Полупроводник

редактировать
Материал, имеющий электрическую проводимость, промежуточную по сравнению с проводником и изолятором.

A Полупроводниковый материал имеет электрическое проводимости находится между значением проводимости проводника, например металлической меди, и изолятора, например стекла. Его удельное сопротивление падает с повышением температуры; металлы наоборот. Его проводящие свойства посредством использования примесей («легирование ») в кристаллической структуре . Когда в одном кристалле существуют две различные легированные области, создаются полупроводниковый переход. Поведение носителей заряда, которые включают электроны, ионы и электронные дырки, на этих переходах лежат в основе диодов., транзисторы и вся современная электроника. Некоторыми примерами полупроводников являются кремний, германий, арсенид галлия и элементы рядом с так называемой «лестницей из металлоидов » на таблице Менделеева. После кремния арсенид галлия является вторым по распространенности полупроводником и используется в лазерных диодах, солнечных элементах, СВЧ-интегральных схемах и других. Кремний - критически важный элемент для использования электронных схем.

Полупроводниковые устройства могут отображать ряд свойств, например, легче пропускать ток в одном направлении, чем в другом, показывать переменное сопротивление и чувствительность к свету или теплу. Электрические полупроводниковые материалы могут быть электрические полупроводниковые материалы, устройства, изготовленные из полупроводников, переключение и преобразования энергии.

Проводимость кремния увеличивается за счет добавления небольшого количества (порядок 1 из 10) пятивалентного (сурьма, фосфор или мышьяк ) или трехвалентного (бора, галлий, индий ) атомы. Этот процесс известен как легирование, полученные полупроводники известны как легированные или примесные полупроводники. Помимо легирования, проводимость полупроводника также может быть улучшена путем повышения его температуры. Это противоречит поведению металла, в котором происходит уменьшение с повышением температуры.

Современное понимание свойств полупроводника опирается на квантовую физику для объяснения движения носителей заряда в кристаллической решетке. Легирование увеличивает количество носителей заряда в кристалле. Когда легированный полупроводник содержит в основном свободные электроны, он называется «p-тип », а когда он содержит в основном свободные электроны, он известен как «n-тип ». Полупроводниковые материалы, используемые в электронных устройствах, легируются в точных условиях для контроля и области примесей p- и n-типа. Один кристалл полупроводника может иметь множество областей p- и n-типа; p-n-переходы между этими областями ответственны за полезное электронное поведение.

Некоторые свойства полупроводниковых наблюдались в середине 19-го и первых десятилетий 20-го века. Первым практическим применением полупроводников в электронике была разработка в 1904 году детектора кошачьих усов, примитивного полупроводникового диода, который использовался в первых радиоприемниках. Развитие квантовой физики, в свою очередь, привело к разработке транзистора в 1947 году, интегральной схемы в 1958 году и MOSFET (металл - оксид - полупроводник полевой транзистор ) в 1959.

Содержание

  • 1 Свойства
  • 2 Материалы
    • 2.1 Подготовка полупроводниковых материалов
  • 3 Физика полупроводников
    • 3.1 Энергетические зоны и электрическая проводимость
    • 3.2 Носители заряда (электроны и дырки)
      • 3.2.1 Генерация и рекомбинация носителей
    • 3.3 Легирование
    • 3.4 Аморфные полупроводники
  • 4 Ранняя история полупроводников
    • 4.1 Ранние транзисторы
    • 4.2 Германий и кремниевые полупроводники
    • 4.3 MOSFET (МОП-транзистор)
  • 5 См. Также
  • 6 Ссылки
  • 7 Дополнительная литература
  • 8 Внешние ссылки

Свойства

Переменная электропроводность
Полупроводники в их естественном состоянии являются плохими проводниками, потому что ток требует потока электронов, а у полупроводников их валентные зоны заполнены, предотвращение всего потока новых электронов. Существует несколько разработанных методов, позволяющих полупроводниковым материалам вести себя как проводящие материалы, например легирование или стробирование. Эти модификации имеют два результата: n-тип и p-тип. Они к избытку или нехватке электронов соответственно. Несбалансированное количество электронов вызовет ток, протекающий через материал.
Гетеропереходы
Гетеропереходы возникают, когда два полупроводниковых материала с различными легированием соединяются вместе. Например, конфигурация может состоять из p-легированного и n-легированного германия. Это приводит к обменуами и дырками между полупроводниковыми материалами с легированием. Герм, легированный n, имел бы избыток электронов, а герм, легированный p, имел бы избыток дырок. Перенос происходит до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие с помощью называемого процесса рекомбинацией, который заставляет мигрирующие электроны n-типа вступать в контакт с мигрирующими дырками p-типа. Возбужденные электроны
Возбужденные электроны
могут привести к тому, что он оставит электрическое равновесие, что может привести к возникновению электрического поля ионы. и создать неравновесную ситуацию. Это вводит в систему электроны и дырки, которые взаимодействуют посредством процесса, называемого амбиполярной диффузией. Когда в полупроводниковом материале нарушается тепловое равновесие, дырок и электронов изменяется. Такие сбои могут возникать в результате разницы температур или фотонов, которые могут проникать в систему и создавать электроны и дырки. Процесс, который производит и уничтожает электроны и дырки, называется генерацией и рекомбинацией.
Световое излучение
В некоторых полупроводниках возбужденные электроны могут релаксировать, излучая свет, а не выделяя тепло. Эти полупроводники используются в конструкции светоизлучающих диодов и флуоресцентных квантовых точек.
Высокая теплопроводность
Полупроводники с высокой теплопроводностью могут использоваться для отвода тепла и улучшения тепловым режимом электроники.
Преобразование тепловой энергии
Полупроводники имеют большие термоэлектрические коэффициенты мощности, что делает их полезными в термоэлектрических генераторовх, а также в высоких термоэлектрических показателях качества, делающие их полезными в термоэлектрических охладителях.

Материалы

Кремний Кристаллы наиболее распространенными полупроводниковыми материалами, используемыми в микроэлектронике и фотовольтаике.

Большое количество элементов и обладают полупроводниковыми свойствами, в том числе:

Наиболее распространенные полупроводниковые материалы представляют собой твердые кристаллические вещества, но аморфные Известны и жидкие полупроводники. Сюда входят гидрированный аморфный кремний и смеси мышьяка, селена и теллура в различных пропорциях. Эти соединения разделяют с более известными полупроводниками свойства промежуточной проводимости и быстрого изменения проводимости с температурой, а также случайного отрицательного сопротивления. У таких неупорядоченных материалов отсутствует жесткая структура обычных полупроводников, таких как кремний. Они обычно используются в тонкопленочных структурах, которые не требуют материалов более высокого электронного качества, относительно нечувствительным к загрязнению и радиационным повреждениям.

Подготовка полупроводниковых материалов

Практически все современные электронные технологии, включая использование полупроводников, наиболее важных аспектовом которых является интегральная схема (IC), которые встречаются в ноутбуках, сканерах, сотовых телефонах и т. д. Полупроводники для ИС производятся серийно. Химическая чистота имеет первостепенное значение для создания идеального полупроводникового материала. Любой небольшой дефект почти повлиять на поведение полупникового материала из-за масштаба, в котором используются материалы.

Также требуется высокая степень кристаллического совершенства, поскольку дефекты кристаллической структуры (например, дислокации, двойники и дефекты упаковки ), воздействие на полупроводниковые свойства материала. Кристаллические дефекты - основная причина дефектных полупроводниковых устройств. Чем больше кристалл, тем труднее достичь необходимого совершенства. В текущих процессах массового производства используются кристаллические цилиндры диаметром от 100 до 300 мм (от 3,9 до 11,8 дюйма), которые выращиваются в виде цилиндров и нарезаются на пластины .

Используется комбинация процессов для подготовки полупроводниковых материалов для ИС. Один процесс называется термическим окислением, при котором образуется диоксид кремния на поверхности кремния. Он используется в качестве изолятора затвора и оксида поля . Другие процессы называются фотоштабами и фотолитографией. Этот процесс - то, что создает узоры на интегральной схеме. Ультрафиолетовый свет используется вместе со слоем фоторезиста для создания химического изменения, которое разрушает схемы.

Следующим событие является травлением. Часть кремния, которая не была покрыта слоем фоторезиста на предыдущем этапе, теперь может быть протравлена. Основной процесс, который обычно используется сегодня, называется плазменным травлением. Плазменное травление обычно включает травильный газ, закачиваемый в камеру низкого давления для создания плазмы. Обычный травильный газ - это хлорфторуглерод или более широко известный фреон. Высокое радиочастотное напряжение между катодом и анодом - это то, что создает плазму в камере. Кремниевая пластина применяется на катоде, что приводит к попаданию на нее положительно заряженных введенных, высвобождаемых из плазмы. Конечным результатом является кремний, который протравливается анизотропно.

Последний процесс называется диффузией. Это процесс, который придает полупроводниковому материалу желаемые полупроводниковые свойства. Он также известен как допинг. Процесс вводит в систему нечистый, который создает p-n-переход. Чтобы внедрить нечистые атомы в кремниевую пластину, пластину сначала помещают в камеру с температурой 1100 градусов Цельсия. Атомы вводят внутрь кремния и в конечном итоге диффундируют вместе с ним. После, как процесс завершен и кремний достижимой комнатной температуры, процесс легирования завершен, и полупроводниковый материал готов к использованию в интегральной схеме.

Физика полупроводников

Энергетические зоны и электрическая проводимость

Заполнение электронных состояний в различных типах материалов при равновесии. Здесь высота - это энергия, а ширина - это плотность состояний для энергии в указанном материале. Оттенок соответствует распределению Ферми - Дирака (черный = все состояния заполнены, белые состояния = не заполнены). В металлах и полуметаллах уровень Ферми EFнаходится внутри по крайней мере одной зоны. В изоляторах и полупроводниках уровень Ферми находится внутри запрещенной зоны ; однако в полупроводниках достаточно зоны близки к уровню Ферми, чтобы быть термически заполненными электронами или дырками.

Полупроводники характеризуются своим уникальным электропроводящим поведением, которое находится где-то между проводником и изолятор. Различия между этими материалами можно понять в терминах квантовых состояний для электронов, каждый из которых может содержать ноль или один электрон (по принципу исключения Паули ). Эти состояния связаны с электронной зонной структурой материала. Электропроводность возникает из-за присутствия электронов в состояниях, которые делокализованы (распространяются через материал), однако для переноса электронов состояние должно быть частично заполнено, сохранее только электрон часть времени. Если состояние всегда занято электроном, то оно инертно, блокируя прохождение других электронов через это состояние. Энергии этих квантовых состояний являются критическими, так как состояние частично заполнено только в том случае, если его энергия находится вблизи уровня Ферми (см. статистика Ферми - Дирака ).

Высокая проводимость материала из-за того, что он имеет много частично заполненных состояний и значительную делокализацию состояний. Металлы являются хорошими электрическими проводниками и имеют много частично заполненных состояний с энергиями, близкими к их уровнем. Изоляторы, напротив, имеют несколько частично заполненных состояний, их уровни Ферми находятся в пределах запрещенной зоны с небольшими энергетическими состояниями, которые необходимо занять. Важно отметить, что изолятор можно использовать, увеличивая его температуру: нагревание для достижения некоторых состояний через запрещенную зону, вызываюя частично указанные состояния в указанных состояниях под запрещенной зоной (валентная зона ) и зона состояний выше запрещенной зоны (зона проводимости ). (Собственный) полупроводник имеет ширину запрещенной зоны, которая меньше, чем у изолятора, и при комнатной температуре значительное количество электронов может быть возбуждено, чтобы пересечь запрещенную зону.

Однако чистый полупроводник не очень полезен, так как это не очень хороший изолятор и не очень хороший проводник. Однако одной особенностью полупроводников является то, что их проводимость может быть увеличена и контролировать с помощью легирования примесями и стробирования электрическими полями. Допирование и стробирование сдвига зоны проводимости или валентную зону намного ближе к уровню Ферми и значительно увеличивают количество частично заполненных состояний.

Некоторые полупроводниковые материалы с более широкой запрещенной зоной иногда называют полуизоляторами . В нелегированном виде они имеют электрическую проводимость, близкую к проводимости электрических изоляторов, однако они могут быть легированы (что делает их такими же полезными, как и полупроводники). Полуизоляторы находят нишевое применение в микроэлектронике, например, в качестве подложек для HEMT. Примером обычного полуизолятора является арсенид галлия. Некоторые материалы, такие как диоксид титана, они даже время в изоляционных материалах для некоторых применений, в то как для других применений они рассматриваются как широкозонные полупроводники.

Носители заряда (электроны и дырки)

Частичное заполнение состояний на дне зоны проводимости можно понимать как добавление электронов в этой зоне. Электроны не остаются бесконечно долго (из-за естественной тепловой рекомбинации ), но они могут перемещаться в течение некоторого времени. Фактическая электронов обычно очень мала, и поэтому (в отличие от металлов) электроны в зоне проводимости полупроводника можно рассматривать как своего рода классического идеальный газ, в котором электроны летают. свободно, не подчиняясь принципу исключения Паули. В большинстве полупроводников зоны проводимости имеют параболическое дисперсионное соотношение, и поэтому эти электроны реагируют на силы (электрическое поле, магнитное поле и т. Д.) Так же, как в вакууме, хотя и с другим эффективная масса. Поскольку электроны ведут себя как идеальный газ, можно также подумать о проводимости в очень упрощенных терминах, таких как модель Друде, и ввести такие концепции, как подвижность электронов.

для частичного заполнения вверху валентной зоны полезно ввести понятие электронной дырки. Хотя электроны в валентной зоне всегда движутся, полностью полная валентная зона инертна, не проводя никакого тока. Если электрон вынимается из валентной зоны, то траектория, по которой он обычно двигался бы, теперь теряет свой заряд. Для целей электрического тока эту комбинацию полной валентной зоны за вычетом электрона можно преобразовать в изображение полностью пустой зоны, содержащей положительно заряженную частицу, которая движется так же, как электрон. В сочетании с отрицательной эффективной массой электронов в верхней части валентной зоны мы приходим к картине положительно заряженной частицы, которая реагирует на электрические и магнитные поля так же, как нормальная положительно заряженная частица в вакууме, опять же с некоторой положительной эффективная масса. Эта частица называется дыркой, и совокупность дырок в валентной зоне снова может быть понята в простых классических терминах (как с электронами в зоне проводимости).

Генерация и рекомбинация носителей

Когда ионизирующее излучение попадает на полупроводник, оно может вывести электрон из своего энергетического уровня и, следовательно, оставить дыру. Этот процесс известен как генерация электронно-дырочных пар. Электронно-дырочные пары также постоянно генерируются из тепловой энергии в отсутствие какого-либо внешнего источника энергии.

Электронно-дырочные пары также склонны к рекомбинации. Сохранение энергии требует, чтобы эти события рекомбинации, в которых электрон теряет на энергию больше, чем запрещенная зона, сопровождались излучением тепловой энергии (в виде фононов ) или излучения (в виде фотонов ).

В некоторых состояниях генерация и рекомбинация электронно-дырочных пар уравновешены. Число электронно-дырочных пар в установившемся состоянии при данной температуре определяется квантовой статистической механикой. Точные квантово-механические механизмы генерации и рекомбинации регулируются сохранением энергии и сохранением импульса.

, поскольку вероятность того, что электроны и дырки встретятся вместе, пропорциональна произведение их количества, продукт находится в устойчивом состоянии, почти постоянном при данной температуре, при условии, что нет значительного электрического поля (которое могло бы «смыть» носители обоих типов или переместить их из соседних областей, содержащих большее количество из них, чтобы встретиться вместе) или генерация пар с внешним управлением. Произведение является функцией температуры, поскольку вероятность получить достаточно тепловой энергии для создания пары увеличивается с температурой, составляя приблизительно exp (-E G / kT), где k постоянная Больцмана., T - абсолютная температура, а E G - запрещенная зона.

Вероятность встречи увеличивается за счет ловушек носителей - примесей или дислокаций, которые захватить электрон или дырку и удерживать их, пока пара не будет сформирована. Такие ловушки носителей иногда специально добавить, чтобы сократить время, необходимое для достижения установившегося состояния.

Легирование

Проводимость полупроводников можно легко ввести, введя примеси в их кристаллическую решетку. Процесс добавления контролируемых примесей в полупроводник известен как легирование. Количество примеси или легирующей добавки, добавленной к собственному (чистому) полупроводнику, изменяет его уровень проводимости. Легированные полупроводники включаются как внешние. Путем добавить примесей к чистым полупроводникам электропроводность можно проверить в тысячи или миллионы раз.

Образец металла или полупроводника размером 1 см порядка 10 элементов. В металле каждый атом отдает по крайней мере один электрон для проводимости, таким образом, 1 см металла содержит около 10 свободных электронов, тогда как образец чистого германия размером 1 см при 20 ° C содержит 4,2 × 10 элементов, но только 2, 5 × 10 свободных электронов и 2,5 × 10 дырок. Добавление 0,001% мышьяка (примеси) дает дополнительные 10 свободных электронов в том же объеме, а электрическая проводимость увеличивается в 10 000 раз.

Материалы, выбранные в качестве подходящих легирующих добавок, зависят от атомных свойств как легирующие добавки, так и материала, вызывающего легирования. В общем, легирующие примеси, которые производят желаемые контролируемые изменения, классифицируются как акцепторы электронов или доноры. Полупроводники, легированные донорными примесями, называются n-типом, а полупроводники, легированные акцепторными примесями, известны как p-тип. Обозначения типа n и указать, какой носитель заряда действует как основной носитель материала. Противоположный носитель называется неосновным носителем, который существует из-за теплового возбуждения при более низкой концентрации по сравнению с основным носителем.

Например, чистый полупроводник кремний имеет четыре валентных электрона, которые связывают каждый кремния с его соседями. В кремнии наиболее распространенными легирующими добавками являются элементы III и V групп. Все элементы группы III содержат три валентных электрона, заставляя их действовать как акцепторы при использовании для легирования кремния. Когда атом-акцептор заменяет атомния в кристалле, создается свободное состояние (электронная «дырка»), которое может перемещаться по решетке и функционировать как носитель заряда. Элементы V группы имеют пять валентных электронов, что позволяет им действовать как донор; замещение кремния атомами дополнительный свободный электрон. Следовательно, кристалл кремния, лег бором, создает полупроводник p-типа, тогда как кристалл, легированный фосфором, дает материал n-типа.

Во время производства легирующие примеси могут диффундировать в полупроводниковый корпус путем контакта с газообразными соединениями желаемого элемента, или ионная имплантация может использоваться для точного позиционирования легированного региона.

Аморфные полупроводники

Некоторые материалы при быстром охлаждении до стеклообразного аморфного состояния обладают полупроводниковыми свойствами. К ним относятся B, Si, Ge, Se и Te, и существует несколько теорий, объясняющих их.

Ранняя история полупроводников

История понимания Полупроводники начинается с экспериментов по электрическим свойствам материалов. Свойства отрицательного температурного коэффициента сопротивления, выпрямления и светочувствительности наблюдались с начала 19 века.

Карл Фердинанд Браун разработал детектор на кристалле, первое полупроводниковое устройство, в 1874 году.

Томас Иоганн Зеебек первым заметил эффект, связанный с полупроводниками, в 1821 году. В 1833 году Майкл Фарадей сообщил, что сопротивление образцов сульфида серебра уменьшает при нагревании. Это противоречит поведению металлических веществ, таких как медь. В 1839 году Александр Эдмон Беккерель сообщил о наблюдении напряжения между твердым и жидким электролитом при попадании света, фотоэлектрический эффект. В 1873 году Уиллоуби Смит заметил, что селеновые резисторы демонстрируют уменьшающееся сопротивление, когда на них падает свет. В 1874 году Карл Фердинанд Браун наблюдал проводимость и выпрямление в металлических сульфидах, хотя этот эффект был намного раньше Питером Мунком афро Розеншольдом (св. 52>), написанное для Annalen der Physik und Chemie в 1835 году, и Артур Шустер обнаружил, что слой оксида меди на проводах обладает ректификационными свойствами, которые исчезают после очистки проводов. Уильям Гриллс Адамс и Ричард Эванс Дэй наблюдали фотоэлектрический эффект в селене в 1876 году.

Для единого объяснения этих явлений потребовалась теория физики твердого тела, которая была заложена сильно в первой половине 20 века. В 1878 году Эдвин Герберт Холл имел отклонение текущих носителей заряда под действием приложенного магнитного поля, эффект Холла. Открытие электрона Дж. Дж. Томсон в 1897 г. к теории электронной проводимости в твердых телах. Карл Бедекер, наблюдая эффект Холла с обратным знаком по с металлами, предположил, что иодид меди имеет положительные носители заряда. Йохан Кенигсбергер классифицировал твердые материалы как металлы, изоляторы и «переменные проводники» в 1914 году, хотя его ученик Йозеф Вайс уже ввел термин Halbleiter (полупроводник в современной понимании) в докторской диссертации в 1910 году. Феликс Блох опубликовал теорию движения электронов через атомные решетки в 1928 году. В 1930 году Б. Гудден заявлено, что проводимость в полупроводниках обусловлена ​​признаками примесей. К 1931 году зонная теория проводимости была создана Аланом Херри Уилсоном. Уолтер Х. Шоттки и Невилл Фрэнсис Мотт разработали модели потенциального барьера и характеристики перехода металл-полупроводник. К 1938 году Борис Давыдов разработал теорию выпрямителя на основе оксида меди, определив эффект p - n-перехода.

Согласие между теоретиками. предсказания (основанные на развивающейся квантовой механике) и экспериментальные результаты иногда были плохими. Позже Джон Бардин объяснил это состояние "структурно-чувствительным" полупроводников, свойства которых изменяются из-за крошечных количеств примесей. Коммерческие материалы 1920-х годов, представленные количества микропримесей, дали разные экспериментальные результаты. Это стимулировано усовершенствованными методами рафинирования материалов, кульминацией которых стали современные предприятия по рафинированию полупроводников, производящие материалы с чистотой до частей на триллион.

Устройства, использующие полупроводники, сначала создавались на основе эмпирических полупроводников, до того как теория полупроводников предоставляет руководство по созданию более эффективных и надежных устройств.

Александр Грэм Белл использовал светочувствительное свойство селена, чтобы передать звук через луч света в 1880 году. Чарльз сконструировал рабочий элемент с низкой эффективностью. Фриттс в 1883 г. с использованием металлической пластины, покрытой селеном и тонким слоем золота; коммерческое использование устройства в фотографических люксметрах началось в 1930-х годах. Джагадиш Чандра Боз в 1904 году использовал точечные выпрямители с микроволновым детектором, изготовленные из сульфида свинца; детектор кошачьих усов, использующий природный галенит или другие материалы, стал обычным радио в развитии. Тем не менее, это было несколько непредсказуемо в работе и требовало ручной настройки для лучшей работы. В 1906 году Х.Дж. Круглый наблюдал излучение света, когда электрический ток проходил через кристаллы карбида кремния, принцип, лежащий в основе светоизлучающего диода. Лосев наблюдал подобное свечение в 1922 году, но в то время эффект не имел практического применения. Выпрямители мощности на основе оксида меди и селена были разработаны в 1920-х годах и приобрели коммерческое значение как альтернатива ламповым выпрямителям.

Первые полупроводниковые устройства использовали галена, включая кристалл-детектор кого физика в 1874 году и радио кристаллический детектор бенгальского физика Джагадиша Чандры Боса в 1901 году.

В годы, предшествовавшие Второй мировой войне, инфракрасные устройства обнаружения и связи стимулировали исследования материалов, сульфид свинца и селенид свинца. Эти устройства использовались для обнаружения кораблей и самолетов, для инфракрасных дальномеров и системной голосовой связи. Точечный кристаллический детектор стал жизненно важным для микроволновых систем радиосвязи, так как доступные устройства на электронных лампах не могли служить в качестве детекторов выше примерно 4000 МГц; передовые радиолокационные системы полагаются на быстрый отклик кристаллических детекторов. Кремния, чтобы создать детекторы постоянного качества.

Ранние транзисторы

Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Браттейн разработал биполярный точечный транзистор в 1947 году.

Детектор и силовые выпрямители не могли усилить сигнал. Было приложено много усилий для разработки твердотельного усилителя, и в результате было разработано устройство, названное точечным контактным транзистором, которое могло усиливать 20 дБ или более. В 1922 году Олег Лосев разработал двухполюсные, усилители отрицательного сопротивления для радио, но после успешного завершения в блокаде Ленинграда. В 1926 году Юлиус Эдгар Лилиенфельд запатентовал устройство, напоминающее полевой транзистор, но это оказалось непрактичным. Р. Хилш и Р. У. Поль в 1938 году усилитель, использующий устойчивую структуру, напоминающую управляющую сетку вакуумной лампы; Хотя устройство показало прирост мощности, его частота среза составляет один цикл в секунду, что слишком мало для любых практических приложений, но является эффективным применением доступной теории. В Bell Labs, Уильям Шокли и А. Холден начали исследовать твердотельные усилители в 1938 году. Первый p - n-переход в кремнии наблюдал Рассел Ол примерно в 1941 году, когда было обнаружено, этот образец является светочувствительным, с резкой границей между примесью p-типа на одном конце и n-типом на другом. Срез, вырезанный из образца на границе p - n, под света вырабатывал напряжение.

Первым работающим транзистором был транзистор с точечным контактом, изобретенный Джоном Бардином, Уолтером Хаузером Браттейном и Уильям Шокли в Bell Labs в 1947 году. Шокли ранее теоретизировал полевой усилитель, сделанный из германия и кремния, но ему не удалось построить такое рабочее устройство, прежде чем полностью использовать германий для изобретения точечный транзистор. Во Франции во время войны Герберт Матаре наблюдал усиление между соседними точечными контактами на германиевой основе. После войны группа Матаре анонсировала свой усилитель «Transistron» только вскоре после того, как Bell Labs анонсировала «транзистор ».

В 1954 году физик-химик Моррис Таненбаум изготовил первый кремниевый переходной транзистор в Bell Labs. Однако первые переходные транзисторы были относительно громоздкими устройствами, которые было трудно производить в рамках массового производства, что ограничивало их ряд специализированных приложений.

Германий. и кремниевые полупроводники

Мохамед Аталла разработал процесс пассивации поверхности в 1957 году и МОП-транзистор в 1959 году.

Первый кремниевый полупроводник Устройство представляло собой кремниевый радиокристаллический детектор, разработанный американским инженером Гринлифом Уиттиером Пикардом в 1906 году. В 1940 году Рассел Ол открыл pn переход и фотоэлектрические эффекты в кремнии. В 1941 году во время Второй мировой войны были разработаны технологии производства кристаллов германия и кремния высокой чистоты для радаров микроволновых детекторов.. В 1955 году Карл Фрош и Линкольн Дерик из Bell Labs случайно обнаружили, что диоксид кремния (SiO 2) можно выращивать на кремнии, и позже они предположили, что это может маскировать кремниевые поверхности во время процессов диффузии в 1958 году.

В первые годы полупроводниковой промышленности, вплоть до конца 1950-х годов, германий был доминирующим полупроводниковым материалом для транзисторов. и другие полупроводниковые приборы, а не кремний. Первоначально германий считался более эффективным полупроводниковым материалом, поскольку он мог продемонстрировать лучшие характеристики благодаря более высокой подвижности носителей. Относительная неэффективность ранних кремниевых полупроводников объяснялась тем, что электрическая проводимость ограничивалась нестабильными квантовыми поверхностными состояниями, где электроны удерживаются на поверхности из-за оборванных связей, которые возникают из-за наличия ненасыщенных связей на поверхности. Это помешало электричеству надежно проникнуть через поверхность и достичь слоя полупроводящего кремния.

Прорыв в технологии кремниевых полупроводников произошел благодаря работе египетского инженера Мохамеда Аталлы, который разработал процесс пассивации поверхности термоокислительным ионом в Bell Labs в конце 1950-х годов. Он обнаружил, что образование термически выращенного слоя диоксида снижает концентрацию электронных состояний на поверхности кремния, и что покрытие оксида кремния вызывает электрическую стабилизацию поверхности кремния. Аталла опубликовала свои выводы в записках Белла в 1957 году, а затем продемонстрировал их в 1958 году. Это была демонстрация, показавшая, высококачественные изолирующие пленки из диоды кремния могут быть выращены термически на поверхности кремния для защиты нижележащего кремниевого перехода>диоды и транзисторы. Процесс пассивации поверхности Аталлыил кремнию превзойти по проводимости и характеристикам германий и привел к тому, что кремний заменил германий в качестве основного полупроводникового материала. Процесс пассивации поверхности Аталлы считается самым важным достижением в технологии кремниевых полупроводников, открывающий путь для массового производства кремниевых полупроводниковых устройств. К середине 1960-х процесс Аталлы для окисленных кремниевых поверхностей использовался для изготовления всех интегральных и кремниевых устройств.

MOSFET (МОП-транзистор)

MOSFET (МОП-транзистор) был изобретен Мохамедом Аталлой и Давоном Кангом в 1959 году.

В конце 1950-х годов Мохамед Аталла использовал свою пассивацию поверхности и методы термического окисления для разработки процесса металл-оксид-полупроводник (МОП), который он использует, можно использовать для создания первого работающего кремниевого полевого транзистора. Это привело к изобретению MOSFET (полевого МОП-транзистора) Мохамедом Аталлой и Давоном Кангом в 1959 году. Это был по-настоящему компактный транзистор, который можно было миниатюризировать и увеличить массу. производятся для широкого круга применений, благодаря своей масштабируемости, намного более низкое энергопотребление и более высокая плотность, чем транзисторы с биполярным переходом, MOSFET стал наиболее распространенным типом транзисторов в компьютерах, электронике и коммуникационных технологийх, таких как смартфоны. Бюро по патентам и товарным знакам США называет MOSFET «революционным изобретением, которое изменило жизнь и культуру во всем мире».

Был разработан процесс CMOS (дополнительная MOS) Авторы Chih-Tang Sah и Frank Wanlass в Fairchild Semiconductor в 1963 году. Первый отчет о MOSFET был сделан Давон Кан и Саймон Сзе в 1967 году. FinFET (плавниковый полевой транзистор), тип 3D многозатворного МОП-транзистора, был разработан Дай Хисамото и его команда исследователей из Центральной исследовательской лаборатории Hitachi в 1989 году.

См. также

  • значок Портал электроники

Ссылки

Дополнительная литература

  • A. А. Баландин, К. Л. Ван (2006). Справочник по полупроводниковым наноструктурам и наноустройствам (набор из 5 томов). Американские научные издательства. ISBN 978-1-58883-073-9.
  • Саймон М. Сзе (1981). Физика полупроводниковых приборов (2-е изд.). Джон Уайли и сыновья (WIE). ISBN 978-0-471-05661-4.
  • Терли, Джим (2002). Основное руководство по полупроводникам. Prentice Hall PTR. ISBN 978-0-13-046404-0.
  • Ю., Петр Ю.; Кардона, Мануэль (2004). Основы полупроводников: физика и свойства материалов. Springer. ISBN 978-3-540-41323-3.
  • Садао Адачи (2012). Справочник по оптическим константам полупроводников: таблицы и рисунки. Мировое научное издательство. ISBN 978-981-4405-97-3.
  • G. Б. Абдуллаев, Т.Д. Джафаров, С. Торствейт (переводчик), Диффузия элементов в полупроводниковых структурах, Gordon Breach Science Pub., 1987 ISBN 978-2-88124-152-9

Внешние ссылки

На На Wikimedia Commons есть материалы, связанные с Semiconductors.
В Wikiquote есть цитаты, связанные с: Semiconductor
Последняя правка сделана 2021-06-07 09:45:03
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте