Dispositivo semicondutor

Dispositivos semicondutores são componentes eletrônicos que exploram os eletrônicos propriedades de semicondutores materiais, principalmente de silício , germânio , e arsenieto de gálio, bem como semicondutores orgânicos. Dispositivos semicondutores têm substituído dispositivos termiónicos (tubos de vácuo) na maioria das aplicações. Eles usam eletrônico na condução no estado sólido, em oposição ao estado gasoso ou de emissão termiónico em alto vácuo.

Os dispositivos semicondutores são fabricados quer como dispositivos discretos e individuais como circuitos integrados (ICs), os quais consistem de uma série de algumas-(tão baixa quanto dois) a milhares de milhões de dispositivos com fabricados e interligados em um único substrato semicondutor.

Fundamentos de dispositivos semicondutores

A principal razão pela qual os materiais semicondutores são tão útil é que o comportamento de um semicondutor pode ser facilmente manipulada pela adição de impurezas, conhecida como doping. Semicondutor A condutividade pode ser controlada através da introdução de um campo eléctrico, por exposição à luz , e mesmo a pressão e calor; assim, os semicondutores podem fazer sensores excelentes. Condução de corrente em um semicondutor ocorre via dispositivo móvel ou "livres" elétrons e buracos, conhecidos coletivamente como portadores de carga. A dopagem de um semicondutor, tal como silício com uma pequena quantidade de átomos de impureza, tais como o fósforo ou boro , aumenta grandemente o número de electrões livres ou furos dentro do semicondutor. Quando um semicondutor dopado contém furos em excesso que é chamado de " tipo-p ", e quando contém excesso de electrões livres é conhecido como" tipo-n ", onde p (positivo para furos) ou n (negativo para elétrons ) é o sinal da carga dos portadores majoritários carga móveis. O material semicondutor utilizado em dispositivos é dopado sob condições altamente controladas numa instalação de fabricação, ou Fab, para controlar com precisão a localização e concentração de contaminantes, P- e N-Type. As junções que forma onde do tipo n e do tipo p semicondutores se juntam são chamadas junções pn.

Diodo

O diodo é um dispositivo feito a partir de uma única junção pn. Na junção de um tipo p e um semicondutor do tipo n não forma uma região denominada zona de depleção que bloqueios de condução de corrente a partir da região de tipo N para a região de tipo p, mas permite que a corrente para conduzir da região de tipo p para a região de tipo n. Assim, quando o dispositivo está inclinado para a frente, com o lado p em maior potencial elétrico, o diodo conduz a corrente facilmente; mas a corrente é muito pequena quando o diodo é inverter tendenciosa.

Expondo um semicondutor de luz pode gerar pares elétron-buraco, o que aumenta o número de portadores livres e sua condutividade. Diodos optimizado para tirar proveito deste fenómeno é conhecido como fotodiodos. Composto diodos semicondutores podem também ser utilizados para gerar luz, como em diodos emissores de luz e díodos laser.

Transistor

Uma estrutura de transistores de junção bipolar NPN

Transistores de junção bipolar são formadas a partir de duas junções pn, em qualquer configuração NPN ou PNP. O meio, ou uma base, a região entre as junções é tipicamente muito estreita. As outras regiões, e os seus terminais associados, são conhecidos como o emissor e do colector. Uma pequena corrente injectada através da junção entre a base e o emissor altera as propriedades da junção base-colector, de modo que pode conduzir a corrente, embora seja inversamente polarizado. Isto cria uma corrente muito maior entre o colector e emissor, controlada pela corrente de base-emissor.

Outro tipo de transistor, o transistor de efeito de campo opera no princípio de que a condutividade do semicondutor pode ser aumentada ou diminuída pela presença de um campo eléctrico. Um campo eléctrico pode aumentar o número de electrões livres e buracos em um semicondutor, alterando assim a sua condutividade. O campo pode ser aplicada por uma junção pn reversamente polarizada, formando uma junção de transístor de efeito de campo, ou JFET; ou por um eléctrodo isolado a partir do material a granel, por uma camada de óxido, formando um metal-óxido-semicondutor do transistor de efeito de campo, ou MOSFET.

O MOSFET é o dispositivo semicondutor mais usado hoje. O eletrodo de porta é cobrado para produzir um campo elétrico que controla a condutividade de um "canal" entre dois terminais, chamado a fonte e dreno. Dependendo do tipo de suporte no canal, o dispositivo pode ser um canal-n (por electrões) ou um canal-p (por orifícios) MOSFET. Embora o MOSFET é nomeado em parte para o seu portão "metal", em dispositivos modernos polissilício é normalmente usado em seu lugar. MOSFET é um IC que é um dispositivo semicondutor. .

Materiais para dispositivos semicondutores

De longe, o silício (Si) é o material mais utilizado em dispositivos semicondutores. Sua combinação de baixo custo de matérias-primas, processamento relativamente simples, e uma faixa de temperatura útil fazê-lo atualmente o melhor compromisso entre os vários materiais concorrentes. Silício utilizado na fabricação de dispositivos de semicondutores é atualmente fabricado em bocha que são suficientemente grandes em diâmetro para permitir a produção de 300 mm (12 em.) wafers.

Germânio (Ge) era um material semicondutor precoce amplamente utilizado, mas a sua sensibilidade térmica faz com que seja menos útil do que o silício. Hoje, o germânio é muitas vezes ligado com silício para uso em dispositivos SiGe muito de alta velocidade; IBM é um grande produtor de tais dispositivos.

Arseneto de gálio (GaAs) também é amplamente utilizada em dispositivos de alta velocidade, mas, até agora, tem sido difícil formar lingotes de grande diâmetro deste material, limitando o diâmetro da bolacha de tamanhos significativamente menores do que as bolachas de silício, tornando assim a produção em massa de dispositivos GaAs significativamente mais caros do que o silício.

Outros materiais menos comuns também estão em uso ou sob investigação.

Carboneto de silício (SiC) encontrou alguma aplicação como matéria-prima para o azul diodos emissores de luz (LEDs) e está sendo investigado para uso em dispositivos semicondutores que pudesse suportar muito alta operando temperaturas ambientes e com a presença de níveis significativos de radiação ionizante. Diodos IMPATT também têm sido fabricados a partir de SiC.

Vários índio compostos (arseneto de índio, índio antimoneto , e índio fosforcto ) também estão sendo usados em LEDs e de estado sólido díodos laser. Selénio sulfeto está a ser estudado no fabrico de fotovoltaica células solares.

O uso mais comum para semicondutores orgânicos é OLEDs

Aplicativos de dispositivos semicondutores

Todos os tipos de transístores pode ser utilizada como blocos de construção de portas lógicas, que são fundamentais no projeto de circuitos digitais. Em circuitos digitais como microprocessadores, transistores atuar como interruptores on-off; no MOSFET, por exemplo, a tensão aplicada à porta determina se o switch é ligado ou desligado.

Os transistores usados para circuitos analógicos não agem como interruptores on-off; em vez disso, eles respondem a uma série contínua de entradas com um intervalo contínuo de saídas. Circuitos analógicos comuns incluem amplificadores e osciladores.

Circuitos que a interface ou traduzir entre os circuitos digitais e circuitos analógicos são conhecidos como circuitos de sinais mistos.

Dispositivos semicondutores de potência são dispositivos discretos ou circuitos integrados destinados a aplicações em corrente ou tensão alta de altura. Poder circuitos integrados combinam a tecnologia IC com tecnologia de semicondutores de potência, estes são por vezes referido como dispositivos de energia "inteligentes". Várias empresas se especializam na fabricação de semicondutores de potência.

Identificadores de componentes

O Tipo de designadores de dispositivos semicondutores são frequentemente fabricante específico. No entanto, tem havido tentativas de criação de padrões para códigos de tipo, e um subconjunto de dispositivos de seguir aqueles. Para dispositivos discretos, por exemplo, existem três padrões: JEDEC JESD370B em EUA , Pro Electron na Europa e JIS no Japão .

História de semicondutores desenvolvimento dispositivo

Detector gato-suiça

Semicondutores tinha sido utilizada na área da electrónica durante algum tempo antes da invenção do transistor. Por volta da virada do século 20, eles eram bastante comuns como detectores em rádios , usados em um dispositivo chamado "bigode de gato". Estes detectores eram um tanto problemático, no entanto, exige que o operador mova a uma pequena filamento de tungsténio (a suiça) em torno da superfície de um galena (sulfeto de chumbo) ou carborundum (carboneto de silício) cristalina até que de repente começou a trabalhar. Em seguida, ao longo de um período de algumas horas ou dias, suiça do gato iria parar lentamente de trabalho e o processo terá de ser repetido. Na época o seu funcionamento estava completamente misterioso. Após a introdução do mais fiável e amplificado tubo de vácuo rádios base, sistemas de suiça do gato desapareceu rapidamente. O "bigode de gato" é um exemplo primitivo de um tipo especial de diodo ainda popular hoje, chamada de Diodo Schottky.

Retificador de metal

Outro tipo precoce do dispositivo semicondutor é o retificador de metal em que o semicondutor é óxido de cobre ou de selénio . Westinghouse Electric (1886) foi um dos principais fabricantes desses retificadores.

II Guerra Mundial

Durante a Segunda Guerra Mundial, radar investigação rapidamente empurrou receptores de radar para operar com cada vez mais alto frequências e os receptores de rádio tradicionais de tubo com base não está mais bem trabalhado. A introdução do Magnetron cavidade da Grã-Bretanha para os Estados Unidos em 1940, durante o Missão Tizard resultou em uma necessidade premente de um amplificador de prática de alta frequência.

Por um capricho, Russell Ohl de Laboratórios Bell decidiu tentar suiça de um gato. Por este ponto que não tinham sido utilizados por um número de anos, e ninguém nos laboratórios teve um. Depois de um caça para baixo em uma loja de rádio usados em Manhattan, ele descobriu que ele trabalhou muito melhor do que os sistemas baseados em tubos.

Ohl investigado por suiça do gato funcionou tão bem. Ele passou a maior parte de 1939 tentando crescer versões mais puras dos cristais. Ele logo descobriu que com cristais de maior qualidade seu comportamento mimado foi embora, mas assim como a sua capacidade para funcionar como um detector de rádio. Um dia ele encontrou um dos seus cristais mais puros, no entanto, funcionou bem, e curiosamente, ele tinha uma rachadura visível perto do meio. No entanto, como ele se movia sobre o quarto tentando testá-lo, o detector seria misteriosamente trabalhar, e depois parar de novo. Depois de algum estudo descobriu que o comportamento foi controlada pela luz, à luz quarto mais causou mais condutância no cristal. Ele convidou várias outras pessoas para ver este cristal, e Walter Brattain imediatamente percebeu que havia algum tipo de junção na rachadura.

Mais pesquisas esclarecido o mistério restante. O cristal tinha rompido porque ambos os lados continha muito ligeiramente diferentes quantidades de impurezas Ohl não foi possível remover-cerca de 0,2%. Um lado do cristal tinha impurezas que adicionados elétrons extras (os transportadores de corrente elétrica) e fez dele um "maestro". O outro tinha impurezas que queriam se ligar a esses elétrons, tornando-se (o que ele chamou) um "isolante". Porque as duas partes do cristal estavam em contacto uns com os outros, os electrões podia ser empurrado para fora do lado do condutor, que tinha electrões extra (logo a ser conhecido como o emissor) e substituídos por novos a ser fornecida (de uma bateria, para exemplo) onde eles iriam fluir para a parte de isolamento e ser recolhido pelo filamento suiça (nomeado o coletor). No entanto, quando a voltagem foi revertida os electrões a ser empurrado para dentro do colector rapidamente encher-se os "buracos" (impurezas) necessitados de electrões, e de condução pararia quase instantaneamente. Esta junção das duas cristais (ou partes de um cristal) criado um diodo de estado sólido, e o conceito logo se tornou conhecido como semiconduction. O mecanismo de acção, quando o diodo é desligado tem a ver com a separação de cobrar operadoras ao redor do cruzamento. Isto é chamado um " região de depleção ".

Desenvolvimento do diodo

Armado com o conhecimento de como estes novos diodos trabalhava, um vigoroso esforço começou a aprender a construir-los sob demanda. Equipes no Purdue University, Bell Labs, MIT, eo Universidade de Chicago todos juntaram forças para construir melhores cristais. Dentro de um ano de produção germânio tinha sido aperfeiçoada ao ponto onde diodos de nível militar estavam sendo usados na maioria dos aparelhos de radar.

Desenvolvimento do transistor

Depois da guerra, William Shockley decidiu tentar a construção de uma triode-como dispositivo semicondutor. Ele assegurou o financiamento e espaço de laboratório, e passou a trabalhar sobre o problema com Brattain e John Bardeen.

A chave para o desenvolvimento do transistor foi a melhor compreensão do processo da mobilidade dos elétrons em um semicondutor. Percebeu-se que, se houvesse alguma maneira para controlar o fluxo dos electrões a partir do emissor para o colector deste diodo recém-descoberto, pode-se construir um amplificador. Por exemplo, se os contactos colocado em ambos os lados de um único tipo de cristal a corrente não fluir através dele. Contudo, se um terceiro contacto pode, em seguida, "injectar" elétrons ou furos no material, a corrente que flui.

Na verdade fazendo isso parecia ser muito difícil. Se o cristal era de qualquer tamanho razoável, o número de electrões (ou furos) necessária para ser injectado teria que ser muito grandes - tornando-se inferior a útil como um amplificador porque exigiria uma grande corrente de injecção para começar. Dito isto, toda a ideia de o diodo de cristal foi que o próprio cristal poderia fornecer os elétrons sobre uma distância muito pequena, a região de depleção. A chave parecia ser a colocar os contactos de entrada e de saída muito próximas umas das outras sobre a superfície do cristal em ambos os lados desta região.

Brattain começou a trabalhar na construção de um tal dispositivo, e dicas tentadoras de amplificação continuou a aparecer como a equipe trabalhou no problema. Às vezes o sistema iria funcionar, mas, em seguida, parar de funcionar inesperadamente. Em um exemplo de um sistema de não-trabalho começou a trabalhar quando colocado na água. Ohl e Brattain acabou desenvolvendo um novo ramo da mecânica quântica conhecido como física de superfície para explicar o comportamento. Os elétrons em qualquer uma parte do cristal migrariam sobre devido a encargos nas proximidades. Elétrons nos emissores, ou os "buracos" nos coletores, se aglomeram na superfície do cristal onde poderiam encontrar sua carga oposta "flutuando ao redor" no ar (ou água). No entanto, eles podem ser empurrados para fora da superfície, com a aplicação de uma pequena quantidade de carga a partir de qualquer outro local no cristal. Em vez de precisar de uma grande oferta de elétrons injetados, um número muito pequeno no lugar certo no cristal iria realizar a mesma coisa.

O seu entendimento resolvido o problema de necessitar uma área muito pequena de controlo para um certo grau. Em vez de precisar de dois semicondutores separados ligados por um comum, mas minúsculo, região, uma única superfície maior serviria. O emissor e colector leva ambos seriam colocadas muito próximas umas das outras na parte superior, com a vantagem de controlo colocada na base do cristal. Quando a corrente foi aplicada para a "base" da ligação, os electrões ou furos seria empurrado para fora, através do bloco de semicondutores, e acumular-se na superfície muito. Enquanto o emissor e o colector foram muito próximas umas das outras, isto deve permitir elétrons ou buracos entre eles suficiente para permitir a condução de começar.

O primeiro transistor

Uma réplica estilizada do primeiro transistor

A equipe de Bell fez muitas tentativas de construir um tal sistema com várias ferramentas, mas geralmente falhou. Setups, onde os contatos estavam perto o bastante eram invariavelmente tão frágil como detectores de suiça do gato original tinha sido, e iria trabalhar brevemente, se em tudo. Eventualmente eles tiveram um avanço prático. Um pedaço de folha de ouro foi colada à ponta de uma cunha de plástico, e, em seguida, a folha foi cortada com uma lâmina na ponta do triângulo. O resultado foi dois contatos muito espaçados de ouro. Quando o plástico foi empurrado para baixo sobre a superfície de um cristal e de tensão aplicada ao outro lado (na base do cristal), a corrente começou a fluir a partir de um contacto para o outro como a tensão de base empurrada os electrões a partir da base em direcção do outro lado perto os contatos. O transistor de ponto de contato tinha sido inventado.

Enquanto o dispositivo foi construído uma semana antes, as notas de Brattain descrever a primeira demonstração de seus superiores na Bell Labs, na tarde de 23 de dezembro de 1947, muitas vezes dado como a data de nascimento do transistor. O "ponto de contato PNP transistor de germânio" funcionava como um amplificador de voz com um ganho de potência de 18 em que julgamento. Conhecido geralmente como um transistor de ponto de contato hoje, John Bardeen, Walter Houser Brattain, e William Bradford Shockley foram agraciados com o Prêmio Nobel de Física por seu trabalho em 1956.

Origem do termo "transistor"

Bell Telephone Laboratories precisava de um nome genérico para a sua nova invenção: "Semiconductor Triode", "Triode Sólido", "Surface Unidos Triode" [sic], "Crystal Triode" e "Iotatron" foram todos considerados, mas "transistor", cunhado por John R. Pierce, venceu uma votação interna. A justificativa para o nome é descrita no seguinte excerto de Técnico memorandos da empresa (28 de maio 1948) pedindo votos:

Transistor. Esta é uma combinação abreviada das palavras "transcondutância" ou "transferência" e "varistoras". O dispositivo pertence logicamente na família dos varistores, e tem a transcondutância ou impedância de transferência de um dispositivo que tem ganho, de modo que esta combinação é descritivo.

Melhorias no design do transistor

Shockley estava chateado com o dispositivo que está sendo creditada a Brattain e Bardeen, que ele se sentiu tinha construído "por trás das costas" para tomar a glória. Matéria tornou-se pior quando os advogados da Bell Labs descobriu que alguns dos próprios escritos de Shockley no transistor foram suficientemente perto para aqueles de um anterior patente 1925 por Julius Edgar Lilienfeld que eles acharam melhor que seu nome fosse deixado fora do pedido de patente.

Shockley ficou furioso e decidiu demonstrar que era o verdadeiro cérebro da operação. Apenas alguns meses depois, ele inventou um tipo inteiramente novo de transistor com uma camada ou estrutura "sanduíche". Esta nova forma era consideravelmente mais robusto do que o sistema de ponto de contacto frágil, e passaria a ser utilizado para a grande maioria de todos os transistores na década de 1960. Ele iria evoluir para o transistor de junção bipolar.

Com os problemas de fragilidade resolvido, um problema restante era pureza. Fazendo germânio da pureza exigida estava provando ser um problema sério, e limitou o número de transistores que efectivamente trabalhadas a partir de um determinado lote de material. A sensibilidade de germânio à temperatura também limitada a sua utilidade. Os cientistas teorizaram que o silício seria mais fácil de fabricar, mas poucos se preocuparam em investigar esta possibilidade. Gordon K. Teal foi o primeiro a desenvolver um transistor de silício de trabalho, e sua empresa, a nascente Texas Instruments, lucrou com a sua vantagem tecnológica. Germânio desapareceu da maioria dos transistores pelo final dos anos 1960.

Dentro de alguns anos, os produtos à base de transistores, mais notavelmente rádios, foram aparecendo no mercado. Uma grande melhoria no rendimento de fabricação veio quando um químico aconselhou as empresas de fabricação de semicondutores de usar água destilada em vez de água da torneira: cálcio íons foram a causa dos rendimentos baixos. " Zona de fusão ", uma técnica que utiliza uma banda em movimento de material fundido através do cristal, aumentou ainda mais a pureza dos cristais disponíveis.