Полупроводник - Semiconductor

Информацию об устройствах, использующих полупроводники, и их истории см. Полупроводниковый прибор. Для использования в других целях см. Полупроводник (значения).

А полупроводник материал имеет электрическая проводимость значение находится между дирижер, например, металлическая медь, и изолятор, например, стекло. Его удельное сопротивление падает при повышении температуры; металлы наоборот. Его проводящие свойства могут быть изменены полезным образом путем введения примесей ("допинг ") в Кристальная структура. Когда в одном кристалле существуют две различные легированные области, полупроводниковый переход создано. Поведение носители заряда, который включает в себя электроны, ионы и электронные дыры, на этих стыках лежит основа диоды, транзисторы и все современные электроника. Некоторые примеры полупроводников: кремний, германий, арсенид галлия, и элементы рядом с так называемым "металлоидная лестница " на периодическая таблица. 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 изготовления большинства электронных схем.

Полупроводниковые приборы может отображать ряд полезных свойств, например, легче пропускать ток в одном направлении, чем в другом, показывать переменное сопротивление и чувствительность к свету или теплу. Поскольку электрические свойства полупроводникового материала могут быть изменены путем легирования или приложения электрических полей или света, устройства, изготовленные из полупроводников, могут использоваться для усиления, переключения и преобразование энергии.

Проводимость кремния повышается за счет добавления небольшого количества (порядка 1 из 108) пятивалентной (сурьма, фосфор, или же мышьяк ) или трехвалентный (бор, галлий, индий ) атомов. Этот процесс известен как легирование, а 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 проводимость уменьшается с повышением температуры.

Современное понимание свойств полупроводника основывается на квантовая физика объяснить движение носителей заряда в кристаллическая решетка.[1] Легирование значительно увеличивает количество носителей заряда в кристалле. Когда легированный полупроводник содержит в основном свободные дырки, это называется "р-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 концентрации и областей примесей p- и n-типа. Единый полупроводник кристалл может иметь много областей p- и n-типа; то p – n переходы между этими областями несут ответственность за полезное электронное поведение.

Некоторые свойства полупроводниковых материалов наблюдались в середине 19-го и первых десятилетиях 20-го века. Первым практическим применением полупроводников в электронике было развитие в 1904 г. детектор кошачьих усов, примитивный полупроводниковый диод, используемый в ранних радиоприемниках. Развитие квантовой физики, в свою очередь, привело к развитию транзистор в 1947 г.,[2] то Интегральная схема в 1958 г., а МОП-транзистор (металл – оксид – полупроводник полевой транзистор ) в 1959 году.

Характеристики

Переменная электропроводность
Полупроводники в их естественном состоянии - плохие проводники, потому что Текущий требует потока электронов, а полупроводники имеют свои валентные полосы заполнены, предотвращая весь поток новых электронов. Существует несколько разработанных методов, которые позволяют полупроводниковым материалам вести себя как проводящие материалы, например: допинг или же ворота. Эти модификации имеют два результата: n-тип и p-тип. Они относятся к избытку или нехватке электронов соответственно. Несбалансированное количество электронов вызовет ток, протекающий через материал.[3]
Гетеропереходы
Гетеропереходы возникают, когда соединяются два полупроводниковых материала с различными легировками. Например, конфигурация может состоять из p-легированных и n-легированных германий. Это приводит к обмену электронами и дырками между полупроводниковыми материалами с различным легированием. Германий, легированный n, имел бы избыток электронов, а германий, легированный p, имел бы избыток дырок. Перенос происходит до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие с помощью процесса, называемого рекомбинация, что заставляет мигрирующие электроны n-типа вступать в контакт с мигрирующими дырками p-типа. Продукт этого процесса оплачивается ионы, что приводит к электрическое поле.[1][3]
Возбужденные электроны
Разница в электрическом потенциале полупроводникового материала вынудила бы его выйти из теплового равновесия и создать неравновесную ситуацию. Это вводит в систему электроны и дырки, которые взаимодействуют посредством процесса, называемого амбиполярная диффузия. Когда в полупроводниковом материале нарушается тепловое равновесие, количество дырок и электронов изменяется. Такие сбои могут возникнуть в результате разницы температур или фотоны, которые могут войти в систему и создать электроны и дырки. Процесс, который создает и уничтожает электроны и дырки, называется поколение и рекомбинация.[3]
Световое излучение
В некоторых полупроводниках возбужденные электроны могут релаксировать, излучая свет, а не выделяя тепло.[4] Эти полупроводники используются в конструкции светодиоды и флуоресцентный квантовые точки.
Высокая теплопроводность
Полупроводники с высокой теплопроводностью можно использовать для отвода тепла и улучшения терморегулирования электроники.[5]
Преобразование тепловой энергии
Полупроводники имеют большие термоэлектрические коэффициенты мощности делая их полезными в термоэлектрические генераторы, а также высокий термоэлектрические показатели качества делая их полезными в термоэлектрические охладители.[6]

Материалы

Основная статья: Список полупроводниковых материалов
Кремний кристаллы - наиболее распространенные полупроводниковые материалы, используемые в микроэлектроника и фотогальваника.

Большое количество элементов и соединений обладают полупроводниковыми свойствами, в том числе:[7]

Наиболее распространенными полупроводниковыми материалами являются твердые кристаллические вещества, но аморфный и жидкие полупроводники также известны. К ним относятся гидрированный аморфный кремний и смеси мышьяк, селен и теллур в самых разных пропорциях. Эти соединения разделяют с более известными полупроводниками свойства промежуточной проводимости и быстрого изменения проводимости с температурой, а также случайных отрицательное сопротивление. У таких неупорядоченных материалов отсутствует жесткая кристаллическая структура обычных полупроводников, таких как кремний. Обычно они используются в тонкая пленка конструкции, не требующие материалов более высокого электронного качества, относительно нечувствительные к загрязнениям и радиационным повреждениям.

Подготовка полупроводниковых материалов

Практически все современные электронные технологии включают использование полупроводников, наиболее важным аспектом которых является Интегральная схема (IC), которые находятся в ноутбуки, сканеры, сотовые телефоны и др. Полупроводники для ИС выпускаются серийно. Химическая чистота имеет первостепенное значение для создания идеального полупроводникового материала. Любой небольшой дефект может сильно повлиять на поведение полупроводникового материала из-за масштаба, в котором используются материалы.[3]

Также требуется высокая степень кристаллического совершенства, поскольку дефекты кристаллической структуры (например, вывихи, двойняшки, и дефекты укладки ) влияют на полупроводниковые свойства материала. Кристаллические дефекты - основная причина дефектных полупроводниковых устройств. Чем больше кристалл, тем труднее достичь необходимого совершенства. Современные процессы массового производства используют кристалл слитки от 100 до 300 мм (от 3,9 до 11,8 дюйма) в диаметре, которые выращиваются в виде цилиндров и нарезаются на вафли.

Существует комбинация процессов, которые используются для изготовления полупроводниковых материалов для ИС. Один процесс называется термическое окисление, который образует диоксид кремния на поверхности кремний. Это используется как изолятор ворот и полевой оксид. Остальные процессы называются фотошаблоны и фотолитография. Этот процесс - то, что создает узоры на схеме в интегральной схеме. Ультрафиолетовый свет используется вместе с фоторезист слой, чтобы создать химическое изменение, которое создает шаблоны для схемы.[3]

Следующим обязательным процессом является травление. Часть кремния, не покрытая фоторезист слой из предыдущего шага теперь можно протравить. Основной процесс, обычно используемый сегодня, называется плазменное травление. Плазменное травление обычно включает травильный газ закачивается в камеру низкого давления для создания плазма. Обычный травильный газ хлорфторуглерод, или более широко известный Фреон. Высота радиочастота Напряжение между катод и анод это то, что создает плазму в камере. В кремниевая пластина расположен на катоде, что заставляет его попадать в него положительно заряженными ионами, которые выделяются из плазмы. Конечный результат - протравленный кремний. анизотропно.[1][3]

Последний процесс называется распространение. Это процесс, который придает полупроводниковому материалу желаемые полупроводниковые свойства. Он также известен как допинг. Этот процесс вводит в систему нечистый атом, который создает p-n переход. Чтобы внедрить примесные атомы в кремниевую пластину, пластину сначала помещают в камеру с температурой 1100 градусов Цельсия. Атомы вводятся внутрь кремния и в конечном итоге диффундируют вместе с ним. После того, как процесс завершен и кремний достиг комнатной температуры, процесс легирования завершен, и полупроводниковый материал готов к использованию в интегральной схеме.[1][3]

Физика полупроводников

Энергетические полосы и электрическая проводимость

Основные статьи: Электронная зонная структура и Удельное электрическое сопротивление и проводимость
Заполнение электронных состояний в различных типах материалов при равновесие. Здесь высота - это энергия, а ширина - это плотность доступных состояний для определенной энергии в указанном материале. Тень следует за Распределение Ферми – Дирака (чернить = все состояния заполнены, белый = состояние не заполнено). В металлы и полуметаллы то Уровень Ферми EF лежит внутри хотя бы одной полосы. В изоляторы и полупроводники уровень Ферми находится внутри запрещенная зона; однако в полупроводниках зоны достаточно близки к уровню Ферми, чтобы их можно было термозаселенный с электронами или дыры.
редактировать

Полупроводники характеризуются своим уникальным электропроводящим поведением, которое находится где-то между проводником и изолятором.[8]Различия между этими материалами можно понять с точки зрения квантовые состояния для электронов, каждый из которых может содержать ноль или один электрон (по Принцип исключения Паули ). Эти состояния связаны с электронная зонная структура материала.Электрическая проводимость возникает из-за наличия электронов в состояниях, которые делокализованный (распространяясь через материал), однако для транспортировки электронов состояние должно быть частично заполнен, содержащий электрон лишь часть времени.[9] Если состояние всегда занято электроном, то оно инертно, блокируя прохождение других электронов через это состояние. Энергии этих квантовых состояний являются критическими, поскольку состояние частично заполнено только в том случае, если его энергия близка к Уровень Ферми (видеть Статистика Ферми – Дирака ).

Высокая проводимость материала обусловлена ​​наличием множества частично заполненных состояний и значительной делокализацией состояний. электрические проводники и имеют много частично заполненных состояний с энергиями, близкими к их уровню Ферми.Изоляторы, напротив, имеют несколько частично заполненных состояний, их уровни Ферми находятся внутри запрещенные зоны Важно, чтобы изолятор стал проводящим, увеличив его температуру: нагрев дает энергию для продвижения некоторых электронов через запрещенную зону, вызывая частично заполненные состояния в обеих зонах состояний под запрещенной зоной (валентная полоса ) и зоны состояний над запрещенной зоной (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.[10]

Однако чистый полупроводник не очень полезен, поскольку он не является ни очень хорошим изолятором, ни очень хорошим проводником. Однако одна важная особенность полупроводников (и некоторых изоляторов, известных как полуизоляторы) заключается в том, что их проводимость можно увеличивать и контролировать с помощью допинг с примесями и ворота с электрическими полями. Допирование и стробирование сдвигают зону проводимости или валентную зону намного ближе к уровню Ферми и значительно увеличивают количество частично заполненных состояний.

Немного полупроводник с широкой запрещенной зоной материалы иногда называют полуизоляторы. В нелегированном состоянии они имеют электрическую проводимость, близкую к электропроводности 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. Пример обычного полуизолятора: арсенид галлия.[11] Некоторые материалы, такие как оксид титана, могут даже использоваться в качестве изоляционных материалов для некоторых приложений, в то время как они рассматриваются как широкозонные полупроводники для других приложений.

Носители заряда (электроны и дырки)

Основная статья: Электронная дыра

Частичное заполнение состояний на дне зоны проводимости можно понимать как добавление электронов к этой зоне. Электроны не остаются бесконечно долго (из-за естественного теплового рекомбинация ), но они могут перемещаться в течение некоторого времени. Фактическая концентрация электронов обычно очень мала, и поэтому (в отличие от металлов) электроны в зоне проводимости полупроводника можно рассматривать как своего рода классический идеальный газ, где электроны свободно летают, не подвергаясь воздействию Принцип исключения Паули. В большинстве полупроводников зоны проводимости имеют параболическую форму. соотношение дисперсии, и поэтому эти электроны реагируют на силы (электрическое поле, магнитное поле и т. д.) так же, как и в вакууме, хотя и с другим эффективная масса.[10]Поскольку электроны ведут себя как идеальный газ, можно думать о проводимости в очень упрощенных терминах, таких как Модель Друде, и ввести такие понятия, как подвижность электронов.

Для частичного заполнения в верхней части валентной зоны полезно ввести понятие электронная дыра.Хотя электроны в валентной зоне всегда движутся вокруг, полностью полная валентная зона инертна, не проводя никакого тока. Если электрон вынимается из валентной зоны, то траектория, по которой он обычно двигался бы, теперь отсутствует. 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. то отрицательный Эффективная масса 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 реагировала бы в вакууме, опять же с некоторой положительной эффективной массой.[10]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

Основная статья: Генерация и рекомбинация носителей

Когда ионизирующего излучения ударяется о полупроводник, он может вывести электрон из своего энергетического уровня и, следовательно, оставить дыру. Этот процесс известен как генерация электронно-дырочных пар. Электронно-дырочные пары постоянно генерируются из тепловая энергия а также при отсутствии какого-либо внешнего источника энергии.

Электронно-дырочные пары также склонны к рекомбинации. Сохранение энергии требует, чтобы эти рекомбинационные события, в которых электрон теряет количество энергия больше, чем запрещенная зона, сопровождаться выделением тепловой энергии (в виде фононы ) или радиации (в виде фотоны ).

В некоторых состояниях генерация и рекомбинация электронно-дырочных пар уравновешены. Число электронно-дырочных пар в устойчивое состояние при данной температуре определяется квантовая статистическая механика. Точный квантово-механический механизмы генерации и рекомбинации регулируются сохранение энергии и сохранение импульса.

Поскольку вероятность того, что электроны и дырки встретятся вместе, пропорциональна произведению их числа, продукт находится в установившемся состоянии, почти постоянном при данной температуре, при условии, что нет значительного электрического поля (которое могло бы "смыть" носители обоих типов, или переместите их из соседних регионов, содержащих больше из них, чтобы встретиться вместе) или создание пар с внешним управлением. Продукт является функцией температуры, так как вероятность получить достаточно тепловой энергии для создания пары увеличивается с температурой, составляя приблизительно exp (-Eграмм/kT), куда k является Постоянная Больцмана, Т абсолютная температура и Eграмм ширина запрещенной зоны.

Вероятность встречи увеличивается за счет ловушек носителей - примесей или дислокаций, которые могут захватить электрон или дырку и удерживать их, пока пара не будет сформирована. Такие ловушки носителей иногда добавляются специально, чтобы сократить время, необходимое для достижения установившегося состояния.[12]

Допинг

Основная статья: Легирование (полупроводник)

Проводимость полупроводников легко изменить, введя в их состав примеси. кристаллическая решетка. Процесс добавления контролируемых примесей в полупроводник известен как допинг. Количество примеси или легирующей добавки, добавленной к внутренний (чистый) полупроводник меняет уровень проводимости. Легированные полупроводники называются внешний. Добавляя примеси к чистым полупроводникам, электрическая проводимость может изменяться в тысячи или миллионы раз.

1 см3 образец металла или полупроводника имеет порядка 1022 атомы. В металле каждый атом отдает как минимум один свободный электрон для проводимости, таким образом, 1 см3 металла содержит порядка 1022 свободные электроны, тогда как 1 см3 образец чистого германия при 20 ° C содержит около 4.2×1022 атомы, но только 2.5×1013 свободные электроны и 2.5×1013 дыры. Добавление 0,001% мышьяка (примеси) дает дополнительные 1017 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 легирующей добавки, так и легируемого материала. В общем, легирующие примеси, которые вызывают желаемые контролируемые изменения, классифицируются как электронные акцепторы или же доноры. Полупроводники, легированные донор примеси называются n-тип, а те, что допировали акцептор примеси известны как р-тип. Обозначения типа n и p указывают, какой носитель заряда действует как основной оператор. Противоположный носитель называется миноритарный перевозчик, который существует из-за теплового возбуждения при гораздо меньшей концентрации по сравнению с основным носителем.

Например, чистый полупроводник кремний имеет четыре валентных электрона, которые связывают каждый атом кремния с его соседями. В кремнии наиболее распространенными легирующими добавками являются группа III и группа V элементы. Все элементы группы III содержат три валентных электрона, что заставляет их действовать как акцепторы при использовании для легирования кремния. Когда атом-акцептор заменяет атом кремния в кристалле, создается вакантное 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; замена этих атомов на кремний создает дополнительный свободный электрон. Следовательно, кристалл кремния, легированный бор создает полупроводник p-типа, тогда как один легированный фосфор приводит к материалу n-типа.

В течение производство легирующие добавки могут диффундировать в тело полупроводника при контакте с газообразными соединениями желаемого элемента, или ионная имплантация можно использовать для точного позиционирования легированных областей.

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.[13][14]

Ранняя история полупроводников

Смотрите также: Полупроводниковый прибор § История развития полупроводникового прибора., и Хронология развития электротехники и электроники

История понимания полупроводников начинается с экспериментов над электрическими свойствами материалов. Свойства отрицательного температурного коэффициента сопротивления, выпрямления и светочувствительности наблюдались с начала 19 века.

Карл Фердинанд Браун разработал кристаллический детектор, первый полупроводниковый прибор, в 1874 г.

Томас Иоганн Зеебек был первым, кто заметил эффект из-за полупроводников, в 1821 г.[15] В 1833 г. Майкл Фарадей сообщили, что сопротивление образцов сульфид серебра уменьшается при нагревании. Это противоречит поведению металлических веществ, таких как медь. В 1839 г. Александр Эдмон Беккерель сообщил о наблюдении напряжения между твердым и жидким электролитом при попадании света, фотоэлектрический эффект. В 1873 г. Уиллоуби Смит заметил, что селен резисторы при падении на них света сопротивление уменьшается. В 1874 г. Карл Фердинанд Браун наблюдаемая проводимость и исправление в металле сульфиды, хотя этот эффект был обнаружен гораздо раньше Питером Мунком аф Розеншольдом (св ), написанные для Annalen der Physik und Chemie в 1835 году,[16] и Артур Шустер обнаружили, 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.[17]

Единое объяснение этих явлений потребовало теории физика твердого тела которые получили большое развитие в первой половине ХХ века. В 1878 г. Эдвин Герберт Холл продемонстрировал отклонение текущих носителей заряда приложенным магнитным полем, эффект Холла. Открытие электрон к J.J. Томсон в 1897 г. подсказал теории электронной проводимости в твердых телах. Карл Бедекер, наблюдая эффект Холла с обратным знаком по сравнению 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 современном понимании) в докторской диссертации 1910 г.[18][19] Феликс Блох опубликовал теорию движения электронов через атомные решетки в 1928 году. В 1930 году Б. Гудден заявил, что проводимость в полупроводниках обусловлена ​​незначительными концентрациями примесей. К 1931 г. зонная теория проводимости была основана Алан Херрис Уилсон была разработана концепция запрещенной зоны. Уолтер Х. Шоттки и Невилл Фрэнсис Мотт разработаны модели потенциального барьера и характеристик переход металл – полупроводник. К 1938 году Борис Давыдов разработал теорию выпрямителя на основе оксида меди, определив эффект p – n переход и важность неосновных носителей и поверхностных состояний.[16]

Согласие между теоретическими предсказаниями (основанными на развивающейся квантовой механике) и экспериментальными результатами иногда было плохим. Позже это было объяснено Джон Бардин как из-за чрезвычайно "структурно-чувствительного" поведения полупроводников, свойства которых резко меняются из-за крошечных количеств примесей.[16] Коммерчески чистые материалы 1920-х годов, содержащие различные количества микропримесей, дали разные экспериментальные результаты. Это стимулировало разработку усовершенствованных методов рафинирования материалов, кульминацией которых стали современные предприятия по рафинированию полупроводников, производящие материалы с чистотой до частей на триллион.

Устройства с использованием полупроводников сначала конструировались на основе эмпирических знаний, прежде чем теория полупроводников предоставила руководство по созданию более эффективных и надежных устройств.

Александр Грэхем Белл использовали светочувствительное свойство селена для передавать звук над лучом света в 1880 году. Работающий солнечный элемент с низкой эффективностью был построен Чарльз Фриттс в 1883 г. - металлическая пластина, покрытая селеном и тонким слоем золота; коммерческое использование устройства в фотографических люксметрах началось в 1930-х годах.[16] Выпрямители точечных СВЧ-детекторов из сульфида свинца использовались Джагадиш Чандра Босе в 1904 г .; то детектор кошачьих усов использование природного галенита или других материалов стало обычным явлением в развитие радио. Тем не менее, это было несколько непредсказуемо в работе и требовало ручной настройки для лучшей работы. В 1906 г. Х.Дж. Раунд наблюдаемое излучение света при прохождении электрического тока Карбид кремния кристаллы, принцип, лежащий в основе светодиод. Олег Лосев наблюдал подобное излучение света 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 стали коммерчески важными в качестве альтернативы вакуумная труба выпрямители.[17][16]

Первый полупроводниковые приборы использовал галенит, включая немецкий физик Фердинанда Брауна кристаллический детектор в 1874 г. и бенгальский физик Джагадиш Чандра Бозе радио Кристаллический детектор в 1901 году.[20][21]

В годы, предшествовавшие Второй мировой войне, инфракрасные устройства обнаружения и связи побудили исследовать сульфид и селенид свинца. Эти устройства использовались для обнаружения кораблей и самолетов, для инфракрасных дальномеров и для систем 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 полагались на быстрый отклик кристаллических детекторов. Значительные исследования и разработки кремний материалы, полученные во время войны, позволили разработать детекторы неизменно высокого качества.[16]

Ранние транзисторы

Основная статья: История транзистора
Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Браттейн развил биполярный точечный транзистор в 1947 г.

Детектор и выпрямители мощности не могут усилить сигнал. Было приложено много усилий для разработки твердотельного усилителя, и в результате было разработано устройство под названием точечный транзистор который может усилить 20 дБ или более.[22] В 1922 г. Олег Лосев развитый двухполюсник, отрицательное сопротивление усилители для радио, но он погиб в Блокада Ленинграда после успешного завершения. В 1926 г. Юлиус Эдгар Лилиенфельд запатентовал устройство, напоминающее полевой транзистор, но это было непрактично. Р. Хилш и Р. У. Поль в 1938 году продемонстрировали твердотельный усилитель, использующий структуру, напоминающую управляющую сетку вакуумной лампы; хотя устройство показывало прирост мощности, оно частота среза одного цикла в секунду, слишком мало для каких-либо практических приложений, но эффективное применение имеющейся теории.[16] В Bell Labs, Уильям Шокли и А. Холден начали исследовать твердотельные усилители в 1938 году. Первый p − n-переход в кремнии был обнаружен Рассел Ол примерно в 1941 году, когда было обнаружено, что 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 действием света вырабатывал напряжение.

Первый рабочий транзистор был точечный транзистор изобретен Джон Бардин, Уолтер Хаузер Браттейн и Уильям Шокли в Bell Labs в 1947 году. Шокли ранее теоретизировал полевой усилитель изготовлен из германия и кремния, но ему не удалось построить такое работающее устройство, прежде чем в конечном итоге использовать германий для изобретения точечного транзистора.[23] Во Франции во время войны Герберт Матаре наблюдали усиление между соседними точечными контактами на германиевой основе. После войны группа Матаре анонсировала свой усилитель «Transistron» только вскоре после того, как Bell Labs объявила об «транзистор ".

В 1954 г. физический химик Моррис Таненбаум изготовил первый кремний переходной транзистор в Bell Labs.[24] Однако рано переходные транзисторы были относительно громоздкими устройствами, которые было трудно изготовить на массовое производство основы, что ограничило их ряд специализированных приложений.[25]

Германий и кремниевые полупроводники

Основная статья: Кремний
Мохамед Аталла разработал пассивация поверхности процесс в 1957 г. и МОП-транзистор в 1959 г.

Первый кремний полупроводниковым прибором был кремниевый радиокристаллический детектор, разработанный американским инженером. Гринлиф Уиттиер Пикард в 1906 г.[21] В 1940 г. Рассел Ол обнаружил p-n переход и фотоэлектрические эффекты в кремнии. В 1941 году технологии производства особо чистых германий и кристаллы кремния были разработаны для радар микроволновая печь детекторы во время Вторая Мировая Война.[20] В 1955 г. Карл Фрош и Линкольн Дерик из Bell Labs случайно обнаружили, что диоксид кремния (SiO2) можно было выращивать на кремнии,[26] и позже они предположили, что это может маскировать кремниевые поверхности во время диффузионные процессы в 1958 г.[27]

В первые годы полупроводниковая промышленность Вплоть до конца 1950-х годов германий был преобладающим полупроводниковым материалом для транзисторов и других полупроводниковых устройств, а не кремний. Первоначально германий считался более эффективным полупроводниковым материалом, так как он демонстрировал лучшие характеристики благодаря более высокой мобильность оператора.[28][29] Относительная низкая производительность в первых кремниевых полупроводниках была связана с электрическая проводимость быть ограниченным нестабильным квант поверхностные состояния,[30] куда электроны попадают в ловушку на поверхности из-за болтающиеся облигации это происходит потому что ненасыщенные связи присутствуют на поверхности.[31] Это помешало электричество от надежного проникновения через поверхность до слоя полупроводящего кремния.[32][33]

Прорыв в технологии кремниевых полупроводников произошел благодаря работе египетского инженера. Мохамед Аталла, которые разработали процесс пассивация поверхности к термическое окисление в Bell Labs в конце 1950-х.[31][34][29] Он обнаружил, что образование термически выращенного слоя диоксида кремния значительно снижает концентрацию электронные состояния на поверхности кремния,[34] и что слои оксида кремния могут использоваться для электрической стабилизации кремниевых поверхностей.[35] Аталла впервые опубликовал свои открытия в записках Белла в 1957 году, а затем продемонстрировал их в 1958 году.[36][37] Это была первая демонстрация, показывающая, что высококачественные диэлектрические пленки из диоксида кремния можно выращивать термически на поверхности кремния для защиты нижележащего кремниевого p-n-перехода. диоды и транзисторы.[27] Процесс пассивации поверхности Аталлы позволил кремнию превзойти по проводимости и характеристикам германий и привел к тому, что кремний заменил германий в качестве основного полупроводникового материала.[29][30] Процесс пассивации поверхности Аталлы считается наиболее важным достижением в технологии кремниевых полупроводников, открывающим путь для массового производства кремниевых полупроводниковых устройств.[38] К середине 1960-х процесс Аталлы для окисленных кремниевых поверхностей использовался для изготовления практически всех интегральных схем и кремниевых устройств.[39]

MOSFET (МОП-транзистор)

Основная статья: МОП-транзистор
Смотрите также: Список примеров полупроводниковой шкалы и Количество транзисторов
В МОП-транзистор (МОП-транзистор) был изобретен Мохамед Аталла и Давон Канг в 1959 г.

В конце 1950-х гг. Мохамед Аталла использовал его пассивация поверхности и термическое окисление методы развития металл – оксид – полупроводник (MOS) процесс, который он предложил, может быть использован для создания первого работающего кремниевого полевого транзистора.[32][33] Это привело к изобретению МОП-транзистор (МОП-полевой транзистор) Мохамед Аталла и Давон Канг в 1959 г.[40][36] Это был первый по-настоящему компактный транзистор, который можно было миниатюризировать и выпускать серийно для широкого спектра применений.[25] С этими масштабируемость,[41] и гораздо более низкое энергопотребление и более высокая плотность, чем биполярные переходные транзисторы,[42] MOSFET стал наиболее распространенным типом транзисторов в компьютерах, электронике,[33] и коммуникационные технологии Такие как смартфоны.[43] В Бюро патентов и товарных знаков США называет MOSFET «революционным изобретением, которое изменило жизнь и культуру во всем мире».[43]

В CMOS (дополнительный MOS) процесс был разработан Чи-Тан Сах и Фрэнк Ванласс в Fairchild Semiconductor в 1963 г.[44] Первый отчет МОП-транзистор с плавающим затвором был сделан Dawon Kahng и Саймон Зе в 1967 г.[45] FinFET (плавниковый полевой транзистор) типа 3D мульти-ворота MOSFET был разработан Дай Хисамото и его командой исследователей в Центральная исследовательская лаборатория Hitachi в 1989 г.[46][47]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d Фейнман, Ричард (1963). Лекции Фейнмана по физике. Основные книги.
  2. ^ Шокли, Уильям (1950). Электроны и дырки в полупроводниках: приложения к транзисторной электронике. R. E. Krieger Pub. Co. ISBN  978-0-88275-382-9.
  3. ^ а б c d е ж грамм Neamen, Дональд. «Физика полупроводников и приборы» (PDF). Элизабет А. Джонс.
  4. ^ Абдул Аль-Аззави. "Свет и оптика: принципы и практика. »2007. 4 марта 2016.
  5. ^ Кан, Джун Санг; Ли, человек; Ву, Хуан; Нгуен, Худуй; Ху, Юнцзе (2018). «Экспериментальное наблюдение высокой теплопроводности в арсениде бора». Наука. 361 (6402): 575–78. Bibcode:2018Научный ... 361..575K. Дои:10.1126 / science.aat5522. PMID  29976798.
  6. ^ «Как работают термоэлектрические охладители (ТЭУ)?». marlow.com. Получено 2016-05-07.
  7. ^ Б.Г. Якоби, Полупроводниковые материалы: введение в основные принципы, Springer 2003 г. ISBN  0-306-47361-5, стр. 1–3
  8. ^ Ю, Питер (2010). Основы полупроводников. Берлин: Springer-Verlag. ISBN  978-3-642-00709-5.
  9. ^ Как и в формуле Мотта для проводимости, см. Катлер, М .; Мотт, Н. (1969). «Наблюдение локализации Андерсона в электронном газе». Физический обзор. 181 (3): 1336. Bibcode:1969ПхРв..181.1336С. Дои:10.1103 / PhysRev.181.1336.
  10. ^ а б c Чарльз Киттель (1995) Введение в физику твердого тела, 7-е изд. Вайли, ISBN  0-471-11181-3.
  11. ^ Дж. У. Аллен (1960). «Арсенид галлия как полуизолятор». Природа. 187 (4735): 403–05. Bibcode:1960Натура.187..403А. Дои:10.1038 / 187403b0. S2CID  4183332.
  12. ^ Луи Нашельски, Роберт Бойлестад. Электронные устройства и теория схем (9-е изд.). Индия: Prentice-Hall of India Private Limited. С. 7–10. ISBN  978-81-203-2967-6.
  13. ^ Аморфные полупроводники 1968
  14. ^ Корпуса, К .; Макмиллан, П. У. (22 мая 1972 г.). «Аморфные полупроводники: обзор современных теорий». Журнал физики D: Прикладная физика. 5 (5): 865–82. Дои:10.1088/0022-3727/5/5/205.
  15. ^ "Kirj.ee" (PDF).
  16. ^ а б c d е ж грамм Моррис, Питер Робин (22 июля 1990 г.). История мировой полупроводниковой промышленности. ИЭПП. ISBN  9780863412271 - через Google Книги.
  17. ^ а б Лидия Лукасяк и Анджей Якубовски (январь 2010 г.). «История полупроводников» (PDF). Журнал телекоммуникаций и информационных технологий: 3.
  18. ^ Буш, Г. (1989). «Ранняя история физики и химии полупроводников - от сомнений к факту за сто лет». Европейский журнал физики. 10 (4): 254–64. Bibcode:1989EJPh ... 10..254B. Дои:10.1088/0143-0807/10/4/002.
  19. ^ Überlingen.), Йозеф Вайс (de (22 июля 1910 г.). "Experimentelle Beiträge zur Elektronentheorie aus dem Gebiet der Thermoelektrizität, инаугурационная диссертация ... фон Й. Вайсс, ..." Druck- und Verlags-Gesellschaft - через Google Книги.
  20. ^ а б "График". Кремниевый двигатель. Музей истории компьютеров. Получено 22 августа 2019.
  21. ^ а б "1901: Полупроводниковые выпрямители запатентованы как детекторы" кошачьих усов ". Кремниевый двигатель. Музей истории компьютеров. Получено 23 августа 2019.
  22. ^ Питер Робин Моррис (1990) История мировой полупроводниковой промышленности, ИЭПП, ISBN  0-86341-227-0, стр. 11–25
  23. ^ «1947: изобретение точечного транзистора». Кремниевый двигатель. Музей истории компьютеров. Получено 23 августа 2019.
  24. ^ «1954: Моррис Таненбаум изготавливает первый кремниевый транзистор в Bell Labs». Кремниевый двигатель. Музей истории компьютеров. Получено 23 августа 2019.
  25. ^ а б Московиц, Сэнфорд Л. (2016). Передовые инновации в материалах: управление глобальными технологиями в 21 веке. Джон Уайли и сыновья. п. 168. ISBN  9780470508923.
  26. ^ Бассетт, Росс Нокс (2007). К веку цифровых технологий: исследовательские лаборатории, начинающие компании и развитие MOS-технологий. Издательство Университета Джона Хопкинса. С. 22–23. ISBN  9780801886393.
  27. ^ а б Саксена, А. (2009). Изобретение интегральных схем: неописуемые важные факты. Международная серия о достижениях в твердотельной электронике и технологиях. Всемирный научный. С. 96–97. ISBN  9789812814456.
  28. ^ Домбровски, Ярек; Мюссиг, Ханс-Иоахим (2000). «6.1. Введение». Поверхности кремния и образование интерфейсов: фундаментальная наука в промышленном мире. Всемирный научный. стр.344–46. ISBN  9789810232863.
  29. ^ а б c Heywang, W .; Зайнингер, К. (2013). «2.2. Ранняя история». Кремний: эволюция и будущее технологии. Springer Science & Business Media. С. 26–28. ISBN  9783662098974.
  30. ^ а б Фельдман, Леонард С. (2001). "Вступление". Фундаментальные аспекты окисления кремния. Springer Science & Business Media. С. 1–11. ISBN  9783540416821.
  31. ^ а б Kooi, E .; Шмитц, А. (2005). «Краткие заметки по истории затворных диэлектриков в МОП-устройствах». Материалы с высокой диэлектрической постоянной: приложения VLSI MOSFET. Springer Science & Business Media. С. 33–44. ISBN  9783540210818.
  32. ^ а б "Мартин (Джон) М. Аталла". Национальный зал славы изобретателей. 2009. Получено 21 июн 2013.
  33. ^ а б c "Давон Канг". Национальный зал славы изобретателей. Получено 27 июн 2019.
  34. ^ а б Черный, Лахлан Э. (2016). Новые взгляды на пассивацию поверхности: понимание границы раздела Si-Al2O3. Springer. п. 17. ISBN  9783319325217.
  35. ^ Лекюер, Кристоф; Брок, Дэвид С. (2010). Создатели микрочипов: документальная история Fairchild Semiconductor. MIT Press. п. 111. ISBN  9780262294324.
  36. ^ а б Лойек, Бо (2007). История полупроводниковой техники. Springer Science & Business Media. С. 120, 321–23. ISBN  9783540342588.
  37. ^ Бассетт, Росс Нокс (2007). К веку цифровых технологий: исследовательские лаборатории, начинающие компании и развитие MOS-технологий. Издательство Университета Джона Хопкинса. п. 46. ISBN  9780801886393.
  38. ^ Сах, Чжи-Тан (Октябрь 1988 г.). «Эволюция МОП-транзистора - от концепции до СБИС» (PDF). Труды IEEE. 76 (10): 1280–1326 [1290]. Bibcode:1988IEEEP..76.1280S. Дои:10.1109/5.16328. ISSN  0018-9219. Те из нас, кто занимался исследованиями кремниевых материалов и устройств в течение 1956–1960 годов, считали эту успешную попытку группы Bell Labs во главе с Аталлой по стабилизации поверхности кремния самым важным и значительным технологическим достижением, проложившим путь, который привел к технологии кремниевых интегральных схем. разработки на втором этапе и объемы производства на третьем этапе.
  39. ^ Донован, Р. П. (ноябрь 1966 г.). «Интерфейс оксид-кремний». Пятый ежегодный симпозиум по физике отказов в электронике: 199–231. Дои:10.1109 / IRPS.1966.362364.
  40. ^ «Демонстрация металлооксидно-полупроводникового (МОП) транзистора 1960 года». Кремниевый двигатель. Музей истории компьютеров.
  41. ^ Мотоёси, М. (2009). "Через кремниевый переходник (TSV)" (PDF). Труды IEEE. 97 (1): 43–48. Дои:10.1109 / JPROC.2008.2007462. ISSN  0018-9219. S2CID  29105721.
  42. ^ «Транзисторы поддерживают закон Мура». EETimes. 12 декабря 2018 г.. Получено 18 июля 2019.
  43. ^ а б «Выступление директора Янку на Международной конференции по интеллектуальной собственности 2019 г.». Ведомство США по патентам и товарным знакам. 10 июня 2019 г.,. Получено 20 июля 2019.
  44. ^ «1963: изобретена дополнительная конфигурация схемы МОП». Музей истории компьютеров. Получено 6 июля 2019.
  45. ^ Д. Канг и С. М. Сзе, «Плавающий затвор и его применение в устройствах памяти», Технический журнал Bell System, т. 46, нет. 4, 1967, стр. 1288–95.
  46. ^ «Получатели премии IEEE Andrew S. Grove Award». Премия IEEE Эндрю С. Гроув. Институт инженеров по электротехнике и электронике. Получено 4 июля 2019.
  47. ^ «Прорывное преимущество для ПЛИС с технологией Tri-Gate» (PDF). Intel. 2014. Получено 4 июля 2019.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка