Nie bójcie się, bez zaliczeń i egzaminów. Nie ma z czego! Małe zastrzeżenie - będziemy się tu posługiwać daleko idącymi uproszczeniami. Dobrych uczniów prosimy o wybaczenie uproszczeń... a tym gorszym sugerujemy, by skonfrontowali wyniesioną z tego materiału wiedzę z podręcznikami fizyki. Dlaczego? Bo będziemy się tu posługiwać modelem atomu Rutherforda-Bohra, który we współczesnym nauczaniu fizyki jest w niełasce. Ale ten model, jako najbardziej przejrzysty, jest dla nas najlepszy. Jak wygląda?
Atom, według Rutherforda i Bohra, składa się z jądra i krążących wokół niego elektronów. Ich orbity nie są przypadkowe, odpowiadają kwantowym poziomom energetycznym. Nie wnikając w kwantowe uwarunkowania, powiedzmy jedynie tyle, że praktycznie orbity tworzą warstwy, stąd określenia powłoki czy warstwy elektronowej. W każdej z nich może się znaleźć co najwyżej określona liczba elektronów - licząc od strony jądra odpowiednio 2, 8 i 8. Popatrzmy, jak wygląda atom naszego ulubionego pierwiastka - krzemu. I nie zwracając uwagi na kłębiące się wokół jądra elektrony bliższych warstw, zwróćmy jedynie uwagę na fakt, że w zewnętrznej warstwie, zwanej warstwą walencyjną, jest ich cztery. A tymczasem... Matka Natura chciałaby, by ich było osiem. Osiem elektronów to pojemność tej warstwy w atomach wszystkich pierwiastków obdarzonych większą liczbą warstw, a jeśli warstwa ta jest równocześnie warstwą zewnętrzną, czyli walencyjną, mamy do czynienia z pierwiastkiem szlachetnym (gazem szlachetnym). Atom krzemu jest więc "w pół drogi" do szlachectwa, ze swoimi czterema elektronami walencyjnymi. Jak sobie radzi? Łącząc się z czterema sąsiednimi atomami podczas procesu krystalizacji, atom krzemu niweluje lukę w swojej powłoce walencyjnej, to samo czynią sąsiednie, powstaje twór zwany monokryształem.
Monokryształ - podstawa sukcesu
W wyniku krystalizacji krzemu powstaje dość przejrzysta struktura, której podstawę stanowi czworościan foremny, z czterema atomami krzemu we wierzchołkach. Każdy z tych atomów ma jeszcze jednoelektronową lukę walencyjną, w wyniku działania której łączy się z jednym z wierzchołków kolejnej czwórki atomów.
O! Wyszedł nam diament! Zgadza się - monokryształ węgla, pierwiastka z tej samej grupy układu okresowego, ma taką samą strukturę krystaliczną jak monokryształ krzemowy. Zresztą diament może być wykorzystywany w roli półprzewodnika, ale o tym - przy innej okazji.
Struktura krystaliczna jest prosta, ale jej wizualizacja, jak wyżej widzimy - dość skomplikowana, dlatego w dalszych rozważaniach posłużymy się prostszym, płaskim modelem, który, choć niezgodny z rzeczywistością, równie dobrze odwzorowuje omawiane zagadnienia.
Na marginesie - pierwiastki z 14 grupy układu okresowego, german, krzem i węgiel, teoretycznie można wykrystalizować również w takiej strukturze. Struktura taka, zwinieta w walec, tworzy węglowe nanorurki i krzemowe nanodruty - najnowsze nadzieje technologii mikroelektronicznej. Ostatnio prowadzone prace przyniosły również graphen - płaskie arkusiki siatki o grubości jednego atomu węgla. Na razie zostańmy jednak przy monokrysztale krzemowym.
Tworzymy półprzewodnik
Co stanie się, gdy jeden z atomów siatki krystalicznej zastąpimy atomem, który w warstwie walencyjnej ma nie cztery elektrony, a na przykład 5, jak fosfor?
Otrzymamy materiał zawierający swobodny nośnik ładunku elektrycznego - wolny elektron. Dzięki jego obecności materiał staje się półprzewodnikiem elektrycznym, a jego typ przewodnictwa nazwiemy typem N (Negative - elektron ma przecież ujemny ładunek elektryczny). Sposób przewodzenia prądu elektrycznego jest w półprzewodniku typu N oczywisty.
Nośnikami ładunku elektrycznego są swobodne elektrony, które, przemieszczając się pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego (napięcia) umożliwiają przepływ prądu.
Weźmy teraz atom z trzema tylko elektronami walencyjnymi, na przykład atom boru. Jeżeli zastąpimy nim jeden z atomów krzemu, w strukturze krystalicznej powstanie defekt zwany dziurą - brak wiązania walencyjnego w sieci krystalicznej, a zarazem - pozorny ładunek dodatni (bo brak w tym miejscu ujemnego ładunku brakującego elektronu).
Otrzymaliśmy półprzewodnik typu P (Positive - nośniki ładunku mają znak dodatni). Dziury okazują się równie dobrymi nośnikami prądu elektrycznego, jak elektrony, chociaż zjawisko przepływu prądu przez półprzewodnik typu P jest trochę nieoczywiste. Często żartuję, że skoro będące nośnikami ładunku dziury są pustymi miejscami, czyli niczym, to prąd przepływa przez taki półprzewodnik w wyniku przemieszczania się niczego...
W rzeczywistości jednak przepływ prądu w półprzewodniku typu P jest również ruchem elektronów, ale nie bezpośrednim - jest przemykaniem się "z dziury do dziury". Warto o tym pamiętać, bo w przyszłości będziemy dzięki temu rozumieć problemy, jakie konstruktorom układów scalonych sprawiają tranzystory z kanałem typu P. Ale zanim przejdziemy do tranzystora, jeszcze jedno proste wyjaśnienie trudnego rzekomo zagadnienia.
Bariery potencjałów
Jeśli zbadamy potencjał elektryczny kawałka półprzewodnika typu P i kawałka półprzewodnika typu N, to okaże się, że każdy z nich ma taki sam, zerowy potencjał elektryczny. Jest to oczywiste, bo ładunek nośników, czy to elektronów, czy dziur, uwolnionych wskutek sprowokowanych defektów sieci krystalicznej, jest kompensowany ładunkiem elektrycznym jąder atomów, z których zostały uwolnione nośniki. Jeśli jednak półprzewodniki typu N i P połączymy w jedną całość, na ich styku wystąpi zjawisko zwane barierą potencjałów. W obydwu materiałach występują nośniki ładunku elektrycznego, ale różnych typów. Efekt bariery potencjałów wystąpi wówczas, gdy zechcemy wywołać w takim złączu przepływ prądu elektrycznego i przyłożymy w tym celu pole elektryczne. Przepływ prądu w kierunku P-N nie napotka przeszkód, natomiast w przeciwnym kierunku, przynajmniej do pewnej wartości napięcia, układ nie chce przewodzić prądu. Dopiero po przekroczeniu tej wartości występuje przewodzenie. Zjawisko to, nazwane barierą potencjałów, jest jednym z podstawowych czynników, które umożliwiły budowę układów scalonych. To właśnie bariery potencjałów pomiędzy różnie domieszkowanymi obszarami tego samego kawałka krzemu, izolują je jako odrębne elementy. Warto zapamiętać, że dopóki nie występuje pole elektryczne o odpowiednim natężeniu, bariery potencjału nie działają - zamiast wielu elementów, mamy do czynienia z pojedynczym, względnie jednolitym kawałkiem krzemu... Konieczność utrzymywania napięcia zapewniającego istnienie i działanie barier potencjałów stanowi jeden z problemów, z jakimi muszą się borykać projektanci układów scalonych. Obniżanie napięcia zasilającego jest możliwe jedynie do pewnej granicy, uwarunkowanej właśnie barierą potencjałów - jeśli napięcie będzie zbyt niskie, układ, czy nawet pojedynczy tranzystor, po prostu nie będą działać, gdyż - funkcjonalnie nie istnieją!
Zróbmy ten tranzystor
Co on ma robić? Sterować przepływem prądu pod wpływem sygnału elektrycznego, przyłożonego do jednej z elektrod. Przez co ma przepływać prąd? Nazwijmy ten obszar kanałem.
W porządku, mamy dwie elektrody (źródło i dren), wytworzone w tym samym kawałku krzemu (przez odmienne domieszkowanie), pomiędzy nimi zaś kanał z półprzewodnika typu P, zawierającego nośniki ładunku w postaci dziur... Po przyłożeniu do elektrod napięcia, przepływa pomiędzy nimi prąd. Dodajmy trzecią elektrodę, izolowaną od kanału, ale umieszczoną tak, by wytwarzała pomiędzy sobą a podłożem możliwie silne pole elektryczne.
Jak działa dodana elektroda, którą nazywamy bramką? Jeśli napięcie pomiędzy nią i podłożem jest zerowe, nośniki ładunku przemieszczają się pomiędzy źródłem a drenem, zapewniając swobodny przepływ prądu.
Ale jeśli na dodaną elektrodę, nazwijmy ją bramką, podamy napięcie dodatnie, będące nośnikami ładunku dziury, obdarzone niezbywalnym dodatnim ładunkiem, uciekną z kanału w popłochu, jak widzimy na ilustracji. I nasz tranzystor przestanie przewodzić prąd. Bardzo podobnie działa tranzystor z kanałem typu N, z tą jedynie różnicą, że przewodzi wtedy, kiedy na jego bramkę podamy napięcie dodatnie, zaś przestaje przewodzić przy zerowym napięciu na bramce.
Tak wygladą przekrój rzeczywistego tranzystora, wytworzonego w 65-nanometrowym procesie technologiczny. Złożona struktura elektrody bramki leży na długim na 35 nanometrów kanale, pokrytym warstwa izolacyjną dwutlenku krzemu, grubą na 1,2 nm. Elektrody źródła i drenu są słabo widoczne - jedną z nich możemy wyróżnić jako jaśniejszy łukowaty pas w dolnej części obrazu.
Najwyższa pora, by wyjaśnić, dlaczego ten rodzaj tranzystora (bo były w historii elektroniki i inne) zyskał nazwę MOS. To skrót od Metal-Oxid-Semiconductor, czyli metal-tlenek-półprzewodnik. We wczesnych tranzystorach tego typu bramka była z metalu, zaś izolacja między nią a kanałem tranzystora - z dwutlenku krzemu, wytworzonego po prostu przez utlenienie powierzchni kanału... Obecnie elektroda bramki wykonywana jest również z krzemu, zresztą nie mono-, a polikrystalicznego, jednak prowadzone są prace zmierzające do powrotu do metalowej bramki. Dlaczego? O tym, a także o problemach, jakie tranzystory sprawiają konstruktorom układów scalonych, następnym razem.