Dispozitiv semiconductor -Semiconductor device

Contururi ale unor dispozitive semiconductoare ambalate

Un dispozitiv semiconductor este o componentă electronică care se bazează pe proprietățile electronice ale unui material semiconductor (în primul rând siliciu , germaniu și arseniură de galiu , precum și semiconductori organici ) pentru funcționarea sa. Conductivitatea sa se află între conductori și izolatori. Dispozitivele semiconductoare au înlocuit tuburile cu vid în majoritatea aplicațiilor. Ei conduc curentul electric în stare solidă , mai degrabă decât ca electroni liberi printr-un vid (de obicei eliberați prin emisie termoionică ) sau ca electroni și ioni liberi printr -un gaz ionizat .

Dispozitivele semiconductoare sunt fabricate atât ca dispozitive discrete unice, cât și ca cipuri de circuit integrat (IC), care constau din două sau mai multe dispozitive - care pot număra de la sute la miliarde - fabricate și interconectate pe o singură placă semiconductoare ( numită și substrat) .

Materialele semiconductoare sunt utile deoarece comportamentul lor poate fi ușor manipulat prin adăugarea deliberată de impurități, cunoscută sub numele de dopaj . Conductivitatea semiconductorului poate fi controlată prin introducerea unui câmp electric sau magnetic, prin expunere la lumină sau căldură, sau prin deformarea mecanică a unei rețele de siliciu monocristalin dopat; astfel, semiconductorii pot face senzori excelenți. Conducția curentului într-un semiconductor are loc datorită electronilor mobili sau „liberi” și a găurilor de electroni , cunoscute în mod colectiv sub numele de purtători de sarcină . Doparea unui semiconductor cu o proporție mică de impuritate atomică, cum ar fi fosfor sau bor , crește foarte mult numărul de electroni liberi sau găuri din semiconductor. Când un semiconductor dopat conține găuri în exces, se numește semiconductor de tip p ( p pentru sarcină electrică pozitivă ); când conține electroni liberi în exces, se numește semiconductor de tip n ( n pentru o sarcină electrică negativă). Majoritatea operatorilor de telefonie mobilă au taxe negative. Fabricarea semiconductorilor controlează cu precizie locația și concentrația dopanților de tip p și n. Conexiunea semiconductorilor de tip n și tip p formează joncțiuni p–n .

Cel mai comun dispozitiv semiconductor din lume este MOSFET ( tranzistor cu efect de câmp metal-oxid-semiconductor ), numit și tranzistor MOS . Începând cu 2013, miliarde de tranzistoare MOS sunt fabricate în fiecare zi. Dispozitivele semiconductoare produse pe an au crescut cu 9,1% în medie din 1978, iar livrările în 2018 sunt estimate pentru prima dată să depășească 1 trilion, ceea ce înseamnă că au fost făcute cu mult peste 7 trilioane până în prezent.

Dioda

O diodă semiconductoare este un dispozitiv realizat de obicei dintr-o singură joncțiune p–n . La joncțiunea unui semiconductor de tip p și de tip n , se formează o regiune de epuizare în care conducerea curentului este inhibată de lipsa purtătorilor de sarcină mobili. Când dispozitivul este polarizat direct (conectat cu partea p la un potențial electric mai mare decât latura n), această regiune de epuizare este diminuată, permițând o conducere semnificativă, în timp ce doar un curent foarte mic poate fi atins atunci când dioda este și astfel regiunea de epuizare s-a extins.

Expunerea unui semiconductor la lumină poate genera perechi electron-gaură , ceea ce crește numărul de purtători liberi și, prin urmare, conductivitatea. Diodele optimizate pentru a profita de acest fenomen sunt cunoscute sub denumirea de fotodiode . Diodele semiconductoare compuse pot produce, de asemenea, lumină, ca în diodele emițătoare de lumină și dioda laser

tranzistor

Tranzistor de joncțiune bipolară

O structură de tranzistor de joncțiune bipolară n–p–n

Tranzistoarele de joncțiune bipolară (BJT) sunt formate din două joncțiuni p–n, fie în configurație n–p–n, fie p–n–p. Mijlocul sau baza , regiunea dintre joncțiuni este de obicei foarte îngustă. Celelalte regiuni și terminalele asociate acestora sunt cunoscute ca emițător și colector . Un curent mic injectat prin joncțiunea dintre bază și emițător modifică proprietățile joncțiunii bază-colector, astfel încât să poată conduce curentul chiar dacă este polarizat invers. Acest lucru creează un curent mult mai mare între colector și emițător, controlat de curentul bază-emițător.

Tranzistor cu efect de câmp

Un alt tip de tranzistor, tranzistorul cu efect de câmp (FET), funcționează pe principiul că conductivitatea semiconductorului poate fi crescută sau scăzută prin prezența unui câmp electric . Un câmp electric poate crește numărul de electroni liberi și găuri într-un semiconductor, modificându-i astfel conductivitatea. Câmpul poate fi aplicat printr-o joncțiune p–n polarizată invers, formând un tranzistor cu efect de câmp de joncțiune ( JFET ) sau printr-un electrod izolat de materialul în vrac printr-un strat de oxid, formând un tranzistor cu efect de câmp metal-oxid-semiconductor ( MOSFET ).

Metal-oxid-semiconductor

Funcționarea unui MOSFET și a curbei sale Id-Vg. La început, când nu este aplicată nicio tensiune de poartă. Nu există electron de inversare în canal, dispozitivul este OPRIT. Pe măsură ce tensiunea de poartă crește, densitatea electronilor de inversare în canal crește, curentul crește și dispozitivul pornește.

Metal -oxid-semiconductor FET (MOSFET, sau tranzistorul MOS), un dispozitiv cu stare solidă , este de departe cel mai utilizat dispozitiv semiconductor pe scară largă în prezent. Reprezintă cel puțin 99,9% din toate tranzistoarele și au fost estimate 13 sextilioane MOSFET-uri fabricate între 1960 și 2018.  

Electrodul de poartă este încărcat pentru a produce un câmp electric care controlează conductivitatea unui „canal” între două terminale, numite sursă și dren . În funcție de tipul de purtător din canal, dispozitivul poate fi un MOSFET cu canal n (pentru electroni) sau un canal p (pentru găuri). Deși MOSFET-ul este numit parțial pentru poarta sa „metală”, în dispozitivele moderne se folosește de obicei polisiliciul .

Materialele dispozitivelor semiconductoare

De departe, siliciul (Si) este cel mai utilizat material în dispozitivele semiconductoare. Combinația sa dintre costul scăzut al materiei prime, procesarea relativ simplă și un interval util de temperatură îl face în prezent cel mai bun compromis dintre diferitele materiale concurente. Siliciul utilizat în fabricarea dispozitivelor semiconductoare este în prezent fabricat în bile care au un diametru suficient de mari pentru a permite producerea de plachete de 300 mm (12 in.) .

Germaniul (Ge) a fost un material semiconductor timpuriu utilizat pe scară largă, dar sensibilitatea sa termică îl face mai puțin util decât siliciul. Astăzi, germaniul este adesea aliat cu siliciu pentru utilizare în dispozitive SiGe de foarte mare viteză; IBM este un producător major de astfel de dispozitive.

Arseniura de galiu (GaAs) este, de asemenea, utilizată pe scară largă în dispozitivele de mare viteză, dar până acum, a fost dificil să se formeze bule cu diametru mare din acest material, limitând diametrul plachetei la dimensiuni semnificativ mai mici decât plăcile de siliciu, făcând astfel producția în masă a dispozitivelor GaAs. mult mai scump decât siliciul.

Alte materiale mai puțin obișnuite sunt, de asemenea, în uz sau în curs de investigare.

Carbura de siliciu (SiC) a găsit o anumită aplicație ca materie primă pentru diodele emițătoare de lumină albastră (LED-uri) și este investigată pentru utilizarea în dispozitive semiconductoare care ar putea rezista la temperaturi și medii de funcționare foarte ridicate cu prezența unor niveluri semnificative de radiații ionizante . Din SiC au fost fabricate și diode IMPATT .

Diferiți compuși de indiu ( arseniura de indiu , antimoniură de indiu și fosfură de indiu ) sunt, de asemenea, utilizați în LED-uri și diodele laser cu stare solidă . Sulfura de seleniu este studiată în fabricarea celulelor solare fotovoltaice .

Cea mai obișnuită utilizare pentru semiconductori organici sunt diodele organice emițătoare de lumină .

Lista dispozitivelor semiconductoare comune

Dispozitive cu două terminale:

Dispozitive cu trei terminale:

Dispozitive cu patru terminale:

Aplicații pentru dispozitive semiconductoare

Toate tipurile de tranzistori pot fi folosite ca elemente de bază ale porților logice , care sunt fundamentale în proiectarea circuitelor digitale . În circuitele digitale, cum ar fi microprocesoarele , tranzistoarele acționează ca întrerupătoare pornit-oprit; în MOSFET , de exemplu, tensiunea aplicată porții determină dacă comutatorul este pornit sau oprit.

Tranzistoarele utilizate pentru circuitele analogice nu acționează ca întrerupătoare pornit-oprit; mai degrabă, ele răspund la o gamă continuă de intrări cu o gamă continuă de ieșiri. Circuitele analogice comune includ amplificatoare și oscilatoare .

Circuitele care interfață sau se traduc între circuite digitale și circuite analogice sunt cunoscute ca circuite cu semnal mixt .

Dispozitivele semiconductoare de putere sunt dispozitive discrete sau circuite integrate destinate aplicațiilor de înaltă tensiune sau de înaltă tensiune. Circuitele integrate de putere combină tehnologia IC cu tehnologia semiconductoarelor de putere, acestea fiind uneori denumite dispozitive de alimentare „inteligente”. Mai multe companii sunt specializate în producția de semiconductori de putere.

Identificatori de componente

Numerele de piesă ale dispozitivelor semiconductoare sunt adesea specifice producătorului. Cu toate acestea, au existat încercări de a crea standarde pentru codurile de tip, iar un subset de dispozitive le urmează. Pentru dispozitivele discrete , de exemplu, există trei standarde: JEDEC JESD370B în Statele Unite, Pro Electron în Europa și Standardele industriale japoneze (JIS).

Istoria dezvoltării dispozitivelor semiconductoare

Detector de mustăți de pisică

Semiconductorii au fost folosiți în domeniul electronicii de ceva timp înainte de inventarea tranzistorului. La începutul secolului al XX-lea, erau destul de comune ca detectoare în radiouri , utilizate într-un dispozitiv numit „mustă de pisică” dezvoltat de Jagadish Chandra Bose și alții. Cu toate acestea, acești detectoare au fost oarecum supărătoare, necesitând operatorului să miște un mic filament de tungsten (muștața) în jurul suprafeței unui cristal de galenă (sulfură de plumb) sau carborundum (carbură de siliciu) până când acesta a început brusc să funcționeze. Apoi, pe o perioadă de câteva ore sau zile, mustața pisicii ar înceta încet să funcționeze și procesul ar trebui repetat. La momentul respectiv, funcționarea lor era complet misterioasă. După introducerea celor mai fiabile și mai amplificate radiouri bazate pe tuburi vid , sistemele de mustăți ale pisicii au dispărut rapid. „Mustața pisicii” este un exemplu primitiv al unui tip special de diodă încă populară astăzi, numită diodă Schottky .

Redresor metalic

Un alt tip timpuriu de dispozitiv semiconductor este redresorul metalic în care semiconductorul este oxid de cupru sau seleniu . Westinghouse Electric (1886) a fost un producător important al acestor redresoare.

Al doilea război mondial

În timpul celui de-al Doilea Război Mondial, cercetarea radar a împins rapid receptoarele radar să funcționeze la frecvențe tot mai înalte , iar receptoarele radio tradiționale cu tuburi nu mai funcționau bine. Introducerea magnetronului cu cavitate din Marea Britanie în Statele Unite în 1940 în timpul Misiunii Tizard a dus la o nevoie presantă de un amplificator practic de înaltă frecvență.

La un capriciu, Russell Ohl de la Bell Laboratories a decis să încerce mustața de pisică . Până în acest moment, nu fuseseră folosite de câțiva ani și nimeni din laboratoare nu avea unul. După ce a căutat unul la un magazin de radio second hand din Manhattan , a descoperit că a funcționat mult mai bine decât sistemele bazate pe tuburi.

Ohl a investigat de ce mustața pisicii a funcționat atât de bine. Și-a petrecut cea mai mare parte a anului 1939 încercând să crească versiuni mai pure ale cristalelor. El a descoperit curând că, cu cristale de calitate superioară, comportamentul lor capricios a dispărut, dar la fel și capacitatea lor de a funcționa ca detector radio. Într-o zi, a descoperit că unul dintre cele mai pure cristale ale sale funcționează bine și avea o crăpătură vizibilă aproape de mijloc. Cu toate acestea, în timp ce se mișca prin cameră încercând să o testeze, detectorul ar funcționa în mod misterios și apoi se va opri din nou. După niște studii, a descoperit că comportamentul era controlat de lumina din cameră – mai multă lumină a cauzat mai multă conductanță în cristal. A invitat alte câteva persoane să vadă acest cristal, iar Walter Brattain și-a dat seama imediat că există un fel de intersecție la crăpătură.

Cercetările ulterioare au clarificat misterul rămas. Cristalul s-a crăpat deoarece fiecare parte conținea cantități foarte puțin diferite de impurități pe care Ohl nu le-a putut îndepărta – aproximativ 0,2%. O parte a cristalului avea impurități care adăugau electroni suplimentari (purtătorii de curent electric) și făceau din acesta un „conductor”. Celălalt avea impurități care doreau să se lege de acești electroni, făcându-l (ceea ce el numea) un „izolator”. Deoarece cele două părți ale cristalului erau în contact una cu cealaltă, electronii puteau fi împinși afară din partea conductivă care avea electroni suplimentari (în curând urmând a fi cunoscut sub numele de emițător) și înlocuiți cu alții noi furnizați (de la o baterie, de exemplu) unde ar curge în porțiunea izolatoare și ar fi colectate de filamentul de mustață (numit colector ) . Cu toate acestea, atunci când tensiunea era inversată, electronii care erau împinși în colector umpleau rapid „găurile” (impuritățile care aveau nevoie de electroni), iar conducția s-ar opri aproape instantaneu. Această joncțiune a celor două cristale (sau părți dintr-un cristal) a creat o diodă în stare solidă, iar conceptul a devenit curând cunoscut sub numele de semiconductor. Mecanismul de acțiune atunci când dioda este oprită are de-a face cu separarea purtătorilor de sarcină în jurul joncțiunii. Aceasta se numește „ regiune de epuizare ”.

Dezvoltarea diodei

Înarmat cu cunoștințele despre modul în care funcționează aceste noi diode, a început un efort viguros pentru a învăța cum să le construim la cerere. Echipele de la Universitatea Purdue , Bell Labs , MIT și Universitatea din Chicago și -au unit forțele pentru a construi cristale mai bune. În decurs de un an, producția de germaniu a fost perfecționată până la punctul în care diode de calitate militară au fost folosite în majoritatea seturilor de radare.

Dezvoltarea tranzistorului

După război, William Shockley a decis să încerce construirea unui dispozitiv semiconductor asemănător unei triode . El și-a asigurat finanțare și spațiu de laborator și a început să lucreze la problema cu Brattain și John Bardeen .

Cheia dezvoltării tranzistorului a fost înțelegerea în continuare a procesului de mobilitate a electronilor într-un semiconductor. S-a realizat că, dacă ar exista o modalitate de a controla fluxul de electroni de la emițător la colectorul acestei diode nou descoperite, ar putea fi construit un amplificator. De exemplu, dacă contactele sunt plasate pe ambele părți ale unui singur tip de cristal, curentul nu va curge între ele prin cristal. Cu toate acestea, dacă un al treilea contact ar putea „injecta” electroni sau găuri în material, curentul ar curge.

De fapt, să faci asta părea a fi foarte dificil. Dacă cristalul ar fi de orice dimensiune rezonabilă, numărul de electroni (sau găuri) necesar pentru a fi injectați ar trebui să fie foarte mare, făcându-l mai puțin util ca amplificator, deoarece ar necesita un curent de injecție mare pentru a începe . Acestea fiind spuse, întreaga idee a diodei cu cristal a fost că cristalul însuși ar putea furniza electroni pe o distanță foarte mică, regiunea de epuizare. Cheia părea să fie să plasați contactele de intrare și de ieșire foarte apropiate unul de celălalt pe suprafața cristalului de ambele părți ale acestei regiuni.

Brattain a început să lucreze la construirea unui astfel de dispozitiv, iar indicii tentante de amplificare au continuat să apară pe măsură ce echipa lucra la problemă. Uneori sistemul ar funcționa, dar apoi nu mai funcționează în mod neașteptat. Într-un caz, un sistem care nu funcționează a început să funcționeze când a fost introdus în apă. Ohl și Brattain au dezvoltat în cele din urmă o nouă ramură a mecanicii cuantice , care a devenit cunoscută sub numele de fizica suprafeței , pentru a explica comportamentul. Electronii din orice bucată de cristal ar migra aproximativ din cauza sarcinilor din apropiere. Electronii din emițători, sau „găurile” din colectoare, s-ar grupa la suprafața cristalului, unde și-ar putea găsi sarcina opusă „plutind în jur” în aer (sau apă). Cu toate acestea, ele ar putea fi împinse departe de suprafață cu aplicarea unei cantități mici de încărcare din orice altă locație de pe cristal. În loc să aibă nevoie de o cantitate mare de electroni injectați, un număr foarte mic în locul potrivit pe cristal ar realiza același lucru.

Înțelegerea lor a rezolvat într-o oarecare măsură problema necesității unei zone de control foarte mici. În loc să fie nevoie de doi semiconductori separați conectați printr-o regiune comună, dar mică, ar servi o singură suprafață mai mare. Cablurile care emiță și colectează electroni ar fi ambele plasate foarte aproape unul de celălalt în partea de sus, cu cablul de control plasat pe baza cristalului. Când curentul trecea prin acest cablu „de bază”, electronii sau găurile erau împinse în afară, peste blocul semiconductorului, și se adunau pe suprafața îndepărtată. Atâta timp cât emițătorul și colectorul au fost foarte apropiați unul de celălalt, acest lucru ar trebui să permită destui electroni sau găuri între ele pentru a permite conducția să înceapă.

Primul tranzistor

O replică stilizată a primului tranzistor

Echipa Bell a făcut multe încercări de a construi un astfel de sistem cu diverse instrumente, dar în general eșuează. Configurațiile, în care contactele erau suficient de apropiate, erau în mod invariabil la fel de fragile precum fuseseră detectoarele de mustăți ale pisicii originale și ar funcționa pentru scurt timp, dacă ar fi fost deloc. În cele din urmă, au avut o descoperire practică. O bucată de folie de aur a fost lipită de marginea unei pane de plastic, iar apoi folia a fost tăiată cu un brici la vârful triunghiului. Rezultatul au fost două contacte de aur foarte apropiate. Când pana a fost împinsă în jos pe suprafața unui cristal și tensiunea a fost aplicată pe cealaltă parte (pe baza cristalului), în prezent a început să curgă de la un contact la altul, deoarece tensiunea de bază a împins electronii departe de bază. spre cealaltă parte lângă contacte. Tranzistorul cu contact punctual fusese inventat.

În timp ce dispozitivul a fost construit cu o săptămână mai devreme, notițele lui Brattain descriu prima demonstrație către superiorii de la Bell Labs în după-amiaza zilei de 23 decembrie 1947, adesea dată ca data de naștere a tranzistorului. Ceea ce este acum cunoscut sub numele de „ tranzistorul de germaniu cu contact punctual p–n–p ” a funcționat ca un amplificator de vorbire cu un câștig de putere de 18 în acea încercare. John Bardeen , Walter Houser Brattain și William Bradford Shockley au primit Premiul Nobel pentru fizică în 1956 pentru munca lor.

Etimologia cuvântului „tranzistor”

Laboratoarele Bell Telephone aveau nevoie de o denumire generică pentru noua lor invenție: „Trioda semiconductoare”, „Trioda solidă”, „Trioda stărilor de suprafață” [ sic ], „ Trioda de cristal” și „Iotatron” au fost toate considerate, dar „tranzistorul”, inventat de John R. Pierce , a câștigat un vot intern. Motivul denumirii este descris în următorul extras din Memorandumul Tehnic al companiei (28 mai 1948) [26] prin care se face apel la vot:

tranzistor. Aceasta este o combinație prescurtată a cuvintelor „transconductanță” sau „transfer” și „varistor”. Dispozitivul aparține în mod logic familiei varistoarelor și are transconductanța sau impedanța de transfer a unui dispozitiv cu câștig, astfel încât această combinație este descriptivă.

Îmbunătățiri în proiectarea tranzistorului

Shockley a fost supărat de faptul că dispozitivul a fost creditat lui Brattain și Bardeen, despre care credea că l-au construit „la spatele lui” pentru a lua gloria. Lucrurile s-au înrăutățit când avocații Bell Labs au descoperit că unele dintre scrierile lui Shockley despre tranzistor erau suficient de apropiate de cele ale unui brevet anterior din 1925 al lui Julius Edgar Lilienfeld , încât au considerat cel mai bine ca numele său să fie lăsat în afara cererii de brevet.

Shockley a fost supărat și a decis să demonstreze cine era adevăratul creier al operației. Câteva luni mai târziu, a inventat un tip de tranzistor cu joncțiune bipolară complet nou, considerabil mai robust, cu o structură în strat sau „sandwich”, folosit pentru marea majoritate a tuturor tranzistorilor în anii 1960.

Cu problemele de fragilitate rezolvate, problema rămasă era puritatea. Realizarea germaniului cu puritatea necesară s-a dovedit a fi o problemă serioasă și a limitat randamentul tranzistorilor care funcționau de fapt dintr-un anumit lot de material. Sensibilitatea germaniului la temperatură a limitat, de asemenea, utilitatea acestuia. Oamenii de știință au teoretizat că siliciul ar fi mai ușor de fabricat, dar puțini au investigat această posibilitate. Fostul om de știință de la Bell Labs, Gordon K. Teal, a fost primul care a dezvoltat un tranzistor de siliciu funcțional la noua Texas Instruments , oferindu-i un avantaj tehnologic. De la sfârșitul anilor 1950, majoritatea tranzistorilor erau pe bază de siliciu. În câțiva ani, produse pe bază de tranzistori, în special radiouri ușor portabile, au apărut pe piață. „ Topirea zonei ”, o tehnică care folosește o bandă de material topit care se deplasează prin cristal, a crescut și mai mult puritatea cristalului.

Semiconductor de oxid de metal

În anii 1950, Mohamed Atalla a investigat proprietățile de suprafață ale semiconductorilor de siliciu la Bell Labs , unde a propus o nouă metodă de fabricare a dispozitivelor semiconductoare , acoperind o placă de siliciu cu un strat izolator de oxid de siliciu , astfel încât electricitatea să poată pătrunde în mod fiabil în siliciul conductor de mai jos. , depășind stările de suprafață care împiedicau energia electrică să ajungă în stratul semiconductor. Aceasta este cunoscută sub denumirea de pasivare de suprafață , o metodă care a devenit critică pentru industria semiconductoarelor , deoarece a făcut posibilă producția în masă de circuite integrate (CI) de siliciu. Bazându-se pe metoda sa de pasivizare a suprafeței, el a dezvoltat procesul de semiconductor cu oxid de metal (MOS), despre care a propus că ar putea fi folosit pentru a construi primul tranzistor cu efect de câmp (FET) de siliciu. A condus la inventarea MOSFET (tranzistorului cu efect de câmp MOS) de către Mohamed Atalla și Dawon Kahng în 1959. Cu scalabilitatea sa și consumul de energie mult mai mic și densitatea mai mare decât tranzistoarele cu joncțiune bipolară , MOSFET-ul a devenit cel mai comun tip de tranzistor. în computere, electronice și tehnologia comunicațiilor , cum ar fi smartphone-urile . Oficiul american de brevete și mărci comerciale numește MOSFET o „invenție revoluționară care a transformat viața și cultura din întreaga lume”.

CMOS ( MOS complementar ) a fost inventat de Chih-Tang Sah și Frank Wanlass la Fairchild Semiconductor în 1963. Primul raport al unui MOSFET cu poartă flotantă a fost realizat de Dawon Kahng și Simon Sze în 1967. FinFET (tranzistor cu efect de câmp cu aripioare), un tip de MOSFET 3D cu mai multe porți , a fost dezvoltat de Digh Hisamoto și echipa sa de cercetători de la Hitachi Central Research Laboratory în 1989.

Vezi si

Referințe