Андрей Варламов - Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

Закон Мура с удивительной точностью подтверждался в дальнейшем (см. илл.), во многом потому, что производители восприняли его как руководство к действию при разработках своей продукции. Очевидно, что этот экспоненциальный рост не может длиться бесконечно: минимальный размер транзистора ограничен, по крайней мере, расстоянием между атомами, которое составляет долю нанометра. В 2004 году 100 млн транзисторов уместились на 1 см 2, то есть один транзистор занимал площадь в 10 6нм 2. Согласно закону Мура, атомные размеры будут достигнуты в году 2004+ 2 x , где x – корень уравнения 2 x = 10 6. Отсюда находим x = 6/log2 ∝ 20 лет. Таким образом, закон Мура формально мог бы действовать вплоть 2044 года. На самом же деле, вполне вероятно, что он будет выполняться лишь до 2030 года.

Количество транзисторов на 1 cм 2микропроцессора в зависимости от года его выпуска в продажу. Синие точки соответствуют фактически созданным процессорам, красная прямая – закону Мура

В середине XX века широко используемым полупроводником был германий; сегодня в электронике в основном используется кремний. Примеси, добавляемые в полупроводник, разнообразны и могут быть распределены различными способами. По этой причине транзисторы существуют в самых разных формах. Размер транзистора 1947 года составлял несколько миллиметров. С тех пор они постоянно уменьшались (см. врезку), и в настоящее время огромное количество транзисторов объединено в массивы на интегральных микросхемах (илл. 4). Знакомый всем USB-накопитель в 5 см длиной, с которым мы работаем довольно часто, содержит 4 млрд транзисторов и хранит до 1 Гб данных (8∙10 9бит) [33] Приведенные данные относятся к году первого издания книги; на сегодняшний день объем USB-накопителей может составлять терабайты. – Прим. ред. .

Объясним вкратце, как полупроводники заставляют электроны быть послушными. В твердом теле, состоящем из большого количества атомов, разрешенные для электронов уровни энергии представляют собой широкие полосы (зоны) (см. главу 24, врезку «Плотность электронных состояний в металле… который становится сверхпроводником»). Электроны занимают эти зоны, начиная с самых низких энергий. Последняя полностью заполненная зона (называемая валентной) и последующая, по крайней мере частично, пустая зона (называемая зоной проводимости) разделены более или менее широкой запрещенной зоной, которую называют щелью.

Для промышленного применения кремний легируется примесями, то есть в его кристаллическую решетку вводятся атомы других элементов. Эти примеси бывают двух типов. Примеси первого типа (например, атомы фосфора) охотно избавляются от своих валентных электронов. Эти электроны заполняют зону проводимости, и полупроводник становится проводником – почти таким же, как металл, если легирование достаточно сильно (см. врезку «Проводник, диэлектрик и полупроводник»). Легированный таким образом полупроводник называется n -типом (от слова negative , «отрицательный», так как заряд электронов отрицательный). Примеси второго типа (например, атомы бора), наоборот, охотно принимают имеющиеся в кристалле свободные электроны на свои внешние энергетические оболочки. Эти электроны берутся из валентной зоны, оставляя в ней незаполненные состояния, так называемые дырки. Под воздействием электрического поля находящийся в валентной зоне электрон может «перескочить» из своего состояния в освободившееся незаполненное, на его место прыгнет следующий электрон, и эта чехарда продолжится далее. Происходящее можно себе представить, как если бы сама дырка несла положительный заряд и перемещалась по направлению электрического поля. В результате и в этом случае полупроводник становится проводником! Легированный таким образом полупроводник называется полупроводником p -типа (от positive , «положительный»). В обоих случаях полупроводник в любой точке остается нейтральным: подвижные заряды компенсируются зарядами ионов.

3. Транзистор с индивидуальными входами (чаще всего их объединяют в интегральные схемы). В отличие от триода, их прародителя, нагрев такому транзистору не требуется. Кроме того, он гораздо дешевле и имеет меньшие размеры