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.
Szybki kurs budowy układów scalonych
W poprzednim materiale, do którego odnośnik znajdziecie wyżej, przedstawiłem pokrótce historię układów scalonych, ale chcąc lepiej zrozumieć ich wewnętrzną budowę, wskazane jest poznać „teorię chipów”. Układy scalone (ang. Integrated Circuits, ICs) to komponenty elektroniczne, w których wiele małych elementów, takich jak tranzystory, rezystory, kondensatory i inne, umieszczane są na pojedynczym cienkim podłożu półprzewodnikowym, zwykle krzemowym. Budowa układu scalonego jest niezwykle precyzyjnym procesem, który umożliwia umieszczenie setek tysięcy lub nawet milionów elementów na obszarze o rozmiarze mniejszym niż paznokieć. Istnieją różne typy układów scalonych, w tym analogowe, cyfrowe i hybrydowe, zależnie od rodzaju elementów i funkcji, które realizują.
Budowę współczesnych monolitycznych układów scalonych, bo takimi będziemy się przede wszystkim zajmować, opisać można w kilku zdaniach. Rdzeń układu umieszczany najczęściej na nieco większym metalowym lub ceramicznym podłożu zamykany jest w hermetycznie szczelnej obudowie wykonanej z tworzywa sztucznego, lub materiału ceramicznego. Na brzegach obudowy umieszczane są wyprowadzenia zewnętrzne, ich rozmieszczenie i ilość zależy od konkretnego typu obudowy. Rdzeń układu i wyprowadzenia łączone są cieniutkimi, zazwyczaj złotymi drucikami, które mocowane są do powierzchni tych elementów za pomocą ultradźwięków lub metodą zgrzewania.
Dlaczego krzem?
Każdy, kto interesuje się elektroniką, wie, że znaczna część elementów półprzewodnikowych wykonywana jest z krzemu, przy czym większość zapewne słyszała też o konstrukcjach germanowych, ale z nich nie korzystała. Oba materiały stosowane są w dzisiejszym świecie, ale znaczenie germanu jest tak naprawdę marginalne i to krzem zdominował rynek nowoczesnych technologii. Stało się tak z kilku praktycznych powodów:
- Dostępność i koszty: Krzem jest drugim po tlenie najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem na ziemi. Dostępny jest w dużych ilościach i stosunkowo łatwo jest go wydobywać. Dzięki temu jest znacznie tańszy niż german, który występuje w mniejszych ilościach i jest trudniejszy do pozyskania.
- Stabilność termiczna: Krzem ma znakomitą stabilność termiczną, co oznacza, że układy scalone wykonane z tego materiału mogą pracować w szerokim zakresie temperatur. Dla zaawansowanych procesów technologicznych jest to istotne, ponieważ chipy muszą działać nie tylko w typowych temperaturach pokojowych, ale również w ekstremalnych warunkach, przykładowo w aplikacjach przemysłowych czy w przestrzeni kosmicznej.
- Tlenek krzemu jako izolator: Tlenek krzemu (SiO2) ma znakomite właściwości izolacyjne, co sprawia, że jest doskonałym materiałem do tworzenia warstw izolacyjnych w tranzystorach MOSFET. Warstwa izolacyjna oddziela bramę tranzystora od kanału przewodzenia, co jest kluczowe dla jego działania. Tlenek krzemu może być tworzony w prosty sposób poprzez utlenianie krzemu, co jest procesem trwałym i niezawodnym.
- Rozwinięta technologia produkcji: Technologia produkcji układów scalonych opartych na krzemie jest bardzo zaawansowana i rozwinięta od dziesięcioleci. Wiele inwestycji, badań i rozwoju zostało poświęconych doskonaleniu procesów technologicznych związanych z krzemowymi układami scalonymi. W wyniku tego krzemowe chipy oferują doskonałą wydajność, niskie straty mocy, a także możliwość integracji setek milionów elementów na pojedynczym rdzeniu.
Otwieranie tranzystorów germanowych, szczególnie tych pochodzących ze Związku Radzieckiego nie jest najlepszym pomysłem, ponieważ wnętrze takich struktur wypełniane było tlenkiem berylu, który jest pierwiastkiem niebezpiecznym. Jego zadaniem było poprawić odprowadzanie ciepła w tranzystorze.
Poza oczywistymi zaletami jest jedno zagadnienie, w którym półprzewodniki germanowe górują nad krzemową konkurencją i są to właściwości elektryczne. Pod względem elektrycznym german można określić jako pierwiastek doskonalszy, charakteryzuje się on między innymi wyższą mobilnością elektronów. Termin ten odnosi się do zdolności swobodnego poruszania się nośników energii w materiale. Właściwość ta ma wpływ na szereg cech charakterystycznych półprzewodników germanowych, ale jest to zagadnienie, które być może poruszę w innym artykule.
Domieszkowanie – sekretny składnik sukcesu
Poznając teorię konstrukcji półprzewodnikowych, zazwyczaj zatrzymujemy się na informacjach, że przykładowo tranzystory budowane są z odpowiednio domieszkowanego krzemu, w którym na skutek tego procesu powstają obszary typu N i P. Cóż zdanie to jest jak najbardziej prawdziwe, ale jak to zwykle bywa, tematu nie wyczerpuje. Chcąc poznać świat mikroelektroniki, musimy poznać półprzewodniki nieco lepiej.
Proces domieszkowania półprzewodników, polega na kontrolowanym wprowadzaniu niewielkich ilości atomów domieszek do struktury krystalicznej krzemu. Proces ten ma na celu zmianę właściwości elektrycznych półprzewodnika, takich jak konduktywność, typ przewodnictwa oraz mobilność nośników ładunku. Domieszkowanie jest kluczowym etapem w produkcji półprzewodników, ponieważ pozwala na kontrolowanie zachowania elektrycznego materiału i umożliwia tworzenie różnych rodzajów elementów półprzewodnikowych, takich jak tranzystory czy diody.
Podstawowymi rodzajami domieszek są wspomniane już wcześniej, domieszki akceptorowe typu P oraz donorowe typu N. Domieszki typu P to substancje, które mają mniej elektronów w swojej strukturze niż półprzewodnik, do którego są wprowadzane. Oznacza to, że po wprowadzeniu do półprzewodnika, elektronów będzie brakować i nie wszystkie pasma energetyczne zostaną zapełnione. Powoduje to powstanie tzw. „dziur”, które pełnią rolę nośników ładunku w tego typu półprzewodniku. Domieszki typu N to substancje, które w swojej strukturze mają nadmiar elektronów w porównaniu do półprzewodnika. Po ich dodaniu powstają nadmiarowe, wolne elektrony, które od teraz stają się nośnikami ładunku o przeciwnym znaku niż „dziury”.
Poza podstawowymi domieszkami typ N i P wyróżnić możemy też typy: N+, N- oraz P+ i P-. Jak łatwo się domyślić są to domieszki charakteryzujące się różnym od standardowego stężeniem nośników ładunku. Obszary N+ i P+ wyróżniają się bardzo silnym domieszkowaniem, oznacza to, że w N+ występują znacznie większe ilości elektronów niż w standardowym półprzewodniku typu N. Analogicznie w obszarach P+, dominującymi elementami są „dziury”, których jest więcej niż w klasycznym półprzewodniku typu P. Obszary N- i P-, domieszkowane są bardzo niewielką ilością pierwiastków inwazyjnych, innymi słowy są to obszary o niskiej koncentracji nośników energii. Półprzewodniki typu N- charakteryzują się znacznie mniejszą ilością elektronów w porównaniu do obszarów typu N, natomiast w strukturach P- liczba „dziur” jest znacząco mniejsza w porównaniu do obszarów typu P. Tego typu nadmiarowe lub uboższe domieszkowanie ma na celu stworzenie obszarów o konkretnym stężeniu nośników ładunku, co ma istotne znaczenie w niektórych aplikacjach, takich jak diody Schottky, tranzystory mocy czy elementy ogniw słonecznych.
Domyślnie, domieszki typu N i P oraz ich wariacje wprowadzają nadmiar elektronów lub braki tego typu ładunków, czyli „dziury”, ale istnieją też inne domieszki, które mogą mieć różnorodne efekty w zależności od rodzaju półprzewodnika i warunków. Wyróżnić możemy kilka tego typu struktur.
- Domieszki izolujące: Wprowadzają atomy domieszek, które mogą zmienić właściwości dielektryczne półprzewodnika. Dzięki temu możliwe jest tworzeniu warstw izolacyjnych, które oddzielają różne obszary układu scalonego.
- Domieszki ferromagnetyczne: Dzięki nim można nadać półprzewodnikowi właściwości ferromagnetyczne. Tego typu rozwiązania stosowane są w spintronice, dziedzinie elektroniki powiązanej z fizyką kwantową, w której wykorzystuje się nie tylko ładunek elektryczny elektronu, ale także jego spin (moment pędu), będący niejako określeniem ułożenia cząstki w przestrzeni.
- Domieszki luminoforowe: Niektóre domieszki pozwalają półprzewodnikom emitować światło, czyli wyrzucać w przestrzeń fotony. Typowym przykładem półprzewodnika domieszkowanego luminoforem jest dioda elektroluminescencyjna (LED).
- Domieszki termoelektryczne: Wprowadzając specjalne domieszki, mogące zmieniać właściwości termoelektryczne półprzewodnika, czyli jego zdolność do przekształcania różnicy temperatur w napięcie elektryczne i odwrotnie. Proces ten stosowany jest w konwersji ciepła na energię elektryczną i vice versa.
- Domieszki absorpcyjne: Niektóre typy domieszek potrafią absorbować konkretne rodzaje promieniowania elektromagnetycznego, takie jak światło podczerwone. Dzięki temu możliwa jest budowa urządzeń takich jak detektory różnego rodzaju promieniowania.
Poznaliśmy budowę układów scalonych oraz sposoby domieszkowania półprzewodnikowego podłoża, także w końcu nadszedł czas wykorzystać tę wiedzę w praktyce i przyjrzeć się bliżej kilku podstawowym konstrukcją budowanym w oparciu o krzemowe rdzenie.
Problematyczne rezystory
Rezystory są jednymi z podstawowych elementów elektronicznych. Ich zadaniem jest ograniczyć prąd przepływający w obwodzie, zamieniając energię elektryczną w ciepło. Elementy te kojarzymy przede wszystkim jako niewielkie walce pokryte kolorowymi paskami lub mniejsze, montowane powierzchniowo prostopadłościany z nadrukowanym oznaczeniem. Jak na podstawowe elementy elektroniczne przystało, rezystory wykonywane są też na podłożach krzemowych, wewnątrz układów scalonych.
Jedną z najprostszych metod budowy krzemowych rezystorów jest domieszkowanie półprzewodników. Proces ten bazuje na domieszkach boru lub fosforu, o określonej koncentracji. Po ich dodaniu możliwe jest uzyskanie obszarów o konkretnych właściwościach rezystancyjnych. Przykład tego typu konstrukcji możecie zobaczyć powyżej, jest to krzemowy rezystor będący częścią większego rdzenia zaprojektowanego przez dawny ITE (Instytut Technologii Elektronowej w Warszawie), który umieszczono w większym hybrydowym układzie Unitry. Po prawej stronie umieściłem jego prawdopodobną budowę. Samym rezystorem określić możemy obszar typu N, który po odpowiednim domieszkowaniu uzyskał konkretne właściwości elektryczne. Całość umieszczona została na krzemowym podłożu typu P. Do rezystora, jak i nad nim widoczne są metalowe ścieżki oznaczone literą M. Ścieżki te muszą być w jakiś sposób oddzielone od pozostałych elementów, w tym celu na półprzewodnikowe podłoże naniesiona została warstwa izolacyjna tlenku krzemu (SiO2). Warto zwrócić uwagę na widoczne na zdjęciu mikroskopowym zarysy obszarów N+. Ich celem jest poprawa połączenia między metalowymi ścieżkami a warstwą domieszki typu N.
Poza domieszkowaniem rezystory mogą bazować również na innych procesach technologicznych. Znane są metody nanoszenia na półprzewodnikowe podłoże cienkich warstw materiałów rezystancyjnych, przykładem takiej substancji może być wspomniany wyżej tlenek krzemu, który w pewnych warunkach charakteryzuje się konkretną wartością rezystancji. Poza tym na półprzewodnikowym podłożu można umieścić warstwę metalu, od którego grubości i rodzaju zależeć będzie wartość rezystancji.
Mimo że istnieją możliwości budowy krzemowych rezystorów i w wielu układach są one spotykane, to projektanci chipów starają się ich unikać. Rezystory oparte na podłożu krzemowym są problematyczne przede wszystkim ze względu na ich dość sporą tolerancję rzędu +/-20%. Wartość ta jest w zasadzie ogromna i bierze się z trudności w ich projektowaniu. Bardzo wiele zależy od rozmiarów i ułożenia takiej konstrukcji. Poza tym krzemowe rezystory zazwyczaj mają niewielkie wartości i chcąc uzyskać element o większej rezystancji, należy połączyć ze sobą kilka pojedynczych rezystorów. Ze względu na problemy w konstrukcji krzemowych rezystorów jako ich odpowiednik stosowane są czasami tranzystory MOSFET, które w pewnych specyficznych warunkach mogą pełnić taką rolę.
Krzemowe kondensatory
W elektronice powszechnie znana jest zasada stosowania kondensatorów filtrujących zasilanie. Tego typu elementy stosuje się między innymi w towarzystwie układów scalonych. Skoro niemal każdy chip potrzebuje kondensatora filtrującego zasilanie to, dlaczego by nie umieścić go wewnątrz jego struktury? Cóż jest to możliwe, ale podobnie jak rezystory, krzemowe struktury pojemnościowe są problematyczne. Budowa kondensatorów w krzemie jest wymagająca i trudna pod względem technologicznym. Poza tym elementy magazynujące energię zaprojektowane na półprzewodnikowym podłożu mają problemy z zachowaniem wyznaczonych wcześniej parametrów.
Mimo wad i trudności, kondensatory można umieścić na krzemowym rdzeniu. W mikroelektronice znane są pojemnościowe struktury MOS (metal-oxide-semiconductor), których rozwinięcie skrótu – metal-tlenek-półprzewodnik dość dobrze obrazuję zasady budowy takich kondensatorów. Na fotografii powyżej, poza ciekawymi oznaczeniami ITE (Instytut Technologii Elektronowej w Warszawie) oraz CEMI (Naukowo-Produkcyjne Centrum Półprzewodników Unitra-CEMI w Warszawie) zobaczyć można dość ciekawą strukturę, która jak sądzę, może być dość osobliwym kondensatorem. Czarnym prostokątem oznaczyłem obszar, w którym zbiegają się trzy ścieżki, z których dwie są połączone bezpośrednio z wyprowadzeniem zewnętrznym układu. Na pierwszy rzut oka mogłoby się wydawać, że jest to jakiś tranzystor, ale warto zauważyć, że pod dwiema mniejszymi ścieżkami umieszczono warstwy, które połączone są prawdopodobnie bezpośrednio z półprzewodnikowym podłożem. Gdyby był to tranzystor, widoczna powinna być jeszcze co najmniej jedna warstwa domieszki. Dlatego sądzę, że może to być jakaś dziwaczna struktura pojemnościowa.
Między największą ze ścieżek, a dwiema mniejszymi powstały najprawdopodobniej dwa kondensatory. Fizycznie mniejsze wyprowadzenia oddzielone zostały od półprzewodnikowego podłoża izolatorem, mógł to być wspominany już wcześniej tlenek krzemu, ale aby lepiej zobrazować budowę krzemowych kondensatorów, oznaczyłem go jako Si3N4, czyli azotek krzemu, który również stosowany jest w przemyśle półprzewodnikowym. Przyglądając się rysunkowi, można zauważyć książkową budowę metal-tlenek-półprzewodnik – metalowa ścieżka – azotek krzemu – półprzewodnik typu N.
Cewki indukcyjne w układach scalonych
Z podstawowych elementów elektronicznych została już tylko cewka indukcyjna. Mogłoby się wydawać, że budowa tego typu elementów w krzemie jest niemożliwa. Mimo wszystko cewka do działania potrzebuje rdzenia, niezależnie czy będzie on ferromagnetyczny, czy po prostu powietrzny, czyli w rzeczywistości go nie będzie, to budowa takiej struktury na krzemowym podłożu wydaje się niemożliwa. Ale nic bardziej mylnego, istnieją krzemowe cewki, choć stosowane są niezwykle rzadko.
Cewki indukcyjne w krzemie buduje się podobnie jak te ukryte na co dzień w kartach płatniczych. Na płaskim podłożu umieszczana jest metalowa spirala o określonych wymiarach, tak aby uzyskać konkretne parametry elektryczne elementu. Przykład takiej cewki możecie zobaczyć na fotografii powyżej. Choć budowa cewki indukcyjnej jest możliwa, to projektanci unikają tego typu struktur. Powodem podobnie jak w przypadku poprzednich elementów jest ich niska jakość i trudność w uzyskaniu pożądanych właściwości. Poza tym, jak widać na zdjęciu, cewka w krzemie zajmuje olbrzymią powierzchnię, której i tak zawsze jest zbyt mało.
Tym sposobem poznaliśmy budowę układów scalonych, rodzaje domieszkowania oraz podstawowe krzemowe elementy elektroniczne. Jak się okazuje, konstrukcje te nie są elementami idealnymi, a wręcz przeciwnie są one dość problematyczne, ale trzeba pamiętać, że w układach scalonych stosowane są przede wszystkim tranzystory, o których opowiem wam w kolejnym materiale, do którego odnośnik, znajdziecie poniżej.
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.
Każdy sprzęt elektroniczny musi być w jakiś sposób zasilany, bez odpowiedniego napięcia nie będzie działać wcale lub zadziała, ale tylko przez ułamek sekundy. Istnieje całkiem sporo rozwiązań i konstrukcji, których zadaniem jest doprowadzić energię do zaprojektowanego obwodu. Jednymi z najczęściej stosowanych są stabilizatory liniowe oraz przetwornice napięcia. Stabilizatory zostawimy sobie na inny materiał, natomiast dziś chciałbym opowiedzieć wam nieco o działaniu i budowie przetwornic. Poza tym przyjrzymy się też ich problemom i spróbujemy je rozwiązać.
Źródła:
- https://electronics.stackexchange.com/questions/573412/which-technique-is-used-to-create-high-value-resistance-inside-a-ic
- https://www.britannica.com/technology/transistor/Silicon-transistors
- https://learn.sparkfun.com/tutorials/integrated-circuits/all
- https://www.sparkfun.com/news/384?_gl=1*7jsbvm*_ga*Mjc2ODExMTI0LjE2OTIxMTQ3NDA.*_ga_T369JS7J9N*MTY5MjExNDczOS4xLjAuMTY5MjExNDczOS42MC4wLjA.&_ga=2.42616677.1781712633.1692114740-276811124.1692114740
- https://www.idc-online.com/technical_references/pdfs/electronic_engineering/Integrated_Resistors.pdf
- https://electronics.stackexchange.com/questions/573412/which-technique-is-used-to-create-high-value-resistance-inside-a-ic
- https://anysilicon.com/ic-design/
- https://passive-components.eu/silicon-as-a-capacitor-dielectric-strengths-limitations/
- https://miscircuitos.com/an-overview-of-on-chip-inductors-for-integrated-circuits-ic-types-pro-cons/
- https://www.researchgate.net/publication/224169588_A_Silicon_Die_as_a_Frequency_Source