Полупроводник
| Полупроводник устройство изготовление |
|---|
 |
|
Масштабирование МОП-транзисторов ( узлы процесса ) |
|
|
Будущее
|
Полупроводник — это материал, значение электропроводности которого находится между значением электропроводности проводника , такого как медь , и изолятора , такого как стекло . Его удельное сопротивление обычно падает с повышением температуры; металлы ведут себя противоположным образом. [ 1 ] Во многих случаях их проводящие свойства можно изменить полезными способами путем введения примесей (« легирования ») в кристаллическую структуру . Когда в одном и том же кристалле существуют две по-разному легированные области, полупроводниковый переход создается . Поведение носителей заряда , к которым относятся электроны , ионы и электронные дырки , на этих переходах лежит в основе диодов , транзисторов и большинства современной электроники . Некоторыми примерами полупроводников являются кремний , германий , арсенид галлия и элементы, находящиеся вблизи так называемой « металлоидной лестницы » периодической таблицы . После кремния арсенид галлия является вторым по распространенности полупроводником и используется в лазерных диодах , солнечных элементах СВЧ-частоты , интегральных схемах и других. Кремний является важнейшим элементом для изготовления большинства электронных схем .
Полупроводниковые устройства могут обладать рядом различных полезных свойств, таких как более легкое прохождение тока в одном направлении, чем в другом, переменное сопротивление и чувствительность к свету или теплу. Поскольку электрические свойства полупроводникового материала можно изменить путем легирования и применения электрических полей или света, устройства, изготовленные из полупроводников, можно использовать для усиления, переключения и преобразования энергии . Термин «полупроводник» также используется для описания материалов, используемых в кабелях высокой мощности, среднего и высокого напряжения в качестве части их изоляции, и эти материалы часто представляют собой пластик из сшитого полиэтилена ( сшитый полиэтилен ) с углеродной сажей. [ 2 ]
Проводимость кремния увеличивается добавлением небольшого количества (порядка 1 из 10 8 ) пятивалентных ( сурьма , фосфор или мышьяк ) или трехвалентных ( бор , галлий , индий ) атомов. [ 3 ] Этот процесс известен как легирование, а полученные полупроводники называются легированными или внешними полупроводниками . Помимо легирования, проводимость полупроводника можно улучшить за счет повышения его температуры. Это противоречит поведению металла, у которого проводимость падает с повышением температуры. [ 4 ]
Современное понимание свойств полупроводника опирается на квантовую физику для объяснения движения носителей заряда в кристаллической решетке . [ 5 ] Легирование значительно увеличивает количество носителей заряда внутри кристалла. Когда легированный полупроводник содержит свободные дырки, его называют « p-типом », а когда он содержит свободные электроны , его называют « n-типом ». Полупроводниковые материалы, используемые в электронных устройствах, легируются в точных условиях для контроля концентрации и областей легирующих примесей p- и n-типа. Один кристалл полупроводникового устройства может иметь множество областей p- и n-типа; p – n-переходы между этими областями ответственны за полезное электронное поведение. Используя зонд с горячей точкой , можно быстро определить, является ли образец полупроводника p- или n-типом. [ 6 ]
Некоторые свойства полупроводниковых материалов наблюдались в середине 19 и первых десятилетиях 20 века. Первым практическим применением полупроводников в электронике стала разработка в 1904 году детектора «кошачьи усы» — примитивного полупроводникового диода, использовавшегося в первых радиоприемниках . Развитие квантовой физики, в свою очередь, привело к изобретению транзистора в 1947 году. [ 7 ] и интегральная схема в 1958 году.
Характеристики
[ редактировать ]Переменная электропроводность
[ редактировать ]Полупроводники в своем естественном состоянии являются плохими проводниками, поскольку ток требует потока электронов, а валентные зоны полупроводников заполнены, что предотвращает весь поток новых электронов. Несколько разработанных методов позволяют полупроводниковым материалам вести себя как проводящие материалы, например, путем легирования или затвора . Эти модификации имеют два результата: n-тип и p-тип . Они относятся к избытку или недостатку электронов соответственно. Сбалансированное количество электронов заставит ток течь по всему материалу. [ 8 ]
Гетеропереходы
[ редактировать ]Гетеропереходы возникают при соединении двух полупроводниковых материалов с разными добавками. Например, конфигурация может состоять из легированного p- и n-легированного германия . Это приводит к обмену электронами и дырками между различными легированными полупроводниковыми материалами. В n-легированном германии будет избыток электронов, а в p-легированном германии будет избыток дырок. Перенос происходит до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие в результате процесса, называемого рекомбинацией , который заставляет мигрирующие электроны n-типа вступать в контакт с мигрирующими дырками p-типа. [ 9 ] Результатом этого процесса является узкая полоска неподвижных ионов , которая создает электрическое поле поперек перехода. [ 5 ] [ 8 ]
Возбужденные электроны
[ редактировать ]Разница в электрическом потенциале полупроводникового материала может привести к выходу его из теплового равновесия и созданию неравновесной ситуации. Это приводит к появлению в системе электронов и дырок, которые взаимодействуют посредством процесса, называемого амбиполярной диффузией . Всякий раз, когда в полупроводниковом материале нарушается тепловое равновесие, число дырок и электронов изменяется. Такие нарушения могут произойти в результате разницы температур или фотонов , которые могут попасть в систему и создать электроны и дырки. Процессы, которые создают или уничтожают электроны и дырки, называются генерацией и рекомбинацией соответственно. [ 8 ]
Световое излучение
[ редактировать ]В некоторых полупроводниках возбужденные электроны могут расслабляться, излучая свет, а не выделяя тепло. [ 10 ] Управление составом полупроводников и электрическим током позволяет манипулировать свойствами излучаемого света. [ 11 ] Эти полупроводники используются в конструкции светоизлучающих диодов и флуоресцентных квантовых точек .
Высокая теплопроводность
[ редактировать ]Полупроводники с высокой теплопроводностью можно использовать для отвода тепла и улучшения терморегулирования электроники. Они играют решающую роль в электромобилях высокой яркости , светодиодах и модулях питания , а также в других приложениях. [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]
Преобразование тепловой энергии
[ редактировать ]Полупроводники имеют большие коэффициенты термоэлектрической мощности, что делает их полезными в термоэлектрических генераторах , а также высокие термоэлектрические показатели эффективности, что делает их полезными в термоэлектрических охладителях . [ 15 ]
Материалы
[ редактировать ]
Полупроводниковыми свойствами обладает большое количество элементов и соединений, в том числе: [ 16 ]
- Некоторые чистые элементы встречаются в 14-й группе таблицы периодической ; наиболее коммерчески важными из этих элементов являются кремний и германий . Кремний и германий используются здесь эффективно, потому что они имеют 4 валентных электрона в своей внешней оболочке, что дает им возможность одновременно приобретать или терять электроны в равной степени.
- Бинарные соединения , особенно между элементами групп 13 и 15, такими как арсенид галлия , группы 12 и 16, группы 14 и 16, а также между различными элементами группы 14, например карбид кремния .
- Некоторые тройные соединения, оксиды и сплавы.
- Органические полупроводники , изготовленные из органических соединений .
- Полупроводниковые металлоорганические каркасы . [ 17 ] [ 18 ]
Наиболее распространенными полупроводниковыми материалами являются кристаллические твердые тела, но аморфные известны также и жидкие полупроводники. К ним относятся гидрогенизированный аморфный кремний и смеси мышьяка , селена и теллура в различных пропорциях. Эти соединения имеют общие с более известными полупроводниками свойства промежуточной проводимости и быстрого изменения проводимости в зависимости от температуры, а также иногда отрицательное сопротивление . Такие неупорядоченные материалы лишены жесткой кристаллической структуры обычных полупроводников, таких как кремний. Обычно они используются в тонкопленочных структурах, которые не требуют материала более высокого электронного качества и относительно нечувствительны к примесям и радиационным повреждениям.
Подготовка полупроводниковых материалов
[ редактировать ]Почти все современные электронные технологии включают использование полупроводников, наиболее важным аспектом которых являются интегральные схемы (ИС), которые используются в настольных компьютерах , ноутбуках , сканерах, сотовых телефонах и других электронных устройствах. Полупроводники для микросхем производятся массово. Для создания идеального полупроводникового материала химическая чистота имеет первостепенное значение. Любое небольшое несовершенство может оказать существенное влияние на поведение полупроводникового материала в зависимости от масштаба его использования. [ 8 ]
Также требуется высокая степень кристаллического совершенства, поскольку дефекты в кристаллической структуре (такие как дислокации , двойники и дефекты упаковки ) влияют на полупроводниковые свойства материала. Кристаллические дефекты являются основной причиной дефектов полупроводниковых приборов. Чем крупнее кристалл, тем сложнее добиться необходимого совершенства. В современных процессах массового производства используются кристаллические слитки диаметром от 100 до 300 мм (от 3,9 до 11,8 дюйма), выращенные в виде цилиндров и нарезанные на пластины .
Существует комбинация процессов, которые используются для подготовки полупроводниковых материалов для ИС. Один из процессов называется термическим окислением , в результате которого образуется диоксид кремния на поверхности кремния . Он используется в качестве изолятора затвора и полевого оксида . Другие процессы называются фотомасками и фотолитографией . Именно этот процесс создает узоры на схеме интегральной схемы. Ультрафиолетовый свет используется вместе со слоем фоторезиста для создания химических изменений, которые создают узоры для схемы. [ 8 ]
Травление – это следующий необходимый процесс. Ту часть кремния, которая не была покрыта слоем фоторезиста на предыдущем этапе, теперь можно протравить. Основной процесс, обычно используемый сегодня, называется плазменным травлением . Плазменное травление обычно включает в себя закачку травильного газа в камеру низкого давления для создания плазмы . Обычным травильным газом является хлорфторуглерод или более известный фреон . Высокое радиочастотное напряжение между катодом и анодом создает плазму в камере. Кремниевая пластина расположена на катоде, что приводит к воздействию на нее положительно заряженных ионов, высвобождаемых из плазмы. вытравленный кремний В результате получается анизотропно . [ 5 ] [ 8 ]
Последний процесс называется диффузией . Это процесс, который придает полупроводниковому материалу желаемые полупроводниковые свойства. Это также известно как допинг . В результате этого процесса в систему попадает примесный атом, который создает p-n-переход . Чтобы внедрить нечистые атомы в кремниевую пластину, пластину сначала помещают в камеру с температурой 1100 градусов Цельсия. Атомы вводятся в кремний и в конечном итоге диффундируют вместе с ним. После завершения процесса и достижения кремнием комнатной температуры процесс легирования завершается, и полупроводниковый материал готов к использованию в интегральной схеме. [ 5 ] [ 8 ]
Физика полупроводников
[ редактировать ]Энергетические зоны и электропроводность
[ редактировать ]
Полупроводники характеризуются уникальными электропроводными свойствами, находящимися где-то между проводником и изолятором. [ 19 ] Различия между этими материалами можно понять с точки зрения квантовых состояний электронов, каждый из которых может содержать ноль или один электрон (по принципу Паули ). Эти состояния связаны с электронной зонной структурой материала. Электропроводность возникает из-за присутствия электронов в делокализованных состояниях ( проходящих сквозь материал), однако для транспортировки электронов состояние должно быть частично заполнено , содержащее электрон только часть времени. [ 20 ] Если состояние всегда занято электроном, то оно инертно, блокируя прохождение других электронов через это состояние. Энергии этих квантовых состояний имеют решающее значение, поскольку состояние частично заполнено, только если его энергия близка к уровню Ферми (см. Статистику Ферми – Дирака ).
Высокая проводимость материала обусловлена наличием множества частично заполненных состояний и значительной делокализации состояний. Металлы являются хорошими электрическими проводниками и имеют множество частично заполненных состояний с энергиями, близкими к уровню Ферми. У изоляторов , напротив, мало частично заполненных состояний, их уровни Ферми находятся внутри запрещенной зоны и занимают лишь несколько энергетических состояний. Важно отметить, что изолятор можно сделать проводящим, увеличив его температуру: нагрев дает энергию для продвижения некоторых электронов через запрещенную зону, вызывая частично заполненные состояния как в зоне состояний под запрещенной зоной ( валентной зоне ), так и в зоне состояний над ней. запрещенная зона ( зона проводимости ). (Собственный) полупроводник имеет запрещенную зону меньше, чем у изолятора, и при комнатной температуре значительное количество электронов может быть возбуждено для пересечения запрещенной зоны. [ 21 ]
Однако чистый полупроводник не очень полезен, поскольку он не является ни очень хорошим изолятором, ни очень хорошим проводником. Однако одной важной особенностью полупроводников (и некоторых изоляторов, известных как полуизоляторы ) является то, что их проводимость можно увеличить и контролировать путем легирования примесями и управления электрическими полями. Легирование и стробирование перемещают зону проводимости или валентную зону намного ближе к уровню Ферми и значительно увеличивают количество частично заполненных состояний.
Некоторые полупроводниковые материалы с более широкой запрещенной зоной иногда называют полуизоляторами . В нелегированном виде они имеют электропроводность, близкую к электропроводности электрических изоляторов, однако их можно легировать (что делает их такими же полезными, как полупроводники). Полуизоляторы находят нишевое применение в микроэлектронике, например, в качестве подложек для HEMT . Примером обычного полуизолятора является арсенид галлия . [ 22 ] Некоторые материалы, такие как диоксид титана , могут даже использоваться в качестве изоляционных материалов для некоторых применений, а в других случаях их рассматривают как широкозонные полупроводники.
Носители заряда (электроны и дырки)
[ редактировать ]Частичное заполнение состояний внизу зоны проводимости можно понимать как добавление электронов в эту зону. Электроны не остаются на неопределенный срок (из-за естественной тепловой рекомбинации ), но они могут перемещаться в течение некоторого времени. Фактическая концентрация электронов обычно очень разрежена, и поэтому (в отличие от металлов) можно думать об электронах в зоне проводимости полупроводника как о своего рода классическом идеальном газе , в котором электроны свободно летают, не подвергаясь воздействию принцип исключения Паули . В большинстве полупроводников зоны проводимости имеют параболический закон дисперсии , и поэтому эти электроны реагируют на силы (электрическое поле, магнитное поле и т. д.) так же, как в вакууме, хотя и с другой эффективной массой . [ 21 ] Поскольку электроны ведут себя как идеальный газ, можно также рассматривать проводимость в очень упрощенных терминах, таких как модель Друде , и вводить такие понятия, как подвижность электронов .
Для частичного заполнения верхней части валентной зоны полезно ввести понятие электронной дырки . Хотя электроны в валентной зоне всегда движутся, полностью заполненная валентная зона инертна и не проводит ток. Если электрон вылетает из валентной зоны, то на траектории, по которой обычно ехал бы электрон, теперь отсутствует заряд. Для целей электрического тока эту комбинацию полной валентной зоны без электрона можно преобразовать в картину совершенно пустой зоны, содержащей положительно заряженную частицу, которая движется так же, как электрон. В сочетании с отрицательной эффективной массой электронов наверху валентной зоны мы приходим к картине положительно заряженной частицы, которая реагирует на электрические и магнитные поля так же, как это сделала бы нормальная положительно заряженная частица в вакууме, опять же с некоторыми положительная эффективная масса. [ 21 ] Эту частицу называют дыркой, и совокупность дырок в валентной зоне снова можно понимать в простых классических терминах (как и электроны в зоне проводимости).
Генерация носителей и рекомбинация
[ редактировать ]Когда ионизирующее излучение попадает на полупроводник, оно может вывести электрон с его энергетического уровня и, следовательно, оставить дырку. Этот процесс известен как генерация электронно-дырочных пар . Электронно-дырочные пары постоянно генерируются и за счет тепловой энергии , при отсутствии какого-либо внешнего источника энергии.
Электронно-дырочные пары также склонны к рекомбинации. Сохранение энергии требует, чтобы эти события рекомбинации, в которых электрон теряет количество энергии, превышающее ширину запрещенной зоны , сопровождались излучением тепловой энергии (в форме фононов ) или излучением (в форме фотонов ).
В некоторых состояниях генерация и рекомбинация электронно-дырочных пар находятся в равновесии. Число электронно-дырочных пар, находящихся в установившемся состоянии при данной температуре, определяется квантовой статистической механикой . Точные квантово-механические механизмы генерации и рекомбинации управляются сохранением энергии и сохранением импульса .
Поскольку вероятность того, что электроны и дырки встретятся вместе, пропорциональна произведению их чисел, это произведение в установившемся состоянии почти постоянно при данной температуре, при условии, что нет значительного электрического поля (которое могло бы «смыть» носители обоих типы или перемещать их из соседних регионов, где их больше, для встречи вместе) или генерацию пар, управляемую извне. Произведение является функцией температуры, поскольку вероятность получения достаточного количества тепловой энергии для образования пары увеличивается с температурой и составляет примерно exp(− E G / kT ) , где k — постоянная Больцмана , T — абсолютная температура и E G – запрещенная зона.
Вероятность встречи увеличивают ловушки носителей — примеси или дислокации, которые могут захватить электрон или дырку и удерживать их до тех пор, пока не образуется пара. Такие ловушки для носителей иногда добавляются намеренно, чтобы сократить время, необходимое для достижения устойчивого состояния. [ 23 ]
Допинг
[ редактировать ]Проводимость полупроводников можно легко изменить, вводя примеси в их кристаллическую решетку . Процесс добавления контролируемых примесей в полупроводник известен как легирование . Количество примеси или легирующей примеси, добавленной к собственному (чистому) полупроводнику, меняет уровень его проводимости. [ 24 ] Легированные полупроводники называются примесными . [ 25 ] Добавляя примеси в чистые полупроводники, электропроводность можно изменять в тысячи или миллионы раз. [ 26 ]
1 см 3 образец металла или полупроводника имеет порядок 10 22 атомы. [ 27 ] В металле каждый атом отдает хотя бы один свободный электрон для проводимости, таким образом, 1 см 3 металла содержит порядка 10 22 свободные электроны, [ 28 ] тогда как 1 см 3 образец чистого германия при 20 °С содержит около 4,2 × 10 22 атомов, но всего 2,5 × 10 13 свободные электроны и 2,5 × 10 13 отверстия. Добавление 0,001% мышьяка (примеси) дает дополнительные 10 17 свободных электронов в том же объеме, а электропроводность увеличивается в 10 000 раз. [ 29 ] [ 30 ]
Материалы, выбранные в качестве подходящих легирующих добавок, зависят от атомных свойств как легирующей добавки, так и легируемого материала. В общем, примеси, которые производят желаемые контролируемые изменения, классифицируются либо как акцепторы электронов , либо как доноры . Полупроводники, легированные донорными примесями, называются n-типом , а легированные акцепторными примесями — p-типом . материала Обозначения типов n и p указывают, какой носитель заряда действует как основной носитель . Противоположный носитель называется неосновным носителем , который существует благодаря термическому возбуждению в гораздо более низкой концентрации по сравнению с основным носителем. [ 31 ]
Например, чистый полупроводниковый кремний имеет четыре валентных электрона, которые связывают каждый атом кремния с его соседями. [ 32 ] В кремнии наиболее распространенными легирующими примесями являются элементы III и V группы . Все элементы группы III содержат три валентных электрона, что заставляет их действовать как акцепторы при использовании для легирования кремния. Когда атом-акцептор заменяет атом кремния в кристалле, создается вакантное состояние («дырка»), которое может перемещаться по решетке и выполнять функцию носителя заряда. Элементы V группы имеют пять валентных электронов, что позволяет им выступать в роли донора; замена этих атомов кремнием создает дополнительный свободный электрон. Таким образом, кристалл кремния, легированный бором, создает полупроводник p-типа, тогда как кристалл кремния, легированный фосфором, дает материал n-типа. [ 33 ]
Во время производства легирующие примеси можно диффундировать в полупроводниковое тело путем контакта с газообразными соединениями желаемого элемента или можно использовать ионную имплантацию для точного позиционирования легированных областей.
Аморфные полупроводники
[ редактировать ]Некоторые материалы при быстром охлаждении до стеклоаморфного состояния обладают полупроводниковыми свойствами. К ним относятся B, Si , Ge, Se и Te, и существует множество теорий, объясняющих их. [ 34 ] [ 35 ]
Ранняя история полупроводников
[ редактировать ]История понимания полупроводников начинается с экспериментов по изучению электрических свойств материалов. Свойства временно-температурного коэффициента сопротивления, выпрямления и светочувствительности наблюдались начиная с начала 19 века.
Томас Иоганн Зеебек был первым, кто заметил эффект полупроводников в 1821 году. [ 36 ] В 1833 году Майкл Фарадей сообщил, что сопротивление образцов сульфида серебра уменьшается при их 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 воздействии света — фотоэлектрическом эффекте . В 1873 году Уиллоуби Смит заметил, что сопротивление селеновых резисторов уменьшается при падении на них света. В 1874 году Карл Фердинанд Браун наблюдал проводимость и выпрямление металлов в сульфидах , хотя этот эффект был открыт гораздо раньше Питером Мунком из Розеншельда ( sv ), писавшим для журнала Annalen der Physik und Chemie в 1835 году: [ 37 ] и Артур Шустер обнаружили, что слой оксида меди на проводах обладает выпрямляющими свойствами, которые прекращаются после очистки проводов. Уильям Гриллс Адамс и Ричард Эванс Дэй наблюдали фотоэлектрический эффект в селене в 1876 году. [ 38 ]
Для единого объяснения этих явлений потребовалась теория физики твердого тела , получившая большое развитие в первой половине 20 века. В 1878 году Эдвин Герберт Холл продемонстрировал отклонение текущих носителей заряда приложенным магнитным полем — эффект Холла . Открытие электрона Дж в . Дж. Томсоном 1897 году привело к появлению теорий электронной проводимости в твердых телах. Карл Бедекер , наблюдая эффект Холла с обратным знаком по отношению к эффекту в металлах, предположил, что йодид 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 «хальблейтер » (полупроводник в современном понимании) в своей докторской диссертации. диссертацию в 1910 году. [ 39 ] [ 40 ] Феликс Блох опубликовал теорию движения электронов через атомные решетки в 1928. В 1930 Б. Гудден заявил, что проводимость в полупроводниках обусловлена незначительными концентрациями примесей. разработал зонную теорию проводимости К 1931 году Алан Херрис Уилсон и разработал концепцию запрещенных зон. Уолтер Х. Шоттки и Невилл Фрэнсис Мотт разработали модели потенциального барьера и характеристик перехода металл-полупроводник . К 1938 году Борис Давыдов разработал теорию медно-оксидного выпрямителя, определив влияние p – n-перехода и важность неосновных носителей заряда и поверхностных состояний. [ 37 ]
Согласие между теоретическими предсказаниями (основанными на развитии квантовой механики) и экспериментальными результатами иногда было плохим. объяснил это Позже Джон Бардин чрезвычайно «чувствительным к структуре» поведением полупроводников, свойства которых резко изменяются в зависимости от небольшого количества примесей. [ 37 ] Коммерчески чистые материалы 1920-х годов, содержащие различные пропорции микропримесей, дали разные экспериментальные результаты. Это стимулировало разработку улучшенных методов очистки материалов, кульминацией которых стали современные заводы по переработке полупроводников, производящие материалы с чистотой до частей на триллион.
Устройства, использующие полупроводники, сначала создавались на основе эмпирических знаний, прежде чем теория полупроводников стала руководством к созданию более функциональных и надежных устройств.
Александр Грэм Белл использовал светочувствительное свойство селена для передачи звука через луч света в 1880 году. Работающий солнечный элемент низкой эффективности был построен Чарльзом Фриттсом в 1883 году с использованием металлической пластины, покрытой селеном, и тонкого слоя из золота; устройство стало коммерчески полезным в фотоэкспонометрах в 1930-х годах. [ 37 ] Выпрямители с точечными микроволновыми детекторами, изготовленные из сульфида свинца, использовались Джагадишем Чандрой Бозе в 1904 году; Детектор из кошачьих усов, использующий природный галенит или другие материалы, стал распространенным устройством при разработке радио . Однако он был несколько непредсказуем в работе и требовал ручной настройки для достижения наилучших характеристик. 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 свечение в 1922 году, но тогда этот эффект не имел практического применения. Силовые выпрямители, использующие оксид меди и селен, были разработаны в 1920-х годах и стали коммерчески важными как альтернатива ламповым выпрямителям. [ 38 ] [ 37 ]
Первые полупроводниковые устройства использовали галенит , в том числе немецкого физика Фердинанда Брауна кристаллический детектор индийского физика Джагадиша Чандры Бозе в 1901 году. в 1874 году и радиокристаллический детектор [ 41 ] [ 42 ]
В годы, предшествовавшие Второй мировой войне, инфракрасные устройства обнаружения и связи стимулировали исследования материалов из сульфида и селенида свинца. Эти устройства использовались для обнаружения кораблей и самолетов, для инфракрасных дальномеров, для систем голосовой связи. Точечный кристаллический детектор стал жизненно важным для систем микроволновой радиосвязи, поскольку доступные устройства на электронных лампах не могли служить детекторами на частотах выше примерно 4000 МГц; передовые радиолокационные системы полагались на быстрый отклик кристаллических детекторов. значительные исследования и разработки кремниевых материалов с целью разработки детекторов стабильного качества. Во время войны проводились [ 37 ]
Ранние транзисторы
[ редактировать ]
Детектор и выпрямители питания не смогли усилить сигнал. Было предпринято много усилий для разработки твердотельного усилителя, и увенчались успехом в разработке устройства, называемого транзистором с точечным контактом , которое могло усиливать 20 дБ и более. [ 43 ] В 1922 году Олег Лосев разработал двухполюсные усилители с отрицательным сопротивлением для радио, но он погиб во время блокады Ленинграда после успешного завершения . В 1926 году Юлиус Эдгар Лилиенфельд запатентовал устройство, напоминающее полевой транзистор , но оно не оказалось практичным. Р. Хилш и Р. В. Поль в 1938 продемонстрировали твердотельный усилитель, использующий структуру, напоминающую управляющую сетку электронной лампы; хотя устройство демонстрировало прирост мощности, оно имело частоту среза один цикл в секунду, слишком низкую для любого практического применения, но эффективное применение доступной теории. [ 37 ] В Bell Labs Уильям Шокли и А. Холден начали исследовать твердотельные усилители в 1938 году. Первый p–n-переход в кремнии наблюдал Рассел Ол примерно в 1941 году, когда было обнаружено, что образец светочувствителен с резкой границей между Примесь p-типа на одном конце и n-типа на другом. Срез образца на границе p – n под воздействием света создавал напряжение.
Первым работающим транзистором был транзистор с точечным контактом, изобретенный Джоном Бардином , Уолтером Хаузером Браттеном и Уильямом Шокли в Bell Labs в 1947 году. Ранее Шокли выдвинул теорию полевого усилителя из германия и кремния, но ему не удалось создать такой транзистор. работающее устройство, прежде чем в конечном итоге использовать германий для изобретения точечного транзистора. [ 44 ] Во Франции во время войны Герберт Матаре наблюдал усиление между соседними точечными контактами на германиевой основе. После войны группа Матаре анонсировала свой усилитель « Транзистрон » вскоре после того, как Bell Labs анонсировала « транзистор ».
В 1954 году физико-химик Моррис Таненбаум изготовил первый кремниевый переходной транзистор в Bell Labs . [ 45 ] Однако первые переходные транзисторы были относительно громоздкими устройствами, которые было трудно производить в массовом производстве , что ограничивало их ряд специализированных применений. [ 46 ]
См. также
[ редактировать ]
- Смертьниум
- Производство полупроводниковых приборов
- Полупроводниковая промышленность
- Методы определения характеристик полупроводников
- Количество транзисторов
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Татум, Джереми (13 декабря 2016 г.). «Сопротивление и температура» . Либретексты . Проверено 22 декабря 2023 г.
- ^ Воржик, Томас (11 августа 2009 г.). Подводные силовые кабели: проектирование, монтаж, ремонт, экологические аспекты . Спрингер. ISBN 978-3-642-01270-9 .
- ^ «Электрическая проводимость в полупроводниках» . www.mks.com . Проверено 1 апреля 2024 г.
- ^ «Джошуа Халперн» . Химия 003 . 12 января 2015 г. Проверено 1 апреля 2024 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д Фейнман, Ричард. Фейнмановские лекции по физике .
- ^ «2.4.7.9 Эксперимент «горячий зонд»» . ecee.colorado.edu . Архивировано из оригинала 6 марта 2021 года . Проверено 27 ноября 2020 г.
- ^ Шокли, Уильям (1950). Электроны и дырки в полупроводниках: с приложениями к транзисторной электронике . RE Krieger Паб. компании ISBN 978-0-88275-382-9 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г Нимен, Дональд А. (2003). Физика полупроводников и устройства (PDF) . Элизабет А. Джонс. Архивировано из оригинала (PDF) 27 октября 2022 года.
- ^ «Электронно-дырочная рекомбинация» . Инженерные библиотеки LibreTexts . 28 июля 2016 г. Проверено 1 апреля 2024 г.
- ^ Абдул аль-Аззави. « Свет и оптика: принципы и практика ». 2007. 4 марта 2016.
- ^ «Электрические свойства полупроводников - обзор | Темы ScienceDirect» . www.sciencedirect.com . Проверено 14 декабря 2023 г.
- ^ Ван, Янган; Дай, Сяопин; Лю, Гою; У, Ибо; Джонс, Юн Ли и Стив (05 октября 2016 г.), «Состояние и тенденции в области упаковки силовых полупроводниковых модулей для электромобилей» , Моделирование и симуляция для приложений электромобилей , IntechOpen, ISBN 978-953-51-2637-9 , получено 24 января 2024 г.
- ^ Арик, Мехмет и Стэнтон Уивер. «Теплорегулирование в масштабе микросхемы светодиодных корпусов высокой яркости». Четвертая международная конференция по твердотельному освещению . Том. 5530. СПАЙ, 2004.
- ^ Ботелер, Л.; Лелис, А.; Берман, М.; Фиш, М. (2019). «Теплопроводность силовых полупроводников — когда это имеет значение?» . 7-й семинар IEEE 2019 г. по силовым устройствам и приложениям с широкой полосой пропускания (WiPDA) . IEEE. стр. 265–271. дои : 10.1109/WiPDA46397.2019.8998802 . ISBN 978-1-7281-3761-2 . S2CID 211227341 .
- ^ «Как работают термоэлектрические охладители (ТЭО)?» . ii-vi.com . Проверено 8 ноября 2021 г.
- ^ Б. Г. Якоби, Полупроводниковые материалы: введение в основные принципы , Springer, 2003 г. ISBN 0-306-47361-5 , стр. 1–3.
- ^ Донг, Ренхао; Хан, Пэн; Арора, Химани; Баллабио, Марко; Каракус, Мелике; Чжан, Чжэ; Шекхар, Чандра; Адлер, Питер; Петков, ул. Петко; Эрбе, Артур; Маннсфельд, Стефан CB (2018). «Высокоподвижный зонный транспорт заряда в полупроводниковом двумерном металлоорганическом каркасе» . Природные материалы . 17 (11): 1027–1032. Бибкод : 2018NatMa..17.1027D . дои : 10.1038/s41563-018-0189-z . ISSN 1476-4660 . ПМИД 30323335 . S2CID 53027396 .
- ^ Арора, Химани (2020). Транспорт заряда в двумерных материалах и их электронные приложения (PDF) . Дрезден: Кукоса.
- ^ Ю, Питер (2010). Основы полупроводников . Берлин: Springer-Verlag. ISBN 978-3-642-00709-5 .
- ^ Как и в формуле Мотта для проводимости, см. Катлер, М.; Мотт, Н. (1969). «Наблюдение локализации Андерсона в электронном газе». Физический обзор . 181 (3): 1336. Бибкод : 1969PhRv..181.1336C . дои : 10.1103/PhysRev.181.1336 .
- ^ Перейти обратно: а б с Чарльз Киттель (1995) Введение в физику твердого тела , 7-е изд. Уайли, ISBN 0-471-11181-3 .
- ^ Дж. В. Аллен (1960). «Арсенид галлия как полуизолятор». Природа . 187 (4735): 403–05. Бибкод : 1960Natur.187..403A . дои : 10.1038/187403b0 . S2CID 4183332 .
- ^ Луи Нашельски, Роберт Л. Бойлестад (2006). Электронные устройства и теория цепей (9-е изд.). Индия: Prentice-Hall of India Private Limited. стр. 7–10. ISBN 978-81-203-2967-6 .
- ^ Нейв, Р. «Легированные полупроводники» . Проверено 3 мая 2021 г.
- ^ Ю., Рошни (5 февраля 2019 г.). «Разница между собственными и внешними полупроводниками» . Проверено 3 мая 2021 г.
- ^ «Урок 6: Внешние полупроводники» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 28 января 2023 года . Проверено 28 января 2023 г.
- ^ «Общие проблемы элементарной ячейки» . Проверено 3 мая 2021 г.
- ^ Нейв, Р. «Закон Ома, микроскопический взгляд» . Архивировано из оригинала 3 мая 2021 года . Проверено 3 мая 2021 г.
- ^ Ван Зегбрук, Барт (2000). «Плотность носителей» . Архивировано из оригинала 3 мая 2021 года . Проверено 3 мая 2021 г.
- ^ «Структура полосы и концентрация носителей (Ge)» . Проверено 3 мая 2021 г.
- ^ «Легирование: n- и p-полупроводники» . Проверено 3 мая 2021 г.
- ^ Нейв Р. «Кремний и германий» . Проверено 3 мая 2021 г.
- ^ Хонсберг, Кристиана; Боуден, Стюарт. «Полупроводниковые материалы» . Проверено 3 мая 2021 г.
- ^ « Аморфные полупроводники 1968» (PDF) .
- ^ Халлс, К.; Макмиллан, PW (22 мая 1972 г.). «Аморфные полупроводники: обзор современных теорий». Журнал физики D: Прикладная физика . 5 (5): 865–82. дои : 10.1088/0022-3727/5/5/205 . S2CID 250874071 .
- ^ "Kirj.ee" (PDF) .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г Моррис, Питер Робин (22 июля 1990 г.). История мировой полупроводниковой промышленности . ИЭПП. ISBN 9780863412271 – через Google Книги.
- ^ Перейти обратно: а б Лидия Лукасяк и Анджей Якубовский (январь 2010 г.). «История полупроводников» (PDF) . Журнал телекоммуникаций и информационных технологий : 3. Архивировано из оригинала (PDF) 22 июня 2013 г. Проверено 3 августа 2012 г.
- ^ Буш, Дж. (1989). «Ранняя история физики и химии полупроводников – от сомнений к факту за сто лет». Европейский журнал физики . 10 (4): 254–64. Бибкод : 1989EJPh...10..254B . дои : 10.1088/0143-0807/10/4/002 . S2CID 250888128 .
- ^ Юберлинген.), Йозеф Вайс (де (22 июля 1910 г.). «Экспериментальный вклад в электронную теорию из области термоэлектричества, вступительная диссертация... Дж. Вайса, ...» типография - через Google Книги.
- ^ «Хронология» . Кремниевый двигатель . Музей истории компьютеров . Проверено 22 августа 2019 г.
- ^ «1901: Полупроводниковые выпрямители запатентованы как детекторы «кошачьи усы»» . Кремниевый двигатель . Музей истории компьютеров . Проверено 23 августа 2019 г.
- ^ Питер Робин Моррис (1990) История мировой полупроводниковой промышленности , IET, ISBN 0-86341-227-0 , стр. 11–25
- ^ «1947: Изобретение точечного транзистора» . Кремниевый двигатель . Музей истории компьютеров . Проверено 23 августа 2019 г.
- ^ «1954: Моррис Таненбаум изготавливает первый кремниевый транзистор в Bell Labs» . Кремниевый двигатель . Музей истории компьютеров . Проверено 23 августа 2019 г.
- ^ Московиц, Сэнфорд Л. (2016). Инновации в области передовых материалов: управление глобальными технологиями в 21 веке . Джон Уайли и сыновья . п. 168. ИСБН 9780470508923 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- А.А. Баландин и К.Л. Ван (2006). Справочник по полупроводниковым наноструктурам и наноустройствам (5-томный комплект) . Американские научные издательства. ISBN 978-1-58883-073-9 .
- Сзе, 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 . Прентис Холл PTR. ISBN 978-0-13-046404-0 .
- Ю, Питер Ю.; Кардона, Мануэль (2004). Основы полупроводников: физика и свойства материалов . Спрингер. ISBN 978-3-540-41323-3 .
- Садао Адачи (2012). Справочник по оптическим константам полупроводников: в таблицах и рисунках . Мировое научное издательство. ISBN 978-981-4405-97-3 .
- Г.Б. Абдуллаев, Т.Д. Джафаров, С. Торствейт (переводчик), Атомная диффузия в полупроводниковых структурах, Gordon & Breach Science Pub., 1987. ISBN 978-2-88124-152-9
- Лекция Фейнмана о полупроводниках.
Внешние ссылки
[ редактировать ]
