Полупроводник

Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Полупроводниковый материал имеет электрическую проводимость величину , попадающую между тем , что из проводника , такие как металлическая медь, и изолятор , такие как стекло. Его удельное сопротивление падает с повышением температуры; металлы ведут себя наоборот. Его проводящие свойства можно изменить полезными способами путем введения примесей (« легирования ») в кристаллическую структуру . Когда в одном кристалле существуют две различные легированные области, создается полупроводниковый переход . Поведение носителей заряда , к которым относятся электроны , ионы иэлектронные дырки , на этих переходах - основа диодов , транзисторов и всей современной электроники . Некоторыми примерами полупроводников являются кремний , германий , арсенид галлия и элементы, расположенные рядом с так называемой « металлической лестницей » в периодической таблице . После кремния арсенид галлия является вторым по распространенности полупроводником и используется в лазерных диодах, солнечных элементах, СВЧ интегральных схемах и т. Д. Кремний - важный элемент для изготовления большинства электронных схем.

Полупроводниковые устройства могут 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 преобразования энергии .

Электропроводность кремния повышается за счет добавления небольшого количества (порядка 1 из 10 8 ) пятивалентных ( сурьма , фосфор или мышьяк ) или трехвалентных ( 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 опирается на квантовую физику для объяснения движения носителей заряда в кристаллической решетке . [1] Легирование значительно увеличивает количество носителей заряда в кристалле. Когда легированный полупроводник содержит в основном свободные дырки, он называется « p-типом », 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. Один кристалл полупроводника может иметь много областей p- и n-типа; в р-п - переходымежду этими областями несут ответственность за полезное электронное поведение. Используя датчик с горячей точкой , можно быстро определить, является ли образец полупроводника p- или n-типом. [2]

Некоторые свойства полупроводниковых материалов наблюдались в середине 19-го и первых десятилетиях 20-го века. Первым практическим применением полупроводников в электронике была разработка в 1904 году детектора кошачьих усов , примитивного полупроводникового диода, используемого в первых радиоприемниках. Разработки в квантовой физике , в свою очередь привело к разработке транзистора в 1947, [3] интегральной схемы в 1958 году, а МОП - транзистор (металл-оксид-полупроводник полевой транзистор ) в 1959 году.

Свойства [ править ]

Переменная электропроводность [ править ]

Полупроводники в их естественном состоянии являются плохими проводниками, потому что ток требует потока электронов, а у полупроводников есть заполненные валентные зоны , предотвращающие весь поток новых электронов. Несколько разработанных методов позволяют полупроводниковым материалам вести себя как проводящие материалы, например, легирование или стробирование . 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. [4]

Гетеропереходы [ править ]

Гетеропереходы возникают, когда соединяются два полупроводниковых материала с разными легировками. Например, конфигурация может состоять из германия с примесью p и n. 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 рекомбинацией , который заставляет мигрирующие электроны n-типа вступать в контакт с мигрирующими дырками p-типа. Продуктом этого процесса являются заряженные ионы , которые образуют электрическое поле . [1] [4]

Возбужденные электроны [ править ]

Разница в электрическом потенциале на полупроводниковом материале вынудила бы его выйти из теплового равновесия 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, количество дырок и электронов изменяется. Такие сбои могут происходить из-за разницы температур или фотонов , которые могут проникать в систему и создавать электроны и дырки. Процесс, который создает и уничтожает электроны и дырки, называется генерацией и рекомбинацией соответственно. [4]

Световое излучение [ править ]

В некоторых полупроводниках возбужденные электроны могут релаксировать, излучая свет вместо выделения тепла. [5] Эти полупроводники используются в конструкции светодиодов и флуоресцентных квантовых точек .

Высокая теплопроводность [ править ]

Полупроводники с высокой теплопроводностью могут использоваться для отвода тепла и улучшения терморегулирования электроники. [6]

Преобразование тепловой энергии [ править ]

Полупроводники имеют большие термоэлектрические коэффициенты мощности, что делает их полезными в термоэлектрических генераторах , а также высокие термоэлектрические показатели качества, делающие их полезными в термоэлектрических охладителях . [7]

Материалы [ править ]

Кристаллы кремния - наиболее распространенные полупроводниковые материалы, используемые в микроэлектронике и фотовольтаике .

Большое количество элементов и соединений обладают полупроводниковыми свойствами, в том числе: [8]

  • Некоторые чистые элементы находятся в группе 14 в периодической таблице ; наиболее коммерчески важными из этих элементов являются кремний и германий . Кремний и германий используются здесь эффективно, потому что у них есть 4 валентных электрона в их внешней оболочке, что дает им возможность приобретать или терять электроны одинаково одновременно.
  • Бинарные соединения , особенно между элементами в группах 13 и 15, такими как арсенид галлия , группы 12 и 16, группы 14 и 16, и между различными элементами группы 14, например карбид кремния .
  • Некоторые тройные соединения, оксиды и сплавы.
  • Органические полупроводники из органических соединений .

Наиболее распространенными полупроводниковыми материалами являются твердые кристаллические вещества, но известны также аморфные и жидкие полупроводники. К ним относятся гидрогенизированный 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 . В таких неупорядоченных материалах отсутствует жесткая кристаллическая структура обычных полупроводников, таких как кремний. Они обычно используются в тонкой пленке конструкции, не требующие материалов более высокого электронного качества, относительно нечувствительные к загрязнениям и радиационным повреждениям.

Подготовка полупроводниковых материалов [ править ]

Почти все современные электронные технологии включают использование полупроводников, наиболее важным аспектом которых являются интегральные схемы (ИС), которые используются в ноутбуках , сканерах, сотовых телефонах и т. Д. Полупроводники для ИС производятся серийно. Для создания идеального полупроводникового материала первостепенное значение имеет химическая чистота. Любой небольшой дефект может сильно повлиять на поведение полупроводникового материала из-за масштаба, в котором используются материалы. [4]

Также требуется высокая степень кристаллического совершенства, поскольку дефекты кристаллической структуры (такие как дислокации , двойники и дефекты упаковки ) влияют на полупроводниковые свойства материала. Кристаллические дефекты являются основной причиной неисправных полупроводниковых устройств. Чем больше кристалл, тем труднее достичь необходимого совершенства. В современных процессах массового производства используются кристаллические слитки диаметром от 100 до 300 мм (от 3,9 до 11,8 дюйма), которые выращиваются в виде цилиндров и нарезаются на пластины .

Существует комбинация процессов, которые используются для изготовления полупроводниковых материалов для ИС. Один процесс называется термическим окислением , при котором на поверхности кремния образуется диоксид кремния . Он используется как изолятор затвора и оксид поля . Другие процессы называются фотошаблонами и фотолитографией . Этот процесс - то, что создает узоры на схеме в интегральной схеме. Ультрафиолетовый свет используется вместе со слоем фоторезиста для создания химического изменения, которое генерирует образцы для схемы. [4]

Следующим необходимым процессом является травление. 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 в себя травильный газ, закачиваемый в камеру низкого давления для создания плазмы . Обычным травильным газом является хлорфторуглерод или более известный фреон . Высокое высокочастотное напряжение между катодом и анодом создает плазму в камере. Кремниевая пластинарасположен на катоде, что заставляет его попадать положительно заряженные ионы, которые высвобождаются из плазмы. Конечным результатом является анизотропное травление кремния . [1] [4]

Последний процесс называется диффузией . Это процесс, который придает полупроводниковому материалу желаемые полупроводниковые свойства. Он также известен как допинг . Процесс вводит в систему нечистый атом, который создает pn-переход . Чтобы нечистые атомы внедрились 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] [4]

Физика полупроводников [ править ]

Энергетические полосы и электрическая проводимость [ править ]

Заполнение электронных состояний в различных типах материалов при равновесии . Здесь высота - это энергия, а ширина - это плотность доступных состояний для определенной энергии в указанном материале. Оттенок соответствует распределению Ферми – Дирака ( черный = все состояния заполнены, белый = состояния не заполнены). В металлах и полуметаллах на уровень Ферми Е F лежит внутри по меньшей мере одной полосы. В изоляторах и полупроводниках уровень Ферми находится внутри запрещенной зоны ; однако в полупроводниках зоны достаточно близки к уровню Ферми, чтобы их можно было считатьтермически заполнены электронами или дырками .

Полупроводники характеризуются своим уникальным электропроводящим поведением, которое находится где-то между проводником и изолятором. [9] Различия между этими материалами можно понять с точки зрения квантовых состояний электронов, каждое 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 , а электрон только часть времени. [10]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 если его энергия близка к уровню Ферми (см. Статистику Ферми – Дирака ).

Высокая проводимость в материале обусловлена ​​наличием множества частично заполненных состояний и значительной делокализацией состояний. Металлы являются хорошими электрическими проводниками и имеют много частично заполненных состояний с энергией, близкой к их уровню Ферми. Изоляторы , напротив, имеют несколько частично заполненных состояний, их уровни Ферми находятся в запрещенных зонах с небольшим количеством энергетических состояний , которые необходимо заполнить . Важно отметить, что изолятор можно сделать проводящим, увеличив его температуру: нагрев обеспечивает энергию для продвижения некоторых электронов через запрещенную зону, вызывая частично заполненные состояния как в зоне состояний под запрещенной зоной ( валентная зона ), так и в зоне состояний над запрещенной зоной. запрещенная зона (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. [11]

Однако чистый полупроводник не очень полезен, поскольку он не является ни очень хорошим изолятором, ни очень хорошим проводником. Тем не менее, одна важная особенностью полупроводников (и некоторые изоляторы, известный как пол-изоляторы ) является то , что их проводимость может быть увеличена и под контроль легирования примесей и стробирования с электрическими полями. Допирование и стробирование перемещают зону проводимости или валентную зону намного ближе к уровню Ферми и значительно увеличивают количество частично заполненных состояний.

Некоторые полупроводниковые материалы с 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 . [12] Некоторые материалы, такие как диоксид 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) [ править ]

Частичное заполнение состояний на дне зоны проводимости можно понимать как добавление электронов к этой зоне. Электроны не остаются бесконечно (из-за естественной тепловой рекомбинации ), но они могут перемещаться в течение некоторого времени. Фактическая концентрация электронов, как правило, 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 запрета 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 и в вакууме, хотя и с другой эффективной массой . [11] Поскольку электроны ведут себя как идеальный газ, можно также думать о проводимости в очень упрощенных терминах, таких как модель Друде , и вводить такие понятия, как подвижность электронов .

Для частичного заполнения в верхней части валентной зоны полезно ввести понятие электронной дырки . Хотя электроны в валентной зоне всегда движутся, полная валентная зона инертна, не проводя никакого тока. Если электрон выводится 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 картину полностью пустой зоны, содержащей положительно заряженную частицу, которая движется так же, как электрон. В сочетании с негативомЭффективная 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. [11] 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 [ править ]

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 за счет тепловой энергии при отсутствии какого-либо внешнего источника энергии.

Электронно-дырочные пары также склонны к рекомбинации. Сохранение энергии требует, чтобы эти процессы рекомбинации, в которых электрон теряет энергию, превышающую ширину запрещенной зоны , сопровождались испусканием тепловой энергии (в форме фононов ) или излучения (в форме фотонов ).

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

Поскольку вероятность того, что электроны и дырки встретятся вместе, пропорциональна произведению их чисел, 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 большее количество из них, чтобы встретиться вместе) или генерацию пар, управляемую извне. Произведение является функцией температуры, так как 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 это запрещенная зона.

Вероятность встречи увеличивается из-за ловушек носителей - примесей или дислокаций, которые могут захватывать электрон или дырку и удерживать их, пока пара не будет сформирована. Такие ловушки носителей иногда добавляют специально, чтобы сократить время, необходимое для достижения установившегося состояния. [13]

Допинг [ править ]

Проводимость полупроводников можно легко изменить, введя примеси в их кристаллическую решетку . Процесс добавления контролируемых примесей в полупроводник известен как « легирование» . Количество примеси или легирующей примеси, добавленной к собственному (чистому) полупроводнику, изменяет его уровень проводимости. Легированные полупроводники называют внешними . Добавляя примеси к чистым полупроводникам, электрическая проводимость может изменяться в тысячи или миллионы раз.

Образец металла или полупроводника объемом 1 см 3 содержит порядка 10 22 атомов. В металле каждый атом отдает по крайней мере один свободный электрон для проводимости, таким образом, 1 см 3 металла содержит порядка 10 22 свободных электронов, тогда как 1 см 3 образца чистого германия при 20 ° C содержит около4,2 × 10 22 атомов, но только2,5 × 10 13 свободных электронов и2,5 × 10 13 отв. Добавление 0,001% мышьяка (примеси) дает дополнительные 10 17 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 добавки, которые вызывают 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 p указывают, какой носитель заряда действует как основной носитель материала . Противоположный носитель называется неосновным носителем , который существует из-за теплового возбуждения при гораздо более низкой концентрации по сравнению с основным носителем.

Например, чистый полупроводниковый кремний имеет четыре валентных электрона, которые связывают каждый атом 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 акцепторный атом заменяет атом кремния 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; замена этих атомов кремнием создает дополнительный свободный электрон. Следовательно, кристалл кремния, легированный бором, создает полупроводник p-типа, тогда как кристалл, легированный боромфосфор дает материал n-типа.

Во время производства легирующие добавки могут диффундировать в тело полупроводника путем контакта с газообразными соединениями желаемого элемента, или может использоваться ионная имплантация для точного позиционирования легированных областей.

Аморфные полупроводники [ править ]

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. [14] [15]

Ранняя история полупроводников [ править ]

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

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

Томас Иоганн Зеебек был первым, кто заметил эффект, связанный с полупроводниками, в 1821 году. [16] В 1833 году Майкл Фарадей сообщил, что сопротивление образцов сульфида серебра уменьшается 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, о фотоэлектрическом эффекте . В 1873 году Уиллоуби Смит заметил, что селеновые резисторы демонстрируют уменьшающееся сопротивление, когда на них падает свет. В 1874 году Карл Фердинанд Брауннаблюдали проводимость и выпрямление в металлических сульфидах , хотя этот эффект был обнаружен намного раньше Питером Мунком из Розеншольда ( sv ), написавшим для Annalen der Physik und Chemie в 1835 году [17], и Артур Шустер обнаружил, что слой оксида меди на проводах имеет ректификационные свойства, которые исчезают при чистке проводов. Уильям Гриллс Адамс и Ричард Эванс Дэй наблюдали фотоэлектрический эффект в селене в 1876 году [18].

Единое объяснение этих явлений потребовало теории физики твердого тела , которая получила большое развитие в первой половине 20 века. В 1878 году Эдвин Герберт Холл продемонстрировал отклонение текущих носителей заряда под действием приложенного магнитного поля - эффект Холла . Открытие электрона от Томсон в 1897 году побудило теорию электронов на основе 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, такие как металлы, изоляторы и «переменные проводники» в 1914 году, хотя его ученик Йозеф Вайс уже ввел термин Halbleiter (полупроводник в современном понимании) в своей докторской диссертации. докторскую диссертацию в 1910 году. [19] [20] 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 году зонная теория проводимости была создана Аланом Херрисом Вильсоном, и была разработана концепция запрещенной зоны.Уолтер Х. Шоттки и Невилл Фрэнсис Мотт разработали модели потенциального барьера и характеристик перехода металл – полупроводник . К 1938 году Борис Давыдов разработал теорию выпрямителя на основе оксида меди, определив влияние p − n-перехода и важность неосновных носителей заряда и поверхностных состояний. [17]

Согласие между теоретическими предсказаниями (основанными на развивающейся квантовой механике) и экспериментальными результатами иногда было плохим. Позже Джон Бардин объяснил это чрезвычайно «структурно-чувствительным» поведением полупроводников, свойства которых резко меняются из-за крошечных количеств примесей. [17] 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 частей на триллион.

Устройства, использующие полупроводники, сначала создавались на основе эмпирических знаний, прежде чем теория полупроводников стала руководством для создания более эффективных и надежных устройств.

Александр Грэм Белл использовал светочувствительное свойство селена для передачи звука через луч света в 1880 году. Работающий солнечный элемент с низкой эффективностью был сконструирован Чарльзом Фриттсом в 1883 году с использованием металлической пластины, покрытой селеном, и тонкого слоя. из золота; коммерческое использование устройства в фотографических люксметрах началось в 1930-х годах. [17] Точечные выпрямители с микроволновыми детекторами из сульфида свинца были использованы Джагадиш Чандра Бозе в 1904 году; в кошачьих усах детектор с использованием природного галенит или других материалов стали обычным устройством в развитии радио. Тем не менее, это было несколько непредсказуемо в работе и требовало ручной настройки для лучшей работы. В 1906 году Х.Дж. Раунд наблюдал излучение света при прохождении электрического тока через кристаллы карбида кремния , принцип, лежащий в основе светоизлучающего диода . Олег Лосев наблюдал подобное световое излучение 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 ламповым выпрямителям. [18] [17]

Первые полупроводниковые приборы используются галенит , в том числе немецкого физика Фердинанда Браун кристаллического детектора в 1874 году и бенгальского физиком Джагадиш Чандра Бозе радио кристаллического детектора в 1901. [21] [22]

В годы, предшествовавшие Второй мировой войне, инфракрасные устройства обнаружения и связи стимулировали исследования материалов, содержащих сульфид свинца и селенид свинца. Эти устройства использовались для обнаружения кораблей и самолетов, для инфракрасных дальномеров и систем голосовой связи. Точечный кристаллический детектор стал жизненно важным для микроволновых систем радиосвязи, поскольку доступные устройства на электронных лампах не могли служить в качестве детекторов на частотах выше примерно 4000 МГц; передовые радиолокационные системы полагались на быстрый отклик кристаллических детекторов. Во время войны были проведены значительные исследования и разработки кремниевых материалов для разработки детекторов неизменно высокого качества. [17]

Ранние транзисторы [ править ]

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

Детектор и выпрямители мощности не могут усилить сигнал. Было приложено много усилий для разработки твердотельного усилителя, и они были успешными в разработке устройства, называемого точечным транзистором, которое могло усиливать 20 дБ или более. [23] В 1922 году Олег Лосев разработал двухполюсные усилители с отрицательным сопротивлением для радио, но после успешного завершения погиб во время блокады Ленинграда . В 1926 году Юлиус Эдгар Лилиенфельд запатентовал устройство, напоминающее полевой транзистор., но это было непрактично. Р. Хилш и Р. В. Поль в 1938 году продемонстрировали твердотельный усилитель, использующий структуру, напоминающую управляющую сетку вакуумной лампы; Хотя устройство показало прирост мощности, его частота среза составляла один цикл в секунду, что слишком мало для каких-либо практических приложений, но является эффективным применением доступной теории. [17] На Bell Labs , Уильям Шокли и А. Холден начал исследовать твердотельные усилители в 1938 году Первый р-п переход в кремнии наблюдалось Рассел Ohlпримерно 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.

Первым работающим транзистором был точечный транзистор, изобретенный Джоном Бардином , Уолтером Хаузером Браттейном и Уильямом Шокли в Bell Labs в 1947 году. Шокли ранее теоретизировал полевой усилитель, сделанный из германия и кремния, но ему не удалось построить такой рабочий. устройство, прежде чем в конечном итоге использовать германий для изобретения точечного транзистора. [24] 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 физико-химик Моррис Таненбаум изготовил первый кремниевый транзистор в Bell Labs . [25] Однако первые переходные транзисторы были относительно громоздкими устройствами, которые было трудно производить в серийном производстве , что ограничивало их ряд специализированных приложений. [26]

Германий и кремниевые полупроводники [ править ]

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

Первым кремниевым полупроводниковым устройством был кремниевый радиокристаллический детектор, разработанный американским инженером Гринлифом Уиттиером Пикардом в 1906 году. [22] В 1940 году Рассел Ол обнаружил pn-переход и фотоэлектрические эффекты в кремнии. В 1941 году во время Второй мировой войны были разработаны методы производства кристаллов германия и кремния высокой чистоты для радиолокационных микроволновых детекторов . [21] В 1955 году Карл Фрош и Линкольн Дерик из Bell Labs случайно обнаружили, что диоксид кремния (SiO 2) можно было выращивать на кремнии [27], и позже они предположили, что это может маскировать кремниевые поверхности во время диффузионных процессов в 1958 году [28].

В первые годы полупроводниковой промышленности , вплоть до конца 1950-х годов, германий был доминирующим полупроводниковым материалом для транзисторов и других полупроводниковых устройств, а не кремний. Первоначально германий считался более эффективным полупроводниковым материалом, так как он мог продемонстрировать лучшие характеристики из-за более высокой подвижности носителей . [29] [30] Относительная неэффективность ранних кремниевых полупроводников была связана с тем, что электрическая проводимость ограничивалась нестабильными квантовыми поверхностными состояниями , [31] где электроны захватываются на поверхности из-за оборванных связей , возникающих из-заненасыщенные связи присутствуют на поверхности. [32] Это препятствовало тому, чтобы электричество надежно проникало через поверхность и достигало слоя полупроводящего кремния. [33] [34]

Прорыв в кремниевой полупроводниковой технологии , пришел с работы египетского инженера Mohamed Atalla , который разработал процесс пассивации поверхности путем термического окисления в Bell Labs в конце 1950 - х годов. [32] [35] [30] Он обнаружил, что образование термически выращенного слоя диоксида кремния значительно снижает концентрацию электронных состояний на поверхности кремния, [35] и что слои оксида кремния могут использоваться для электрической стабилизации кремниевых поверхностей. [36] Аталла впервые опубликовал свои открытия в записках Белла в 1957 году, а затем продемонстрировал их в 1958 году. [37] [38]Это была первая демонстрация, показывающая, что высококачественные пленки диоксида кремния можно выращивать термически на поверхности кремния для защиты находящихся под ними кремниевых диодов и транзисторов с pn-переходом . [28] 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. [30] [31] Процесс пассивации поверхности Аталлы считается наиболее важным достижением в технологии кремниевых полупроводников, открывающим путь для массового производства кремниевых полупроводниковых устройств. [39]К середине 1960-х процесс Аталлы для окисленных кремниевых поверхностей использовался для изготовления практически всех интегральных схем и кремниевых устройств. [40]

MOSFET (МОП-транзистор) [ править ]

МОП - транзистор (МОП - транзистор) был изобретен Mohamed Atalla и Давоном Кангом в 1959 году.

В конце 1950-х годов Мохамед Аталла использовал свои методы пассивации поверхности и термического окисления для разработки процесса металл-оксид-полупроводник (МОП), который, как он предположил, можно было использовать для создания первого работающего кремниевого полевого транзистора. [33] [34] Это привело к изобретению MOSFET ( полевого МОП-транзистора) Мохамедом Аталлой и Давоном Кангом в 1959 году. [41] [37] Это был первый по-настоящему компактный транзистор, который можно было миниатюризировать и увеличивать в массе. производится для широкого спектра применений, [26] Благодаря масштабируемости , [42]и гораздо более низкое энергопотребление и более высокая плотность, чем транзисторы с биполярным переходом , [43] MOSFET стал наиболее распространенным типом транзисторов в компьютерах, электронике [34] и коммуникационных технологиях, таких как смартфоны . [44] Управление по патентам и товарным знакам США называет MOSFET «революционным изобретением, которое изменило жизнь и культуру во всем мире». [44]

Процесс CMOS (дополнительный МОП) был разработан Чих-Тан Сахом и Фрэнком Ванлассом в Fairchild Semiconductor в 1963 году. [45] Первый отчет о МОП-транзисторе с плавающим затвором был сделан Давоном Кангом и Саймоном Сзе в 1967 году. [46] FinFET (плавниковый полевой транзистор), тип трехмерного полевого МОП - транзистора с несколькими затворами , был разработан Дай Хисамото и его командой исследователей из Центральной исследовательской лаборатории Hitachi в 1989 году. [47] [48]

См. Также [ править ]

  • Deathnium
  • Изготовление полупроводниковых приборов
  • Полупроводниковая промышленность
  • Методы определения характеристик полупроводников
  • Количество транзисторов

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d Фейнман, Ричард (1963). Лекции Фейнмана по физике . Основные книги.
  2. ^ «2.4.7.9 Эксперимент с« горячим зондом »» . ecee.colorado.edu . Проверено 27 ноября 2020 года .
  3. ^ Шокли, Уильям (1950). Электроны и дырки в полупроводниках: с приложениями к транзисторной электронике . RE Krieger Pub. Co. ISBN 978-0-88275-382-9.
  4. ^ Б с д е е г Neamen, Дональд. "Физика полупроводников и приборы" (PDF) . Элизабет А. Джонс.
  5. Абдул Аль-Аззави. « Свет и оптика: принципы и практика ». 2007. 4 марта 2016 года.
  6. ^ 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 : 2018Sci ... 361..575K . DOI : 10.1126 / science.aat5522 . PMID 29976798 . 
  7. ^ "Как работают термоэлектрические охладители (ТЕС)?" . marlow.com . Проверено 7 мая 2016 .
  8. ^ Б. Якоби, полупроводниковые материалы: Введение Основных принципов , Springer 2003 ISBN 0-306-47361-5 ., Стр 1-3 
  9. ^ Ю, Питер (2010). Основы полупроводников . Берлин: Springer-Verlag. ISBN 978-3-642-00709-5.
  10. ^ Как и в формуле Мотта для проводимости, см. Cutler, M .; Мотт, Н. (1969). «Наблюдение локализации Андерсона в электронном газе». Физический обзор . 181 (3): 1336. Полномочный код : 1969PhRv..181.1336C . DOI : 10.1103 / PhysRev.181.1336 .
  11. ^ a b c Чарльз Киттель (1995) Введение в физику твердого тела , 7-е изд. Wiley, ISBN 0-471-11181-3 . 
  12. ^ JW Аллен (1960). «Арсенид галлия как полуизолятор». Природа . 187 (4735): 403–05. Bibcode : 1960Natur.187..403A . DOI : 10.1038 / 187403b0 . S2CID 4183332 . 
  13. ^ Луис Нашелски, Роберт L.Boylestad. Электронные устройства и теория схем (9-е изд.). Индия: Prentice-Hall of India Private Limited. С. 7–10. ISBN 978-81-203-2967-6.
  14. ^ Аморфные полупроводники 1968
  15. ^ Корпуса, K .; Макмиллан, П. У. (22 мая 1972 г.). «Аморфные полупроводники: обзор современных теорий». Журнал физики D: Прикладная физика . 5 (5): 865–82. DOI : 10.1088 / 0022-3727 / 5/5/205 .
  16. ^ "Kirj.ee" (PDF) .
  17. ^ a b c d e f g Моррис, Питер Робин (22 июля 1990 г.). История мировой полупроводниковой промышленности . ИЭПП. ISBN 9780863412271 - через Google Книги.
  18. ^ a b Лидия Лукасяк и Анджей Якубовски (январь 2010 г.). «История полупроводников» (PDF) . Журнал телекоммуникаций и информационных технологий : 3.
  19. Перейти ↑ Busch, G (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 . DOI : 10.1088 / 0143-0807 / 10/4/002 .
  20. ^ Überlingen), Джозеф Вайсс (де (22 июля 1910).. "Experimentelle Beiträge Цур Elektronentheorie Aus дем Gebiet дер Thermoelektrizität, инаугурационной-диссертация ... фон J. Weiss, ..." Druck- унд VERLAGS-Gesellschaft - через Google Книги.
  21. ^ a b «Хронология» . Кремниевый двигатель . Музей истории компьютеров . Проверено 22 августа 2019 .
  22. ^ a b "1901: Полупроводниковые выпрямители, запатентованные как детекторы" кошачьих усов " . Кремниевый двигатель . Музей истории компьютеров . Проверено 23 августа 2019 .
  23. ^ Питер Робин Моррис (1990) История мировой полупроводниковой промышленности , IET, ISBN 0-86341-227-0 , стр. 11-25 
  24. ^ «1947: изобретение точечного транзистора» . Кремниевый двигатель . Музей истории компьютеров . Проверено 23 августа 2019 .
  25. ^ «1954: Моррис Таненбаум производит первый кремниевый транзистор в Bell Labs» . Кремниевый двигатель . Музей истории компьютеров . Проверено 23 августа 2019 .
  26. ^ a b Московиц, Сэнфорд Л. (2016). Передовые инновации в материалах: управление глобальными технологиями в 21 веке . Джон Вили и сыновья . п. 168. ISBN 9780470508923.
  27. ^ Бассетт, Росс Нокс (2007). К эпохе цифровых технологий: исследовательские лаборатории, начинающие компании и рост MOS-технологий . Издательство Университета Джона Хопкинса . С. 22–23. ISBN 9780801886393.
  28. ^ a b Саксена, А. (2009). Изобретение интегральных схем: неописуемые важные факты . Международная серия о достижениях в твердотельной электронике и технологиях. World Scientific . С. 96–97. ISBN 9789812814456.
  29. ^ Dabrowski, Ярек; Мюссиг, Ханс-Иоахим (2000). «6.1. Введение» . Поверхности кремния и образование интерфейсов: фундаментальная наука в индустриальном мире . World Scientific . С.  344–46 . ISBN 9789810232863.
  30. ^ a b c Heywang, W .; Зайнингер, KH (2013). «2.2. Ранняя история» . Кремний: эволюция и будущее технологии . Springer Science & Business Media . С. 26–28. ISBN 9783662098974.
  31. ^ a b Фельдман, Леонард С. (2001). «Введение» . Фундаментальные аспекты окисления кремния . Springer Science & Business Media . С. 1–11. ISBN 9783540416821.
  32. ^ a b 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.
  33. ^ a b "Мартин (Джон) М. Аталла" . Национальный зал славы изобретателей . 2009 . Проверено 21 июня 2013 года .
  34. ^ a b c "Давон Канг" . Национальный зал славы изобретателей . Проверено 27 июня 2019 .
  35. ^ a b Черный, Лахлан Э. (2016). Новые взгляды на пассивацию поверхности: понимание границы раздела Si-Al2O3 . Springer . п. 17. ISBN 9783319325217.
  36. ^ Лекюер, Кристоф; Брок, Дэвид С. (2010). Создатели микрочипа: документальная история Fairchild Semiconductor . MIT Press . п. 111. ISBN 9780262294324.
  37. ^ а б Лойек, Бо (2007). История полупроводниковой техники . Springer Science & Business Media . С. 120, 321–23. ISBN 9783540342588.
  38. ^ Бассетт, Росс Нокс (2007). К эпохе цифровых технологий: исследовательские лаборатории, начинающие компании и рост MOS-технологий . Издательство Университета Джона Хопкинса . п. 46. ISBN 9780801886393.
  39. ^ С, Чжи-Tang (октябрь 1988). «Эволюция МОП-транзистора - от концепции до СБИС» (PDF) . Труды IEEE . 76 (10): 1280–1326 [1290]. Bibcode : 1988IEEEP..76.1280S . DOI : 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.
  40. ^ Донован, RP (ноябрь 1966 г.). «Интерфейс оксид-кремний». Пятый ежегодный симпозиум по физике отказов в электронике : 199–231. DOI : 10.1109 / IRPS.1966.362364 .
  41. ^ "1960 Металлооксидный полупроводниковый (МОП) транзистор продемонстрирован" . Кремниевый двигатель . Музей истории компьютеров .
  42. ^ Motoyoshi, М. (2009). «Сквозной кремний (TSV)» (PDF) . Труды IEEE . 97 (1): 43–48. DOI : 10.1109 / JPROC.2008.2007462 . ISSN 0018-9219 . S2CID 29105721 .   
  43. ^ "Транзисторы поддерживают закон Мура" . EETimes . 12 декабря 2018 . Проверено 18 июля 2019 .
  44. ^ a b «Выступление директора Янку на Международной конференции по интеллектуальной собственности 2019 г.» . Ведомство США по патентам и товарным знакам . 10 июня 2019 . Проверено 20 июля 2019 .
  45. ^ «1963: Изобретена дополнительная конфигурация схемы MOS» . Музей истории компьютеров . Дата обращения 6 июля 2019 .
  46. ^ D. Kahng и SM Sze, "Плавающий затвор и его применение в устройствах памяти", The Bell System Technical Journal , vol. 46, нет. 4. 1967, с. 1288–95.
  47. ^ "Получатели премии Эндрю С. Гроув IEEE" . Премия IEEE Эндрю С. Гроув . Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике . Дата обращения 4 июля 2019 .
  48. ^ «Прорывное преимущество для ПЛИС с технологией Tri-Gate» (PDF) . Intel . 2014 . Дата обращения 4 июля 2019 .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • А.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.
  • Зе, Саймон М. (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.
  • Yu, Peter Y .; 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.
  • Г.Б. Абдуллаев, Т.Д. Джафаров, С. Торствейт (переводчик), Диффузия атомов в полупроводниковых структурах, Gordon & Breach Science Pub., 1987 ISBN 978-2-88124-152-9 

Внешние ссылки [ править ]

  • Страница полупроводников Howstuffworks
  • Полупроводниковые концепции в гиперфизике
  • Калькулятор концентрации собственных носителей заряда в кремнии
  • Зал славы Semiconductor OneSource , Глоссарий
  • Принципы полупроводниковых устройств Барта Ван Зегбрука, Университет Колорадо . Интернет-учебник]
  • Серия учебных курсов по электротехнике США
  • NSM-Архив Физические свойства полупроводников.
  • Список производителей полупроводников
  • ABACUS : Введение в полупроводниковые устройства - Герхард Климек и Драгица Василеска, онлайн-ресурс для обучения с инструментами моделирования на nanoHUB
  • Страница "Органические полупроводники"
  • Пакет преподавания и обучения DoITPoMS - «Введение в полупроводники»
  • Виртуальный музей полупроводниковых организаций