Химия транзисторов

Химия в моей будущей профессии

Подготовил студент группы 1-ИБ-20 ДТПА Гулый Даниил

Школьная наука часто преподается в сухой и неинтересной форме. Дети учатся механически запоминать, чтобы сдать экзамен, и не видят связи науки с окружающим миром.

Эти слова принадлежат великому физику, никогда не сдающемуся и верящему в чудеса, Стивену Хокингу. Но важны не слова об образовании, а вторая часть цитаты о связи науки с окружающим миром. Наука следует за нами каждый день. Она повсюду, видим мы это или нет. Её влияние мы ощущаем вне зависимости от нашего вероисповедания, места жительства или рода занятий. Черт подери, наука была еще до того, как сам этот термин был придуман.

С течением времени компьютерный мир стремительно совершенствуется. Одним из самых заметных аспектов этого процесса является увеличение мощности и уменьшение размеров тех или иных устройств, которые мы используем. К примеру, микрочипов, а следовательно и кремниевых транзисторов. И весь этот процесс компьютерной эволюции постоянно сталкивается с неумолимыми законами физики. Постоянное увеличение числа транзисторов в микрочипах дает больше мощности и больше головной боли их создателям. Именно тут химия и приходит на помощь.

Химия транзисторов

Транзисторы работают благодаря тому, что полупроводники из которых они сделаны (кремний, германий), обладают очень необычным и весьма полезным свойством — они проводят электрический ток лучше, чем изоляторы (стекло, например), но не так хорошо, как проводники (алюминий, например).

Ученые могут манипулировать проводимостью полупроводников, увеличивая её или уменьшая, за счет добавления небольшого количества примесей (часто используется для этого бор или мышьяк). «Разбавляя» кремний другими веществами, ученые меняют его свойства. Он может, в итоге, действовать как изолятор, или как металл. Что напрямую влияет на способность транзисторов выполнять свои функции.

Кремний — полупроводник, используемый для производства транзисторов является самым распространенным материалом в мире на данный момент. Он составляет 27,7% массы земной коры и является основным составляющим песка.

Хотя первый транзистор, созданный в Bell Labs в 1947 году, был сделан на основе германия, есть ряд причин почему Кремниевая долина не называется Германиевой.

Самой банальной причиной является труднодоступность и высокая стоимость германия. Куда более серьезная проблема заключалась в химических свойствах изоляционной формы этого вещества под название оксид германия. Он растворяется в воде, потому в процессе шлифовки, необходимом для создания нескольких транзисторов на одном микрочипе, он по просту «исчез» бы. Таким образом, пролив стакан воды на свой «германиевый» ноутбук, Вы его просто выбросили бы.

Именно это и подтолкнуло ученых использовать кремний, который, в свою очередь, также обладает некоторыми недостатками.

Химия HDD

Жесткие диски или HDD (hard disk drive) — одни из самых распространенных средств хранения и обработки данных, особенно в ноутбуках и персональных компьютерах. На HDD информация записывается на жёсткие пластины из алюминия или стекла, покрытые слоем ферромагнитного материала.

Процесс записи данных на HDD происходит путем намагничивания того или иного сектора HDD. Точнее, жесткая пластина вращается с большой скоростью, а пишущая головка, расположенная на расстоянии 10 нм, передает переменное магнитное поле, изменяющее вектор намагниченности домена, который находится в этот момент прямо под головкой. Грубо говоря, пустой сектор (домен) не имеет никакого заряда, а заполненый информацией обладает определенным магнитным вектором (север-юг), комбинация которых создает логическую последовательность 0 и 1, за счет чего и формируется сама информация.

В итоге мы имеем несколько элементов, которые могут усовершенствоваться посредством использования новых химических элементов: жесткие пластины, головка считывания-записи.

Химия мониторов

Современные LCD предоставляют нам возможность с меньшим вредом для зрения пользоваться более тонкими и менее энергоемкими мониторами.

Первый CRT монитор, представленный в 1927 году Фило Фарнсуортом, стал революционным открытием. Но такой монитор был очень энергозатратным и обладал рядом других

недостатков.

Фило Фарнсуорт

Принцип работы CRT был таков — фосфорные точки, покрывающие всю поверхность стекла, светились за счет постоянного считывания их электронным лучем. Таким образом определенные точки подсвечивались и формировалось изображение. Однако если несколько раз в секунду обновлять всю точечную матрицу, то складывается иллюзия движения. Когда появились цветные мониторы, они были оснащены фосфорными точками трех цветов — красный, зеленый, синий. Химики нашли множество сплавов, которые позволяют производить свечение определенного цвета. Правильно смешанный, сульфид цинка с медью и алюминием дают зеленый цвет, а с серебром — синий. Для красного цвета нужен европий, кислород, и иттрий (найденный в лунных камнях).

Однако многие из этих сплавов крайне опасны для окружающей среды. Сульфид цинка, к примеру, очень токсичен. И выброшенные старые мониторы выделяют в грунтовые воды все эти жуткие вещества.

Помимо прочего, электронный луч требует большей мощности для работы. А также ограничивает возможность изменять размер монитора, поскольку необходимо тяжелое и толстое стекло, предотвращающее имплозию (взрыв, направленный не вне, а во внутрь). К тому же, между обновлениями точечных матриц свечение фосфорных точек будет распадаться, вызывая напряжение зрения пользователя из-за мерцания изображения.

Исследователи отметили в некоторых субстанциях необычное свойство — двойная точка кипения. Еще в 1889 году физик Отто Леман отметил, что эти «по видимому живые кристаллы» находятся в состоянии между жидким и кристаллическим. Однако истинная сила таких материалов была раскрыта лишь много десятилетий спустя.

В 1971 году Джеймс Фергасон использовал нематический эффект поля, при котором жидкие кристаллы стали взаимодействовать с электрическим полем. Так был создан первый LCD-монитор.

Этот тип дисплея устанавливает колонки жидких кристаллов между фильтрами, поляризованными под углом 90 градусов друг к другу.

Белый свет проходит через первый фильтр, после через слой жидких кристаллов и второй фильтр. Взаимодействуя с электрическим полем жидкие кристаллы меняют свою структуру, блокируя свет. Для получения цветного изображения используются красный, синий и зеленый фильтры над каждым пикселем.

Отсутствие необходимости в электронном луче значительно снижает энергозатраты монитора и снимает ограничение в его размерах.

Постскриптум

Вышеуказанные очерки примеров химии в компьютерном мире лишь слегка приоткрывают двери к пониманию всей важности этой науки в казалось бы физическом мире. Ни одно открытие не руководствуется лишь одной наукой. Лишь совмещая знания из нескольких областей можно добиться невероятных результатов. Потому крайне самонадеянно утверждать, что какая-то из наук важнее других. Все они важны и крайне необходимы для большего понимания мира, что нас окружает, и для его усовершенствования.