półprzewodnikowy

Aby zapoznać się z urządzeniami wykorzystującymi półprzewodniki i ich historią, zobacz Urządzenie półprzewodnikowe . W przypadku innych zastosowań zobacz Semiconductor (ujednoznacznienie) .
Wlewek krzemu monokrystalicznego _
4-fach-NAND-C10.JPG
Produkcja urządzeń półprzewodnikowych


Skalowanie MOSFET ( węzły procesowe )
Przyszłość

Półprzewodnik to materiał, którego przewodność elektryczna mieści się w przedziale między przewodnictwem , takim jak miedź, a izolatorem , takim jak szkło. Jego rezystywność spada wraz ze wzrostem temperatury; metale zachowują się odwrotnie. Jego przewodzące można zmieniać w użyteczny sposób, wprowadzając zanieczyszczenia („ domieszkowanie ”) do struktury krystalicznej . Gdy w tym samym krysztale istnieją dwa różne regiony domieszkowane, złącze półprzewodnikowe jest tworzone. Zachowanie nośników ładunku , do których należą elektrony , jony i dziury elektronowe , na tych złączach jest podstawą działania diod , tranzystorów i większości nowoczesnych urządzeń elektronicznych . Niektóre przykłady półprzewodników to krzem , german , arsenek galu i pierwiastki znajdujące się w pobliżu tzw . . Po krzemie arsenek galu jest drugim najczęściej występującym półprzewodnikiem i jest stosowany w diodach laserowych, ogniwach słonecznych , układach scalonych o częstotliwości mikrofalowej i innych. Krzem jest kluczowym elementem do produkcji większości obwodów elektronicznych.

Urządzenia półprzewodnikowe mogą wykazywać szereg różnych użytecznych właściwości, takich jak łatwiejsze przepuszczanie prądu w jednym kierunku niż w drugim, wykazywanie zmiennej rezystancji oraz wrażliwość na światło lub ciepło. Ponieważ właściwości elektryczne materiału półprzewodnikowego mogą być modyfikowane przez domieszkowanie i zastosowanie pól elektrycznych lub światła, urządzenia wykonane z półprzewodników mogą być używane do wzmacniania, przełączania i konwersji energii .

Przewodnictwo krzemu zwiększa się przez dodanie niewielkiej ilości (rzędu 1 do 10 8 ) atomów pięciowartościowych ( antymon , fosfor lub arsen ) lub trójwartościowych ( bor , gal , ind ). Ten proces jest znany jako domieszkowanie, a powstałe półprzewodniki są znane jako domieszkowane lub zewnętrzne półprzewodniki. Oprócz domieszkowania, przewodność półprzewodnika można poprawić, podnosząc jego temperaturę. Jest to sprzeczne z zachowaniem metalu, w którym przewodnictwo maleje wraz ze wzrostem temperatury.

Współczesne rozumienie właściwości półprzewodników opiera się na fizyce kwantowej w celu wyjaśnienia ruchu nośników ładunku w sieci krystalicznej . Domieszkowanie znacznie zwiększa liczbę nośników ładunku w krysztale. Kiedy domieszkowany półprzewodnik zawiera wolne dziury, nazywa się go „ typu p ”, a gdy zawiera wolne elektrony , jest znany jako „ typu n ”. Materiały półprzewodnikowe stosowane w urządzeniach elektronicznych są domieszkowane w precyzyjnych warunkach, aby kontrolować stężenie i obszary domieszek typu p i n. Pojedyncze urządzenie półprzewodnikowe kryształ może mieć wiele regionów typu p i n; złącza p – n między tymi regionami są odpowiedzialne za użyteczne zachowanie elektroniczne. Za pomocą sondy z gorącym punktem można szybko określić, czy próbka półprzewodnika jest typu p, czy n.

Kilka właściwości materiałów półprzewodnikowych zaobserwowano w połowie XIX i pierwszych dekadach XX wieku. Pierwszym praktycznym zastosowaniem półprzewodników w elektronice było opracowanie w 1904 roku detektora kocich wąsów , prymitywnej diody półprzewodnikowej używanej we wczesnych odbiornikach radiowych . Rozwój fizyki kwantowej doprowadził z kolei do wynalezienia tranzystora w 1947 roku i układu scalonego w 1958 roku.

Nieruchomości

Zmienna przewodność elektryczna

Półprzewodniki w stanie naturalnym są słabymi przewodnikami, ponieważ prąd wymaga przepływu elektronów, a pasma walencyjne półprzewodników są wypełnione, co uniemożliwia całkowity przepływ nowych elektronów. Kilka opracowanych technik pozwala materiałom półprzewodnikowym zachowywać się jak materiały przewodzące, takie jak domieszkowanie lub bramkowanie . Te modyfikacje mają dwa wyniki: typu n i typu p . Odnoszą się one odpowiednio do nadmiaru lub niedoboru elektronów. Zrównoważona liczba elektronów spowodowałaby przepływ prądu przez materiał.

Heterozłącza

Heterozłącza występują, gdy dwa różnie domieszkowane materiały półprzewodnikowe są łączone. Na przykład konfiguracja może składać się z germanu domieszkowanego p i n . Powoduje to wymianę elektronów i dziur między różnymi domieszkowanymi materiałami półprzewodnikowymi. German domieszkowany n miałby nadmiar elektronów, a german domieszkowany p miałby nadmiar dziur. Transfer zachodzi, dopóki równowaga nie zostanie osiągnięta w procesie zwanym rekombinacją , co powoduje, że migrujące elektrony z typu n wchodzą w kontakt z migrującymi dziurami z typu p. Wynikiem tego procesu jest wąski pasek nieruchomych jonów , który powoduje powstanie pola elektrycznego w poprzek złącza.

Wzbudzone elektrony

Różnica potencjałów elektrycznych na materiale półprzewodnikowym spowodowałaby, że opuściłby on równowagę termiczną i stworzyłby sytuację braku równowagi. To wprowadza elektrony i dziury do układu, które oddziałują w procesie zwanym dyfuzją ambipolarną . Ilekroć równowaga termiczna zostaje zakłócona w materiale półprzewodnikowym, zmienia się liczba dziur i elektronów. Takie zakłócenia mogą wystąpić w wyniku różnicy temperatur lub fotonów , które mogą dostać się do układu i wytworzyć elektrony i dziury. Proces, który tworzy i unicestwia elektrony i dziury, nazywa się generowaniem i rekombinacji, odpowiednio.

Emisja światła

W niektórych półprzewodnikach wzbudzone elektrony mogą się relaksować, emitując światło zamiast wytwarzać ciepło. Te półprzewodniki są wykorzystywane do budowy diod elektroluminescencyjnych i fluorescencyjnych kropek kwantowych .

Wysoka przewodność cieplna

Półprzewodniki o wysokiej przewodności cieplnej mogą być wykorzystywane do rozpraszania ciepła i poprawy zarządzania termicznego elektroniki.

Konwersja energii cieplnej

Półprzewodniki mają duże termoelektryczne współczynniki mocy , dzięki czemu są przydatne w generatorach termoelektrycznych , a także wysokie współczynniki termoelektryczne, dzięki czemu są przydatne w termoelektrycznych chłodnicach .

Materiały

Główny artykuł: Lista materiałów półprzewodnikowych
krzemu są najczęściej stosowanymi materiałami półprzewodnikowymi w mikroelektronice i fotowoltaice .

Wiele pierwiastków i związków ma właściwości półprzewodnikowe, w tym:

Najpopularniejszymi materiałami półprzewodnikowymi są krystaliczne ciała stałe, ale znane są również półprzewodniki amorficzne i ciekłe. Należą do nich uwodorniony bezpostaciowy krzem oraz mieszaniny arsenu , selenu i telluru w różnych proporcjach. Związki te mają wspólne z lepiej znanymi półprzewodnikami właściwości pośredniego przewodnictwa i szybkich zmian przewodnictwa wraz z temperaturą, a także okazjonalnie ujemnej rezystancji . Takie nieuporządkowane materiały nie mają sztywnej struktury krystalicznej konwencjonalnych półprzewodników, takich jak krzem. Są one powszechnie stosowane w cienkowarstwowych , które nie wymagają materiału o wyższej jakości elektronicznej, będąc stosunkowo niewrażliwymi na zanieczyszczenia i uszkodzenia radiacyjne.

Przygotowanie materiałów półprzewodnikowych

Prawie cała dzisiejsza technologia elektroniczna wykorzystuje półprzewodniki, z których najważniejszym elementem są układy scalone (IC), które można znaleźć w komputerach stacjonarnych , laptopach , skanerach, telefonach komórkowych i innych urządzeniach elektronicznych. Półprzewodniki do układów scalonych są produkowane masowo. Aby stworzyć idealny materiał półprzewodnikowy, najważniejsza jest czystość chemiczna. Każda niewielka niedoskonałość może mieć drastyczny wpływ na zachowanie materiału półprzewodnikowego ze względu na skalę, w jakiej materiały są używane.

Wymagany jest również wysoki stopień doskonałości krystalicznej, ponieważ wady w strukturze kryształu (takie jak dyslokacje , bliźniaki i błędy układania ) zakłócają właściwości półprzewodnikowe materiału. Wady krystaliczne są główną przyczyną wadliwych urządzeń półprzewodnikowych. Im większy kryształ, tym trudniej osiągnąć niezbędną doskonałość. Obecne procesy produkcji masowej wykorzystują kryształowe wlewki o średnicy od 100 do 300 mm (3,9 do 11,8 cala), hodowane jako cylindry i krojone na płytki .

Istnieje kombinacja procesów, które są wykorzystywane do przygotowania materiałów półprzewodnikowych do układów scalonych. Jednym z procesów jest utlenianie termiczne , w wyniku którego na powierzchni krzemu powstaje dwutlenek krzemu . Jest używany jako izolator bramki i tlenek pola . Inne procesy nazywane są fotomaskami i fotolitografią . Ten proces tworzy wzory na obwodzie w układzie scalonym. Światło ultrafioletowe jest używane wraz z fotorezystem warstwę, aby stworzyć zmianę chemiczną, która generuje wzory dla obwodu.

Wytrawianie jest kolejnym wymaganym procesem. Część krzemu, która nie była pokryta fotorezystu z poprzedniego etapu, można teraz wytrawić. Główny proces zwykle stosowany obecnie nazywa się wytrawianiem plazmowym . Wytrawianie plazmowe zwykle polega na gazu trawiącego do komory niskociśnieniowej w celu wytworzenia plazmy . Częstym gazem wytrawiającym jest chlorofluorowęglowodór lub bardziej znany freon . Wysokie napięcie o częstotliwości radiowej między katodą a anodą jest tym, co tworzy plazmę w komorze. Płytka krzemowa znajduje się na katodzie, co powoduje, że uderzają w nią dodatnio naładowane jony uwalniane z plazmy. Rezultatem jest krzem wytrawiony anizotropowo .

Ostatni proces nazywa się dyfuzją . Jest to proces, który nadaje materiałowi półprzewodnikowemu pożądane właściwości półprzewodnikowe. Nazywa się to również dopingiem . Proces ten wprowadza do układu nieczysty atom, który tworzy złącze p–n . Aby zanieczyszczone atomy zostały osadzone w płytce krzemowej, płytka jest najpierw umieszczana w komorze o temperaturze 1100 stopni Celsjusza. Atomy są wstrzykiwane i ostatecznie dyfundują z krzemem. Po zakończeniu procesu i osiągnięciu przez krzem temperatury pokojowej proces domieszkowania jest zakończony i materiał półprzewodnikowy jest gotowy do zastosowania w układzie scalonym.

Fizyka półprzewodników

Pasma energetyczne i przewodnictwo elektryczne

Główne artykuły: elektronowa struktura pasma oraz oporność i przewodnictwo elektryczne
Wypełnianie stanów elektronowych w różnych typach materiałów w równowadze . Tutaj wysokość to energia, podczas gdy szerokość to gęstość dostępnych stanów dla określonej energii w wymienionym materiale. Odcień jest zgodny z rozkładem Fermiego – Diraca ( czarny : wypełnione wszystkie stany, biały : brak wypełnionych stanów). W metalach i półmetalach poziom Fermiego EF leży w co najmniej jednym paśmie . W izolatorach i półprzewodnikach poziom Fermiego znajduje się w paśmie wzbronionym ; jednak w półprzewodnikach pasma są wystarczająco bliskie poziomowi Fermiego, aby można je było termicznie wypełnić elektronami lub dziurami .

Półprzewodniki są definiowane przez ich unikalne właściwości przewodzenia elektrycznego, gdzieś pomiędzy przewodnictwem a izolatorem. Różnice między tymi materiałami można zrozumieć w kategoriach stanów kwantowych elektronów, z których każdy może zawierać zero lub jeden elektron (zgodnie z zasadą wykluczenia Pauliego ). Stany te są związane z elektronową strukturą pasmową materiału. Przewodnictwo elektryczne powstaje w wyniku obecności elektronów w stanach zdelokalizowanych (przechodząc przez materiał), jednak aby elektrony mogły być przenoszone, stan musi być częściowo wypełniony , zawierający elektron tylko przez część czasu. Jeśli stan jest zawsze zajęty elektronem, to jest on obojętny, blokując przejście innych elektronów przez ten stan. Energie tych stanów kwantowych są krytyczne, ponieważ stan jest częściowo wypełniony tylko wtedy, gdy jego energia jest zbliżona do poziomu Fermiego (patrz statystyki Fermiego – Diraca ).

Wysoka przewodność w materiale wynika z tego, że ma on wiele stanów częściowo wypełnionych i dużą delokalizację stanu. Metale są dobrymi przewodnikami elektrycznymi i mają wiele częściowo wypełnionych stanów o energiach zbliżonych do ich poziomu Fermiego. Z kolei izolatory mają niewiele stanów częściowo wypełnionych, ich poziomy Fermiego mieszczą się w pasmach wzbronionych z kilkoma stanami energetycznymi do zajęcia. Co ważne, izolator można zmusić do przewodzenia, zwiększając jego temperaturę: ogrzewanie dostarcza energię do promowania niektórych elektronów w poprzek pasma wzbronionego, indukując częściowo wypełnione stany zarówno w paśmie stanów poniżej pasma wzbronionego ( pasmo walencyjne ) i pasmo stanów powyżej pasma wzbronionego ( pasmo przewodnictwa ). (Wewnętrzny) półprzewodnik ma pasmo wzbronione, które jest mniejsze niż w przypadku izolatora, aw temperaturze pokojowej znaczna liczba elektronów może zostać pobudzona do przekroczenia pasma wzbronionego.

Czysty półprzewodnik jest jednak mało użyteczny, ponieważ nie jest ani bardzo dobrym izolatorem, ani bardzo dobrym przewodnikiem. Jednak ważną cechą półprzewodników (i niektórych izolatorów, zwanych półizolatorami ) jest to, że ich przewodnictwo można zwiększyć i kontrolować poprzez domieszkowanie zanieczyszczeniami i bramkowanie polami elektrycznymi. Domieszkowanie i bramkowanie przesuwają pasmo przewodnictwa lub walencyjne znacznie bliżej poziomu Fermiego i znacznie zwiększają liczbę stanów częściowo wypełnionych.

Niektóre materiały półprzewodnikowe o szerszym paśmie wzbronionym są czasami nazywane półizolatorami . Niedomieszkowane mają przewodność elektryczną bliższą przewodności elektrycznej izolatorów elektrycznych, jednak można je domieszkować (co czyni je tak samo użytecznymi jak półprzewodniki). Półizolatory znajdują niszowe zastosowania w mikroelektronice, takie jak podłoża dla HEMT . Przykładem popularnego półizolatora jest arsenek galu . Niektóre materiały, takie jak dwutlenek tytanu , mogą być nawet używane jako materiały izolacyjne do niektórych zastosowań, podczas gdy są traktowane jako półprzewodniki szerokoszczelinowe do innych zastosowań.

Nośniki ładunku (elektrony i dziury)

Główny artykuł: dziura elektronowa

Częściowe wypełnienie stanów na dole pasma przewodnictwa można rozumieć jako dodanie elektronów do tego pasma. Elektrony nie pozostają w nieskończoność (ze względu na naturalną rekombinację termiczną ), ale mogą się poruszać przez pewien czas. Rzeczywista koncentracja elektronów jest zazwyczaj bardzo rozrzedzona, więc (w przeciwieństwie do metali) można myśleć o elektronach w paśmie przewodnictwa półprzewodnika jako o rodzaju klasycznego gazu doskonałego, w którym elektrony krążą swobodnie, nie podlegając zasada wykluczenia Pauliego . W większości półprzewodników pasma przewodnictwa mają charakter paraboliczny związek dyspersji , a więc te elektrony reagują na siły (pole elektryczne, pole magnetyczne itp.) podobnie jak w próżni, ale z inną masą efektywną . Ponieważ elektrony zachowują się jak gaz doskonały, można również myśleć o przewodzeniu w bardzo uproszczonych kategoriach, takich jak model Drude'a , i wprowadzać takie pojęcia, jak ruchliwość elektronów .

W przypadku częściowego wypełnienia górnej części pasma walencyjnego pomocne jest wprowadzenie pojęcia dziury elektronowej . Chociaż elektrony w paśmie walencyjnym zawsze się poruszają, całkowicie pełne pasmo walencyjne jest obojętne i nie przewodzi prądu. Jeśli elektron zostanie wyjęty z pasma walencyjnego, to trajektoria, którą elektron normalnie by obrał, jest teraz pozbawiona ładunku. Dla celów prądu elektrycznego tę kombinację pełnego pasma walencyjnego bez elektronu można przekształcić w obraz całkowicie pustego pasma zawierającego dodatnio naładowaną cząstkę, która porusza się w taki sam sposób jak elektron. W połączeniu z ujemna skuteczna masa elektronów na górze pasma walencyjnego, otrzymujemy obraz dodatnio naładowanej cząstki, która reaguje na pola elektryczne i magnetyczne tak, jak normalna dodatnio naładowana cząstka reaguje w próżni, ponownie z pewną dodatnią masą efektywną . Tę cząstkę nazywa się dziurą, a zbiór dziur w paśmie walencyjnym można ponownie rozumieć w prostych kategoriach klasycznych (jak w przypadku elektronów w paśmie przewodnictwa).

Generowanie i rekombinacja nośników

Główny artykuł: Generowanie i rekombinacja nośników

Kiedy promieniowanie jonizujące uderza w półprzewodnik, może wzbudzić elektron z jego poziomu energii iw konsekwencji pozostawić dziurę. Proces ten jest znany jako generowanie par elektron-dziura . Pary elektron-dziura są również stale generowane z energii cieplnej , przy braku jakiegokolwiek zewnętrznego źródła energii.

Pary elektron-dziura są również zdolne do rekombinacji. Zasada zachowania energii wymaga, aby rekombinacji, w której elektron traci energię większą niż pasmo wzbronione , towarzyszyła emisja energii cieplnej (w postaci fononów ) lub promieniowania (w postaci fotonów ).

W niektórych stanach generowanie i rekombinacja par elektron-dziura są w równowadze. Liczba par elektron-dziura w stanie ustalonym w danej temperaturze jest określana przez kwantową mechanikę statystyczną . Precyzyjnymi kwantowo-mechanicznymi generowania i rekombinacji rządzą zasady zachowania energii i pędu .

Ponieważ prawdopodobieństwo spotkania się elektronów i dziur jest proporcjonalne do iloczynu ich liczby, produkt jest w stanie ustalonym prawie stałym w danej temperaturze, pod warunkiem, że nie ma znaczącego pola elektrycznego (które mogłoby „wypłukiwać” nośniki obu typów lub przenieść je z sąsiednich regionów, w których jest ich więcej, aby się spotkały) lub zewnętrznie sterowane generowanie par. Iloczyn jest funkcją temperatury, ponieważ prawdopodobieństwo uzyskania wystarczającej ilości energii cieplnej do wytworzenia pary rośnie wraz z temperaturą i wynosi w przybliżeniu exp (− E G / k T ) , gdzie k jest Stała Boltzmanna , T to temperatura bezwzględna, a E G to pasmo wzbronione.

Prawdopodobieństwo spotkania zwiększają pułapki nośników – zanieczyszczenia lub dyslokacje, które mogą uwięzić elektron lub dziurę i zatrzymać go do momentu skompletowania pary. Takie pułapki nośników są czasami celowo dodawane, aby skrócić czas potrzebny do osiągnięcia stanu ustalonego.

Doping

Główny artykuł: Doping (półprzewodnik)

Przewodnictwo półprzewodników można łatwo modyfikować, wprowadzając zanieczyszczenia do ich sieci krystalicznej . Proces dodawania kontrolowanych zanieczyszczeń do półprzewodnika jest znany jako domieszkowanie . Ilość zanieczyszczeń lub domieszek dodana do samoistnego (czystego) półprzewodnika zmienia jego poziom przewodnictwa. Domieszkowane półprzewodniki są określane jako zewnętrzne . Dodając zanieczyszczenia do czystych półprzewodników, przewodność elektryczna może zmieniać się o współczynniki rzędu tysięcy lub milionów.

  Próbka metalu lub półprzewodnika o objętości 1 cm 3 ma rząd 10 22 atomów. W metalu każdy atom oddaje co najmniej jeden wolny elektron do przewodzenia, tak więc 1 cm 3 metalu zawiera około 10 22 wolnych elektronów, podczas gdy próbka czystego germanu o objętości 1 cm 3 w temperaturze 20 °C zawiera około 4,2 × 10 22 atomów, ale tylko 2,5 × 10 13 wolnych elektronów i 2,5 × 10 13 dziur. Dodatek 0,001 proc arsen (zanieczyszczenie) przekazuje dodatkowe 10 17 wolnych elektronów w tej samej objętości, a przewodność elektryczna wzrasta 10 000 razy.

Materiały wybrane jako odpowiednie domieszki zależą od właściwości atomowych zarówno domieszki, jak i materiału, który ma być domieszkowany. Ogólnie rzecz biorąc, domieszki, które powodują pożądane kontrolowane zmiany, są klasyfikowane jako akceptory lub donory elektronów . Półprzewodniki domieszkowane donorowymi nazywane są typu n , podczas gdy półprzewodniki domieszkowane domieszkami akceptorowymi są znane jako typu p . Oznaczenia typu n i p wskazują, który nośnik ładunku działa jako nośnik większości materiału . Przeciwny przewoźnik nazywa się nośnik mniejszościowy , który istnieje w wyniku wzbudzenia termicznego przy znacznie niższym stężeniu w porównaniu z nośnikiem większościowym.

Na przykład czysty półprzewodnikowy krzem ma cztery elektrony walencyjne, które wiążą każdy atom krzemu z sąsiadami. W krzemie najczęściej występującymi domieszkami są pierwiastki grupy III i grupy V. Wszystkie pierwiastki grupy III zawierają trzy elektrony walencyjne, co powoduje, że działają jako akceptory, gdy są używane do domieszkowania krzemu. Kiedy atom akceptora zastępuje atom krzemu w krysztale, powstaje stan wolny ("dziura elektronowa"), który może poruszać się po sieci i działać jako nośnik ładunku. Pierwiastki z grupy V mają pięć elektronów walencyjnych, co pozwala im działać jako donor; zastąpienie tych atomów krzemu tworzy dodatkowy wolny elektron. Dlatego kryształ krzemu domieszkowany bor tworzy półprzewodnik typu p, podczas gdy półprzewodnik domieszkowany fosforem daje materiał typu n.

Podczas produkcji domieszki mogą być wprowadzane do korpusu półprzewodnika przez kontakt ze związkami gazowymi pożądanego pierwiastka lub można zastosować implantację jonów w celu dokładnego ustawienia domieszkowanych obszarów.

Półprzewodniki amorficzne

Niektóre materiały po szybkim schłodzeniu do szklistego stanu amorficznego mają właściwości półprzewodnikowe. Należą do nich B, Si , Ge, Se i Te, i istnieje wiele teorii, które je wyjaśniają.

Wczesna historia półprzewodników

Zobacz także: Urządzenie półprzewodnikowe § Historia rozwoju urządzeń półprzewodnikowych oraz Kalendarium inżynierii elektrycznej i elektronicznej

Historia zrozumienia półprzewodników zaczyna się od eksperymentów nad właściwościami elektrycznymi materiałów. Właściwości współczynnika czasowo-temperaturowego rezystancji, rektyfikacji i światłoczułości obserwowano od początku XIX wieku.

Karl Ferdinand Braun opracował detektor kryształów , pierwsze urządzenie półprzewodnikowe , w 1874 roku.

Thomas Johann Seebeck jako pierwszy zauważył efekt półprzewodników w 1821 r. W 1833 r. Michael Faraday poinformował, że rezystancja próbek siarczku srebra zmniejsza się po podgrzaniu. Jest to sprzeczne z zachowaniem substancji metalicznych, takich jak miedź. W 1839 roku Alexandre Edmond Becquerel zgłosił obserwację efektu fotowoltaicznego między stałym a ciekłym elektrolitem pod wpływem światła . W 1873 roku Willoughby Smith zauważył, że rezystory selenowe wykazują malejący opór, gdy pada na nie światło. W 1874 roku Karl Ferdinand Braun zaobserwował przewodzenie i rektyfikację siarczków metali , chociaż efekt ten został odkryty znacznie wcześniej przez Petera Muncka af Rosenscholda ( sv ) piszącego dla Annalen der Physik und Chemie w 1835 roku, a Arthur Schuster odkrył, że warstwa tlenku miedzi na przewodach ma właściwości rektyfikacyjne, które ustaje po oczyszczeniu przewodów. William Grylls Adams i Richard Evans Day zaobserwowali efekt fotowoltaiczny w selenie w 1876 roku.

Jednolite wyjaśnienie tych zjawisk wymagało teorii fizyki ciała stałego , która znacznie rozwinęła się w pierwszej połowie XX wieku. W 1878 roku Edwin Herbert Hall zademonstrował odchylenie przepływających nośników ładunku przez przyłożone pole magnetyczne, efekt Halla . Odkrycie elektronu przez JJ Thomsona w 1897 r. zapoczątkowało teorie przewodnictwa elektronowego w ciałach stałych. Karla Baedekera , obserwując efekt Halla ze znakiem odwrotnym do tego w metalach, wysunął teorię, że jodek miedzi ma nośniki ładunku dodatniego. Johan Koenigsberger sklasyfikował materiały stałe, takie jak metale, izolatory i „zmienne przewodniki” w 1914 r., Chociaż jego uczeń Josef Weiss wprowadził już termin Halbleiter (półprzewodnik we współczesnym znaczeniu) w swoim doktoracie. praca magisterska w 1910 r. Feliks Bloch opublikował teorię ruchu elektronów przez sieci atomowe w 1928 r. W 1930 r. B. Gudden stwierdził, że przewodnictwo w półprzewodnikach wynika z niewielkich stężeń zanieczyszczeń. Do 1931 roku Alan Herries Wilson ustanowił pasmową teorię przewodzenia i rozwinęła się koncepcja pasm wzbronionych. Walter H. Schottky i Nevill Francis Mott opracowali modele bariery potencjału i charakterystyk złącza metal-półprzewodnik . Do 1938 roku Boris Dawydow opracował teorię prostownika z tlenku miedzi, identyfikując wpływ złącze p–n oraz znaczenie nośników mniejszościowych i stanów powierzchniowych.

Zgodność między przewidywaniami teoretycznymi (opartymi na rozwoju mechaniki kwantowej) a wynikami eksperymentów była czasami słaba. Zostało to później wyjaśnione przez Johna Bardeena jako spowodowane ekstremalnym zachowaniem półprzewodników „wrażliwych na strukturę”, których właściwości zmieniają się dramatycznie w zależności od niewielkich ilości zanieczyszczeń. Komercyjnie czyste materiały z lat dwudziestych XX wieku, zawierające różne proporcje śladowych zanieczyszczeń, dawały różne wyniki eksperymentalne. To pobudziło rozwój ulepszonych technik rafinacji materiałów, których kulminacją były nowoczesne rafinerie półprzewodników produkujące materiały o czystości części na bilion.

Urządzenia wykorzystujące półprzewodniki były początkowo konstruowane w oparciu o wiedzę empiryczną, zanim teoria półprzewodników dostarczyła wskazówek dotyczących budowy bardziej wydajnych i niezawodnych urządzeń.

Alexander Graham Bell wykorzystał światłoczułe właściwości selenu do przesyłania dźwięku przez wiązkę światła w 1880 r. Działające ogniwo słoneczne o niskiej wydajności zostało skonstruowane przez Charlesa Frittsa w 1883 r. Przy użyciu metalowej płytki pokrytej selenem i cienką warstwą ze złota; urządzenie stało się komercyjnie przydatne w światłomierzach fotograficznych w latach trzydziestych XX wieku. Punktowe prostowniki detektorów mikrofalowych wykonane z siarczku ołowiu były używane przez Jagadish Chandra Bose w 1904 roku; wykrywacz kocich wąsów wykorzystujący naturalną galenę lub inne materiały stał się powszechnym urządzeniem w rozwój radia . Jednak był nieco nieprzewidywalny w działaniu i wymagał ręcznej regulacji w celu uzyskania najlepszej wydajności. W 1906 roku HJ Round zaobserwował emisję światła, gdy prąd elektryczny przepływał przez kryształy węglika krzemu , zasadę stojącą za diodą elektroluminescencyjną . Oleg Losev zaobserwował podobną emisję światła w 1922 roku, ale w tamtym czasie efekt ten nie miał praktycznego zastosowania. Prostowniki mocy, wykorzystujące tlenek miedzi i selen, zostały opracowane w latach dwudziestych XX wieku i stały się ważne komercyjnie jako alternatywa dla lampowych .

Pierwsze urządzenia półprzewodnikowe wykorzystywały galenę , w tym detektor kryształów niemieckiego fizyka Ferdinanda Brauna w 1874 r. I bengalski fizyk Jagadish Chandra Bose w 1901 r.

W latach poprzedzających II wojnę światową urządzenia wykrywające i komunikacyjne w podczerwieni skłoniły do ​​​​badania materiałów siarczku ołowiu i selenku ołowiu. Urządzenia te były używane do wykrywania statków i samolotów, do dalmierzy na podczerwień oraz do systemów komunikacji głosowej. Punktowy detektor kryształów stał się niezbędny w mikrofalowych systemach radiowych, ponieważ dostępne urządzenia lampowe nie mogły służyć jako detektory powyżej około 4000 MHz; zaawansowane systemy radarowe polegały na szybkiej reakcji detektorów kryształów. Podczas wojny przeprowadzono znaczne badania i rozwój materiałów krzemowych w celu opracowania detektorów o stałej jakości.

Wczesne tranzystory

Osobny artykuł: Historia tranzystora
John Bardeen , William Shockley i Walter Brattain opracowali bipolarny tranzystor punktowy w 1947 roku.

Detektor i prostowniki mocy nie mogły wzmocnić sygnału. Podjęto wiele wysiłków w celu opracowania wzmacniacza półprzewodnikowego i udało się opracować urządzenie zwane tranzystorem punktowym , które mogłoby wzmocnić 20 dB lub więcej. W 1922 roku Oleg Losev opracował dwuzaciskowe wzmacniacze o ujemnej rezystancji do radia, ale po pomyślnym ukończeniu zginął podczas oblężenia Leningradu . W 1926 roku Julius Edgar Lilienfeld opatentował urządzenie przypominające tranzystor polowy , ale nie było to praktyczne. R. Hilsch i RW Pohl w 1938 roku zademonstrowali wzmacniacz półprzewodnikowy wykorzystujący strukturę przypominającą siatkę kontrolną lampy próżniowej; chociaż urządzenie wykazywało przyrost mocy, miało częstotliwość odcięcia jednego cyklu na sekundę, zbyt niską do jakichkolwiek praktycznych zastosowań, ale skuteczne zastosowanie dostępnej teorii. W Bell Labs William Shockley i A. Holden rozpoczęli badania nad wzmacniaczami półprzewodnikowymi w 1938 roku. Pierwsze złącze p-n w krzemie zaobserwował Russell Ohl około 1941 r., kiedy stwierdzono, że próbka jest wrażliwa na światło, z ostrą granicą między zanieczyszczeniami typu p na jednym końcu i typu n na drugim. Plasterek wycięty z próbki na granicy p – n wytworzył napięcie pod wpływem światła.

Pierwszym działającym tranzystorem był tranzystor punktowy, wynaleziony przez Johna Bardeena , Waltera Housera Brattaina i Williama Shockleya w Bell Labs w 1947 roku. Shockley wcześniej teoretyzował o wzmacniaczu polowym wykonanym z germanu i krzemu, ale nie udało mu się zbudować takiego działającego urządzenia, zanim ostatecznie użył germanu do wynalezienia tranzystora punktowego. We Francji, w czasie wojny, Herbert Mataré zaobserwowali wzmocnienie między sąsiednimi stykami punktowymi na bazie germanu. Po wojnie grupa Mataré ogłosiła swój wzmacniacz „ Transistron ” wkrótce po tym, jak Bell Labs ogłosił „ tranzystor ”.

W 1954 roku fizykochemik Morris Tanenbaum wyprodukował w Bell Labs pierwszy krzemowy tranzystor złączowy . Jednak wczesne tranzystory złączowe były stosunkowo nieporęcznymi urządzeniami, które były trudne do wyprodukowania na skalę masową , co ograniczało je do wielu specjalistycznych zastosowań.

Zobacz też

Dalsza lektura

Linki zewnętrzne

Pobrane z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Semiconductor&oldid=1138483092 ”