Dispositivo semiconductor

Los dispositivos semiconductores son componentes electrónicos que explotan los electrónicos propiedades de semiconductores materiales, principalmente de silicio , germanio , y arseniuro de galio, así como los semiconductores orgánicos. Los dispositivos semiconductores han reemplazado dispositivos termoiónicos (tubos de vacío) en la mayoría de las aplicaciones. Utilizan electrónica la conducción en el de estado sólido a diferencia de la estado gaseoso o la emisión termoiónica en un alto vacío.

Dispositivos semiconductores se fabrican tanto como dispositivos discretos individuales y como circuitos integrados (CI), que consisten en un número de entre unos pocos (tan bajo como dos) a miles de millones-de dispositivos fabricados e interconectados en un único sustrato semiconductor.

Fundamentos dispositivo semiconductor

La razón principal por la cual los materiales semiconductores son tan útil es que el comportamiento de un semiconductor puede ser fácilmente manipulado por la adición de impurezas, conocido como dopaje. Semiconductor conductividad puede ser controlado por la introducción de un campo eléctrico, por la exposición a la luz , e incluso la presión y el calor; Por lo tanto, los semiconductores pueden hacer excelentes sensores. Conducción de corriente en un semiconductor se produce a través de móvil o "libres" electrones y agujeros, conocidos colectivamente como los portadores de carga. Doping un semiconductor tal como silicio con una pequeña cantidad de átomos de impurezas, tales como fósforo o boro , aumenta en gran medida el número de electrones o huecos libres dentro del semiconductor. Cuando un semiconductor dopado contiene huecos en exceso, se denomina " tipo p ", y cuando contenga un exceso de electrones libres que se conoce como" de tipo n ", donde p (positivo para agujeros) o n (negativo para electrones ) es el signo de la carga de los portadores de carga móviles de la mayoría. El material semiconductor que se utiliza en los dispositivos se dopa en condiciones muy controladas en una planta de fabricación, o fabulosa, para controlar con precisión la ubicación y concentración de dopantes de tipo py n. Las uniones que se forman en el de tipo ny tipo p semiconductores se unen se denominan uniones pn.

Diodo

La diodo es un dispositivo hecho de una sola unión pn. En la unión de una de tipo p y un semiconductor de tipo n no forma una región llamada zona de agotamiento que bloquea la conducción de corriente de la región de tipo n a la región de tipo P, pero permite que la corriente para llevar a cabo de la región de tipo p para la región de tipo n. Así, cuando el dispositivo está polarizado directamente, con el lado p en mayor potencial eléctrico, el diodo conduce corriente fácilmente; pero la corriente es muy pequeña cuando el diodo está polarizado inversamente.

La exposición de un semiconductor a la luz puede generar pares electrón-hueco, lo que aumenta el número de portadores libres y su conductividad. Diodos optimizado para tomar ventaja de este fenómeno se conoce como fotodiodos. Diodos semiconductores compuestos también pueden usarse para generar luz, como en diodos emisores de luz y diodos láser.

Transistor

Una estructura de transistor de unión bipolar NPN

Transistores de unión bipolar se forman a partir de dos uniones pn, en NPN o PNP configuración. El medio, o base, en la región entre las uniones es típicamente muy estrecha. Las otras regiones, y sus terminales asociados, son conocidos como el emisor y el colector. Una pequeña corriente inyecta a través de la unión entre la base y el emisor cambia las propiedades de la unión base-colector de modo que pueda conducir la corriente a pesar de que es polarizado en sentido inverso. Esto crea una corriente mucho más grande entre el colector y el emisor, controlada por la corriente de base-emisor.

Otro tipo de transistor, la transistor de efecto de campo opera sobre el principio de que la conductividad del semiconductor puede ser aumentada o disminuida por la presencia de un campo eléctrico. Un campo eléctrico puede aumentar el número de electrones y huecos libres en un semiconductor, cambiando de esta manera su conductividad. El campo puede ser aplicada por una unión pn polarizada inversamente, formando un transistor de efecto de campo de unión, o JFET; o por un electrodo aislado del material a granel por una capa de óxido, formando un metal-óxido-semiconductor transistor de efecto de campo, o MOSFET.

El MOSFET es el dispositivo semiconductor más utilizado en la actualidad. El electrodo de puerta se carga para producir un campo eléctrico que controla el conductividad de un "canal" entre dos terminales, llamada la fuente y el drenaje. Dependiendo del tipo de soporte en el canal, el dispositivo puede ser un canal-n (para electrones) o un canal p (para los agujeros) MOSFET. Aunque el MOSFET se nombra en parte por su puerta "metal", en los dispositivos modernos polisilicio se utiliza típicamente en su lugar. MOSFET es un IC que es un dispositivo semiconductor. .

Materiales dispositivo semiconductor

Por el momento, el silicio (Si) es el material más utilizado en los dispositivos semiconductores. Su combinación de bajo coste de materias primas, procesamiento relativamente simple, y una gama de temperatura útil hacen actualmente el mejor compromiso entre los diversos materiales competidores. El silicio utilizado en la fabricación de dispositivos semiconductores está fabricado en boules que son lo suficientemente grandes en diámetro para permitir la producción de 300 mm (12 in). obleas.

Germanio (Ge) era un material semiconductor principios ampliamente utilizado pero su sensibilidad térmica hace que sea menos útil que el silicio. Hoy en día, el germanio es a menudo aleado con silicio para su uso en dispositivos de SiGe de muy alta velocidad; IBM es un importante productor de este tipo de dispositivos.

Arseniuro de galio (GaAs), también es ampliamente utilizado en dispositivos de alta velocidad, pero hasta el momento, ha sido difícil para formar rollizos aserrados de gran diámetro de este material, lo que limita el diámetro de la oblea de tamaños significativamente más pequeñas que las obleas de silicio haciendo así la producción en masa de dispositivos de GaAs significativamente más caro que el silicio.

Otros materiales menos comunes también están en uso o bajo investigación.

El carburo de silicio (SiC) ha encontrado alguna aplicación como materia prima para el azul diodos emisores de luz (LEDs) y está siendo investigado para su uso en dispositivos semiconductores que pudiera soportar muy alta las temperaturas de funcionamiento y entornos con la presencia de niveles significativos de radiación ionizante. Diodos IMPATT también se han fabricado a partir de SiC.

Varios de indio compuestos (arseniuro de indio, indio antimonide , y el indio de fosfuro ) también están siendo utilizados en LEDs de estado sólido y diodos láser. Selenio sulfuro está en estudio para la fabricación de fotovoltaica células solares.

El uso más común para los semiconductores orgánicos es OLEDs

Aplicaciones del dispositivo Semiconductor

Todos los tipos de transistores se pueden utilizar como los bloques de construcción de puertas lógicas, que son fundamentales en el diseño de circuitos digitales. En los circuitos digitales como microprocesadores, transistores actúan como interruptores de encendido y apagado; en el MOSFET, por ejemplo, el tensión aplicada a la puerta determina si el interruptor está encendido o apagado.

Transistores utilizada para circuitos analógicos no actúan como interruptores de encendido y apagado; más bien, que responden a un rango continuo de entradas con un rango continuo de salidas. Circuitos analógicos comunes incluyen amplificadores y osciladores.

Circuitos esa interfaz o traducir entre los circuitos digitales y circuitos analógicos se conocen como circuitos de señal mixta.

Dispositivos semiconductores de potencia son dispositivos discretos o circuitos integrados destinados a aplicaciones de voltaje o de corriente alta alta. Circuitos integrados de potencia combinan tecnología IC con la tecnología de semiconductores de potencia, éstos se refieren a veces como "inteligentes" dispositivos de potencia. Varias empresas se especializan en la fabricación de semiconductores de potencia.

Identificadores de componentes

La designadores de tipo de dispositivos semiconductores a menudo son específicos del fabricante. Sin embargo, ha habido intentos de crear normas para los códigos de tipo, y un subconjunto de dispositivos siguen esos. Para dispositivos discretos, por ejemplo, hay tres normas: JEDEC JESD370B en EE.UU. , Pro Electron en Europa y JIS en Japón .

Historia del desarrollo de dispositivos semiconductores

Detector de bigotes de gato

Semiconductores habían sido utilizados en el campo de la electrónica durante algún tiempo antes de la invención del transistor. Alrededor de la vuelta del siglo 20 que eran muy comunes como detectores en las radios , que se utiliza en un dispositivo llamado "bigotes de gato". Estos detectores fueron algo problemático, sin embargo, que el operario para mover un pequeño filamento de tungsteno (la barba) alrededor de la superficie de una galena (sulfuro de plomo) o carborundo (carburo de silicio) de cristal hasta que de repente comenzó a trabajar. Entonces, durante un período de unas pocas horas o días, barba del gato se detendría lentamente de trabajo y el proceso tendría que repetirse. En el momento de su operación fue completamente misterioso. Después de la introducción de la más fiable y amplificada tubo de vacío radios basa, sistemas de bigotes de los gatos desaparecieron rápidamente. El "bigotes de gato" es un ejemplo primitivo de un tipo especial de diodo hoy sigue siendo popular, llamado Diodo Schottky.

Rectificador metal

Otro tipo precoz de dispositivo semiconductor es el rectificador de metal en la que el semiconductor es óxido de cobre o selenio . Westinghouse Electric (1886) fue uno de los principales fabricantes de estos rectificadores.

Segunda Guerra Mundial

Durante la Segunda Guerra Mundial, el radar investigación empujó rápidamente receptores de radar para funcionar a cada vez más alto frecuencias y los receptores de radio basados en tubo tradicionales ya no funcionaba bien. La introducción de la cavidad magnetrón de Gran Bretaña a los Estados Unidos en 1940 durante el Tizard Misión resultó en una necesidad apremiante de un amplificador de alta frecuencia práctico.

En un capricho, Russell Ohl de Laboratorios Bell decidieron probar bigotes de un gato. Por este punto que no habían estado en uso durante un número de años, y nadie en los laboratorios tenido uno. Después de la caza de uno abajo en una tienda de radio utilizada en Manhattan, encontró que funcionó mucho mejor que los sistemas basados en tubos.

Ohl investigó por qué bigotes del gato funcionó tan bien. Pasó la mayor parte de 1939 tratando de crecer versiones más puras de los cristales. Pronto se descubrió que con los cristales de mayor calidad su comportamiento quisquilloso se fue, pero también lo hizo su capacidad para operar como un detector de radio. Un día se encontró con uno de sus cristales más puros, sin embargo funcionado bien, y curiosamente, tenía una grieta claramente visible cerca de la mitad. Sin embargo mientras se movía por la habitación tratando de probarlo, el detector sería misteriosamente trabajar, y luego se detiene de nuevo. Después de un estudio que encontró que el comportamiento fue controlada por la luz en la luz piezas más causado más conductancia en el cristal. Invitó a varias personas para ver este cristal, y Walter Brattain inmediatamente se dio cuenta de que había algún tipo de cruce en la grieta.

La investigación adicional se aclaró el misterio restante. El cristal se había roto porque cada lado contenía muy poco diferentes cantidades de las impurezas Ohl no podía quitar-alrededor de 0,2%. Un lado del cristal tenía impurezas que agregaron electrones extra (los portadores de corriente eléctrica) y lo hizo un "conductor". El otro tenía impurezas que querían unirse a estos electrones, por lo que es (lo que él llama) un "aislante". Debido a que las dos partes del cristal estaban en contacto uno con el otro, los electrones podrían ser empujados fuera del lado conductor que tenían electrones extra (que pronto será conocido como el emisor) y sustituidos por otros nuevos estando provistos (de una batería, para ejemplo) donde podrían fluir en la parte aislante y ser recogido por el filamento de la barba (nombrado el colector). Sin embargo, cuando la tensión se invirtió los electrones que se introduce en el colector llenaría rápidamente los "agujeros" (las impurezas electrones necesitados), y la conducción dejaría casi al instante. Esta unión de los dos cristales (o partes de un cristal) creó un diodo de estado sólido, y el concepto pronto se conoció como semiconducción. El mecanismo de acción cuando el diodo está apagado tiene que ver con la separación de los portadores de carga alrededor de la unión. Esto se llama un " region de agotamiento ".

Desarrollo del diodo

Armados con el conocimiento de cómo funcionaban estos nuevos diodos, un vigoroso esfuerzo comenzó a aprender a construir bajo demanda. Los equipos de Universidad de Purdue, Bell Labs, MIT, y el Universidad de Chicago todos se unieron para construir mejores cristales. Dentro de un año la producción de germanio se había perfeccionado hasta el punto donde se estaban utilizando diodos de uso militar en la mayoría de equipos de radar.

Desarrollo del transistor

Después de la guerra, William Shockley decidió intentar la construcción de un -triodo como dispositivo semiconductor. Él aseguró financiación y espacio de laboratorio, y se fue a trabajar en el problema con Brattain y John Bardeen.

La clave para el desarrollo del transistor fue el mayor comprensión del proceso de la movilidad de los electrones en un semiconductor. Se dio cuenta de que si había alguna manera de controlar el flujo de los electrones del emisor al colector de este diodo recién descubierto, se podría construir un amplificador. Por ejemplo, si se coloca contactos a ambos lados de un solo tipo de cristal de la corriente no fluiría a través de él. Sin embargo, si un tercio de contacto podría entonces "inyectar" electrones o agujeros en el material, la corriente fluiría.

En realidad hacer esto parecía ser muy difícil. Si el cristal eran de cualquier tamaño razonable, el número de electrones (o agujeros) requeridos para ser inyectado tendría que ser muy grande - por lo que es menos de útil como un amplificador porque requeriría una gran corriente de inyección para empezar. Dicho esto, la idea del diodo de cristal fue que el propio cristal podría proporcionar los electrones a través de una distancia muy pequeña, la región de agotamiento. La clave parece ser para colocar los contactos de entrada y salida muy cerca juntos en la superficie del cristal a cada lado de esta región.

Brattain comenzó a trabajar en la construcción de un dispositivo de este tipo, y toques de amplificación continuó apareciendo como el equipo trabajó en el problema. A veces, el sistema funcionaría pero luego dejar de funcionar inesperadamente. En un caso de un sistema no de trabajo comenzó a trabajar cuando se coloca en agua. Ohl y Brattain eventualmente desarrollaron una nueva rama de la mecánica cuántica conocido como la física de la superficie para dar cuenta de la conducta. Los electrones en una sola pieza de cristal emigrarían aproximadamente debido a las cargas cercanas. Los electrones en los emisores, o los "agujeros" en los colectores, se agrupan en la superficie del cristal donde podrían encontrar su carga opuesta "flotando" en el aire (o agua). Sin embargo, podrían ser empujados fuera de la superficie con la aplicación de una pequeña cantidad de carga desde cualquier otra ubicación en el cristal. En lugar de tener una gran cantidad de electrones inyectados, un número muy pequeño en el lugar correcto en el cristal podría lograr lo mismo.

Su comprensión resolvió el problema de necesitar un área muy pequeña de control en algún grado. En lugar de tener dos semiconductores separados conectados por un común, pero pequeña, región, una sola superficie mayor serviría. Los cables de emisor y colector ambos serían colocados muy juntos en la parte superior, con el cable de control colocado en la base del cristal. Cuando la corriente se aplicó a la iniciativa "base", los electrones o huecos serían expulsados, a través del bloque de semiconductor, y se acumulan en la superficie de la fecha. Mientras el emisor y el colector estaban muy juntos, esto debería permitir suficientes electrones o huecos entre ellos para permitir la conducción para iniciar.

El primer transistor

Una réplica estilizada de la primera transistor

El equipo de Bell hizo muchos intentos de construir un sistema de este tipo, con distintos instrumentos, pero en general no. Configuraciones en que los contactos eran lo suficientemente cerca eran invariablemente tan frágil como detectores de bigotes de los gatos originales habían sido, y trabajarían brevemente, en todo caso. Con el tiempo que tenían un gran avance práctico. Un pedazo de lámina de oro estaba pegada al borde de una cuña de plástico, y luego la lámina se cortó con una navaja de afeitar en la punta del triángulo. El resultado fue dos contactos muy estrechamente espaciadas de oro. Cuando el plástico se empuja hacia abajo sobre la superficie de un cristal y el voltaje aplicado al otro lado (en la base del cristal), corriente comenzó a fluir de un contacto a la otra como la tensión de base empuja los electrones fuera de la base hacia el otro lado cerca de los contactos. El transistor de contacto se había inventado.

Mientras el dispositivo se construyó una semana antes, las notas de Brattain describen la primera demostración a sus superiores en los Laboratorios Bell en la tarde del 23 de diciembre de 1947, da a menudo como la fecha de nacimiento del transistor. El "punto de contacto PNP germanio transistor" funciona como un amplificador de voz con una ganancia de potencia de 18 años en ese juicio. Conocido generalmente como una punto de contacto transistor hoy, John Bardeen, Walter Houser Brattain, y William Bradford Shockley fueron galardonados con el Premio Nobel de Física por su trabajo en 1956.

Origen del término "transistor"

Bell Telephone Laboratorios necesitaba un nombre genérico para su nuevo invento: "Semiconductor Triodo", "Triodo Sólido", "Superficie Unidos Triodo" [sic], "Crystal Triodo" y "Iotatron" se consideraron, pero "transistor", acuñado por John R. Pierce, ganó una votación interna. La justificación para el nombre se describe en el siguiente extracto de memorandos técnicos de la empresa (28 de mayo de 1948) pidiendo votos:

Transistor. Esta es una combinación abreviada de las palabras "de transconductancia" o "transferencia", y "varistor". El dispositivo lógicamente pertenece a la familia varistor, y tiene la transconductancia o transferencia impedancia de un dispositivo que tiene la ganancia, de modo que esta combinación es descriptivo.

Las mejoras en el diseño de transistores

Shockley estaba molesto por el dispositivo que está siendo acreditado a Brattain y Bardeen, que se sentía la había construido "a la espalda" a tomar la gloria. Las cosas se empeoran cuando Bell Labs abogados descubrieron que algunos de los propios escritos de Shockley en el transistor eran lo suficientemente cerca a las de un 1925 de patente anterior por Julius Edgar Lilienfeld que pensó que era mejor que su nombre se quedó fuera de la solicitud de patente.

Shockley se enfureció y decidió demostrar quién era el verdadero cerebro de la operación. Sólo unos meses más tarde inventó un nuevo tipo de transistor con una capa o estructura "sandwich". Esta nueva forma era considerablemente más robusto que el sistema de punto de contacto frágil, y pasaría a ser utilizado para la gran mayoría de todos los transistores en la década de 1960. Sería evolucionar hacia la transistor de unión bipolar.

Con los problemas resueltos por fragilidad, un problema restante era pureza. Haciendo germanio de la pureza requerida estaba demostrando ser un problema serio, y limitó el número de transistores que efectivamente trabajadas de un lote dado de material. La sensibilidad de germanio a temperaturas también limita su utilidad. Los científicos teorizan que el silicio sería más fácil de fabricar, pero pocos se molestaron en investigar esta posibilidad. Gordon K. Teal fue el primero en desarrollar un transistor de silicio de trabajo, y su compañía, la naciente Texas Instruments, aprovechó su ventaja tecnológica. Germanio desapareció de la mayoría de los transistores A finales de 1960.

En pocos años, los productos basados en transistores, sobre todo radios, fueron apareciendo en el mercado. Una mejora importante en el rendimiento de fabricación se produjo cuando un químico aconsejó a las empresas que fabrican los semiconductores de usar agua destilada en lugar de agua del grifo: calcio iones fueron la causa de los bajos rendimientos. " Zona de fusión ", una técnica que utiliza una banda móvil de material fundido a través del cristal, aumentó aún más la pureza de los cristales disponibles.