Πώς λειτουργούν τα τσιπ ημιαγωγών;

0020-42285 PLATE,BLOCKER 8" EC WXZ

0010-35756 CVD Cooldown Chamber Assy

█ Σωλήνας κενού (σωλήνας ηλεκτρονίων)

Το φαινόμενο Edison

Το 1883, ο διάσημος εφευρέτης Τόμας Έντισον παρατήρησε ένα παράξενο φαινόμενο κατά τη διάρκεια ενός πειράματος. Εκείνη την εποχή, έκανε μια δοκιμή ζωής του νήματος (carbon fiament). Δίπλα στο νήμα, τοποθέτησε ένα χάλκινο σύρμα, αλλά το χάλκινο σύρμα δεν ήταν συνδεδεμένο σε κανένα από τα ηλεκτρόδια. Δηλαδή, το χάλκινο σύρμα δεν ενεργοποιείται.

Αφού ενεργοποιηθεί κανονικά το νήμα άνθρακα, αρχίζει να λάμπει και να θερμαίνεται. Μετά από λίγο, ο Έντισον διέκοψε την παροχή ρεύματος. Ανακάλυψε κατά λάθος ότι είχε δημιουργηθεί ηλεκτρικό ρεύμα και στο χάλκινο σύρμα.

Ο Έντισον δεν είχε τρόπο να εξηγήσει την αιτία αυτού του φαινομένου, αλλά, ως οξυδερκής «επιχειρηματίας», το πρώτο πράγμα που του ήρθε στο μυαλό ήταν να κατοχυρώσει με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας την ανακάλυψη. Ονόμασε επίσης αυτό το φαινόμενο «φαινόμενο Έντισον».

Τώρα γνωρίζουμε ότι η ουσία του «φαινόμενου Έντισον» είναι η εκπομπή θερμικών ηλεκτρονίων. Δηλαδή, όταν το νήμα θερμαίνεται, τα ηλεκτρόνια στην επιφάνεια ενεργοποιούνται και «διαφεύγουν», με αποτέλεσμα να συλλαμβάνονται από το μεταλλικό χάλκινο σύρμα, το οποίο δημιουργεί ηλεκτρικό ρεύμα.

Όταν ο Έντισον έκανε αίτηση για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας, δεν σκέφτηκε τη χρήση του εφέ και το έβαλε στο ράφι.

Το 1884, ο Άγγλος φυσικός John Ambrose Fleming επισκέφτηκε τις Ηνωμένες Πολιτείες για να συναντηθεί με τον Edison. Ο Έντισον έδειξε στον Φλέμινγκ το φαινόμενο Έντισον και έκανε μεγάλη εντύπωση στον Φλέμινγκ.

 

弗莱明

Δίοδος

Όταν ο Fleming χρησιμοποίησε αυτό το εφέ, ήταν περισσότερο από μια δεκαετία αργότερα. Το 1901, ο Guglielmo Marconi, ο εφευρέτης της ασύρματης τηλεγραφίας, ξεκίνησε πειράματα με ραδιοεπικοινωνία μεγάλης εμβέλειας στον Ατλαντικό. Ο Φλέμινγκ συμμετείχε στο πείραμα για να βοηθήσει με τον τρόπο βελτίωσης της λήψης ασύρματου σήματος. Για να το θέσω απλά, είναι να μελετήσουμε πώς να ανιχνεύσουμε το σήμα στο άκρο λήψης και να ενισχύσουμε το σήμα έτσι ώστε το σήμα να μπορεί να ερμηνευτεί τέλεια. 放大Όλοι καταλαβαίνουν το σήμα, άρα τι είναι ένα σήμα ανίχνευσης;

Η λεγόμενη ανίχνευση σήματος είναι στην πραγματικότητα έλεγχος σήματος. Το σήμα που λαμβάνει η κεραία είναι πολύ ακατάστατο και υπάρχουν όλων των ειδών τα σήματα. Τα σήματα που χρειαζόμαστε πραγματικά (σήματα καθορισμένης συχνότητας) που πρέπει να «φιλτράρονται» από αυτά τα ακατάστατα σήματα, και αυτό είναι η ανίχνευση.

Προκειμένου να επιτευχθεί ανίχνευση, η μονοκατευθυντική αγωγιμότητα (μονοκατευθυντική αγωγιμότητα) είναι το κλειδί. Τα ασύρματα μαγνητικά κύματα είναι ταλαντώσεις υψηλής συχνότητας, έως και εκατοντάδες χιλιάδες φορές το δευτερόλεπτο. Το επαγόμενο ρεύμα που δημιουργείται από το ασύρματο ηλεκτρομαγνητικό κύμα αλλάζει επίσης με το "θετικό, αρνητικό, θετικό, αρνητικό", εάν χρησιμοποιήσουμε αυτό το ρεύμα για να οδηγήσουμε το ακουστικό, ένα θετικό και ένα αρνητικό είναι μηδέν και το ακουστικό δεν θα μπορεί να αναγνωρίσει το σήμα.

Με μονοκατευθυντική αγωγιμότητα, ο αρνητικός μισός κύκλος του ημιτονοειδούς κύματος έχει φύγει, όλα είναι θετικά και η κατεύθυνση του ρεύματος είναι η ίδια. Φιλτράροντας τις υψηλές συχνότητες, τα ακουστικά μπορούν εύκολα να αντιληφθούν τις αλλαγές στο ρεύμα.

 

去掉负半周,电流方向变成一致的,容易解读

Για να ανιχνεύσει το σήμα, ο Φλέμινγκ σκέφτηκε το «φαινόμενο Έντισον» - θα μπορούσε να σχεδιαστεί ένας νέος τύπος ανιχνευτή με βάση τη ροή ηλεκτρονίων από το φαινόμενο Έντισον; Με αυτόν τον τρόπο, το 1904, γεννήθηκε η πρώτη ηλεκτρονιακή δίοδος κενού στον κόσμο κάτω από τα χέρια του Φλέμινγκ. Εκείνη την εποχή, αυτή η δίοδος ονομαζόταν επίσης «βαλβίδα Fleming». (Ο σωλήνας κενού, επίσης γνωστός ως σωλήνας ηλεκτρονίων, ονομάζεται μερικές φορές "χοληφόρος πόρος.") )

弗莱明发明的2极管

Η δίοδος Fleming, η δομή είναι στην πραγματικότητα πολύ απλή, δηλαδή, σε μια γυάλινη λάμπα κενού, γεμίζονται δύο πόλοι: μια κάθοδος (κάθοδος), η οποία μπορεί να εκπέμπει ηλεκτρόνια (ακτίνες καθόδου) όταν θερμαίνεται. Μια άνοδος που δέχεται ηλεκτρόνια.

 

旁热式2极管

Ο λόγος για τον οποίο το κενό στον γυάλινο σωλήνα είναι για να αποτρέψει τον ιονισμό των αερίων, που θα επηρεάσει την κανονική ροή των ηλεκτρονίων και θα καταστρέψει τη χαρακτηριστική καμπύλη. (Η άντληση σε κενό μπορεί επίσης να μειώσει αποτελεσματικά την απώλεια οξείδωσης του νήματος.) )

Τρανζίστορ

Η έλευση των διόδων, που έλυσαν την ανάγκη για ανίχνευση και διόρθωση, ήταν μια σημαντική ανακάλυψη εκείνη την εποχή. Ωστόσο, έχει περιθώρια βελτίωσης.

 

德福雷斯特

Το 1906, ο Αμερικανός επιστήμονας De Forest Lee (De Forest Lee) εφηύρε τον ηλεκτρικό σωλήνα τριόδου κενού προσθέτοντας έξυπνα μια πλάκα πλέγματος ("πύλη") στον ηλεκτρονικό σωλήνα της διόδου κενού.

德·福雷斯特发明的3极管

Όταν προστίθεται η πύλη, όταν η τάση της πύλης είναι θετική, έλκει περισσότερα ηλεκτρόνια από την κάθοδο. Τα περισσότερα από τα ηλεκτρόνια περνούν από την πύλη και φτάνουν στην άνοδο, γεγονός που θα αυξήσει πολύ το ρεύμα στην άνοδο. Εάν η τάση στην πύλη είναι αρνητική, τα ηλεκτρόνια στην κάθοδο δεν έχουν δύναμη να πάνε στην πύλη, πόσο μάλλον στην άνοδο.

Μια μικρή αλλαγή στο ρεύμα στην πύλη μπορεί να προκαλέσει μεγάλη αλλαγή στο ρεύμα στην άνοδο. Επιπλέον, η μεταβαλλόμενη κυματομορφή είναι ακριβώς η ίδια με το ρεύμα πύλης. Επομένως, το τρανζίστορ έχει την επίδραση της ενίσχυσης του σήματος.

 

Στην αρχή, η τρίοδος ήταν ένα ενιαίο πλέγμα, μετά έγινε ένα διπλό πλέγμα με δύο σανίδες ενσωματωμένες μεταξύ τους και μετά έγινε απλώς ένα ολόκληρο κλειστό πλέγμα.

 

围栅

Η γέννηση της τριόδου κενού είναι ένα γεγονός ορόσημο στον τομέα της βιομηχανίας ηλεκτρονικών.

Αυτό το μικρό εξάρτημα αντιλαμβάνεται πραγματικά τη χρήση του ηλεκτρισμού για τον έλεγχο της ηλεκτρικής ενέργειας (στο παρελθόν ελεγχόταν από μηχανικούς διακόπτες, οι οποίοι είχαν προβλήματα χαμηλής συχνότητας, μικρής διάρκειας ζωής και εύκολης ζημιάς) και χρησιμοποιούσαν "μικρό ρεύμα" για τον έλεγχο "μεγάλου ρεύματος". ".

Αυτό το μικρό εξάρτημα αντιλαμβάνεται πραγματικά τη χρήση του ηλεκτρισμού για τον έλεγχο της ηλεκτρικής ενέργειας (στο παρελθόν ελεγχόταν από μηχανικούς διακόπτες, οι οποίοι είχαν προβλήματα χαμηλής συχνότητας, μικρής διάρκειας ζωής και εύκολης ζημιάς) και χρησιμοποιούσαν "μικρό ρεύμα" για τον έλεγχο "μεγάλου ρεύματος". ".

Με βάση αυτό έχουμε ραδιοφωνικούς σταθμούς, ραδιόφωνα, φωνογράφους, ταινίες, ραδιόφωνα, ραντάρ, ραδιοφωνικές ενδοεπικοινωνίες κ.λπ., που γίνονται όλο και πιο ισχυροί. Η ευρεία δημοτικότητα αυτών των προϊόντων έχει αλλάξει την καθημερινή ζωή των ανθρώπων και έχει προωθήσει την κοινωνική πρόοδο.

真空管

Το 1919, ο Schottky της Γερμανίας πρότεινε την ιδέα της προσθήκης μιας πύλης κουρτίνας μεταξύ της πύλης και του θετικού πόλου. Αυτή η ιδέα υλοποιήθηκε από τον Lande στην Αγγλία το 1926. Αυτό έγινε το quadrude. Αργότερα, οι Holst και Telegen της Ολλανδίας εφηύραν την πεντόδα.

Στη δεκαετία του 40 του 20ου αιώνα, η έρευνα της τεχνολογίας των υπολογιστών εισήλθε σε κορύφωση. Έχει βρεθεί ότι η μονοκατευθυντική αγωγιμότητα των σωλήνων ηλεκτρονίων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον σχεδιασμό ορισμένων λογικών κυκλωμάτων (π.χ. κυκλώματα πύλης ή κυκλώματα πύλης).

Έτσι, άρχισαν να εισάγουν σωλήνες ηλεκτρονίων στο πεδίο του υπολογιστή. Εκείνη την εποχή, σχεδόν όλοι οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές, συμπεριλαμβανομένου του ENIAC (που χρησιμοποιούσε περισσότερους από 18,000 σωλήνες), βασίζονταν σε σωλήνες.

 

埃尼阿克

Εδώ μιλάμε εν συντομία για το κύκλωμα πύλης. Όταν μαθαίνουμε τα βασικά των υπολογιστών, πρέπει να έχουμε μάθει βασικές λογικές πράξεις, όπως και, ή, όχι, XOR, ίδιο ή, ΟΧΙ, ή όχι κ.λπ.

Οι υπολογιστές αναγνωρίζουν μόνο 0s και 1s. Κάνει τους υπολογισμούς του με βάση αυτούς τους κανόνες λογικών πράξεων. Για παράδειγμα, το 2+1 είναι 0010+0001 σε δυαδικό και η εκτέλεση "λειτουργίας XOR" ισούται με 0011, που είναι 3.

Το κύκλωμα που υλοποιεί τις παραπάνω συναρτήσεις λογικής πύλης είναι το κύκλωμα λογικής πύλης. Από την άλλη πλευρά, ένας μονοαγώγιμος σωλήνας ηλεκτρονίων (σωλήνας κενού) μπορεί να συναρμολογηθεί σε διάφορα κυκλώματα λογικής πύλης. Για παράδειγμα, "OR Gate" και "AND Gate" παρακάτω.

A, B είναι οι είσοδοι και F είναι η έξοδος

█ τρανζίστορ

Ταυτόχρονα με την ταχεία ανάπτυξη και εφαρμογή των σωλήνων ηλεκτρονίων, οι άνθρωποι διαπίστωσαν σταδιακά ότι υπάρχουν ορισμένα μειονεκτήματα σε αυτό το προϊόν:

Από τη μία πλευρά, ο σωλήνας σπάει εύκολα και έχει υψηλό ποσοστό αστοχίας. Από την άλλη πλευρά, ο σωλήνας πρέπει να θερμανθεί, και δαπανάται πολλή ενέργεια για την παραγωγή θερμότητας, η οποία φέρνει επίσης εξαιρετικά υψηλή κατανάλωση ενέργειας.

Έτσι, οι άνθρωποι άρχισαν να σκέφτονται αν υπήρχε καλύτερος τρόπος ανίχνευσης, διόρθωσης και ενίσχυσης του σήματος. Φυσικά, υπάρχουν τρόποι. Αυτή τη στιγμή, ένα υπέροχο υλικό πρόκειται να εμφανιστεί, και είναι - οι ημιαγωγοί.

 

Το μικρόβιο των ημιαγωγών

Ας γυρίσουμε τον χρόνο πίσω στον 18ο αιώνα. Το 1782, ο διάσημος Ιταλός φυσικός Alessandro Volta (Alessandro Volta) διαπίστωσε ότι η στερεά ύλη μπορεί να χωριστεί χονδρικά σε τρεις τύπους:

Το πρώτο, μέταλλα όπως ο χρυσός, το ασήμι, ο χαλκός, ο σίδηρος κ.λπ., είναι εξαιρετικά αγώγιμα και ονομάζονται αγωγοί.

Δεύτερον, υλικά όπως το ξύλο, το γυαλί, τα κεραμικά, η μαρμαρυγία, κ.λπ., τα οποία δεν είναι εύκολο να μεταφέρουν τον ηλεκτρισμό, ονομάζονται μονωτές.

Το τρίτο, μεταξύ ενός αγωγού και ενός μονωτή, εκκενώνεται αργά.

Οι περίεργες ιδιότητες του τρίτου υλικού ονομάζονται «Semiconducting Nature» από το Volt, που σημαίνει «ιδιότητες ημιαγωγών». Είναι η πρώτη φορά στην ανθρώπινη ιστορία που εμφανίστηκε ο όρος «ημιαγωγός».

 

亚历山德罗·伏特

Αργότερα, ορισμένοι επιστήμονες, ηθελημένα ή ακούσια, ανακάλυψαν ορισμένες ιδιότητες ημιαγωγών. Για παράδειγμα, το 1833, ο Michael Faraday ανακάλυψε ότι όταν η θερμοκρασία του θειούχου αργύρου αυξάνεται, η αντίσταση μειώνεται (η θερμοευαίσθητη ιδιότητα των ημιαγωγών).

Το 1839, ο Γάλλος επιστήμονας Alexandre Edmond Becquerel ανακάλυψε ότι το φως θα μπορούσε να προκαλέσει διαφορά δυναμικού μεταξύ των δύο άκρων ορισμένων υλικών (το φωτοβολταϊκό φαινόμενο των ημιαγωγών).

Το 1873, ο Willoughby Smith ανακάλυψε ότι η αγωγιμότητα των υλικών σεληνίου αυξάνεται όταν εκτίθενται στο φως (το φωτοαγώγιμο φαινόμενο των ημιαγωγών).

Αυτά τα φαινόμενα, κανείς δεν μπόρεσε να τα εξηγήσει τότε και δεν τράβηξαν ιδιαίτερη προσοχή.

Το 1874, ο Γερμανός επιστήμονας Karl Ferdinand Braun ανακάλυψε τις ιδιότητες μονοκατευθυντικής αγωγιμότητας του ηλεκτρικού ρεύματος σε φυσικά μεταλλεύματα (σουλφίδια μετάλλων). Αυτό είναι ένα τεράστιο ορόσημο.

 

卡尔·布劳恩

Το 1906, ο Αμερικανός μηχανικός Greenleaf Whittier Pickard, βασισμένος στον κρύσταλλο του μεταλλεύματος, εφηύρε τον περίφημο ανιχνευτή κρυστάλλων, γνωστό και ως «ανιχνευτής μουστάκι γάτας» (το γεώφωνο έχει έναν ανιχνευτή πάνω του, όπως το μουστάκι μιας γάτας, εξ ου και το όνομα ).

 

矿石检波器

Το geophone του μεταλλεύματος είναι η παλαιότερη συσκευή ημιαγωγών της ανθρωπότητας. Η εμφάνισή του είναι μια «μικρή δοκιμή» υλικών ημιαγωγών. Αν και είχε κάποιες ελλείψεις (κακή ποιότητα ελέγχου, ασταθής εργασία, επειδή το μετάλλευμα δεν ήταν υψηλής καθαρότητας), έδωσε ισχυρή ώθηση στην ανάπτυξη της ηλεκτρονικής τεχνολογίας. Εκείνη την εποχή, οι ραδιοφωνικοί δέκτες βασισμένοι σε μεταλλεύματα γεωφώνων προώθησαν τη διάδοση της εκπομπής και της ασύρματης τηλεγραφίας.

 

Η έλευση της θεωρίας του συγκροτήματος

Οι άνθρωποι χρησιμοποιούν μεταλλεύματα γεωφώνων, αλλά ποτέ δεν καταλαβαίνουν πώς λειτουργούν. Σε περισσότερα από 30 χρόνια από τότε, οι επιστήμονες έχουν επανειλημμένα αναρωτηθεί γιατί υπάρχουν υλικά ημιαγωγών. Γιατί μπορούν να χρησιμοποιηθούν υλικά ημιαγωγών για μονοκατευθυντική αγωγιμότητα;

Στις πρώτες μέρες, πολλοί άνθρωποι αμφισβητούσαν ακόμη και ότι τα υλικά ημιαγωγών υπήρχαν πραγματικά. Ο διάσημος φυσικός Pauli είπε κάποτε: «Οι άνθρωποι δεν πρέπει να μελετούν ημιαγωγούς, είναι βρώμικο χάλι, και ποιος ξέρει αν υπάρχουν ημιαγωγοί». "

Αργότερα, με τη γέννηση και την ανάπτυξη της κβαντικής μηχανικής, έγινε τελικά μια σημαντική ανακάλυψη στη θεωρητική έρευνα των ημιαγωγών.

Το 1928, ο Max Karl Ernst Ludwig Planck, Γερμανός φυσικός και ένας από τους ιδρυτές της κβαντικής μηχανικής, πρότεινε για πρώτη φορά τη θεωρία των ζωνών στερεής ενέργειας στην εφαρμογή της κβαντικής μηχανικής για τη μελέτη της αγωγιμότητας των μετάλλων.

 

量子理论之父,普朗克

Πιστεύει ότι υπό τη δράση ενός εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου, η αγωγιμότητα των ημιαγωγών χωρίζεται σε αγωγιμότητα με τη συμμετοχή «οπών» (δηλαδή αγωγιμότητα τύπου P) και αγωγιμότητα με συμμετοχή ηλεκτρονίων (δηλαδή αγωγιμότητα τύπου Ν). Πολλές από τις εξωτικές ιδιότητες των ημιαγωγών καθορίζονται τόσο από «οπές» και από ηλεκτρόνια. Αργότερα, η θεωρία της ζώνης βελτιώθηκε περαιτέρω για να εξηγήσει συστηματικά τις ουσιαστικές διαφορές μεταξύ αγωγών, μονωτών και ημιαγωγών. Ας ρίξουμε μια σύντομη ματιά στη θεωρία του συγκροτήματος. Όπως έχετε μάθει στη φυσική του γυμνασίου, τα αντικείμενα αποτελούνται από μόρια, άτομα και το εξωτερικό περίβλημα ενός ατόμου είναι ένα ηλεκτρόνιο. Όταν τα άτομα ενός στερεού αντικειμένου είναι κοντά το ένα στο άλλο, τα ηλεκτρόνια θα αναμειχθούν μεταξύ τους. Η κβαντομηχανική πιστεύει ότι τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να μείνουν σε μια τροχιά και «συντρίβονται». Ως αποτέλεσμα, η τροχιά χωρίστηκε σε πολλές λεπτές διαδρομές. Στην κβαντομηχανική, αυτό το λεπτό τροχιακό ονομάζεται ενεργειακό επίπεδο. Η ευρεία τροχιά που σχηματίζεται από πολλαπλές λεπτές τροχιές συμπιεσμένες μεταξύ τους ονομάζεται ενεργειακή ζώνη. Από τις δύο ζώνες, η κάτω είναι η ζώνη σθένους, η ανώτερη είναι η ζώνη αγωγιμότητας και η μεσαία είναι η απαγορευμένη ζώνη. Μεταξύ της ζώνης σθένους και της ζώνης αγωγιμότητας είναι μια απαγορευμένη ζώνη. Η απόσταση της απαγορευμένης ζώνης, που είναι το διάκενο ζώνης (ενεργειακό διάκενο ζώνης).

Τα ηλεκτρόνια κινούνται σε ευρεία τροχιά και είναι μακροσκοπικά αγώγιμα. Υπάρχουν πάρα πολλά ηλεκτρόνια, είναι γεμάτα, δεν μπορούν να κινηθούν και μακροσκοπικά δεν είναι αγώγιμα. Ορισμένες πλήρεις τροχιές και κενές τροχιές είναι πολύ κοντά μεταξύ τους, και τα ηλεκτρόνια μπορούν εύκολα να τρέξουν από πλήρεις τροχιές σε κενές τροχιές και να κινηθούν ελεύθερα, κάτι που ονομάζεται αγωγοί. Οι δύο τροχιές απέχουν πολύ μεταξύ τους, το χάσμα είναι πολύ μεγάλο, τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να περάσουν και δεν υπάρχει τρόπος να μεταφερθεί η ηλεκτρική ενέργεια. Ωστόσο, εάν προσθέσετε μια ενέργεια από τον έξω κόσμο, μπορείτε να αλλάξετε αυτήν την κατάσταση.

Εάν το διάκενο ζώνης είναι εντός 5 ηλεκτρον βολτ (5 EV), προστίθεται μια επιπλέον ενέργεια στο ηλεκτρόνιο και το ηλεκτρόνιο μπορεί να ολοκληρώσει το άλμα και να κινηθεί ελεύθερα, δηλαδή αγωγιμότητα. Αυτό ανήκει στους ημιαγωγούς. (Το διάκενο ζώνης είναι περίπου 1,12 eV για το πυρίτιο και 0,67 eV για το γερμάνιο.) Εάν το διάκενο ζώνης υπερβαίνει τα 5 ηλεκτρονιοβολτ (5EV), τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν κανονικά να το διασχίσουν και είναι μονωτής. (Αν ο έξω κόσμος προσθέτει πολλή ενέργεια, μπορεί επίσης να τον βοηθήσει να περάσει με το ζόρι το παρελθόν.) Για παράδειγμα, ο αέρας, ο αέρας είναι μονωτής, αλλά η ηλεκτρική ενέργεια υψηλής τάσης μπορεί επίσης να διαπεράσει τον αέρα και να σχηματίσει ηλεκτρικό ρεύμα. Αξίζει να αναφέρουμε ότι ο «ημιαγωγός ευρείας ζώνης» για τον οποίο ακούμε συχνά τώρα είναι η τρίτη γενιά ημιαγωγών υλικών, όπως καρβίδιο του πυριτίου (SiC), νιτρίδιο γαλλίου (GaN), οξείδιο ψευδαργύρου (ZnO), διαμάντι, νιτρίδιο αλουμινίου (AlN). ), κ.λπ.

Their advantages are large bandgap width (>2.2EV), ηλεκτρικό πεδίο υψηλής διάσπασης, υψηλή θερμική αγωγιμότητα, ισχυρή ικανότητα κατά της ακτινοβολίας, υψηλή φωτεινή απόδοση, υψηλή συχνότητα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για συσκευές υψηλής θερμοκρασίας, υψηλής συχνότητας, αντίστασης ακτινοβολίας και υψηλής ισχύος, είναι η κατεύθυνση της βιομηχανίας τρέχουσα έντονη ανάπτυξη. Προηγουμένως αναφέραμε ηλεκτρόνια και τρύπες. Υπάρχουν δύο τύποι φορέων στους ημιαγωγούς: τα ελεύθερα ηλεκτρόνια και οι οπές. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια είναι γνωστά σε όλους, τι είναι μια τρύπα;

Οι οπές είναι επίσης γνωστές ως τρύπες ηλεκτρονίων. Σε θερμοκρασία δωματίου, λόγω της θερμικής κίνησης, ένας μικρός αριθμός ενεργητικών ηλεκτρονίων στην κορυφή της ζώνης σθένους μπορεί να διασχίσει τη ζώνη και να κινηθεί προς τα πάνω στη ζώνη αγωγιμότητας και να γίνει "ελεύθερα ηλεκτρόνια". Αφού τρέξουν τα ηλεκτρόνια, μένει πίσω μια «τρύπα». Τα υπόλοιπα ηλεκτρόνια που δεν προωθούνται μπορούν να εισέλθουν σε αυτή την «τρύπα» και να δημιουργήσουν ηλεκτρικό ρεύμα. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η ίδια η τρύπα είναι ακίνητη, αλλά η διαδικασία "πλήρωσης της τρύπας" παράγει ένα θετικό φαινόμενο ηλεκτρικής ροής, επομένως θεωρείται επίσης ως φορέας.

Το 1931, ο Charles Thomson Wilson πρότεινε ένα φυσικό μοντέλο ημιαγωγών βασισμένο στη θεωρία ζωνών. Το 1939, ο Σοβιετικός φυσικός AS Davydov (AS Давыдов), ο Βρετανός φυσικός Nevill Francis Mott (Nevill Francis Mott) και ο Γερμανός φυσικός Walter Hermann Schottky (Walter Hermann Schottky) συνέβαλαν στη βασική θεωρία των ημιαγωγών. Ο Davydov ήταν ο πρώτος που αναγνώρισε το ρόλο λίγων φορέων στους ημιαγωγούς, ενώ ο Schottky και ο Mott ανέπτυξαν την περίφημη «θεωρία διάχυσης». Με βάση τις συνεισφορές αυτών των μεγαλόσωμων, τέθηκε σταδιακά τα θεμέλια της βασικής θεωρίας των ημιαγωγών.

 

Η γέννηση του τρανζίστορ

Μετά τη γέννηση του γεωφώνου μεταλλεύματος, οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι η απόδοση του γεωφώνου έχει μεγάλη σχέση με την καθαρότητα του μεταλλεύματος. Όσο υψηλότερη είναι η καθαρότητα του μεταλλεύματος, τόσο καλύτερη θα είναι η απόδοση του γεώφωνου. Ως εκ τούτου, πολλοί επιστήμονες έχουν πραγματοποιήσει έρευνα καθαρισμού σε υλικά μεταλλεύματος (όπως θειούχος μολύβδου, θειούχος χαλκού, οξείδιο του χαλκού κ.λπ.) και η διαδικασία καθαρισμού βελτιώνεται συνεχώς.

Στη δεκαετία του '30 του 20ου αιώνα, ο Russell Shoemaker Ohl, ένας επιστήμονας στα Bell Labs, πρότεινε ότι ένα γεώφωνο κατασκευασμένο από καθαρά κρυσταλλικά υλικά θα αντικαθιστούσε πλήρως μια δίοδο ηλεκτρονίων. (Ξέρετε, εκείνη την εποχή, ο σωλήνας ήταν σε απόλυτη κυριαρχία στην αγορά.) )

 

罗素·奥尔,他还是现代太阳能电池之父

Αφού δοκίμασε περισσότερα από 100 υλικά ένα προς ένα, αποφάσισε ότι οι κρύσταλλοι πυριτίου ήταν το ιδανικότερο υλικό για γεώφωνα. Για να δοκιμάσει τα συμπεράσματά του, βελτίωσε μια σύντηξη κρυστάλλων πυριτίου υψηλής καθαρότητας με τη βοήθεια του συναδέλφου του Jack Scaff. Επειδή η Bell Labs δεν είχε τη δυνατότητα να κόψει κρυστάλλους πυριτίου, η Orr έστειλε το fusion σε ένα κοσμηματοπωλείο για να το κόψει σε δείγματα κρυστάλλων διαφορετικών μεγεθών. Απροσδόκητα, ένα από τα δείγματα, μετά το φωτισμό, συμπεριφέρθηκε ως θετικό ηλεκτρόδιο στο ένα άκρο και αρνητικό ηλεκτρόδιο στο άλλο άκρο, το οποίο ο Orr ονόμασε ως περιοχές P και N, αντίστοιχα. Με αυτόν τον τρόπο, ο Orr εφηύρε την πρώτη στον κόσμο σύνδεση PN ημιαγωγών (P–N junction). Κατά τη διάρκεια του Β' Παγκοσμίου Πολέμου, η Western Electric, θυγατρική της AT&T, κατασκεύασε μια παρτίδα κρυσταλλικών διόδων πυριτίου με βάση καθαρούς κρυστάλλους ημιαγωγών. Το μικρό μέγεθος και το χαμηλό ποσοστό αστοχίας αυτών των διόδων βελτίωσαν σημαντικά την απόδοση και την αξιοπιστία των Συμμαχικών συστημάτων ραντάρ. Η εφεύρεση του Orr για τη διασταύρωση PN και η εξαιρετική απόδοση των κρυσταλλικών διόδων πυριτίου ενίσχυσαν την αποφασιστικότητα της Bell Labs να αναπτύξει τεχνολογία τρανζίστορ. Το 1945, ο William Shockley των Bell Labs, αφού επικοινωνούσε με τον Russell Orr, σχεδίασε το διάγραμμα ζωνών των ημιαγωγών τύπου P και N-τύπου με βάση τη θεωρία ζωνών και σε αυτή τη βάση, πρότεινε την «υπόθεση φαινομένου πεδίου».

.

肖克利的场效应设想

Αφού δοκίμασε περισσότερα από 100 υλικά ένα προς ένα, αποφάσισε ότι οι κρύσταλλοι πυριτίου ήταν το ιδανικότερο υλικό για γεώφωνα. Για να δοκιμάσει τα συμπεράσματά του, βελτίωσε μια σύντηξη κρυστάλλων πυριτίου υψηλής καθαρότητας με τη βοήθεια του συναδέλφου του Jack Scaff. Επειδή η Bell Labs δεν είχε τη δυνατότητα να κόψει κρυστάλλους πυριτίου, η Orr έστειλε το fusion σε ένα κοσμηματοπωλείο για να το κόψει σε δείγματα κρυστάλλων διαφορετικών μεγεθών. Υπέθεσε ότι το εσωτερικό φορτίο της γκοφρέτας πυριτίου μπορούσε να κινηθεί ελεύθερα, και εάν η γκοφρέτα ήταν αρκετά λεπτή, υπό την επίδραση της εφαρμοζόμενης τάσης, ηλεκτρόνια ή οπές στη γκοφρέτα πυριτίου θα εμφανίζονταν στην επιφάνεια, αυξάνοντας σημαντικά την αγωγιμότητα της γκοφρέτας πυριτίου. , επιτυγχάνοντας έτσι το αποτέλεσμα της ενίσχυσης του ρεύματος. Με βάση αυτό το όραμα, στις 23 Δεκεμβρίου 1947, ο John Bardeen και ο Walter Bratton των Bell Labs κατασκεύασαν τον πρώτο στον κόσμο ενισχυτή τριόδου ημιαγωγών. Δηλαδή το εξής πολύ περίεργο και άθλιο:

世界上第一个晶体管(基于锗半导体)

晶体管的电路模型

Σύμφωνα με τα πειραματικά αρχεία, αυτό το τρανζίστορ μπορεί να επιτύχει "κέρδος τάσης 100, κέρδος ισχύος 40 και απώλεια ρεύματος 1/2,5......", που είναι πολύ καλό.

Ονομάζοντάς το, οι Bardeen και Bratton υποστηρίζουν ότι η ικανότητα της συσκευής να ενισχύει τα σήματα οφείλεται στα χαρακτηριστικά μετατροπής της αντίστασης, δηλαδή, το σήμα πηγαίνει από μια "είσοδο χαμηλής αντίστασης" σε μια "έξοδο υψηλής αντίστασης". Έτσι, το ονόμασαν trans-αντίσταση. Αργότερα, έγινε συντομογραφία ως τρανζίστορ.

Πολλά χρόνια αργότερα, ο Qian Xuesen, ένας διάσημος επιστήμονας στην Κίνα, όρισε το κινεζικό μεταφραστικό του όνομα ως: τρανζίστορ.

Συνόψισα ότι οι ιδιότητες των ημιαγωγών είναι μια ειδική ικανότητα αγωγής ηλεκτρισμού (υπόκειται σε εξωτερικούς παράγοντες). Τα υλικά με ημιαγωγικές ιδιότητες ονομάζονται ημιαγωγικά υλικά. Το πυρίτιο και το γερμάνιο είναι τυπικά υλικά ημιαγωγών.

Μικροσκοπικά, οι ουσίες που είναι τακτοποιημένα σύμφωνα με ορισμένους νόμους ονομάζονται κρύσταλλοι. Οι κρύσταλλοι πυριτίου έχουν μονοκρυσταλλικές, πολυκρυσταλλικές, άμορφες κρυσταλλικές και άλλες μορφές.

Η κρυσταλλική μορφολογία καθορίζει τη δομή της ζώνης και η δομή της ζώνης καθορίζει τις ηλεκτρικές ιδιότητες. Επομένως, οι κρύσταλλοι πυριτίου (γερμανίου), ως ημιαγωγικά υλικά, έχουν τόσο μεγάλη αξία εφαρμογής. Οι δίοδοι, οι τρίοδοι και οι τετράποδες ονομάζονται από τις λειτουργίες τους. Οι σωλήνες ηλεκτρονίων (σωλήνες κενού) και τα τρανζίστορ (τρανζίστορ πυριτίου, τρανζίστορ γερμανίου) ονομάζονται κατ' αρχήν. Το τρανζίστορ που εφευρέθηκε από τους Bardeen και Bratton θα έπρεπε στην πραγματικότητα να ονομάζεται τρανζίστορ σημείου επαφής. Όπως μπορείτε να δείτε από την παρακάτω εικόνα, αυτό το σχέδιο είναι πολύ στοιχειώδες. Αν και επιτυγχάνει τη λειτουργία ενίσχυσης, είναι δομικά εύθραυστο, ευαίσθητο στους εξωτερικούς κραδασμούς και δεν είναι εύκολο να κατασκευαστεί, επομένως δεν έχει τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθεί εμπορικά.

 

Ο Shockley είδε αυτό το ελάττωμα και άρχισε μια υποχώρηση για να μελετήσει ένα νέο σχέδιο τρανζίστορ.

Στις 23 Ιανουαρίου 1948, μετά από περισσότερο από ένα μήνα σκληρής δουλειάς, ο Shockley πρότεινε ένα νέο μοντέλο τρανζίστορ με δομή τριών στρωμάτων και το ονόμασε Junction Transistor.

肖克利的结式晶体管设计

Ήταν ο Morgan Sparks και ο Gordon Kidd Teal που βοήθησαν τον Shockley να φτιάξει το τελικό προϊόν. Ιδιαίτερη αναφορά πρέπει να δοθεί σε αυτόν τον Gordon Thiel. Διαπίστωσε ότι η αντικατάσταση του πολυ με μονοκρυσταλλικούς ημιαγωγούς θα μπορούσε να οδηγήσει σε σημαντικά κέρδη απόδοσης. Επιπλέον, ήταν αυτός που ανακάλυψε ότι η μέθοδος Straight-pull θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τον καθαρισμό μονού μεταλλικών κρυστάλλων. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται από τότε και είναι η πιο κυρίαρχη μέθοδος κατασκευής μονοκρυστάλλων στη βιομηχανία ημιαγωγών. Η γέννηση των τρανζίστορ έχει μεγάλη σημασία για την ανάπτυξη της ανθρώπινης επιστήμης και τεχνολογίας. Έχει την ικανότητα των σωλήνων ηλεκτρονίων, αλλά ξεπερνά όλες τις ελλείψεις του μεγάλου όγκου, της υψηλής κατανάλωσης ενέργειας, της μικρής μεγέθυνσης, της μικρής διάρκειας ζωής και του υψηλού κόστους των σωλήνων ηλεκτρονίων. Από τη στιγμή που γεννήθηκε, αποφασίστηκε ότι θα πετύχαινε πλήρη αντικατάσταση του σωλήνα.

 

正在生产晶体管的工人

Στον τομέα της ασύρματης επικοινωνίας, τα τρανζίστορ, όπως και οι σωλήνες ηλεκτρονίων, μπορούν να εκπέμπουν, να ανιχνεύουν και να ενισχύουν ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Στον τομέα των ψηφιακών κυκλωμάτων, τα τρανζίστορ μπορούν επίσης να είναι πιο βολικά για την υλοποίηση λογικών κυκλωμάτων. Έθεσε γερές βάσεις για την απογείωση της βιομηχανίας ηλεκτρονικών.

 

Αργότερα, η οικογένεια των τρανζίστορ μεγάλωσε

█IC

Η εμφάνιση των τρανζίστορ κατέστησε δυνατή τη σμίκρυνση των ηλεκτρικών κυκλωμάτων.

Το 1952, ο Geoffrey Dummer, γνωστός επιστήμονας στο Royal Radar Research Institute στο Ηνωμένο Βασίλειο, σημείωσε σε ένα συνέδριο:

«Με την έλευση των τρανζίστορ και την ολοκληρωμένη μελέτη των ημιαγωγών, φαίνεται πλέον κατανοητό ότι η ηλεκτρονική συσκευή του μέλλοντος είναι ένα συμπαγές εξάρτημα χωρίς καλώδια σύνδεσης».

Τον Αύγουστο του 1958, ο Kilby, ένας νέος υπάλληλος στην Texas Instruments, ανακάλυψε ότι μικροσκοπικά κυκλώματα, αποτελούμενα από πολλές συσκευές, μπορούσαν να κατασκευαστούν σε μία μόνο γκοφρέτα. Με άλλα λόγια, διαφορετικές ηλεκτρονικές συσκευές (π.χ. αντιστάσεις, πυκνωτές, δίοδοι και τρανζίστορ) μπορούν να κατασκευαστούν σε γκοφρέτες πυριτίου και να συνδεθούν με λεπτά καλώδια.

Αμέσως μετά, στις 12 Σεπτεμβρίου, ο Kilby πέτυχε να κατασκευάσει ένα κύκλωμα τσιπ γερμανίου μήκους 7/16 ιντσών και πλάτους 1/16 ίντσας με βάση τις δικές του ιδέες, το οποίο ήταν επίσης το πρώτο ολοκληρωμένο κύκλωμα στον κόσμο.

 

Αυτό το κύκλωμα είναι ένας ταλαντωτής τρανζίστορ με ανάδραση RC, και το όλο θέμα είναι κολλημένο στη γυάλινη ολίσθηση, η οποία φαίνεται πολύ υποτυπώδης. Οι συσκευές του κυκλώματος συνδέονται με διάσπαρτα λεπτά καλώδια. Την ίδια στιγμή που ο Kilby εφηύρε το ολοκληρωμένο κύκλωμα, ένα άλλο άτομο έκανε επίσης μια σημαντική ανακάλυψη σε αυτόν τον τομέα. Αυτό το άτομο ήταν ο Robert Norton Noyce της Fairchild Semiconductor (ο οποίος αργότερα ίδρυσε την Intel). Η Fairchild είναι μια εταιρεία που συνιδρύθηκε από τους "Eight Traitors" της Silicon Valley (βλ.: The Legend of Fairchild), η οποία έχει ισχυρή δύναμη στην τεχνολογία ημιαγωγών. Ο Jean Hoerni, ένας από τους «Οκτώ Προδότες», επινόησε την πολύ σημαντική Διαδικασία Σχεδιασμού. Σε αυτή τη διαδικασία, ένα στρώμα οξειδίου του πυριτίου προστίθεται στη γκοφρέτα πυριτίου ως μονωτικό στρώμα. Στη συνέχεια, δημιουργείται μια τρύπα σε αυτό το στρώμα μονωτικού οξειδίου του πυριτίου και οι συσκευές που έχουν κατασκευαστεί με τεχνολογία διάχυσης πυριτίου συνδέονται με μια μεμβράνη αλουμινίου. Η γέννηση της επίπεδης διαδικασίας επέτρεψε στην Fairchild να κατασκευάσει τρανζίστορ κρυστάλλου πυριτίου υψηλής απόδοσης με εξαιρετικά μικρά μεγέθη και επίσης κατέστησε δυνατή τη σύνδεση συσκευών σε ολοκληρωμένα κυκλώματα. Στις 23 Ιανουαρίου 1959, ο Noyce έγραψε στις σημειώσεις εργασίας του: "Κατασκευάζοντας διάφορες συσκευές στην ίδια γκοφρέτα πυριτίου και συνδέοντάς τις μεταξύ τους χρησιμοποιώντας μια επίπεδη διαδικασία, είναι δυνατό να δημιουργηθούν πολυλειτουργικά ηλεκτρονικά κυκλώματα. Αυτή η τεχνολογία μπορεί να μειώσει το μέγεθος και το βάρος του το κύκλωμα και να μειώσει το κόστος».

 

诺伊斯

Αφού έμαθε ότι ο Kilby είχε καταθέσει δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα, ο Noyce μετάνιωσε πολύ, πιστεύοντας ότι άργησε ένα βήμα. Ωστόσο, σύντομα ανακάλυψε ότι η εφεύρεση του Kilby ήταν ελαττωματική. Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα του Kilby συνδέονται με ιπτάμενα καλώδια, τα οποία απλά δεν μπορούν να παραχθούν μαζικά και στερούνται πρακτικής αξίας. Το όραμα του Neuss ήταν να φτιάξει μια αρνητική πλάκα από όλα τα κυκλώματα και τα εξαρτήματα μιας ηλεκτρονικής συσκευής και στη συνέχεια να την χαράξει σε μια γκοφρέτα πυριτίου. Μόλις χαραχτεί αυτή η γκοφρέτα πυριτίου, είναι ολόκληρο το κύκλωμα και μπορεί να χρησιμοποιηθεί απευθείας για τη συναρμολόγηση του προϊόντος. Επιπλέον, η εξατμιστική εναπόθεση μετάλλου μπορεί να αντικαταστήσει τα σύρματα θερμής συγκόλλησης και να εξαλείψει εντελώς τα ιπτάμενα σύρματα.

 

Ολοκληρωμένο κύκλωμα κρυστάλλου πυριτίου της Fairchild

Στις 30 Ιουλίου 1959, ο Neuss έκανε αίτηση για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας βασισμένος στις δικές του ιδέες: «Συσκευή ημιαγωγών - συρμάτινη δομή». Αυστηρά μιλώντας, η εφεύρεση του Neuss είναι πιο κοντά στα ολοκληρωμένα κυκλώματα με τη σύγχρονη έννοια. Ο σχεδιασμός του Neuss βασίζεται σε μια επίπεδη διεργασία με βάση το πυρίτιο, ενώ ο σχεδιασμός του Kilbi βασίζεται σε μια διαδικασία διάχυσης με βάση το γερμάνιο. Βασιζόμενος στα πλεονεκτήματα της διαδικασίας πυριτίου του Fairchild, ο Neuss έχει φτιάξει κυκλώματα που είναι όντως πιο προηγμένα από τον Kirby. Το 1966, το δικαστήριο έδωσε τελικά στον Kilby την εφεύρεση της ιδέας ενός ολοκληρωμένου κυκλώματος (υβριδικό ολοκληρωμένο κύκλωμα) και την εφεύρεση ενός ολοκληρωμένου κυκλώματος συσκευασμένου σε ένα τσιπ που χρησιμοποιείται σήμερα (ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα με την αληθινή έννοια της λέξης). καθώς και η εφεύρεση της διαδικασίας παραγωγής. Ο Kilby είναι γνωστός ως «ο εφευρέτης του πρώτου ολοκληρωμένου κυκλώματος», ενώ ο Noyce ήταν αυτός που «βρήκε τη θεωρία των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων κατάλληλων για βιομηχανική παραγωγή». Τον Μάρτιο του 1960, η Texas Instruments ανέφερε ότι ο Τζακ. Ο σχεδιασμός του Kilby κυκλοφόρησε επίσημα το πρώτο εμπορευματοποιημένο προϊόν ολοκληρωμένου κυκλώματος στον κόσμο, τη δισταθή δυαδική flip-flop πολλαπλών συντονισμών πυριτίου 502, το οποίο πωλήθηκε για 450 $. Το διάσημο πρόγραμμα προσεδάφισης Apollo στο φεγγάρι αγόρασε εκατομμύρια ολοκληρωμένα κυκλώματα, αποφέροντας πολλά χρήματα στην Texas Instruments και Fairchild. Η επιτυχία της αεροπορικής αγοράς οδήγησε στην επέκταση της πολιτικής αγοράς. Το 1964, η Zenith χρησιμοποίησε ολοκληρωμένα κυκλώματα σε ακουστικά βαρηκοΐας, που ήταν η πρώτη προσγείωση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων στον πολιτικό τομέα. Όλοι θα πρέπει να είναι εξοικειωμένοι με την ιστορία μετά από αυτό. Με τις κοινές προσπάθειες υλικών, διεργασιών και διεργασιών, ο αριθμός των τρανζίστορ στα ολοκληρωμένα κυκλώματα συνεχίζει να αυξάνεται, η απόδοση συνεχίζει να βελτιώνεται και το κόστος σταδιακά μειώνεται και έχουμε εισέλθει στην εποχή του νόμου του Moore.

Νόμος του Moore: Ο αριθμός των τρανζίστορ που μπορούν να χωρέσουν σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα διπλασιάζεται περίπου κάθε 18 μήνες και η απόδοση διπλασιάζεται. Η ανάπτυξη ολοκληρωμένων κυκλωμάτων μεγάλης και εξαιρετικά μεγάλης κλίμακας που βασίζονται σε ολοκληρωμένα κυκλώματα άνοιξε το δρόμο για την εμφάνιση της αποθήκευσης ημιαγωγών και των μικροεπεξεργαστών. Το 1970, η Intel παρουσίασε το πρώτο στον κόσμο ολοκληρωμένο κύκλωμα DRAM (Dynamic Random Access Memory), το 1103. Το επόμενο έτος, κυκλοφόρησε το Intel 4004, το πρώτο προγραμματιζόμενο τσιπ στον κόσμο που περιλαμβάνει συνδυαστές και ελεγκτές. Η χρυσή εποχή της τεχνολογίας πληροφορικής ξεκίνησε επίσημα.

█ Η εξέλιξη των τρανζίστορ

Ας επιστρέψουμε και ας μιλήσουμε ξανά για τρανζίστορ. Από την εμφάνιση των τρανζίστορ, υπήρξαν πολλές σημαντικές αλλαγές στη μορφή τους. Με λίγα λόγια, είναι κυρίως από διπολικό σε μονοπολικό. Στην περίπτωση μονοπολικού τύπου, από FET σε MOSFET. Από δομική άποψη, είναι από PlanarFET έως FinFET έως GAAFET.

 

Διπολικό, μονοπολικό

Το τρανζίστορ σύνδεσης που εφευρέθηκε από τον Shockley το 1948 ονομάζεται διπολικό τρανζίστορ διασταύρωσης (BJT) επειδή χρησιμοποιεί δύο φορείς, οπές και ηλεκτρόνια, για να συμμετέχει στην ηλεκτρική αγωγιμότητα.

Τα τρανζίστορ BJT είναι διαθέσιμα σε δύο διαμορφώσεις: NPN και PNP:

Όπως μπορούμε να δούμε, ένα τρανζίστορ BJT κάνει δύο συνδέσεις PN που είναι πολύ κοντά η μία στην άλλη σε ένα υπόστρωμα ημιαγωγών. Δύο σύνδεσμοι PN χωρίζουν ολόκληρο τον ημιαγωγό σε τρία μέρη, το μεσαίο τμήμα είναι η βάση και οι δύο πλευρές είναι ο πομπός και ο συλλέκτης. Η αρχή λειτουργίας των τρανζίστορ BJT είναι πιο περίπλοκη και χρησιμοποιείται σπάνια στις μέρες μας, επομένως δεν θα ασχοληθώ με αυτό για χάρη του χώρου. Στην ουσία, η κύρια λειτουργία αυτού του τρανζίστορ είναι να κάνει τον συλλέκτη να παράγει μια μεγάλη αλλαγή ρεύματος μέσω μιας μικρής αλλαγής ρεύματος στη βάση, η οποία έχει ενισχυτικό αποτέλεσμα. Ο συγγραφέας ανέφερε νωρίτερα τα λογικά κυκλώματα. Είναι ένας συνδυασμός διόδου και τρανζίστορ BJT και ονομάζεται κύκλωμα DTL (Λογική Διόδου-Τρανζίστορ). Αργότερα, τα κυκλώματα TTL (Transistor-Transistor Logic) κατασκευάστηκαν εξ ολοκλήρου από τρανζίστορ. Τα πλεονεκτήματα των τρανζίστορ BJT είναι η υψηλή συχνότητα λειτουργίας και η ισχυρή ικανότητα οδήγησης. Ωστόσο, έχει και μειονεκτήματα, όπως υψηλή κατανάλωση ενέργειας και χαμηλή ενσωμάτωση. Η διαδικασία κατασκευής του είναι επίσης πιο περίπλοκη και υπάρχουν ορισμένα μειονεκτήματα στη χρήση της επίπεδης τεχνολογίας. Ως αποτέλεσμα, με την πάροδο του χρόνου, άρχισε να εμφανίζεται ένας νέος τύπος τρανζίστορ, γνωστός ως Τρανζίστορ φαινομένου πεδίου (Field Effect Transistor - FET). Το 1953, ο Ian Ross και ο George Dacey των Bell Labs συνεργάστηκαν για την παραγωγή του πρώτου πρωτότυπου στον κόσμο ενός τρανζίστορ εφέ πεδίου διασταύρωσης (JFET).

JFET(结型场效应晶体管),此为N沟道

Το JFET είναι μια συσκευή ημιαγωγών με δομή τριών πόλων (τριών ακροδεκτών), που περιλαμβάνει πηγή, αποχέτευση και πύλη. Τα JFET χωρίζονται σε JFET N-καναλιού (N-channel) JFET και P-channel (P-Channel) JFET. Ο πρώτος είναι ένας ημιαγωγός σχήματος Ν με δύο ημιαγωγούς τύπου P και στις δύο πλευρές (όπως φαίνεται στην παραπάνω εικόνα). Ο τελευταίος είναι ένας ημιαγωγός σχήματος P με δύο ημιαγωγούς τύπου Ν και στις δύο πλευρές. Η αρχή λειτουργίας του JFET είναι απλώς ο έλεγχος της διασταύρωσης PN μεταξύ της πύλης και του καναλιού, και επομένως του στρώματος εξάντλησης, ελέγχοντας την τάση μεταξύ της πύλης G και της πηγής S (VGS στο σχήμα) και της τάσης μεταξύ της αποστράγγισης D και της πηγής S (VDS στο σχήμα). Όσο ευρύτερο είναι το στρώμα εξάντλησης, τόσο στενότερο είναι το κανάλι και όσο μεγαλύτερη είναι η αντίσταση του καναλιού, τόσο μικρότερο είναι το ρεύμα αποστράγγισης (ID στο διάγραμμα) που μπορεί να περάσει. Η κατάσταση στην οποία το κανάλι καλύπτεται πλήρως από το στρώμα εξάντλησης ονομάζεται κατάσταση τσιμπήματος. Όταν λειτουργεί ένα τρανζίστορ JFET, απαιτεί μόνο έναν τύπο φορέα, επομένως ονομάζεται μονοπολικό τρανζίστορ. Το 1959 γεννήθηκε ένας νέος τύπος τρανζίστορ που ήταν το περίφημο MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET). Εφευρέθηκε από τον Μοχάμεντ Ατάλα (μετονομάστηκε σε Μάρτιν Ατάλα), έναν επιστήμονα αιγυπτιακής καταγωγής, και τον Dawon Kahng, έναν επιστήμονα κορεατικής καταγωγής.

Το MOSFET αποτελείται επίσης από πηγή, αποχέτευση και πύλη. Το "M" στο "MOS" σημαίνει ότι η πύλη εφαρμόστηκε αρχικά με μέταλλο. Το "O" σημαίνει ότι η πύλη και το υπόστρωμα απομονώνονται χρησιμοποιώντας οξείδιο. Το "S" σημαίνει ότι το MOSFET υλοποιείται ως σύνολο από ημιαγωγό.

Τρανζίστορ MOSFET, επίσης γνωστό ως IGFET (In-sulated Gate FET, insulated gate field effect transistor).

MOSFET (ΜοΣφετ)

Αυτό το τρανζίστορ MOSFET χωρίζεται επίσης σε δύο τύπους: "N-type" και "P-type", δηλαδή NMOS και PMOS. Ανάλογα με τον τύπο λειτουργίας διακρίνεται επίσης σε ενισχυμένο και εξαντλημένο. Πάρτε ως παράδειγμα το MOS τύπου N (που χρησιμοποιείται πιο συχνά) στο παραπάνω σχήμα. Ως υπόστρωμα χρησιμοποιήθηκε το υλικό ημιαγωγού πυριτίου τύπου P, και δύο περιοχές τύπου Ν διαχέθηκαν στην επιφάνεια και στη συνέχεια ένα μονωτικό στρώμα διοξειδίου του πυριτίου (SiO2) καλύφθηκε από πάνω του. Τέλος πάνω από τη ζώνη Ν ​​έγιναν δύο τρύπες από διάβρωση. Τρία ηλεκτρόδια κατασκευάζονται στο μονωτικό στρώμα και σε δύο οπές με επιμετάλλωση: G (πύλη), S (πηγή) και D (αποχέτευση). Το υπόστρωμα πυριτίου τύπου P έχει έναν ακροδέκτη (Β) που συνδέεται με την πηγή S μέσω ενός καλωδίου. Η αρχή λειτουργίας ενός MOSFET είναι σχετικά απλή: Κανονικά, μια ουδέτερη περιοχή εξάντλησης σχηματίζεται μεταξύ της περιοχής Ν και του υποστρώματος P λόγω του φυσικού ανασυνδυασμού των φορέων.

Αφού τροφοδοτηθεί μια προς τα εμπρός τάση στην πύλη, τα ηλεκτρόνια στην περιοχή P θα συσσωρευτούν υπό τη δράση του ηλεκτρικού πεδίου κάτω από το οξείδιο του πυριτίου της πύλης, σχηματίζοντας μια περιοχή με ηλεκτρόνια τόσα υποόνια, δηλαδή ένα κανάλι.

Τώρα, εάν εφαρμοστεί μια τάση μεταξύ της αποστράγγισης και της πηγής, το ρεύμα θα ρέει ελεύθερα μεταξύ της πηγής και της αποστράγγισης, επιτυγχάνοντας μια κατάσταση αγωγιμότητας.

Η πύλη G είναι σαν μια πύλη που ελέγχει την τάση, εάν εφαρμοστεί τάση στην πύλη G, η πύλη ανοίγει και το ρεύμα οδηγεί από την πηγή S στην αποστράγγιση D. Όταν αφαιρεθεί η τάση στην πύλη, η πύλη κλείνει και το ρεύμα δεν μπορεί να περάσει .

Ειδικότερα, θα πρέπει να επισημανθεί ότι το 1967, ο Jiang Dayuan συνεργάστηκε με τον Κινέζο επιστήμονα Shi Min για να εφεύρουν από κοινού τη δομή «floating gate» FGMOS (Floating Gate MOSFET), η οποία έθεσε τα θεμέλια της τεχνολογίας αποθήκευσης ημιαγωγών. Αργότερα, όλες οι μνήμες flash, FLASH, EEPROM κ.λπ., βασίστηκαν σε αυτή την τεχνολογία.

Τα BJT, JFET, MOSFET μόλις εισήχθησαν, θα σχεδιάσω πρώτα ένα διάγραμμα, μην ανακατεύετε τη σκέψη σας:

Το 1963, ο Frank Semiconductor της Fairchild Semiconductor. Ο Frank Wanlass και ο Chih-Tang Sah (κινεζικής καταγωγής) πρότειναν για πρώτη φορά το τρανζίστορ CMOS. Συνδυάζουν PMOS με τρανζίστορ NMOS και τα συνδέουν σε συμπληρωματικές δομές χωρίς σχεδόν καθόλου ρεύμα ηρεμίας. Αυτή είναι επίσης η προέλευση του "C" (Συμπληρωματικό) των τρανζίστορ CMOS.

Το μεγαλύτερο χαρακτηριστικό του CMOS είναι ότι η κατανάλωση ενέργειας είναι πολύ χαμηλότερη από αυτή άλλων τύπων τρανζίστορ. Με τη συνεχή ανάπτυξη του νόμου του Moore, ο αριθμός των τρανζίστορ στα ολοκληρωμένα κυκλώματα αυξάνεται, γεγονός που αυξάνει τις απαιτήσεις για κατανάλωση ενέργειας. Με βάση τα χαρακτηριστικά της χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας, το CMOS έχει αρχίσει να γίνεται mainstream.

Σήμερα, περισσότερο από το 95% των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων κατασκευάζονται με βάση διαδικασίες CMOS.

Με άλλα λόγια, από τη δεκαετία του 1960, οι βασικές αρχιτεκτονικές αρχές των τρανζίστορ έχουν οριστικοποιηθεί σε μεγάλο βαθμό. Η οικολογία του ολοκληρωμένου κυκλώματος που αντιπροσωπεύεται από το CMOS, το πυρίτιο (το φυσικό απόθεμα πυριτίου υπερβαίνει κατά πολύ αυτό του γερμανίου και η αντοχή του στη θερμότητα είναι καλύτερη από το γερμάνιο, επομένως έχει γίνει το κύριο ρεύμα) και η επίπεδη τεχνολογία έχει υποστηρίξει την ταχεία ανάπτυξη ολόκληρης της βιομηχανίας για δεκαετίες.

 

PlanarFET,FinFET,GAAFET

 

Αν και η βασική αρχή της αρχιτεκτονικής δεν έχει αλλάξει, η μορφή έχει αλλάξει.

Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα αναβαθμίζονται συνεχώς και οι διαδικασίες και οι διαδικασίες εξελίσσονται συνεχώς. Όταν ο αριθμός των τρανζίστορ φτάσει σε μια συγκεκριμένη κλίμακα, η διαδικασία θα αναγκάσει τα τρανζίστορ να «παραμορφωθούν» για να καλύψουν τις ανάγκες ανάπτυξης. Στις πρώτες μέρες, τα τρανζίστορ ήταν κυρίως επίπεδα τρανζίστορ (PlanarFETs). Καθώς το τρανζίστορ γίνεται μικρότερο, το μήκος της πύλης γίνεται όλο και μικρότερο και η απόσταση μεταξύ της πηγής και της αποστράγγισης πλησιάζει. Όταν η διαδικασία (δηλαδή, αυτό που συχνά ονομάζουμε 7nm και 3nm, αναφέρεται γενικά στο πλάτος της πύλης) είναι μικρότερη από 20nm, προκύπτει το πρόβλημα: η πύλη του MOSFET είναι δύσκολο να κλείσει το κανάλι ρεύματος, τα ανήσυχα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να μπλοκαριστεί, το φαινόμενο διαρροής εμφανίζεται επανειλημμένα και η κατανάλωση ρεύματος αυξάνεται επίσης.

Για να λυθεί αυτό το πρόβλημα, το 1999, ο καθηγητής Hu Zhengming, ένας Κινεζοαμερικανός επιστήμονας, εφηύρε επίσημα το FinFET. Σε σύγκριση με τη γραφική σχεδίαση του PlanarFET, το FinFET έχει γίνει άμεσα τρισδιάστατη σχεδίαση και τρισδιάστατη δομή. Το τρέχον κανάλι του γίνεται μια λεπτή κατακόρυφη φέτα σαν πτερύγιο ψαριού, που σφίγγεται με ένα περιτύλιγμα πύλης στις τρεις πλευρές. Με αυτόν τον τρόπο, υπάρχει ένα σχετικά ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο βελτιώνει την απόδοση του καναλιού ελέγχου και μπορεί να ελέγξει καλύτερα αν μπορούν να περάσουν ηλεκτρόνια. Η τεχνολογία συνεχίζει να εξελίσσεται και μέχρι να φτάσει τα 5nm, ούτε τα FinFET θα λειτουργούν. Εκείνη την εποχή, υπήρχε το GAAFET (Τρανζίστορ τεχνολογίας Wrap-Around Gate). Το πλήρες όνομα του GAAFET στα αγγλικά είναι Gate-All-Around FET. Σε σύγκριση με τα FinFET, το GAAFET μετατρέπει την πύλη και την αποχέτευση από τα πτερύγια σε "μικρά μπαστούνια" που περνούν κάθετα μέσα από την πύλη. Με αυτόν τον τρόπο, από τρεις έως τέσσερις επαφές, και επίσης χωρισμένο σε πολλές τετραπλές επαφές, βελτιώνεται περαιτέρω ο έλεγχος της πύλης του ρεύματος. Η Samsung της Νότιας Κορέας έχει επίσης σχεδιάσει μια άλλη μορφή GAA, το MBCFET (Multi-Bridge-Channel FET). Το MBCFET αντικαθιστά τα νανοσύρματα σε GAA με πολυστρωματικά νανοφύλλα και το μεγαλύτερο πλάτος της δομής του φύλλου αυξάνει την επιφάνεια επαφής, διατηρώντας παράλληλα όλα τα αρχικά πλεονεκτήματα ελαχιστοποιώντας την πολυπλοκότητα.

 

Επί του παρόντος, οι μεγάλες εταιρείες τσιπ στον κλάδο εξακολουθούν να ερευνούν σε βάθος την αναβάθμιση της μορφής των τρανζίστορ, προκειμένου να βρουν καλύτερες καινοτομίες για την υποστήριξη της ανάπτυξης της τεχνολογίας τσιπ στο μέλλον.

█ Eεπίλογος

Γενικά, είτε πρόκειται για σωλήνα ηλεκτρονίων (σωλήνας κενού) είτε για τρανζίστορ, είναι ένα μικρό εξάρτημα που χρησιμοποιεί ηλεκτρισμό για τον έλεγχο του ηλεκτρισμού. Τα τρανζίστορ βασίζονται σε υλικά ημιαγωγών, επομένως μπορούν να γίνουν αρκετά μικρά. Αυτός είναι ο λόγος που τα τσιπ (ολοκληρωμένα κυκλώματα) μπορούν να επιτύχουν «εξαιρετικά μικρό μέγεθος, μεγάλη ικανότητα». Οι ιδιότητες των ημιαγωγικών υλικών, καθώς και ο ρόλος των τρανζίστορ, φαίνονται πολύ απλοί. Είναι εκατοντάδες εκατομμύρια τέτοια απλά «gadgets» που υποστηρίζουν την ανάπτυξη της ανθρώπινης ψηφιακής τεχνολογίας και μας ωθούν προς την εποχή της ψηφιακής νοημοσύνης.