Полупроводниковый прибор

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найти источники:  «Полупроводниковое устройство»  -  новости  · газеты  · книги  · научный сотрудник  · JSTOR ( июль 2017 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Полупроводниковое устройство представляет собой электронный компонент , который опирается на электронных свойствах полупроводникового материала ( в основном кремния , германий и арсенид галлия , а также органических полупроводников ) для его функции. Полупроводниковые приборы заменили электронные лампы в большинстве приложений. Они используют электропроводность в твердом состоянии, а не в газообразном состоянии или термоэлектронной эмиссии в вакууме .

Полупроводниковые устройства производятся как в виде отдельных дискретных устройств, так и в виде интегральных схем (ИС), которые состоят из двух или более устройств, число которых может составлять от сотен до миллиардов, которые изготавливаются и соединяются между собой на одной полупроводниковой пластине (также называемой подложкой). .

Полупроводниковые материалы полезны, потому что их поведением можно легко управлять путем преднамеренного добавления примесей, известного как легирование . Проводимость полупроводника можно регулировать путем введения электрического или магнитного поля, воздействия света или тепла или механической деформации сетки из легированного монокристаллического кремния ; таким образом, из полупроводников можно сделать отличные датчики. Токопроводимость в полупроводнике происходит за счет подвижных или «свободных» электронов и электронных дырок , вместе известных как носители заряда . Легирование полупроводника небольшой долей атомной примеси, такой как фосфор илибор , значительно увеличивает количество свободных электронов или дырок в полупроводнике. Когда легированный полупроводник содержит избыточные дырки, он называется полупроводником p-типа ( p для положительного электрического заряда ); когда он содержит избыточные свободные электроны, он называется полупроводником n-типа ( n - отрицательный электрический заряд). 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 .

Наиболее распространенное полупроводниковое устройство в мире является МОП - транзистор (металл-оксид-полупроводник полевого транзистора ), ^[1] также называют МОП - транзистором . По состоянию на 2013 год ежедневно производятся миллиарды МОП-транзисторов. ^[2] Производство полупроводниковых устройств в год с 1978 года росло в среднем на 9,1%, а поставки в 2018 году, по прогнозам, впервые превысят 1 триллион, ^[3] что означает, что на сегодняшний день произведено более 7 триллионов.

Диод [ править ]

Полупроводниковый диод - это устройство, обычно состоящее из одного p – n перехода. На стыке полупроводников p-типа и n-типа образуется обедненная область, где токопроводимость затрудняется отсутствием подвижных носителей заряда. Когда устройство смещено в прямом направлении (подключено к стороне p с более высоким электрическим потенциалом, чем сторона n), эта область обеднения уменьшается, обеспечивая значительную проводимость, в то время как только очень небольшой ток может быть достигнут, когда диод смещен в обратном направлении и таким образом, область истощения расширилась.

Воздействие света на полупроводник может генерировать электронно-дырочные пары , что увеличивает количество свободных носителей и, следовательно, проводимость. Диоды, оптимизированные для использования этого явления, известны как фотодиоды . Составные полупроводниковые диоды могут также использоваться для генерации света, например, в светодиодах и лазерных диодах .

Транзистор [ править ]

Биполярный переходный транзистор (BJT) [ править ]

Транзисторы с биполярным переходом (BJT) сформированы 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, вводимый через соединение между базой и эмиттером, изменяет свойства перехода база-коллектор, так что он может проводить ток, даже если он имеет обратное смещение. Это создает гораздо больший ток между коллектором и эмиттером, управляемый током база-эмиттер.

Полевой транзистор (FET) [ править ]

Другой тип транзистора, полевой транзистор (FET), работает по принципу, согласно которому проводимость полупроводника может быть увеличена или уменьшена в присутствии 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 переходный полевой транзистор ( JFET ), или посредством электрода, изолированного от основного материала оксидным слоем, образуя полевой транзистор металл-оксид-полупроводник. ( МОП-транзистор ).

Металл-оксид-полупроводник FET (MOSFET) [ править ]

Металл-оксид-полупроводник полевой транзистор (МОП - транзистор, или МОП - транзистор), A твердотельное устройство, на сегодняшний день наиболее широко используется полупроводникового устройства сегодня. На его долю приходится не менее 99,9% всех транзисторов, и, по оценкам, в период с 1960 по 2018 год было произведено 13 секстиллионов полевых МОП-транзисторов ^[4]. 

Затвора электрод заряжаются , чтобы произвести электрическое поле , которое управляет проводимость о «канале» между двумя терминалами, называемой источником и стоком . В зависимости от типа носителя в канале, устройство может быть n-канальным (для электронов) или p-канальным (для дырок) MOSFET. Хотя MOSFET частично назван из-за его «металлического» затвора, в современных устройствах вместо него обычно используется поликремний .

Материалы полупроводниковых приборов [ править ]

Безусловно, кремний (Si) является наиболее широко используемым материалом в полупроводниковых устройствах. Сочетание низкой стоимости сырья, относительно простой обработки и полезного диапазона температур делает его в настоящее время лучшим компромиссом среди различных конкурирующих материалов. Кремний, используемый в производстве полупроводниковых приборов, в настоящее время изготавливается в виде булей , диаметр которых достаточно велик для изготовления пластин диаметром 300 мм (12 дюймов) .

Германий (Ge) был широко используемым ранним полупроводниковым материалом, но его тепловая чувствительность делает его менее полезным, чем кремний. Сегодня германий часто легируют кремнием для использования в высокоскоростных устройствах SiGe; IBM - крупный производитель таких устройств.

Арсенид галлия (GaAs) также широко используется в высокоскоростных устройствах, но до сих пор было трудно формировать були большого диаметра из этого материала, ограничивая диаметр пластины до размеров, значительно меньших, чем кремниевые пластины, что делает массовое производство устройств GaAs значительно дороже кремния.

Другие менее распространенные материалы также используются или исследуются.

Карбид кремния (SiC) нашел некоторое применение в качестве сырья для синих светодиодов (LED) и исследуется на предмет использования в полупроводниковых устройствах, которые могут выдерживать очень высокие рабочие температуры и среды со значительным уровнем ионизирующего излучения . Диоды IMPATT также были изготовлены 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 .

Чаще всего для органических полупроводников используются органические светодиоды .

Список распространенных полупроводниковых устройств [ править ]

Двухконтактные устройства:

• DIAC
• Диод (выпрямительный диод)
• Диод Ганна
• IMPATT диод
• Лазерный диод
• Светодиод (LED)
• Фотоэлемент
• Фототранзистор
• PIN-диод
• Диод Шоттки
• Солнечная батарея
• Диод подавления переходных напряжений
• Туннельный диод
• VCSEL
• Стабилитрон
• Дзен-диод

Трехконтактные устройства:

• Биполярный транзистор
• Транзистор дарлингтона
• Полевой транзистор
• Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT)
• Выпрямитель с кремниевым управлением
• Тиристор
• ТРИАК
• Однопереходный транзистор

Четырехконтактные устройства:

• Датчик Холла ( датчик магнитного поля)
• Оптопара (оптопара)

Приложения для полупроводников [ править ]

Все типы транзисторов могут использоваться в качестве строительных блоков логических вентилей , которые имеют фундаментальное значение при проектировании цифровых схем . В цифровых схемах, таких как микропроцессоры , транзисторы действуют как двухпозиционные переключатели; Например, в полевом МОП-транзисторе напряжение, приложенное к затвору, определяет, включен или выключен переключатель .

Транзисторы, используемые для аналоговых схем , не действуют как двухпозиционные переключатели; скорее, они реагируют на непрерывный диапазон входных данных с непрерывным диапазоном выходных данных. Общие аналоговые схемы включают усилители и генераторы .

Цепи, которые взаимодействуют или преобразуются между цифровыми цепями и аналоговыми цепями, известны как схемы со смешанными сигналами .

Силовые полупроводниковые устройства - это дискретные устройства или интегральные схемы, предназначенные для приложений с высоким током или высоким напряжением. Силовые интегральные схемы сочетают в себе технологию ИС с технологией силовых полупроводников, их иногда называют «интеллектуальными» силовыми устройствами. Несколько компаний специализируются на производстве силовых полупроводников.

Идентификаторы компонентов [ править ]

В десигнаторами типа полупроводниковых приборов часто определяется изготовителем. Тем не менее, были попытки создать стандарты для кодов типов, и некоторые устройства им следуют. Например , для дискретных устройств существует три стандарта: JEDEC JESD370B в США, Pro Electron в Европе и японские промышленные стандарты (JIS).

История развития полупроводниковых приборов [ править ]

Детектор кошачьих усов [ править ]

Полупроводники использовались в области электроники за некоторое время до изобретения транзистора. Примерно на рубеже 20-го века они были довольно распространены в качестве детекторов в радиоприемниках , использовавшихся в устройстве под названием «кошачий ус», разработанном Джагадиш Чандра Босом и другими. Однако эти детекторы были несколько неудобными: от оператора требовалось перемещать небольшую вольфрамовую нить (усы) по поверхности кристалла галенита (сульфида свинца) или карборунда (карбида кремния) до тех пор, пока она внезапно не заработала. ^[5]Затем, в течение нескольких часов или дней, усы кошки медленно переставали работать, и процесс приходилось повторять. В то время их работа была совершенно загадочной. После появления более надежных радиоприемников на основе электронных ламп с усилителями системы кошачьих усов быстро исчезли. «Кошачий ус» - это примитивный пример диода особого типа, который все еще популярен сегодня, и называется диодом Шоттки .

Металлический выпрямитель [ править ]

Другой ранний тип полупроводникового устройства - это металлический выпрямитель, в котором полупроводник представляет собой оксид меди или селен . Компания Westinghouse Electric (1886 г.) была крупным производителем этих выпрямителей.

Вторая мировая война [ править ]

Во время Второй мировой войны радиолокационные исследования быстро подтолкнули радиолокационные приемники к работе на все более высоких частотах, и традиционные ламповые радиоприемники перестали работать. Введение магнетрона резонатора из Великобритании в США в 1940 году во время миссии Тизард привело к острой необходимости в практическом высокочастотном усилителе. ^{[ необходима цитата ]}

По прихоти Рассел Ол из Bell Laboratories решил попробовать кошачий ус . К этому моменту они не использовались несколько лет, и ни у кого в лабораториях их не было. После охоты на одну из них в магазине подержанных радиоприемников на Манхэттене он обнаружил, что она работает намного лучше, чем ламповые системы.

Оль выяснил, почему кошачий ус так хорошо функционирует. Он провел большую часть 1939 года, 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 радиодетекторов. Однажды он обнаружил, что один из его чистейших кристаллов, тем не менее, работал хорошо, и на нем была хорошо заметная трещина посередине. Однако, когда он ходил по комнате, пытаясь проверить это, 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 какое-то соединение.

Дальнейшие исследования прояснили оставшуюся загадку. Кристалл треснул, потому что обе стороны содержали очень немного разные количества примесей, которые Ол не мог удалить - около 0,2%. На одной стороне кристалла были примеси, которые добавляли дополнительные электроны (носители 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 контактировали друг с другом, электроны можно было вытолкнуть из проводящей стороны, на которой были дополнительные электроны (вскоре получившие название эмиттера ), и заменить их новыми (от батареи, для экземпляр), где они будут течь в изолирующую часть и собираться нитью усов (названной коллектором). Однако, когда напряжение меняется на противоположное, электроны, проталкиваемые в коллектор, быстро заполняют «дыры» (примеси, требующие наличия электронов), и проводимость прекращается почти мгновенно. Это соединение двух кристаллов (или частей одного кристалла) привело к созданию твердотельного диода, и эта концепция вскоре стала известна как полупроводниковая. Механизм действия при выключенном диоде связан с разделением носителей заряда вокруг перехода. Это называется « областью истощения ».

Разработка диода [ править ]

Вооружившись знаниями о том, как работают эти новые диоды, мы начали энергичные усилия, чтобы научиться создавать их по запросу. Команды из Университета Пердью , Bell Labs , Массачусетского технологического института и Чикагского университета объединили усилия для создания лучших кристаллов. В течение года производство германия было доведено до такой степени, что диоды военного класса стали использоваться в большинстве радаров.

Развитие транзистора [ править ]

После войны Уильям Шокли решил попытаться создать полупроводниковый прибор, похожий на триод . Он обеспечил финансирование и лабораторные помещения, и вместе с Браттейном и Джоном Бардином приступил к работе над проблемой .

Ключом к развитию транзистора было дальнейшее понимание процесса подвижности электронов в полупроводнике. Стало понятно, что если бы существовал способ контролировать поток электронов от эмиттера к коллектору этого недавно открытого диода, можно было бы построить усилитель. Например, если контакты расположены с обеих сторон кристалла одного типа, ток не будет течь между ними через кристалл. Однако, если бы третий контакт мог затем «впрыснуть» электроны или дырки в материал, протек бы ток.

На самом деле это оказалось очень сложно. Если бы кристалл имел какой-либо разумный размер, количество электронов (или дырок), необходимых для инжекции, было бы очень большим, что делало бы его менее 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 обеспечивать электроны на очень маленьком расстоянии, в области обеднения. Ключевым моментом оказалось размещение входных и выходных контактов очень близко друг к другу на поверхности кристалла по обе стороны от этой области.

Браттейн начал работу над созданием такого устройства, и по мере того, как команда работала над проблемой, продолжали появляться дразнящие намеки на усиление. Иногда система работала, но затем неожиданно перестала работать. В одном случае неработающая система начала работать, когда ее поместили в воду. В конце концов, Ол и Браттейн разработали новый раздел квантовой механики , который стал известен как физика поверхности, чтобы учесть поведение. Электроны в любой части кристалла будут перемещаться из-за близлежащих зарядов. Электроны в эмиттерах или «дырках» в коллекторах будут сгруппироваться на поверхности кристалла, где они смогут найти свой противоположный заряд, «плавающий» в воздухе (или воде). Тем не менее, их можно было оттолкнуть от поверхности с помощью приложения небольшого заряда из любого другого места на кристалле. Вместо того, чтобы нуждаться в большом количестве инжектированных электронов, очень небольшое их количество в нужном месте кристалла могло бы сделать то же самое.

Их понимание в какой-то степени решило проблему необходимости в очень маленькой зоне контроля. Вместо двух отдельных полупроводников, соединенных общей, но крошечной областью, могла бы служить одна большая поверхность. Выводы для излучения и сбора электронов должны быть расположены очень близко друг к другу наверху, а контрольный вывод размещен на основании кристалла. Когда ток протекает через этот «базовый» вывод, электроны или дырки выталкиваются наружу через блок полупроводника и собираются на дальней поверхности. Пока эмиттер и коллектор находятся очень близко друг к другу, между ними должно быть достаточно электронов или дырок, чтобы появилась проводимость.

Первый транзистор [ править ]

Команда Bell сделала много попыток построить такую ​​систему с помощью различных инструментов, но в целом безуспешно. Установки, в которых контакты были достаточно близки, неизменно были такими же хрупкими, как оригинальные детекторы кошачьих усов, и работали бы недолго, если вообще работали. В конце концов они совершили практический прорыв. К краю пластикового клина приклеивали кусок золотой фольги, а затем фольгу срезали бритвой по кончику треугольника. Результатом стали два очень близко расположенных золотых контакта. Когда клин прижимался к поверхности кристалла и напряжение прикладывалось к другой стороне (на основании кристалла), ток начинал течь от одного контакта к другому, поскольку базовое напряжение отталкивало электроны от основания в направлении другая сторона возле контактов. Был изобретен точечный транзистор.

Хотя устройство было сконструировано неделей ранее, в примечаниях Браттейна описывается первая демонстрация вышестоящему руководству в Bell Labs днем ​​23 декабря 1947 года, часто называемая датой рождения транзистора. То, что сейчас известно как « p-n-p-германиевый транзистор с точечным контактом », 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 свои работы.

Происхождение термина «транзистор» [ править ]

Bell Telephone Laboratories нуждалось в общем названии для своего нового изобретения: «Полупроводниковый триод», «Твердый триод», «Триод с поверхностными состояниями» [ sic ], «Кристаллический триод» и «Иотатрон» все рассматривались, но «транзистор» придумал 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 «передача» и «варистор». Устройство логически принадлежит к семейству варисторов и имеет крутизну или передаточное сопротивление устройства с усилением, так что эта комбинация является описательной.

Улучшения в конструкции транзисторов [ править ]

Шокли был расстроен тем, что устройство приписывают Браттейну и Бардину, которые, по его мнению, построили его «за спиной», чтобы получить славу. Ситуация усугубилась, когда юристы Bell Labs обнаружили, что некоторые из собственных работ Шокли о транзисторе были достаточно близки к более раннему патенту 1925 года, выданному Юлиусом Эдгаром Лилиенфельдом , и они сочли целесообразным не указывать его имя в заявке на патент.

Шокли был в ярости и решил продемонстрировать, кто был настоящим мозгом операции. ^{[ необходима цитата ]} Несколько месяцев спустя он изобрел совершенно новый, значительно более прочный тип транзистора со слоистой структурой или «сэндвич-структурой». Эта структура использовалась для подавляющего большинства всех транзисторов в 1960-х годах и превратилась в транзистор с биполярным переходом .

Когда проблема хрупкости была решена, осталась проблема чистоты. Получение германия требуемой чистоты оказалось серьезной проблемой и ограничивало выход транзисторов, которые фактически работали из данной партии материала. Чувствительность германия к температуре также ограничивала его полезность. Ученые предположили, что кремний будет легче изготовить, но мало кто исследовал эту возможность. Гордон К. Тил был первым, кто разработал работающий кремниевый транзистор, а его компания, зарождающаяся Texas Instruments , извлекла выгоду из его технологических преимуществ. С конца 1960-х годов большинство транзисторов были кремниевыми. В течение нескольких лет на рынке появились продукты на основе транзисторов, в первую очередь портативные радиоприемники.

Статического индукционного транзистора , первый высокочастотный транзистор, был изобретен японскими инженерами Дзюнъити Нишизава и Y. Watanabe в 1950 году ^[6] Это был самый быстрый транзистор вплоть до 1980 - х годов. ^{[7] [8]}

Значительное улучшение производительности произошло, когда химик посоветовал компаниям, производящим полупроводники, использовать дистиллированную, а не водопроводную воду: ионы кальция , присутствующие в водопроводной воде, были причиной низкого выхода. « Зонная плавка », метод, использующий полосу расплавленного материала, движущегося через кристалл, еще больше повысил чистоту кристаллов.

Металлооксидный полупроводник (МОП) [ править ]

В 1950-х годах Мохамед Аталла исследовал поверхностные свойства кремниевых полупроводников в Bell Labs , где он предложил новый метод изготовления полупроводниковых устройств , покрывая кремниевую пластину изолирующим слоем оксида кремния, чтобы электричество могло надежно проникать в проводящий кремний ниже , преодолевая поверхностные состояния, не позволяющие электричеству достигать полупроводникового слоя. Это известно как пассивация поверхности , метод, который стал критически важным для полупроводниковой промышленности, поскольку сделал возможным массовое производство кремниевых интегральных схем.(ИС). Основываясь на своем методе пассивации поверхности, он разработал процесс металлооксидного полупроводника (MOS), который, как он предложил, можно использовать для создания первого работающего кремниевого полевого транзистора (FET). ^{[9] [10]} Это привело к изобретению MOSFET (MOS-полевого транзистора) Мохамедом Аталлой и Давоном Кангом в 1959 году. ^{[11] [12]} Благодаря его масштабируемости , ^[13] и гораздо более низкому энергопотреблению и более высокому уровню плотности, чем биполярные транзисторы , ^[14] MOSFET стал наиболее распространенным типом транзисторов в компьютерах, электронике, ^[10]и коммуникационные технологии, такие как смартфоны . ^[15] Управление по патентам и товарным знакам США называет MOSFET «революционным изобретением, которое изменило жизнь и культуру во всем мире». ^[15]

КМОП (дополнительная МОП ) была изобретена Чих-Тан Сахом и Фрэнком Ванлассом в Fairchild Semiconductor в 1963 году. ^[16] Первое сообщение о МОП-транзисторе с плавающим затвором было сделано Давоном Кангом и Саймоном Сзе в 1967 году. ^[17] FinFET (fin) полевой транзистор), тип трехмерного полевого МОП - транзистора с несколькими затворами , был разработан Дай Хисамото и его группой исследователей из Центральной исследовательской лаборатории Hitachi в 1989 году. ^{[18] [19]}

См. Также [ править ]

• Интегральная схема
• СБИС
• Изготовление полупроводниковых приборов
• Переходная спектроскопия глубокого уровня (DLTS)
• Надежность (полупроводник)

Ссылки [ править ]