP, в котором кремний N-типа зажат между двумя кремниевыми кусочками P-типа. Эти два типа переходных транзисторов в основном одинаковы, за исключением того, что они работают с обратной полярностью друг друга.
Итак, чтобы понять, как это работает, давайте просто рассмотрим переходной транзистор типа NPN. Если вы помните, когда я объяснял диоды, вы могли подумать, что это выглядит как два диода, расположенных вплотную друг к другу, которые мешают электричеству течь в любом направлении — вы были бы правы. Однако, если мы подадим небольшой электрический ток на средний кремний P-типа (часто называемый «базой»), мы можем позволить току течь от одного кремния N-типа (часто называемого «коллектором») к другой кремний N-типа (часто называемый «эмиттером»). Точно так же, если мы отключим электрический ток от базы, ток от коллектора к эмиттеру прекратится. Этот тип действия позволяет нам использовать этот переходной транзистор в качестве простого переключателя. Именно такие простые переключатели мы можем комбинировать вместе, чтобы сформировать более сложные логические элементы. Для получения дополнительной информации о том, как эти логические вентили используются в вычислениях, см. мою предыдущую статью об арифметико-логических единицах.
Рисунок 3: схема транзистора с NPN-переходом
Другой тип транзистора, который мы можем изготовить из легированного кремния, называется полевым транзистором или полевым транзистором. Есть несколько подтипов полевых транзисторов, но все они работают в основном одинаково. В полевых транзисторах используются только два типа легированного кремния: N-типа и P-типа. Этот тип транзистора использует магнитное поле, создаваемое вместе с любым током. По сути, полевой транзистор пропускает электричество через один тип кремния, который используется в качестве канала. Когда электричество подается на другой тип кремния, создается магнитное поле, которое мешает току, протекающему через канал, что значительно уменьшает его. Используя этот эффект магнитного поля, мы можем использовать полевой транзистор в качестве переключателя почти так же, как я объяснил, что мы можем использовать переходной транзистор в качестве переключателя.
Итак, это упрощенное объяснение того, как силикон используется в электронных компонентах, включая компьютерные чипы и всевозможные процессоры. Вы можете видеть, как улучшение электрических характеристик и уменьшение размера этих компонентов может оказать существенное влияние на производительность и размер готовых частей компьютера. Однако по мере уменьшения размера силикона его физические свойства начинают меняться, что затрудняет достижение желаемых результатов. В моей следующей статье я расскажу об этом, а также о некоторых альтернативах кремнию, которые в настоящее время изучаются.