yarı iletken - Semiconductor

Yarı iletken cihazların ana hatları

Bir yarı iletken malzeme, bir yer alır , elektrik iletkenliği , bir karşılığı arasındaki düşen değeri iletken metalik bakır, ve bir yalıtkan cam gibi. 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 bağlantı oluşturulur. Elektronları , iyonları ve iyonları içeren yük taşıyıcıların davranışıBu kavşaklardaki elektron delikleri diyotların , transistörlerin ve çoğu modern elektroniğin temelidir . Yarı iletkenlerin bazı örnekleri, silikon , germanyum , galyum arsenit ve periyodik tablodaki " metaloid merdiven " olarak adlandırılan elementlerin yakınındaki elementlerdir . Galyum arsenit, silikondan sonra en yaygın ikinci yarı iletkendir ve lazer diyotlarında, güneş pillerinde, mikrodalga frekanslı entegre devrelerde ve diğerlerinde kullanılır. Silikon, çoğu elektronik devreyi üretmek için kritik bir unsurdur.

Yarı iletken cihazlar , akımı bir yönde diğerine göre daha kolay geçirme, değişken direnç gösterme ve ışığa veya ısıya duyarlı olma gibi bir dizi faydalı özellik gösterebilir. Bir yarı iletken malzemenin elektriksel özellikleri, doping ve elektrik alanları veya ışık uygulaması ile değiştirilebildiğinden, yarı iletkenlerden yapılmış cihazlar amplifikasyon, anahtarlama ve enerji dönüşümü için kullanılabilir .

Silikon iletkenliği (10 da 1 mertebesinde bir miktar eklenerek arttırılır 8 beş değerli (arasında) , antimon , fosfor , veya arsenik ) ya da üç değerlikli ( bor , galyum , indiyum ) atomuna sahiptir. Bu işlem doping olarak bilinir ve elde edilen yarı iletkenler, katkılı veya dış yarı iletkenler olarak bilinir. Doping dışında, bir yarı iletkenin iletkenliği, sıcaklığı artırılarak geliştirilebilir. Bu, sıcaklıktaki bir artışla iletkenliğin azaldığı bir metalin davranışına aykırıdır.

Bir yarı iletkenin özelliklerinin modern anlayışı, bir kristal kafes içindeki yük taşıyıcıların hareketini açıklamak için kuantum fiziğine dayanır . Doping, kristal içindeki yük taşıyıcılarının sayısını büyük ölçüde artırır. Katkılı yarı iletken serbest delikler içerdiğinde buna " p-tipi ", serbest elektronlar içerdiğinde ise " n-tipi " olarak bilinir . Elektronik cihazlarda kullanılan yarı iletken malzemeler, p ve n tipi katkı maddelerinin konsantrasyonunu ve bölgelerini kontrol etmek için kesin koşullar altında katkılanır. 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 örneğinin p- veya n-tipi olup olmadığı hızlı bir şekilde belirlenebilir.

Yarı iletken malzemelerin bazı özellikleri, 19. yüzyılın ortaları ve 20. yüzyılın ilk on yılı boyunca gözlendi. Elektronikte yarı iletkenlerin ilk pratik uygulaması, erken radyo alıcılarında kullanılan ilkel bir yarı iletken diyot olan kedi bıyık dedektörünün 1904'teki gelişimiydi . Kuantum fiziğindeki gelişmeler, 1947'de transistörün , 1958'de entegre devrenin ve 1959'da MOSFET'in (metal-oksit-yarı iletken alan etkili transistör ) icadına yol açtı.

Özellikler

Değişken elektriksel iletkenlik

Doğal hallerinde yarı iletkenler zayıf iletkenlerdir çünkü bir akım elektron akışını gerektirir ve yarı iletkenlerin değerlik bantları doldurulur, bu da yeni elektronların tüm akışını engeller. Birkaç gelişmiş teknik, yarı iletken malzemelerin, doping veya geçit gibi iletken malzemeler gibi davranmasına izin verir . Bu değişikliklerin iki sonucu vardır: n-tipi ve p-tipi . Bunlar sırasıyla elektronların fazlalığını veya eksikliğini ifade eder. Dengesiz sayıda elektron, malzemenin içinden bir akımın akmasına neden olur.

hetero-bağlantılar

Hetero-bağlantılar , iki farklı katkılı yarı iletken malzeme birleştirildiğinde meydana gelir. Örneğin, bir konfigürasyon p-katkılı ve n-katkılı germanyumdan oluşabilir. Bu, farklı katkılı yarı iletken malzemeler arasında elektron ve delik değişimi ile sonuçlanır. N-katkılı germanyum fazla elektrona sahip olacak ve p-katkılı germanyum fazla deliğe sahip olacaktır. Transfer, n-tipinden göç eden elektronların p-tipinden göç eden delikler ile temas etmesine neden olan, rekombinasyon adı verilen bir işlemle bir dengeye ulaşılana kadar gerçekleşir. Bu işlemin sonucu, bağlantı boyuncabir elektrik alanına neden olandar bir hareketsiz iyon şerididir.

heyecanlı elektronlar

Yarı iletken bir malzeme üzerindeki elektrik potansiyelindeki bir fark, onun termal dengeden çıkmasına ve denge dışı bir durum yaratmasına neden olur. Bu, ambipolar difüzyon adı verilen bir süreçle etkileşime giren sisteme elektronlar ve delikler sunar . Yarı iletken bir malzemede termal denge bozulduğunda, delik ve elektron 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 gevşeyebilir. Bu yarı iletkenler, ışık yayan diyotların ve floresan kuantum noktalarının yapımında kullanılır .

Yüksek ısı iletkenliği

Yüksek termal iletkenliğe sahip yarı iletkenler, ısı dağılımı ve elektroniklerin termal yönetiminin iyileştirilmesi için kullanılabilir.

Termal enerji dönüşümü

Yarı iletkenler, onları termoelektrik jeneratörlerde faydalı kılan büyük termoelektrik güç faktörlerine ve ayrıca termoelektrik soğutucularda faydalı kılan yüksek termoelektrik liyakat rakamlarına sahiptir .

Malzemeler

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

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

En yaygın yarı iletken malzemeler kristal katılardır, 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 iletkenliğin özelliklerini ve sıcaklıkla hızlı bir iletkenlik değişiminin yanı sıra ara sıra negatif direnci paylaşır . Bu tür düzensiz malzemeler, silikon gibi geleneksel yarı iletkenlerin katı kristal yapısından yoksundur. Genellikle daha yüksek elektronik kalitede malzeme gerektirmeyen, kirliliklere ve radyasyon hasarına karşı nispeten duyarsız olan ince film yapılarında kullanılırlar .

Yarı iletken malzemelerin hazırlanması

Günümüz elektronik teknolojisinin neredeyse tamamı, en önemli yönü Masaüstü , dizüstü bilgisayar , tarayıcı, cep telefonları ve diğer elektronik cihazlarda bulunan entegre devre (IC) olmak üzere yarı iletkenlerin kullanımını içerir . IC'ler için yarı iletkenler seri olarak üretilir. İdeal bir yarı iletken malzeme yaratmak 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 ( çıkıklar , ikizler ve istifleme hataları gibi ) malzemenin yarı iletken özelliklerini engellediğinden, yüksek derecede kristal mükemmellik de gereklidir . Kristal arızalar, arızalı yarı iletken cihazların ana nedenidir. Kristal ne kadar büyük olursa, gerekli mükemmelliği elde etmek o kadar zor olur. Mevcut seri üretim prosesleri , çapı 100 ila 300 mm (3,9 ve 11,8 inç) arasında olan, silindir olarak büyütülen ve gofretlere dilimlenen kristal külçeler kullanır .

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 bir kapı yalıtkanı ve alan oksit olarak kullanılır . Diğer işlemlere fotomaskeler ve fotolitografi denir . Bu süreç, entegre devredeki devre üzerindeki kalıpları yaratan şeydir. Ultraviyole ışık , devre için desenler oluşturan kimyasal bir değişiklik yaratmak için bir fotorezist katmanla birlikte kullanılır .

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

Son işleme difüzyon denir . Bu, yarı iletken malzemeye istenen yarı iletken özelliklerini veren işlemdir. Doping olarak da bilinir . İşlem, pn eklemini oluşturan sisteme saf olmayan bir atom getirir . Silikon gofrete gömülü saf olmayan atomları elde etmek için gofret önce 1.100 santigrat derecelik bir odaya konur. Atomlar silikon içine enjekte edilir ve sonunda silikon ile dağılır. İşlem tamamlandıktan ve silikon oda sıcaklığına ulaştıktan sonra doping işlemi yapılır ve yarı iletken malzeme entegre bir devrede kullanıma hazır hale gelir.

Yarı iletkenlerin fiziği

Enerji bantları ve elektrik iletimi

Dengede çeşitli malzeme türlerinde elektronik hallerin doldurulması . Burada yükseklik enerjidir, genişlik ise listelenen malzemede belirli bir enerji için mevcut durumların yoğunluğudur . Gölge, Fermi-Dirac dağılımını takip eder ( siyah : tüm durumlar doldurulur, beyaz : durum doldurulmaz). 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 delikler ile termal olarak doldurulacak Fermi seviyesine yeterince yakındır .

Yarı iletkenler, iletken ve yalıtkan arasında bir yerde, benzersiz elektrik iletken davranışlarıyla tanımlanır. Bu malzemeler arasındaki farklar , her biri sıfır veya bir elektron içerebilen elektronların kuantum durumları açısından anlaşılabilir ( Pauli dışlama ilkesi ile ). Bu durumlar malzemenin elektronik bant yapısı ile ilişkilidir . Elektriksel iletkenlik , delokalize (malzeme boyunca uzanan ) durumlarda elektronların mevcudiyeti nedeniyle ortaya çıkar , ancak elektronları taşımak için, zamanın yalnızca bir bölümünde bir elektron içeren bir durum kısmen doldurulmalıdır . Durum her zaman bir elektronla doluysa, o durum aracılığıyla diğer elektronların geçişini engelleyen eylemsizdir. Bu kuantum durumlarının enerjileri kritiktir, çünkü bir durum yalnızca enerjisi Fermi seviyesine yakınsa kısmen doldurulur (bkz. Fermi-Dirac istatistikleri ).

Malzemedeki yüksek iletkenlik, kısmen doldurulmuş birçok duruma ve çok fazla durum delokalizasyonuna sahip olmasından gelir. Metaller iyi elektrik iletkenleridir ve Fermi seviyelerine yakın enerjilerle birçok kısmen dolu duruma sahiptir. Yalıtkanlar , aksine, kısmen dolu birkaç duruma sahiptir, Fermi seviyeleri , işgal edecek birkaç enerji durumu ile bant boşlukları içinde bulunur . Önemli olarak, bir yalıtkanın sıcaklığını artırarak iletken hale getirilebilir: ısıtma, bant aralığı boyunca bazı elektronları teşvik etmek için enerji sağlar, hem bant aralığının altındaki ( değerlik bandı ) durum bandında hem de yukarıdaki durum bandında kısmen dolu durumları indükler . bant aralığı ( iletim bandı ). Bir (iç) yarı iletken, bir yalıtkandan daha küçük bir bant aralığına sahiptir ve oda sıcaklığında, bant aralığını 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 çok kullanışlı değildir. Bununla birlikte, yarı iletkenlerin (ve yarı yalıtkanlar olarak bilinen bazı yalıtkanların) önemli bir özelliği, iletkenliklerinin safsızlıklarla doping ve elektrik alanlarıyla geçitleme yoluyla artırılabilmesi ve kontrol edilebilmesidir . Doping ve gating, iletim veya değerlik bandını Fermi seviyesine çok yaklaştırır ve kısmen doldurulmuş durumların sayısını büyük ölçüde artırır.

Bazı daha geniş bant aralıklı yarı iletken malzemelere bazen yarı yalıtkanlar denir . Katkısız olduklarında, bunlar elektriksel yalıtkanlarınkine daha yakın elektriksel iletkenliğe sahiptir, ancak katkılanabilirler (onları yarı iletkenler kadar kullanışlı hale getirir). Yarı yalıtkanlar, HEMT için substratlar gibi mikro elektronikte niş uygulamalar bulur . Yaygın bir yarı yalıtkan örneği, galyum arsenittir . Titanyum dioksit gibi bazı malzemeler, diğer uygulamalar için geniş aralıklı yarı iletkenler olarak işlem görürken, bazı uygulamalar için yalıtım malzemeleri olarak bile kullanılabilir.

Yük taşıyıcılar (elektronlar ve delikler)

İletim bandının altındaki durumların kısmen doldurulması, bu banda elektron eklenmesi olarak anlaşılabilir. Elektronlar süresiz olarak kalmazlar (doğal termal rekombinasyon nedeniyle ), ancak bir süre hareket edebilirler. Elektronların gerçek konsantrasyonu tipik olarak çok seyreltiktir ve bu nedenle (metallerden farklı olarak) bir yarı iletkenin iletim bandındaki elektronları 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 kuvvetlere (elektrik alan, manyetik alan, vb.) farklı bir etkin kütle ile olsa da, bir boşlukta olduğu gibi tepki verir . Elektronlar ideal bir gaz gibi davrandıkları için, Drude modeli gibi çok basit terimlerle iletim hakkında da düşünülebilir ve elektron hareketliliği gibi kavramlar tanıtılabilir .

Değerlik bandının üst kısmındaki kısmi doldurma için elektron deliği kavramını tanıtmak yararlıdır . Değerlik bandındaki elektronlar her zaman hareket etmelerine rağmen, tamamen dolu bir değerlik bandı inerttir ve herhangi bir akım iletmez. Değerlik bandından bir elektron alınırsa, elektronun normalde alacağı yörünge şimdi yükünü kaybetmiş olur. 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-delik çifti üretimi olarak bilinir . Elektron deliği çiftleri, herhangi bir harici enerji kaynağının yokluğunda da sürekli olarak termal enerjiden üretilir .

Elektron deliği çiftleri de yeniden birleşmeye uygundur. Enerjinin korunumu, bir elektronun bant aralığından daha büyük bir miktarda enerji kaybettiği bu rekombinasyon olaylarına, termal enerji ( fononlar şeklinde ) veya radyasyon ( fotonlar şeklinde) emisyonunun eşlik etmesini gerektirir .

Bazı eyaletlerde elektron deliği çiftlerinin üretimi ve yeniden birleşmesi dengededir. Belirli bir sıcaklıkta kararlı durumda elektron-delik çiftlerinin sayısı kuantum istatistiksel mekaniği tarafından 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, ürün, önemli bir elektrik alanı olmaması koşuluyla (her ikisinin de taşıyıcılarını "yıkayabilir") belirli bir sıcaklıkta sabit durumda neredeyse sabittir. türleri veya bunları bir araya getirmek için daha fazlasını içeren komşu bölgelerden taşıyın) veya harici olarak yönlendirilen 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.

Bir elektron veya deliği yakalayıp bir çift tamamlanana kadar tutabilen safsızlıklar veya dislokasyonlar olan taşıyıcı tuzaklarla karşılaşma olasılığı artar. Bu tür taşıyıcı tuzaklar bazen kararlı duruma ulaşmak için gereken süreyi azaltmak için bilerek 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 safsızlık veya katkı miktarı , iletkenlik seviyesini değiştirir. Katkılı yarı iletkenler dışsal olarak adlandırılır . Saf yarı iletkenlere safsızlık ekleyerek, elektriksel iletkenlik binlerce veya milyonlarca faktör tarafından değiştirilebilir.

1 cm 3 , bir metal ya da yarı iletken numune 10 sırasını sahip 22 atomu. Bir metal olarak, her bir atom BağışladıATİNA iletim için en az bir serbest elektron bu şekilde, 1 cm 3 metal 10 mertebesinde ihtiva 22 serbest elektron, 1 cm'lik bir oysa 3 20 saf germanyum örnek  ° C ila yaklaşık içerir4.2 × 10 22 atom, ancak yalnızca2.5 × 10 13 serbest elektron ve2.5 × 10 13 delik. %0.001 arsenik (bir kirlilik) 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 vericileri olarak sınıflandırılır . Donör safsızlıkları ile katkılı yarı iletkenler n-tipi olarak adlandırılırken , alıcı safsızlıkları katkılı olanlar p-tipi olarak bilinir . n ve p tipi tanımlamaları, malzemenin çoğunluk taşıyıcısı olarak hangi yük taşıyıcısının hareket ettiğini gösterir . Karşıt taşıyıcı, çoğunluk taşıyıcısına kıyasla çok daha düşük bir konsantrasyonda termal uyarım nedeniyle var olan azınlık taşıyıcısı olarak adlandırılır .

Örneğin, saf yarı iletken silikon , her bir silikon atomunu komşularına bağlayan dört değerlik elektronuna sahiptir. Silisyumda en yaygın katkı maddeleri grup III ve grup V elementleridir. Grup III elemanlarının tümü üç değerlik elektronu içerir, bu da silikonu katmak için kullanıldıklarında alıcı olarak işlev görmelerine neden olur. Bir alıcı atom kristaldeki bir silikon atomunun yerini aldığında, kafes etrafında hareket edebilen ve bir yük taşıyıcısı olarak işlev görebilen boş bir durum (bir elektron "deliği") yaratılır. Grup V elemanlarının, donör olarak hareket etmelerini sağlayan beş değerlik elektronu vardır; bu atomların silikonla yer değiştirmesi ekstra bir serbest elektron yaratır. Bu nedenle, bor katkılı bir silikon kristali p-tipi bir yarı iletken oluştururken, fosfor katkılı bir n-tipi malzeme ile sonuçlanır.

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

amorf yarı iletkenler

Bazı malzemeler, hızla camsı amorf bir duruma soğutulduğunda 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 üzerinde yapılan deneylerle başlar. Direnç, doğrultma ve ışığa duyarlılığın 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 sülfür örneklerinin ısıtıldıklarında direncinin azaldığını bildirdi . Bu, bakır gibi metalik maddelerin davranışına aykırıdır. 1839'da Alexandre Edmond Becquerel , ışık çarptığında bir katı ve sıvı elektrolit arasındaki bir voltajın, fotovoltaik etkinin gözlemlendiğini bildirdi . 1873'te Willoughby Smith , selenyum dirençlerinin üzerlerine ışık düştüğünde azalan direnç sergilediğini gözlemledi . 1874'te Karl Ferdinand Braun metalik sülfürlerde iletim ve doğrultma gözlemledi , ancak bu etki 1835'te Annalen der Physik und Chemie için yazan Peter Munck af Rosenschold ( sv ) tarafından çok daha önce keşfedildi ve Arthur Schuster bir bakır oksit tabakasının oluştuğunu buldu. tellerde, teller temizlendiğinde sona eren düzeltme özelliklerine sahiptir. William Grylls Adams ve Richard Evans Day, 1876'da selenyumda fotovoltaik etkiyi gözlemlediler.

Bu fenomenlerin birleşik bir açıklaması , 20. yüzyılın ilk yarısında büyük ölçüde gelişen bir katı hal fiziği teorisini gerektiriyordu . 1878'de Edwin Herbert Hall , uygulanan bir manyetik alan, Hall etkisi ile akan yük taşıyıcılarının sapmasını gösterdi . 1897'de JJ Thomson tarafından elektronun keşfi, katılarda elektron temelli iletim teorilerini harekete geçirdi. Karl Baedeker , metallerdekinin tersi işaretli bir Hall etkisi gözlemleyerek, bakır iyodürün pozitif yük taşıyıcıları olduğunu teorileştirdi. Johan Koenigsberger, 1914'te metaller, yalıtkanlar ve "değişken iletkenler" gibi katı malzemeleri sınıflandırdı, ancak öğrencisi Josef Weiss , doktorasında Halbleiter (modern anlamda bir yarı iletken) terimini zaten tanıtmıştı . 1910'da tezi. Felix Bloch , 1928'de elektronların atomik kafesler boyunca hareketiyle ilgili bir teori yayınladı. 1930'da B. Gudden, yarı iletkenlerdeki iletkenliğin, safsızlıkların küçük konsantrasyonlarından kaynaklandığını belirtti. 1931'e gelindiğinde, bant iletim teorisi Alan Herries Wilson tarafından kurulmuş ve bant boşlukları kavramı geliştirilmiştir. Walter H. Schottky ve Nevill Francis Mott , potansiyel bariyer ve bir metal-yarı iletken bağlantısının karakteristikleri için modeller geliştirdiler . 1938'de Boris Davydov, p-n bağlantısının etkisini ve azınlık taşıyıcılarının ve yüzey durumlarının önemini tanımlayan bir bakır oksit doğrultucu teorisi geliştirdi .

Teorik tahminler (gelişen kuantum mekaniğine dayalı) ile deneysel sonuçlar arasındaki uyum bazen zayıftı. Bu, daha sonra John Bardeen tarafından , özellikleri çok küçük miktarlardaki safsızlıklara bağlı olarak önemli ölçüde değişen yarı iletkenlerin aşırı "yapıya duyarlı" davranışından dolayı açıklanmıştır . 1920'lerin değişen oranlarda eser kirleticiler içeren ticari olarak saf malzemeleri, farklı deneysel sonuçlar üretti. Bu, trilyon başına parça saflığına sahip malzemeler üreten modern yarı iletken rafinerilerinde doruğa ulaşan gelişmiş malzeme arıtma tekniklerinin gelişimini teşvik etti.

Yarı iletken kullanan cihazlar, yarı iletken teorisi daha yetenekli ve güvenilir cihazların yapımı için bir kılavuz sağlamadan önce, ilk olarak ampirik 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, selenyumla kaplanmış metal bir plaka ve ince bir tabaka kullanılarak , düşük verimli çalışan bir güneş pili inşa edildi. altından; cihaz 1930'larda fotografik ışık ölçerlerde ticari olarak kullanışlı hale geldi. Kurşun sülfürden yapılmış nokta temaslı mikrodalga dedektör doğrultucuları 1904'te Jagadish Chandra Bose tarafından kullanıldı ; alet edilen bıyık detektör doğal galen veya başka malzemeler kullanılarak ortak bir cihaz haline geldi radyonun geliştirilmesi . Ancak, operasyonda bir şekilde tahmin edilemezdi ve en iyi performans için manuel ayar gerektiriyordu. 1906'da HJ Round , elektrik akımı , ışık yayan diyotun arkasındaki ilke olan silisyum karbür kristallerinden geçtiğinde ışık yayılımını gözlemledi . Oleg Losev , 1922'de benzer bir ışık yayılımı gözlemledi, ancak o sırada etkinin pratik bir kullanımı 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.

İkinci Dünya Savaşı'ndan önceki yıllarda, kızılötesi algılama ve iletişim cihazları, kurşun-sülfür ve kurşun-selenid malzemelerine yönelik araştırmaları teşvik etti. Bu cihazlar, gemileri ve uçakları tespit etmek, kızılötesi telemetreler ve sesli iletişim sistemleri için kullanıldı. Nokta temaslı kristal dedektör, mevcut vakum tüplü cihazlar yaklaşık 4000 MHz'in üzerinde dedektörler olarak hizmet edemediği için mikrodalga radyo sistemleri için hayati hale geldi; gelişmiş radar sistemleri, kristal dedektörlerin hızlı tepkisine dayanıyordu. Tutarlı kalitede dedektörler geliştirmek için savaş sırasında silikon malzemelerin önemli araştırma ve geliştirmeleri yapıldı .

Erken transistörler

Dedektör ve güç redresörleri bir sinyali yükseltemedi. Bir katı hal amplifikatörü geliştirmek için birçok çaba sarf edildi ve nokta temaslı transistör adı verilen ve 20db veya daha fazlasını yükseltebilen bir cihaz geliştirmede başarılı oldu . 1922'de Oleg Losev , radyo için iki terminalli, negatif dirençli amplifikatörler 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. 1938'de R. Hilsch ve RW Pohl, bir vakum tüpünün kontrol ızgarasına benzeyen bir yapı kullanan bir katı hal yükselticisini gösterdi; cihaz güç kazancı gösterse de , herhangi bir pratik uygulama için çok düşük, ancak mevcut teorinin etkili bir uygulaması olan saniyede bir döngü kesme frekansına sahipti . 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 kirlilik ve diğer uçta n-tipi. Numuneden p-n sınırında kesilen bir dilim, ışığa maruz kaldığında bir voltaj geliştirdi.

Çalışan ilk transistör , John Bardeen , Walter Houser Brattain ve William Shockley tarafından 1947'de Bell Laboratuarlarında icat edilen bir nokta temaslı transistördü . Shockley daha önce germanyum ve silikondan yapılmış bir alan etkili yükselticiyi teorileştirmişti , ancak böyle bir çalışma yapmayı başaramadı. Cihaz, nokta temaslı transistörü icat etmek için sonunda germanyumu kullanmadan önce. Fransa'da, savaş sırasında, Herbert Matare , bir germanyum tabanındaki bitişik nokta temasları arasında amplifikasyon gözlemlemişti. Savaştan sonra, Mataré'nin grubu " Transistron " amplifikatörlerini ancak Bell Labs'in " transistör " ü duyurmasından kısa bir süre sonra duyurdular .

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

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 bağlantısını 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 Laboratuarlarında Carl Frosch ve Lincoln Derick yanlışlıkla silikon dioksitin (SiO 2 ) silikon üzerinde büyüyebileceğini keşfettiler ve daha sonra bunun 1958'de difüzyon işlemleri sırasında silikon yüzeyleri maskeleyebileceğini öne sürdüler .

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 iletkenlerdeki göreceli performans eksikliği, elektriksel iletkenliğin , yüzeyde doymamış bağlar bulunduğundan meydana gelen sarkan bağlar nedeniyle elektronların yüzeyde tutulduğu kararsız kuantum yüzey durumları tarafından sınırlandırılmasından kaynaklanıyordu . Bu, elektriğin yarı iletken silikon tabakasına ulaşmak için yüzeye güvenilir bir şekilde nüfuz etmesini engelledi .

Silikon yarı iletken teknolojisinde bir atılım, 1950'lerin sonlarında Bell Laboratuarlarında termal oksidasyon yoluyla yüzey pasivasyonu sürecini geliştiren Mısırlı mühendis Mohamed Atalla'nın çalışmasıyla geldi . Termal olarak büyütülmüş bir silikon dioksit tabakasının oluşumunun , silikon yüzeyindeki elektronik durumların konsantrasyonunu büyük ölçüde azalttığını ve silikon oksit tabakalarının, silikon yüzeylerini 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 altta yatan silikon pn bağlantı diyotlarını korumak için silikon yüzeyinde termal olarak büyütülebileceğini gösteren ilk gösteriydi ve transistörler. Atalla'nın yüzey pasifleştirme işlemi, silikonun germanyumun iletkenliğini ve performansını aşmasını sağladı ve baskın yarı iletken malzeme olarak germanyumun silikonun yerini almasına yol açtı. Atalla'nın yüzey pasivasyon süreci, silikon yarı iletken teknolojisindeki en önemli ilerleme olarak kabul edilir ve silikon yarı iletken cihazların seri üretiminin önünü açar. 1960'ların ortalarında, Atalla'nın oksitlenmiş silikon yüzeylere yönelik işlemi, neredeyse tüm entegre devreleri ve silikon aygıtları 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 ile MOSFET, bilgisayarlar, elektronikler 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 3D çok kapılı MOSFET, Digh Hisamoto ve araştırmacı ekibi tarafından Hitachi Merkez Araştırma Laboratuvarı'nda 1989 yılında geliştirildi.

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

Dış bağlantılar