Dispositif semi-conducteur

des dispositifs semi-conducteurs sont des composants ??lectroniques qui exploitent les ??lectroniques propri??t??s de semi-conducteurs , les mat??riaux principalement silicium , germanium , et l'ars??niure de gallium, ainsi que semi-conducteurs organiques. des dispositifs ?? semi-conducteurs ont remplac?? dispositifs thermo-ioniques (tubes ?? vide) dans la plupart des applications. Ils utilisent ??lectronique conduction dans le ??tat solide par opposition ?? l' ??tat gazeux ou ??mission thermoionique dans un vide pouss??.

dispositifs ?? semi-conducteurs sont fabriqu??s ?? la fois comme dispositifs discrets et simples comme des circuits int??gr??s (CI), qui se composent d'un certain nombre de quelques-(aussi bas que deux) ?? des milliards-de dispositifs fabriqu??s et interconnect??s sur un seul substrat semiconducteur.

fondamentaux de dispositif semi-conducteur

La principale raison pour laquelle les mat??riaux semi-conducteurs sont tr??s utiles, ce est que le comportement d'un semi-conducteur peut ??tre facilement manipul?? par l'ajout d'impuret??s, connu sous le nom dopage. Semi-conducteur conductivit?? peut ??tre contr??l??e par l'introduction d'un champ ??lectrique, par exposition ?? la lumi??re , et m??me pression et ?? la chaleur; ainsi, les semi-conducteurs peuvent faire d'excellents capteurs. Conduction du courant dans un semi-conducteur produit par mobile ou ??libres?? des ??lectrons et trous, collectivement connu sous le nom les porteurs de charge. Dopage d'un semiconducteur tel que le silicium avec une petite quantit?? d'atomes d'impuret??s, telles que le phosphore ou le bore , augmente consid??rablement le nombre d'??lectrons ou de trous libres dans le semi-conducteur. Lorsqu'un semi-conducteur dop??e contient des trous en exc??s, il est appel?? " du type p ", et quand il contient un exc??s d'??lectrons libres, il est connu comme" type n ", o?? p (positif pour trous) ou N (n??gatif pour les ??lectrons ) est le signe de la charge des porteurs de charge mobiles majoritaires. Le mat??riau semi-conducteur utilis?? dans des dispositifs est dop?? dans des conditions tr??s contr??l??es dans une usine de fabrication, ou Fab, de contr??ler pr??cis??ment 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 appel??s jonctions pn.

Diode

Le la diode est un dispositif constitu?? d'une seule jonction pn. A la jonction de type p et un semi-conducteur de type n, il forme une r??gion appel??e la zone de d??pl??tion qui bloque la conduction de courant ?? partir de la r??gion de type n de la r??gion de type p, mais permet au courant de conduite de la r??gion de type p de la r??gion de type n. Ainsi, lorsque le dispositif est sollicit?? vers l'avant, avec le c??t?? p sup??rieur ?? potentiel ??lectrique, la diode conduit le courant facilement; mais le courant est tr??s faible lorsque la diode est polaris??e en inverse.

Exposer un semi-conducteur ?? la lumi??re peut g??n??rer paires ??lectron-trou, ce qui augmente le nombre de porteurs libres et sa conductivit??. Diodes optimis?? pour tirer parti de ce ph??nom??ne sont connus comme photodiodes. Compos?? diodes ?? semi-conducteurs peuvent ??galement ??tre utilis??s pour g??n??rer de la lumi??re, comme dans diodes ??mettrices de lumi??re et des diodes laser.

Transistor

Une jonction NPN structure de transistor bipolaire

Des transistors ?? jonction bipolaire sont form??es ?? partir de deux jonctions pn, dans les deux npn ou pnp configuration. Au milieu, ou ?? la base, dans la r??gion entre les jonctions est g??n??ralement tr??s ??troite. Les autres r??gions, ainsi que leurs bornes associ??es, sont connus comme l'??metteur et le collecteur. Un petit courant inject?? ?? travers la jonction entre la base et l'??metteur modifie les propri??t??s de la jonction base-collecteur de mani??re ?? pouvoir conduire un courant, m??me si elle est polaris??e en inverse. Cela cr??e un courant beaucoup plus important entre le collecteur et l'??metteur, command?? par le courant base-??metteur.

Un autre type de transistor, la Transistor ?? effet de champ fonctionne sur le principe que semi-conducteur de conductivit?? peut ??tre augment??e ou diminu??e par la pr??sence d'un champ ??lectrique. Un champ ??lectrique peut augmenter le nombre d'??lectrons libres et des trous dans un semiconducteur, ce qui modifie sa conductivit??. Le champ peut ??tre appliqu?? par une jonction pn polaris??e en inverse, la formation d'un transistor ?? effet de champ ?? jonction, ou JFET; ou par une ??lectrode isol??e de la mati??re en vrac par une couche d'oxyde, former un transistor ?? effet de champ m??tal-oxyde-semi-conducteur, ou MOSFET.

Le MOSFET est dispositif semi-conducteur le plus utilis?? aujourd'hui. L'??lectrode de grille est charg??e de produire un champ ??lectrique qui commande le conductivit?? d'un "canal" entre deux bornes, appel?? la source et le drain. Selon le type de support dans le canal, le dispositif peut ??tre un canal n (pour les ??lectrons) ou un canal p (pour les trous) MOSFET. Bien que le MOSFET est nomm?? en partie pour sa porte "m??tallique", dans les dispositifs modernes polysilicium est g??n??ralement utilis?? ?? la place. MOSFET est un circuit int??gr?? qui est un dispositif semi-conducteur. .

mati??res pour dispositif ?? semi-conducteur

De loin, le silicium (Si) est le mat??riau le plus utilis?? dans des dispositifs semi-conducteurs. Sa combinaison de faible co??t brut de la mati??re, le traitement relativement simple, et une gamme de temp??rature utile font actuellement le meilleur compromis entre les diff??rents mat??riaux concurrents. Le silicium utilis?? dans la fabrication de dispositif ?? semiconducteur est fabriqu?? en boules qui sont assez grands en diam??tre pour permettre la production de 300 mm (12 in.) plaquettes.

Germanium (Ge) est un mat??riau semi-conducteur pr??coce largement utilis?? mais sa sensibilit?? thermique rend moins utile que le silicium. Aujourd'hui, le germanium est souvent alli?? avec le silicium pour utilisation dans des dispositifs SiGe ?? tr??s haute vitesse; IBM est un important producteur de ces dispositifs.

L'ars??niure de gallium (GaAs) est aussi largement utilis?? dans des dispositifs ?? grande vitesse, mais jusqu'?? pr??sent, il a ??t?? difficile de former des boules de grand diam??tre de ce mat??riau, ce qui limite le diam??tre 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 mat??riaux moins courants sont ??galement en cours d'utilisation ou sous enqu??te.

Le carbure de silicium (SiC) a trouv?? une application comme mati??re premi??re pour le bleu diodes ??lectroluminescentes (DEL) et est ??tudi??e pour une utilisation dans des dispositifs semi-conducteurs pouvant r??sister ?? de tr??s haute Les temp??ratures et les environnements d'exploitation de la pr??sence de taux significatifs de rayonnement ionisant. Diodes IMPATT ont ??galement ??t?? fabriqu??s ?? partir de SiC.

Divers indium (compos??s d'ars??niure d'indium, de l'indium antimoniure , et l'indium phosphure ) sont ??galement utilis??s dans les LED et l'??tat solide des diodes laser. S??l??nium sulfure est ??tudi??e pour la fabrication de photovolta??que cellules solaires.

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

applications de dispositif semi-conducteur

Tous les types de transistors peuvent ??tre utilis??s comme des blocs de construction de des portes logiques, qui sont fondamentaux dans la conception de des circuits num??riques. Dans les circuits num??riques comme microprocesseurs, transistors agissent que sur-interrupteurs; dans le MOSFET, par exemple, la la tension appliqu??e ?? la grille d??termine si le interrupteur est allum?? ou ??teint.

Les transistors utilis??s pour circuits analogiques ne agissent que sur-interrupteurs; plut??t, ils r??pondent ?? une gamme continue d'entr??es avec une gamme continue de sorties. Circuits analogiques courants comprennent des amplificateurs et oscillateurs.

Circuits cette interface ou de traduire entre les circuits num??riques et des circuits analogiques sont connus comme circuits ?? signaux mixtes.

Dispositifs semiconducteurs de puissance sont des dispositifs discrets ou en circuits int??gr??s destin??s ?? des applications de courant fort ou tension ??lev??s. circuits int??gr??s de puissance combinent la technologie IC avec la technologie semiconducteur de puissance, ceux-ci sont parfois appel??s appareils ??intelligents?? de puissance. Plusieurs entreprises se sp??cialisent dans la fabrication de semi-conducteurs de puissance.

identificateurs de composants

Le Type indicatifs des dispositifs semi-conducteurs sont souvent sp??cifiques au fabricant. N??anmoins, il ya eu des tentatives de cr??er 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 d??veloppement de dispositif semi-conducteur

Diode ?? pointe

Semi-conducteurs ont ??t?? utilis??s dans le domaine de l'??lectronique pour un certain temps avant l'invention du transistor. Au tournant du 20e si??cle, ils ??taient assez fr??quent que des d??tecteurs de radios , utilis??es dans un dispositif appel?? ??moustache de chat". Ces d??tecteurs ??taient quelque peu g??nant pour autant n??cessiter l'op??rateur de d??placer une petite filament de tungst??ne (la trichite) autour de la surface d'un gal??ne (sulfure de plomb) ou carborundum (carbure de silicium) de cristal jusqu'?? ce qu'il a commenc?? soudainement de fonctionner. Puis, sur une p??riode de quelques heures ou quelques jours, la moustache du chat serait lentement arr??ter travail et le processus devra ??tre r??p??t??. Au moment de leur fonctionnement ??tait compl??tement myst??rieux. Apr??s l'introduction de la plus fiable et amplifi??e tube ?? vide radios repose, les syst??mes de moustaches du chat ont rapidement disparu. Le "moustaches de chat" est un exemple primitive d'un type sp??cial de la diode aujourd'hui encore populaire, appel?? diode Schottky.

redresseur en m??tal

Un autre type pr??coce de dispositif semi-conducteur est le redresseur m??tallique dans lequel le semi-conducteur est l'oxyde de cuivre ou le s??l??nium . Westinghouse Electric (1886) ??tait un fabricant majeur de ces redresseurs.

Deuxi??me Guerre Mondiale

Pendant la Seconde Guerre mondiale, radar de recherche rapidement pouss?? r??cepteurs radar pour fonctionner ?? toujours plus haut fr??quences et les r??cepteurs de radio de tubes ?? base traditionnelles ne est plus bien travaill??s. L'introduction de la Magn??tron de Grande-Bretagne aux ??tats-Unis en 1940 au cours de la Mission Tizard a abouti ?? un besoin pressant pour un amplificateur haute fr??quence pratique.

Sur un coup de t??te, Russell Ohl de Bell Laboratories d??cid?? d'essayer la moustache d'un chat. En ce moment, ils ne avaient pas ??t?? utilis??s pendant un certain nombre d'ann??es, et personne ne les laboratoires eu une. Apr??s la chasse un vers le bas dans un magasin de radio utilis?? dans Manhattan, il a constat?? que cela fonctionnait beaucoup mieux que les syst??mes ?? base de tubes.

Ohl ??tudi?? pourquoi la moustache du chat fonctionnait si bien. Il a pass?? la plupart de 1939 en essayant de d??velopper des versions plus pures des cristaux. Il a rapidement trouv?? que, avec cristaux de plus grande qualit?? de leur comportement capricieux se en alla, mais ce fut leur capacit?? ?? fonctionner comme un d??tecteur de radio. Un jour, il rencontra un de ses plus purs cristaux n??anmoins bien fonctionn?? et, fait int??ressant, il y avait une fissure clairement visible pr??s du milieu. Cependant, comme il se installe dans la pi??ce en essayant de le tester, le d??tecteur serait myst??rieusement travailler, puis se arr??ter de nouveau. Apr??s quelques ??tudes, il a constat?? que le comportement a ??t?? contr??l?? par la lumi??re ?? la lumi??re ambiante plus-caus?? plus de conductance dans le cristal. Il a invit?? plusieurs autres personnes pour voir ce cristal, et Walter Brattain imm??diatement r??alis?? qu'il y avait une sorte de jonction ?? la fissure.

D'autres recherches ??clairci le myst??re reste. Le cristal avait craqu?? parce chaque c??t?? contenait tr??s l??g??rement diff??rentes quantit??s d'impuret??s Ohl ne pouvait pas enlever-environ 0,2%. Un c??t?? du cristal avait impuret??s ajout??es ??lectrons suppl??mentaires (les transporteurs de courant ??lectrique) et en ont fait un ??conducteur??. L'autre avait impuret??s qui voulaient se lier ?? ces ??lectrons, ce qui en fait (ce qu'il appelait) un ??isolant??. Parce que les deux parties du cristal ??taient en contact avec l'autre, les ??lectrons pourraient ??tre pouss??s sur le c??t?? conducteur qui avaient ??lectrons suppl??mentaires (qui sera bient??t connu sous le nom de l'??metteur) et remplac??s par de nouveaux fournis (par une batterie, pour exemple) o?? ils se ??couler dans la partie isolante et ??tre recueilli par le filament de moustache (nomm?? le collecteur). Cependant, lorsque la tension a ??t?? infirm?? les ??lectrons ??tant pouss?? dans le collecteur serait rapidement remplir les "trous" (les impuret??s d'??lectrons n??cessiteux), et la conduction se arr??terait presque instantan??ment. Cette jonction des deux cristaux (ou parties d'un cristal) a cr???? une diode ?? l'??tat solide, et le concept est rapidement devenu connu comme semiconduction. Le m??canisme d'action lorsque la diode est ??teinte a ?? voir avec la s??paration des les porteurs de charge autour de la jonction. Ceci est appel?? un " r??gion d'appauvrissement ".

Le d??veloppement de la diode

Arm?? avec la connaissance de la fa??on dont ces nouvelles diodes travaill??, un effort vigoureux a commenc?? ?? apprendre ?? les construire ?? la demande. ??quipes Purdue University, Bell Labs, MIT, et la Universit?? de Chicago tous uni leurs forces pour construire de meilleurs cristaux. Moins d'un an la production de germanium avait ??t?? perfectionn?? au point o?? diodes de qualit?? militaire ont ??t?? utilis??s dans la plupart des radars.

D??veloppement du transistor

Apr??s la guerre, William Shockley d??cid?? de tenter la construction d'un triode comme dispositif semi-conducteur. Il a obtenu un financement et de l'espace de laboratoire, et est all?? travailler sur le probl??me avec Brattain et John Bardeen.

La cl?? pour le d??veloppement du transistor est la mieux comprendre le proc??d?? de la mobilit?? d'??lectrons dans un semiconducteur. On a r??alis?? que se il y avait un moyen de contr??ler le flux des ??lectrons de l'??metteur vers le collecteur de cette diode nouvellement d??couvert, on pourrait construire un amplificateur. Par exemple, si vous avez plac?? contacts de part et d'autre d'un seul type de cristal le courant ne se ??coule pas ?? travers elle. Toutefois, si un troisi??me contact pourrait alors "injecter" des ??lectrons ou des trous dans le mat??riau, le courant coulerait.

R??ellement faire cela semblait ??tre tr??s difficile. Si le cristal ??tait de ne importe quelle taille raisonnable, le nombre d'??lectrons (ou de trous) devant ??tre inject?? devrait ??tre tr??s grande - ce qui rend moins utile comme amplificateur car cela n??cessiterait un grand courant d'injection pour commencer. Cela dit, l'id??e de la diode ?? cristaux ??tait que le cristal lui-m??me pourrait fournir des ??lectrons sur une tr??s faible distance, la r??gion d'appauvrissement. La cl?? semble ??tre de placer les contacts d'entr??e et de sortie tr??s rapproch??s sur la surface du cristal de chaque c??t?? de cette r??gion.

Brattain a commenc?? ?? travailler sur la construction d'un tel dispositif, et des notes all??chantes d'amplification a continu?? ?? appara??tre comme l'??quipe a travaill?? sur le probl??me. Parfois, le syst??me pourrait fonctionner, mais alors cesser de fonctionner de fa??on inattendue. Dans un cas, un syst??me non-travail a commenc?? ?? travailler lorsqu'il est plac?? dans de l'eau. Ohl et Brattain la suite d??velopp?? une nouvelle branche de la m??canique quantique appel??s la physique de surface pour tenir compte du comportement. Les ??lectrons dans l'un quelconque morceau de cristal migreraient sujet en raison de charges ?? proximit??. Les ??lectrons dans les ??metteurs, ou les "trous" dans les collecteurs, se regrouper ?? la surface du cristal o?? ils pourraient trouver leur charge oppos??e "flottant autour" dans l'air (ou d'eau). Pourtant, ils peuvent ??tre repouss??es de la surface avec l'application d'une petite quantit?? de charge ?? partir de ne importe quel autre emplacement sur le cristal. Au lieu d'avoir une grande quantit?? d'??lectrons inject??s, un tr??s petit nombre au bon endroit sur le cristal serait accomplir la m??me chose.

Leur compr??hension a r??solu le probl??me de n??cessiter une tr??s petite zone de contr??le dans une certaine mesure. Au lieu d'avoir deux semi-conducteurs s??par??s reli??s par un courant, mais minuscule, r??gion, une seule grande surface servirait. Les fils d'??metteur et de collecteur seraient tous les deux ??tre plac??s tr??s pr??s les uns sur le dessus, avec le fil de commande plac?? sur la base du cristal. Lorsque le courant a ??t?? appliqu?? ?? la t??te "de base", les ??lectrons ou les trous seraient expuls??s, ?? travers le bloc de semiconducteur, et se accumulent sur la surface ??loign??e. Tant que l'??metteur et le collecteur sont tr??s rapproch??s, ce qui devrait permettre assez d'??lectrons ou des trous entre eux pour permettre une conduction de commencer.

Le premier transistor

Une r??plique stylis??e du premier transistor

L'??quipe de Bell a fait de nombreuses tentatives pour construire un tel syst??me avec divers outils, mais g??n??ralement ??chou??. Configurations o?? les contacts ??taient assez proches ??taient toujours aussi fragile que les d??tecteurs de moustaches du chat d'origine avaient ??t?? et seraient travailler bri??vement, voire pas du tout. Finalement, ils ont eu une perc??e pratique. Un morceau de feuille d'or a ??t?? coll??e sur le bord d'une cale en plastique, puis la feuille a ??t?? d??coup?? avec une lame de rasoir ?? la pointe du triangle. Le r??sultat a ??t?? deux contacts tr??s rapproch??s d'or. Lorsque la mati??re plastique est pouss??e vers le bas sur la surface d'un cristal et la tension appliqu??e ?? l'autre c??t?? (sur la base du cristal), le courant a commenc?? ?? se ??couler d'un contact ?? l'autre en tant que tension de base et pouss?? les ??lectrons de la base vers de l'autre c??t?? ?? proximit?? des contacts. Le transistor point de contact avait ??t?? invent??.

Alors que le dispositif a ??t?? construit une semaine plus t??t, les notes de Brattain d??crivent la premi??re d??monstration de la hausse-ups au Bell Labs l'apr??s-midi du 23 D??cembre 1947, souvent donn??e 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 proc??s. Connu g??n??ralement en tant que point de contact transistor aujourd'hui, John Bardeen, Walter Houser Brattain, et William Bradford Shockley ont re??u le Prix Nobel de physique pour leurs travaux en 1956.

Origine du terme "transistor"

Bell Telephone Laboratories avait besoin d'un nom g??n??rique pour leur nouvelle invention: "Semiconductor Triode", "Triode solide", "Surface ??tats Triode" [sic], "Crystal Triode" et "Iotatron" ont tous ??t?? envisag??e, mais "transistor", invent?? par John R. Pierce, a remport?? un vote interne. La raison d'??tre le nom est d??crite dans l'extrait suivant de protocoles techniques de l'entreprise (28 mai 1948) appelant ?? des votes:

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

Am??liorations dans la conception de transistor

Shockley ??tait boulevers?? le dispositif ??tant cr??dit?? au Brattain et Bardeen, qui il sentait qu'il avait construit "derri??re son dos" de prendre la gloire. Les choses se pire quand Bell Labs avocats ont constat?? que certains des propres ??crits de Shockley sur le transistor ??taient assez proches de celles d'un brevet ant??rieur par 1925 Julius Edgar Lilienfeld qu'ils pens?? qu'il valait mieux que son nom soit laiss?? la demande de brevet.

Shockley ??tait furieux, et a d??cid?? de montrer qui ??tait le v??ritable cerveau de l'op??ration. Seulement quelques mois plus tard, il a invent?? un type de transistor enti??rement nouveau d'une couche ou une structure ??sandwich??. Cette nouvelle forme est beaucoup plus robuste que le syst??me de point de contact fragile, et irait ?? ??tre utilis?? pour la grande majorit?? de tous les transistors dans les ann??es 1960. Il ??voluera dans le transistor ?? jonction bipolaire.

Avec les probl??mes de fragilit?? r??solus, un probl??me restant ??tait la puret??. Faire germanium de la puret?? requise se r??v??le ??tre un probl??me grave, et limit?? le nombre de transistors qui effectivement travaill?? ?? partir d'un lot donn?? de mat??riau. La sensibilit?? ?? la temp??rature Germanium ??galement limit?? son utilit??. Les scientifiques ont ??mis l'hypoth??se que le silicium serait plus facile ?? fabriquer, mais peu g??n??s d'enqu??ter sur cette possibilit??. Gordon K. Teal a ??t?? le premier ?? d??velopper un transistor de silicium de travail, et sa compagnie, le naissante Texas Instruments, a profit?? de son avance technologique. Germanium disparu de la plupart des transistors par la fin des ann??es 1960.

En quelques ann??es, les produits ?? transistors, et plus particuli??rement les radios, apparaissaient sur le march??. Une am??lioration majeure de rendement de fabrication est venue quand un chimiste avis?? les soci??t??s fabrication des semi-conducteurs ?? utiliser eau distill??e plut??t que l'eau du robinet: calcium ions ??taient la cause des faibles rendements. " Zone de fusion ", une technique utilisant une bande mobile de mat??riau en fusion ?? travers le cristal, augmente encore la puret?? des cristaux disponibles.