Halbleiter

A Halbleiter Material hat an elektrische Leitfähigkeit Wert zwischen dem von a Dirigent, wie metallisches Kupfer und ein Isolatorwie Glas. Es ist Widerstand fällt, wenn seine Temperatur steigt; Metalle verhalten sich auf die entgegengesetzte Weise. Es ist Leitung Eigenschaften können auf nützliche Weise durch Einführung von Verunreinigungen ("verändert werden ("Doping") in die Kristallstruktur. Wenn zwei unterschiedlich dotierte Regionen im selben Kristall existieren, a Semiconductor Junction geschaffen. Das Verhalten von Anklagekräfte, die einschließen Elektronen, Ionen, und Elektronenlöcheran diesen Kreuzungen ist die Grundlage von Dioden, Transistorenund modernste Elektronik. Einige Beispiele für Halbleiter sind Silizium, Germanium, Galliumarsenidund Elemente in der Nähe der sogenannten "Metalloid -Treppe" auf der Periodensystem. Nach dem Silizium ist Galliumarsenid der zweithäufigste Halbleiter und wird in Laserdioden, Solarzellen, Mikrowellenfrequenz verwendet integrierte Schaltkreise, und andere. Silizium ist ein kritisches Element für die Herstellung der meisten elektronischen Schaltungen.
Halbleiterbauelemente Kann eine Reihe nützlicher Eigenschaften anzeigen, wie z. B. den Strom leichter in eine Richtung als in die andere Richtung zu übergeben, einen variablen Widerstand zu zeigen und eine Empfindlichkeit gegenüber Licht oder Wärme zu haben. Da die elektrischen Eigenschaften eines Halbleitermaterials durch Dotierung und die Anwendung von elektrischen Feldern oder Lichten modifiziert werden können, können Geräte aus Halbleitern zur Verstärkung, des Schaltens und zur Verstärkung verwendet werden. Energieumwandlung.
Die Leitfähigkeit von Silizium wird durch Hinzufügen einer geringen Menge (in der Größenordnung von 1 zu 10 erhöht8) von Pentavalent (Antimon, Phosphor, oder Arsen) oder dreifellos (Bor, Gallium, Indium) Atome. Dieser Prozess ist als Doping bekannt, und die resultierenden Halbleiter sind als dotierte oder extrinsische Halbleiter bekannt. Abgesehen von der Dotierung kann die Leitfähigkeit eines Halbleiters durch Erhöhen seiner Temperatur verbessert werden. Dies steht im Widerspruch zum Verhalten eines Metalls, bei dem die Leitfähigkeit mit einer Temperaturanstieg abnimmt.
Das moderne Verständnis der Eigenschaften eines Halbleiters hängt davon ab Quantenphysik Erklären Sie die Bewegung von Ladungsträgern in a Kristallgitter.[1] Das Dotieren erhöht die Anzahl der Ladungsträger im Kristall erheblich. Wenn ein dotierter Halbleiter freie Löcher enthält, wird er genannt ""P-Typ", und wenn es freie Elektronen enthält, ist es als" bekannt "N-Typ"Die in elektronischen Geräten verwendeten Halbleitermaterial Kristall Kann viele Regionen vom Typ p- und n-Typ haben; das P -N -Übergänge Zwischen diesen Regionen sind für das nützliche elektronische Verhalten verantwortlich. Verwendung einer HeißpunktsondeMan kann schnell bestimmen, ob eine Halbleiterprobe P- oder N-Typ ist.[2]
Einige der Eigenschaften von Halbleitermaterialien wurden während der Mitte des 19. und der ersten Jahrzehnte des 20. Jahrhunderts beobachtet. Die erste praktische Anwendung von Halbleitern in der Elektronik war die Entwicklung der 1904 der 1904 Katzen-Whisker-Detektor, eine primitive Halbleiterdiode, die früh verwendet wurde Radio Empfänger. Entwicklungen in der Quantenphysik führten wiederum zur Erfindung der Transistor 1947,[3] Der integrierte Schaltkreis im Jahr 1958.
Eigenschaften
Variable elektrische Leitfähigkeit
Halbleiter in ihrem natürlichen Zustand sind arme Leiter, weil a aktuell erfordert den Elektronenfluss und Halbleiter haben ihre Valenzbänder gefüllt, verhindern den gesamten Fluss neuer Elektronen. Mehrere entwickelte Techniken ermöglichen es halbleitenden Materialien, sich wie leitende Materialien wie leitende Materialien zu verhalten, wie z. Doping oder Gating. Diese Modifikationen haben zwei Ergebnisse: N-Typ und P-Typ. Diese beziehen sich auf den Überschuss oder den Mangel an Elektronen. Eine ausgewogene Anzahl von Elektronen würde dazu führen, dass ein Strom durch das Material fließt.[4]
Heterojunktionen
Heterojunktionen treten auf, wenn zwei unterschiedlich dotierte halbleitende Materialien verbunden sind. Beispielsweise könnte eine Konfiguration aus P-Dotier und n-dotiert bestehen Germanium. Dies führt zu einem Austausch von Elektronen und Löchern zwischen den unterschiedlich dotierten halbleitenden Materialien. Das N-dotierte Germanium würde einen Überschuss an Elektronen haben, und das P-Dot-Germanium würde einen Überschuss an Löchern haben. Die Übertragung tritt auf, bis ein Gleichgewicht durch einen genannten Prozess erreicht wird Rekombination, was dazu führt, dass die wandernden Elektronen aus dem N-Typ mit den wandernden Löchern aus dem P-Typ in Kontakt kommen. Das Ergebnis dieses Prozesses ist ein schmaler Streifen unbeweglich Ionenwas verursacht eine elektrisches Feld über die Kreuzung.[1][4]
Aufgeregte Elektronen
Ein Unterschied im elektrischen Potential in einem halbleitenden Material würde dazu führen, dass es das thermische Gleichgewicht verlässt und eine Nichtgleichgewichtssituation erzeugt. Dadurch werden Elektronen und Löcher in das System eingeführt, die über einen genannten Prozess interagieren Ambipolare Diffusion. Immer wenn das thermische Gleichgewicht in einem halbleitenden Material gestört wird, ändert sich die Anzahl der Löcher und Elektronen. Solche Störungen können aufgrund einer Temperaturdifferenz auftreten oder Photonen, die das System betreten und Elektronen und Löcher erstellen können. Der Prozess, der Elektronen und Löcher erstellt und vernichtet, werden genannt Generation und Rekombination.[4]
Lichtemission
In bestimmten Halbleitern können angeregte Elektronen sich entspannen, indem sie Licht emittieren, anstatt Wärme zu erzeugen.[5] Diese Halbleiter werden beim Bau von verwendet Leuchtdioden und fluoreszierend Quantenpunkte.
Hohe thermische Leitfähigkeit
Halbleiter mit hoher thermischer Leitfähigkeit können zur Wärmeableitung und zur Verbesserung des thermischen Managements der Elektronik eingesetzt werden.
Wärmeenergieumwandlung
Halbleiter haben groß Thermoelektrische Leistungsfaktoren sie nützlich machen in Thermoelektrische Generatorensowie hoch thermoelektrische Verdienstfiguren sie nützlich machen in Thermoelektrische Kühler.[6]
Materialien

Eine große Anzahl von Elementen und Verbindungen hat halbleitende Eigenschaften, darunter:[7]
- Bestimmte reine Elemente finden sich in Gruppe 14 des Periodensystem; Die kommerziell wichtigsten dieser Elemente sind Silizium und Germanium. Silizium und Germanium werden hier effektiv verwendet, weil sie 4 Valenzelektronen in ihrer äußersten Hülle haben, was ihnen die Fähigkeit gibt, gleichzeitig Elektronen zu gewinnen oder zu verlieren.
- Binäre Verbindungeninsbesondere zwischen Elementen in den Gruppen 13 und 15, wie z. Galliumarsenid, Gruppen 12 und 16, Gruppen 14 und 16 und zwischen verschiedenen Gruppe-14-Elementen, z. Siliziumkarbid.
- Bestimmte ternäre Verbindungen, Oxide und Legierungen.
- Organische Halbleiter, gemacht aus organische Verbindungen.
- Halbleiter Metall -organische Frameworks.[8][9]
Die häufigsten halbleitenden Materialien sind kristalline Feststoffe, aber aber amorph Auch flüssige Halbleiter sind bekannt. Diese beinhalten Hydriertes amorphes Silizium und Gemische von Arsen, Selen, und Tellur in einer Vielzahl von Proportionen. Diese Verbindungen teilen sich mit besser bekannten Halbleitern die Eigenschaften der Zwischenleitfähigkeit und eine schnelle Variation der Leitfähigkeit mit Temperatur sowie gelegentlich negativer Widerstand. Solche ungeordneten Materialien fehlen die starren kristallinen Struktur herkömmlicher Halbleiter wie Silizium. Sie haben im Allgemeinen in verwendet dünner Film Strukturen, die kein Material von höherer elektronischer Qualität erfordern, sind relativ unempfindlich gegenüber Verunreinigungen und Strahlungsschäden.
Herstellung von Halbleitermaterialien
Fast die gesamte elektronische Technologie von heute beinhaltet den Einsatz von Halbleitern, wobei der wichtigste Aspekt der ist Integrierter Schaltkreis (IC), die in gefunden werden in Desktops, Laptops, Scanner, Handysund andere elektronische Geräte. Halbleiter für ICs werden in Massenproduktion hergestellt. Um ein ideales halbleitendes Material zu erzeugen, ist die chemische Reinheit von größter Bedeutung. Jede kleine Unvollkommenheit kann sich drastisch darauf auswirken, wie sich das halbleitende Material aufgrund der Skala, in der die Materialien verwendet werden, verhält.[4]
Ein hoher Grad an kristallinen Perfektion ist ebenfalls erforderlich, da Fehler in der Kristallstruktur (wie z. Versetzungen, Zwillinge, und Stapelfehler) stören die halbleitenden Eigenschaften des Materials. Kristalline Fehler sind eine Hauptursache für fehlerhafte Halbleitergeräte. Je größer der Kristall ist, desto schwieriger ist es, die notwendige Perfektion zu erreichen. Aktuelle Massenproduktionsprozesse verwenden Kristall Barge zwischen 100 und 300 mm (3,9 und 11,8 Zoll) im Durchmesser, als Zylinder gewachsen und in geschnitten Wafer.
Es gibt eine Kombination von Prozessen, die zur Herstellung von Halbleitermaterialien für ICs verwendet werden. Ein Prozess wird genannt Wärmeoxidation, was bildet Siliciumdioxid auf der Oberfläche der Silizium. Dies wird als verwendet Gate -Isolator und Feldoxid. Andere Prozesse werden genannt Fotomaschs und Photolithographie. Dieser Vorgang erzeugt die Muster auf der Schaltung im integrierten Schaltkreis. Ultraviolettes Licht wird zusammen mit a verwendet Photoresist Schicht, um eine chemische Änderung zu erzeugen, die die Muster für den Schaltkreis erzeugt.[4]
Das Ätzen ist der nächste Prozess, der erforderlich ist. Der Teil des Siliziums, der nicht von der bedeckt war Photoresist Die Ebene aus dem vorherigen Schritt kann jetzt geätzt werden. Der heutige Hauptprozess wird genannt Plasmaetching. Plasmaetching beinhaltet normalerweise eine Ätzgase in einer Niederdruckkammer gepumpt, um zu erzeugen Plasma. Ein gemeinsames Ätzgas ist Chlorfluorkohlenwasserstoffoder allgemein bekannt Freon. Ein hoch Radiofrequenz Stromspannung zwischen den Kathode und Anode ist das, was das Plasma in der Kammer schafft. Das Siliziumwafer befindet sich auf der Kathode, wodurch sie von den positiv geladenen Ionen getroffen werden, die aus dem Plasma freigesetzt werden. Das Ergebnis ist Silizium, das geätzt wird anisotrop.[1][4]
Der letzte Prozess heißt Diffusion. Dies ist der Prozess, der dem halbleitenden Material seine gewünschten halbleitenden Eigenschaften verleiht. Es ist auch als bekannt als als Doping. Der Prozess führt ein unreines Atom in das System ein, das das erstellt P - N Junction. Um die unreinen Atome in den Siliziumwafer eingebettet zu haben, wird der Wafer zuerst in eine Celsius -Kammer von 1.100 Grad eingesetzt. Die Atome werden eingespritzt und schließlich mit dem Silizium diffundiert. Nach Abschluss des Prozesses und das Silizium hat die Raumtemperatur erreicht, der Dotierungsprozess erfolgt und das halbleitende Material ist bereit, in einem integrierten Schaltkreis verwendet zu werden.[1][4]
Physik der Halbleiter
Energiebänder und elektrische Leitung

Halbleiter werden durch ihr einzigartiges elektrisches Leitverhalten definiert, irgendwo zwischen einem Leiter und einem Isolator.[10] Die Unterschiede zwischen diesen Materialien können in Bezug auf die verstanden werden Quantenzustände für Elektronen, von denen jedes Null oder ein Elektron (nach dem enthält Pauli -Ausschlussprinzip). Diese Zustände sind mit dem verbunden elektronische Bandstruktur des Materials. Elektrische Leitfähigkeit entsteht aufgrund des Vorhandenseins von Elektronen in Staaten, die sind delokalisiert (Durch das Material erstrecken), um Elektronen zu transportieren, muss ein Zustand sein Teilweise gefülltnur Teil der Zeit ein Elektron.[11] Wenn der Staat immer mit einem Elektron beschäftigt ist, ist er inert, was den Durchgang anderer Elektronen über diesen Zustand blockiert. Die Energien dieser Quantenzustände sind kritisch, da ein Staat teilweise nur dann gefüllt ist, wenn seine Energie in der Nähe der Fermi -Spiegel (sehen Fermi -Dirac -Statistik).
Eine hohe Leitfähigkeit des Materials kommt davon, dass es viele teilweise gefüllte Zustände und viele staatliche Delokalisierung hat. Metalle sind gut Elektrikleiter und haben viele teilweise gefüllte Zustände mit Energien in der Nähe ihres Fermi -Niveaus.IsolatorenIm Gegensatz dazu sitzen nur wenige teilweise gefüllte Zustände, ihre Fermi -Werte sitzen innerhalb Bandlücken mit wenigen Energiezuständen zu besetzen. Wichtig ist, dass ein Isolator durch Erhöhen seiner Temperatur durchgeführt werden kann: Heizung bietet Energie, um einige Elektronen im gesamten Bandlücken zu fördern, was in beiden Staaten unter der Bandlücke teilweise gefüllte Zustände induziert (Valenzband) und die Bande der Zustände über dem Bandgap (Leitungsband). Ein (intrinsischer) Halbleiter hat eine Bandlücke, die kleiner ist als die eines Isolators, und bei Raumtemperatur können eine erhebliche Anzahl von Elektronen angeregt werden, um die Bandlücke zu überschreiten.[12]
Ein reiner Halbleiter ist jedoch nicht sehr nützlich, da er weder ein sehr guter Isolator noch ein sehr guter Leiter ist. Ein wichtiges Merkmal von Halbleitern (und einigen Isolatoren, bekannt als Semi-Insulatoren) ist, dass ihre Leitfähigkeit erhöht und kontrolliert werden kann durch Doping mit Verunreinigungen und Gating mit elektrischen Feldern. Doping und Gating bewegen sich entweder das Leitungs- oder Valenzband, das sich viel näher am Fermi -Niveau nähert und die Anzahl der teilweise gefüllten Zustände erheblich erhöht.
Etwas Breitere Bandgap-Halbleiter Materialien werden manchmal als bezeichnet Semi-Insulatoren. Wenn diese undotiert sind, haben diese elektrische Leitfähigkeit näher an der von elektrischen Isolatoren, können jedoch dotiert werden (sie werden so nützlich wie Halbleiter). Semi-Insulatoren finden Nischenanwendungen in Mikroelektronik wie Substrate für Hemt. Ein Beispiel für einen gemeinsamen Semiinator ist Galliumarsenid.[13] Einige Materialien wie z. Titandioxid, kann sogar als Isoliermaterial für einige Anwendungen verwendet werden, während sie als Weitspannungs-Halbleiter für andere Anwendungen behandelt werden.
Ladungsträger (Elektronen und Löcher)
Die teilweise Füllung der Zustände am unteren Rand des Leitungsbandes kann als Hinzufügen von Elektronen zu diesem Band verstanden werden. Die Elektronen bleiben nicht auf unbestimmte Zeit (aufgrund der natürlichen Wärme Rekombination) Aber sie können sich für einige Zeit bewegen. Die tatsächliche Elektronenkonzentration ist typischerweise sehr verdünnt, und so ist es (im Gegensatz zu Metallen) möglich, sich die Elektronen im Leitungsband eines Halbleiters als eine Art Klassiker vorzustellen ideales Gas, wo die Elektronen frei herumfliegen, ohne dem ausgesetzt zu sein Pauli -Ausschlussprinzip. In den meisten Halbleitern haben die Leitungsbänder einen Parabolen Dispersionsbeziehungund so reagieren diese Elektronen auf Kräfte (elektrisches Feld, Magnetfeld usw.), so wie sie es in einem Vakuum tun würden, wenn auch mit einem anderen Effektive Masse.[12] Da sich die Elektronen wie ein ideales Gas verhalten, kann man auch in sehr simplen Begriffen wie das überlegen, wie die Drude -Modellund stellen Konzepte wie ein, z. Elektronenmobilität.
Für eine teilweise Füllung oben im Valenzband ist es hilfreich, das Konzept eines Eins vorzustellen Elektronenloch. Obwohl sich die Elektronen im Valenzband immer bewegen, ist ein völlig volles Valenzband inert, ohne dass Strom führt. Wenn ein Elektron aus dem Valenzband entnommen wird, fehlt die Flugbahn, die das Elektron normalerweise genommen hätte, jetzt seine Ladung. Für die Zwecke des elektrischen Stroms kann diese Kombination des vollen Valenzbandes abzüglich des Elektrons in ein Bild eines vollständig leeren Bandes umgewandelt werden, das ein positiv geladenes Teilchen enthält, das sich auf die gleiche Weise wie das Elektron bewegt. Kombiniert mit dem Negativ Effektive Masse der Elektronen oben im Valenzband, wir kommen zu einem Bild eines positiv geladenen Teilchens, das auf elektrische und magnetische Felder reagiert, genau wie ein normales positiv geladenes Teilchen in einem Vakuum, wiederum mit einer gewissen positiven effektiven Masse.[12] Dieses Teilchen wird als Loch bezeichnet, und die Sammlung von Löchern im Valenzband kann wieder in einfachen klassischen Begriffen verstanden werden (wie bei den Elektronen im Leitungsband).
Trägergenerierung und -rekombination
Wann ionisierende Strahlung Schläft auf einen Halbleiter, es kann ein Elektron aus seinem Energieniveau herausregen und folglich ein Loch hinterlassen. Dieser Prozess ist als bekannt als Elektronenlochpaarerzeugung. Elektronenlochpaare werden ständig aus erzeugt Wärmeenergie Auch ohne externe Energiequelle.
Elektronenlochpaare sind ebenfalls zur Rekombination geeignet. Energieerhaltung verlangt, dass diese Rekombinationsereignisse, bei denen ein Elektron eine Menge an verliert Energie größer als die Bandabstand, begleitet von der Emission von thermischer Energie (in Form von Phononen) oder Strahlung (in Form von Photonen).
In einigen Staaten sind die Erzeugung und Rekombination von Elektronenlochpaaren in Equipoise. Die Anzahl der Elektronenlochpaare in der Gleichgewichtszustand bei einer bestimmten Temperatur wird durch bestimmt Quantenstatistische Mechanik. Genauige Quantenmechanik Mechanismen der Erzeugung und Rekombination unterliegen der Energieerhaltung und Impulserhaltung.
Da die Wahrscheinlichkeit, dass sich Elektronen und Löcher zusammen treffen Typen oder bewegen Sie sie aus Nachbarregionen, die mehr von ihnen enthalten, um sie zusammen zu treffen) oder extern angetriebene Paarerzeugung. Das Produkt ist eine Funktion der Temperatur, da die Wahrscheinlichkeit, ausreichend thermischer Energie zu erhalten, um ein Paar mit Temperatur zu erzeugen, ungefähr exp ( -EG/kt), wo k ist Boltzmanns Konstante, T ist die absolute Temperatur und EG ist Bandgap.
Die Wahrscheinlichkeit eines Treffens wird durch Trägerfallen erhöht - Verunreinigungen oder Versetzungen, die ein Elektron oder Loch fangen und halten können, bis ein Paar abgeschlossen ist. Solche Trägerfallen werden manchmal absichtlich hinzugefügt, um die Zeit zu verkürzen, die für den stationären Zustand erforderlich ist.[14]
Doping
Die Leitfähigkeit von Halbleitern kann leicht modifiziert werden, indem Verunreinigungen in sie eingeführt werden Kristallgitter. Der Prozess des Hinzufügens kontrollierter Verunreinigungen zu einem Halbleiter ist bekannt als Doping. Die Menge an Verunreinigung oder Dotierung zu einer hinzugefügt zu einem intrinsisch (rein) Semiconductor variiert das Leitfähigkeitsniveau.[15] Dotierte Halbleiter werden als bezeichnet als extrinsisch.[16] Durch Hinzufügen von Unreinheiten zu den reinen Halbleitern kann die elektrische Leitfähigkeit durch Faktoren von Tausenden oder Millionen variieren.[17]
A 1 cm3 Das Exemplar eines Metalls oder Halbleiters hat die Reihenfolge von 1022 Atome.[18] In einem Metall spendet jedes Atom mindestens ein freies Elektron für die Leitung, somit 1 cm3 von Metall enthält in der Größenordnung von 1022 freie Elektronen,[19] während ein 1 cm3 Probe von reinem Germanium bei 20 ° C enthält ungefähr 4.2×1022 Atome, aber nur 2.5×1013 freie Elektronen und 2.5×1013 Löcher. Die Zugabe von 0,001% von Arsen (eine Unreinheit) spendet ein Extra 1017 freie Elektronen im gleichen Volumen und die elektrische Leitfähigkeit wird um einen Faktor von erhöht 10.000.[20][21]
Die als geeigneten Dotiermittel ausgewählten Materialien hängen von den Atomeigenschaften sowohl des Dotierstoffs als auch des zu dotierenden Materials ab. Im Allgemeinen werden Dotiermittel, die die gewünschten kontrollierten Änderungen erzeugen Akzeptoren oder Spender. Halbleiter dotiert mit Spender Verunreinigungen werden genannt N-Typ, während diejenigen dotiert sind Akzeptor Verunreinigungen sind als bekannt als als P-Typ. Die Bezeichnungen vom N- und P -Typ geben an, welcher Ladungsträger als Material fungiert Mehrheitsbetreiber. Der gegenüberliegende Träger heißt die Minderheitsbetreiber, was aufgrund einer thermischen Anregung bei einer viel niedrigeren Konzentration im Vergleich zum Mehrheitsbetreiber besteht.[22]
Zum Beispiel der reine Halbleiter Silizium hat vier Valenzelektronen, die jedes Siliziumatom an seine Nachbarn verbinden.[23] In Silizium sind die häufigsten Dotiermittel Gruppe III und Gruppe v Elemente. Elemente der Gruppe III enthalten alle drei Valenzelektronen, wodurch sie als Akzeptoren fungieren, wenn sie zum Dope von Silizium verwendet werden. Wenn ein Akzeptoratom ein Siliziumatom im Kristall ersetzt, wird ein leerer Zustand (ein Elektronenloch ") erzeugt, das sich um das Gitter bewegen und als Ladungsträger fungieren kann. Die Elemente der Gruppe V haben fünf Valenzelektronen, die es ihnen ermöglichen, als Spender zu fungieren. Die Substitution dieser Atome durch Silizium erzeugt ein zusätzliches freies Elektron. Daher ist ein Siliziumkristall mit Dotierung mit Bor schafft einen P-Typ-Halbleiter, während einer mit einem Dotieren mit Phosphor führt zu einem N-Typ-Material.[24]
Während Herstellung, Dotiermittel können durch Kontakt mit gasförmigen Verbindungen des gewünschten Elements in den Halbleiterkörper diffundiert werden, oder Ionenimplantation Kann verwendet werden, um die dotierten Regionen genau zu positionieren.
Amorphe Halbleiter
Einige Materialien haben, wenn sie schnell zu einem glasigen amorphen Zustand gekühlt werden, halbleitende Eigenschaften. Dazu gehören B, Si, Ge, Se und Te, und es gibt mehrere Theorien, die sie erklären.[25][26]
Frühgeschichte der Halbleiter
Die Geschichte des Verständnisses von Halbleitern beginnt mit Experimenten über die elektrischen Eigenschaften von Materialien. Die Eigenschaften des Zeittemperaturkoeffizienten der Resistenz, der Korrektur und der Lichtempfindlichkeit wurden ab dem frühen 19. Jahrhundert beobachtet.

Thomas Johann Seebeck war der erste, der eine bemerkte Wirkung aufgrund von Halbleitern im Jahr 1821.[27] 1833, Michael Faraday berichteten, dass der Widerstand von Exemplaren von Silbersulfid nimmt ab, wenn sie erhitzt werden. Dies steht im Widerspruch zum Verhalten von metallischen Substanzen wie Kupfer. Im Jahr 1839, Alexandre Edmond Becquerel berichteten Photovoltaik -Effekt. Im Jahr 1873, Willoughby Smith beobachtete das Selen Widerstände Zeigen Sie einen abnehmenden Widerstand, wenn Licht auf sie fällt. 1874, Karl Ferdinand Braun beobachtete Leitung und Berichtigung in metallisch SulfideObwohl dieser Effekt von Peter Munck af Rosenschold (SV) viel früher entdeckt worden war, schrieb sie 1835 für die Annalen der Physik und Chemie.[28] und Arthur Schuster fanden heraus, dass eine Kupferoxidschicht auf Drähten Korrektureigenschaften aufweist, die aufhören, wenn die Drähte gereinigt werden. William Grylls Adams und Richard Evans Day beobachtete den Photovoltaik -Effekt in Selen 1876.[29]
Eine einheitliche Erklärung dieser Phänomene erforderte eine Theorie von Festkörperphysik, die sich in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts stark entwickelte. 1878 Edwin Herbert Hall zeigte die Ablenkung fließender Ladungsträger durch ein angelegtes Magnetfeld, das Hall-Effekt. Die Entdeckung der Elektron durch J.J. Thomson 1897 veranlasste es Theorien der elektronenbasierten Leitung bei Festkörpern. Karl BaedekerDurch die Beobachtung eines Hall -Effekts mit dem umgekehrten Vorzeichen in Metallen theoretisierte das Kupferjodid positive Ladungsträger. Johan Koenigsberger klassifizierte 1914 feste Materialien wie Metalle, Isolatoren und "variable Dirigenten", obwohl sein Student Josef Weiss den Begriff bereits vorgestellt hat Halbler (ein Halbleiter in der modernen Bedeutung) in seiner Doktorarbeit. These im Jahr 1910.[30][31] Felix Bloch veröffentlichte 1928 eine Theorie der Bewegung von Elektronen durch Atomgitter. 1930 erklärte B. Gudden, dass die Leitfähigkeit in Halbleitern auf geringfügige Konzentrationen von Verunreinigungen zurückzuführen sei. Bis 1931 war die Bandtheorie der Leitung von festgelegt worden von Alan Herries Wilson und das Konzept der Bandlücken wurde entwickelt. Walter H. Schottky und Nevill Francis Mott entwickelte Modelle der potenziellen Barriere und der Eigenschaften von a Metall -Semedonductor -Übergang. Bis 1938 hatte Boris Davydov eine Theorie des Kupferoxidgleichrichters entwickelt, in dem die Wirkung des P - N Junction und die Bedeutung von Minderheitenträgern und Oberflächenzuständen.[28]
Die Übereinstimmung zwischen theoretischen Vorhersagen (basierend auf der Entwicklung der Quantenmechanik) und experimentellen Ergebnissen war manchmal schlecht. Dies wurde später durch erklärt von John Bardeen wie auf das extreme "strukturempfindliche" Verhalten von Halbleitern, deren Eigenschaften sich dramatisch ändern, basierend auf winzigen Mengen an Verunreinigungen.[28] Kommerziell reine Materialien der 1920er Jahre, die unterschiedliche Anteile von Spurenverschmutzungen enthielten, führten zu unterschiedlichen experimentellen Ergebnissen. Dies führte zur Entwicklung verbesserter materieller Raffinerie-Techniken und gipfelte in modernen Halbleiterraffinerien, die Materialien mit Teilen pro Billion Reinheit produzieren.
Geräte mit Halbleitern wurden zunächst auf der Grundlage empirischer Kenntnisse konstruiert, bevor die Halbleitertheorie einen Leitfaden für die Konstruktion fähigerer und zuverlässigerer Geräte lieferte.
Alexander Graham Bell verwendete die lichtempfindliche Eigenschaft von Selen zu Klang übertragen über einen Lichtstrahl im Jahr 1880. Eine funktionierende Solarzelle mit geringer Effizienz wurde durch konstruiert Charles Fritts 1883 unter Verwendung einer mit Selen beschichteten Metallplatte und einer dünnen Goldschicht; Das Gerät wurde in den 1930er Jahren in fotografischen Lichtmesser kommerziell nützlich.[28] Aus Bleisulfid bestehende Punktkontaktmikrowellendetektor-Gleichrichter wurden verwendet Jagadisch Chandra Bose im Jahr 1904; das Katzen-Whisker-Detektor Die Verwendung von natürlichen Galena oder anderen Materialien wurde zu einem gemeinsamen Gerät in der Entwicklung von Radio. Es war jedoch etwas unvorhersehbar im Betrieb und erforderte manuelle Anpassung für die beste Leistung. Im Jahr 1906, H.J. beobachtete Lichtemission, wenn der elektrische Strom durchlief Siliziumkarbid Kristalle, das Prinzip hinter dem Leuchtdiode. Oleg Losev beobachtete 1922 eine ähnliche Lichtemission, aber zu dem Zeitpunkt, als der Effekt keine praktische Verwendung hatte. In den 1920er Jahren wurden mit Kupferoxid und Selen Kraftgleichrichter unter Verwendung von Kupferoxid und Selen entwickelt und wurden als Alternative zu kommerziell wichtig Vakuumröhre Gleichrichter.[29][28]
Der Erste Halbleiterbauelemente Gebraucht Galena, einschließlich Deutsch Physiker Ferdinand Braun Kristalldetektor 1874 und bengalischer Physiker Jagadisch Chandra Bose's's Radio Kristalldetektor 1901.[32][33]
In den Jahren vor dem Zweiten Weltkrieg veranlassten die Geräte zur Erkennung von Infrarot- und Kommunikationen zu Forschungen zu Blei-Sulfid- und Blei-Selenid-Materialien. Diese Geräte wurden zum Erkennen von Schiffen und Flugzeugen, für Infrarot -Entfernungsfinder und für Sprachkommunikationssysteme verwendet. Der Point-Contact-Kristalldetektor wurde für Mikrowellen-Funksysteme von entscheidender Bedeutung, da verfügbare Vakuumrohrgeräte nicht als Detektoren über etwa 4000 MHz dienen konnten. Fortgeschrittene Radarsysteme stützten sich auf die schnelle Reaktion von Kristalldetektoren. Beträchtliche Forschung und Entwicklung von Silizium Materialien traten während des Krieges auf, um Detektoren von konsistenter Qualität zu entwickeln.[28]
Frühe Transistoren
Detektor- und Leistungsrichter konnten ein Signal nicht verstärken. Es wurden viele Anstrengungen unternommen, um einen Festkörperverstärker zu entwickeln, und waren erfolgreich bei der Entwicklung eines Geräts namens The Punktkontakttransistor Dies könnte 20 dB oder mehr verstärken.[34] Im Jahr 1922, Oleg Losev entwickelte zwei terminale, negativer Widerstand Verstärker für Radio, aber er stand in der Belagerung von Leningrad Nach erfolgreicher Fertigstellung. Im Jahr 1926, Julius Edgar Lilienfeld patentierte ein Gerät, das a ähnelte a Feldeffekttransistor, aber es war nicht praktisch. R. Hilsch und R. W. Pohl im Jahr 1938 zeigten einen Festkörperverstärker unter Verwendung einer Struktur, die dem Kontrollgitter eines Vakuumrohrs ähnelt. Obwohl das Gerät Leistungsverstärkung ansah, hatte es eine Grenzfrequenz von einem Zyklus pro Sekunde zu niedrig für praktische Anwendungen, aber eine effektive Anwendung der verfügbaren Theorie.[28] Bei Bell Labs, William Shockley und A. Holden begann 1938 mit der Untersuchung von Festkörperverstärkern Russell Ohl um 1941, als festgestellt wurde, dass ein Exemplar hellempfindlich war, mit einer scharfen Grenze zwischen der Verunreinigung vom p-Typ an einem Ende und dem N-Typ am anderen. Ein aus der Probe an der P -N -Grenze geschnittener Scheiben entwickelte eine Spannung, wenn sie Licht ausgesetzt war.
Die erste Arbeit Transistor war ein Punktkontakttransistor erfunden von John Bardeen, Walter Houser Brattain, und William Shockley in Bell Labs im Jahr 1947. Shockley hatte früher a theoretisiert a Feldeffektverstärker Hergestellt aus Germanium und Silizium, aber er konnte ein solches Arbeitsgerät nicht bauen, bevor er schließlich Germanium zur Erfindung des Point-Contact-Transistors verwendete.[35] In Frankreich während des Krieges, Herbert Mataré hatte eine Amplifikation zwischen benachbarten Punktkontakten auf einer Germaniumbasis beobachtet. Nach dem Krieg kündigte Matarés Gruppe ihre an “Transpon"Verstärker erst kurz nachdem Bell Labs das angekündigt hat"Transistor".
Im Jahr 1954, Physikalischer Chemiker Morris Tanenbaum Herstellung des ersten Siliziums Junction Transistor bei Bell Labs.[36] Jedoch früh Junction -Transistoren waren relativ sperrige Geräte, die auf a schwer zu produzieren waren Massenproduktion Basis, die sie auf eine Reihe spezialisierter Anwendungen beschränkte.[37]
Siehe auch
- Deathnium
- Herstellung von Halbleitervorrichtungen
- Halbleiterindustrie
- Halbleitercharakterisierungstechniken
- Transistorzahl
Verweise
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Weitere Lektüre
- A. A. Balandin & K. L. Wang (2006). Handbuch der Halbleiter-Nanostrukturen und Nanodevices (5-Volum-Set). Amerikanische wissenschaftliche Verlage. ISBN 978-1-58883-073-9.
- Sze, Simon M. (1981). Physik der Halbleitergeräte (2. Aufl.). John Wiley und Söhne (Wie). ISBN 978-0-471-05661-4.
- Turley, Jim (2002). Der wesentliche Leitfaden für Halbleiter. Prentice Hall PTR. ISBN 978-0-13-046404-0.
- Yu, Peter Y.; Cardona, Manuel (2004). Grundlagen der Halbleiter: Physik und Materialeigenschaften. Springer. ISBN 978-3-540-41323-3.
- Sadao Adachi (2012). Das Handbuch über optische Konstanten von Halbleitern: in Tabellen und Figuren. World Scientific Publishing. ISBN 978-981-4405-97-3.
- G. B. Abdullayev, T. D. Dzhaafarov, S. Torstveit (Übersetzer), Atomdiffusion in Halbleiterstrukturen, Gordon & Breach Science Pub., 1987 ISBN978-2-88124-152-9
Externe Links
- Feynmans Vortrag über Halbleiter
- Wie Halbleiter funktionieren, Wie Dinge funktionieren
- Halbleiterkonzepte bei Hyperphysik
- Rechner für die Intrinsische Trägerkonzentration in Silizium
- US Navy Electrical Engineering Training Series Archiviert 2004-06-06 am Wayback -Maschine
- NSM-Archive Physikalische Eigenschaften von Halbleitern]
- Semiconductor Herstellerliste
- ABAKUS: Einführung in Halbleitergeräte - von Gerhard Klimeck und Dragica Vasieska, Online -Lernressource mit Simulationstools auf Nanohub
- Organische Halbleiter Seite
- DOITPOMS-LEIGNUNG UND LERN-PAKET- "Einführung in Halbleiter"
- Das virtuelle Museum der Halbleiterorganisationen