Yarı iletken - Semiconductor

Vikipedi, özgür ansiklopedi

Bir yarı iletken malzeme, metalik bakır gibi bir iletken ile cam gibi bir yalıtkan arasında düşen bir elektrik iletkenlik değerine sahiptir . Bu direnç sıcaklığı yükseldikçe düşer; metaller tam tersi şekilde davranır. Bu iletken özellikleri katışkıları ( "sokulmasıyla yararlı şekillerde değiştirilebilir katkılama içine") kristal yapısı . Aynı kristalde iki farklı katkılı bölge bulunduğunda, bir yarı iletken bağlantısı oluşturulur. Elektronları , iyonları ve elektron deliklerini içeren yük taşıyıcılarının bu bağlantılardaki davranışı, diyotların , transistörlerin ve çoğu modern elektroniğin temelini oluşturur . Bazı yarı iletken örnekleri silikon , germanyum , galyum arsenit ve periyodik tablodaki sözde " metaloid merdiven " yakınındaki elementlerdir . Silikondan sonra galyum arsenit en yaygın ikinci yarı iletkendir ve lazer diyotlarında, güneş pillerinde, mikrodalga frekansı entegre devrelerde ve diğerlerinde kullanılır. Silikon, çoğu elektronik devrenin imalatı için kritik bir unsurdur.

Yarı iletken cihazlar , akımı bir yönde diğerine göre daha kolay geçirme, değişken direnç gösterme ve ışığa veya ısıya duyarlılık gibi bir dizi yararlı özellik gösterebilir. Bir yarı iletken malzemenin elektriksel özellikleri dopingle veya elektrik alanlarının veya ışığın uygulanmasıyla değiştirilebildiğinden, yarı iletkenlerden yapılan cihazlar amplifikasyon, anahtarlama ve enerji dönüşümü için kullanılabilir .

Silisyumun iletkenliği, az miktarda (10 8'de 1 mertebesinde ) beş değerli ( antimon , fosfor veya arsenik ) veya üç değerlikli ( bor , galyum , indiyum ) atomları eklenerek artırılır . Bu işlem, doping olarak bilinir ve ortaya çıkan yarı iletkenler, katkılı veya harici yarı iletkenler olarak bilinir. Katkılama dışında, bir yarı iletkenin iletkenliği, sıcaklığı artırılarak iyileştirilebilir. Bu, sıcaklık artışıyla iletkenliğin azaldığı bir metalin davranışına aykırıdır.

Bir yarı iletkenin özelliklerinin modern anlayışı, bir kristal kafesteki yük taşıyıcılarının hareketini açıklamak için kuantum fiziğine dayanır . Katkılama, kristal içindeki yük taşıyıcılarının sayısını büyük ölçüde artırır. Katkılı bir yarı iletken serbest delikler içerdiğinde " p-tipi " olarak adlandırılır ve serbest elektron içerdiğinde " n-tipi " olarak bilinir . Elektronik cihazlarda kullanılan yarı iletken malzemeler, p ve n tipi katkı maddelerinin konsantrasyonunu ve bölgelerini kontrol etmek için hassas koşullar altında takviye edilir. Tek bir yarı iletken cihaz kristali birçok p ve n tipi bölgeye sahip olabilir; p-n birleşme bu bölgeler arasında kullanışlı bir elektronik davranış sorumludur. Bir sıcak nokta probu kullanarak , bir yarı iletken numunenin p veya n tipi olup olmadığı hızlı bir şekilde belirlenebilir.

Yarı iletken malzemelerin bazı özellikleri, 19. yüzyılın ortalarında ve 20. yüzyılın ilk on yıllarında gözlemlendi. Elektronikte yarı iletkenlerin ilk pratik uygulaması, ilk radyo alıcılarında kullanılan ilkel bir yarı iletken diyot olan kedi-bıyık detektörünün 1904'te geliştirilmesiydi . Kuantum fiziğindeki gelişmeler, 1947'de transistörün , 1958'de entegre devrenin ve 1959'da MOSFET'in (metal-oksit-yarı iletken alan etkili transistör ) icat edilmesine yol açtı .

Özellikleri

Değişken elektriksel iletkenlik

Doğal hallerindeki yarı iletkenler zayıf iletkenlerdir çünkü bir akım elektron akışını gerektirir ve yarı iletkenlerin değerlik bantları doldurulur ve yeni elektronların tüm akışını engeller. Birkaç gelişmiş teknik, yarı iletken malzemelerin doping veya geçitleme gibi iletken malzemeler gibi davranmasına izin verir . Bu değişikliklerin iki sonucu vardır: n-tipi ve p-tipi . Bunlar, sırasıyla elektron fazlalığı veya kıtlığına atıfta bulunur. Dengesiz sayıda elektron, malzemenin içinden bir akımın akmasına neden olur.

Heterojunctions

Heterojonksiyonlar , iki farklı katkılı yarı iletken malzeme bir araya getirildiğinde meydana gelir. Örneğin, bir konfigürasyon p-katkılı ve n-katkılı germanyumdan oluşabilir . Bu, farklı katkılı yarı iletken malzemeler arasında bir elektron ve delik değişimi ile sonuçlanır. N katkılı germanyum fazla elektrona sahip olacaktı ve p-katkılı germanyum fazla deliğe sahip olacaktı. Transfer, rekombinasyon adı verilen bir işlemle dengeye ulaşılıncaya kadar gerçekleşir ve bu, n-tipinden göç eden elektronların p-tipinden göç eden deliklerle temas etmesine neden olur. Bu işlemin sonucu , kavşak boyunca bir elektrik alanına neden olan dar bir hareketsiz iyon şerididir .

Heyecanlı elektronlar

Yarı iletken bir malzeme üzerindeki elektrik potansiyelindeki bir fark, ısıl dengeyi terk etmesine ve denge dışı bir durum yaratmasına neden olur. Bu, sisteme ambipolar difüzyon adı verilen bir işlemle etkileşime giren elektronları ve delikleri sunar . Yarı iletken bir malzemede termal denge bozulduğunda, deliklerin ve elektronların sayısı değişir. Bu tür bozulmalar , sisteme girebilen ve elektronlar ve delikler oluşturabilen bir sıcaklık farkı veya fotonların bir sonucu olarak ortaya çıkabilir . Elektronları ve delikleri yaratan ve yok eden sürece sırasıyla üretim ve rekombinasyon denir .

Işık emisyonu

Bazı yarı iletkenlerde, uyarılmış elektronlar ısı üretmek yerine ışık yayarak gevşeyebilirler. Bu yarı iletkenler, ışık yayan diyotların ve floresan kuantum noktalarının yapımında kullanılır .

Yüksek termal iletkenlik

Yüksek termal iletkenliğe sahip yarı iletkenler, ısı dağıtımı ve elektroniklerin termal yönetimini iyileştirmek için kullanılabilir.

Termal enerji dönüşümü

Yarı iletkenler, termoelektrik jeneratörlerde faydalı olmalarını sağlayan büyük termoelektrik güç faktörlerine ve ayrıca termoelektrik soğutucularda faydalı olmasını sağlayan yüksek termoelektrik değerlere sahiptir .

Malzemeler

Silikon kristaller, mikroelektronik ve fotovoltaikte kullanılan en yaygın yarı iletken malzemelerdir .

Çok sayıda element ve bileşik, aşağıdakiler dahil yarı iletken özelliklere sahiptir:

En yaygın yarı iletken malzemeler kristal katı maddelerdir, ancak amorf ve sıvı yarı iletkenler de bilinmektedir. Bunlar, hidrojene amorf silikon ve çeşitli oranlarda arsenik , selenyum ve tellür karışımlarını içerir . Bu bileşikler, daha iyi bilinen yarı iletkenlerle, ara iletkenlik özelliklerini ve sıcaklıkla hızlı bir iletkenlik değişiminin yanı sıra ara sıra negatif direnç özelliklerini paylaşır . Bu tür düzensiz malzemeler, silikon gibi geleneksel yarı iletkenlerin sert kristal yapısından yoksundur. Genellikle , daha yüksek elektronik kalitede malzeme gerektirmeyen, kirliliklere ve radyasyon hasarına nispeten duyarsız olan ince film yapılarında kullanılmıştır .

Yarı iletken malzemelerin hazırlanması

Günümüzün neredeyse tüm elektronik teknolojisi yarı iletkenlerin kullanımını içerir ve en önemli yönü dizüstü bilgisayarlarda , tarayıcılarda, cep telefonlarında vb. Bulunan entegre devredir (IC) . IC'ler için yarı iletkenler seri üretilir. İdeal bir yarı iletken malzeme oluşturmak için kimyasal saflık çok önemlidir. Herhangi bir küçük kusur, malzemelerin kullanıldığı ölçek nedeniyle yarı iletken malzemenin nasıl davrandığı üzerinde ciddi bir etkiye sahip olabilir.

Kristal yapıdaki hatalar ( dislokasyonlar , ikizler ve istifleme hataları gibi ) malzemenin yarı iletken özelliklerine müdahale ettiğinden , yüksek derecede kristal mükemmellik de gereklidir . Kristalin arızalar, hatalı yarı iletken cihazların ana nedenidir. Kristal ne kadar büyükse, gerekli mükemmelliği elde etmek o kadar zor olur. Mevcut seri üretim süreçleri , silindir olarak büyütülen ve gofretler halinde dilimlenen 100 ila 300 mm (3,9 ve 11,8 inç) çapa sahip kristal külçeler kullanmaktadır .

IC'ler için yarı iletken malzemeler hazırlamak için kullanılan işlemlerin bir kombinasyonu vardır. Bir işlem olarak adlandırılır termal oksidasyon oluşturan silikon dioksit yüzeyi üzerinde silikon . Bu, kapı izolatörü ve alan oksidi olarak kullanılır . Diğer işlemlere fotomaskler ve fotolitografi denir . Bu süreç, entegre devrede devre üzerindeki kalıpları yaratan şeydir. Ultraviyole ışık , devre için desenleri oluşturan kimyasal bir değişim yaratmak için bir fotorezist katmanla birlikte kullanılır .

Aşındırma, gerekli olan bir sonraki işlemdir. Silisyumun önceki adımdaki fotorezist katman tarafından kaplanmamış kısmı artık aşındırılabilir. Günümüzde tipik olarak kullanılan ana işleme plazma aşındırma denir . Plazma aşındırma genellikle plazma oluşturmak için düşük basınçlı bir odaya pompalanan bir dağlama gazını içerir . Yaygın bir dağlama gazı kloroflorokarbon veya daha yaygın olarak bilinen Freon'dur . Katot ve anot arasındaki yüksek bir radyo frekansı voltajı , haznede plazmayı yaratan şeydir. Gofret silikon neden olur katot üzerinde yer almaktadır, plazma salınan pozitif yüklü iyonlar tarafından vurulacak. Nihai sonuç, anizotropik olarak kazınmış silikondur .

Son sürece difüzyon denir . Yarı iletken malzemeye istenen yarı iletken özelliklerini veren süreç budur. Aynı zamanda doping olarak da bilinir . İşlem, sisteme pn birleşimini oluşturan saf olmayan bir atom sunar . Silikon gofretin içine gömülü saf olmayan atomları elde etmek için, gofret ilk olarak 1.100 santigrat derecelik bir odaya yerleştirilir. Atomlar enjekte edilir ve sonunda silikonla birlikte yayılır. İşlem tamamlandıktan ve silikon oda sıcaklığına ulaştıktan sonra doping işlemi yapılır ve yarı iletken malzeme entegre devrede kullanıma hazır hale gelir.

Yarı iletkenlerin fiziği

Enerji bantları ve elektrik iletimi

Elektronik durumların çeşitli malzeme türlerinde dengede doldurulması . Burada yükseklik enerjidir, genişlik ise listelenen malzemedeki belirli bir enerji için mevcut durumların yoğunluğudur . Gölge, Fermi – Dirac dağılımını takip eder ( siyah : tüm durumlar dolu, beyaz : doldurulmuş durum yok). Olarak metal ve yarı metallerin Fermi düzeyi E F , en az bir bant içinde yer almaktadır.
Gelen izolatör ve yarı iletkenler Fermi seviyesi içinde olan bant aralığı ; bununla birlikte, yarı iletkenlerde bantlar, elektronlar veya
deliklerle termal olarak doldurulmaya yetecek kadar Fermi seviyesine yakındır .

Yarı iletkenler, bir iletken ile yalıtkan arasında bir yerde, benzersiz elektrik iletken davranışlarıyla tanımlanır. Bu malzemeler arasındaki farklar , her biri sıfır veya bir elektron içerebilen ( Pauli dışlama ilkesine göre ) elektronlar için kuantum durumları açısından anlaşılabilir . Bu durumlar , malzemenin elektronik bant yapısıyla ilişkilidir . Elektriksel iletkenlik , yerelleştirilmiş (malzeme boyunca uzanan ) durumlarda elektronların varlığından kaynaklanır , ancak elektronları taşımak için, zamanın yalnızca bir bölümünde bir elektron içeren bir durum kısmen doldurulmalıdır . Durum her zaman bir elektronla meşgulse, o zaman etkisizdir ve diğer elektronların bu durumdan geçişini bloke eder. Bu kuantum hallerinin enerjileri kritiktir çünkü bir durum sadece enerjisi Fermi seviyesine yakınsa kısmen doldurulur (bkz. Fermi-Dirac istatistikleri ).

Malzemedeki yüksek iletkenlik, birçok kısmen doldurulmuş duruma ve birçok durum yer değiştirmesine sahip olmasından gelir. Metaller iyi elektrik iletkenleridir ve Fermi seviyelerine yakın enerjilerle kısmen dolu birçok duruma sahiptir. İzolatörlerin aksine, kısmen dolu durumları azdır, Fermi seviyeleri , işgal edilecek çok az enerji durumuyla bant boşlukları içinde oturur . Daha da önemlisi, bir yalıtkan, sıcaklığını artırarak gerçekleştirilebilir: ısıtma, bant aralığı boyunca bazı elektronları ilerletmek için enerji sağlar, hem bant boşluğunun altındaki durumlar bandında ( değerlik bandı ) hem de yukarıdaki durumların bandında kısmen dolu durumları indükler . bandgap ( iletim bandı ). Bir (içsel) yarı iletken, bir yalıtkanınkinden daha küçük bir bant aralığına sahiptir ve oda sıcaklığında, bant boşluğunu geçmek için önemli sayıda elektron uyarılabilir.

Bununla birlikte, saf bir yarı iletken, ne çok iyi bir yalıtkan ne de çok iyi bir iletken olduğu için pek kullanışlı değildir. Bununla birlikte, yarı iletkenlerin (ve yarı izolatörler olarak bilinen bazı izolatörlerin) önemli bir özelliği, iletkenliklerinin safsızlıklarla katkılama ve elektrik alanlarıyla geçitleme yoluyla artırılıp kontrol edilebilmesidir . Doping ve geçitleme, iletim veya değerlik bandını Fermi seviyesine çok daha yakın hareket ettirir ve kısmen dolu durumların sayısını büyük ölçüde artırır.

Bazı daha geniş bant aralıklı yarı iletken malzemeler bazen yarı yalıtkanlar olarak adlandırılır . Katkısız olduklarında, bunlar elektrik yalıtkanlarınınkine daha yakın bir elektrik iletkenliğine sahiptir, ancak katkılı olabilirler (yarı iletkenler kadar kullanışlı hale getirirler). Yarı izolatörler, HEMT için alt tabakalar gibi mikro elektronikte niş uygulamaları bulur . Yaygın bir yarı yalıtkan örneği galyum arsenittir . Titanyum dioksit gibi bazı malzemeler, bazı uygulamalar için yalıtım malzemesi olarak kullanılabilirken, diğer uygulamalar için geniş aralıklı yarı iletkenler olarak işlem görür.

Yük taşıyıcıları (elektronlar ve delikler)

İletim bandının altındaki durumların kısmi olarak doldurulması, bu banda elektron eklemek olarak anlaşılabilir. Elektronlar (doğal termal rekombinasyon nedeniyle) sonsuza kadar kalmazlar, ancak bir süre hareket edebilirler. Elektronların gerçek konsantrasyonu tipik olarak çok seyreltilir ve bu nedenle (metallerin aksine) bir yarı iletkenin iletim bandındaki elektronları, elektronların maruz kalmadan serbestçe uçtukları bir tür klasik ideal gaz olarak düşünmek mümkündür . Pauli ilkesi . Çoğu yarı iletkende, iletim bantları parabolik bir dağılım ilişkisine sahiptir ve bu nedenle bu elektronlar, farklı bir etkin kütleye sahip olsalar da, kuvvetlere (elektrik alanı, manyetik alan vb.) Bir boşlukta olduğu gibi tepki verirler . Elektronlar ideal bir gaz gibi davrandıkları için, iletkenlik hakkında Drude modeli gibi çok basit terimlerle de düşünülebilir ve elektron hareketliliği gibi kavramlar ortaya atılabilir .

Değerlik bandının üst kısmındaki kısmi doldurma için, bir elektron deliği kavramını tanıtmak yararlıdır . Değerlik bandındaki elektronlar her zaman hareket etse de, tamamen tam bir değerlik bandı atıldır ve herhangi bir akım iletmez. Değerlik bandından bir elektron çıkarılırsa, elektronun normalde alacağı yörünge artık yükünü kaybediyor. Elektrik akımı amacıyla, elektron eksi tam değerlik bandının bu kombinasyonu, elektronla aynı şekilde hareket eden pozitif yüklü bir parçacık içeren tamamen boş bir bant resmine dönüştürülebilir. İle birlikte negatif değerlik bandının üstündeki elektronların etkin kütlesi, biz elektrik ve manyetik alanlara yanıt verir normal pozitif yüklü parçacık bazılarıyla yine boşlukta yapacağını gibi bir pozitif yüklü parçacığın bir resim varmak pozitif etkili kütle. Bu parçacık bir delik olarak adlandırılır ve değerlik bandındaki deliklerin toplanması yine basit klasik terimlerle anlaşılabilir (iletim bandındaki elektronlarda olduğu gibi).

Taşıyıcı üretimi ve rekombinasyonu

Zaman iyonize edici radyasyon , bir yarı iletken ile temas ettiğinde, bu enerji seviyesinin bir elektron üzerinden tahrik ve sonuç olarak bir delik bırakabilir. Bu süreç elektron deliği çifti üretimi olarak bilinir . Elektron deliği çiftleri, herhangi bir harici enerji kaynağı olmadığında da sürekli olarak termal enerjiden üretilir .

Elektron deliği çiftleri de yeniden birleşmeye meyillidir. Enerjinin korunumu, bir elektronun bant aralığından daha büyük miktarda enerji kaybettiği bu rekombinasyon olaylarına, termal enerji ( fonon formunda ) veya radyasyon ( foton formunda) emisyonunun eşlik etmesini gerektirir .

Bazı durumlarda, elektron deliği çiftlerinin üretimi ve rekombinasyonu dengede. Belirli bir sıcaklıkta sabit durumdaki elektron deliği çiftlerinin sayısı, kuantum istatistiksel mekaniği ile belirlenir . Hassas kuantum mekanik üretimi ve yeniden birleştirme mekanizmaları tarafından yönetilir enerjinin korunumu ve momentumun korunumu .

Elektronların ve deliklerin bir araya gelme olasılığı, sayılarının çarpımı ile orantılı olduğundan, önemli bir elektrik alanı olmaması koşuluyla, ürün, belirli bir sıcaklıkta sabit durumda neredeyse sabittir (her ikisinin de taşıyıcılarını "yıkayabilir" türleri veya bunları daha fazlasını içeren komşu bölgelerden bir araya getirmek için taşıyın) veya harici olarak tahrik edilen çift oluşturma. Ürün exp yaklaşık olarak, sıcaklık ile bir çift artar üretmek yeterli termal enerji alma olasılığı olarak, sıcaklığın bir fonksiyonudur - ( D G / kT ) k olduğu Boltzmann sabiti , T mutlak sıcaklık ve bir D G, bant aralığıdır.

Karşılaşma olasılığı, taşıyıcı tuzaklarla (bir elektron veya deliği yakalayabilen ve bir çift tamamlanana kadar onu tutabilen safsızlıklar veya çıkıklar) artırılır. Bu tür taşıyıcı tuzaklar bazen kararlı duruma ulaşmak için gereken süreyi azaltmak için kasıtlı olarak eklenir.

Doping

Yarı iletkenlerin iletkenliği, kristal kafeslerine safsızlıklar eklenerek kolayca değiştirilebilir . Bir yarı iletkene kontrollü safsızlıklar ekleme işlemi doping olarak bilinir . İçsel (saf) bir yarı iletkene eklenen kirlilik veya katkı maddesi miktarı iletkenlik seviyesini değiştirir. Katkılı yarı iletkenler dışsal olarak adlandırılır . Saf yarı iletkenlere safsızlık ekleyerek, elektriksel iletkenlik binlerce veya milyonlarca faktörle değiştirilebilir.

1 cm 3'lük bir metal veya yarı iletken numunesi 10 22 atom düzenine sahiptir . Bir metalde, her atom iletim için en az bir serbest elektron bağışlar, bu nedenle 1 cm 3 metal 10 22 serbest elektron içerirken , 20 ° C'de 1 cm 3 saf germanyum numunesi   yaklaşık 4,2 × 10 22 atom, ancak yalnızca 2,5 × 10 13 serbest elektron ve 2,5 × 10 13 delik. % 0,001 arsenik (bir safsızlık) ilavesi , aynı hacimde fazladan 10 17 serbest elektron verir ve elektriksel iletkenlik 10.000 kat artar .

Uygun katkı maddeleri olarak seçilen malzemeler, hem katkı maddesinin hem de katkılanacak malzemenin atomik özelliklerine bağlıdır. Genel olarak, istenen kontrollü değişiklikleri üreten katkı maddeleri, elektron alıcıları veya donörler olarak sınıflandırılır . Donör safsızlıkları ile katkılanmış yarı iletkenler n-tipi olarak adlandırılırken , alıcı safsızlıklar ile katkılananlar p-tipi olarak bilinir . N ve p tip tanımları, hangi yük taşıyıcısının malzemenin çoğunluk taşıyıcısı olarak davrandığını gösterir . Karşı taşıyıcıya, çoğunluk taşıyıcıya kıyasla çok daha düşük bir konsantrasyonda termal uyarıma bağlı olarak var olan azınlık taşıyıcı adı verilir .

Örneğin, saf yarı iletken silikon , her silikon atomunu komşularına bağlayan dört değerlik elektronuna sahiptir. Silikonda en yaygın katkı maddeleri grup III ve grup V elementleridir. Grup III elemanlarının tümü üç değerlik elektronu içerir ve bu elektronların silikonu katmak için kullanıldığında alıcı olarak işlev görmelerine neden olur. Bir alıcı atom kristaldeki bir silikon atomunun yerini aldığında, kafes etrafında hareket edebilen ve bir yük taşıyıcı olarak işlev görebilen boş bir durum (bir elektron "deliği") yaratılır. Grup V elemanları beş valans elektronuna sahiptir, bu da onların bir verici olarak hareket etmelerine izin verir; bu atomların silikon ile ikame edilmesi fazladan bir serbest elektron yaratır. Bu nedenle, borla katkılanmış bir silikon kristali , p-tipi bir yarı iletken oluştururken, fosforla katkılanmış bir n-tipi malzeme ile sonuçlanır.

İmalat sırasında , katkı maddeleri, istenen elemanın gaz halindeki bileşikleri ile temas yoluyla yarı iletken gövdeye yayılabilir veya katkılı bölgeleri doğru bir şekilde konumlandırmak için iyon implantasyonu kullanılabilir.

Amorf yarı iletkenler

Camsı amorf bir duruma hızla soğutulduğunda bazı malzemeler yarı iletken özelliklere sahiptir. Bunlar B, Si , Ge, Se ve Te'yi içerir ve bunları açıklamak için birden fazla teori vardır.

Yarı iletkenlerin erken tarihi

Yarı iletkenlerin anlaşılmasının tarihi, malzemelerin elektriksel özellikleri üzerine deneylerle başlar. Direnç, düzeltme ve ışığa duyarlılık zaman-sıcaklık katsayısının özellikleri 19. yüzyılın başlarından itibaren gözlemlendi.

Thomas Johann Seebeck , 1821'de yarı iletkenlerden kaynaklanan bir etkiyi ilk fark eden kişiydi. 1833'te Michael Faraday , gümüş sülfit örneklerinin ısıtıldıklarında direncinin azaldığını bildirdi . Bu, bakır gibi metalik maddelerin davranışına aykırıdır. 1839'da Alexandre Edmond Becquerel , bir katı ve bir sıvı elektrolit arasındaki voltajın ışığa çarptığında fotovoltaik etki olduğunu gözlemlediğini bildirdi . 1873'te Willoughby Smith , selenyum dirençlerinin üzerine ışık düştüğünde azalan direnç gösterdiğini gözlemledi . 1874'te, Karl Ferdinand Braun metalik sülfitlerde iletim ve düzeltmeyi gözlemledi , ancak bu etki Peter Munck af Rosenschold'un ( sv ) 1835'te Annalen der Physik und Chemie için yazdığı yazı tarafından çok daha önce keşfedilmişti ve Arthur Schuster , bir bakır oksit tabakasını buldu. teller üzerinde, teller temizlendiğinde sona eren düzeltme özellikleri vardır. William Grylls Adams ve Richard Evans Day, 1876'da selenyumdaki fotovoltaik etkiyi gözlemledi.

Bu fenomenlerin birleşik bir açıklaması , 20. yüzyılın ilk yarısında büyük ölçüde gelişen bir katı hal fiziği teorisi gerektirdi . 1878'de Edwin Herbert Hall , uygulanan bir manyetik alan olan Hall etkisi ile akan yük taşıyıcılarının sapmasını gösterdi . Elektronun 1897'de JJ Thomson tarafından keşfi, katılarda elektron temelli iletim teorilerine yol açtı. Karl Baedeker , metallerdekinin ters işareti ile bir Hall etkisini gözlemleyerek, bakır iyodürün pozitif yük taşıyıcıları olduğu teorisini ortaya çıkardı. Johan Koenigsberger 1914'te metaller, yalıtkanlar ve "değişken iletkenler" gibi katı malzemeleri sınıflandırmış olsa da öğrencisi Josef Weiss , doktora programında Halbleiter (modern anlamıyla bir yarı iletken) terimini zaten tanıttı . 1910 tez Felix Bloch 1930'da 1928'de atom örgüleri ile elektronların hareketine bir teori yayınlanan, B. Gudden yarı iletkenler bu iletkenlik yabancı maddelerin küçük konsantrasyonlarda dolayı olduğunu belirtti. 1931'de Alan Herries Wilson tarafından bant iletim teorisi oluşturulmuş ve bant boşlukları kavramı geliştirilmiştir. Walter H. Schottky ve Nevill Francis Mott , potansiyel bariyer modellerini ve metal-yarı iletken bir bağlantının karakteristiklerini geliştirdiler . 1938'de Boris Davydov, p-n bağlantısının etkisini ve azınlık taşıyıcıların ve yüzey durumlarının önemini belirleyen bir bakır oksit redresörü teorisi geliştirdi .

Teorik tahminler (kuantum mekaniğini geliştirmeye dayalı) ve deneysel sonuçlar arasındaki anlaşma bazen zayıftı. Bu daha sonra John Bardeen tarafından , özellikleri küçük miktarlardaki kirliliklere bağlı olarak dramatik bir şekilde değişen yarı iletkenlerin aşırı "yapıya duyarlı" davranışından dolayı açıklandı . Çeşitli oranlarda eser kirletici içeren 1920'lerin ticari olarak saf malzemeleri, farklı deneysel sonuçlar üretti. Bu, trilyon başına parça saflıkta malzemeler üreten modern yarı iletken rafinerilerle sonuçlanan iyileştirilmiş malzeme arıtma tekniklerinin geliştirilmesini teşvik etti.

Yarı iletkenleri kullanan cihazlar, yarı iletken teorisi daha yetenekli ve güvenilir cihazların yapımı için bir rehber sağlamadan önce ilk başta deneysel bilgiye dayalı olarak inşa edildi.

Alexander Graham Bell , 1880'de sesi bir ışık huzmesi üzerinden iletmek için selenyumun ışığa duyarlı özelliğini kullandı. Charles Fritts tarafından 1883'te selenyum ile kaplanmış metal bir plaka ve ince bir tabaka kullanılarak , düşük verimli, çalışan bir güneş pili inşa edildi. altından; cihaz, 1930'larda fotografik ışık ölçerlerinde ticari olarak kullanışlı hale geldi. Kurşun sülfitten yapılan nokta temaslı mikrodalga dedektör doğrultucuları Jagadish Chandra Bose tarafından 1904'te kullanıldı; alet edilen bıyık detektör doğal galen veya başka malzemeler kullanılarak ortak bir cihaz haline geldi radyonun geliştirilmesi . Bununla birlikte, operasyonda bir şekilde tahmin edilemezdi ve en iyi performans için manuel ayar yapılması gerekiyordu. 1906'da HJ Round , elektrik akımı silikon karbür kristallerinden geçtiğinde ışık yayılımını gözlemledi , bu ışık yayan diyotun arkasındaki ilke . Oleg Losev , 1922'de benzer ışık yayılımını gözlemledi, ancak o sırada etkinin pratik bir faydası yoktu. Bakır oksit ve selenyum kullanan güç redresörleri 1920'lerde geliştirildi ve vakum tüplü redresörlere alternatif olarak ticari olarak önemli hale geldi .

Birinci yarı iletken cihazlar kullanılır galen Alman de dahil olmak üzere, fizikçi Ferdinand Braun kristal detektörü 1874 yılında ve Bengal fizikçi Jagadish Chandra Bose radyo 1901 kristal detektörü.

II.Dünya Savaşı'ndan önceki yıllarda, kızılötesi algılama ve iletişim cihazları, kurşun-sülfid ve kurşun-selenid materyalleri üzerine araştırmalar yapılmasını sağlamıştır. Bu cihazlar, gemileri ve uçakları tespit etmek, kızılötesi telemetreler ve sesli iletişim sistemleri için kullanıldı. Nokta temaslı kristal detektör mikrodalga radyo sistemleri için hayati bir önem kazandı çünkü mevcut vakum tüplü cihazlar, yaklaşık 4000 MHz'in üzerinde detektörler olarak hizmet edemedi; gelişmiş radar sistemleri, kristal dedektörlerin hızlı tepkisine dayanıyordu. Savaş sırasında tutarlı kalitede dedektörler geliştirmek için silikon malzemeler üzerinde önemli araştırma ve geliştirme yapıldı .

Erken transistörler

Dedektör ve güç redresörleri bir sinyali yükseltemedi. Bir katı hal amplifikatörü geliştirmek için birçok çaba gösterildi ve 20db veya daha fazlasını yükseltebilen nokta kontak transistörü adı verilen bir cihaz geliştirmede başarılı oldu . 1922'de Oleg Losev , radyo için iki terminalli, negatif direnç amplifikatörleri geliştirdi , ancak başarılı bir şekilde tamamlandıktan sonra Leningrad Kuşatması'nda öldü . 1926'da Julius Edgar Lilienfeld , alan etkili transistöre benzeyen bir cihazın patentini aldı , ancak bu pratik değildi. R. Hilsch ve RW Pohl, 1938'de bir vakum tüpünün kontrol ızgarasına benzeyen bir yapı kullanarak bir katı hal amplifikatörü gösterdi; cihaz güç kazancı göstermesine rağmen, saniyede bir döngü kesilme frekansına sahipti , herhangi bir pratik uygulama için çok düşüktü, ancak mevcut teorinin etkili bir uygulamasıydı. En Bell Labs , William Shockley ve A. Holden 1938 katı hal yükselticileri araştıran başlayan ilk p-n silikon birleşme ile gözlenmiştir Russell Ohl numune ışığa duyarlı olduğu bulunmuştur zaman keskin sınırı arasındaki, 1941 hakkında bir uçta p-tipi safsızlık ve diğerinde n-tipi. P – n sınırında numuneden kesilen bir dilim, ışığa maruz kaldığında bir voltaj geliştirdi.

İlk çalışan transistör , John Bardeen , Walter Houser Brattain ve William Shockley tarafından 1947'de Bell Laboratuvarlarında icat edilen bir nokta temaslı transistördü . Shockley daha önce germanyum ve silikondan yapılmış bir alan etkili amplifikatör kuramlaştırmıştı , ancak böyle bir çalışma yapamadı cihaz, sonunda nokta temas transistörünü icat etmek için germanyum kullanmadan önce. Fransa'da savaş sırasında Herbert Mataré , bir germanyum tabanındaki bitişik nokta temasları arasında büyütme gözlemlemişti. Savaştan sonra, Mataré'nin grubu "Transistron" amplifikatörünü Bell Labs'ın " transistörü " duyurmasından kısa bir süre sonra duyurdu .

1954'te fiziksel kimyager Morris Tanenbaum , Bell Laboratuvarlarında ilk silikon bağlantı transistörünü üretti . Bununla birlikte, erken bağlantı transistörleri , seri üretim temelinde üretilmesi zor olan nispeten büyük cihazlardı ve bu da onları bir dizi özel uygulama ile sınırlandırdı.

Germanyum ve silikon yarı iletkenler

Mohamed Atalla geliştirilen yüzey pasivasyon 1957'de süreci ve MOS transistor 1959 yılında.

İlk silikon yarı iletken cihaz, 1906'da Amerikalı mühendis Greenleaf Whittier Pickard tarafından geliştirilen bir silikon radyo kristal dedektörüydü . 1940'ta Russell Ohl , silikondaki pn birleşimini ve fotovoltaik etkileri keşfetti . 1941'de, II.Dünya Savaşı sırasında radar mikrodalga dedektörleri için yüksek saflıkta germanyum ve silikon kristalleri üretme teknikleri geliştirildi . 1955'te, Bell Laboratuvarlarından Carl Frosch ve Lincoln Derick, yanlışlıkla silikon dioksitin (SiO 2 ) silikon üzerinde yetiştirilebileceğini keşfettiler ve daha sonra bunun 1958'deki difüzyon işlemleri sırasında silikon yüzeyleri maskeleyebileceğini önerdiler .

Yarı iletken endüstrisinin ilk yıllarında, 1950'lerin sonlarına kadar germanyum, transistörler ve diğer yarı iletken cihazlar için silikondan ziyade baskın yarı iletken malzemeydi. Germanyum, daha yüksek taşıyıcı hareketliliği nedeniyle daha iyi performans gösterebildiği için başlangıçta daha etkili yarı iletken malzeme olarak kabul edildi . Erken silikon yarı iletken performans göreceli eksikliği nedeniyle elektrik iletkenliği kararsız ile sınırlanmadan kuantum yüzey durumlarının , elektronlar nedeniyle, yüzeyde sıkışıp bağları sarkan nedeniyle oluşan doymamış bağlar yüzeyinde mevcut bulunmaktadır. Bu, elektriğin yarı iletken silikon tabakaya ulaşmak için yüzeye güvenilir bir şekilde nüfuz etmesini engelledi .

Silisyum yarı iletken teknolojisinde bir atılım Mısırlı mühendis çalışmaları ile geldi Mohamed atalla sürecini geliştirdi, yüzey pasivasyon tarafından termal oksidasyon 1950'lerin sonlarında Bell Laboratuarlarında. Termal olarak büyütülmüş bir silikon dioksit tabakasının oluşumunun , silikon yüzeyindeki elektronik durum konsantrasyonunu büyük ölçüde azalttığını ve silikon oksit tabakalarının silikon yüzeyleri elektriksel olarak stabilize etmek için kullanılabileceğini keşfetti . Atalla, bulgularını ilk olarak 1957'de Bell notlarında yayınladı ve ardından 1958'de gösterdi. Bu, yüksek kaliteli silikon dioksit yalıtkan filmlerin, alttaki silikon pn bağlantı diyotlarını korumak için silikon yüzeyinde termal olarak büyütülebileceğini gösteren ilk gösteriydi ve transistörler. Atalla'nın yüzey pasivasyon süreci, silikonun germanyumun iletkenliğini ve performansını aşmasını sağladı ve silisyumun dominant yarı iletken malzeme olarak germanyumun yerini almasına yol açtı. Atalla'nın yüzey pasifleştirme süreci, silikon yarı iletken teknolojisindeki en önemli gelişme olarak kabul edilir ve silikon yarı iletken cihazların seri üretiminin önünü açar. 1960'ların ortalarında, Atalla'nın oksitlenmiş silikon yüzeyler süreci, neredeyse tüm entegre devreleri ve silikon cihazları imal etmek için kullanıldı.

MOSFET (MOS transistörü)

MOSFET (MOS transistor) tarafından icat edilmiştir Mohamed atalla ve Dawon Kahng 1959 yılında.

1950'lerin sonunda, Mohamed Atalla onun kullanılan yüzey pasivasyonu ve termal oksitlenme geliştirmek için yöntemler metal oksit yarıiletken o ilk çalışma, silikon alan etkili transistor oluşturmak için kullanılabilir önerilen (MOS) işlemi. İcat edilmesini sağlamıştır Bu MOSFET Mohamed atalla tarafından (MOS alan etkili transistörü) Dawon Kahng 1959'da Onun sayesinde, minyatür ve kullanan geniş bir yelpazesi için seri üretilen olabilir ilk gerçek kompakt transistör oldu ölçeklenebilirlik , ve bipolar bağlantı transistörlerinden çok daha düşük güç tüketimi ve daha yüksek yoğunluk , MOSFET bilgisayarlarda, elektronik cihazlarda ve akıllı telefonlar gibi iletişim teknolojilerinde en yaygın transistör türü haline geldi . ABD Patent ve Marka Ofisi , bir "dünya çapında yaşam ve kültürünü dönüştürülmüş olduğunu çığır buluş" MOSFET çağırır.

CMOS (tamamlayıcı MOS) işlem tarafından geliştirilen Chih-Tang Şah ve Frank Wanlass de Fairchild Semiconductor 1963 bir ilk raporunda MOSFET kayan kapısı Dawon Kahng ve tarafından yapıldı Simon Sze 1967 yılında FinFET (fin alan etkili transistörü ), bir tür 3 boyutlu çok kapılı MOSFET, Digh Hisamoto ve Hitachi Merkez Araştırma Laboratuvarı'ndaki araştırmacı ekibi tarafından 1989 yılında geliştirildi .

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

Dış bağlantılar