Полупроводники и транзистор: как работает чип

Полупроводник — материал с электропроводностью между металлом и изолятором. Под действием внешних условий (температура, свет, примеси) проводимость меняется. Кремний и германий — классические полупроводники.

Кристаллическая решётка

Кремний имеет 4 валентных электрона. В чистом кристалле каждый атом связан с 4 соседями — все электроны заняты в ковалентных связях. Проводимость минимальна.

Легирование

• n-тип: добавляем фосфор (5 электронов). Лишний электрон свободен
• p-тип: добавляем бор (3 электрона). "Дырка" ведёт себя как положительный заряд

p-n переход

Соединение p и n полупроводников. Электроны из n уходят в p, дырки из p — в n. На границе образуется "обеднённая зона" без свободных носителей. Это диод — пропускает ток только в одну сторону.

Транзистор

Три слоя: n-p-n или p-n-p. Средний слой — база, крайние — эмиттер и коллектор. Небольшой ток через базу управляет большим током между эмиттером и коллектором. Это усиление.

Полевой транзистор (MOSFET)

Современные процессоры используют MOSFET. Затвор отделён от канала тонким слоем оксида кремния. Напряжение на затворе управляет "шлюзом" для тока.

Изобретение

• 1947: Бардин, Браттейн, Шокли в Bell Labs создают первый транзистор. Нобелевская 1956
• 1958: Килби в Texas Instruments — первая интегральная схема (несколько транзисторов на одном кристалле)
• 1971: Intel 4004 — первый микропроцессор, 2300 транзисторов

Закон Мура

Гордон Мур (соснователь Intel) в 1965: число транзисторов на чипе удваивается каждые 2 года. Закон соблюдался 50 лет.

• 1971: 2300 транзисторов, 10 мкм
• 2000: 42 млн, 180 нм
• 2025: 100+ млрд, 3 нм

Как делают

• Выращивают монокристалл кремния методом Чохральского
• Нарезают на тонкие пластины
• Фотолитография: облучают через маску, протравливают
• Легирование
• Многослойная металлизация
• Резка на чипы
• Корпусирование

Лидеры производства

• TSMC (Тайвань): 60% мирового рынка
• Samsung (Южная Корея)
• Intel (США, уступает)
• SMIC (Китай, под санкциями)

EUV литография

Экстремальный ультрафиолет, единственный производитель аппаратов — ASML (Нидерланды). Машина стоит $200 млн, лист ожидания на годы. Геополитический фактор: США запрещают экспорт в Китай.