Halbleiterbauelement -Semiconductor device

Umrisse einiger verpackter Halbleiterbauelemente

Ein Halbleiterbauelement ist eine elektronische Komponente , die für ihre Funktion auf die elektronischen Eigenschaften eines Halbleitermaterials (hauptsächlich Silizium , Germanium und Galliumarsenid sowie organische Halbleiter ) angewiesen ist. Seine Leitfähigkeit liegt zwischen Leitern und Isolatoren. Halbleiterbauelemente haben Vakuumröhren in den meisten Anwendungen ersetzt. Sie leiten elektrischen Strom im festen Zustand und nicht als freie Elektronen durch ein Vakuum (typischerweise durch thermionische Emission freigesetzt ) oder als freie Elektronen und Ionen durch ein ionisiertes Gas .

Halbleiterbauelemente werden sowohl als einzelne diskrete Bauelemente als auch als IC-Chips ( Integrated Circuit ) hergestellt, die aus zwei oder mehr Bauelementen bestehen – die Hunderte bis Milliarden umfassen können –, die auf einem einzigen Halbleiterwafer (auch als Substrat bezeichnet) hergestellt und miteinander verbunden werden. .

Halbleitermaterialien sind nützlich, weil ihr Verhalten durch das absichtliche Hinzufügen von Verunreinigungen, bekannt als Dotierung , leicht manipuliert werden kann . Die Halbleiterleitfähigkeit kann durch die Einführung eines elektrischen oder magnetischen Feldes, durch Licht- oder Wärmeeinwirkung oder durch die mechanische Verformung eines dotierten monokristallinen Siliziumgitters gesteuert werden ; Daher können Halbleiter hervorragende Sensoren bilden. Die Stromleitung in einem Halbleiter erfolgt aufgrund beweglicher oder "freier" Elektronen und Elektronenlöcher , die zusammen als Ladungsträger bezeichnet werden . Das Dotieren eines Halbleiters mit einem kleinen Anteil einer atomaren Verunreinigung, wie beispielsweise Phosphor oder Bor , erhöht die Anzahl freier Elektronen oder Löcher innerhalb des Halbleiters stark. Wenn ein dotierter Halbleiter überschüssige Löcher enthält, wird er als Halbleiter vom p-Typ bezeichnet ( p für positive elektrische Ladung ); Wenn es überschüssige freie Elektronen enthält, wird es als Halbleiter vom n-Typ bezeichnet ( n für eine negative elektrische Ladung). Ein Großteil der mobilen Ladungsträger ist negativ geladen. Die Herstellung von Halbleitern steuert genau die Position und Konzentration von p- und n-Typ-Dotierstoffen. Die Verbindung von n-Typ- und p-Typ-Halbleitern bilden p-n-Übergänge .

Das weltweit am weitesten verbreitete Halbleiterbauelement ist der MOSFET (Metalloxid-Halbleiter- Feldeffekttransistor ), auch MOS- Transistor genannt . Ab 2013 werden täglich Milliarden von MOS-Transistoren hergestellt. Die Anzahl der jährlich hergestellten Halbleiterbauelemente ist seit 1978 um durchschnittlich 9,1 % gewachsen, und die Lieferungen im Jahr 2018 werden voraussichtlich erstmals 1 Billion überschreiten, was bedeutet, dass bis heute weit über 7 Billionen hergestellt wurden.

Diode

Eine Halbleiterdiode ist ein Gerät, das typischerweise aus einem einzelnen pn-Übergang besteht . Am Übergang eines Halbleiters vom p-Typ und vom n-Typ bildet sich ein Verarmungsgebiet , wo die Stromleitung durch das Fehlen beweglicher Ladungsträger gehemmt wird. Wenn das Gerät in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist (mit der p-Seite auf einem höheren elektrischen Potential als die n-Seite verbunden), wird dieser Verarmungsbereich verringert, was eine signifikante Leitung ermöglicht, während nur ein sehr kleiner Strom erreicht werden kann, wenn die Diode und somit ist die Verarmungsregion erweitert.

Belichtet man einen Halbleiter mit Licht , können Elektron-Loch-Paare entstehen , die die Zahl der freien Ladungsträger und damit die Leitfähigkeit erhöhen. Dioden, die optimiert sind, um dieses Phänomen auszunutzen, werden als Fotodioden bezeichnet . Verbindungshalbleiterdioden können auch Licht erzeugen, wie in Leuchtdioden und Laserdioden

Transistor

Bipolartransistor

Eine n-p-n-Bipolartransistorstruktur

Bipolar Junction Transistors (BJTs) werden aus zwei p-n-Übergängen gebildet, entweder in n-p-n- oder in p-n-p-Konfiguration. Die Mitte oder Basis , der Bereich zwischen den Übergängen, ist typischerweise sehr schmal. Die anderen Bereiche und ihre zugeordneten Anschlüsse sind als Emitter und Kollektor bekannt . Ein kleiner Strom, der durch den Übergang zwischen der Basis und dem Emitter injiziert wird, verändert die Eigenschaften des Basis-Kollektor-Übergangs, sodass er Strom leiten kann, obwohl er in Sperrichtung vorgespannt ist. Dadurch entsteht ein viel größerer Strom zwischen Kollektor und Emitter, der durch den Basis-Emitter-Strom gesteuert wird.

Feldeffekttransistor

Ein anderer Transistortyp, der Feldeffekttransistor (FET), arbeitet nach dem Prinzip, dass die Halbleiterleitfähigkeit durch das Vorhandensein eines elektrischen Felds erhöht oder verringert werden kann . Ein elektrisches Feld kann die Anzahl freier Elektronen und Löcher in einem Halbleiter erhöhen und dadurch seine Leitfähigkeit verändern. Das Feld kann durch einen in Sperrrichtung vorgespannten pn-Übergang angelegt werden, wodurch ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor ( JFET ) gebildet wird, oder durch eine Elektrode, die durch eine Oxidschicht vom Grundmaterial isoliert ist, wodurch ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor gebildet wird ( MOSFET ).

Metall-Oxid-Halbleiter

Betrieb eines MOSFET und seine Id-Vg-Kurve. Zunächst, wenn keine Gate-Spannung anliegt. Es befindet sich kein Inversionselektron im Kanal, das Gerät ist AUS. Wenn die Gatespannung ansteigt, nimmt die Inversionselektronendichte im Kanal zu, der Strom steigt an und das Gerät schaltet ein.

Der Metalloxid-Halbleiter-FET (MOSFET oder MOS-Transistor), ein Festkörperbauelement , ist heute bei weitem das am weitesten verbreitete Halbleiterbauelement. Er macht mindestens 99,9 % aller Transistoren aus, und zwischen 1960 und 2018 wurden schätzungsweise 13 Trilliarden MOSFETs hergestellt.

Die Gate- Elektrode wird geladen, um ein elektrisches Feld zu erzeugen, das die Leitfähigkeit eines „Kanals“ zwischen zwei Anschlüssen steuert , die Source und Drain genannt werden . Abhängig von der Art des Ladungsträgers im Kanal kann die Vorrichtung ein n-Kanal- (für Elektronen) oder ein p-Kanal- (für Löcher) MOSFET sein. Obwohl der MOSFET teilweise nach seinem "Metall"-Gate benannt ist, wird in modernen Geräten normalerweise stattdessen Polysilizium verwendet.

Materialien für Halbleitervorrichtungen

Silizium (Si) ist bei weitem das am weitesten verbreitete Material in Halbleiterbauelementen. Seine Kombination aus niedrigen Rohstoffkosten, relativ einfacher Verarbeitung und einem brauchbaren Temperaturbereich macht es zum derzeit besten Kompromiss unter den verschiedenen konkurrierenden Materialien. Silizium, das bei der Herstellung von Halbleitergeräten verwendet wird, wird derzeit zu Kugeln verarbeitet , die einen ausreichend großen Durchmesser haben, um die Produktion von 300-mm- Wafern (12 Zoll) zu ermöglichen .

Germanium (Ge) war ein weit verbreitetes frühes Halbleitermaterial, aber seine thermische Empfindlichkeit macht es weniger nützlich als Silizium. Heutzutage wird Germanium häufig mit Silizium legiert, um in sehr schnellen SiGe-Geräten verwendet zu werden. IBM ist ein bedeutender Hersteller solcher Geräte.

Galliumarsenid (GaAs) wird ebenfalls häufig in Hochgeschwindigkeitsgeräten verwendet, aber bisher war es schwierig, Kugeln mit großem Durchmesser aus diesem Material zu formen, wodurch der Waferdurchmesser auf Größen begrenzt wurde, die deutlich kleiner als Siliziumwafer sind, wodurch eine Massenproduktion von GaAs-Geräten ermöglicht wird deutlich teurer als Silizium.

Andere weniger gebräuchliche Materialien werden ebenfalls verwendet oder untersucht.

Siliziumkarbid (SiC) hat eine gewisse Anwendung als Rohmaterial für blaue Leuchtdioden (LEDs) gefunden und wird für den Einsatz in Halbleiterbauelementen untersucht, die sehr hohen Betriebstemperaturen und Umgebungen mit erheblichen Mengen an ionisierender Strahlung standhalten könnten . IMPATT-Dioden wurden auch aus SiC hergestellt.

Verschiedene Indiumverbindungen ( Indiumarsenid , Indiumantimonid und Indiumphosphid ) werden auch in LEDs und Festkörperlaserdioden verwendet . Selensulfid wird bei der Herstellung von Photovoltaik- Solarzellen untersucht .

Die häufigste Anwendung für organische Halbleiter sind organische Leuchtdioden .

Liste gängiger Halbleiterbauelemente

Geräte mit zwei Anschlüssen:

Geräte mit drei Anschlüssen:

Geräte mit vier Anschlüssen:

Hallsensor (Magnetfeldsensor)
Optokoppler (Optokoppler)

Anwendungen für Halbleitergeräte

Alle Transistortypen können als Bausteine für Logikgatter verwendet werden , die für den Entwurf digitaler Schaltungen von grundlegender Bedeutung sind . In digitalen Schaltungen wie Mikroprozessoren fungieren Transistoren als Ein-Aus-Schalter; Beim MOSFET beispielsweise bestimmt die an das Gate angelegte Spannung , ob der Schalter ein- oder ausgeschaltet ist.

Transistoren, die für analoge Schaltungen verwendet werden , fungieren nicht als Ein-Aus-Schalter; vielmehr reagieren sie auf einen kontinuierlichen Bereich von Eingaben mit einem kontinuierlichen Bereich von Ausgaben. Übliche analoge Schaltungen umfassen Verstärker und Oszillatoren .

Schaltungen, die digitale Schaltungen und analoge Schaltungen verbinden oder übersetzen, werden als Mixed-Signal-Schaltungen bezeichnet .

Leistungshalbleiterbauelemente sind diskrete Bauelemente oder integrierte Schaltungen, die für Hochstrom- oder Hochspannungsanwendungen bestimmt sind. Leistungsintegrierte Schaltkreise kombinieren IC-Technologie mit Leistungshalbleitertechnologie, diese werden manchmal als "intelligente" Leistungsbauelemente bezeichnet. Mehrere Unternehmen haben sich auf die Herstellung von Leistungshalbleitern spezialisiert.

Komponentenkennungen

Die Teilenummern von Halbleiterbauelementen sind oft herstellerspezifisch. Dennoch gab es Versuche, Standards für Typencodes zu erstellen, und eine Untergruppe von Geräten folgt diesen. Für diskrete Geräte gibt es beispielsweise drei Standards: JEDEC JESD370B in den USA, Pro Electron in Europa und Japanese Industrial Standards (JIS).

Geschichte der Entwicklung von Halbleiterbauelementen

Katzenbart-Detektor

Halbleiter wurden in der Elektronik schon einige Zeit vor der Erfindung des Transistors verwendet. Um die Wende des 20. Jahrhunderts waren sie als Detektoren in Radios weit verbreitet und wurden in einem Gerät namens "Cat's Whisker" verwendet, das von Jagadish Chandra Bose und anderen entwickelt wurde. Diese Detektoren waren jedoch etwas mühsam, da der Bediener einen kleinen Wolframfaden (den Whisker) um die Oberfläche eines Galenit- (Bleisulfid) oder Carborundum- (Siliciumcarbid) Kristalls bewegen musste, bis er plötzlich zu arbeiten begann. Dann würde der Schnurrbart der Katze über einen Zeitraum von einigen Stunden oder Tagen langsam aufhören zu arbeiten und der Vorgang müsste wiederholt werden. Zu der Zeit war ihre Operation völlig mysteriös. Nach der Einführung der zuverlässigeren und verstärkten Funkgeräte auf Vakuumröhrenbasis verschwanden die Schnurrhaarsysteme der Katze schnell. Der „Katzenschnurrbart“ ist ein primitives Beispiel für einen speziellen Diodentyp, der auch heute noch beliebt ist und als Schottky-Diode bezeichnet wird .

Gleichrichter aus Metall

Ein weiterer früher Typ von Halbleiterbauelementen ist der Metallgleichrichter, bei dem der Halbleiter Kupferoxid oder Selen ist . Westinghouse Electric (1886) war ein bedeutender Hersteller dieser Gleichrichter.

Zweiter Weltkrieg

Während des Zweiten Weltkriegs führte die Radarforschung schnell dazu, dass Radarempfänger mit immer höheren Frequenzen betrieben wurden , und die traditionellen röhrenbasierten Funkempfänger funktionierten nicht mehr gut. Die Einführung des Hohlraummagnetrons von Großbritannien in die Vereinigten Staaten im Jahr 1940 während der Tizard-Mission führte zu einem dringenden Bedarf an einem praktischen Hochfrequenzverstärker.

Aus einer Laune heraus beschloss Russell Ohl von den Bell Laboratories , es mit einem Katzenschnurrhaar zu versuchen . Zu diesem Zeitpunkt waren sie seit einigen Jahren nicht mehr in Gebrauch, und niemand in den Labors hatte eine. Nachdem er in einem Geschäft für gebrauchte Radios in Manhattan nach einem gesucht hatte , stellte er fest, dass es viel besser funktionierte als Systeme auf Röhrenbasis.

Ohl untersuchte, warum der Schnurrbart der Katze so gut funktionierte. Er verbrachte den größten Teil des Jahres 1939 damit, reinere Versionen der Kristalle zu züchten. Er stellte bald fest, dass mit höherwertigen Kristallen ihr heikles Verhalten verschwand, aber auch ihre Fähigkeit, als Funkdetektor zu arbeiten. Eines Tages stellte er fest, dass einer seiner reinsten Kristalle dennoch gut funktionierte und einen deutlich sichtbaren Riss nahe der Mitte aufwies. Als er sich jedoch im Raum bewegte, um es zu testen, funktionierte der Detektor auf mysteriöse Weise und stoppte dann wieder. Nach einigen Studien stellte er fest, dass das Verhalten durch das Licht im Raum gesteuert wurde – mehr Licht verursachte mehr Leitfähigkeit im Kristall. Er lud mehrere andere Leute ein, sich diesen Kristall anzusehen, und Walter Brattain erkannte sofort, dass an dem Riss eine Art Kreuzung war.

Weitere Forschungen klärten das verbleibende Rätsel auf. Der Kristall war gesprungen, weil beide Seiten geringfügig unterschiedliche Mengen der Verunreinigungen enthielten, die Ohl nicht entfernen konnte – etwa 0,2 %. Eine Seite des Kristalls hatte Verunreinigungen, die zusätzliche Elektronen (die Träger des elektrischen Stroms) hinzufügten und ihn zu einem "Leiter" machten. Der andere hatte Verunreinigungen, die sich an diese Elektronen binden wollten, was ihn (wie er es nannte) zu einem "Isolator" machte. Da die beiden Teile des Kristalls miteinander in Kontakt standen, konnten die Elektronen aus der leitenden Seite mit zusätzlichen Elektronen (bald als Emitter bekannt) herausgedrückt und durch neue (von einer Batterie, zum Beispiel), wo sie in den isolierenden Teil fließen und von dem Whisker-Filament ( Kollektor genannt ) gesammelt würden . Wenn jedoch die Spannung umgekehrt wurde, füllten die in den Kollektor gedrückten Elektronen schnell die "Löcher" (die elektronenbedürftigen Verunreinigungen) und die Leitung würde fast sofort aufhören. Diese Verbindung der beiden Kristalle (oder Teile eines Kristalls) erzeugte eine Festkörperdiode, und das Konzept wurde bald als Halbleiter bekannt. Der Wirkungsmechanismus bei ausgeschalteter Diode hat mit der Trennung von Ladungsträgern um den Übergang herum zu tun. Dies wird als „ Verarmungsgebiet “ bezeichnet.

Entwicklung der Diode

Bewaffnet mit dem Wissen, wie diese neuen Dioden funktionieren, begannen energische Anstrengungen, um zu lernen, wie man sie nach Bedarf baut. Teams der Purdue University , der Bell Labs , des MIT und der University of Chicago schlossen sich zusammen, um bessere Kristalle zu bauen. Innerhalb eines Jahres war die Germaniumproduktion so weit perfektioniert worden, dass in den meisten Radargeräten Dioden in Militärqualität verwendet wurden.

Entwicklung des Transistors

Nach dem Krieg beschloss William Shockley , den Bau eines Trioden -ähnlichen Halbleiterbauelements zu versuchen. Er sicherte sich Finanzierung und Laborraum und machte sich mit Brattain und John Bardeen an die Arbeit an dem Problem .

Der Schlüssel zur Entwicklung des Transistors war das weitere Verständnis des Prozesses der Elektronenmobilität in einem Halbleiter. Es wurde erkannt, dass ein Verstärker gebaut werden könnte, wenn es eine Möglichkeit gäbe, den Fluss der Elektronen vom Emitter zum Kollektor dieser neu entdeckten Diode zu steuern. Wenn beispielsweise Kontakte auf beiden Seiten eines einzigen Kristalltyps angeordnet sind, fließt zwischen ihnen kein Strom durch den Kristall. Wenn jedoch ein dritter Kontakt Elektronen oder Löcher in das Material „injizieren“ könnte, würde der Strom fließen.

Tatsächlich schien es sehr schwierig zu sein, dies zu tun. Wenn der Kristall eine vernünftige Größe hätte, müsste die Anzahl der zu injizierenden Elektronen (oder Löcher) sehr groß sein, was ihn als Verstärker weniger als nützlich machen würde, da er zu Beginn einen großen Injektionsstrom erfordern würde . Die ganze Idee der Kristalldiode war jedoch, dass der Kristall selbst die Elektronen über eine sehr kleine Distanz, den Verarmungsbereich, bereitstellen könnte. Der Schlüssel schien darin zu liegen, die Eingangs- und Ausgangskontakte sehr nahe beieinander auf der Oberfläche des Kristalls auf beiden Seiten dieses Bereichs zu platzieren.

Brattain begann mit der Arbeit an einem solchen Gerät, und während das Team an dem Problem arbeitete, tauchten immer wieder verlockende Hinweise auf eine Verstärkung auf. Manchmal funktionierte das System, hörte dann aber unerwartet auf zu arbeiten. In einem Fall begann ein nicht funktionierendes System zu arbeiten, als es in Wasser gelegt wurde. Ohl und Brattain entwickelten schließlich einen neuen Zweig der Quantenmechanik , der als Oberflächenphysik bekannt wurde , um das Verhalten zu erklären. Die Elektronen in einem Teil des Kristalls würden aufgrund nahegelegener Ladungen herumwandern. Elektronen in den Emittern oder den "Löchern" in den Kollektoren würden sich an der Oberfläche des Kristalls ansammeln, wo sie ihre entgegengesetzte Ladung in der Luft (oder im Wasser) "herumschweben" finden könnten. Sie konnten jedoch durch Aufbringen einer kleinen Ladungsmenge von jeder anderen Stelle des Kristalls von der Oberfläche weggedrückt werden. Anstatt einen großen Vorrat an injizierten Elektronen zu benötigen, würde eine sehr kleine Anzahl an der richtigen Stelle auf dem Kristall dasselbe bewirken.

Ihr Verständnis löste bis zu einem gewissen Grad das Problem, einen sehr kleinen Kontrollbereich zu benötigen. Anstatt zwei separate Halbleiter zu benötigen, die durch einen gemeinsamen, aber winzigen Bereich verbunden sind, würde eine einzige größere Oberfläche ausreichen. Die Elektronen emittierenden und sammelnden Leitungen würden beide sehr nahe beieinander auf der Oberseite platziert werden, wobei die Steuerleitung auf der Basis des Kristalls platziert würde. Wenn Strom durch diese "Basis"-Leitung floss, würden die Elektronen oder Löcher über den Block des Halbleiters herausgedrückt und auf der entfernten Oberfläche gesammelt. Solange der Emitter und der Kollektor sehr nahe beieinander liegen, sollte dies genügend Elektronen oder Löcher zwischen ihnen ermöglichen, damit die Leitung beginnen kann.

Erster Transistor

Eine stilisierte Nachbildung des ersten Transistors

Das Bell-Team unternahm viele Versuche, ein solches System mit verschiedenen Tools zu bauen, scheiterte jedoch im Allgemeinen. Setups, bei denen die Kontakte nahe genug waren, waren ausnahmslos so zerbrechlich wie die ursprünglichen Schnurrhaardetektoren der Katze und würden, wenn überhaupt, nur kurz funktionieren. Schließlich hatten sie einen praktischen Durchbruch. Ein Stück Goldfolie wurde auf die Kante eines Plastikkeils geklebt, und dann wurde die Folie mit einem Rasiermesser an der Spitze des Dreiecks geschnitten. Das Ergebnis waren zwei sehr eng beabstandete Goldkontakte. Wenn der Keil auf die Oberfläche eines Kristalls gedrückt und Spannung an die andere Seite (an der Basis des Kristalls) angelegt wurde, begann Strom von einem Kontakt zum anderen zu fließen, da die Basisspannung die Elektronen von der Basis wegdrückte auf der anderen Seite in der Nähe der Kontakte. Der Punktkontakttransistor war erfunden.

Während das Gerät eine Woche zuvor gebaut wurde, beschreiben Brattains Notizen die erste Vorführung bei Bell Labs am Nachmittag des 23. Dezember 1947, der oft als Geburtsdatum des Transistors angegeben wird. Der heute als „ pnp-Punktkontakt-Germanium-Transistor “ bekannte Sprachverstärker wurde in diesem Versuch mit einer Leistungsverstärkung von 18 betrieben. John Bardeen , Walter Houser Brattain und William Bradford Shockley wurden 1956 für ihre Arbeiten mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet .

Etymologie von "Transistor"

Die Bell Telephone Laboratories brauchten einen generischen Namen für ihre neue Erfindung: „Semiconductor Triode“, „Solid Triode“, „Surface States Triode“ [ sic ], „Crystal Triode“ und „Iotatron“ kamen alle in Betracht, aber „Transistor“, geprägt von John R. Pierce gewann eine interne Abstimmung. Die Begründung für den Namen wird im folgenden Auszug aus den Technischen Memoranden des Unternehmens (28. Mai 1948) [26] beschrieben, die zur Abstimmung auffordern:

Transistor. Dies ist eine abgekürzte Kombination der Wörter "Transkonduktanz" oder "Übertragung" und "Varistor". Das Gerät gehört logischerweise in die Familie der Varistoren und hat die Transkonduktanz oder Transferimpedanz eines Geräts mit Verstärkung, so dass diese Kombination anschaulich ist.

Verbesserungen im Transistordesign

Shockley war verärgert darüber, dass das Gerät Brattain und Bardeen zugeschrieben wurde, die es seiner Meinung nach „hinter seinem Rücken“ gebaut hatten, um den Ruhm zu erlangen. Die Sache verschlimmerte sich, als die Anwälte von Bell Labs feststellten, dass einige von Shockleys eigenen Schriften auf dem Transistor denen eines früheren Patents von Julius Edgar Lilienfeld aus dem Jahr 1925 nahe genug waren , dass sie es für das Beste hielten, seinen Namen aus der Patentanmeldung zu streichen.

Shockley war empört und beschloss, zu demonstrieren, wer der wahre Kopf der Operation war. Wenige Monate später erfand er einen völlig neuen, wesentlich robusteren Bipolartransistortyp mit Schicht- oder „Sandwich“-Struktur, der bis in die 1960er Jahre für die überwiegende Mehrheit aller Transistoren verwendet wurde.

Nachdem die Zerbrechlichkeitsprobleme gelöst waren, war das verbleibende Problem die Reinheit. Die Herstellung von Germanium in der erforderlichen Reinheit erwies sich als ernsthaftes Problem und begrenzte die Ausbeute an Transistoren, die tatsächlich aus einer bestimmten Materialcharge funktionierten. Die Temperaturempfindlichkeit von Germanium schränkte auch seine Nützlichkeit ein. Wissenschaftler stellten die Theorie auf, dass Silizium einfacher herzustellen wäre, aber nur wenige untersuchten diese Möglichkeit. Gordon K. Teal, ehemaliger Bell Labs-Wissenschaftler, war der erste, der einen funktionierenden Siliziumtransistor bei der aufstrebenden Texas Instruments entwickelte und ihm damit einen technologischen Vorsprung verschaffte. Ab den späten 1950er Jahren waren die meisten Transistoren auf Siliziumbasis. Innerhalb weniger Jahre kamen auf Transistoren basierende Produkte, vor allem leicht tragbare Radios, auf den Markt. " Zonenschmelzen ", eine Technik, die ein Band aus geschmolzenem Material verwendet, das sich durch den Kristall bewegt, erhöhte die Kristallreinheit weiter.

Metalloxid-Halbleiter

In den 1950er Jahren untersuchte Mohamed Atalla die Oberflächeneigenschaften von Siliziumhalbleitern bei Bell Labs , wo er ein neues Verfahren zur Herstellung von Halbleitergeräten vorschlug , bei dem ein Siliziumwafer mit einer Isolierschicht aus Siliziumoxid beschichtet wurde , sodass Elektrizität zuverlässig in das darunter liegende leitende Silizium eindringen konnte , Überwindung der Oberflächenzustände, die verhinderten, dass Elektrizität die halbleitende Schicht erreicht. Dies ist als Oberflächenpassivierung bekannt , ein Verfahren, das für die Halbleiterindustrie entscheidend wurde, da es die Massenproduktion von integrierten Siliziumschaltkreisen (ICs) ermöglichte . Aufbauend auf seiner Oberflächenpassivierungsmethode entwickelte er den Metalloxid-Halbleiter- Prozess (MOS), den er für den Bau des ersten funktionierenden Silizium -Feldeffekttransistors (FET) vorschlug. Dies führte 1959 zur Erfindung des MOSFET (MOS-Feldeffekttransistor) durch Mohamed Atalla und Dawon Kahng. Mit seiner Skalierbarkeit und seinem viel geringeren Stromverbrauch und seiner höheren Dichte als Bipolartransistoren wurde der MOSFET zum gängigsten Transistortyp in Computern, Elektronik und Kommunikationstechnik wie Smartphones . Das US-Patent- und Markenamt nennt den MOSFET eine „bahnbrechende Erfindung, die das Leben und die Kultur auf der ganzen Welt verändert hat“.

CMOS (Complementary MOS ) wurde 1963 von Chih-Tang Sah und Frank Wanlass bei Fairchild Semiconductor erfunden. Der erste Bericht über einen Floating-Gate-MOSFET wurde 1967 von Dawon Kahng und Simon Sze erstellt. FinFET (Fin-Feldeffekttransistor), eine Art 3D- Multi-Gate- MOSFET, wurde 1989 von Digh Hisamoto und seinem Forscherteam am Hitachi Central Research Laboratory entwickelt.

Siehe auch

Verweise

Muller, Richard S. & Theodore I. Kamins (1986). Geräteelektronik für integrierte Schaltungen . John Wiley und Söhne. ISBN 978-0-471-88758-4.

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