Полупроводники простыми словами: как устроен чип

Слово «полупроводники» попало в новости вместе с дефицитом чипов: он останавливал автозаводы, а рынок микросхем оценивают более чем в $500 млрд в год. Сам материал при этом обычный — чаще всего кремний. Его получают из кварцевого песка, но песок — это диоксид кремния SiO₂, а в чип идёт очищенный элементарный Si. Как из песка получается процессор с десятками миллиардов транзисторов? Начинать ответ приходится с того, почему кремний ведёт себя ни как металл, ни как изолятор.

Что такое полупроводник простыми словами

Определение строят вокруг удельного сопротивления — вокруг того, насколько материал мешает току течь:

Класс материала	Удельное сопротивление, Ом·м	Примеры
Проводники (металлы)	10⁻⁸–10⁻⁶	медь, алюминий, серебро
Полупроводники	~10⁻⁵–10⁷	кремний, германий, арсенид галлия
Диэлектрики	>10⁸	стекло, керамика, полиэтилен

Но «нечто среднее по сопротивлению» — половина правды, и не самая интересная. Суть полупроводника в том, что его проводимостью можно управлять. Нагрели — сопротивление упало, хотя у металла при нагреве оно, наоборот, растёт. Осветили — тоже упало. Добавили ничтожную примесь — изменилось на порядки. Приложили электрическое поле — включили или выключили ток.

Металл тут похож на трубу без крана: вода льётся всегда. Диэлектрик — труба, заваренная наглухо. Полупроводник — труба с краном, и крутить этот кран можно теплом, светом, примесями или напряжением. Электронику сделал именно кран, а не труба: без управления током не бывает ни усиления сигнала, ни вычислений.

Рабочий список материалов короткий: кремний (Si), германий (Ge), арсенид галлия (GaAs), карбид кремния (SiC), нитрид галлия (GaN). И ещё одна деталь, которая многих удивляет: вблизи абсолютного нуля чистый полупроводник работает как диэлектрик, свободных носителей заряда в нём практически нет.

Как работает полупроводник: зоны, электроны и дырки

Электроны в кристалле могут занимать не любые энергии, а только разрешённые «этажи» — энергетические зоны. Нижний этаж, валентная зона: электроны заняты в химических связях и ток переносить не могут. Верхний, зона проводимости: попавший сюда электрон свободен и участвует в токе. Между ними лежит запрещённая зона — лестничный пролёт, на котором стоять нельзя, его нужно перепрыгнуть целиком.

Ширина пролёта и определяет класс материала:

• германий — 0,67 эВ;
• кремний — 1,12 эВ;
• арсенид галлия — 1,42 эВ;
• карбид кремния — около 3,2 эВ;
• алмаз — 5,5 эВ, это уже диэлектрик.

Граница условная. Полупроводниками считают материалы с запрещённой зоной примерно до 1,5–2 эВ, но широкозонные SiC и GaN тоже относят к полупроводникам, просто «включить» их сложнее.

Откуда электрон берёт энергию для прыжка? Из тепла или от кванта света. По справочным данным, для высвобождения электрона в кремнии нужно около 1,76·10⁻¹⁹ Дж, у типичного диэлектрика — порядка 11,2·10⁻¹⁹ Дж. Средняя тепловая энергия при комнатной температуре всего ~0,04·10⁻¹⁹ Дж, но распределена она между частицами неравномерно, и отдельным электронам её хватает на прыжок в кремнии, тогда как в диэлектрике барьер остаётся неприступным. Вот откуда падение сопротивления при нагреве: чем горячее, тем больше электронов «наверху».

Теперь про дырки. У кремния, элемента IV группы, четыре валентных электрона, и каждый атом в решётке образует четыре ковалентные связи с соседями: вокруг ядра оказывается восемь общих валентных электронов, все связи заняты. Ушёл электрон в зону проводимости — в связи осталась вакансия, дырка. Соседний электрон перескакивает на это место, дырка смещается к нему, потом ещё и ещё: вакансия путешествует по кристаллу, как свободное кресло в ряду кинозала, когда зрители пересаживаются. Формально дырка ведёт себя как положительный носитель заряда.

Электрон и дырка рождаются парой — это генерация — и парой же исчезают, когда электрон занимает вакансию и рекомбинирует. В чистом кремнии концентрации электронов и дырок равны, такую проводимость называют собственной:

σ = q·N·(uₙ + u_p),

где q — заряд электрона, N — концентрация пар, uₙ и u_p — подвижности. У электронов в кремнии подвижность около 1400 см²/(В·с), у дырок около 450 см²/(В·с). Пересаживаться по креслам медленнее, чем лететь свободно.

Легирование: полупроводники n-типа и p-типа

Собственная проводимость чистого кремния слабая и капризно зависит от температуры. Электронике нужен контроль, его даёт легирование — добавление примеси в концентрации порядка одного атома на 10⁶–10⁸ атомов кремния. Щепотка соли на железнодорожный вагон крупы, а проводимость меняется на порядки.

Доноры — элементы V группы: фосфор, мышьяк, сурьма. Пять валентных электронов, четыре уходят в связи с соседями-кремниями, пятый оказывается лишним и легко отрывается. Так получается полупроводник n-типа (negative), где основные носители — электроны.

Акцепторы — элементы III группы: бор, алюминий, галлий, индий. Валентных электронов всего три, одна связь остаётся незаполненной, готовая дырка. Это p-тип (positive), основные носители — дырки.

В производстве примесь вносят двумя способами. Диффузия: атомы «впитываются» в разогретую пластину. Ионная имплантация: ионы разгоняют и вбивают в кристалл на нужную глубину. Сильно легированные области обозначают n⁺ и p⁺. Если в кристалле есть и доноры, и акцепторы, они частично гасят друг друга — это компенсация: тип проводимости задаёт та примесь, которой больше.

Тип проводимости готового образца проверяют методом горячего зонда, он же термозонд: по знаку возникающей термоЭДС видно, электроны или дырки основные носители. Точнее работает эффект Холла — он заодно даёт концентрацию носителей.

p-n переход — основа всей электроники

Вся физика разворачивается на границе p- и n-областей внутри одного кристалла. Электроны из n-области диффундируют в p-область, где их мало, дырки идут навстречу. У границы носители рекомбинируют, и появляется обеднённый, он же запирающий, слой — тонкая зона без свободных зарядов, зато с собственным электрическим полем.

Величину встроенного барьера обычно приводят как ориентир: около 0,7 В для кремния и около 0,3 В для германия. Универсальными эти числа не назовёшь: они зависят от материала, температуры, концентрации примесей и режима работы прибора, а у диода ещё и не совпадают с падением напряжения при прямом токе.

К внешнему напряжению барьер относится несимметрично. Прямое смещение, плюс к p-области: внешнее поле сжимает барьер, носители текут через переход, ток идёт. Обратное смещение, плюс к n-области: барьер расширяется, ток практически стоит.

Получился диод — вентиль, пропускающий ток в одну сторону. Переход между двумя по-разному легированными областями одного материала называют гомопереходом. Если контактируют разные материалы, это гетеропереход; на таких структурах строят лазеры и высокочастотные приборы.

Из p-n переходов складывается транзистор — управляемый переключатель. В чипах господствует полевой транзистор, MOSFET: затвор, отделённый от канала тончайшим слоем изолятора, электрическим полем открывает и закрывает путь току между истоком и стоком. Управляет поле, а не ток, поэтому постоянный ток через затвор почти не течёт — энергия тратится в основном на заряд и разряд ёмкостей при переключении. Открытый и закрытый транзистор — это единица и ноль, но бит хранит или обрабатывает схема из нескольких транзисторов. Из таких переключателей собирают логические элементы И, ИЛИ, НЕ, из них — сумматоры и ячейки памяти, а в итоге процессор.

Как устроен чип: от песка до микропроцессора

Путь от кварцевого песка до процессора занимает несколько месяцев и сотни операций.

1. Очистка. Кварцевый песок (SiO₂) восстанавливают до металлургического кремния, затем химической очисткой получают поликремний. Микроэлектроника требует чистоты 99,9999999% — «девять девяток», 9N: один посторонний атом на миллиард.
2. Монокристалл. Поликремний плавят и методом Чохральского вытягивают из расплава единый кристалл-слиток: затравку медленно поднимают и вращают, атомы выстраиваются в решётку без сбоев. Дефекты решётки становятся ловушками для носителей заряда, так что монокристалличность здесь не прихоть.
3. Пластины. Слиток режут на пластины диаметром 200 или 300 мм и полируют до зеркала.
4. Фотолитография. На пластину наносят светочувствительный слой и через маску засвечивают рисунок будущих транзисторов. Рабочие длины волн — 193 нм (DUV) и 13,5 нм (EUV, экстремальный ультрафиолет). Сканеры для EUV поставляет нидерландская ASML.
5. Формирование структур. Травление, ионная имплантация, осаждение плёнок, химико-механическая планаризация (CMP) — и всё это по кругу, десятки раз, слой за слоем.
6. Финал. Пластину тестируют, режут на кристаллы, годные упаковывают в корпус с выводами.

Работа идёт в чистых помещениях классов ISO 1–4. Одна пылинка на пластине убивает чип: элементы схемы мельче самой пылинки. Среди крупнейших производителей — TSMC (Тайвань), Samsung, Intel, а производство сосредоточено в Восточной Азии, из-за чего дефицит чипов 2020–2022 годов и стал глобальной проблемой.

Из чего состоит современный чип

Кристалл процессора — слоёный пирог. Внизу кремниевая подложка с транзисторами, и их архитектура за годы сменилась дважды: планарные транзисторы, потом FinFET с «плавником»-каналом (пошёл в дело с узла 22 нм), теперь GAA/nanosheet, где затвор охватывает канал со всех сторон. Подзатворный оксид — считанные атомные слои.

Над транзисторами — 15–20 уровней медной металлизации: «этажи» проводников, которые соединяют миллиарды переключателей в схему, с изоляцией между этажами. Сверху контактные площадки, через них кристалл общается с внешним миром, и корпус.

Чтобы почувствовать масштаб: чип Apple M2 содержит порядка 20 млрд транзисторов, серверные GPU — свыше 100 млрд. А «нанометры техпроцесса» в названиях узлов, все эти «5 нм» и «3 нм», давно не означают физический размер затвора. Это условное имя поколения технологии, а не результат измерения линейкой.

Отсюда же нагрев. Миллиарды переключений в секунду выделяют тепло, перегрев увеличивает токи утечки и грозит тепловым пробоем, поэтому процессору и нужен радиатор.

Виды полупроводниковых материалов

Полупроводниковые элементы занимают диагональ периодической таблицы между металлами и неметаллами. Основные классы:

• Элементы IV группы: кремний и германий, классика микроэлектроники.
• Соединения III–V: GaAs, GaN, InP. Многие из них прямозонные — электрон при рекомбинации сразу излучает фотон, поэтому из них делают светодиоды и лазеры. Кремний непрямозонный и светит плохо.
• Соединения II–VI: CdTe (тонкоплёночные солнечные элементы), ZnS.
• Соединения IV–VI: PbS, PbTe — исторически первые детекторные материалы и ИК-фотоприёмники.
• Широкозонные: SiC и GaN держат высокие напряжения и температуры, поэтому забрали себе силовую электронику — зарядные устройства, инверторы электромобилей, зарядные станции.
• Аморфный кремний и органические полупроводники: тонкоплёночные транзисторы дисплеев, OLED-экраны. Существуют и магнитные полупроводники.

По происхождению проводимости материалы делят проще: собственные, то есть чистые, где носители рождаются парами, и примесные — легированные, n- или p-типа.

Где применяются полупроводники

Вычисления и память — самая очевидная территория: процессоры, оперативка, флеш-память, всё это кремниевые транзисторы. В силовой электронике работают модули на SiC и GaN: электромобили, зарядные станции, блоки питания.

Солнечная энергетика живёт на том же p-n переходе. Фотон рождает пару электрон–дырка, поле перехода разводит их в разные стороны, появляется ток. КПД серийных кремниевых модулей — 20–23%, лабораторные тандемные элементы перешагнули 30%. Со светом то же самое, только наоборот: светодиоды на GaN дают свыше 100 лм/Вт.

Датчики — отдельная большая семья. Терморезисторы используют ту самую температурную зависимость сопротивления; дальше идут фоторезисторы, тензодатчики и CMOS-матрицы камер, по сути массивы фотодиодов. В связи работают полупроводниковые лазеры для оптоволокна, СВЧ-приборы на GaAs, автомобильные радары.

Солнечная панель, фотодиод и матрица камеры устроены на одном принципе — фотоэффекте в p-n переходе. Разница только в задаче: собрать энергию или зарегистрировать сигнал.

История полупроводников: ключевые открытия

• 1833 — Майкл Фарадей в «Экспериментальных исследованиях по электричеству» замечает, что проводимость сульфида серебра растёт при нагреве, то есть ведёт себя обратно металлам.
• 1874 — Карл Фердинанд Браун обнаруживает выпрямление тока на точечном контакте с кристаллом.
• 1904 — кристаллический детектор, «кошачий усик», на галените (сульфиде свинца): первый массовый полупроводниковый прибор и сердце ранних радиоприёмников. Позже Олег Лосев соберёт на кристаллах генерирующие «кристадины».
• 1926 — Юлиус Лилиенфельд патентует идею полевого транзистора за два десятилетия до того, как её стало возможно сделать.
• 1947 — Джон Бардин и Уолтер Браттейн в Bell Labs создают точечный германиевый транзистор, а в 1948 Уильям Шокли предлагает биполярный. Нобелевская премия по физике — 1956 год, на троих.
• 1954 — первый кремниевый транзистор Texas Instruments. Кремний побеждает германий: он доступнее, держит более высокие рабочие температуры и обзаводится стабильным собственным оксидом SiO₂ — готовым изолятором прямо на поверхности кристалла.
• 1958–1959 — интегральная схема. Джек Килби (Texas Instruments) и Роберт Нойс (Fairchild) независимо соединяют несколько элементов на одном кристалле; Килби получит Нобелевскую премию в 2000 году.
• 1965 — Гордон Мур формулирует эмпирический закон удвоения числа транзисторов на кристалле, который задал отрасли темп на полвека.

В советской науке школу физики полупроводников создал Абрам Фёдорович Иоффе со своим Физико-техническим институтом, оттуда вышли многие работы по теории и материалам.

FAQ: частые вопросы о полупроводниках

Почему у полупроводника сопротивление падает при нагреве, а у металла растёт? В металле свободных электронов и так предельно много, нагрев лишь раскачивает решётку и мешает им двигаться. В полупроводнике нагрев рождает новые пары электрон–дырка, носителей становится больше, и этот выигрыш перевешивает помехи от колебаний решётки.

Что такое дырка — это реальная частица? Нет. Это вакантное место в ковалентной связи, которое перемещается по кристаллу, пока соседние электроны его заполняют. Математически удобно считать её положительной квазичастицей.

Почему чипы делают из кремния, а не из германия? Кремний дешевле и доступнее, работает при более высоких температурах и образует стабильный оксид SiO₂ — естественный изолятор. Без него не было бы технологии МОП-транзисторов.

«5 нанометров» в названии техпроцесса — это размер транзистора? Уже нет. Это условное имя поколения технологии, физические размеры элементов с ним напрямую не совпадают.

Полупроводник — это то же самое, что чип? В быту слова мешают, но строго полупроводник — материал, а чип (микросхема) — прибор из этого материала, в котором сидят миллионы или миллиарды транзисторов.

Может ли полупроводник стать изолятором? Практически да. Вблизи абсолютного нуля в чистом полупроводнике почти нет свободных носителей, и он ведёт себя как диэлектрик.