Wie funktionieren Halbleiterchips?

0020-42285 PLATTE, BLOCKER 8" EC WXZ

0010-35756 CVD-Kühlkammer-Baugruppe

█ Vakuumröhre (Elektronenröhre)

Der Edison-Effekt

Im Jahr 1883 beobachtete der berühmte Erfinder Thomas Edison bei einem Experiment ein seltsames Phänomen. Zu dieser Zeit führte er einen Lebensdauertest des Filaments (Kohlenstofffilament) durch. Neben dem Glühfaden platzierte er einen Kupferdraht, der jedoch an keiner der Elektroden befestigt war. Das heißt, der Kupferdraht steht nicht unter Spannung.

Nachdem der Kohlenstofffaden normal mit Strom versorgt wird, beginnt er zu glühen und sich zu erwärmen. Nach einer Weile unterbrach Edison die Stromversorgung. Durch Zufall entdeckte er, dass auch auf dem Kupferdraht ein elektrischer Strom erzeugt wurde.

Edison hatte keine Möglichkeit, den Grund für dieses Phänomen zu erklären, aber als kluger „Geschäftsmann“ kam ihm als Erstes in den Sinn, die Entdeckung patentieren zu lassen. Er nannte dieses Phänomen auch „Edison-Effekt“.

Jetzt wissen wir, dass die Essenz des „Edison-Effekts“ die Emission thermischer Elektronen ist. Das heißt, wenn das Filament erhitzt wird, werden die Elektronen auf der Oberfläche aktiv und „entweichen“ und werden dadurch vom metallischen Kupferdraht eingefangen, der einen elektrischen Strom erzeugt.

Als Edison ein Patent anmeldete, dachte er nicht an die Nutzung des Effekts und stellte ihn ins Regal.

Im Jahr 1884 besuchte der englische Physiker John Ambrose Fleming die Vereinigten Staaten, um sich mit Edison zu treffen. Edison zeigte Fleming den Edison-Effekt und machte einen großen Eindruck auf Fleming.

 

弗莱明

Diode

Als Fleming diesen Effekt tatsächlich nutzte, war es mehr als ein Jahrzehnt später. Im Jahr 1901 startete Guglielmo Marconi, der Erfinder der drahtlosen Telegrafie, Experimente mit der Funkkommunikation über große Entfernungen über den Atlantik. Fleming beteiligte sich an dem Experiment, um dabei zu helfen, den drahtlosen Signalempfang zu verbessern. Einfach ausgedrückt geht es darum, zu untersuchen, wie das Signal am Empfangsende erkannt und verstärkt wird, damit das Signal perfekt interpretiert werden kann.放大Jeder versteht das Signal. Was ist also ein Erkennungssignal?

Bei der sogenannten Signalerkennung handelt es sich eigentlich um Signalscreening. Das von der Antenne empfangene Signal ist sehr chaotisch und es gibt alle Arten von Signalen. Die Signale, die wir wirklich brauchen (Signale einer bestimmten Frequenz), müssen aus diesen überfüllten Signalen „herausgefiltert“ werden, und das ist die Erkennung.

Um eine Detektion zu erreichen, ist die unidirektionale Leitfähigkeit (unidirektionale Leitfähigkeit) der Schlüssel. Drahtlose Magnetwellen sind hochfrequente Schwingungen, die Hunderttausende Male pro Sekunde auftreten können. Der durch die drahtlose elektromagnetische Welle erzeugte induzierte Strom ändert sich auch mit „positiv, negativ, positiv, negativ“. Wenn wir diesen Strom zum Antreiben des Kopfhörers verwenden, ist ein positiver und ein negativer Strom Null, und der Kopfhörer kann nicht genau arbeiten Identifizieren Sie das Signal.

Bei unidirektionaler Leitfähigkeit ist die negative Halbwelle der Sinuswelle weg, alle sind positiv und die Richtung des Stroms ist dieselbe. Durch das Herausfiltern der hohen Frequenzen können die Kopfhörer Stromänderungen leicht erkennen.

 

去掉负半周,电流方向变成一致的,容易解读

Um das Signal zu erkennen, dachte Fleming an den „Edison-Effekt“ – könnte ein neuer Detektortyp entwickelt werden, der auf dem Elektronenfluss des Edison-Effekts basiert? Auf diese Weise entstand 1904 unter Flemings Händen die weltweit erste Vakuumelektronendiode. Diese Diode wurde damals auch „Fleming-Ventil“ genannt. (Eine Vakuumröhre, auch Elektronenröhre genannt, wird manchmal als „Gallengang“ bezeichnet.) )

弗莱明发明的2极管

Flemings Diode, der Aufbau ist eigentlich sehr einfach, das heißt, in einem Vakuumglaskolben sind zwei Pole gefüllt: eine Kathode (Kathode), die beim Erhitzen Elektronen (Kathodenstrahlen) emittieren kann; Eine Anode, die Elektronen empfängt.

 

旁热式2极管

Der Grund für das Vakuum in der Glasröhre besteht darin, die Ionisierung von Gasen zu verhindern, die den normalen Elektronenfluss beeinträchtigen und die Kennlinie zerstören würde. (Das Pumpen in ein Vakuum kann auch den Oxidationsverlust des Filaments wirksam reduzieren.) )

Transistor

Das Aufkommen von Dioden, die die Notwendigkeit einer Erkennung und Gleichrichtung überflüssig machten, war damals ein großer Durchbruch. Es gibt jedoch Raum für Verbesserungen.

 

德福雷斯特

Im Jahr 1906 erfand der amerikanische Wissenschaftler De Forest Lee (De Forest Lee) die Vakuumtrioden-Elektronenröhre, indem er der Vakuumdioden-Elektronenröhre geschickt eine Gitterplatte („Tor“) hinzufügte.

德·福雷斯特发明的3极管

Wenn das Gate hinzugefügt wird und die Spannung des Gates positiv ist, zieht es mehr Elektronen von der Kathode an. Die meisten Elektronen passieren das Gate und erreichen die Anode, wodurch der Strom an der Anode stark ansteigt. Wenn die Spannung am Gate negativ ist, haben die Elektronen an der Kathode keine Energie, um zum Gate zu gelangen, geschweige denn zur Anode.

Eine kleine Stromänderung am Gate kann eine große Stromänderung an der Anode verursachen. Darüber hinaus ist die sich ändernde Wellenform genau die gleiche wie der Gate-Strom. Daher hat der Transistor die Wirkung einer Signalverstärkung.

 

Zuerst war die Triode ein einzelnes Gitter, dann wurde daraus ein Doppelgitter mit zwei zusammengefügten Platinen und schließlich wurde daraus einfach ein ganzes geschlossenes Gitter.

 

围栅

Die Geburt der Vakuumtriode ist ein Meilenstein in der Elektronikindustrie.

Diese kleine Komponente verwirklicht wirklich die Verwendung von Elektrizität zur Steuerung von Elektrizität (in der Vergangenheit wurde sie durch mechanische Schalter gesteuert, die Probleme mit niedriger Frequenz, kurzer Lebensdauer und leichter Beschädigung hatten) und verwendete „kleinen Strom“ zur Steuerung von „großem Strom“. ".

Diese kleine Komponente verwirklicht wirklich die Verwendung von Elektrizität zur Steuerung von Elektrizität (in der Vergangenheit wurde sie durch mechanische Schalter gesteuert, die Probleme mit niedriger Frequenz, kurzer Lebensdauer und leichter Beschädigung hatten) und verwendete „kleinen Strom“ zur Steuerung von „großem Strom“. ".

Darauf aufbauend gibt es Radiosender, Radios, Phonographen, Filme, Radios, Radargeräte, Funksprechanlagen usw., die immer leistungsfähiger werden. Die weit verbreitete Beliebtheit dieser Produkte hat das tägliche Leben der Menschen verändert und den gesellschaftlichen Fortschritt gefördert.

真空管

Im Jahr 1919 schlug Schottky aus Deutschland die Idee vor, zwischen dem Tor und dem Pluspol ein Vorhangtor einzubauen. Diese Idee wurde 1926 von Lande in England verwirklicht. Daraus entstand die Quadrude. Später erfanden Holst und Telegen aus den Niederlanden die Pentode.

In den 40er Jahren des 20. Jahrhunderts erreichte die Erforschung der Computertechnologie ihren Höhepunkt. Es wurde festgestellt, dass die unidirektionale Leitfähigkeit von Elektronenröhren zum Entwurf einiger Logikschaltungen (z. B. Gatterschaltungen oder Gatterschaltungen) genutzt werden kann.

Also begannen sie, Elektronenröhren in den Computerbereich einzuführen. Zu dieser Zeit basierten fast alle elektronischen Computer, einschließlich ENIAC (der mehr als 18000 Röhren verwendete), auf Röhren.

 

埃尼阿克

Hier sprechen wir kurz über die Gate-Schaltung. Wenn wir die Grundlagen des Rechnens erlernen, müssen wir grundlegende logische Operationen gelernt haben, wie z. B. und, oder, nicht, XOR, gleich oder, NICHT, oder nicht usw.

Computer erkennen nur 0en und 1en. Es führt seine Berechnungen auf der Grundlage dieser Regeln logischer Operationen durch. Beispielsweise ist 2+1 binär 0010+0001 und die Ausführung einer „XOR-Operation“ entspricht 0011, also 3.

Die Schaltung, die die oben genannten Logikgatterfunktionen implementiert, ist die Logikgatterschaltung. Andererseits kann eine einfach leitende Elektronenröhre (Vakuumröhre) in verschiedene Logikgatterschaltungen eingebaut werden. Beispiel: „ODER-Gatter“ und „UND-Gatter“ unten.

A, B sind die Eingaben und F sind die Ausgaben

█ Transistoren

Parallel zur rasanten Entwicklung und Anwendung von Elektronenröhren haben die Menschen nach und nach festgestellt, dass dieses Produkt einige Nachteile aufweist:

Einerseits ist das Rohr leicht zu brechen und weist eine hohe Ausfallrate auf; Andererseits muss die Röhre erwärmt werden und es wird viel Energie für die Wärmeerzeugung verschwendet, was auch einen extrem hohen Stromverbrauch mit sich bringt.

Also begannen die Leute darüber nachzudenken, ob es eine bessere Möglichkeit gäbe, das Signal zu erkennen, zu korrigieren und zu verstärken. Natürlich gibt es Möglichkeiten. Zu diesem Zeitpunkt steht ein großartiges Material kurz vor der Entstehung, und zwar Halbleiter.

 

Der Keim der Halbleiter

Gehen wir zurück ins 18. Jahrhundert. Im Jahr 1782 stellte der berühmte italienische Physiker Alessandro Volta (Alessandro Volta) fest, dass feste Materie grob in drei Typen eingeteilt werden kann:

Die ersten Metalle wie Gold, Silber, Kupfer, Eisen usw. sind äußerst leitfähig und werden Leiter genannt.

Zweitens werden Materialien wie Holz, Glas, Keramik, Glimmer usw., die den Strom nicht leicht leiten, als Isolatoren bezeichnet;

Der dritte, zwischen einem Leiter und einem Isolator, entlädt sich langsam.

Die seltsamen Eigenschaften des dritten Materials werden von Volt „Semiconducting Nature“ genannt, was „Halbleitereigenschaften“ bedeutet. Dies ist das erste Mal in der Geschichte der Menschheit, dass der Begriff „Halbleiter“ auftaucht.

 

亚历山德罗·伏特

Später entdeckten eine Reihe von Wissenschaftlern absichtlich oder unabsichtlich einige Halbleitereigenschaften. Beispielsweise entdeckte Michael Faraday 1833, dass bei steigender Temperatur von Silbersulfid der Widerstand abnimmt (die wärmeempfindliche Eigenschaft von Halbleitern).

Im Jahr 1839 entdeckte der französische Wissenschaftler Alexandre Edmond Becquerel, dass Licht einen Potentialunterschied zwischen den beiden Enden bestimmter Materialien verursachen kann (der photovoltaische Effekt von Halbleitern).

Im Jahr 1873 entdeckte Willoughby Smith, dass die Leitfähigkeit von Selenmaterialien zunimmt, wenn sie Licht ausgesetzt werden (der photoleitende Effekt von Halbleitern).

Diese Phänomene konnte damals niemand erklären und sie erregten auch keine große Aufmerksamkeit.

Im Jahr 1874 entdeckte der deutsche Wissenschaftler Karl Ferdinand Braun die unidirektionalen Leitungseigenschaften von elektrischem Strom in natürlichen Erzen (Metallsulfiden). Das ist ein großer Meilenstein.

 

卡尔·布劳恩

Im Jahr 1906 erfand der amerikanische Ingenieur Greenleaf Whittier Pickard auf der Grundlage des Chalmer-Erzkristalls den berühmten Kristalldetektor, der auch als „Cat-Whisker-Detektor“ bekannt ist (auf dem Geophon befindet sich eine Sonde, ähnlich einem Katzenbart, daher der Name). ).

 

矿石检波器

Das Erzgeophon ist das früheste Halbleiterbauelement der Menschheit. Sein Aussehen ist ein „kleiner Test“ von Halbleitermaterialien. Obwohl es einige Mängel aufwies (schlechte Qualitätskontrolle, instabile Arbeit, weil das Erz nicht von hoher Reinheit war), gab es der Entwicklung der elektronischen Technologie starke Impulse. Damals förderten auf Erzgeophonen basierende Funkempfänger die Popularisierung des Rundfunks und der drahtlosen Telegrafie.

 

Das Aufkommen der Bandtheorie

Menschen benutzen Erzgeophone, verstehen aber nie, wie sie funktionieren. In den mehr als 30 Jahren seitdem haben Wissenschaftler immer wieder die Frage gestellt, warum es Halbleitermaterialien gibt. Warum können Halbleitermaterialien für eine unidirektionale Leitung verwendet werden?

Anfangs zweifelten viele Menschen sogar daran, dass es Halbleitermaterialien wirklich gab. Der berühmte Physiker Pauli sagte einmal: „Die Leute sollten sich nicht mit Halbleitern beschäftigen, das ist ein schmutziges Durcheinander, und wer weiß, ob es Halbleiter gibt.“ "

Später, mit der Geburt und Entwicklung der Quantenmechanik, gelang schließlich ein Durchbruch in der theoretischen Erforschung von Halbleitern.

Im Jahr 1928 schlug Max Karl Ernst Ludwig Planck, ein deutscher Physiker und einer der Begründer der Quantenmechanik, erstmals die Theorie fester Energiebänder bei der Anwendung der Quantenmechanik zur Untersuchung der Leitung von Metallen vor.

 

量子理论之父,普朗克

Er glaubt, dass die Halbleiterleitfähigkeit unter Einwirkung eines externen elektrischen Feldes in Leitfähigkeit unter Beteiligung von „Löchern“ (d. h. Leitung vom P-Typ) und Leitfähigkeit unter Beteiligung von Elektronen (d. h. Leitung vom N-Typ) unterteilt wird. Viele der exotischen Eigenschaften von Halbleitern werden sowohl durch „Löcher“ als auch durch Elektronen bestimmt. Später wurde die Bandentheorie weiter verfeinert, um die wesentlichen Unterschiede zwischen Leitern, Isolatoren und Halbleitern systematisch zu erklären. Werfen wir einen kurzen Blick auf die Bandtheorie. Wie Sie in der Physik der Mittelschule gelernt haben, bestehen Objekte aus Molekülen, Atomen, und die äußere Hülle eines Atoms ist ein Elektron. Wenn die Atome eines festen Objekts nahe beieinander liegen, werden die Elektronen miteinander vermischt. Die Quantenmechanik geht davon aus, dass Elektronen nicht auf einer Umlaufbahn bleiben können und „abstürzen“. Dadurch wurde die Umlaufbahn in mehrere dünne Spuren aufgeteilt. In der Quantenmechanik wird dieses feine Orbital als Energieniveau bezeichnet. Die weite Umlaufbahn, die aus mehreren zusammengedrückten dünnen Bahnen besteht, wird Energieband genannt. Von den beiden Bändern ist das untere das Valenzband, das obere das Leitungsband und das mittlere das verbotene Band. Zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband liegt ein verbotenes Band. Der Abstand des verbotenen Bandes, die Bandlücke (Energiebandlücke).

Elektronen bewegen sich auf einer weiten Umlaufbahn und sind makroskopisch leitend. Es gibt zu viele Elektronen, sie sind überfüllt, sie können sich nicht bewegen und makroskopisch sind sie nicht leitend. Einige Vollbahnen und Leerbahnen liegen sehr nahe beieinander, und Elektronen können leicht von Vollbahnen zu Leerbahnen laufen und sich frei bewegen, was als Leiter bezeichnet wird. Die beiden Umlaufbahnen liegen zu weit auseinander, die Lücke ist zu groß, die Elektronen können nicht hindurchlaufen und es gibt keine Möglichkeit, Strom zu leiten. Wenn Sie jedoch Energie von außen hinzufügen, können Sie diesen Zustand ändern.

Wenn die Bandlücke innerhalb von 5 Elektronenvolt (5 EV) liegt, wird dem Elektron zusätzliche Energie hinzugefügt, und das Elektron kann den Sprung vollenden und sich frei bewegen, d. h. Leitung. Das gehört zu den Halbleitern. (Die Bandlücke beträgt etwa 1,12 eV für Silizium und 0,67 eV für Germanium.) Wenn die Bandlücke 5 Elektronenvolt (5 EV) überschreitet, können Elektronen sie normalerweise nicht passieren und es handelt sich um einen Isolator. (Wenn die Außenwelt viel Energie hinzufügt, kann sie ihr auch gewaltsam dabei helfen, die Vergangenheit zu überwinden.) Zum Beispiel ist Luft ein Isolator, aber Hochspannungsstrom kann auch Luft durchbrechen und einen elektrischen Strom bilden. Es ist erwähnenswert, dass der „Halbleiter mit großer Bandlücke“, von dem wir heute oft hören, die dritte Generation von Halbleitermaterialien ist, darunter Siliziumkarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN), Zinkoxid (ZnO), Diamant und Aluminiumnitrid (AlN). ), usw.

Their advantages are large bandgap width (>2,2 EV), hohes Durchschlagsfeld, hohe Wärmeleitfähigkeit, starke Anti-Strahlungsfähigkeit, hohe Lichtausbeute, hohe Frequenz, kann für Hochtemperatur-, Hochfrequenz-, Strahlungsbeständigkeits- und Hochleistungsgeräte verwendet werden, ist die Richtung der Branche derzeit kräftige Entwicklung. Zuvor haben wir Elektronen und Löcher erwähnt. In Halbleitern gibt es zwei Arten von Ladungsträgern: freie Elektronen und Löcher. Freie Elektronen kennt jeder, was ist ein Loch?

Löcher werden auch als Elektronenlöcher bezeichnet. Bei Raumtemperatur kann aufgrund der thermischen Bewegung eine kleine Anzahl energiereicher Elektronen an der Spitze des Valenzbandes das Band durchqueren, in das Leitungsband aufsteigen und zu „freien Elektronen“ werden. Nachdem die Elektronen gelaufen sind, bleibt ein „Loch“ zurück. Der Rest der nicht geförderten Elektronen kann in dieses „Loch“ eindringen und einen elektrischen Strom erzeugen. Es ist zu beachten, dass das Loch selbst unbeweglich ist, der Prozess des „Füllens des Lochs“ jedoch einen positiven elektrischen Flusseffekt erzeugt und daher auch als Träger angesehen wird.

Im Jahr 1931 schlug Charles Thomson Wilson ein physikalisches Modell für Halbleiter vor, das auf der Bandentheorie basierte. Im Jahr 1939 trugen der sowjetische Physiker AS Davydov (AS Давыдов), der britische Physiker Nevill Francis Mott (Nevill Francis Mott) und der deutsche Physiker Walter Hermann Schottky (Walter Hermann Schottky) zur grundlegenden Theorie der Halbleiter bei. Davydov erkannte als erster die Rolle einiger weniger Ladungsträger in Halbleitern, während Schottky und Mott die berühmte „Diffusionstheorie“ entwickelten. Basierend auf den Beiträgen dieser großen Persönlichkeiten wurde nach und nach der Grundstein für die grundlegende Theorie der Halbleiter gelegt.

 

Die Geburt des Transistors

Nach der Geburt des Erz-Geophons stellten Wissenschaftler fest, dass die Leistung des Geophons einen großen Zusammenhang mit der Reinheit des Erzes hat. Je höher die Reinheit des Erzes ist, desto besser ist die Leistung des Geophons. Daher haben viele Wissenschaftler Reinigungsforschung an Erzmaterialien (wie Bleisulfid, Kupfersulfid, Kupferoxid usw.) durchgeführt und der Reinigungsprozess wurde kontinuierlich verbessert.

In den 30er Jahren des 20. Jahrhunderts schlug Russell Shoemaker Ohl, ein Wissenschaftler bei Bell Labs, vor, dass ein Geophon aus gereinigten Kristallmaterialien eine Elektronendiode vollständig ersetzen würde. (Wissen Sie, zu dieser Zeit hatte die Röhre eine absolute Marktdominanz.) )

 

罗素·奥尔,他还是现代太阳能电池之父

Nachdem er mehr als 100 Materialien einzeln getestet hatte, kam er zu dem Schluss, dass Siliziumkristalle das idealste Material für Geophone seien. Um seine Schlussfolgerungen zu testen, verfeinerte er mit Hilfe seines Kollegen Jack Scaff eine hochreine Siliziumkristallfusion. Da Bell Labs nicht in der Lage war, Siliziumkristalle zu schneiden, schickte Orr die Fusion zu einem Juweliergeschäft, um sie in Kristallproben unterschiedlicher Größe zu schneiden. Unerwarteterweise verhielt sich eine der Proben nach der Beleuchtung an einem Ende wie eine positive Elektrode und am anderen Ende wie eine negative Elektrode, die Orr als P- bzw. N-Region bezeichnete. Auf diese Weise erfand Orr den weltweit ersten Halbleiter-PN-Übergang (P-N-Übergang). Während des Zweiten Weltkriegs stellte Western Electric, eine Tochtergesellschaft von AT&T, eine Reihe von Siliziumkristalldioden her, die auf gereinigten Halbleiterkristallen basierten. Die geringe Größe und die geringe Ausfallrate dieser Dioden verbesserten die Leistung und Zuverlässigkeit der Radarsysteme der Alliierten erheblich. Orrs Erfindung des PN-Übergangs und die hervorragende Leistung von Siliziumkristalldioden bestärkten Bell Labs in seiner Entschlossenheit, Transistortechnologie zu entwickeln. Im Jahr 1945 zeichnete William Shockley von den Bell Labs nach einem Gespräch mit Russell Orr das Banddiagramm von P-Typ- und N-Typ-Halbleitern auf der Grundlage der Bandtheorie und schlug auf dieser Grundlage die „Feldeffekthypothese“ vor.

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肖克利的场效应设想

Nachdem er mehr als 100 Materialien einzeln getestet hatte, kam er zu dem Schluss, dass Siliziumkristalle das idealste Material für Geophone seien. Um seine Schlussfolgerungen zu testen, verfeinerte er mit Hilfe seines Kollegen Jack Scaff eine hochreine Siliziumkristallfusion. Da Bell Labs nicht in der Lage war, Siliziumkristalle zu schneiden, schickte Orr die Fusion zu einem Juweliergeschäft, um sie in Kristallproben unterschiedlicher Größe zu schneiden. Er stellte die Hypothese auf, dass sich die innere Ladung des Siliziumwafers frei bewegen könnte und dass, wenn der Wafer dünn genug wäre, unter dem Einfluss der angelegten Spannung Elektronen oder Löcher im Siliziumwafer an der Oberfläche entstehen würden, was die Leitfähigkeit des Siliziumwafers stark erhöhen würde Dadurch wird der Effekt einer Stromverstärkung erzielt. Basierend auf dieser Vision bauten John Bardeen und Walter Bratton von Bell Labs am 23. Dezember 1947 den weltweit ersten Halbleiter-Triodenverstärker. Das heißt, das folgende sehr seltsame und schäbig aussehende Ding:

世界上第一个晶体管(基于锗半导体)

晶体管的电路模型

Den experimentellen Aufzeichnungen zufolge kann dieser Transistor eine „Spannungsverstärkung von 100, eine Leistungsverstärkung von 40 und einen Stromverlust von 1/2,5 …“ erreichen, was sehr gut ist.

Bei der Benennung argumentieren Bardeen und Bratton, dass die Fähigkeit des Geräts, Signale zu verstärken, auf seinen Widerstandsumwandlungseigenschaften beruht, dh das Signal geht von einem „Eingang mit niedrigem Widerstand“ zu einem „Ausgang mit hohem Widerstand“. Deshalb nannten sie es einen Transwiderstand. Später wurde es als Transistor abgekürzt.

Viele Jahre später gab Qian Xuesen, ein berühmter Wissenschaftler in China, seinen chinesischen Übersetzungsnamen als „Transistor“ ein.

Ich habe zusammengefasst, dass Halbleitereigenschaften eine besondere Fähigkeit sind, Elektrizität zu leiten (abhängig von externen Faktoren). Materialien mit Halbleitereigenschaften werden Halbleitermaterialien genannt. Silizium und Germanium sind typische Halbleitermaterialien.

Mikroskopisch betrachtet nennt man Stoffe, die nach bestimmten Gesetzmäßigkeiten ordentlich angeordnet sind, Kristalle. Siliziumkristalle haben monokristalline, polykristalline, amorphe kristalline und andere Formen.

Die Kristallmorphologie bestimmt die Bandstruktur und die Bandstruktur bestimmt die elektrischen Eigenschaften. Daher haben Siliziumkristalle (Germaniumkristalle) als Halbleitermaterialien einen so großen Anwendungswert. Dioden, Trioden und Quadruden werden nach ihrer Funktion benannt. Im Prinzip werden Elektronenröhren (Vakuumröhren) und Transistoren (Siliziumtransistoren, Germaniumtransistoren) genannt. Der von Bardeen und Bratton erfundene Transistor müsste eigentlich als Punktkontakttransistor bezeichnet werden. Wie Sie dem Bild unten entnehmen können, ist dieses Design zu rudimentär. Obwohl es die Verstärkungsfunktion erfüllt, ist es strukturell fragil, empfindlich gegenüber äußeren Vibrationen und nicht einfach herzustellen, sodass es nicht kommerziell genutzt werden kann.

 

Shockley erkannte diesen Fehler und begann einen Rückzug, um ein neues Transistordesign zu studieren.

Am 23. Januar 1948 schlug Shockley nach mehr als einem Monat harter Arbeit ein neues Transistormodell mit einer dreischichtigen Struktur vor und nannte es Junction Transistor.

肖克利的结式晶体管设计

Es waren Morgan Sparks und Gordon Kidd Teal, die Shockley bei der Herstellung des Endprodukts halfen. Besonders hervorzuheben ist Gordon Thiel. Er fand heraus, dass der Ersatz von Poly durch monokristalline Halbleiter zu erheblichen Leistungssteigerungen führen könnte. Darüber hinaus war er es, der entdeckte, dass die Straight-Pull-Methode zur Reinigung einzelner Metallkristalle genutzt werden konnte. Dieses Verfahren wird seitdem verwendet und ist das in der Halbleiterindustrie am weitesten verbreitete Verfahren zur Herstellung von Einkristallen. Die Geburt der Transistoren ist von großer Bedeutung für die Entwicklung der menschlichen Wissenschaft und Technologie. Es verfügt über die Leistungsfähigkeit von Elektronenröhren, überwindet jedoch alle Nachteile von Elektronenröhren wie großem Volumen, hohem Energieverbrauch, geringer Vergrößerung, kurzer Lebensdauer und hohen Kosten. Von Anfang an wurde beschlossen, die Röhre komplett zu ersetzen.

 

正在生产晶体管的工人

Im Bereich der drahtlosen Kommunikation können Transistoren, ähnlich wie Elektronenröhren, elektromagnetische Wellen aussenden, erkennen und verstärken. Im Bereich digitaler Schaltkreise können Transistoren auch zur einfacheren Implementierung logischer Schaltkreise eingesetzt werden. Es hat eine solide Grundlage für den Aufschwung der Elektronikindustrie gelegt.

 

Später wuchs die Transistorfamilie

█IC

Das Aufkommen von Transistoren ermöglichte die Miniaturisierung elektrischer Schaltkreise.

Im Jahr 1952 bemerkte Geoffrey Dummer, ein bekannter Wissenschaftler am Royal Radar Research Institute im Vereinigten Königreich, auf einer Konferenz:

„Mit dem Aufkommen von Transistoren und der umfassenden Untersuchung von Halbleitern scheint es nun denkbar, dass das elektronische Gerät der Zukunft ein solides Bauteil ohne Verbindungsdrähte ist.“

Im August 1958 entdeckte Kilby, ein neuer Mitarbeiter bei Texas Instruments, dass winzige Schaltkreise, die aus vielen Bauteilen bestehen, auf einem einzigen Wafer hergestellt werden können. Mit anderen Worten: Verschiedene elektronische Geräte (z. B. Widerstände, Kondensatoren, Dioden und Transistoren) können auf Siliziumwafern hergestellt und mit dünnen Drähten verbunden werden.

Bald darauf, am 12. September, gelang es Kilby, nach seinen eigenen Ideen einen 7/16 Zoll langen und 1/16 Zoll breiten Germanium-Chip-Schaltkreis herzustellen, der gleichzeitig der erste integrierte Schaltkreis der Welt war.

 

Bei dieser Schaltung handelt es sich um einen Einzeltransistor-Oszillator mit RC-Rückkopplung, und das Ganze ist auf den Glasschieber geklebt, was sehr rudimentär aussieht. Die Geräte des Stromkreises sind durch verstreute dünne Drähte verbunden. Zur gleichen Zeit, als Kilby den integrierten Schaltkreis erfand, gelang auch einer anderen Person der Durchbruch auf diesem Gebiet. Diese Person war Robert Norton Noyce von Fairchild Semiconductor (der später Intel gründete). Fairchild ist ein von den „Acht Verrätern“ aus dem Silicon Valley mitbegründetes Unternehmen (siehe: Die Legende von Fairchild), das über starke Stärken in der Halbleitertechnologie verfügt. Jean Hoerni, einer der „Acht Verräter“, erfand den sehr wichtigen Planerprozess. Bei diesem Verfahren wird dem Siliziumwafer eine Schicht aus Siliziumoxid als Isolierschicht hinzugefügt. Dann wird ein Loch in diese Schicht aus isolierendem Siliziumoxid gebohrt und die mit der Siliziumdiffusionstechnologie hergestellten Geräte werden mit einer Aluminiumfolie verbunden. Die Geburt des Planarprozesses ermöglichte Fairchild die Herstellung von Hochleistungs-Siliziumkristalltransistoren mit extrem kleinen Abmessungen und ermöglichte außerdem die Verbindung von Geräten in integrierten Schaltkreisen. Am 23. Januar 1959 schrieb Noyce in seinen Arbeitsnotizen: „Durch die Herstellung verschiedener Geräte auf demselben Siliziumwafer und deren Verbindung mithilfe eines planaren Prozesses ist es möglich, multifunktionale elektronische Schaltkreise zu erstellen. Diese Technologie kann die Größe und das Gewicht von reduzieren.“ die Schaltung und reduzieren die Kosten.

 

诺伊斯

Als Noyce erfuhr, dass Kilby ein Patent für einen integrierten Schaltkreis angemeldet hatte, war er sehr reuig und glaubte, dass er einen Schritt zu spät gekommen war. Allerdings stellte er bald fest, dass Kilbys Erfindung fehlerhaft war. Kilbys integrierte Schaltkreise sind durch fliegende Drähte verbunden, die einfach nicht in Massenproduktion hergestellt werden können und keinen praktischen Wert haben. Neuss‘ Vision bestand darin, eine negative Platte aller Schaltkreise und Komponenten eines elektronischen Geräts herzustellen und diese dann auf einen Siliziumwafer zu gravieren. Sobald dieser Siliziumwafer graviert ist, stellt er den gesamten Schaltkreis dar und kann direkt zum Zusammenbau des Produkts verwendet werden. Darüber hinaus kann die Verdampfungsabscheidung von Metall die heißgeschweißten Drähte ersetzen und die herumfliegenden Drähte vollständig beseitigen.

 

Integrierte Siliziumkristallschaltung von Fairchild

Am 30. Juli 1959 meldete Neuss ein Patent nach eigenen Ideen an: „Halbleiterbauelement – ​​Drahtstruktur“. Streng genommen steht die Erfindung von Neuss näher an integrierten Schaltkreisen im modernen Sinne. Das Design von Neuss basiert auf einem planaren Prozess auf Siliziumbasis, während Kilbis Design auf einem Diffusionsprozess auf Germaniumbasis basiert. Neuss hat sich auf die Vorteile des Siliziumprozesses von Fairchild verlassen und Schaltkreise hergestellt, die tatsächlich fortschrittlicher sind als Kirby. Im Jahr 1966 gewährte das Gericht Kilby schließlich die Erfindung der Idee eines integrierten Schaltkreises (eines hybriden integrierten Schaltkreises) und die Erfindung eines integrierten Schaltkreises, der in einen heute verwendeten Chip verpackt ist (ein integrierter Schaltkreis im eigentlichen Sinne des Wortes). sowie die Erfindung des Herstellungsverfahrens. Kilby gilt als „Erfinder des ersten integrierten Schaltkreises“, während Noyce derjenige war, der „die Theorie integrierter Schaltkreise entwickelte, die für die industrielle Produktion geeignet sind“. Im März 1960 berichtete Texas Instruments, dass Jack. Kilbys Design brachte offiziell das weltweit erste kommerzialisierte integrierte Schaltkreisprodukt auf den Markt, das 502-Silizium-bistabile Multiresonanz-Binär-Flip-Flop, das für 450 US-Dollar verkauft wurde. Das berühmte Apollo-Mondlandeprogramm kaufte Millionen integrierter Schaltkreise und brachte Texas Instruments und Fairchild viel Geld ein. Der Erfolg des Luftfahrtmarktes hat zur Ausweitung des zivilen Marktes geführt. Im Jahr 1964 verwendete Zenith integrierte Schaltkreise in Hörgeräten, was die erste Einführung integrierter Schaltkreise im zivilen Bereich darstellte. Danach sollte jeder mit der Geschichte vertraut sein. Durch die gemeinsamen Anstrengungen von Materialien, Prozessen und Prozessen nimmt die Anzahl der Transistoren in integrierten Schaltkreisen weiter zu, die Leistung verbessert sich weiter und die Kosten sinken allmählich, und wir sind in die Ära des Mooreschen Gesetzes eingetreten.

Moores Gesetz: Die Anzahl der Transistoren, die in einen integrierten Schaltkreis passen, verdoppelt sich etwa alle 18 Monate und die Leistung verdoppelt sich. Die Entwicklung großer und ultragroßer integrierter Schaltkreise auf der Basis integrierter Schaltkreise hat den Weg für die Entstehung von Halbleiterspeichern und Mikroprozessoren geebnet. 1970 stellte Intel den weltweit ersten integrierten DRAM-Schaltkreis (Dynamic Random Access Memory) vor, den 1103. Im folgenden Jahr brachten sie den Intel 4004 auf den Markt, den weltweit ersten programmierbaren Chip, der Kombinatoren und Controller umfasst. Das goldene Zeitalter der IT-Technologie hat offiziell begonnen.

█ Die Entwicklung der Transistoren

Gehen wir zurück und sprechen noch einmal über Transistoren. Seit dem Aufkommen der Transistoren hat sich ihre Form stark verändert. Kurz gesagt geht es hauptsächlich von bipolar zu unipolar. Beim unipolaren Typ vom FET zum MOSFET. Strukturell gesehen geht es von PlanarFET über FinFET bis hin zu GAAFET.

 

Bipolar, unipolar

Der 1948 von Shockley erfundene Sperrschichttransistor wird als bipolarer Sperrschichttransistor (BJT) bezeichnet, da er zwei Ladungsträger, Löcher und Elektronen, verwendet, um an der elektrischen Leitung teilzunehmen.

BJT-Transistoren sind in zwei Konfigurationen erhältlich: NPN und PNP:

Wie wir sehen können, erzeugt ein BJT-Transistor auf einem Halbleitersubstrat zwei PN-Übergänge, die sehr nahe beieinander liegen. Zwei PN-Übergänge teilen den gesamten Halbleiter in drei Teile, der mittlere Teil ist die Basis und die beiden Seiten sind Emitter und Kollektor. Das Funktionsprinzip von BJT-Transistoren ist komplexer und wird heutzutage nur noch selten verwendet, sodass ich aus Platzgründen nicht näher darauf eingehen werde. Im Wesentlichen besteht die Hauptfunktion dieses Transistors darin, den Kollektor durch eine kleine Stromänderung in der Basis zu einer großen Stromänderung zu veranlassen, was eine verstärkende Wirkung hat. Der Autor hat bereits Logikschaltungen erwähnt. Es handelt sich um eine Kombination aus einer Diode und einem BJT-Transistor und wird als DTL-Schaltung (Diode-Transistor-Logik) bezeichnet. Später wurden TTL-Schaltungen (Transistor-Transistor-Logik) vollständig aus Transistoren aufgebaut. Die Vorteile von BJT-Transistoren liegen in ihrer hohen Betriebsfrequenz und starken Ansteuerfähigkeit. Es weist jedoch auch Nachteile auf, wie z. B. einen hohen Stromverbrauch und eine geringe Integration. Auch der Herstellungsprozess ist komplexer und die Verwendung der Flachtechnologie weist einige Nachteile auf. Infolgedessen begann im Laufe der Zeit ein neuer Transistortyp zu entstehen, der als Feldeffekttransistor (FET) bekannt ist. Im Jahr 1953 arbeiteten Ian Ross und George Dacey von Bell Labs zusammen, um den weltweit ersten Prototyp eines Sperrschicht-Feldeffekttransistors (JFET) zu produzieren.

JFET(结型场效应晶体管),此为N沟道

JFET ist ein Halbleiterbauelement mit einer dreipoligen Struktur (drei Anschlüsse), einschließlich Source, Drain und Gate. JFETs werden in N-Kanal-JFETs (N-Kanal) und P-Kanal-JFETs (P-Kanal) unterteilt. Ersterer ist ein N-förmiger Halbleiter mit zwei P-Typ-Halbleitern auf beiden Seiten (wie im Bild oben gezeigt). Letzterer ist ein P-förmiger Halbleiter mit zwei N-Typ-Halbleitern auf beiden Seiten. Das Funktionsprinzip des JFET besteht einfach darin, den PN-Übergang zwischen Gate und Kanal und damit die Verarmungsschicht zu steuern, indem die Spannung zwischen Gate G und Source S (VGS in der Abbildung) und die Spannung zwischen Drain D und Source S gesteuert werden (VDS in der Abbildung). Je breiter die Verarmungsschicht, je schmaler der Kanal und je größer der Kanalwiderstand, desto kleiner ist der Drain-Strom (ID im Diagramm), der durchgelassen werden kann. Der Zustand, in dem der Kanal vollständig von der Sperrschicht bedeckt ist, wird als Pinch-Zustand bezeichnet. Wenn ein JFET-Transistor funktioniert, benötigt er nur einen Trägertyp und wird daher als Unipolartransistor bezeichnet. Im Jahr 1959 wurde ein neuer Transistortyp geboren, der berühmte MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET). Es wurde von Mohamed Atala (umbenannt in Martin Atala), einem Wissenschaftler ägyptischer Herkunft, und Dawon Kahng, einem Wissenschaftler koreanischer Herkunft, erfunden.

MOSFET besteht ebenfalls aus Source, Drain und Gate. Das „M“ in „MOS“ bedeutet, dass das Gate ursprünglich aus Metall realisiert wurde. „O“ bedeutet, dass Gate und Substrat durch Oxid isoliert sind. „S“ bedeutet, dass der MOSFET als Ganzes durch Halbleiter implementiert ist.

MOSFET-Transistor, auch bekannt als IGFET (In-sulated Gate FET, Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate).

MOSFET(N型)

Auch dieser MOSFET-Transistor ist in zwei Typen unterteilt: „N-Typ“ und „P-Typ“, also NMOS und PMOS. Je nach Art der Operation wird sie auch in verstärkte und erschöpfte unterteilt. Nehmen Sie als Beispiel den N-Typ-MOS (häufiger verwendet) in der Abbildung oben. Als Substrat wurde das P-Typ-Siliziumhalbleitermaterial verwendet, auf dessen Oberfläche zwei N-Typ-Bereiche diffundiert wurden und anschließend eine Siliziumdioxid-Isolierschicht (SiO2) darüber aufgebracht wurde. Schließlich entstanden oberhalb der N-Zone zwei Löcher durch Korrosion. Auf der Isolierschicht und in zwei Löchern werden durch Metallisierung drei Elektroden hergestellt: G (Gate), S (Source) und D (Drain). Das Siliziumsubstrat vom P-Typ verfügt über einen Anschluss (B), der über eine Leitung mit der Quelle S verbunden ist. Das Funktionsprinzip eines MOSFET ist relativ einfach: Normalerweise bildet sich durch die natürliche Rekombination der Ladungsträger eine neutrale Verarmungsregion zwischen der N-Region und dem Substrat P aus.

Nachdem dem Gate eine Durchlassspannung zugeführt wurde, sammeln sich die Elektronen im P-Bereich unter der Wirkung des elektrischen Feldes unter dem Siliziumoxid des Gates an und bilden einen Bereich mit so vielen Elektronen wie Subonen, also einen Kanal.

Wenn nun zwischen Drain und Source eine Spannung angelegt wird, fließt der Strom frei zwischen Source und Drain und erreicht einen leitenden Zustand.

Gate G ist wie ein Gate, das die Spannung steuert. Wenn eine Spannung an Gate G angelegt wird, öffnet sich das Gate und der Strom fließt von Source S zu Drain D. Wenn die Spannung am Gate entfernt wird, schließt das Gate und der Strom kann nicht durchfließen .

Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass Jiang Dayuan 1967 mit dem chinesischen Wissenschaftler Shi Min zusammenarbeitete, um gemeinsam die „Floating Gate“-FGMOS-Struktur (Floating Gate MOSFET) zu erfinden, die den Grundstein für die Halbleiterspeichertechnologie legte. Später basierten alle Flash-Speicher, FLASH, EEPROM usw. auf dieser Technologie.

BJT, JFET, MOSFET wurden gerade eingeführt. Ich werde zuerst ein Diagramm zeichnen, bringen Sie Ihr Denken nicht durcheinander:

Im Jahr 1963 wurde Frank Semiconductor von Fairchild Semiconductor gegründet. Frank Wanlass und Chih-Tang Sah (chinesischer Abstammung) schlugen als Erste den CMOS-Transistor vor. Sie kombinieren PMOS- mit NMOS-Transistoren und verbinden sie nahezu ruhestromlos zu komplementären Strukturen. Dies ist auch der Ursprung des „C“ (Komplementär) der CMOS-Transistoren.

Das größte Merkmal von CMOS ist, dass der Stromverbrauch viel geringer ist als bei anderen Transistortypen. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung des Mooreschen Gesetzes nimmt die Anzahl der Transistoren in integrierten Schaltkreisen zu, wodurch auch die Anforderungen an den Stromverbrauch steigen. Aufgrund der Eigenschaften eines geringen Stromverbrauchs hat sich CMOS allmählich durchgesetzt.

Heutzutage werden mehr als 95 % der integrierten Schaltkreischips auf Basis von CMOS-Prozessen hergestellt.

Mit anderen Worten: Seit den 1960er Jahren wurden die grundlegenden Architekturprinzipien von Transistoren weitgehend verfeinert. Die Ökologie integrierter Schaltkreise, die durch CMOS, Silizium (der natürliche Bestand an Silizium übersteigt den von Germanium bei weitem und seine Hitzebeständigkeit ist besser als die von Germanium, sodass es zum Mainstream geworden ist) und Planartechnologie repräsentiert wird, hat die schnelle Entwicklung der gesamten Branche unterstützt seit Jahrzehnten.

 

PlanarFET, FinFET, GAAFET

 

Obwohl sich das Kernprinzip der Architektur nicht geändert hat, hat sich die Form geändert.

Integrierte Schaltkreise werden ständig verbessert und Prozesse und Prozesse entwickeln sich ständig weiter. Wenn die Anzahl der Transistoren eine bestimmte Größenordnung erreicht, werden die Transistoren durch den Prozess gezwungen, sich zu „verformen“, um den Entwicklungsanforderungen gerecht zu werden. In der Anfangszeit waren Transistoren hauptsächlich Planartransistoren (PlanarFETs). Wenn der Transistor kleiner wird, wird die Länge des Gates immer kürzer und der Abstand zwischen Source und Drain nähert sich an. Wenn der Prozess (das heißt, was wir oft als 7 nm und 3 nm bezeichnen, bezieht sich im Allgemeinen auf die Breite des Gates) weniger als 20 nm beträgt, entsteht das Problem: Das Gate des MOSFET ist schwierig, den Stromkanal zu schließen, die unruhigen Elektronen können es nicht Wenn das Gerät blockiert wird, tritt das Leckphänomen wiederholt auf und auch der Stromverbrauch steigt.

Um dieses Problem zu lösen, erfand Professor Hu Zhengming, ein chinesisch-amerikanischer Wissenschaftler, 1999 offiziell den FinFET. Im Vergleich zum grafischen Design von PlanarFET hat sich FinFET direkt zu einem 3D-Design und einer dreidimensionalen Struktur entwickelt. Sein aktueller Kanal wird zu einer dünnen vertikalen Scheibe wie eine Fischflosse, die an drei Seiten mit einer Torumhüllung festgeklemmt ist. Auf diese Weise entsteht ein relativ starkes elektrisches Feld, das die Effizienz des Steuerkanals verbessert und besser steuern kann, ob Elektronen hindurchtreten können. Die Technologie entwickelt sich weiter und bis 5 nm erreicht sind, werden auch FinFETs nicht mehr funktionieren. Zu dieser Zeit gab es GAAFET (Wrap-Around Gate Technology Transistor). Der vollständige Name von GAAFET im Englischen lautet Gate-All-Around FET. Im Vergleich zu FinFETs verwandelt GAAFET das Gate und den Drain der Finnen in „kleine Stäbchen“, die vertikal durch das Gate verlaufen. Auf diese Weise wird die Gate-Steuerung des Stroms durch die Aufteilung von drei auf vier Kontakte sowie die Aufteilung in mehrere Vierfachkontakte weiter verbessert. Das südkoreanische Unternehmen Samsung hat auch eine andere Form von GAA entwickelt, MBCFET (Multi-Bridge-Channel FET). MBCFET ersetzt Nanodrähte in GAA durch mehrschichtige Nanoblätter, und die größere Breite der Schichtstruktur vergrößert die Kontaktfläche, während alle ursprünglichen Vorteile erhalten bleiben und gleichzeitig die Komplexität minimiert wird.

 

Derzeit forschen die großen Chiphersteller der Branche noch intensiv an der Formverbesserung von Transistoren, um bessere Innovationen zu finden, die die Entwicklung der Chiptechnologie in der Zukunft unterstützen.

█ EPilog

Unabhängig davon, ob es sich um eine Elektronenröhre (Vakuumröhre) oder einen Transistor handelt, handelt es sich im Allgemeinen um eine kleine Komponente, die Elektrizität zur Steuerung von Elektrizität verwendet. Transistoren basieren auf Halbleitermaterialien und können daher klein genug gebaut werden. Aus diesem Grund können Chips (integrierte Schaltkreise) „extrem kleine Größe, große Leistungsfähigkeit“ erreichen. Die Eigenschaften von Halbleitermaterialien sowie die Rolle von Transistoren scheinen sehr einfach zu sein. Es sind Hunderte Millionen solcher einfacher „Gadgets“, die die Entwicklung der menschlichen digitalen Technologie unterstützen und uns in das Zeitalter der digitalen Intelligenz führen.