Yarı iletken - Semiconductor
Bir yarı iletken malzeme, metalik bakır gibi bir iletken ile cam gibi bir yalıtkan arasında düşen bir elektrik iletkenlik değerine sahiptir . Bu direnç sıcaklığı yükseldikçe düşer; metaller tam tersidir. İletken özellikleri , kristal yapıya safsızlıklar (" doping ") katılarak faydalı şekillerde değiştirilebilir . Aynı kristalde iki farklı katkılı bölge bulunduğunda, bir yarı iletken bağlantısı oluşturulur. Elektronları , iyonları ve elektron deliklerini içeren yük taşıyıcılarının bu kavşaklardaki davranışı diyotların , transistörlerin ve tüm modern elektroniklerin temelini oluşturur . Bazı yarı iletken örnekleri silikon , germanyum , galyum arsenit ve periyodik tablodaki sözde " metaloid merdiven " yakınındaki elementlerdir . Silikondan sonra, galyum arsenit en yaygın ikinci yarı iletkendir ve lazer diyotlarında, güneş pillerinde, mikrodalga frekansı entegre devrelerde ve diğerlerinde kullanılır. Silikon, çoğu elektronik devrenin imalatı için kritik bir unsurdur.
Yarı iletken cihazlar , akımı bir yönde diğerine göre daha kolay geçirme, değişken direnç gösterme ve ışığa veya ısıya duyarlılık gibi bir dizi yararlı özellik gösterebilir. Bir yarı iletken malzemenin elektriksel özellikleri dopingle veya elektrik alanlarının veya ışığın uygulanmasıyla değiştirilebildiğinden, yarı iletkenlerden yapılan cihazlar amplifikasyon, anahtarlama ve enerji dönüşümü için kullanılabilir .
Silisyumun iletkenliği, az miktarda (10 8'de 1 mertebesinde ) beş değerli ( antimon , fosfor veya arsenik ) veya üç değerlikli ( bor , galyum , indiyum ) atomları eklenerek artırılır . Bu işlem, doping olarak bilinir ve sonuçta ortaya çıkan yarı iletkenler, katkılı veya harici yarı iletkenler olarak bilinir. Katkılamanın yanı sıra, bir yarı iletkenin iletkenliği, sıcaklığı artırılarak eşit derecede iyileştirilebilir. Bu, sıcaklık arttıkça iletkenliğin azaldığı bir metalin davranışına aykırıdır.
Bir yarı iletkenin özelliklerinin modern anlayışı, bir kristal kafesteki yük taşıyıcılarının hareketini açıklamak için kuantum fiziğine dayanır . Katkılama, kristal içindeki yük taşıyıcılarının sayısını büyük ölçüde artırır. Katkılı bir yarı iletken çoğunlukla serbest delikler içerdiğinde " p-tipi " olarak adlandırılır ve çoğunlukla serbest elektron içerdiğinde " n-tipi " olarak bilinir . Elektronik cihazlarda kullanılan yarı iletken malzemeler, p ve n tipi katkı maddelerinin konsantrasyonunu ve bölgelerini kontrol etmek için hassas koşullar altında takviye edilir. Tek bir yarı iletken kristal birçok p ve n tipi bölgeye sahip olabilir; p-n birleşme bu bölgeler arasında kullanışlı bir elektronik davranış sorumludur.
Yarı iletken malzemelerin bazı özellikleri, 19. yüzyılın ortalarında ve 20. yüzyılın ilk on yıllarında gözlemlendi. Elektronikte yarı iletkenlerin ilk pratik uygulaması, ilk radyo alıcılarında kullanılan ilkel bir yarı iletken diyot olan kedi-bıyık detektörünün 1904'te geliştirilmesiydi . Kuantum fiziğindeki gelişmeler, 1947'de transistörün , 1958'de entegre devrenin ve 1959'da MOSFET'in (metal-oksit-yarı iletken alan etkili transistör ) geliştirilmesine yol açtı.
Özellikleri
- Değişken elektriksel iletkenlik
- Doğal hallerindeki yarı iletkenler zayıf iletkenlerdir çünkü bir akım elektron akışını gerektirir ve yarı iletkenlerin değerlik bantları doldurulur ve yeni elektronların tüm akışını engeller. Yarı iletken malzemelerin, doping veya geçitleme gibi iletken malzemeler gibi davranmasına izin veren birkaç gelişmiş teknik vardır . Bu değişikliklerin iki sonucu vardır: n-tipi ve p-tipi. Bunlar, sırasıyla elektron fazlalığı veya kıtlığına atıfta bulunur. Dengesiz sayıda elektron, malzemenin içinden bir akımın akmasına neden olur.
- Heterojunctions
- Heterojonksiyonlar , iki farklı katkılı yarı iletken malzeme birleştirildiğinde meydana gelir. Örneğin, bir konfigürasyon p-katkılı ve n-katkılı germanyumdan oluşabilir . Bu, farklı katkılı yarı iletken malzemeler arasında bir elektron ve delik değişimi ile sonuçlanır. N-katkılı germanyum fazla elektrona sahip olacaktı ve p-katkılı germanyum fazla deliklere sahip olacaktı. Transfer, rekombinasyon adı verilen bir işlemle dengeye ulaşılıncaya kadar gerçekleşir , bu da n-tipinden göç eden elektronların p-tipinden göç eden deliklerle temas etmesine neden olur. Bu işlemin bir ürünü, bir elektrik alanıyla sonuçlanan yüklü iyonlardır .
- Heyecanlı elektronlar
- Yarı iletken bir malzeme üzerindeki elektrik potansiyelindeki bir fark, ısıl dengeyi terk etmesine ve denge dışı bir durum yaratmasına neden olur. Bu, sisteme ambipolar difüzyon adı verilen bir işlemle etkileşime giren elektronları ve delikleri getirir . Yarı iletken bir malzemede ısıl denge bozulduğunda, deliklerin ve elektronların sayısı değişir. Bu tür bozulmalar , sisteme girip elektronlar ve delikler oluşturabilen bir sıcaklık farkı veya fotonların bir sonucu olarak meydana gelebilir . Elektronları ve delikleri yaratan ve yok eden sürece üretim ve rekombinasyon denir .
- Işık emisyonu
- Bazı yarı iletkenlerde, uyarılmış elektronlar ısı üretmek yerine ışık yayarak gevşeyebilirler. Bu yarı iletkenler, ışık yayan diyotların ve floresan kuantum noktalarının yapımında kullanılır .
- Yüksek termal iletkenlik
- Yüksek termal iletkenliğe sahip yarı iletkenler, ısı dağılımı ve elektroniklerin termal yönetimini iyileştirmek için kullanılabilir.
- Termal enerji dönüşümü
- Yarı iletkenler, termoelektrik jeneratörlerde faydalı olmalarını sağlayan büyük termoelektrik güç faktörlerine ve ayrıca termoelektrik soğutucularda faydalı olmalarını sağlayan yüksek termoelektrik değerlere sahiptir .
Malzemeler
Çok sayıda element ve bileşik, yarı iletken özelliklere sahiptir, örneğin:
- Bazı saf elemanlar bulunan Grup 14 arasında periyodik tablonun ; bu elementlerin ticari olarak en önemlileri silikon ve germanyumdur . Silikon ve germanyum burada etkili bir şekilde kullanılır çünkü en dıştaki kabuklarında aynı anda eşit olarak elektron kazanma veya kaybetme yeteneği veren 4 değerlik elektronları vardır.
- İkili bileşikler , özellikle galyum arsenid , Grup 12 ve 16, gruplar 14 ve 16 gibi Grup 13 ve 15'teki elementler arasında ve örneğin silikon karbür gibi farklı grup 14 elementler arasında .
- Bazı üçlü bileşikler, oksitler ve alaşımlar.
- Organik bileşiklerden yapılan organik yarı iletkenler .
En yaygın yarı iletken malzemeler kristalin 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 iletkenler ile ara iletkenlik özelliklerini ve sıcaklıkla hızlı bir iletkenlik değişiminin yanı sıra ara sıra negatif direnci paylaşır . Bu tür düzensiz malzemeler, silikon gibi geleneksel yarı iletkenlerin sert kristal yapısından yoksundur. Genellikle, daha yüksek elektronik kalitede malzeme gerektirmeyen, kirliliklere ve radyasyon hasarına nispeten duyarsız olan ince film yapılarında kullanılırlar .
Yarı iletken malzemelerin hazırlanması
Günümüzün neredeyse tüm elektronik teknolojisi yarı iletkenlerin kullanımını içerir ve en önemli yönü dizüstü bilgisayarlarda , tarayıcılarda, cep telefonlarında vb. Bulunan entegre devredir (IC) . IC'ler için yarı iletkenler seri üretilir. İdeal bir yarı iletken malzeme oluşturmak için kimyasal saflık çok önemlidir. Herhangi bir küçük kusur, yarı iletken malzemenin, malzemelerin kullanıldığı ölçek nedeniyle nasıl davrandığı üzerinde ciddi bir etkiye sahip olabilir.
Kristal yapıdaki hatalar ( dislokasyonlar , ikizler ve istifleme hataları gibi ) malzemenin yarı iletken özelliklerine müdahale ettiğinden , yüksek derecede kristalin mükemmellik de gereklidir . Kristalin arızalar, hatalı yarı iletken cihazların başlıca nedenidir. Kristal ne kadar büyükse, gerekli mükemmelliğe ulaşmak o kadar zor olur. Mevcut seri üretim süreçleri , silindir olarak büyütülen ve gofretler halinde dilimlenen 100 ila 300 mm (3,9 ve 11,8 inç) çapa sahip kristal külçeler kullanmaktadır .
IC'ler için yarı iletken malzemeler hazırlamak için kullanılan bir işlem kombinasyonu vardır. Bir işlem olarak adlandırılır termal oksidasyon oluşturan silikon dioksit yüzeyi üzerinde silikon . Bu, bir kapı izolatörü ve alan oksidi olarak kullanılır . Diğer işlemlere fotomaskler ve fotolitografi denir . Bu süreç, entegre devrede devre üzerindeki kalıpları yaratan şeydir. Ultraviyole ışık , devre için desenleri oluşturan kimyasal bir değişim yaratmak için bir fotoresist katmanla birlikte kullanılır .
Aşındırma, gerekli olan bir sonraki işlemdir. Silisyumun önceki adımdaki fotorezist katmanla kaplanmayan kısmı artık aşındırılabilir. Bugün tipik olarak kullanılan ana işleme plazma aşındırma denir . Plazma aşındırma genellikle plazma oluşturmak için düşük basınçlı bir odaya pompalanan bir dağlama gazını içerir . Yaygın bir dağlama gazı, kloroflorokarbon veya daha yaygın olarak bilinen Freon'dur . Katot ve anot arasındaki yüksek radyo frekansı voltajı , haznedeki plazmayı yaratan şeydir. Gofret silikon neden olur katot üzerinde yer almaktadır, plazma salınan pozitif yüklü iyonlar tarafından vurulacak. Nihai sonuç, anizotropik olarak kazınan silikondur .
Son sürece difüzyon denir . Yarı iletken malzemeye istenen yarı iletken özelliklerini veren süreç budur. Aynı zamanda doping olarak da bilinir . İşlem, sisteme pn birleşimini oluşturan saf olmayan bir atom sunar . Silikon gofretin içine gömülü saf olmayan atomları elde etmek için, gofret ilk olarak 1.100 santigrat derecelik bir odaya yerleştirilir. Atomlar enjekte edilir ve sonunda silikonla birlikte yayılır. İşlem tamamlandıktan ve silikon oda sıcaklığına ulaştıktan sonra doping işlemi yapılır ve yarı iletken malzeme entegre bir devrede kullanıma hazır hale gelir.
Yarı iletkenlerin fiziği
Enerji bantları ve elektrik iletimi
Yarı iletkenler, bir iletken ve bir yalıtkan arasında bir yerde, benzersiz elektrik iletken davranışları ile tanımlanır. Bu malzemeler arasındaki farklar , her biri sıfır veya bir elektron içerebilen ( Pauli dışlama ilkesine göre ) elektronlar için kuantum durumları açısından anlaşılabilir . Bu durumlar , malzemenin elektronik bant yapısı ile ilişkilidir . Elektriksel iletkenlik , yerelleştirilmiş (malzeme boyunca uzanan ) durumlarda elektronların varlığından kaynaklanır , ancak elektronları taşımak için, zamanın sadece bir bölümünde bir elektron içeren bir durum kısmen doldurulmalıdır . Durum her zaman bir elektronla meşgulse, o zaman etkisizdir ve diğer elektronların bu durumdan geçişini engeller. Bu kuantum hallerinin enerjileri kritiktir, çünkü bir durum yalnızca enerjisi Fermi seviyesine yakınsa kısmen doldurulur (bkz. Fermi-Dirac istatistikleri ).
Bir malzemedeki yüksek iletkenlik, birçok kısmen doldurulmuş duruma ve birçok durum yer değiştirmesine sahip olmasından gelir. Metaller iyi elektrik iletkenleridir ve Fermi seviyelerine yakın enerjilerle kısmen dolu birçok duruma sahiptir. İzolatörlerin aksine, kısmen doldurulmuş birkaç durumu vardır, Fermi seviyeleri , işgal edilecek çok az enerji durumuyla bant boşlukları içinde oturur . Daha da önemlisi, bir yalıtkan, sıcaklığını artırarak gerçekleştirilebilir: ısıtma, bant aralığı boyunca bazı elektronları ilerletmek için enerji sağlar, hem bant boşluğunun ( değerlik bandı ) hem de yukarıdaki durumların bandında kısmen dolu durumları indükler. bant aralığı ( iletim bandı ). Bir (içsel) yarı iletken, bir yalıtkanınkinden daha küçük bir bant aralığına sahiptir ve oda sıcaklığında, bant boşluğunu geçmek için önemli sayıda elektron uyarılabilir.
Bununla birlikte, saf bir yarı iletken, ne çok iyi bir yalıtkan ne de çok iyi bir iletken olduğu için pek kullanışlı değildir. Bununla birlikte, yarı iletkenlerin (ve yarı izolatörler olarak bilinen bazı izolatörlerin) önemli bir özelliği, iletkenliklerinin safsızlıklar ile katkılama ve elektrik alanlarıyla geçitleme yoluyla artırılıp kontrol edilebilmesidir . Doping ve geçitleme, iletim veya değerlik bandını Fermi seviyesine çok daha yakın hareket ettirir ve kısmen dolu durumların sayısını büyük ölçüde artırır.
Bazı daha geniş bant aralıklı yarı iletken malzemeler, bazen yarı yalıtkanlar olarak adlandırılır . Katkısız olduklarında, bunlar elektrik yalıtkanlarınınkine daha yakın bir elektrik iletkenliğine sahiptir, ancak katkılı olabilirler (yarı iletkenler kadar faydalı kılar). Yarı izolatörler, mikro elektronikte HEMT için substratlar gibi niş uygulamaları bulur . Yaygın bir yarı yalıtkan örneği galyum arsenittir . Titanyum dioksit gibi bazı malzemeler, bazı uygulamalar için yalıtım malzemesi olarak kullanılabilirken, diğer uygulamalar için geniş aralıklı yarı iletkenler olarak değerlendirilir.
Yük taşıyıcıları (elektronlar ve delikler)
İletim bandının altındaki durumların kısmi olarak doldurulması, bu banda elektron eklemek olarak anlaşılabilir. Elektronlar (doğal termal rekombinasyon nedeniyle) sonsuza kadar kalmazlar, ancak bir süre hareket edebilirler. Elektronların gerçek konsantrasyonu tipik olarak çok seyreltilir ve bu nedenle (metallerin aksine) bir yarı iletkenin iletim bandındaki elektronları, elektronların maruz kalmadan serbestçe dolaştığı bir tür klasik ideal gaz olarak düşünmek mümkündür . Pauli ilkesi . Çoğu yarı iletkende, iletim bantları parabolik bir dağılım ilişkisine sahiptir ve bu nedenle bu elektronlar, farklı bir etkili kütleye sahip olsalar da, bir vakumda olduğu gibi kuvvetlere (elektrik alan, manyetik alan vb.) Tepki verirler . Elektronlar ideal bir gaz gibi davrandıklarından, iletkenlik hakkında Drude modeli gibi çok basit terimlerle de düşünülebilir ve elektron hareketliliği gibi kavramlar ortaya atılabilir .
Değerlik bandının üst kısmındaki kısmi doldurma için, bir elektron deliği kavramını tanıtmak yararlıdır . Değerlik bandındaki elektronlar her zaman hareket etse de, tamamen tam bir değerlik bandı atıldır ve herhangi bir akım iletmez. Değerlik bandından bir elektron çıkarılırsa, elektronun normalde alacağı yörünge artık yükünü kaybediyor. Elektrik akımı amacıyla, elektron eksi tam değerlik bandının bu kombinasyonu, elektron ile 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 sadece normal pozitif yüklü partikül olarak elektrik ve manyetik alanların ye yanıt verir bazı pozitifliği söz yine boşlukta yapacağını bir pozitif yüklü parçacığın bir resim varmak etkili kütle. Bu parçacığa delik adı verilir ve değerlik bandındaki deliklerin toplanması yine basit klasik terimlerle anlaşılabilir (iletim bandındaki elektronlarda olduğu gibi).
Taşıyıcı üretimi ve rekombinasyonu
Zaman iyonize edici radyasyon , bir yarı iletken ile temas ettiğinde, bu enerji seviyesinin bir elektron üzerinden tahrik ve sonuç olarak bir delik bırakabilir. Bu süreç elektron deliği çifti üretimi olarak bilinir . Elektron deliği çiftleri, herhangi bir harici enerji kaynağı olmadığında da sürekli olarak termal enerjiden üretilir .
Elektron deliği çiftleri de yeniden birleşmeye meyillidir. Enerjinin korunumu, bir elektronun bant aralığından daha büyük miktarda enerji kaybettiği bu rekombinasyon olaylarına, termal enerji ( fonon formunda ) veya radyasyon ( foton formunda) emisyonunun eşlik etmesini gerektirir .
Bazı durumlarda, elektron deliği çiftlerinin üretimi ve rekombinasyonu dengede. Belirli bir sıcaklıkta sabit durumdaki elektron deliği çiftlerinin sayısı, kuantum istatistiksel mekaniği ile belirlenir . Hassas kuantum mekanik üretimi ve yeniden birleştirme mekanizmaları tarafından yönetilir enerjinin korunumu ve momentumun korunumu .
Elektronların ve deliklerin bir araya gelme olasılığı, sayılarının çarpımı ile orantılı olduğundan, önemli bir elektrik alanı olmaması koşuluyla, ürün, belirli bir sıcaklıkta neredeyse sabit durumdadır (her iki tipte de taşıyıcıları "yıkayabilir", veya daha fazlasını içeren komşu bölgelerden bir araya gelmeleri için taşıyın) veya harici olarak tahrik edilen çift oluşturma. Ürün exp yaklaşık olarak, sıcaklık ile bir çift artar üretmek yeterli termal enerji alma olasılığı olarak, sıcaklığın bir fonksiyonudur - ( D G / kT ) k olduğu Boltzmann sabiti , T mutlak sıcaklık, ve D G, bir bant aralığı.
Karşılaşma olasılığı, taşıyıcı tuzaklarla (bir elektron veya deliği yakalayıp bir çift tamamlanana kadar tutabilen safsızlıklar veya çıkıklar) artırılır. Bu tür taşıyıcı tuzaklar bazen kararlı duruma ulaşmak için gereken süreyi azaltmak için kasıtlı olarak eklenir.
Doping
Yarı iletkenlerin iletkenliği, kristal kafeslerine safsızlıklar eklenerek kolayca değiştirilebilir . Bir yarı iletkene kontrollü safsızlıklar ekleme işlemi, doping olarak bilinir . İçsel (saf) bir yarı iletkene eklenen safsızlık veya katkı maddesi miktarı iletkenlik seviyesini değiştirir. Katkılı yarı iletkenler dışsal olarak adlandırılır . Saf yarı iletkenlere safsızlık ekleyerek, elektriksel iletkenlik binlerce veya milyonlarca faktörle değiştirilebilir.
Metal veya yarı iletkenden 1 cm 3'lük bir numune 10 22 atom düzenindedir . 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 ° C 'de saf germanyum örnek yaklaşık olarak aşağıdakileri içerir4,2 × 10 22 atom, ancak yalnızca2,5 × 10 13 serbest elektron ve2,5 × 10 13 delik. % 0,001 arsenik (bir safsızlık) ilavesi , aynı hacimde fazladan 10 17 serbest elektron verir ve elektriksel iletkenlik 10.000 kat artar.
Uygun katkı maddeleri olarak seçilen malzemeler, hem katkı maddesinin hem de katkılanacak malzemenin atomik özelliklerine bağlıdır. Genel olarak, istenen kontrollü değişiklikleri üreten katkı maddeleri, elektron alıcıları veya donörler olarak sınıflandırılır . Donör safsızlıkları ile katkılanmış yarı iletkenler n-tipi olarak adlandırılırken , alıcı safsızlıklar ile katkılananlar p-tipi olarak bilinir . N ve p tip tanımları, hangi yük taşıyıcısının malzemenin çoğunluk taşıyıcısı olarak hareket ettiğini gösterir . Karşı taşıyıcıya, çoğunluk taşıyıcıya kıyasla çok daha düşük bir konsantrasyonda termal uyarıma bağlı olarak var olan azınlık taşıyıcı denir .
Örneğin, saf yarı iletken silikon , her silikon atomunu komşularına bağlayan dört değerlik elektronuna sahiptir. Silikonda en yaygın katkı maddeleri grup III ve grup V elementlerdir. Grup III elementlerinin tümü üç valans elektronu içerir ve bu elektronların silikonu katmak için kullanıldığında alıcı olarak işlev görmelerine neden olur. Bir alıcı atom kristaldeki bir silikon atomunun yerini aldığında, kafes etrafında hareket edebilen ve bir yük taşıyıcı olarak işlev görebilen boş bir durum (bir elektron "deliği") yaratılır. Grup V elemanları beş valans elektronuna sahiptir, bu da onların bir verici olarak hareket etmelerine izin verir; bu atomların silikon ile yer değiştirmesi fazladan bir elektron yaratır. Bu nedenle, borla katkılanmış bir silikon kristali p-tipi bir yarı iletken oluştururken, fosfor katkılı bir n-tipi malzeme ile sonuçlanır.
Üretim sırasında , katkı maddeleri, istenen elemanın gaz halindeki bileşikleri ile temas yoluyla yarı iletken gövdeye yayılabilir veya katkılı bölgeleri doğru bir şekilde konumlandırmak için iyon implantasyonu kullanılabilir.
Amorf yarı iletkenler
Camsı amorf bir duruma hızla soğutulduğunda bazı malzemeler yarı iletken özelliklere sahiptir. Bunlar B, Si , Ge, Se ve Te'yi içerir ve bunları açıklamak için birden fazla teori vardır.
Yarı iletkenlerin erken tarihi
Yarı iletkenlerin anlaşılmasının tarihi, malzemelerin elektriksel özellikleri üzerine deneylerle başlar. Negatif sıcaklık katsayısı direnç, düzeltme ve ışığa duyarlılık özellikleri 19. yüzyılın başlarından itibaren gözlemlendi.
Thomas Johann Seebeck , 1821'de yarı iletkenlerden kaynaklanan bir etkiyi ilk fark eden kişiydi. 1833'te Michael Faraday , gümüş sülfit örneklerinin ısıtıldıklarında direncinin azaldığını bildirdi . Bu, bakır gibi metalik maddelerin davranışına aykırıdır. 1839'da Alexandre Edmond Becquerel , ışıkla çarpıldığında katı ve sıvı elektrolit arasındaki voltajın fotovoltaik etki olduğunu gözlemlediğini bildirdi . 1873'te Willoughby Smith , selenyum dirençlerinin üzerine ışık düştüğünde azalan direnç gösterdiğini gözlemledi . 1874'te, Karl Ferdinand Braun metalik sülfitlerde iletim ve düzeltmeyi gözlemledi , ancak bu etki Peter Munck af Rosenschold'un ( sv ) 1835'te Annalen der Physik und Chemie için yazdığı yazı tarafından çok daha önce keşfedilmişti ve Arthur Schuster , bir bakır oksit tabakasını buldu. tellerde, teller temizlendiğinde sona eren düzeltme özellikleri vardır. William Grylls Adams ve Richard Evans Day, 1876'da selenyumdaki fotovoltaik etkiyi gözlemledi.
Bu fenomenlerin birleşik bir açıklaması , 20. yüzyılın ilk yarısında büyük ölçüde gelişen bir katı hal fiziği teorisi gerektirdi . 1878'de Edwin Herbert Hall , uygulanan bir manyetik alan olan Hall etkisi ile akan yük taşıyıcılarının sapmasını gösterdi . Elektronun 1897'de JJ Thomson tarafından keşfi, katılarda elektron temelli iletim teorilerine yol açtı. Karl Baedeker , metallerdekinin ters işareti ile bir Hall etkisini gözlemleyerek, bakır iyodürün pozitif yük taşıyıcıları olduğu teorisini ortaya attı. Johan Koenigsberger katı malzemeleri metaller, yalıtkanlar ve "değişken iletkenler" olarak sınıflandırmasına rağmen, öğrencisi Josef Weiss 1910'da doktora tezinde Halbleiter (modern anlamıyla yarı iletken) terimini zaten tanıttı . Felix Bloch , elektronların atomik hareketler teorisini yayınladı. 1928'de kafesler. 1930'da B. Gudden, yarı iletkenlerdeki iletkenliğin çok az safsızlık konsantrasyonundan kaynaklandığını belirtti. 1931'de, bant iletim teorisi Alan Herries Wilson tarafından oluşturulmuş ve bant boşlukları kavramı geliştirilmiştir. Walter H. Schottky ve Nevill Francis Mott , potansiyel bariyer modellerini ve metal-yarı iletken bir bağlantının karakteristiklerini geliştirdiler . 1938'de Boris Davydov, p-n bağlantısının etkisini ve azınlık taşıyıcılarının ve yüzey durumlarının önemini belirleyen bir bakır oksit redresörü teorisi geliştirdi .
Teorik tahminler (kuantum mekaniğini geliştirmeye dayalı) ve deneysel sonuçlar arasındaki anlaşma bazen zayıftı. Bu daha sonra John Bardeen tarafından , özellikleri küçük miktarlardaki kirliliklere bağlı olarak dramatik bir şekilde değişen yarı iletkenlerin aşırı "yapıya duyarlı" davranışına bağlı olarak açıklandı . Çeşitli oranlarda eser kirletici içeren 1920'lerin ticari olarak saf malzemeleri, farklı deneysel sonuçlar üretti. Bu, trilyon başına parça saflıkta malzemeler üreten modern yarı iletken rafinerilerle sonuçlanan iyileştirilmiş malzeme arıtma tekniklerinin geliştirilmesini teşvik etti.
Yarı iletkenleri kullanan cihazlar, yarı iletken teorisi daha yetenekli ve güvenilir cihazların inşası için bir rehber sunmadan önce ilk başta deneysel bilgiye dayalı olarak inşa edildi.
Alexander Graham Bell , 1880'de sesi bir ışık huzmesi üzerinden iletmek için selenyumun ışığa duyarlı özelliğini kullandı. Charles Fritts tarafından 1883'te selenyum ile kaplanmış metal bir plaka ve ince bir tabaka kullanılarak , düşük verimli çalışan bir güneş pili inşa edildi . altın; cihaz 1930'larda fotografik ışık ölçerlerinde ticari olarak kullanışlı hale geldi. Kurşun sülfitten yapılan noktasal temaslı mikrodalga detektör redresörleri 1904'te Jagadish Chandra Bose tarafından kullanıldı ; alet edilen bıyık detektör doğal galen veya başka malzemeler kullanılarak ortak bir cihaz haline geldi radyonun geliştirilmesi . Bununla birlikte, operasyonda bir şekilde tahmin edilemezdi ve en iyi performans için manuel ayar yapılması gerekiyordu. 1906'da HJ Round , elektrik akımı silikon karbür kristallerinden geçtiğinde ışık yayılmasını gözlemledi , bu ışık yayan diyotun arkasındaki ilke . Oleg Losev , 1922'de benzer ışık yayılımını gözlemledi, ancak o sırada etkinin pratik bir faydası yoktu. Bakır oksit ve selenyum kullanan güç redresörleri 1920'lerde geliştirildi ve vakum tüplü redresörlere alternatif olarak ticari olarak önemli hale geldi .
II.Dünya Savaşı'ndan önceki yıllarda, kızılötesi algılama ve iletişim cihazları, kurşun-sülfür ve kurşun-selenid materyalleri üzerine araştırmalar yapılmasını sağlamıştır. Bu cihazlar, gemileri ve uçakları tespit etmek, kızılötesi telemetreler ve sesli iletişim sistemleri için kullanıldı. Nokta temaslı kristal detektör mikrodalga radyo sistemleri için hayati bir önem kazanmıştır, çünkü mevcut vakum tüplü cihazlar yaklaşık 4000 MHz'in üzerinde detektör olarak hizmet verememiştir; gelişmiş radar sistemleri, kristal dedektörlerin hızlı tepkisine dayanıyordu. Savaş sırasında, tutarlı kalitede dedektörler geliştirmek için silikon malzemeler üzerinde önemli araştırma ve geliştirme yapıldı .
Erken transistörler
Dedektör ve güç redresörleri bir sinyali yükseltemedi. Bir katı hal amplifikatörü geliştirmek için birçok çaba gösterildi ve 20db veya daha fazlasını yükseltebilecek nokta kontak transistörü adı verilen bir cihaz geliştirmede başarılı oldu . 1922'de Oleg Losev , radyo için iki terminalli, negatif direnç amplifikatörleri geliştirdi , ancak başarılı bir şekilde tamamlandıktan sonra Leningrad Kuşatması'nda öldü . 1926'da Julius Edgar Lilienfeld , alan etkili transistöre benzeyen bir cihazın patentini aldı , ancak bu pratik değildi. R. Hilsch ve RW Pohl, 1938'de bir vakum tüpünün kontrol ızgarasına benzeyen bir yapı kullanarak bir katı hal amplifikatörü gösterdi; cihaz güç kazancı göstermesine rağmen, saniyede bir döngü kesilme frekansına sahipti , herhangi bir pratik uygulama için çok düşük, ancak mevcut teorinin etkili bir uygulamasıydı. En Bell Labs , külfet ve A. Holden silikon ilk p-n birleşme ile gözlenmiştir 1938 katı hal yükselticileri soruşturma başlatan Russell Ohl bir numunesi bir keskin bir sınır ile ışığa duyarlı olduğu bulunmuştur 1941 hakkında bir uçta p-tipi safsızlık ve diğer uçta n-tipi arasında. P – n sınırında numuneden kesilen bir dilim, ışığa maruz kaldığında bir voltaj geliştirdi.
İlk çalışan transistör , John Bardeen , Walter Houser Brattain ve William Shockley tarafından 1947'de Bell Laboratuarlarında icat edilen bir nokta temaslı transistördü . Shockley daha önce germanyum ve silikondan yapılmış bir alan etkili amplifikatörü kuramlaştırmıştı , ancak böyle bir çalışma yapamadı. cihaz, sonunda nokta temas transistörünü icat etmek için germanyum kullanmadan önce. Fransa'da savaş sırasında Herbert Mataré , bir germanyum tabanındaki bitişik nokta temasları arasında büyütme gözlemlemişti. Savaştan sonra, Mataré'nin grubu "Transistron" amplifikatörlerini Bell Labs'ın " transistörü " duyurmasından kısa bir süre sonra duyurdu .
1954'te fiziksel kimyager Morris Tanenbaum , Bell Labs'da 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 büyük cihazlardı .
Germanyum ve silikon yarı iletkenler
İlk silikon yarı iletken cihaz, 1906'da Amerikalı mühendis Greenleaf Whittier Pickard tarafından geliştirilen bir silikon radyo kristal dedektörüydü . 1940'ta Russell Ohl , silikondaki pn birleşimini ve fotovoltaik etkileri keşfetti . 1941'de, II.Dünya Savaşı sırasında radar mikrodalga dedektörleri için yüksek saflıkta germanyum ve silikon kristalleri üretme teknikleri geliştirildi . 1955'te, Bell Laboratuvarlarından Carl Frosch ve Lincoln Derick, yanlışlıkla silikon dioksitin (SiO 2 ) silikon üzerinde yetiştirilebileceğini keşfettiler ve daha sonra bunun 1958'de difüzyon işlemleri sırasında silikon yüzeyleri maskeleyebileceğini önerdiler .
Yarı iletken endüstrisinin ilk yıllarında, 1950'lerin sonlarına kadar germanyum, transistörler ve diğer yarı iletken cihazlar için silikondan ziyade baskın yarı iletken malzemeydi. Germanyum, daha yüksek taşıyıcı hareketliliği nedeniyle daha iyi performans gösterebildiği için başlangıçta daha etkili yarı iletken malzeme olarak kabul edildi . Erken silikon yarı iletken performans göreceli eksikliği nedeniyle elektrik iletkenliği kararsız ile sınırlanmadan kuantum yüzey durumlarının , elektronlar nedeniyle, yüzeyde sıkışıp bağları sarkan nedeniyle oluşan doymamış bağlar yüzeyinde mevcut bulunmaktadır. Bu, elektriğin yarı iletken silikon tabakaya ulaşmak için yüzeye güvenilir bir şekilde nüfuz etmesini engelledi .
Silisyum yarı iletken teknolojisinde bir atılım Mısırlı mühendis çalışmaları ile geldi Mohamed atalla sürecini geliştirdi, yüzey pasivasyon tarafından termal oksidasyon 1950'lerin sonlarında Bell Laboratuarlarında. Termal olarak büyütülmüş bir silikon dioksit tabakasının oluşumunun , silikon yüzeyindeki elektronik durum konsantrasyonunu büyük ölçüde azalttığını ve silikon oksit tabakalarının, silikon yüzeyleri elektriksel olarak stabilize etmek için kullanılabileceğini keşfetti . Atalla, bulgularını ilk olarak 1957'de Bell notlarında yayınladı ve ardından 1958'de gösterdi. Bu, yüksek kaliteli silikon dioksit yalıtkan filmlerin, alttaki silikon pn bağlantı diyotlarını korumak için silikon yüzeyinde termal olarak büyütülebileceğini gösteren ilk gösteriydi ve transistörler. Atalla'nın yüzey pasifleştirme süreci, silikonun germanyumun iletkenliğini ve performansını aşmasını sağladı ve baskın yarı iletken malzeme olarak silisyumun germanyumun yerini almasına yol açtı. Atalla'nın yüzey pasivasyon süreci silikon yarı iletken teknolojisindeki en önemli gelişme olarak kabul edilir ve silikon yarı iletken cihazların seri üretiminin yolunu açar. 1960'ların ortalarında, Atalla'nın oksitlenmiş silikon yüzeyler için süreci, neredeyse tüm entegre devreleri ve silikon cihazları imal etmek için kullanıldı.
MOSFET (MOS transistörü)
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. Bu , 1959'da Mohamed Atalla ve Dawon Kahng tarafından MOSFET'in (MOS alan etkili transistör) icat edilmesine yol açtı. Çok çeşitli kullanımlar için minyatürleştirilebilen ve seri üretilebilen ilk gerçek kompakt transistördü, Ölçeklenebilirliği ile , ve bipolar bağlantı transistörlerinden çok daha düşük güç tüketimi ve daha yüksek yoğunluk , MOSFET, bilgisayarlarda, elektronik cihazlarda ve akıllı telefonlar gibi iletişim teknolojilerinde en yaygın transistör türü haline geldi . ABD Patent ve Marka Ofisi , bir "dünya çapında yaşam ve kültürünü dönüştürülmüş olduğunu çığır buluş" MOSFET çağırır.
CMOS (tamamlayıcı MOS) işlem tarafından geliştirilen Chih-Tang Şah ve Frank Wanlass de Fairchild Semiconductor 1963 bir ilk raporunda MOSFET kayan kapısı Dawon Kahng ve tarafından yapıldı Simon Sze 1967 yılında FinFET (fin alan etkili transistörü ), bir tür 3 boyutlu çok kapılı MOSFET, Digh Hisamoto ve Hitachi Merkez Araştırma Laboratuvarı'ndaki araştırmacı ekibi tarafından 1989 yılında geliştirildi .
Ayrıca bakınız
- Deathnium
- Yarı iletken cihaz imalatı
- Yarı iletken endüstrisi
- Yarı iletken karakterizasyon teknikleri
- Transistör sayısı
Referanslar
daha fazla okuma
- AA Balandin & KL Wang (2006). Yarıiletken Nanoyapılar ve Nanodeviyeler El Kitabı (5 Hacimli Set) . American Scientific Publishers. ISBN 978-1-58883-073-9.
- Sze, Simon M. (1981). Yarıiletken Cihazların Fiziği (2. baskı) . John Wiley ve Oğulları (WIE). ISBN 978-0-471-05661-4.
- Turley Jim (2002). Yarı İletkenler İçin Temel Kılavuz . Prentice Hall PTR. ISBN 978-0-13-046404-0.
- Yu, Peter Y .; Cardona, Manuel (2004). Yarıiletkenlerin Temelleri: Fizik ve Malzeme Özellikleri . Springer. ISBN 978-3-540-41323-3.
- Sadao Adachi (2012). Yarıiletkenlerin Optik Sabitleri El Kitabı: Tablo ve Şekillerde . World Scientific Publishing. ISBN 978-981-4405-97-3.
- GB Abdullayev, TD Dzhafarov, S. Torstveit (Çevirmen), Yarıiletken Yapılarda Atomik Difüzyon, Gordon & Breach Science Pub., 1987 ISBN 978-2-88124-152-9
|Wikimedia Commons, Semiconductors ile ilgili medyaya sahiptir .|
|Wikiquote'un şunlarla ilgili alıntıları vardır: Yarıiletken|
- Howstuffworks'ün yarı iletken sayfası
- Hiperfizikte Yarıiletken Kavramları
- Silikondaki iç taşıyıcı konsantrasyonu için hesap makinesi
- Semiconductor OneSource Onur Listesi , Sözlük
- Yarı İletken Cihazların İlkeleri, Colorado Üniversitesi'nden Bart Van Zeghbroeck . Çevrimiçi bir ders kitabı]
- ABD Deniz Kuvvetleri Elektrik Mühendisliği Eğitim Serisi
- NSM-Archive Physical Properties of Semiconductors]
- Yarıiletken Üretici Listesi
- ABACUS'ün : Yarıiletken Giriş - tarafından Gerhard Klimeck ve Dragice Vasileska, üzerinde simülasyon araçlarıyla çevrimiçi öğrenim kaynağı nanoHUB
- Organik Yarıiletken sayfası
- DoITPoMS Öğretme ve Öğrenme Paketi- "Yarı İletkenlere Giriş"
- Yarı İletken Kuruluşları Sanal Müzesi