Kaip veikia puslaidininkiniai lustai?

0020-42285 PLOKŠTELĖ, BLOKERIUS 8" EC WXZ

0010-35756 CVD aušinimo kameros sistema

█ Vakuuminis vamzdis (elektroninis vamzdis)

Edisono efektas

1883 metais garsus išradėjas Thomas Edisonas eksperimento metu pastebėjo keistą reiškinį. Tuo metu jis atliko kaitinimo siūlelio (anglies gijos) gyvavimo testą. Šalia kaitinimo siūlelio jis padėjo varinę vielą, bet varinė viela nebuvo pritvirtinta prie nė vieno elektrodo. Tai yra, varinė viela nėra maitinama.

Kai anglies siūlelis normaliai įjungiamas, jis pradeda švytėti ir kaisti. Po kurio laiko Edisonas atjungė maitinimą. Jis atsitiktinai atrado, kad ant varinės vielos taip pat buvo sukurta elektros srovė.

Edisonas niekaip negalėjo paaiškinti šio reiškinio priežasties, tačiau, kaip gudriam „verslininkui“, pirmas dalykas, kuris jam atėjo į galvą, buvo patentuoti atradimą. Šį reiškinį jis taip pat pavadino „Edisono efektu“.

Dabar žinome, kad „Edisono efekto“ esmė yra šiluminių elektronų emisija. Tai reiškia, kad kaitinamas siūlas, paviršiuje esantys elektronai suaktyvėja ir „pabėga“, o dėl to juos sugauna metalinė varinė viela, kuri generuoja elektros srovę.

Kai Edisonas kreipėsi dėl patento, jis nepagalvojo apie efekto panaudojimą ir padėjo jį į lentyną.

1884 m. anglų fizikas Johnas Ambrose'as Flemingas lankėsi JAV, kad susitiktų su Edisonu. Edisonas Flemingui parodė Edisono efektą ir padarė Flemingui didelį įspūdį.

 

弗莱明

Diodas

Iki to laiko, kai Flemingas iš tikrųjų panaudojo šį efektą, praėjo daugiau nei dešimt metų. 1901 metais belaidžio telegrafo išradėjas Guglielmo Marconi pradėjo eksperimentus su tolimojo radijo ryšio už Atlanto vandenyną. Flemingas prisijungė prie eksperimento, kad padėtų pagerinti belaidžio signalo priėmimą. Paprasčiau tariant, tai yra tyrimas, kaip aptikti signalą priėmimo gale ir sustiprinti signalą, kad signalas būtų puikiai interpretuojamas. Visi supranta signalą, taigi, kas yra aptikimo signalas?

Vadinamasis signalo aptikimas iš tikrųjų yra signalo patikrinimas. Antenos gaunamas signalas labai netvarkingas, o signalų būna visokių. Signalai, kurių mums tikrai reikia (konkretaus dažnio signalai), kuriuos reikia „filtruoti“ iš šių netvarkingų signalų, ir tai yra aptikimas.

Norint aptikti, svarbiausia yra vienakryptis laidumas (vienkryptis laidumas). Belaidės magnetinės bangos yra aukšto dažnio virpesiai, iki šimtų tūkstančių kartų per sekundę. Belaidės elektromagnetinės bangos generuojama indukuota srovė taip pat kinta su „teigiama, neigiama, teigiama, neigiama“, jei šią srovę naudosime ausinėms vairuoti, vienas teigiamas ir vienas neigiamas yra lygus nuliui, o ausinė negalės tiksliai nustatyti signalą.

Esant vienakrypčiui laidumui, neigiamas sinusinės bangos pusperiodis išnyksta, visi jie yra teigiami, o srovės kryptis ta pati. Filtruodami aukštus dažnius, ausinės gali lengvai pajusti srovės pokyčius.

 

去掉负半周,电流方向变成一致的,容易解读

Siekdamas aptikti signalą, Flemingas galvojo apie „Edisono efektą“ – ar galėtų būti sukurtas naujo tipo detektorius, paremtas elektronų srautu iš Edisono efekto? Tokiu būdu 1904 metais po Flemingo rankomis gimė pirmasis pasaulyje vakuuminis elektronų diodas. Tuo metu šis diodas dar buvo vadinamas „Flemingo vožtuvu“. (Vakuuminis vamzdis, taip pat žinomas kaip elektronų vamzdis, kartais vadinamas „tulžies lataku“.))

弗莱明发明的2极管

Flemingo diodas, konstrukcija iš tikrųjų labai paprasta, tai yra, vakuuminėje stiklinėje lemputėje įtaisyti du poliai: katodas (katodas), kuris kaitinant gali skleisti elektronus (katodinius spindulius); Anodas, kuris priima elektronus.

 

旁热式2极管

Vakuumas stikliniame vamzdyje yra skirtas užkirsti kelią dujų jonizacijai, kuri paveiks normalų elektronų srautą ir sunaikins charakteristikų kreivę. (Siurbimas į vakuumą taip pat gali veiksmingai sumažinti gijų oksidacijos nuostolius.))

Tranzistorius

Diodų atsiradimas, išsprendęs aptikimo ir ištaisymo poreikį, tuo metu buvo didelis laimėjimas. Tačiau jame yra kur tobulėti.

 

德福雷斯特

1906 metais amerikiečių mokslininkas De Forestas Lee (De Forest Lee) išrado vakuuminį triodinį elektronų vamzdį, sumaniai prie vakuuminio diodo elektronų vamzdžio pridėjęs tinklelio plokštę („vartus“).

德·福雷斯特发明的3极管

Kai vartai pridedami, kai vartų įtampa yra teigiama, jie pritraukia daugiau elektronų iš katodo. Dauguma elektronų praeina pro vartus ir pasiekia anodą, o tai labai padidins anodo srovę. Jei įtampa prie vartų yra neigiama, elektronai ant katodo neturi galios patekti į vartus, jau nekalbant apie anodą.

Nedidelis srovės pokytis prie vartų gali sukelti didelį srovės pokytį anode. Be to, kintanti bangos forma yra lygiai tokia pati kaip vartų srovė. Todėl tranzistorius turi signalo stiprinimo efektą.

 

Iš pradžių triodas buvo vienas tinklelis, tada jis tapo dvigubu tinkleliu su dviem suspaustomis lentomis, o tada tiesiog tapo visa uždara tinkleliu.

 

围栅

Vakuuminio triodo gimimas yra svarbus įvykis elektronikos pramonės srityje.

Šis mažas komponentas iš tikrųjų suvokia elektros energijos naudojimą elektrai valdyti (anksčiau jis buvo valdomas mechaniniais jungikliais, kurie turėjo žemo dažnio, trumpo tarnavimo ir lengvo sugadinimo problemų), ir naudojo „mažą srovę“, kad valdytų „didelę srovę“. “.

Šis mažas komponentas iš tikrųjų suvokia elektros energijos naudojimą elektrai valdyti (anksčiau jis buvo valdomas mechaniniais jungikliais, kurie turėjo žemo dažnio, trumpo tarnavimo ir lengvo sugadinimo problemų), ir naudojo „mažą srovę“, kad valdytų „didelę srovę“. “.

Jo pagrindu turime radijo stotis, radijas, fonografus, filmus, radijas, radarus, radijo domofonus ir kt., kurie tampa vis galingesni. Didelis šių gaminių populiarumas pakeitė kasdienį žmonių gyvenimą ir paskatino socialinę pažangą.

真空管

1919 m. Vokietijos Schottky pasiūlė idėją tarp vartų ir teigiamo stulpo įrengti užuolaidinius vartus. Šią idėją Lande įgyvendino Anglijoje 1926 m. Tai tapo keturkampiu. Vėliau Holstas ir Telegenas iš Nyderlandų išrado pentodą.

XX amžiaus ketvirtajame dešimtmetyje kompiuterinių technologijų tyrimai pasiekė kulminaciją. Nustatyta, kad vienkryptis elektronų vamzdžių laidumas gali būti naudojamas kuriant kai kurias logines grandines (pvz., ir vartų grandines, arba vartų grandines).

Taigi jie pradėjo diegti elektronų vamzdžius į kompiuterio lauką. Tuo metu beveik visi elektroniniai kompiuteriai, įskaitant ENIAC (kuris naudojo daugiau nei 18,000 kineskopų), buvo pagrįsti kineskopais.

 

埃尼阿克

Čia trumpai pakalbėsime apie vartų grandinę. Kai mokomės skaičiavimo pagrindų, turime išmokti pagrindinių loginių operacijų, tokių kaip ir, arba, ne, XOR, tas pats arba, NE, arba ne ir pan.

Kompiuteriai atpažįsta tik 0 ir 1. Jis atlieka skaičiavimus remdamasis šiomis loginių operacijų taisyklėmis. Pavyzdžiui, 2+1 yra dvejetainis 0010+0001, o „XOR operacijos“ atlikimas yra lygus 0011, kuris yra 3.

Grandinė, įgyvendinanti aukščiau nurodytas loginių vartų funkcijas, yra loginių vartų grandinė. Kita vertus, vienas laidus elektronų vamzdis (vakuuminis vamzdis) gali būti surinktas į įvairias loginių vartų grandines. Pavyzdžiui, toliau nurodyti „ARBA vartai“ ir „IR vartai“.

A, B yra įėjimai, o F yra išvestis

█ tranzistoriai

Sparčiai plėtojant ir taikant elektronų vamzdžius, žmonės pamažu pastebėjo, kad šis produktas turi tam tikrų trūkumų:

Viena vertus, vamzdis lengvai sulaužomas ir turi didelį gedimų procentą; Kita vertus, vamzdį reikia šildyti, o šilumos gamybai eikvojama daug energijos, o tai taip pat atneša itin dideles energijos sąnaudas.

Taigi žmonės pradėjo galvoti, ar yra geresnis būdas aptikti, ištaisyti ir sustiprinti signalą. Žinoma, yra būdų. Šiuo metu netrukus pasirodys puiki medžiaga, tai yra puslaidininkiai.

 

Puslaidininkių užuomazga

Grįžkime laiku į XVIII amžių. 1782 m. garsus italų fizikas Alessandro Volta (Alessandro Volta) nustatė, kad kietąją medžiagą galima grubiai suskirstyti į tris tipus:

Pirmieji metalai, tokie kaip auksas, sidabras, varis, geležis ir kt., yra itin laidūs ir vadinami laidininkais;

Antra, tokios medžiagos kaip mediena, stiklas, keramika, žėrutis ir kt., kurios nėra lengvai laidios elektrai, vadinamos izoliatoriais;

Trečiasis, tarp laidininko ir izoliatoriaus, išsikrauna lėtai.

Keistos trečiosios medžiagos savybės buvo pavadintos „Puslaidininkine prigimtimi“ Volt, o tai reiškia „puslaidininkio savybes“. Tai pirmas kartas žmonijos istorijoje, kai atsirado terminas „puslaidininkis“.

 

亚历山德罗·伏特

Vėliau nemažai mokslininkų, tyčia ar netyčia, atrado kai kurias puslaidininkių savybes. Pavyzdžiui, 1833 m. Michaelas Faradėjus atrado, kad padidėjus sidabro sulfido temperatūrai, mažėja varža (puslaidininkių šilumai jautri savybė).

1839 m. prancūzų mokslininkas Alexandre'as Edmondas Becquerelis atrado, kad šviesa gali sukelti potencialų skirtumą tarp dviejų tam tikrų medžiagų galų (puslaidininkių fotovoltinis efektas).

1873 m. Willoughby Smithas atrado, kad seleno medžiagų laidumas padidėja veikiant šviesai (fotolaidus puslaidininkių efektas).

Šių reiškinių tuo metu niekas negalėjo paaiškinti ir jie nesulaukė didelio dėmesio.

1874 metais vokiečių mokslininkas Karlas Ferdinandas Braunas atrado vienkrypčio elektros srovės laidumo savybes natūraliose rūdose (metalų sulfiduose). Tai didžiulis įvykis.

 

卡尔·布劳恩

1906 m. amerikiečių inžinierius Greenleaf Whittier Pickard, remdamasis chalmerinės rūdos kristalu, išrado garsųjį kristalų detektorių, dar žinomą kaip „katės ūsų detektoriai“ (geofonas turi zondą, panašiai kaip katės ūsai, iš čia ir kilo pavadinimas. ).

 

矿石检波器

Rūdos geofonas yra ankstyviausias žmonijos puslaidininkinis įtaisas. Jo išvaizda yra puslaidininkinių medžiagų „mažasis išbandymas“. Nors ir turėjo tam tikrų trūkumų (prasta kokybės kontrolė, nestabilus darbas, nes rūda nebuvo didelio grynumo), tačiau davė stiprų impulsą elektroninių technologijų plėtrai. Tuo metu radijo imtuvai, paremti rūdiniais geofonais, skatino transliavimo ir belaidžio telegrafo populiarinimą.

 

Juostos teorijos atsiradimas

Žmonės naudoja rūdos geofonus, bet niekada nesupranta, kaip jie veikia. Per daugiau nei 30 metų mokslininkai ne kartą klausė, kodėl egzistuoja puslaidininkinės medžiagos. Kodėl puslaidininkinės medžiagos gali būti naudojamos vienakrypčiui laidumui?

Pirmosiomis dienomis daugelis žmonių net abejojo, ar puslaidininkinės medžiagos tikrai egzistuoja. Garsus fizikas Pauli kartą pasakė: „Žmonės neturėtų studijuoti puslaidininkių, tai nešvari netvarka, o kas žino, ar yra puslaidininkių“. “

Vėliau, gimus ir vystantis kvantinei mechanikai, pagaliau įvyko lūžis teoriniuose puslaidininkių tyrimuose.

Vokiečių fizikas ir vienas kvantinės mechanikos įkūrėjų Maxas Karlas Ernstas Ludwig Planckas 1928 m. pirmą kartą pasiūlė kietosios energijos juostų teoriją taikant kvantinę mechaniką tiriant metalų laidumą.

 

量子理论之父,普朗克

Jis mano, kad veikiant išoriniam elektriniam laukui, puslaidininkių laidumas yra padalintas į laidumą, kuriame dalyvauja „skylės“ (ty P tipo laidumas) ir laidumą su elektronų dalyvavimu (ty N tipo laidumas). Daugelį egzotiškų puslaidininkių savybių lemia ir „skylės“, ir elektronai. Vėliau juostos teorija buvo toliau tobulinama, siekiant sistemingai paaiškinti esminius laidininkų, izoliatorių ir puslaidininkių skirtumus. Trumpai pažvelkime į juostos teoriją. Kaip jūs išmokote vidurinės mokyklos fizikoje, objektai susideda iš molekulių, atomų, o išorinis atomo apvalkalas yra elektronas. Kai kietojo objekto atomai yra arti vienas kito, elektronai susimaišys. Kvantinė mechanika mano, kad elektronai negali išsilaikyti vienoje orbitoje ir „susitrenkia“. Dėl to orbita buvo padalinta į keletą plonų takelių. Kvantinėje mechanikoje ši puiki orbita vadinama energijos lygiu. Plati orbita, kurią sudaro keli ploni takeliai, suspausti kartu, vadinama energijos juosta. Iš dviejų juostų apatinė yra valentinė, viršutinė – laidumo, o vidurinė – draudžiamoji. Tarp valentinės juostos ir laidumo juostos yra draudžiama juosta. Draudžiamos juostos atstumas, kuris yra juostos tarpas (energijos juostos tarpas).

Elektronai juda plačia orbita ir yra makroskopiškai laidūs. Elektronų yra per daug, jie susigrūdę, negali judėti, o makroskopiškai jie nėra laidūs. Kai kurios pilnos orbitos ir tuščios orbitos yra labai arti viena kitos, o elektronai gali lengvai skristi iš pilnų orbitų į tuščias orbitas ir laisvai judėti, o tai vadinama laidininkais. Dvi orbitos yra per toli viena nuo kitos, tarpas per didelis, elektronai negali prasiskverbti ir nėra galimybės pravesti elektros. Tačiau jei pridėsite energijos iš išorinio pasaulio, galite pakeisti šią būseną.

Jei juostos tarpas yra 5 elektronų voltų (5 EV) ribose, elektronui pridedama papildoma energija, ir elektronas gali užbaigti šuolį ir laisvai judėti, tai yra laidumas. Tai priklauso puslaidininkiams. (Silicio juostos tarpas yra apie 1,12 eV, o germanio – 0,67 eV.) Jei juostos tarpas viršija 5 elektronų voltus (5 EV), elektronai paprastai negali jos kirsti, ir tai yra izoliatorius. (Jei išorinis pasaulis prideda daug energijos, jis taip pat gali priverstinai padėti jam kirsti praeitį.) Pavyzdžiui, oras, oras yra izoliatorius, bet aukštos įtampos elektra taip pat gali prasiskverbti pro orą ir suformuoti elektros srovę. Verta paminėti, kad „plačio juostos puslaidininkis“, apie kurį dabar dažnai girdime, yra trečios kartos puslaidininkinės medžiagos, įskaitant silicio karbidą (SiC), galio nitridą (GaN), cinko oksidą (ZnO), deimantą, aliuminio nitridą (AlN). ) ir kt.

Their advantages are large bandgap width (>2,2 EV), didelio gedimo elektrinis laukas, didelis šilumos laidumas, stiprus atsparumas spinduliuotei, didelis šviesos efektyvumas, aukštas dažnis, gali būti naudojamas aukštos temperatūros, aukšto dažnio, atsparumo spinduliuotei ir didelės galios įrenginiams, yra pramonės kryptis. dabartinis energingas vystymasis. Anksčiau minėjome elektronus ir skyles. Puslaidininkiuose yra dviejų tipų nešikliai: laisvieji elektronai ir skylės. Laisvieji elektronai yra žinomi visiems, kas yra skylė?

Skylės taip pat žinomos kaip elektronų skylės. Kambario temperatūroje dėl šiluminio judėjimo nedidelis energetinių elektronų skaičius valentinės juostos viršuje gali kirsti juostą ir judėti aukštyn į laidumo juostą ir tapti „laisvaisiais elektronais“. Paleidus elektronus, po savęs lieka „skylė“. Likę elektronai, kurie nėra skatinami, gali patekti į šią „skylę“ ir generuoti elektros srovę. Pažymėtina, kad pati skylė yra nejudanti, tačiau „skylės užpildymo“ procesas sukuria teigiamą elektros srauto efektą, todėl ji taip pat vertinama kaip nešiklis.

1931 m. Charlesas Thomsonas Wilsonas pasiūlė fizinį puslaidininkių modelį, pagrįstą juostos teorija. 1939 m. prie pagrindinės puslaidininkių teorijos kūrimo prisidėjo sovietų fizikas AS Davydovas (AS Давыдов), britų fizikas Nevill Francis Mott (Nevill Francis Mott) ir vokiečių fizikas Walteris Hermannas Šotkis (Walter Hermann Schottky). Davydovas pirmasis pripažino kelių nešėjų vaidmenį puslaidininkiuose, o Schottky ir Mottas sukūrė garsiąją „difuzijos teoriją“. Remiantis šių didžiūnų indėliu, palaipsniui buvo padėtas pagrindinės puslaidininkių teorijos pagrindas.

 

Tranzistoriaus gimimas

Po rūdos geofono gimimo mokslininkai nustatė, kad geofono veikimas turi didelį ryšį su rūdos grynumu. Kuo didesnis rūdos grynumas, tuo geriau veiks geofonas. Todėl daugelis mokslininkų atliko rūdos medžiagų (pvz., švino sulfido, vario sulfido, vario oksido ir kt.) valymo tyrimus, o valymo procesas buvo nuolat tobulinamas.

XX amžiaus 30-ajame dešimtmetyje „Bell Labs“ mokslininkas Russellas Shoemakeris Ohlas pasiūlė, kad iš išgrynintų kristalų medžiagų pagamintas geofonas visiškai pakeistų elektroninį diodą. (Žinote, tuo metu vamzdis absoliučiai dominavo rinkoje.))

 

罗素·奥尔,他还是现代太阳能电池之父

Išbandęs daugiau nei 100 medžiagų po vieną, jis nusprendė, kad silicio kristalai yra idealiausia medžiaga geofonams. Norėdamas patikrinti savo išvadas, jis, padedamas kolegos Jacko Scaffo, patobulino didelio grynumo silicio kristalų sintezę. Kadangi „Bell Labs“ neturėjo galimybės pjaustyti silicio kristalų, Orras išsiuntė sintezę į juvelyrinių dirbinių parduotuvę, kad supjaustytų jį į skirtingų dydžių kristalų pavyzdžius. Netikėtai vienas iš pavyzdžių po apšvietimo elgėsi kaip teigiamas elektrodas viename gale, o neigiamas elektrodas kitame gale, kurį Orras atitinkamai pavadino P ir N sritimis. Tokiu būdu Orras išrado pirmąją pasaulyje puslaidininkinę PN sandūrą (P–N jungtis). Antrojo pasaulinio karo metu „Western Electric“, AT&T dukterinė įmonė, pagamino silicio kristalų diodų partiją, pagamintą iš išgrynintų puslaidininkių kristalų. Mažas šių diodų dydis ir mažas gedimų dažnis labai pagerino sąjungininkų radarų sistemų veikimą ir patikimumą. Orro išradimas PN jungtis ir puikus silicio kristalų diodų veikimas sustiprino „Bell Labs“ ryžtą plėtoti tranzistorių technologiją. 1945 metais Williamas Shockley iš Bell Labs, pabendravęs su Russell Orr, remdamasis juostų teorija nubraižė P tipo ir N tipo puslaidininkių juostų diagramą ir tuo remdamasis pasiūlė "lauko efekto hipotezę".

.

肖克利的场效应设想

Išbandęs daugiau nei 100 medžiagų po vieną, jis nusprendė, kad silicio kristalai yra idealiausia medžiaga geofonams. Norėdamas patikrinti savo išvadas, jis, padedamas kolegos Jacko Scaffo, patobulino didelio grynumo silicio kristalų sintezę. Kadangi „Bell Labs“ neturėjo galimybės pjaustyti silicio kristalų, Orras išsiuntė sintezę į juvelyrinių dirbinių parduotuvę, kad supjaustytų jį į skirtingų dydžių kristalų pavyzdžius. Jis iškėlė hipotezę, kad vidinis silicio plokštelės krūvis gali laisvai judėti, o jei plokštelė būtų pakankamai plona, ​​veikiant įtampai, ant paviršiaus atsirastų elektronai arba skylės silicio plokštelėje, o tai labai padidintų silicio plokštelės laidumą. , taip pasiekiant srovės stiprinimo efektą. Remdamiesi šia vizija, 1947 m. gruodžio 23 d. Johnas Bardeenas ir Walteris Brattonas iš Bell Labs pastatė pirmąjį pasaulyje puslaidininkinį triodinį stiprintuvą. Tai yra toks labai keistas ir skurdžiai atrodantis dalykas:

世界上第一个晶体管(基于锗半导体)

晶体管的电路模型

Remiantis eksperimentiniais įrašais, šis tranzistorius gali pasiekti „įtampos padidėjimą 100, galios padidėjimą 40 ir srovės praradimą 1/2,5......“, o tai yra labai gerai.

Pavadindami jį, Bardeenas ir Brattonas teigia, kad įrenginio gebėjimas sustiprinti signalus yra dėl jo varžos konvertavimo charakteristikų, ty signalas iš „mažos varžos įvesties“ pereina į „didelės varžos išvestį“. Taigi, jie pavadino jį trans-rezistoriumi. Vėliau jis buvo sutrumpintas kaip tranzistorius.

Po daugelio metų Qian Xuesen, garsus Kinijos mokslininkas, savo kinų kalbos vertimu pavadino tranzistorius.

Apibendrinau, kad puslaidininkių savybės yra ypatingas gebėjimas pravesti elektrą (pagal išorinius veiksnius). Puslaidininkinių savybių turinčios medžiagos vadinamos puslaidininkinėmis medžiagomis. Silicis ir germanis yra tipiškos puslaidininkinės medžiagos.

Mikroskopiškai pagal tam tikrus dėsnius tvarkingai išsidėsčiusios medžiagos vadinamos kristalais. Silicio kristalai turi monokristalinę, polikristalinę, amorfinę kristalinę ir kitas formas.

Kristalų morfologija lemia juostos struktūrą, o juostos struktūra – elektrines savybes. Todėl silicio (germanio) kristalai, kaip puslaidininkinės medžiagos, turi tokią didelę taikymo vertę. Diodai, triodai ir keturkampiai pavadinti pagal jų funkcijas. Elektroniniai vamzdžiai (vakuuminiai vamzdžiai) ir tranzistoriai (silicio tranzistoriai, germanio tranzistoriai) vadinami iš esmės. Bardeeno ir Brattono išrastas tranzistorius iš tikrųjų turėtų būti vadinamas taškinio kontakto tranzistoriumi. Kaip matote iš paveikslėlio žemiau, šis dizainas yra per daug elementarus. Nors ir pasiekia stiprinimo funkciją, jis yra struktūriškai trapus, jautrus išorinėms vibracijoms ir nėra lengvas gaminti, todėl negali būti naudojamas komerciškai.

 

Shockley pamatė šį trūkumą ir pradėjo trauktis, kad ištirtų naują tranzistorių dizainą.

1948 m. sausio 23 d., po daugiau nei mėnesį trukusio sunkaus darbo, Shockley pasiūlė naują tranzistoriaus modelį su trijų sluoksnių struktūra ir pavadino jį Junction Transistor.

肖克利的结式晶体管设计

Morganas Sparksas ir Gordonas Kiddas Tealas padėjo Shockley sukurti galutinį produktą. Atskirai reikia paminėti šį Gordoną Thielį. Jis nustatė, kad polių pakeitimas monokristaliniais puslaidininkiais gali žymiai pagerinti našumą. Be to, būtent jis atrado, kad „Straight-pull“ metodas gali būti naudojamas atskirų metalų kristalams išvalyti. Šis metodas buvo naudojamas nuo tada ir yra labiausiai dominuojantis monokristalų gamybos būdas puslaidininkių pramonėje. Tranzistorių gimimas turi didelę reikšmę žmonijos mokslo ir technologijų raidai. Jis turi elektroninių vamzdžių savybę, tačiau įveikia visus trūkumus: didelio tūrio, didelio energijos suvartojimo, mažo padidinimo, trumpo tarnavimo laiko ir didelių elektroninių vamzdžių kainos. Nuo pat jo gimimo buvo nuspręsta, kad bus visiškai pakeistas vamzdis.

 

正在生产晶体管的工人

Belaidžio ryšio srityje tranzistoriai, kaip ir elektroniniai vamzdžiai, gali skleisti, aptikti ir sustiprinti elektromagnetines bangas. Skaitmeninių grandinių srityje tranzistoriai taip pat gali būti patogiau įdiegti logines grandines. Ji padėjo tvirtą pagrindą elektronikos pramonės kilimui.

 

Vėliau tranzistorių šeima pagausėjo

█IC

Tranzistorių atsiradimas leido miniatiūrizuoti elektros grandines.

1952 m. Geoffrey Dummeris, gerai žinomas Jungtinės Karalystės Karališkojo radarų tyrimų instituto mokslininkas, konferencijoje pažymėjo:

„Dėl tranzistorių atsiradimo ir visapusiško puslaidininkių tyrimo dabar atrodo įmanoma, kad ateities elektroninis įrenginys yra tvirtas komponentas be jungiamųjų laidų.

1958 m. rugpjūčio mėn. Kilby, naujas „Texas Instruments“ darbuotojas, atrado, kad mažytės grandinės, sudarytos iš daugelio prietaisų, gali būti pagamintos iš vienos plokštelės. Kitaip tariant, ant silicio plokštelių galima pagaminti įvairius elektroninius prietaisus (pvz., rezistorius, kondensatorius, diodus ir tranzistorius) ir sujungti plonais laidais.

Netrukus, rugsėjo 12 d., Kilby pavyko pagaminti 7/16 colio ilgio ir 1/16 colio pločio germanio mikroschemų grandinę, paremtą jo paties idėjomis, kuri taip pat buvo pirmoji pasaulyje integrinė grandinė.

 

Ši grandinė yra vieno tranzistoriaus osciliatorius su RC grįžtamuoju ryšiu, o visa tai yra priklijuota prie stiklo skaidrės, kuri atrodo labai elementariai. Grandinės įrenginiai yra sujungti išsklaidytais plonais laidais. Tuo pat metu, kai Kilby išrado integrinį grandyną, kitas asmuo taip pat padarė proveržį šioje srityje. Tas asmuo buvo Robertas Nortonas Noyce'as iš Fairchild Semiconductor (kuris vėliau įkūrė Intel). „Fairchild“ yra kompanija, kurią bendrai įkūrė Silicio slėnio „Aštuoni išdavikai“ (žr.: „Fairchild legenda“), kuri yra stipri puslaidininkių technologijos srityje. Jeanas Hoerni, vienas iš „Aštuonių išdavikų“, išrado labai svarbų Planavimo procesą. Šiame procese į silicio plokštelę kaip izoliacinį sluoksnį pridedamas silicio oksido sluoksnis. Tada šiame izoliuojančio silicio oksido sluoksnyje padaroma skylė, o įrenginiai, pagaminti naudojant silicio difuzijos technologiją, sujungiami aliuminio plėvele. Plokščiojo proceso atsiradimas leido Fairchild gaminti itin mažo dydžio didelio našumo silicio kristalo tranzistorius, taip pat leido prijungti įrenginius į integrinius grandynus. 1959 m. sausio 23 d. Noyce'as savo darbo pastabose rašė: "Pagaminus įvairius įrenginius ant tos pačios silicio plokštelės ir sujungus juos plokštuminiu būdu, galima sukurti daugiafunkcines elektronines grandines. Ši technologija gali sumažinti įrenginio dydį ir svorį. grandinę ir sumažinkite išlaidas.

 

诺伊斯

Sužinojęs, kad Kilbis pateikė patentą integriniam grandynui, Noyce'as labai gailėjosi, manydamas, kad pavėlavo žingsnį. Tačiau netrukus jis sužinojo, kad Kilby išradimas buvo ydingas. Kilby integriniai grandynai yra sujungti skraidančiomis laidais, kurių tiesiog negalima gaminti masiškai ir neturintys praktinės vertės. Neusso vizija buvo padaryti neigiamą plokštę iš visų elektroninio prietaiso grandinių ir komponentų ir išgraviruoti ją ant silicio plokštelės. Kai ši silicio plokštelė yra išgraviruota, ji yra visa grandinė ir gali būti naudojama tiesiogiai gaminiui surinkti. Be to, išgaruojantis metalo nusodinimas gali pakeisti karštai suvirintus laidus ir visiškai pašalinti skraidančius laidus.

 

Fairchild silicio kristalo integrinis grandynas

1959 m. liepos 30 d. Neussas kreipėsi dėl patento, remdamasis savo idėjomis: „Puslaidininkinis įtaisas – vielos struktūra“. Griežtai kalbant, Neusso išradimas yra artimesnis integriniams grandynams šiuolaikine prasme. „Neuss“ dizainas pagrįstas silicio pagrindu pagamintu plokščiu procesu, o „Kilbi“ dizainas pagrįstas difuzijos procesu germanio pagrindu. Remdamasis Fairchild silicio proceso pranašumais, Neuss sukūrė grandines, kurios iš tiesų yra pažangesnės nei Kirby. 1966 m. tribunolas pagaliau leido Kilby išrasti integrinio grandyno (hibridinio integrinio grandyno) idėją ir šiandien naudojamą integrinį grandyną, supakuotą į lustą (integrinį grandyną tikrąja to žodžio prasme). taip pat gamybos proceso išradimas. Kilby yra žinomas kaip "pirmojo integrinio grandyno išradėjas", o Noyce'as buvo tas, kuris "sugalvojo pramoninei gamybai tinkamų integrinių grandynų teoriją". 1960 m. kovą „Texas Instruments“ pranešė, kad Džekas. Kilby dizainas oficialiai pristatė pirmąjį pasaulyje komercializuotą integrinių grandynų gaminį, 502 silicio bistabilų daugialypį rezonansinį dvejetainį flip-flop, kuris buvo parduotas už 450 USD. Garsioji „Apollo“ nusileidimo mėnulio programa nupirko milijonus integrinių grandynų, todėl „Texas Instruments“ ir „Fairchild“ uždirbo daug pinigų. Aviacijos rinkos sėkmė paskatino civilinės rinkos plėtrą. 1964 m. Zenith naudojo integrinius grandynus klausos aparatuose, o tai buvo pirmasis integrinių grandynų nusileidimas civilinėje srityje. Po to visi turėtų būti susipažinę su istorija. Bendromis medžiagų, procesų ir procesų pastangomis tranzistorių skaičius integrinėse grandinėse ir toliau didėja, našumas ir toliau gerėja, o sąnaudos palaipsniui mažėja, ir mes įžengėme į Moore'o dėsnio erą.

Moore'o dėsnis: tranzistorių, kurie gali tilpti į integrinį grandyną, skaičius padvigubėja maždaug kas 18 mėnesių, o našumas padvigubėja. Didelio masto ir itin didelio masto integrinių grandynų, pagrįstų integriniais grandynais, kūrimas atvėrė kelią puslaidininkių saugyklų ir mikroprocesorių atsiradimui. 1970 m. „Intel“ pristatė pirmąją pasaulyje DRAM (dinaminės laisvosios prieigos atminties) integrinę grandinę 1103. Kitais metais išleido Intel 4004 – pirmąjį pasaulyje programuojamą lustą, kuriame yra kombinatoriai ir valdikliai. Oficialiai prasidėjo IT technologijų aukso amžius.

█ Tranzistorių evoliucija

Grįžkime ir vėl pakalbėkime apie tranzistorius. Nuo tranzistorių atsiradimo įvyko daug esminių jų formos pokyčių. Trumpai tariant, jis daugiausia yra nuo dvipolio iki vienpolio. Vienpolio tipo atveju nuo FET iki MOSFET. Struktūriniu požiūriu tai yra nuo PlanarFET iki FinFET iki GAAFET.

 

Dvipolis, vienpolis

1948 m. Shockley išrastas jungties tranzistorius vadinamas dvipoliu jungties tranzistoriumi (BJT), nes jis naudoja du nešiklius, skyles ir elektronus, kad dalyvautų elektros laidumu.

BJT tranzistoriai yra dviejų konfigūracijų: NPN ir PNP:

Kaip matome, BJT tranzistorius sudaro dvi PN jungtis, kurios yra labai arti viena kitos ant puslaidininkinio pagrindo. Dvi PN sandūros padalija visą puslaidininkį į tris dalis, vidurinė dalis yra pagrindas, o dvi pusės – emiteris ir kolektorius. BJT tranzistorių veikimo principas yra sudėtingesnis ir šiais laikais retai naudojamas, todėl dėl vietos nesigilinsiu. Iš esmės pagrindinė šio tranzistoriaus funkcija yra priversti kolektorių sukurti didelį srovės pokytį per nedidelį srovės pokytį bazėje, o tai turi stiprinimo efektą. Autorius anksčiau minėjo logines grandines. Tai yra diodo ir BJT tranzistoriaus derinys ir vadinamas DTL (diodų tranzistorių logika) grandine. Vėliau TTL (Transistor-Transistor Logic) grandinės buvo sukurtos tik iš tranzistorių. BJT tranzistorių pranašumai yra didelis jų veikimo dažnis ir stiprus vairavimo pajėgumas. Tačiau jis turi ir trūkumų, tokių kaip didelis energijos suvartojimas ir maža integracija. Jo gamybos procesas taip pat yra sudėtingesnis, o plokščiosios technologijos naudojimas turi tam tikrų trūkumų. Dėl to laikui bėgant pradėjo atsirasti naujo tipo tranzistorius, žinomas kaip lauko efekto tranzistorius (FET). 1953 m. Ianas Rossas ir George'as Dacey iš Bell Labs bendradarbiavo kurdami pirmąjį pasaulyje jungties lauko efekto tranzistoriaus (JFET) prototipą.

JFET(结型场效应晶体管),此为N沟道

JFET yra puslaidininkinis įtaisas su trijų polių (trijų gnybtų) struktūra, įskaitant šaltinį, kanalizaciją ir užtvaras. JFET skirstomi į N kanalo (N kanalo) JFET ir P kanalo (P kanalo) JFET. Pirmasis yra N formos puslaidininkis su dviem P tipo puslaidininkiais abiejose pusėse (kaip parodyta paveikslėlyje aukščiau). Pastarasis yra P formos puslaidininkis, kurio abiejose pusėse yra du N tipo puslaidininkiai. JFET veikimo principas yra tiesiog valdyti PN sandūrą tarp vartų ir kanalo, taigi ir išeikvojimo sluoksnį, valdant įtampą tarp užtvaro G ir šaltinio S (VGS paveikslėlyje) ir įtampą tarp nutekėjimo D ir šaltinio S. (VDS paveikslėlyje). Kuo platesnis išsekimo sluoksnis, tuo siauresnis kanalas ir kuo didesnė kanalo varža, tuo mažesnė nutekėjimo srovė (ID diagramoje), kurią galima praleisti. Būsena, kai kanalą visiškai dengia išsekimo sluoksnis, vadinama suspaudimo būsena. Kai veikia JFET tranzistorius, jam reikia tik vieno tipo nešiklio, todėl jis vadinamas vienpoliu tranzistoriumi. 1959 m. gimė naujo tipo tranzistorius, kuris buvo garsusis MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET). Jį išrado egiptiečių kilmės mokslininkas Mohamedas Atala (pervadintas Martinu Atala) ir korėjiečių kilmės mokslininkas Dawonas Kahngas.

MOSFET taip pat sudaro šaltinis, kanalizacija ir vartai. „M“ raidė „MOS“ reiškia, kad vartai iš pradžių buvo pagaminti naudojant metalą. "O" reiškia, kad vartai ir substratas yra izoliuoti naudojant oksidą. "S" reiškia, kad MOSFET kaip visuma yra įgyvendinta puslaidininkiais.

MOSFET tranzistorius, taip pat žinomas kaip IGFET (Insulated Gate FET, izoliuotas vartų lauko efekto tranzistorius).

MOSFET (N型)

Šis MOSFET tranzistorius taip pat skirstomas į du tipus: „N tipo“ ir „P tipo“, tai yra, NMOS ir PMOS. Pagal operacijos tipą jis taip pat skirstomas į sustiprintą ir išnaudotą. Kaip pavyzdį paimkite N tipo MOS (dažniau naudojamą) aukščiau esančiame paveikslėlyje. Kaip substratas buvo panaudota P tipo silicio puslaidininkinė medžiaga, o ant paviršiaus buvo išsklaidytos dvi N tipo sritys, o po to ant jos buvo padengtas silicio dioksido (SiO2) izoliacijos sluoksnis. Galiausiai virš N zonos korozijos būdu buvo padarytos dvi skylės. Trys elektrodai yra pagaminti ant izoliacinio sluoksnio ir dviejose skylėse metalizuojant: G (vartai), S (šaltinis) ir D (drenas). P tipo silicio substratas turi vieną gnybtą (B), kuris laidu prijungtas prie šaltinio S. MOSFET veikimo principas yra gana paprastas: paprastai tarp N srities ir substrato P susidaro neutrali išeikvojimo sritis dėl natūralios nešėjų rekombinacijos.

Po to, kai į vartus tiekiama tiesioginė įtampa, elektronai P srityje kaupsis veikiant elektriniam laukui po vartų silicio oksidu, sudarydami sritį su elektronais tiek, kiek subonų, tai yra kanalą.

Dabar, jei tarp kanalizacijos ir šaltinio bus įjungta įtampa, srovė laisvai tekės tarp šaltinio ir nutekėjimo, kad būtų pasiekta laidumo būsena.

Vartai G yra tarsi vartai, kurie valdo įtampą, jei įtampa įvedama į vartus G, vartai atsidaro ir srovė iš šaltinio S patenka į kanalizaciją D. Nuėmus vartų įtampą, vartai užsidaro ir srovė negali praeiti pro juos .

Visų pirma, reikia pažymėti, kad 1967 m. Jiang Dayuan bendradarbiavo su Kinijos mokslininku Shi Min, kad kartu išrastų "plaukiojančių vartų" FGMOS (Floating Gate MOSFET) struktūrą, kuri padėjo pagrindą puslaidininkių saugojimo technologijai. Vėliau visa „flash“ atmintis, FLASH, EEPROM ir kt., buvo paremta šia technologija.

Ką tik buvo pristatyti BJT, JFET, MOSFET, pirmiausia nubraižysiu diagramą, nesujaukite savo mąstymo:

1963 m. Fairchild Semiconductor's Frank Semiconductor. Frank Wanlass ir Chih-Tang Sah (kinų kilmės) pirmiausia pasiūlė CMOS tranzistorių. Jie sujungia PMOS su NMOS tranzistoriais ir sujungia juos į papildomas struktūras, kuriose beveik nėra ramybės srovės. Tai taip pat yra CMOS tranzistorių „C“ (papildomas) kilmė.

Didžiausias CMOS bruožas yra tai, kad energijos suvartojimas yra daug mažesnis nei kitų tipų tranzistorių. Nuolat tobulinant Moore'o dėsnį, tranzistorių skaičius integrinėse grandinėse didėja, todėl didėja ir energijos suvartojimo reikalavimai. Atsižvelgiant į mažo energijos suvartojimo ypatybes, CMOS tapo įprasta.

Šiandien daugiau nei 95% integrinių grandynų lustų gaminami remiantis CMOS procesais.

Kitaip tariant, nuo septintojo dešimtmečio pagrindiniai tranzistorių architektūros principai buvo iš esmės baigti. Integrinių grandynų ekologija, kurią atstovauja CMOS, silicis (natūralus silicio kiekis gerokai viršija germanio atsargas, o jo atsparumas karščiui yra geresnis nei germanio, todėl jis tapo pagrindine), ir plokštuminė technologija palaikė sparčią visos pramonės plėtrą. dešimtmečius.

 

PlanarFET, FinFET, GAAFET

 

Nors pagrindinės architektūros principas nepasikeitė, pasikeitė forma.

Integrinės grandinės nuolat atnaujinamos, procesai ir procesai nuolat tobulinami. Kai tranzistorių skaičius pasieks tam tikrą skalę, procesas privers tranzistorius „deformuotis“, kad atitiktų plėtros poreikius. Pirmosiomis dienomis tranzistoriai daugiausia buvo plokštieji tranzistoriai (PlanarFET). Kai tranzistorius mažėja, vartų ilgis tampa vis trumpesnis, o atstumas tarp šaltinio ir nutekėjimo tampa vis artimesnis. Kai procesas (tai yra tai, ką mes dažnai vadiname 7 nm ir 3 nm, paprastai reiškia vartų plotį) yra mažesnis nei 20 nm, iškyla bėda: MOSFET vartams sunku uždaryti srovės kanalą, neramūs elektronai negali. užblokuotas, nuotėkio reiškinys kartojasi, o energijos suvartojimas taip pat didėja.

Siekdamas išspręsti šią problemą, 1999 m. kinų kilmės amerikiečių mokslininkas profesorius Hu Zhengmingas oficialiai išrado FinFET. Palyginti su PlanarFET grafiniu dizainu, FinFET tiesiogiai tapo 3D dizainu ir trimate struktūra. Dabartinis jo kanalas tampa plonu vertikaliu pjūviu kaip žuvies pelekas, iš trijų pusių suspaustas vartų apvalkalu. Tokiu būdu susidaro gana stiprus elektrinis laukas, kuris pagerina valdymo kanalo efektyvumą ir gali geriau kontroliuoti, ar elektronai gali praeiti. Technologijos toliau tobulėja, o pasiekus 5 nm, FinFET taip pat neveiks. Tuo metu buvo GAAFET (angl. Wrap-Around Gate Technology Transistor). Visas GAAFET pavadinimas anglų kalba yra Gate-All-Around FET. Palyginti su FinFET, GAAFET paverčia vartus ir nutekėjimą iš pelekų į „mažus pagaliukus“, kurie vertikaliai praeina pro vartus. Tokiu būdu nuo trijų iki keturių kontaktų, taip pat padalinus į kelis keturis kontaktus, srovės valdymas dar labiau pagerinamas. Pietų Korėjos „Samsung“ taip pat sukūrė kitą GAA formą – MBCFET (Multi-Bridge-Channel FET). MBCFET nanolaidelius GAA pakeičia daugiasluoksniais nanoskardais, o didesnis lakšto struktūros plotis padidina kontaktinį paviršių, išsaugant visus pirminius pranašumus ir sumažinant sudėtingumą.

 

Šiuo metu pagrindinės lustų įmonės pramonėje vis dar atlieka nuodugnius tranzistorių formos atnaujinimo tyrimus, siekdamos rasti geresnių naujovių, kurios padėtų plėtoti lustų technologijas ateityje.

█ EPilogas

Apskritai, nesvarbu, ar tai elektroninis vamzdis (vakuuminis vamzdis), ar tranzistorius, tai yra mažas komponentas, kuris valdo elektros energiją. Tranzistoriai yra pagaminti iš puslaidininkinių medžiagų, todėl juos galima pagaminti pakankamai mažus. Dėl šios priežasties lustai (integriniai grandynai) gali pasiekti „itin mažo dydžio, puikių galimybių“. Puslaidininkinių medžiagų savybės, taip pat tranzistorių vaidmuo atrodo labai paprasti. Būtent šimtai milijonų tokių paprastų „įtaisų“ palaiko žmogaus skaitmeninių technologijų vystymąsi ir stumia mus į skaitmeninio intelekto erą.