Полупроводниковое устройство — это электронный компонент , функция которого зависит от электронных свойств полупроводникового материала (в первую очередь кремния , германия и арсенида галлия , а также органических полупроводников ). Его проводимость находится между проводниками и изоляторами. Полупроводниковые устройства заменили электронные лампы в большинстве приложений. Они проводят электрический ток в твердом состоянии , а не как свободные электроны в вакууме (обычно высвобождаемые термоэлектронной эмиссией ) или как свободные электроны и ионы через ионизированный газ .
Полупроводниковые устройства производятся как в виде отдельных дискретных устройств , так и в виде микросхем интегральных схем (ИС), которые состоят из двух или более устройств (их может быть от сотен до миллиардов), изготовленных и соединенных между собой на одной полупроводниковой пластине (также называемой подложкой). .
Полупроводниковые материалы полезны, потому что их поведением можно легко манипулировать путем преднамеренного добавления примесей, известного как легирование . Проводимостью полупроводника можно управлять путем введения электрического или магнитного поля, воздействия света или тепла или механической деформации легированной монокристаллической кремниевой сетки; таким образом, из полупроводников можно сделать отличные датчики. Проводимость тока в полупроводнике происходит за счет подвижных или «свободных» электронов и электронных дырок , известных под общим названием носителей заряда . Легирование полупроводника небольшой долей атомных примесей, таких как фосфор или бор , значительно увеличивает количество свободных электронов или дырок внутри полупроводника. Когда легированный полупроводник содержит лишние дырки, его называют полупроводником p-типа ( p для положительного электрического заряда ); когда он содержит избыток свободных электронов, его называют полупроводником n-типа ( n для отрицательного электрического заряда). Большинство мобильных носителей заряда имеют отрицательный заряд. Производство полупроводников точно контролирует расположение и концентрацию примесей p- и n-типа. Соединение полупроводников n-типа и p-типа образует p–n-переходы .
Самым распространенным полупроводниковым устройством в мире является МОП-транзистор ( полевой транзистор металл-оксид-полупроводник ), [1] также называемый МОП- транзистором . По состоянию на 2013 год ежедневно производятся миллиарды МОП-транзисторов. [2] Производство полупроводниковых устройств в год растет в среднем на 9,1% с 1978 года, а поставки в 2018 году, по прогнозам, впервые превысят 1 триллион, [3] это означает, что на сегодняшний день было произведено более 7 триллионов.
Полупроводниковый диод — это устройство, обычно состоящее из одного p–n-перехода . На стыке полупроводников p-типа и n-типа образуется обедненная область , в которой проводимость тока затруднена из-за отсутствия подвижных носителей заряда. Когда устройство смещено в прямом направлении (подключено к p-стороне, имеющей более высокий электрический потенциал , чем n-сторона), эта область истощения уменьшается, обеспечивая значительную проводимость. Напротив, только очень малый ток может быть достигнут, когда диод смещен в обратном направлении (подключен к n-стороне с более низким электрическим потенциалом, чем к p-стороне, и, таким образом, область обеднения расширяется).
Воздействие света на полупроводник может привести к образованию электрон-дырочных пар , что увеличивает количество свободных носителей заряда и, следовательно, проводимость. Диоды, оптимизированные для использования этого явления, известны как фотодиоды . Сложные полупроводниковые диоды также могут излучать свет, например, светодиоды и лазерные диоды.
Транзисторы с биполярным переходом (BJT) состоят из двух p-n-переходов в конфигурации n-p-n или p-n-p. Средняя, или базовая , область между стыками обычно очень узкая. Другие области и связанные с ними клеммы известны как эмиттер и коллектор . Небольшой ток, подаваемый через переход между базой и эмиттером, изменяет свойства перехода база-коллектор, так что он может проводить ток, даже если он смещен в обратном направлении. Это создает гораздо больший ток между коллектором и эмиттером, контролируемый током база-эмиттер.
Другой тип транзистора, полевой транзистор (FET), работает по принципу, согласно которому проводимость полупроводника может увеличиваться или уменьшаться за счет присутствия электрического поля . Электрическое поле может увеличивать количество свободных электронов и дырок в полупроводнике, тем самым изменяя его проводимость. Поле может быть приложено с помощью обратносмещенного p-n-перехода, образующего полевой транзистор с переходом ( JFET ), или электрода, изолированного от объемного материала оксидным слоем, образующего полевой транзистор металл-оксид-полупроводник. ( МОП-транзистор ).
Металлооксидно -полупроводниковый полевой транзистор (МОП-транзистор или МОП -транзистор), твердотельное устройство, на сегодняшний день является наиболее широко используемым полупроводниковым устройством. На его долю приходится не менее 99,9% всех транзисторов, а в период с 1960 по 2018 год было произведено около 13 секстиллионов МОП-транзисторов . [4]
Электрод затвора заряжается, создавая электрическое поле, которое контролирует проводимость «канала» между двумя терминалами, называемыми истоком и стоком . В зависимости от типа носителя в канале устройство может представлять собой n-канальный (для электронов) или p-канальный (для дырок) МОП-транзистор. Хотя МОП-транзистор частично назван в честь своего «металлического» затвора, в современных устройствах вместо него обычно используется поликремний .
На сегодняшний день кремний (Si) является наиболее широко используемым материалом в полупроводниковых устройствах. Сочетание низкой стоимости сырья, относительно простой обработки и удобного температурного диапазона делает его на данный момент лучшим компромиссом среди различных конкурирующих материалов. Кремний, используемый в производстве полупроводниковых приборов, в настоящее время изготавливается в виде булей достаточно большого диаметра, позволяющего производить пластины диаметром 300 мм (12 дюймов) .
Германий (Ge) был широко используемым ранним полупроводниковым материалом, но его термическая чувствительность делает его менее полезным, чем кремний. Сегодня германий часто легируют кремнием для использования в очень быстродействующих SiGe-устройствах; IBM является крупным производителем таких устройств.
Арсенид галлия (GaAs) также широко используется в высокоскоростных устройствах, но до сих пор было трудно сформировать були из этого материала большого диаметра, что ограничивало диаметр пластин до размеров, значительно меньших, чем у кремниевых пластин, что затрудняло массовое производство устройств GaAs. значительно дороже кремния.
Нитрид галлия (GaN) набирает популярность в приложениях высокой мощности, включая силовые микросхемы , светодиоды (светодиоды) и радиочастотные компоненты, благодаря своей высокой прочности и теплопроводности. По сравнению с кремнием, запрещенная зона GaN более чем в 3 раза шире (3,4 эВ) , и он проводит электроны в 1000 раз эффективнее. [5] [6]
Другие, менее распространенные материалы также используются или исследуются.
Карбид кремния (SiC) также набирает популярность в силовых ИС , нашел некоторое применение в качестве сырья для синих светодиодов и исследуется на предмет использования в полупроводниковых устройствах, которые могут выдерживать очень высокие рабочие температуры и среды со значительным уровнем ионизации . радиация . Диоды IMPATT также изготавливаются из SiC.
Различные соединения индия ( арсенид индия , антимонид индия и фосфид индия ) также используются в светодиодах и твердотельных лазерных диодах . Сульфид селена изучается при производстве фотоэлектрических солнечных элементов .
Наиболее распространенным применением органических полупроводников являются органические светодиоды .
Двухполюсные устройства:
Трехполюсные устройства:
Четырехполюсные устройства:
Транзисторы всех типов могут использоваться в качестве строительных блоков логических вентилей , которые имеют основополагающее значение при проектировании цифровых схем . В цифровых схемах, таких как микропроцессоры , транзисторы действуют как двухпозиционные переключатели; например, в MOSFET напряжение , приложенное к затвору, определяет, включен или выключен переключатель .
Транзисторы, используемые в аналоговых схемах, не действуют как двухпозиционные переключатели; скорее, они реагируют на непрерывный диапазон входных данных непрерывным диапазоном выходных данных. Общие аналоговые схемы включают усилители и генераторы .
Схемы, которые взаимодействуют или преобразуют цифровые и аналоговые схемы, известны как схемы со смешанными сигналами .
Силовые полупроводниковые устройства — это дискретные устройства или интегральные схемы, предназначенные для применения в условиях сильного тока или высокого напряжения. Силовые интегральные схемы сочетают в себе технологию ИС и силовую полупроводниковую технологию, их иногда называют «умными» силовыми устройствами. Несколько компаний специализируются на производстве силовых полупроводников.
Номера деталей полупроводниковых приборов часто зависят от производителя. Тем не менее, были попытки создать стандарты для кодов типов, и им последовала часть устройств. Для дискретных устройств , например, существует три стандарта: JEDEC JESD370B в США, Pro Electron в Европе и японские промышленные стандарты (JIS).
Полупроводники использовались в области электроники задолго до изобретения транзистора. Примерно на рубеже 20-го века они были довольно распространены в качестве детекторов в радиоприемниках и использовались в устройстве под названием «кошачий ус», разработанном Джагадишем Чандрой Босом и другими. Однако эти детекторы были несколько неприятными: оператору приходилось перемещать небольшую вольфрамовую нить (ус) вокруг поверхности кристалла галенита (сульфида свинца) или карборунда (карбида кремния) до тех пор, пока он внезапно не начал работать. [7] Затем, в течение нескольких часов или дней, кошачьи усы постепенно переставали работать, и процесс приходилось повторять. В то время их операция была совершенно загадочной. После появления более надежных и усиленных радиоприемников на электронных лампах системы «кошачьих усов» быстро исчезли. «Кошачий ус» — это примитивный пример диода особого типа, популярного и сегодня, называемого диодом Шоттки .
Еще одним ранним типом полупроводниковых устройств является металлический выпрямитель, в котором полупроводником является оксид меди или селена . Westinghouse Electric (1886 г.) была крупным производителем этих выпрямителей.
Во время Второй мировой войны исследования в области радиолокации быстро заставили радиолокационные приемники работать на все более высоких частотах , и традиционные ламповые радиоприемники больше не работали должным образом. Внедрение резонаторного магнетрона из Великобритании в Соединенные Штаты в 1940 году во время миссии Тизард привело к острой необходимости в практичном усилителе высокой частоты. [ нужна цитата ]
По прихоти Рассел Ол из Bell Laboratories решил попробовать кошачьи усы . К этому моменту они уже несколько лет не использовались, и ни у кого в лабораториях их не было. Найдя один из них в магазине подержанных радиоприемников на Манхэттене , он обнаружил, что он работает намного лучше, чем ламповые системы.
Оль исследовал, почему кошачьи усы функционируют так хорошо. Большую часть 1939 года он провел, пытаясь вырастить более чистые версии кристаллов. Вскоре он обнаружил, что с кристаллами более высокого качества их привередливость исчезла, но исчезла и их способность работать в качестве радиодетектора. Однажды он обнаружил, что один из его самых чистых кристаллов, тем не менее, работал хорошо, и у него была четко заметная трещина посередине. Однако, когда он перемещался по комнате, пытаясь проверить его, детектор загадочным образом срабатывал, а затем снова останавливался. После некоторого исследования он обнаружил, что поведение контролируется светом в комнате: чем больше света, тем выше проводимость кристалла. Он пригласил еще нескольких человек посмотреть на этот кристалл, и Уолтер Браттейн сразу понял, что в трещине есть какой-то стык.
Дальнейшие исследования прояснили оставшуюся загадку. Кристалл раскололся, потому что обе стороны содержали очень незначительное разное количество примесей, которые Оль не мог удалить – около 0,2%. На одной стороне кристалла были примеси, которые добавляли дополнительные электроны (переносчики электрического тока) и делали его «проводником». В другом были примеси, которые хотели связываться с этими электронами, делая его (то, что он называл) «изолятором». Поскольку две части кристалла находились в контакте друг с другом, электроны могли быть вытеснены из проводящей стороны, на которой были лишние электроны (вскоре известные как эмиттер ) , и заменены новыми (от батареи, например), где они будут течь в изолирующую часть и собираться нитевидной нитью (называемой коллектором ) . Однако, когда напряжение было изменено на противоположное, электроны, попадающие в коллектор, быстро заполняли «дырки» (примеси, нуждающиеся в электронах), и проводимость прекращалась почти мгновенно. Это соединение двух кристаллов (или частей одного кристалла) создало твердотельный диод, и вскоре эта концепция стала известна как полупроводниковая. Механизм действия при выключенном диоде связан с разделением носителей заряда вокруг перехода. Это называется « область истощения ».
Вооружившись знаниями о том, как работают эти новые диоды, начались энергичные усилия по созданию их по требованию. Команды из Университета Пердью , Bell Labs , Массачусетского технологического института и Чикагского университета объединили усилия для создания более совершенных кристаллов. За год производство германия было усовершенствовано до такой степени, что диоды военного назначения стали использоваться в большинстве радаров.
После войны Уильям Шокли решил попытаться создать полупроводниковый прибор, подобный триоду . Он обеспечил финансирование и лабораторное пространство и начал работать над проблемой с Брэттеном и Джоном Бардином .
Ключом к созданию транзистора стало дальнейшее понимание процесса подвижности электронов в полупроводнике. Было понятно, что если бы существовал какой-то способ контролировать поток электронов от эмиттера к коллектору этого недавно открытого диода, можно было бы построить усилитель. Например, если контакты разместить по обе стороны кристалла одного типа, ток между ними через кристалл не будет течь. Однако, если бы третий контакт мог затем «впрыскивать» электроны или дырки в материал, ток потек бы.
На самом деле сделать это оказалось очень сложно. Если бы кристалл имел разумный размер, количество инжектируемых электронов (или дырок) должно было бы быть очень большим, что делало бы его менее чем полезным в качестве усилителя, поскольку для начала потребовался бы большой ток инжекции. Тем не менее, вся идея кристаллического диода заключалась в том, что сам кристалл мог доставлять электроны на очень небольшое расстояние, в область истощения. Ключевым моментом оказалось размещение входных и выходных контактов очень близко друг к другу на поверхности кристалла по обе стороны от этой области.
Брэттейн начал работать над созданием такого устройства, и по мере того, как команда работала над проблемой, продолжали появляться дразнящие намеки на усиление. Иногда система работала, но потом неожиданно переставала работать. В одном случае нерабочая система начала работать, когда ее поместили в воду. Ол и Браттейн в конечном итоге разработали новую ветвь квантовой механики , которая стала известна как физика поверхности , чтобы объяснить это поведение. Электроны в любой части кристалла будут мигрировать из-за соседних зарядов. Электроны в эмиттерах или «дыры» в коллекторах будут группироваться на поверхности кристалла, где они смогут найти свой противоположный заряд, «плавающий» в воздухе (или воде). Однако их можно было оттолкнуть от поверхности, приложив небольшое количество заряда из любого другого места кристалла. Вместо большого количества инжектированных электронов, очень небольшое их количество в нужном месте кристалла позволит добиться того же самого.
Их понимание в некоторой степени решило проблему необходимости очень маленькой зоны контроля. Вместо двух отдельных полупроводников, соединенных общей, но крошечной областью, можно использовать одну большую поверхность. Выводы, испускающие и собирающие электроны, будут расположены очень близко друг к другу сверху, а управляющий вывод — у основания кристалла. Когда ток протекал через этот «базовый» вывод, электроны или дырки выталкивались через блок полупроводника и собирались на дальней поверхности. Пока эмиттер и коллектор расположены очень близко друг к другу, между ними должно оставаться достаточное количество электронов или дырок, чтобы началась проводимость.
Команда Bell предприняла множество попыток создать такую систему с помощью различных инструментов, но в целом они потерпели неудачу. Установки, в которых контакты располагались достаточно близко, всегда были такими же хрупкими, как и оригинальные детекторы из кошачьих усов, и срабатывали недолго, если вообще работали. В конце концов, они совершили практический прорыв. К краю пластикового клина приклеивали кусок золотой фольги, а затем бритвой фольгу надрезали на кончике треугольника. В результате получились два очень близко расположенных контакта золота. Когда клин прижали к поверхности кристалла и приложили напряжение к другой стороне (на основании кристалла), ток начал течь от одного контакта к другому, поскольку напряжение базы отталкивало электроны от базы. в другую сторону возле контактов. Был изобретен точечный транзистор.
Хотя устройство было сконструировано неделей ранее, в заметках Брэттена описывается первая демонстрация вышестоящему начальству в Bell Labs во второй половине дня 23 декабря 1947 года, которую часто называют датой рождения транзистора. То, что сейчас известно как « германиевый транзистор с точечным контактом p–n–p », в этом испытании работало как усилитель речи с коэффициентом усиления 18. Джон Бардин , Уолтер Хаузер Браттейн и Уильям Брэдфорд Шокли были удостоены Нобелевской премии по физике 1956 года за свою работу.
Bell Telephone Laboratories требовалось общее название для своего нового изобретения: «Полупроводниковый триод», «Твердотельный триод», «Триод поверхностных состояний» [ sic ], «Кристаллический триод» и «Иотатрон» - все они рассматривались, но «транзистор», придуманный Джон Р. Пирс выиграл внутреннее голосование. Обоснование названия описано в следующем отрывке из Технического меморандума компании (28 мая 1948 г.) [26], призывающего к голосованию:
Транзистор. Это сокращенное сочетание слов «крутизна» или «перенос» и «варистор». Устройство логически принадлежит к семейству варисторов и имеет крутизну или передаточное сопротивление устройства с коэффициентом усиления, так что эта комбинация носит описательный характер.
Шокли был расстроен тем, что устройство приписывают Брэттену и Бардину, которые, по его мнению, построили его «за его спиной», чтобы завоевать славу. Ситуация ухудшилась, когда юристы Bell Labs обнаружили, что некоторые из собственных работ Шокли о транзисторе были достаточно близки к более раннему патенту 1925 года Юлиуса Эдгара Лилиенфельда , и они сочли лучшим, чтобы его имя было исключено из патентной заявки.
Шокли был разгневан и решил продемонстрировать, кто на самом деле был мозгом операции. [ нужна цитата ] Несколько месяцев спустя он изобрел совершенно новый, значительно более надежный транзистор с биполярным переходом со слоистой или «сэндвичевой» структурой, который использовался для подавляющего большинства всех транзисторов в 1960-х годах.
Когда проблемы хрупкости были решены, осталась проблема чистоты. Производство германия необходимой чистоты оказалось серьезной проблемой и ограничивало выход транзисторов, которые фактически работали из определенной партии материала. Чувствительность германия к температуре также ограничивала его полезность. Ученые предположили, что кремний будет легче изготовить, но мало кто исследовал эту возможность. Бывший ученый Bell Labs Гордон К. Тил был первым, кто разработал работающий кремниевый транзистор в зарождающейся компании Texas Instruments , что дало ему технологическое преимущество. С конца 1950-х годов большинство транзисторов были на основе кремния. Через несколько лет на рынке появились продукты на основе транзисторов, в первую очередь портативные радиоприемники. « Зонная плавка », метод, использующий полосу расплавленного материала, движущуюся через кристалл, еще больше повышает чистоту кристаллов.
В 1950-х годах Мохамед Аталла исследовал поверхностные свойства кремниевых полупроводников в Bell Labs , где он предложил новый метод изготовления полупроводниковых устройств , покрыв кремниевую пластину изолирующим слоем оксида кремния , чтобы электричество могло надежно проникать в проводящий кремний ниже. , преодолевая поверхностные состояния, которые не позволяли электричеству достичь полупроводникового слоя. Это известно как пассивация поверхности — метод, который стал критически важным для полупроводниковой промышленности , поскольку сделал возможным массовое производство кремниевых интегральных схем (ИС). Опираясь на свой метод пассивации поверхности, он разработал процесс металлооксид-полупроводник (МОП), который, как он предложил, можно использовать для создания первого работающего кремниевого полевого транзистора (FET). [8] [9] Это привело к изобретению МОП- транзистора (МОП-полевого транзистора) Мохамедом Аталлой и Давоном Кангом в 1959 году. [10] [11] Благодаря его масштабируемости , [12] и значительно более низкому энергопотреблению и более высокому уровню. плотности, чем транзисторы с биполярным переходом , [13] МОП-транзисторы стали наиболее распространенным типом транзисторов в компьютерах, электронике, [9] и коммуникационных технологиях, таких как смартфоны . [14] Ведомство США по патентам и товарным знакам называет MOSFET «революционным изобретением, которое изменило жизнь и культуру во всем мире». [14]
КМОП (дополнительный МОП ) был изобретен Чи-Танг Са и Фрэнком Ванлассом в компании Fairchild Semiconductor в 1963 году. [ 15 ] Первое сообщение о МОП-транзисторе с плавающим затвором было сделано Давоном Кангом и Саймоном Се в 1967 году . полевой транзистор), тип трехмерного многозатворного МОП-транзистора, был разработан Дигом Хисамото и его командой исследователей в Центральной исследовательской лаборатории Hitachi в 1989 году. [17] [18]
Ожидается, что ежегодные поставки полупроводниковых модулей (интегральных схем и опто-сенсорно-дискретных, или OSD, устройств) вырастут на 9% [..] В 2018 году поставки полупроводниковых модулей, по прогнозам, вырастут до 1075,1 млрд, что соответствует 9%-ному росту производства год. Начиная с 1978 года с 32,6 миллиарда единиц и до 2018 года, совокупный годовой темп роста полупроводниковых единиц прогнозируется на уровне 9,1%, что является солидным показателем роста за 40-летний период. [..] По прогнозам, в 2018 году устройства OSD будут составлять 70% от общего числа полупроводниковых устройств по сравнению с 30% для микросхем.
