Dispositif semi-conducteur

des dispositifs semi-conducteurs sont des composants électroniques qui exploitent les électroniques propriétés de semi-conducteurs , les matériaux principalement silicium , germanium , et l'arséniure de gallium, ainsi que semi-conducteurs organiques. des dispositifs à semi-conducteurs ont remplacé dispositifs thermo-ioniques (tubes à vide) dans la plupart des applications. Ils utilisent électronique conduction dans le état solide par opposition à l' état gazeux ou émission thermoionique dans un vide poussé.

dispositifs à semi-conducteurs sont fabriqués à la fois comme dispositifs discrets et simples comme des circuits intégrés (CI), qui se composent d'un certain nombre de quelques-(aussi bas que deux) à des milliards-de dispositifs fabriqués et interconnectés sur un seul substrat semiconducteur.

fondamentaux de dispositif semi-conducteur

La principale raison pour laquelle les matériaux semi-conducteurs sont très utiles, ce est que le comportement d'un semi-conducteur peut être facilement manipulé par l'ajout d'impuretés, connu sous le nom dopage. Semi-conducteur conductivité peut être contrôlée par l'introduction d'un champ électrique, par exposition à la lumière , et même pression et à la chaleur; ainsi, les semi-conducteurs peuvent faire d'excellents capteurs. Conduction du courant dans un semi-conducteur produit par mobile ou «libres» des électrons et trous, collectivement connu sous le nom les porteurs de charge. Dopage d'un semiconducteur tel que le silicium avec une petite quantité d'atomes d'impuretés, telles que le phosphore ou le bore , augmente considérablement le nombre d'électrons ou de trous libres dans le semi-conducteur. Lorsqu'un semi-conducteur dopée contient des trous en excès, il est appelé " du type p ", et quand il contient un excès d'électrons libres, il est connu comme" type n ", où p (positif pour trous) ou N (négatif pour les électrons ) est le signe de la charge des porteurs de charge mobiles majoritaires. Le matériau semi-conducteur utilisé dans des dispositifs est dopé dans des conditions très contrôlées dans une usine de fabrication, ou Fab, de contrôler précisément la localisation et la concentration des dopants p et de type n. Les jonctions qui se forment lorsque de type n et de type p semi-conducteurs se rejoignent sont appelés jonctions pn.

Diode

Le la diode est un dispositif constitué d'une seule jonction pn. A la jonction de type p et un semi-conducteur de type n, il forme une région appelée la zone de déplétion qui bloque la conduction de courant à partir de la région de type n de la région de type p, mais permet au courant de conduite de la région de type p de la région de type n. Ainsi, lorsque le dispositif est sollicité vers l'avant, avec le côté p supérieur à potentiel électrique, la diode conduit le courant facilement; mais le courant est très faible lorsque la diode est polarisée en inverse.

Exposer un semi-conducteur à la lumière peut générer paires électron-trou, ce qui augmente le nombre de porteurs libres et sa conductivité. Diodes optimisé pour tirer parti de ce phénomène sont connus comme photodiodes. Composé diodes à semi-conducteurs peuvent également être utilisés pour générer de la lumière, comme dans diodes émettrices de lumière et des diodes laser.

Transistor

Une jonction NPN structure de transistor bipolaire

Des transistors à jonction bipolaire sont formées à partir de deux jonctions pn, dans les deux npn ou pnp configuration. Au milieu, ou à la base, dans la région entre les jonctions est généralement très étroite. Les autres régions, ainsi que leurs bornes associées, sont connus comme l'émetteur et le collecteur. Un petit courant injecté à travers la jonction entre la base et l'émetteur modifie les propriétés de la jonction base-collecteur de manière à pouvoir conduire un courant, même si elle est polarisée en inverse. Cela crée un courant beaucoup plus important entre le collecteur et l'émetteur, commandé par le courant base-émetteur.

Un autre type de transistor, la Transistor à effet de champ fonctionne sur le principe que semi-conducteur de conductivité peut être augmentée ou diminuée par la présence d'un champ électrique. Un champ électrique peut augmenter le nombre d'électrons libres et des trous dans un semiconducteur, ce qui modifie sa conductivité. Le champ peut être appliqué par une jonction pn polarisée en inverse, la formation d'un transistor à effet de champ à jonction, ou JFET; ou par une électrode isolée de la matière en vrac par une couche d'oxyde, former un transistor à effet de champ métal-oxyde-semi-conducteur, ou MOSFET.

Le MOSFET est dispositif semi-conducteur le plus utilisé aujourd'hui. L'électrode de grille est chargée de produire un champ électrique qui commande le conductivité d'un "canal" entre deux bornes, appelé la source et le drain. Selon le type de support dans le canal, le dispositif peut être un canal n (pour les électrons) ou un canal p (pour les trous) MOSFET. Bien que le MOSFET est nommé en partie pour sa porte "métallique", dans les dispositifs modernes polysilicium est généralement utilisé à la place. MOSFET est un circuit intégré qui est un dispositif semi-conducteur. .

matières pour dispositif à semi-conducteur

De loin, le silicium (Si) est le matériau le plus utilisé dans des dispositifs semi-conducteurs. Sa combinaison de faible coût brut de la matière, le traitement relativement simple, et une gamme de température utile font actuellement le meilleur compromis entre les différents matériaux concurrents. Le silicium utilisé dans la fabrication de dispositif à semiconducteur est fabriqué en boules qui sont assez grands en diamètre pour permettre la production de 300 mm (12 in.) plaquettes.

Germanium (Ge) est un matériau semi-conducteur précoce largement utilisé mais sa sensibilité thermique rend moins utile que le silicium. Aujourd'hui, le germanium est souvent allié avec le silicium pour utilisation dans des dispositifs SiGe à très haute vitesse; IBM est un important producteur de ces dispositifs.

L'arséniure de gallium (GaAs) est aussi largement utilisé dans des dispositifs à grande vitesse, mais jusqu'à présent, il a été difficile de former des boules de grand diamètre de ce matériau, ce qui limite le diamètre de la plaquette de dimensions sensiblement plus petites que les tranches de silicium rendant ainsi la production de masse de dispositifs GaAs beaucoup plus cher que le silicium.

Autres matériaux moins courants sont également en cours d'utilisation ou sous enquête.

Le carbure de silicium (SiC) a trouvé une application comme matière première pour le bleu diodes électroluminescentes (DEL) et est étudiée pour une utilisation dans des dispositifs semi-conducteurs pouvant résister à de très haute Les températures et les environnements d'exploitation de la présence de taux significatifs de rayonnement ionisant. Diodes IMPATT ont également été fabriqués à partir de SiC.

Divers indium (composés d'arséniure d'indium, de l'indium antimoniure , et l'indium phosphure ) sont également utilisés dans les LED et l'état solide des diodes laser. Sélénium sulfure est étudiée pour la fabrication de photovoltaïque cellules solaires.

L'utilisation la plus courante pour semi-conducteurs organiques est OLED

applications de dispositif semi-conducteur

Tous les types de transistors peuvent être utilisés comme des blocs de construction de des portes logiques, qui sont fondamentaux dans la conception de des circuits numériques. Dans les circuits numériques comme microprocesseurs, transistors agissent que sur-interrupteurs; dans le MOSFET, par exemple, la la tension appliquée à la grille détermine si le interrupteur est allumé ou éteint.

Les transistors utilisés pour circuits analogiques ne agissent que sur-interrupteurs; plutôt, ils répondent à une gamme continue d'entrées avec une gamme continue de sorties. Circuits analogiques courants comprennent des amplificateurs et oscillateurs.

Circuits cette interface ou de traduire entre les circuits numériques et des circuits analogiques sont connus comme circuits à signaux mixtes.

Dispositifs semiconducteurs de puissance sont des dispositifs discrets ou en circuits intégrés destinés à des applications de courant fort ou tension élevés. circuits intégrés de puissance combinent la technologie IC avec la technologie semiconducteur de puissance, ceux-ci sont parfois appelés appareils «intelligents» de puissance. Plusieurs entreprises se spécialisent dans la fabrication de semi-conducteurs de puissance.

identificateurs de composants

Le Type indicatifs des dispositifs semi-conducteurs sont souvent spécifiques au fabricant. Néanmoins, il ya eu des tentatives de créer des normes pour les codes de type, et un sous-ensemble de dispositifs suivent ceux. Pour dispositifs discrets, par exemple, il ya trois normes: JEDEC JESD370B dans USA , Pro Electron dans l'Europe et Dans JIS Japon .

Histoire du développement de dispositif semi-conducteur

Diode à pointe

Semi-conducteurs ont été utilisés dans le domaine de l'électronique pour un certain temps avant l'invention du transistor. Au tournant du 20e siècle, ils étaient assez fréquent que des détecteurs de radios , utilisées dans un dispositif appelé «moustache de chat". Ces détecteurs étaient quelque peu gênant pour autant nécessiter l'opérateur de déplacer une petite filament de tungstène (la trichite) autour de la surface d'un galène (sulfure de plomb) ou carborundum (carbure de silicium) de cristal jusqu'à ce qu'il a commencé soudainement de fonctionner. Puis, sur une période de quelques heures ou quelques jours, la moustache du chat serait lentement arrêter travail et le processus devra être répété. Au moment de leur fonctionnement était complètement mystérieux. Après l'introduction de la plus fiable et amplifiée tube à vide radios repose, les systèmes de moustaches du chat ont rapidement disparu. Le "moustaches de chat" est un exemple primitive d'un type spécial de la diode aujourd'hui encore populaire, appelé diode Schottky.

redresseur en métal

Un autre type précoce de dispositif semi-conducteur est le redresseur métallique dans lequel le semi-conducteur est l'oxyde de cuivre ou le sélénium . Westinghouse Electric (1886) était un fabricant majeur de ces redresseurs.

Deuxième Guerre Mondiale

Pendant la Seconde Guerre mondiale, radar de recherche rapidement poussé récepteurs radar pour fonctionner à toujours plus haut fréquences et les récepteurs de radio de tubes à base traditionnelles ne est plus bien travaillés. L'introduction de la Magnétron de Grande-Bretagne aux États-Unis en 1940 au cours de la Mission Tizard a abouti à un besoin pressant pour un amplificateur haute fréquence pratique.

Sur un coup de tête, Russell Ohl de Bell Laboratories décidé d'essayer la moustache d'un chat. En ce moment, ils ne avaient pas été utilisés pendant un certain nombre d'années, et personne ne les laboratoires eu une. Après la chasse un vers le bas dans un magasin de radio utilisé dans Manhattan, il a constaté que cela fonctionnait beaucoup mieux que les systèmes à base de tubes.

Ohl étudié pourquoi la moustache du chat fonctionnait si bien. Il a passé la plupart de 1939 en essayant de développer des versions plus pures des cristaux. Il a rapidement trouvé que, avec cristaux de plus grande qualité de leur comportement capricieux se en alla, mais ce fut leur capacité à fonctionner comme un détecteur de radio. Un jour, il rencontra un de ses plus purs cristaux néanmoins bien fonctionné et, fait intéressant, il y avait une fissure clairement visible près du milieu. Cependant, comme il se installe dans la pièce en essayant de le tester, le détecteur serait mystérieusement travailler, puis se arrêter de nouveau. Après quelques études, il a constaté que le comportement a été contrôlé par la lumière à la lumière ambiante plus-causé plus de conductance dans le cristal. Il a invité plusieurs autres personnes pour voir ce cristal, et Walter Brattain immédiatement réalisé qu'il y avait une sorte de jonction à la fissure.

D'autres recherches éclairci le mystère reste. Le cristal avait craqué parce chaque côté contenait très légèrement différentes quantités d'impuretés Ohl ne pouvait pas enlever-environ 0,2%. Un côté du cristal avait impuretés ajoutées électrons supplémentaires (les transporteurs de courant électrique) et en ont fait un «conducteur». L'autre avait impuretés qui voulaient se lier à ces électrons, ce qui en fait (ce qu'il appelait) un «isolant». Parce que les deux parties du cristal étaient en contact avec l'autre, les électrons pourraient être poussés sur le côté conducteur qui avaient électrons supplémentaires (qui sera bientôt connu sous le nom de l'émetteur) et remplacés par de nouveaux fournis (par une batterie, pour exemple) où ils se écouler dans la partie isolante et être recueilli par le filament de moustache (nommé le collecteur). Cependant, lorsque la tension a été infirmé les électrons étant poussé dans le collecteur serait rapidement remplir les "trous" (les impuretés d'électrons nécessiteux), et la conduction se arrêterait presque instantanément. Cette jonction des deux cristaux (ou parties d'un cristal) a créé une diode à l'état solide, et le concept est rapidement devenu connu comme semiconduction. Le mécanisme d'action lorsque la diode est éteinte a à voir avec la séparation des les porteurs de charge autour de la jonction. Ceci est appelé un " région d'appauvrissement ".

Le développement de la diode

Armé avec la connaissance de la façon dont ces nouvelles diodes travaillé, un effort vigoureux a commencé à apprendre à les construire à la demande. Équipes Purdue University, Bell Labs, MIT, et la Université de Chicago tous uni leurs forces pour construire de meilleurs cristaux. Moins d'un an la production de germanium avait été perfectionné au point où diodes de qualité militaire ont été utilisés dans la plupart des radars.

Développement du transistor

Après la guerre, William Shockley décidé de tenter la construction d'un triode comme dispositif semi-conducteur. Il a obtenu un financement et de l'espace de laboratoire, et est allé travailler sur le problème avec Brattain et John Bardeen.

La clé pour le développement du transistor est la mieux comprendre le procédé de la mobilité d'électrons dans un semiconducteur. On a réalisé que se il y avait un moyen de contrôler le flux des électrons de l'émetteur vers le collecteur de cette diode nouvellement découvert, on pourrait construire un amplificateur. Par exemple, si vous avez placé contacts de part et d'autre d'un seul type de cristal le courant ne se écoule pas à travers elle. Toutefois, si un troisième contact pourrait alors "injecter" des électrons ou des trous dans le matériau, le courant coulerait.

Réellement faire cela semblait être très difficile. Si le cristal était de ne importe quelle taille raisonnable, le nombre d'électrons (ou de trous) devant être injecté devrait être très grande - ce qui rend moins utile comme amplificateur car cela nécessiterait un grand courant d'injection pour commencer. Cela dit, l'idée de la diode à cristaux était que le cristal lui-même pourrait fournir des électrons sur une très faible distance, la région d'appauvrissement. La clé semble être de placer les contacts d'entrée et de sortie très rapprochés sur la surface du cristal de chaque côté de cette région.

Brattain a commencé à travailler sur la construction d'un tel dispositif, et des notes alléchantes d'amplification a continué à apparaître comme l'équipe a travaillé sur le problème. Parfois, le système pourrait fonctionner, mais alors cesser de fonctionner de façon inattendue. Dans un cas, un système non-travail a commencé à travailler lorsqu'il est placé dans de l'eau. Ohl et Brattain la suite développé une nouvelle branche de la mécanique quantique appelés la physique de surface pour tenir compte du comportement. Les électrons dans l'un quelconque morceau de cristal migreraient sujet en raison de charges à proximité. Les électrons dans les émetteurs, ou les "trous" dans les collecteurs, se regrouper à la surface du cristal où ils pourraient trouver leur charge opposée "flottant autour" dans l'air (ou d'eau). Pourtant, ils peuvent être repoussées de la surface avec l'application d'une petite quantité de charge à partir de ne importe quel autre emplacement sur le cristal. Au lieu d'avoir une grande quantité d'électrons injectés, un très petit nombre au bon endroit sur le cristal serait accomplir la même chose.

Leur compréhension a résolu le problème de nécessiter une très petite zone de contrôle dans une certaine mesure. Au lieu d'avoir deux semi-conducteurs séparés reliés par un courant, mais minuscule, région, une seule grande surface servirait. Les fils d'émetteur et de collecteur seraient tous les deux être placés très près les uns sur le dessus, avec le fil de commande placé sur la base du cristal. Lorsque le courant a été appliqué à la tête "de base", les électrons ou les trous seraient expulsés, à travers le bloc de semiconducteur, et se accumulent sur la surface éloignée. Tant que l'émetteur et le collecteur sont très rapprochés, ce qui devrait permettre assez d'électrons ou des trous entre eux pour permettre une conduction de commencer.

Le premier transistor

Une réplique stylisée du premier transistor

L'équipe de Bell a fait de nombreuses tentatives pour construire un tel système avec divers outils, mais généralement échoué. Configurations où les contacts étaient assez proches étaient toujours aussi fragile que les détecteurs de moustaches du chat d'origine avaient été et seraient travailler brièvement, voire pas du tout. Finalement, ils ont eu une percée pratique. Un morceau de feuille d'or a été collée sur le bord d'une cale en plastique, puis la feuille a été découpé avec une lame de rasoir à la pointe du triangle. Le résultat a été deux contacts très rapprochés d'or. Lorsque la matière plastique est poussée vers le bas sur la surface d'un cristal et la tension appliquée à l'autre côté (sur la base du cristal), le courant a commencé à se écouler d'un contact à l'autre en tant que tension de base et poussé les électrons de la base vers de l'autre côté à proximité des contacts. Le transistor point de contact avait été inventé.

Alors que le dispositif a été construit une semaine plus tôt, les notes de Brattain décrivent la première démonstration de la hausse-ups au Bell Labs l'après-midi du 23 Décembre 1947, souvent donnée comme la date de naissance du transistor. Le "transistor de germanium PNP point contact» fonctionne comme un amplificateur de la parole avec un gain de puissance de 18 dans ce procès. Connu généralement en tant que point de contact transistor aujourd'hui, John Bardeen, Walter Houser Brattain, et William Bradford Shockley ont reçu le Prix Nobel de physique pour leurs travaux en 1956.

Origine du terme "transistor"

Bell Telephone Laboratories avait besoin d'un nom générique pour leur nouvelle invention: "Semiconductor Triode", "Triode solide", "Surface États Triode" [sic], "Crystal Triode" et "Iotatron" ont tous été envisagée, mais "transistor", inventé par John R. Pierce, a remporté un vote interne. La raison d'être le nom est décrite dans l'extrait suivant de protocoles techniques de l'entreprise (28 mai 1948) appelant à des votes:

Transistor. Il se agit d'une combinaison des mots abrégé "transconductance" ou "transfert", et "varistance". Le dispositif appartient logiquement dans la famille de varistance, et a la transconductance transfert impédance ou d'un gain de dispositif ayant, de sorte que cette combinaison est descriptif.

Améliorations dans la conception de transistor

Shockley était bouleversé le dispositif étant crédité au Brattain et Bardeen, qui il sentait qu'il avait construit "derrière son dos" de prendre la gloire. Les choses se pire quand Bell Labs avocats ont constaté que certains des propres écrits de Shockley sur le transistor étaient assez proches de celles d'un brevet antérieur par 1925 Julius Edgar Lilienfeld qu'ils pensé qu'il valait mieux que son nom soit laissé la demande de brevet.

Shockley était furieux, et a décidé de montrer qui était le véritable cerveau de l'opération. Seulement quelques mois plus tard, il a inventé un type de transistor entièrement nouveau d'une couche ou une structure «sandwich». Cette nouvelle forme est beaucoup plus robuste que le système de point de contact fragile, et irait à être utilisé pour la grande majorité de tous les transistors dans les années 1960. Il évoluera dans le transistor à jonction bipolaire.

Avec les problèmes de fragilité résolus, un problème restant était la pureté. Faire germanium de la pureté requise se révèle être un problème grave, et limité le nombre de transistors qui effectivement travaillé à partir d'un lot donné de matériau. La sensibilité à la température Germanium également limité son utilité. Les scientifiques ont émis l'hypothèse que le silicium serait plus facile à fabriquer, mais peu gênés d'enquêter sur cette possibilité. Gordon K. Teal a été le premier à développer un transistor de silicium de travail, et sa compagnie, le naissante Texas Instruments, a profité de son avance technologique. Germanium disparu de la plupart des transistors par la fin des années 1960.

En quelques années, les produits à transistors, et plus particulièrement les radios, apparaissaient sur le marché. Une amélioration majeure de rendement de fabrication est venue quand un chimiste avisé les sociétés fabrication des semi-conducteurs à utiliser eau distillée plutôt que l'eau du robinet: calcium ions étaient la cause des faibles rendements. " Zone de fusion ", une technique utilisant une bande mobile de matériau en fusion à travers le cristal, augmente encore la pureté des cristaux disponibles.