Yarı İletken Çipler Nasıl Çalışır?

0020-42285 PLAKA,ENGELLEYİCİ 8" EC WXZ

0010-35756 CVD Bekleme Odası Komplesi

█ Vakum tüpü (elektron tüpü)

Edison Etkisi

1883 yılında ünlü mucit Thomas Edison, yaptığı bir deney sırasında tuhaf bir olay gözlemledi. O sıralarda filamentin (karbon filament) ömür testini yapıyordu. Filamentin yanına bir bakır tel yerleştirdi, ancak bakır tel elektrotların hiçbirine bağlanmadı. Yani bakır tele enerji verilmez.

Karbon filamana normal şekilde enerji verildikten sonra parlamaya ve ısınmaya başlar. Bir süre sonra Edison güç kaynağının bağlantısını kesti. Yanlışlıkla bakır tel üzerinde de bir elektrik akımının oluştuğunu keşfetti.

Edison'un bu olgunun nedenini açıklayacak bir yolu yoktu ama kurnaz bir "iş adamı" olarak aklına gelen ilk şey, keşfin patentini almaktı. Bu olaya da "Edison etkisi" adını verdi.

Artık "Edison etkisinin" özünün termal elektronların emisyonu olduğunu biliyoruz. Yani filaman ısıtıldığında yüzeydeki elektronlar aktif hale gelerek "kaçar" ve bunun sonucunda elektrik akımı üreten metal bakır tel tarafından yakalanırlar.

Edison patent başvurusunda bulunduğunda efektin nasıl kullanılacağını düşünmedi ve rafa kaldırdı.

1884 yılında İngiliz fizikçi John Ambrose Fleming, Edison'la görüşmek üzere Amerika Birleşik Devletleri'ni ziyaret etti. Edison, Fleming'e Edison Etkisini gösterdi ve Fleming üzerinde büyük bir etki bıraktı.

 

弗莱明

Diyot

Fleming bu etkiyi gerçekten kullandığında aradan on yıldan fazla zaman geçmişti. 1901'de kablosuz telgrafın mucidi Guglielmo Marconi, Atlantik boyunca uzun menzilli radyo iletişimi ile ilgili deneyler başlattı. Fleming, kablosuz sinyal alımının nasıl iyileştirilebileceğine yardımcı olmak için deneye katıldı. Basitçe ifade etmek gerekirse, alıcı uçta sinyalin nasıl tespit edileceği ve sinyalin mükemmel bir şekilde yorumlanabilmesi için sinyalin nasıl güçlendirileceği üzerinde çalışmaktır. Herkes sinyali anlar, peki algılama sinyali nedir?

Sinyal tespiti olarak adlandırılan şey aslında sinyal taramasıdır. Anten tarafından alınan sinyal oldukça dağınıktır ve her türlü sinyal mevcuttur. Gerçekten ihtiyacımız olan sinyaller (belirli bir frekanstaki sinyaller), bu karmaşık sinyallerden "filtrelenmesi" gerekir ve bu da algılamadır.

Algılamayı başarmak için tek yönlü iletkenlik (tek yönlü iletkenlik) anahtardır. Kablosuz manyetik dalgalar, saniyede yüzbinlerce defaya kadar çıkan yüksek frekanslı salınımlardır. Kablosuz elektromanyetik dalga tarafından üretilen indüklenen akım da "pozitif, negatif, pozitif, negatif" ile değişir, eğer bu akımı kulaklığı sürmek için kullanırsak, biri pozitif ve biri negatif sıfırdır ve kulaklık doğru şekilde çalışmayacaktır. sinyali tanımlayın.

Tek yönlü iletkenlik ile sinüs dalgasının negatif yarı döngüsü kaybolmuştur, hepsi pozitiftir ve akımın yönü aynıdır. Yüksek frekansları filtreleyerek kulaklıklar akımdaki değişiklikleri kolayca algılayabilir.

 

去掉负半周,电流方向变成一致的,容易解读

Fleming, sinyali tespit etmek için "Edison etkisi"ni düşündü; Edison etkisinden kaynaklanan elektron akışına dayalı yeni bir tür dedektör tasarlanabilir mi? Böylece 1904 yılında dünyanın ilk vakumlu elektron diyotu Fleming'in elleri altında doğdu. O zamanlar bu diyota "Fleming valfi" de deniyordu. (Elektron tüpü olarak da bilinen vakum tüpüne bazen "safra kanalı" da denir.)

弗莱明发明的2极管

Fleming diyotunun yapısı aslında çok basittir, yani vakumlu bir cam ampulde iki kutup doldurulmuştur: ısıtıldığında elektron (katot ışınları) yayan bir katot (katot); Elektronları alan bir anot.

 

旁热式2极管

Cam tüpteki vakumun nedeni, elektronların normal akışını etkileyecek ve karakteristik eğriyi bozacak gazların iyonlaşmasını önlemektir. (Vakum içine pompalamak aynı zamanda filamanın oksidasyon kaybını da etkili bir şekilde azaltabilir.)

Transistör

Tespit ve düzeltme ihtiyacını çözen diyotların ortaya çıkışı o zamanlar büyük bir atılımdı. Ancak geliştirilmeye açık bir alanı var.

 

德福雷斯特

1906'da Amerikalı bilim adamı De Forest Lee (De Forest Lee), vakum diyot elektron tüpüne akıllıca bir ızgara plakası ("kapı") ekleyerek vakum triyot elektron tüpünü icat etti.

德·福雷斯特发明的3极管

Kapı eklendiğinde kapının voltajı pozitif olduğunda katottan daha fazla elektron çeker. Elektronların çoğu geçitten geçerek anoda ulaşır, bu da anottaki akımı büyük ölçüde artıracaktır. Eğer kapıdaki voltaj negatif ise, katottaki elektronların bırakın anodu, kapıya bile gidecek gücü yoktur.

Kapıdaki akımdaki küçük bir değişiklik, anottaki akımda büyük bir değişikliğe neden olabilir. Üstelik değişen dalga şekli geçit akımıyla tamamen aynıdır. Bu nedenle transistörün sinyal amplifikasyonu etkisi vardır.

 

İlk başta, triyot tek bir ızgaraydı, daha sonra iki panelin birbirine sıkıştırıldığı çift bir ızgaraya dönüştü ve daha sonra tamamen kapalı bir ızgaraya dönüştü.

 

围栅

Vakum triyotunun doğuşu elektronik endüstrisi alanında bir dönüm noktasıdır.

Bu küçük bileşen, elektriği kontrol etmek için elektrik kullanımını gerçekten gerçekleştiriyor (geçmişte, düşük frekans, kısa ömür ve kolay hasar sorunları olan mekanik anahtarlarla kontrol ediliyordu) ve "büyük akımı" kontrol etmek için "küçük akım" kullanılıyordu ".

Bu küçük bileşen, elektriği kontrol etmek için elektrik kullanımını gerçekten gerçekleştiriyor (geçmişte, düşük frekans, kısa ömür ve kolay hasar sorunları olan mekanik anahtarlarla kontrol ediliyordu) ve "büyük akımı" kontrol etmek için "küçük akım" kullanılıyordu ".

Buna dayanarak, giderek daha güçlü hale gelen radyo istasyonlarımız, radyolarımız, fonograflarımız, filmlerimiz, radyolarımız, radarlarımız, radyo dahili telefonlarımız vb. var. Bu ürünlerin yaygın popülaritesi insanların günlük yaşamlarını değiştirdi ve sosyal ilerlemeyi destekledi.

真空管

1919'da Alman Schottky, kapı ile pozitif direk arasına bir perde kapısı ekleme fikrini önerdi. Bu fikir 1926 yılında İngiltere'de Lande tarafından gerçekleştirildi. Bu, dörtlü haline geldi. Daha sonra Hollandalı Holst ve Telegen pentodu icat etti.

20. yüzyılın 40'lı yıllarında bilgisayar teknolojisi araştırmaları doruğa ulaştı. Elektron tüplerinin tek yönlü iletkenliğinin bazı mantık devrelerini (örneğin kapı devreleri veya kapı devreleri) tasarlamak için kullanılabileceği bulunmuştur.

Böylece elektron tüplerini bilgisayar alanına sokmaya başladılar. O zamanlar, (18'den fazla000 tüp kullanan) ENIAC da dahil olmak üzere neredeyse tüm elektronik bilgisayarlar tüpleri temel alıyordu.

 

埃尼阿克

Burada kısaca kapı devresinden bahsedeceğiz. Hesaplamanın temellerini öğrendiğimizde, XOR, aynı veya DEĞİL veya değil gibi temel mantıksal işlemleri öğrenmiş olmalıyız.

Bilgisayarlar yalnızca 0'leri ve 1'leri tanır. Hesaplamalarını bu mantıksal işlem kurallarına göre yapar. Örneğin, ikili sistemde 2+1 0010+0001'tır ve "XOR işlemi" yapmak 0011'e yani 3'e eşittir.

Yukarıdaki mantık kapısı fonksiyonlarını uygulayan devre, mantık kapısı devresidir. Öte yandan, tek iletkenli bir elektron tüpü (vakum tüpü) çeşitli mantık kapısı devrelerine monte edilebilir. Örneğin, aşağıdaki "OR Kapısı" ve "AND Kapısı".

A, B girdilerdir ve F çıktıdır

█ transistörler

Elektron tüplerinin hızla geliştirilmesi ve uygulanmasıyla birlikte, insanlar yavaş yavaş bu ürünün bazı dezavantajlarının olduğunu fark ettiler:

Bir yandan tüpün kırılması kolaydır ve arıza oranı yüksektir; Öte yandan tüpün ısıtılması gerekiyor ve ısı üretimi için çok fazla enerji israf ediliyor, bu da son derece yüksek güç tüketimini de beraberinde getiriyor.

Böylece insanlar sinyali tespit etmenin, düzeltmenin ve güçlendirmenin daha iyi bir yolu olup olmadığını düşünmeye başladı. Elbette bunun yolları var. Şu anda harika bir malzeme ortaya çıkmak üzere ve o da yarı iletkenler.

 

Yarı iletkenlerin tohumu

Zamanda geriye, 18. yüzyıla gidelim. 1782'de ünlü İtalyan fizikçi Alessandro Volta (Alessandro Volta), katı maddenin kabaca üç türe ayrılabileceğini buldu:

Birincisi, altın, gümüş, bakır, demir vb. metaller son derece iletkendir ve iletken olarak adlandırılır;

İkincisi, elektriği iletmesi kolay olmayan ahşap, cam, seramik, mika vb. malzemelere yalıtkan denir;

Üçüncüsü, iletken ile yalıtkan arasında, yavaşça boşalır.

Üçüncü malzemenin tuhaf özellikleri ise Volt tarafından "yarı iletken özellikler" anlamına gelen "Yarı İletken Doğa" olarak adlandırılıyor. Bu, insanlık tarihinde "yarı iletken" teriminin ilk kez ortaya çıkışıdır.

 

亚历山德罗·伏特

Daha sonra bazı bilim insanları kasıtlı veya kasıtsız olarak bazı yarı iletken özellikler keşfettiler. Örneğin 1833 yılında Michael Faraday, gümüş sülfürün sıcaklığı arttığında direncinin azaldığını (yarı iletkenlerin ısıya duyarlı özelliği) keşfetti.

1839'da Fransız bilim adamı Alexandre Edmond Becquerel, ışığın belirli malzemelerin iki ucu arasında potansiyel bir farka (yarı iletkenlerin fotovoltaik etkisi) neden olabileceğini keşfetti.

1873 yılında Willoughby Smith, selenyum malzemelerinin iletkenliğinin ışığa maruz kaldığında arttığını keşfetti (yarı iletkenlerin fotoiletken etkisi).

Bu olguları o dönemde kimse açıklayamamıştı ve fazla ilgi görmemişti.

1874 yılında Alman bilim adamı Karl Ferdinand Braun, doğal cevherlerdeki (metal sülfürler) elektrik akımının tek yönlü iletim özelliklerini keşfetti. Bu çok büyük bir kilometre taşıdır.

 

卡尔·布劳恩

1906 yılında, Amerikalı mühendis Greenleaf Whittier Pickard, kalmer cevheri kristalini temel alarak, "kedi bıyık dedektörü" olarak da bilinen ünlü kristal dedektörü icat etti (jeofonun üzerinde kedi bıyıklarına benzer bir prob bulunur, dolayısıyla adı da buradan gelir). ).

 

矿石检波器

Cevher jeofonu insanlığın en eski yarı iletken cihazıdır. Görünüşü yarı iletken malzemelerin "küçük bir testidir". Bazı eksiklikleri olmasına rağmen (kötü kalite kontrolü, cevherin yüksek saflıkta olmaması nedeniyle istikrarsız çalışma), elektronik teknolojisinin gelişimine güçlü bir ivme kazandırdı. O dönemde cevher jeofonlarına dayanan radyo alıcıları, yayıncılığın ve kablosuz telgrafın yaygınlaşmasına katkıda bulundu.

 

Bant teorisinin ortaya çıkışı

İnsanlar cevher jeofonlarını kullanıyor ama nasıl çalıştıklarını asla anlamıyorlar. O günden bu yana geçen 30 yılı aşkın süre boyunca bilim insanları, yarı iletken malzemelerin neden var olduğunu defalarca sordular. Tek yönlü iletim için neden yarı iletken malzemeler kullanılabilir?

İlk günlerde birçok kişi yarı iletken malzemelerin gerçekten var olduğundan bile şüphe ediyordu. Ünlü fizikçi Pauli bir keresinde şöyle demişti: "İnsanlar yarı iletkenler üzerinde çalışmamalı, bu kirli bir karmaşa ve yarı iletkenlerin olup olmadığını kim bilebilir?" "

Daha sonra kuantum mekaniğinin doğuşu ve gelişmesiyle birlikte yarı iletkenlerin teorik araştırmalarında nihayet bir atılım gerçekleşti.

1928 yılında, Alman fizikçi ve kuantum mekaniğinin kurucularından biri olan Max Karl Ernst Ludwig Planck, metallerin iletimini incelemek için kuantum mekaniğinin uygulanmasında ilk olarak katı enerji bantları teorisini önerdi.

 

量子理论之父,普朗克

Harici bir elektrik alanının etkisi altında, yarı iletken iletkenliğin "deliklerin" katılımıyla iletkenliğe (yani P tipi iletim) ve elektron katılımıyla iletkenliğe (yani N tipi iletkenliğe) bölündüğüne inanıyor. Yarı iletkenlerin egzotik özelliklerinin birçoğu hem "delikler" hem de elektronlar tarafından belirlenir. Daha sonra bant teorisi iletkenler, yalıtkanlar ve yarı iletkenler arasındaki temel farkları sistematik olarak açıklamak için daha da geliştirildi. Bant teorisine kısaca bir göz atalım. Ortaokul fiziğinde öğrendiğiniz gibi nesneler moleküllerden, atomlardan oluşur ve atomun dış kabuğu bir elektrondur. Katı bir cismin atomları birbirine yakın olduğunda elektronlar birbirine karışır. Kuantum mekaniği, elektronların tek bir yörüngede kalamayacağına ve "çarpışacağına" inanıyor. Sonuç olarak yörünge birkaç ince parçaya bölündü. Kuantum mekaniğinde bu ince yörüngeye enerji düzeyi denir. Birden fazla ince izin bir araya gelmesiyle oluşan geniş yörüngeye enerji bandı adı veriliyor. Bu iki banttan alttaki değerlik bandı, üstteki bant iletim bandı ve ortadaki bant ise yasak banttır. Değerlik bandı ile iletim bandı arasında yasak bant bulunur. Yasak bandın mesafesi yani bant aralığı (enerji bant aralığı).

Elektronlar geniş bir yörüngede hareket eder ve makroskobik olarak iletkendir. Elektronlar çok fazla, kalabalıklar, hareket edemiyorlar ve makroskobik olarak iletken değiller. Bazı tam yörüngeler ile boş yörüngeler birbirine çok yakındır ve elektronlar tam yörüngelerden boş yörüngelere kolaylıkla koşarak serbestçe hareket edebilirler, buna iletken denir. İki yörünge birbirinden çok uzak, boşluk çok büyük, elektronlar geçemiyor ve elektriği iletmenin bir yolu yok. Ancak dış dünyadan bir enerji eklerseniz bu durumu değiştirebilirsiniz.

Bant aralığı 5 elektron volt (5 EV) dahilindeyse elektrona ekstra bir enerji eklenir ve elektron sıçramayı tamamlayıp serbestçe hareket edebilir, yani iletim yapabilir. Bu yarı iletkenlere aittir. (Bant aralığı silikon için yaklaşık 1,12 eV ve germanyum için 0,67 eV'dir.) Bant aralığı 5 elektron voltu (5EV) aşarsa, elektronlar normalde bunu geçemez ve bu bir yalıtkandır. (Dış dünya çok fazla enerji katıyorsa, zorla geçmişi geçmesine de yardımcı olabilir.) Örneğin hava, hava bir yalıtkandır, ancak yüksek voltajlı elektrik de havayı kırıp bir elektrik akımı oluşturabilir. Şu anda sıklıkla duyduğumuz "geniş bant aralıklı yarı iletken"in, silisyum karbür (SiC), galyum nitrür (GaN), çinko oksit (ZnO), elmas, alüminyum nitrür (AlN) dahil olmak üzere üçüncü nesil yarı iletken malzemeler olduğunu belirtmekte fayda var. ), vesaire.

Their advantages are large bandgap width (>2.2EV), yüksek arızalı elektrik alanı, yüksek termal iletkenlik, güçlü anti-radyasyon yeteneği, yüksek ışık verimliliği, yüksek frekans, yüksek sıcaklık, yüksek frekans, radyasyon direnci ve yüksek güçlü cihazlar için kullanılabilir, endüstrinin yönüdür mevcut güçlü gelişme. Daha önce elektronlardan ve deliklerden bahsetmiştik. Yarı iletkenlerde iki tip taşıyıcı vardır: serbest elektronlar ve delikler. Serbest elektronlar herkese tanıdık geliyor, delik nedir?

Delikler aynı zamanda elektron delikleri olarak da bilinir. Oda sıcaklığında, termal hareket nedeniyle, değerlik bandının tepesindeki az sayıda enerjik elektron, bandı geçerek iletim bandına doğru hareket edebilir ve "serbest elektronlar" haline gelebilir. Elektronlar hareket ettikten sonra geride bir "delik" kalır. Yükseltilmeyen elektronların geri kalanı bu "deliğe" girebilir ve bir elektrik akımı üretebilir. Deliğin kendisinin hareketsiz olduğu, ancak "deliğin doldurulması" işleminin pozitif bir elektrik akışı etkisi yarattığı, dolayısıyla bir taşıyıcı olarak da kabul edildiği unutulmamalıdır.

1931'de Charles Thomson Wilson, bant teorisine dayanan fiziksel bir yarı iletken modeli önerdi. 1939'da Sovyet fizikçi AS Davydov (AS Давыдов), İngiliz fizikçi Nevill Francis Mott (Nevill Francis Mott) ve Alman fizikçi Walter Hermann Schottky (Walter Hermann Schottky) yarı iletkenlerin temel teorisine katkıda bulundular. Davydov, yarı iletkenlerde birkaç taşıyıcının rolünü fark eden ilk kişiydi; Schottky ve Mott ise ünlü "difüzyon teorisini" geliştirdi. Bu büyük adamların katkılarına dayanarak yarı iletkenlerin temel teorisinin temeli yavaş yavaş atıldı.

 

Transistörün doğuşu

Cevher jeofonunun ortaya çıkmasından sonra bilim adamları, jeofonun performansının cevherin saflığı ile büyük bir ilişkisi olduğunu buldular. Cevherin saflığı ne kadar yüksek olursa jeofon o kadar iyi performans gösterir. Bu nedenle birçok bilim adamı cevher malzemeleri (kurşun sülfür, bakır sülfür, bakır oksit vb.) üzerinde saflaştırma araştırmaları yapmış ve saflaştırma süreci sürekli olarak iyileştirilmiştir.

20. yüzyılın 30'lu yıllarında Bell Laboratuvarlarında bilim adamı olan Russell Shoemaker Ohl, saflaştırılmış kristal malzemelerden yapılmış bir jeofonun elektron diyotunun tamamen yerini alacağını öne sürdü. (Biliyorsunuz o dönemde tüp mutlak bir pazar hakimiyetindeydi.)

 

罗素·奥尔,他还是现代太阳能电池之父

100'den fazla malzemeyi tek tek test ettikten sonra jeofonlar için en ideal malzemenin silikon kristalleri olduğuna karar verdi. Vardığı sonuçları test etmek için meslektaşı Jack Scaff'ın yardımıyla yüksek saflıkta silikon kristal füzyonunu geliştirdi. Bell Laboratuvarları silikon kristallerini kesme yeteneğine sahip olmadığından Orr, füzyonu farklı boyutlarda kristal numuneleri halinde kesmesi için bir kuyumcuya gönderdi. Beklenmedik bir şekilde, numunelerden biri aydınlatma sonrasında Orr'un sırasıyla P ve N bölgeleri olarak adlandırdığı bir ucunda pozitif elektrot, diğer ucunda ise negatif elektrot gibi davrandı. Bu şekilde Orr dünyanın ilk yarı iletken PN bağlantısını (P-N bağlantısı) icat etti. İkinci Dünya Savaşı sırasında, AT&T'nin bir yan kuruluşu olan Western Electric, saflaştırılmış yarı iletken kristallere dayalı bir dizi silikon kristal diyot üretti. Bu diyotların küçük boyutu ve düşük arıza oranı, Müttefik radar sistemlerinin performansını ve güvenilirliğini büyük ölçüde artırdı. Orr'un PN bağlantısını icat etmesi ve silikon kristal diyotların mükemmel performansı, Bell Laboratuvarlarının transistör teknolojisini geliştirme konusundaki kararlılığını güçlendirdi. 1945 yılında Bell Laboratuvarlarından William Shockley, Russell Orr ile iletişim kurduktan sonra bant teorisine dayalı olarak P-tipi ve N-tipi yarı iletkenlerin bant diyagramını çizdi ve bu temelde "alan etkisi hipotezi"ni öne sürdü.

.

肖克利的场效应设想

100'den fazla malzemeyi tek tek test ettikten sonra jeofonlar için en ideal malzemenin silikon kristalleri olduğuna karar verdi. Vardığı sonuçları test etmek için meslektaşı Jack Scaff'ın yardımıyla yüksek saflıkta silikon kristal füzyonunu geliştirdi. Bell Laboratuvarları silikon kristallerini kesme yeteneğine sahip olmadığından Orr, füzyonu farklı boyutlarda kristal numuneleri halinde kesmesi için bir kuyumcuya gönderdi. Silikon levhanın iç yükünün serbestçe hareket edebileceğini ve eğer levha yeterince inceyse, uygulanan voltajın etkisi altında silikon levhadaki elektronların veya deliklerin yüzeyde ortaya çıkacağını ve silikon levhanın iletkenliğini büyük ölçüde artıracağını varsaydı. Böylece akım amplifikasyonunun etkisi elde edilir. Bu vizyona dayanarak, 23 Aralık 1947'de Bell Laboratuvarlarından John Bardeen ve Walter Bratton dünyanın ilk yarı iletken triyot amplifikatörünü inşa etti. Yani şu çok garip ve eski püskü görünüşlü şey:

世界上第一个晶体管(基于锗半导体)

晶体管的电路模型

Deney kayıtlarına göre bu transistör "100 gerilim kazancı, 40 güç kazancı ve 1/2,5 akım kaybı..." elde edebiliyor ki bu çok iyi bir rakam.

Bardeen ve Bratton, bunu adlandırırken, cihazın sinyalleri yükseltme yeteneğinin direnç dönüştürme özelliklerinden kaynaklandığını, yani sinyalin "düşük dirençli bir girişten" "yüksek dirençli bir çıkışa" gittiğini savunuyor. Bu yüzden buna trans-direnç adını verdiler. Daha sonra transistör olarak kısaltıldı.

Yıllar sonra, Çin'de ünlü bir bilim adamı olan Qian Xuesen, Çince çeviri adını şu şekilde belirledi: transistör.

Yarı iletken özelliklerinin elektriği iletebilme (dış etkenlere bağlı) özel bir yeteneği olduğunu özetledim. Yarı iletken özelliklere sahip malzemelere yarı iletken malzemeler denir. Silikon ve germanyum tipik yarı iletken malzemelerdir.

Mikroskobik açıdan belirli yasalara göre düzenli bir şekilde dizilen maddelere kristal denir. Silikon kristalleri monokristalin, polikristalin, amorf kristalin ve diğer formlara sahiptir.

Kristal morfolojisi bant yapısını belirler ve bant yapısı elektriksel özellikleri belirler. Bu nedenle yarı iletken malzemeler olarak silikon (germanyum) kristalleri çok büyük uygulama değerine sahiptir. Diyotlar, triyotlar ve dörtlüler fonksiyonlarına göre adlandırılır. Prensip olarak elektron tüpleri (vakum tüpleri) ve transistörler (silikon transistörler, germanyum transistörler) olarak adlandırılır. Bardeen ve Bratton tarafından icat edilen transistörün aslında nokta temaslı transistör olarak adlandırılması gerekir. Aşağıdaki resimde görebileceğiniz gibi, bu tasarım çok ilkel. Amplifikasyon fonksiyonunu sağlamasına rağmen yapısal olarak kırılgandır, dış titreşimlere karşı hassastır ve imalatı kolay olmadığından ticari olarak kullanılma özelliği yoktur.

 

Shockley bu kusuru gördü ve yeni bir transistör tasarımı üzerinde çalışmaya başladı.

23 Ocak 1948'de, bir aydan fazla süren yoğun çalışmanın ardından Shockley, üç katmanlı yapıya sahip yeni bir transistör modeli önerdi ve buna Bağlantı Transistörü adını verdi.

肖克利的结式晶体管设计

Shockley'in son ürünü yapmasına yardımcı olanlar Morgan Sparks ve Gordon Kidd Teal'dı. Bu Gordon Thiel'den özel olarak bahsetmek gerekiyor. Poli'nin monokristal yarı iletkenlerle değiştirilmesinin önemli performans kazanımlarına yol açabileceğini buldu. Üstelik tek metal kristallerini saflaştırmak için Düz çekme yönteminin kullanılabileceğini keşfeden de oydu. Bu yöntem o zamandan beri kullanılmaktadır ve yarı iletken endüstrisinde en baskın tek kristal üretim yöntemidir. Transistörlerin doğuşu, insan bilimi ve teknolojisinin gelişimi açısından büyük önem taşıyor. Elektron tüplerinin yeteneğine sahiptir, ancak büyük hacim, yüksek enerji tüketimi, küçük büyütme, kısa ömür ve elektron tüplerinin yüksek maliyeti gibi tüm eksikliklerin üstesinden gelir. Doğduğu andan itibaren tüpün tamamen değiştirilmesine karar verildi.

 

正在生产晶体管的工人

Kablosuz iletişim alanında, elektron tüpleri gibi transistörler elektromanyetik dalgaları yayabilir, algılayabilir ve güçlendirebilir. Dijital devreler alanında, transistörler mantık devrelerini uygulamaya daha uygun olabilir. Elektronik endüstrisinin yükselişi için sağlam bir temel oluşturdu.

 

Daha sonra transistör ailesi büyüdü

█entegre devre

Transistörlerin ortaya çıkışı elektrik devrelerinin minyatürleştirilmesini mümkün kıldı.

1952'de Birleşik Krallık'taki Kraliyet Radar Araştırma Enstitüsü'nde tanınmış bir bilim adamı olan Geoffrey Dummer bir konferansta şunları kaydetti:

"Transistörlerin ortaya çıkışı ve yarı iletkenlerle ilgili kapsamlı çalışmalarla birlikte, geleceğin elektronik cihazının bağlantı telleri olmayan sağlam bir bileşen olduğu artık akla yatkın görünüyor."

Ağustos 1958'de Texas Instruments'ın yeni bir çalışanı olan Kilby, birçok cihazdan oluşan küçük devrelerin tek bir levha üzerinde üretilebileceğini keşfetti. Başka bir deyişle, silikon levhalar üzerine farklı elektronik cihazlar (örneğin dirençler, kapasitörler, diyotlar ve transistörler) yapılabilir ve ince tellerle bağlanabilir.

Kısa bir süre sonra, 12 Eylül'de Kilby, kendi fikirlerine dayanarak 7/16 inç uzunluğunda ve 1/16 inç genişliğinde bir germanyum çip devresi üretmeyi başardı; bu aynı zamanda dünyanın ilk entegre devresiydi.

 

Bu devre, RC geri beslemeli tek bir transistörlü osilatördür ve her şey çok ilkel görünen cam slayta yapıştırılmıştır. Devrenin cihazları dağınık ince tellerle bağlanır. Kilby'nin entegre devreyi icat ettiği sırada başka bir kişi de bu alanda bir atılım yaptı. Bu kişi Fairchild Semiconductor'dan (daha sonra Intel'i kuracak olan) Robert Norton Noyce'di. Fairchild, yarı iletken teknolojisinde güçlü bir güce sahip olan, Silikon Vadisi'ndeki "Sekiz Hainler" (bkz.: The Legend of Fairchild) tarafından ortaklaşa kurulan bir şirkettir. "Sekiz Hain"den biri olan Jean Hoerni, çok önemli Planlayıcı Sürecini icat etti. Bu işlemde, silikon levhaya yalıtım katmanı olarak bir silikon oksit tabakası eklenir. Daha sonra bu yalıtkan silikon oksit tabakasında bir delik açılır ve silikon difüzyon teknolojisiyle yapılmış cihazlar bir alüminyum filmle bağlanır. Düzlemsel sürecin doğuşu, Fairchild'in son derece küçük boyutlarda yüksek performanslı silikon kristal transistörler üretmesini sağladı ve aynı zamanda cihazların entegre devrelere bağlanmasını mümkün kıldı. 23 Ocak 1959'da Noyce çalışma notlarında şunları yazdı: "Aynı silikon plaka üzerinde çeşitli cihazlar üretip bunları düzlemsel bir süreç kullanarak birbirine bağlayarak, çok işlevli elektronik devreler oluşturmak mümkündür. Bu teknoloji, cihazların boyutunu ve ağırlığını azaltabilir. Devreyi ve maliyeti düşürün."

 

诺伊斯

Kilby'nin entegre devre için patent başvurusunda bulunduğunu öğrenen Noyce çok pişman oldu ve bir adım geç kaldığına inanıyordu. Ancak çok geçmeden Kilby'nin icadının kusurlu olduğunu keşfetti. Kilby'nin entegre devreleri, seri üretilemeyen ve pratik değeri olmayan uçan kablolarla birbirine bağlı. Neuss'un vizyonu, bir elektronik cihazın tüm devrelerinin ve bileşenlerinin negatif plakasını oluşturmak ve ardından bunu silikon bir plaka üzerine kazımaktı. Bu silikon plaka gravürlendikten sonra tüm devreyi oluşturur ve doğrudan ürünü monte etmek için kullanılabilir. Ayrıca metalin buharlaşarak birikmesi, sıcak kaynaklı tellerin yerini alabilir ve uçuşan telleri tamamen ortadan kaldırabilir.

 

Fairchild'in silikon kristal entegre devresi

30 Temmuz 1959'da Neuss kendi fikirlerine dayanarak bir patent başvurusunda bulundu: "Yarı iletken cihaz - tel yapısı". Açıkçası Neuss'un icadı modern anlamda entegre devrelere daha yakın. Neuss'un tasarımı silikon bazlı düzlemsel bir prosese dayanırken, Kilbi'nin tasarımı germanyum bazlı bir difüzyon prosesine dayanıyor. Fairchild'in silikon işleminin avantajlarından yararlanan Neuss, Kirby'den gerçekten daha gelişmiş devreler yaptı. 1966'da mahkeme nihayet Kilby'ye entegre devre fikrinin (hibrit entegre devre) icadına ve bugün kullanımda olan bir çip içine paketlenmiş bir entegre devrenin (kelimenin tam anlamıyla bir entegre devre) icat edilmesine izin verdi. üretim sürecinin icadının yanı sıra. Kilby "ilk entegre devrenin mucidi" olarak bilinirken, Noyce "endüstriyel üretime uygun entegre devreler teorisini ortaya atan" kişiydi. Mart 1960'ta Texas Instruments, Jack'in bunu bildirdi. Kilby'nin tasarımı, dünyanın ilk ticarileştirilmiş entegre devre ürününü, 450 dolara satılan 502 silikon çift durumlu çok rezonanslı ikili flip-flop'u resmi olarak piyasaya sürdü. Ünlü Apollo aya iniş programı milyonlarca entegre devre satın alarak Texas Instruments ve Fairchild'e çok para kazandırdı. Havacılık pazarının başarısı sivil pazarın da genişlemesine yol açtı. 1964 yılında Zenith, işitme cihazlarında entegre devreleri kullandı; bu, entegre devrelerin sivil alana ilk çıkışı oldu. Bundan sonraki hikayeyi herkesin bilmesi gerekir. Malzemelerin, süreçlerin ve süreçlerin ortak çabaları ile entegre devrelerdeki transistör sayısı artmaya devam ediyor, performans artmaya devam ediyor, maliyet giderek düşüyor ve Moore Yasası dönemine girdik.

Moore Yasası: Bir entegre devreye sığabilecek transistör sayısı yaklaşık olarak her 18 ayda bir iki katına çıkar ve performans da iki katına çıkar. Entegre devrelere dayanan büyük ve ultra büyük ölçekli entegre devrelerin geliştirilmesi, yarı iletken depolama ve mikroişlemcilerin ortaya çıkmasının önünü açmıştır. 1970 yılında Intel, dünyanın ilk DRAM (Dinamik Rastgele Erişim Belleği) entegre devresi olan 1103'ü piyasaya sürdü. Ertesi yıl, birleştiriciler ve denetleyiciler içeren dünyanın ilk programlanabilir çipi olan Intel 4004'ü piyasaya sürdü. Bilişim teknolojisinin altın çağı resmen başladı.

█ Transistörlerin evrimi

Geriye dönüp transistörler hakkında tekrar konuşalım. Transistörlerin ortaya çıkışından bu yana formlarında birçok büyük değişiklik oldu. Özetle, esas olarak iki kutupludan tek kutupluya doğru. Tek kutuplu tip durumunda FET'ten MOSFET'e. Yapısal açıdan PlanarFET'ten FinFET'e ve GAAFET'e kadardır.

 

İki kutuplu, tek kutuplu

Shockley tarafından 1948'de icat edilen bağlantı transistörüne iki kutuplu bağlantı transistörü (BJT) adı verilir çünkü elektrik iletimine katılmak için delikler ve elektronlar olmak üzere iki taşıyıcı kullanır.

BJT transistörleri iki konfigürasyonda mevcuttur: NPN ve PNP:

Görebildiğimiz gibi, bir BJT transistörü yarı iletken bir alt tabaka üzerinde birbirine çok yakın olan iki PN bağlantısı yapar. İki PN bağlantısı tüm yarı iletkeni üç parçaya böler; orta kısım tabandır ve iki taraf da verici ve toplayıcıdır. BJT transistörlerin çalışma prensibi daha karmaşıktır ve günümüzde nadiren kullanılmaktadır, bu nedenle yer kapladığı için bu konuya girmeyeceğim. Temelde, bu transistörün ana işlevi, tabandaki küçük bir akım değişikliği yoluyla toplayıcının, yükseltici bir etkiye sahip olan büyük bir akım değişikliği üretmesini sağlamaktır. Yazar daha önce mantık devrelerinden bahsetmişti. Bir diyot ve bir BJT transistörün birleşimidir ve DTL (Diyot-Transistör Mantığı) devresi olarak adlandırılır. Daha sonra TTL (Transistör-Transistör Mantığı) devreleri tamamen transistörlerden yapıldı. BJT transistörlerin avantajları yüksek çalışma frekansları ve güçlü sürüş kabiliyetleridir. Ancak yüksek güç tüketimi ve düşük entegrasyon gibi dezavantajları da vardır. Üretim süreci de daha karmaşıktır ve düz teknolojinin kullanımının bazı sakıncaları vardır. Sonuç olarak zamanla Alan Etkili Transistör (FET) olarak bilinen yeni bir transistör türü ortaya çıkmaya başladı. 1953 yılında Bell Laboratuarlarından Ian Ross ve George Dacey, dünyanın ilk kavşak alan etkili transistörünün (JFET) prototipini üretmek için işbirliği yaptı.

JFET(结型场效应晶体管),此为N沟道

JFET, kaynak, drenaj ve geçit dahil olmak üzere üç kutuplu (üç terminalli) yapıya sahip yarı iletken bir cihazdır. JFET'ler N-kanallı (N-kanallı) JFET'lere ve P-kanallı (P-Kanallı) JFET'lere bölünmüştür. Birincisi, her iki tarafında iki P tipi yarı iletken bulunan N şeklinde bir yarı iletkendir (yukarıdaki resimde gösterildiği gibi). İkincisi, her iki tarafında iki N tipi yarı iletken bulunan P şeklinde bir yarı iletkendir. JFET'in çalışma prensibi basitçe kapı ve kanal arasındaki PN bağlantısını ve dolayısıyla tükenme katmanını, kapı G ile kaynak S arasındaki voltajı (şekilde VGS) ve drenaj D ile kaynak S arasındaki voltajı kontrol ederek kontrol etmektir. (Şekilde VDS). Tükenme katmanı ne kadar geniş olursa, kanal o kadar dar olur ve kanal direnci ne kadar büyük olursa, geçebilecek drenaj akımı (diyagramdaki ID) o kadar küçük olur. Kanalın tamamen tükenme katmanı tarafından kaplandığı duruma sıkışma durumu denir. Bir JFET transistörü çalıştığında yalnızca tek tip bir taşıyıcıya ihtiyaç duyar, dolayısıyla buna tek kutuplu transistör adı verilir. 1959'da ünlü MOSFET (Metal-Oksit-Yarıiletken FET) olan yeni bir transistör türü doğdu. Mısır kökenli bir bilim adamı olan Mohamed Atala (adı Martin Atala olarak değiştirildi) ve Kore kökenli bir bilim adamı olan Dawon Kahng tarafından icat edildi.

MOSFET ayrıca kaynak, drenaj ve kapıdan oluşur. "MOS"taki "M", kapının orijinal olarak metal kullanılarak yapıldığı anlamına gelir. "O", geçit ve alt tabakanın oksit kullanılarak izole edildiği anlamına gelir. "S", MOSFET'in bir bütün olarak yarı iletken tarafından uygulandığı anlamına gelir.

IGFET (In-sulated Gate FET, yalıtımlı geçit alan etkili transistör) olarak da bilinen MOSFET transistörü.

MOSFET(N)

Bu MOSFET transistörü de iki türe ayrılmıştır: "N tipi" ve "P tipi", yani NMOS ve PMOS. Operasyon türüne göre gelişmiş ve tükenmiş olarak da ayrılır. Örnek olarak yukarıdaki şekildeki N tipi MOS'u (daha yaygın olarak kullanılır) alın. Substrat olarak P tipi silikon yarı iletken malzeme kullanılmış, yüzeye iki adet N tipi bölge dağıtılmış ve daha sonra üzerine silikon dioksit (SiO2) yalıtım katmanı kaplanmıştır. Son olarak N bölgesinin üzerinde korozyon nedeniyle iki delik açıldı. Yalıtım katmanı üzerinde ve metalizasyon yoluyla iki delikte üç elektrot yapılır: G (geçit), S (kaynak) ve D (drenaj). P tipi silikon alt tabakanın S kaynağına bir kurşunla bağlanan bir terminali (B) vardır. Bir MOSFET'in çalışma prensibi nispeten basittir: Normalde, taşıyıcıların doğal rekombinasyonu nedeniyle N bölgesi ile P substratı arasında nötr bir tükenme bölgesi oluşur.

Geçide ileri voltaj verildikten sonra, P bölgesindeki elektronlar, kapının silikon oksidi altında elektrik alanının etkisi altında birikecek ve elektronların çok sayıda alton olduğu bir bölge, yani bir kanal oluşturacaktır.

Şimdi, eğer drenaj ile kaynak arasına bir voltaj uygulanırsa, akım kaynak ile drenaj arasında serbestçe akacak ve bir iletim durumuna ulaşacaktır.

G Kapısı voltajı kontrol eden bir kapı gibidir, G kapısına voltaj uygulandığında kapı açılır ve akım S kaynağından D drenajına gider. Kapıdaki voltaj kesildiğinde kapı kapanır ve akım geçemez .

Özellikle, Jiang Dayuan'ın 1967'de Çinli bilim adamı Shi Min ile işbirliği yaparak yarı iletken depolama teknolojisinin temelini atan "yüzen kapı" FGMOS (Yüzer Kapı MOSFET) yapısını ortaklaşa icat ettiğini belirtmek gerekir. Daha sonra tüm flash bellekler, FLASH, EEPROM vb. bu teknolojiye dayanıyordu.

BJT, JFET, MOSFET yeni tanıtıldı, önce bir diyagram çizeceğim, kafanızı karıştırmayın:

1963'te Fairchild Semiconductor'dan Frank Semiconductor. Frank Wanlass ve Chih-Tang Sah (Çin kökenli) ilk olarak CMOS transistörünü önerdiler. PMOS'u NMOS transistörleriyle birleştirirler ve bunları neredeyse hiç hareketsiz akım olmadan tamamlayıcı yapılara bağlarlar. Bu aynı zamanda CMOS transistörlerinin "C" (Tamamlayıcı) kökeninin de kaynağıdır.

CMOS'un en büyük özelliği güç tüketiminin diğer transistör türlerine göre çok daha düşük olmasıdır. Moore Yasasının sürekli gelişmesiyle birlikte entegre devrelerdeki transistörlerin sayısı artıyor, bu da güç tüketimi gereksinimlerinin de artmasına neden oluyor. Düşük güç tüketimi özelliklerine dayanan CMOS, ana akım haline gelmeye başladı.

Günümüzde entegre devre çiplerinin %95'inden fazlası CMOS süreçlerine dayalı olarak üretilmektedir.

Başka bir deyişle, 1960'lı yıllardan bu yana transistörlerin temel mimari ilkeleri büyük ölçüde sonuçlandırılmıştır. CMOS, silikon (doğal silikon stoku germanyum stokunu çok aşar ve ısı direnci germanyumdan daha iyidir, dolayısıyla ana akım haline gelmiştir) ve düzlemsel teknoloji tarafından temsil edilen entegre devre ekolojisi, tüm endüstrinin hızlı gelişimini desteklemiştir. onlarca yıldır.

 

PlanarFET,FinFET,GAAFET

 

Temel mimari prensibi değişmese de formu değişti.

Entegre devreler sürekli olarak geliştirilmekte ve süreçler ve süreçler sürekli olarak gelişmektedir. Transistör sayısı belirli bir ölçeğe ulaştığında süreç, transistörleri geliştirme ihtiyaçlarını karşılamak için "deforme olmaya" zorlayacaktır. İlk günlerde, transistörler çoğunlukla düzlemsel transistörlerdi (PlanarFET'ler). Transistör küçüldükçe kapının uzunluğu giderek kısalır ve kaynak ile drenaj arasındaki mesafe birbirine yaklaşır. İşlem (yani genellikle 7nm ve 3nm dediğimiz, genellikle kapının genişliğini ifade eder) 20 nm'den az olduğunda sorun ortaya çıkar: MOSFET'in kapısının mevcut kanalı kapatması zordur, huzursuz elektronlar bunu yapamazlar. Engellenirse sızıntı olayı tekrar tekrar meydana gelir ve güç tüketimi de artar.

Bu sorunu çözmek için 1999 yılında Çinli Amerikalı bilim adamı Profesör Hu Zhengming resmi olarak FinFET'i icat etti. PlanarFET'in grafik tasarımıyla karşılaştırıldığında FinFET doğrudan 3 boyutlu bir tasarıma ve üç boyutlu bir yapıya dönüşmüştür. Mevcut kanalı, üç tarafı bir kapı sargısıyla sıkıştırılmış, balık yüzgeci gibi ince dikey bir dilim haline geliyor. Bu şekilde, kontrol kanalının verimliliğini artıran ve elektronların geçip geçemeyeceğini daha iyi kontrol edebilen nispeten güçlü bir elektrik alanı oluşur. Teknoloji gelişmeye devam ediyor ve 5 nm'ye ulaştığında FinFET'ler de çalışmayacak. O dönemde GAAFET (Wrap-Around Gate Teknolojisi Transistörü) vardı. GAAFET'in İngilizce tam adı Gate-All-Around FET'tir. FinFET'lerle karşılaştırıldığında GAAFET, kapıyı ve kanatlardan gelen drenajı, kapıdan dikey olarak geçen "küçük çubuklara" dönüştürür. Bu şekilde, üç ila dört kontak ve ayrıca birkaç dörtlü kontağa bölünerek akımın kapı kontrolü daha da geliştirilir. Güney Koreli Samsung ayrıca GAA'nın başka bir biçimi olan MBCFET'i (Çok Köprülü Kanal FET) de tasarladı. MBCFET, GAA'daki nanotelleri çok katmanlı nano tabakalarla değiştirir ve tabaka yapısının daha geniş genişliği, karmaşıklığı en aza indirirken tüm orijinal avantajları korurken temas yüzeyini artırır.

 

Şu anda sektördeki büyük çip şirketleri, gelecekte çip teknolojisinin gelişimini destekleyecek daha iyi yenilikler bulmak amacıyla transistörlerin form yükseltmesi konusunda hâlâ derinlemesine araştırmalar yapıyor.

█ Epilolog

Genel olarak ister elektron tüpü (vakum tüpü) ister transistör olsun, elektriği kontrol etmek için elektrik kullanan küçük bir bileşendir. Transistörler yarı iletken malzemelerden yapılmıştır, bu nedenle yeterince küçük yapılabilirler. Çiplerin (entegre devrelerin) "son derece küçük boyut, büyük yetenek" elde edebilmesinin nedeni budur. Yarı iletken malzemelerin özellikleri ve transistörlerin rolü çok basit görünüyor. İnsanın dijital teknolojisinin gelişimini destekleyen ve bizi dijital zeka çağına doğru iten şey, bu tür yüz milyonlarca basit "cihazdır".