Współczesna mikroelektronika jest jednym z najdynamiczniej rozwijających się obszarów nauki i technologii. Jej znaczenie dla naszego codziennego życia jest ogromne, gdyż to właśnie dzięki mikroelektronice możemy korzystać z zaawansowanych urządzeń elektronicznych, takich jak smartfony, tablety czy laptopy, które stały się nieodłączną częścią naszej rzeczywistości. W dzisiejszym artykule zapraszamy do głębszego zanurzenia się w fascynujący świat krzemu, gdzie rozważymy budowę elementów takich jak tranzystorów i diod.
Dioda półprzewodnikowa w półprzewodniku
Diody półprzewodnikowe są niezwykle istotnymi elementami w świecie elektroniki i stanowią jeden z podstawowych elementów układów scalonych. Ich rola w elektronice jest nie do przecenienia, ponieważ pełnią funkcje nie tylko prostowników, ale także wykorzystywane są do generowania sygnałów, przekształcania energii elektrycznej, a nawet jako elementy ochronne przed przepięciami. Dzięki swojej zdolności do jednokierunkowego przewodzenia prądu elektrycznego, diody umożliwiają kontrolowane działanie na obwodach elektrycznych, co jest niezbędne w większości urządzeń elektronicznych.
Konstruktorzy diody prostowniczej oparli całą konstrukcję na dwóch warstwach półprzewodnika o różnych właściwościach. Pierwszą warstwą jest materiał typu P, drugą zaś półprzewodnik typu N. Działanie tego typu półprzewodnikowej kanapki polega na przepływie prądu elektrycznego tylko w jednym kierunku, przypływ w drugą stronę jest zablokowany, chyba że przekroczone zostanie napięcie zaporowe diody. Gdy element ten spolaryzowany zostanie w odpowiedni sposób, a napięcie przyłożone do diody jest większe od napięcia progowego (napięcie przewodzenia), prąd jest przepuszczany, co umożliwia diodzie prostowniczej wykorzystywanie jedynie jednego półokresu sygnału zmiennego, prostując go do postaci jednokierunkowej.
Zazwyczaj diody półprzewodnikowe mają formę pojedynczych elementów montowanych na płytkach PCB. Warto jednak wiedzieć, że tego typu struktur budowane są również na krzemowych podłożach w układach scalonych. Na zdjęciu powyżej możecie zobaczyć rdzeń układu produkcji Warszawskich zakładów CEMI o oznaczeniu UL1520. Jest to przetwornica napięcia, na której wejściu umieszczono, połączone szeregowo cztery diody zenera oraz sześć diod półprzewodnikowych, oznaczyłem je na fotografii czarnym prostokątem.
Dość łatwo zauważyć, że do każdej z diod podłączone są dwie ścieżki, będące jej wejściem i wyjściem. Jednak po nieco dokładniejszym spojrzeniu cała struktura może wydawać się nieco dziwna. Dość wyraźnie widać, że każda z diod w rzeczywistości podłączona jest do metalowej ścieżki w trzech miejscach, przy czym dwa z wyprowadzeń są ze sobą połączone. Mogłoby się wydawać, że nie ma prostszych krzemowych konstrukcji niż diody prostownicze, oparto ją przecież o tylko dwie warstwy materiału półprzewodnikowego. Rzeczywistość jest jednak nieco inna i dość częstą praktyką jest budowa diod ze struktur tranzystorowych.
Do samych tranzystorów przejdziemy nieco później, ale graficzna interpretacja budowy diody w krzemie, którą możecie zobaczyć powyżej, przedstawia de facto pewien tranzystor, z którego zrobiono diodę. Zastanawiacie się pewnie, dlaczego tak jest? Odpowiedź jest dość prosta, chodzi o technologię. Analizowany układ scalony wykonano w technologii TTL (transistor-transistor logic) i właśnie dlatego diodę wykonano z tranzystora, gdyby chip wykonano w konwencji DTL, (diode-transistor logic) krzemowa konstrukcja miałaby nieco inną budowę.
Przejdźmy jednak do konkretnego opisu budowy diody na krzemowym podłożu. Jak już wiadomo mamy tutaj strukturę tranzystora z trzema wyprowadzeniami. Po prawej stronie umieszczony został obszar N+ pełniący rolę półprzewodnika typu N w klasycznej diodzie prostowniczej. W tym miejscu znalazło się też metalowe wyprowadzenie – katoda. Materiał N+ umieszczony jest wewnątrz większego obszaru typu P, do którego przytwierdzone jest środkowe wyprowadzenie (tranzystora), połączone jest ono z metalem po lewej stronie połączonym z jeszcze większym obszarem typu N+ i N. Wewnętrzny półprzewodnik typu P jest właśnie drugą częścią kanapki, będącej elementem diody prostowniczej, a połączone z nim wyjście pełni rolę – anody. Wyprowadzenie po lewej stronie, mimo że połączone jest z anodą, w przypadku diody nie ma większego znaczenia, można powiedzieć, że jedynie poprawia charakterystykę elementu, izolując jego strukturę od reszty półprzewodnikowego podłoża.
Tranzystory bipolarne
Jak zbudowany jest tranzystor bipolarny, raczej nikomu nie trzeba przedstawiać. W teorii mamy strukturę zbudowaną z odpowiednio domieszkowanego półprzewodnika, ułożoną w kanapkę typu NPN lub PNP. Tak skonstruowany element pozwala wzmacniać i kontrolować przepływ prądu między dwoma z jego wyprowadzeń. Zazwyczaj tranzystory możemy spotkać jako trój wyprowadzeniowe elementy będące częścią składową większych obwodów elektronicznych. Poza tym tranzystory są podstawowym budulcem układów scalonych, to właśnie na tych elementach opierają się wszystkie współczesne układy scalone. Warto jednak wiedzieć, że ich budowa na krzemowym podłożu różni się znacząco względem teoretycznej trójwarstwowej kanapki PNP lub NPN.
W praktyce tranzystory bipolarne typu NPN tworzone są z kilku warstw półprzewodnika typu P, N oraz N+. Cała struktura umieszczana jest na podłożu typu P i ma niewiele wspólnego z książkowym NPN, choć patrząc na pionowy wycinek pod emiterem, możemy się takiej budowy dopatrzyć. Poniżej emitera umieszczony został półprzewodnik typu N+, łączy się on bezpośrednio z obszarem P, czyli obszarem połączonym z bazą. Ostatnim elementem jest kolektor, łączy się on z pozostałą strukturą pośrednio, czyli dwa obszary N+ rozdzielone są półprzewodnikiem typu N.
Można by oczekiwać, że tranzystor PNP zbudowany będzie identycznie jak NPN, a różnicą będzie tylko odwrotne oznaczenie typu półprzewodnika. Rzeczywistość jest jednak inna. Tranzystory PNP posiadają niewielki, zazwyczaj okrągły obszar emitera typu P otoczony przez pierścień kolektora, również typu P. Oba obszary oddzielone są półprzewodnikiem typu N, połączonym pośrednio z nieco bardziej domieszkowaną bazą, N+. Na zdjęciu możecie zobaczyć dość ciekawy tranzystor, w którym między bazą, a kolektorem przechodzi ścieżka umieszczona ponad całą strukturą, na warstwie tlenku-krzemu.
Tranzystory unipolarne
Poza tranzystorami bipolarnymi w elektronice możemy spotkać się też z konstrukcjami unipolarnymi, nazywanymi również polowymi. Tego typu elementy wykorzystują zjawisko pola elektrycznego do kontrolowania przepływu prądu elektrycznego, co czyni je niezwykle wszechstronnymi i efektywnymi elementami. Podobnie jak tranzystory bipolarne, tak i konstrukcje polowe są jednymi z podstawowych komponentów wykorzystywanych w przemyśle półprzewodnikowym.
Tranzystory unipolarne pod względem budowy są jednymi z prostszych konstrukcji. Na krzemowych podłożach budowane są elementy oznaczane jako NMOS i PMOS, czyli kolejno tranzystory z kanałem typu N oraz typu P. Na grafice powyżej możecie zobaczyć ogólną budowę dwóch tranzystorów MOS na podłożu typu N. W konstrukcji po lewej stronie przy złączach drenu i źródła umieszczone zostały obszary typu P+, rozdzielone kanałem o bazowo większej ilości elektronów, ponad którym umieszczono została bramka. Podobnie jak w klasycznych, przewlekanych elementach jest ona oddzielona od podłoża, poprzez cienką warstwę izolatora. Pudowa tranzystora z kanałem typu P (po prawej stronie) jest niemal identyczna, z tym że wykorzystane materiały półprzewodnikowe są, można powiedzieć odwrotne. Innymi słowy, pod drenem i źródłem znalazł się obszar typu N+, natomiast cała konstrukcja umieszczona została we większym obszarze typu P, tak aby pod bramką uzyskać kanał o takiej charakterystyce.
Na grafice zauważyć można jeszcze tajemnicze wyprowadzenie oznaczone jako B, połączone ze źródłem tranzystora. Jest ono niezbędne do poprawnego funkcjonowania tranzystorów MOS umieszczonych na krzemowym podłożu. Tego typu elementy wymagają, aby miejsce, w którym znajduje się tranzystor, spolaryzowane było napięciem ze źródła. Dzięki temu sygnały przełączane przez tranzystor nie mogą „uciec”, innymi słowy wokół tranzystora powstaje bańka, dzięki której jest on niejako odizolowany od reszty krzemowych konstrukcji umieszczonych na tym samym podłożu.
Współczesny świat nieustannie płynie ku przyszłości, napędzany niesamowitym postępem w dziedzinie technologii. Centralną rolę w tym dynamicznym procesie odgrywa elektronika, która stanowi podstawę większości urządzeń codziennego użytku. Jednym z kluczowych fundamentów elektroniki są struktury zwane układami scalonymi, które od lat rewolucjonizują naszą zdolność do przetwarzania informacji i komunikacji. Jednak, gdy zajrzymy w głąb elektronicznych chipów, zauważymy, że zbudowane są one ze struktur takich jak tranzystory, diody, rezystory, a nawet kondensatory. Elementy te umieszczane są wspólnie, na pojedynczym kawałku krzemu, przez co różną się znacząco od podobnych konstrukcji umieszczanych na płytkach drukowanych. W tym artykule opowiem wam nieco o krzemowych strukturach elektronicznych, czyli fundamencie dzisiejszego świata technologii.
W dzisiejszym, dynamicznym świecie elektroniki, nieustannie korzystamy z zaawansowanych technologii, które umożliwiają nam wykonywanie zadań szybciej, wydajniej i wygodniej. Jednym z najbardziej niezwykłych osiągnięć, które wpłynęło na naszą codzienną rzeczywistość, jest wynalezienie układu scalonego. Te niewielkie, lecz potężne komponenty elektroniczne, zawierające zazwyczaj setki, tysiące, a nawet miliony elementów na pojedynczej krzemowej płytce. Chipy zrewolucjonizowały nasz świat w sposoby, których wcześniej nie można było sobie nawet wyobrazić. Jednak chcąc zgłębić historię układów scalonych musimy cofnąć się aż do lat 20. XX wieku, do czasów konstrukcji lampowych.
Źródła:
- https://www.shindengen.com/products/semi/column/basic/diodes/diode.html
- https://www.elenota.pl/datasheet-pdf/60410/CEMI/UL1520?sid=f990c1328e28e9c37bed32e0d18712b7
- http://www.righto.com/search?q=diodes&updated-max=2020-07-25T09:51:00-07:00&max-results=20&start=6&by-date=false
- http://www.righto.com/search?q=cmos+diode&updated-max=2021-03-03T10:16:00-08:00&max-results=20&start=3&by-date=false