Kako rade poluprovodnički čipovi?

0020-42285 PLOČA, BLOKER 8" EC WXZ

0010-35756 CVD Cooldown Chamber Assy

█ Vakumska cijev (elektronska cijev)

Edisonov efekat

Godine 1883., poznati pronalazač Thomas Edison uočio je čudan fenomen tokom eksperimenta. U to vrijeme provodio je test životnog vijeka filamenta (karbonske niti). Pored filamenta je postavio bakrenu žicu, ali bakarna žica nije bila pričvršćena ni za jednu od elektroda. To jest, bakarna žica nije pod naponom.

Nakon što se karbonska nit normalno napaja, ona počinje svijetliti i grijati. Nakon nekog vremena, Edison je isključio napajanje. Slučajno je otkrio da se i na bakrenoj žici stvorila električna struja.

Edison nije mogao da objasni razlog za ovaj fenomen, ali, kao pronicljivom "biznismenu", prvo što mu je palo na pamet bilo je da patentira otkriće. On je ovu pojavu nazvao i "Edisonov efekat".

Sada znamo da je suština "Edisonovog efekta" emisija toplotnih elektrona. Odnosno, kada se filament zagrije, elektroni na površini postaju aktivni i "pobjegnu", a kao rezultat toga ih hvata metalna bakarna žica, koja stvara električnu struju.

Kada je Edison podnio zahtjev za patent, nije razmišljao o korištenju efekta i stavio ga na policu.

Godine 1884. engleski fizičar John Ambrose Fleming posjetio je Sjedinjene Države kako bi se sastao s Edisonom. Edison je pokazao Flemingu Edisonov efekat i ostavio veliki utisak na Fleminga.

 

弗莱明

Diode

Do trenutka kada je Fleming zapravo koristio ovaj efekat, prošlo je više od jedne decenije kasnije. Godine 1901. Guglielmo Marconi, izumitelj bežične telegrafije, pokrenuo je eksperimente s dalekometnom radio komunikacijom preko Atlantika. Fleming se pridružio eksperimentu kako bi pomogao u poboljšanju prijema bežičnog signala. Jednostavno rečeno, to je proučavanje kako detektovati signal na prijemnoj strani i pojačati signal tako da se signal može savršeno interpretirati.放大Svi razumiju signal, pa šta je signal za detekciju?

Takozvana detekcija signala je zapravo skrining signala. Signal koji antena prima je veoma neuredan, a ima i svih vrsta signala. Signali koji su nam zaista potrebni (signali određene frekvencije) koje treba "filtrirati" iz ovih pretrpanih signala, a to je detekcija.

Da bi se postigla detekcija, ključna je jednosmjerna provodljivost (jednosmjerna provodljivost). Bežični magnetni talasi su visokofrekventne oscilacije, do stotine hiljada puta u sekundi. Indukovana struja koju generiše bežični elektromagnetski val također se mijenja sa "pozitivno, negativno, pozitivno, negativno", ako ovu struju koristimo za pokretanje slušalice, jedan pozitivan i jedan negativan je nula, a slušalica neće moći precizno identificirati signal.

Kod jednosmjerne vodljivosti, negativni poluciklus sinusnog vala je nestao, svi su pozitivni, a smjer struje je isti. Filtriranjem visokih frekvencija, slušalice mogu lako osjetiti promjene struje.

 

去掉负半周,电流方向变成一致的,容易解读

Da bi detektovao signal, Fleming je razmišljao o "Edisonovom efektu" - da li bi se mogao dizajnirati novi tip detektora na osnovu protoka elektrona iz Edisonovog efekta? Na taj način je 1904. godine pod Flemingovim rukama rođena prva vakuumska elektronska dioda na svijetu. U to vrijeme ova dioda se zvala i "Fleming ventil". (Vakumska cijev, poznata i kao elektronska cijev, ponekad se naziva i "žučni kanal".) )

弗莱明发明的2极管

Flemingova dioda, struktura je zapravo vrlo jednostavna, odnosno u vakuumsku staklenu sijalicu napunjena su dva pola: katoda (katoda), koja može emitovati elektrone (katodne zrake) kada se zagrije; Anoda koja prima elektrone.

 

旁热式2极管

Razlog zašto vakuum u staklenoj cijevi je da spriječi ionizaciju plinova, što će utjecati na normalan protok elektrona i uništiti karakterističnu krivulju. (Upumpavanje u vakuum takođe može efikasno smanjiti oksidacioni gubitak filamenta.) )

Tranzistor

Pojava dioda, koja je riješila potrebu za detekcijom i ispravljanjem, bila je veliki proboj u to vrijeme. Međutim, ima prostora za poboljšanje.

 

德福雷斯特

Godine 1906. američki naučnik De Forest Li (De Forest Lee) izumeo je vakuumsku triodnu elektronsku cijev tako što je pametno dodao rešetkastu ploču ("kapija") vakuumskoj diodnoj elektronskoj cijevi.

德·福雷斯特发明的3极管

Kada se doda gejt, kada je napon gejta pozitivan, on privlači više elektrona sa katode. Većina elektrona prolazi kroz kapiju i stiže do anode, što će uvelike povećati struju na anodi. Ako je napon na kapiji negativan, elektroni na katodi nemaju snage da odu do kapije, a kamoli do anode.

Mala promjena struje na kapiji može uzrokovati veliku promjenu struje na anodi. Štaviše, promjenjivi valni oblik je potpuno isti kao i struja gejta. Dakle, tranzistor ima efekat pojačanja signala.

 

U početku je trioda bila jednostruka mreža, zatim je postala dvostruka mreža s dvije ploče spojene zajedno, a onda je jednostavno postala cijela zatvorena mreža.

 

围栅

Rođenje vakuum triode je prekretnica u oblasti elektronske industrije.

Ova mala komponenta zaista realizira upotrebu električne energije za kontrolu struje (u prošlosti su je upravljali mehaničkim prekidačima, koji su imali probleme niske frekvencije, kratkog vijeka trajanja i lakog oštećenja), a koristila je "malu struju" za kontrolu "velike struje". ".

Ova mala komponenta zaista realizira upotrebu električne energije za kontrolu struje (u prošlosti su je upravljali mehaničkim prekidačima, koji su imali probleme niske frekvencije, kratkog vijeka trajanja i lakog oštećenja), a koristila je "malu struju" za kontrolu "velike struje". ".

Na osnovu toga imamo radio stanice, radio aparate, fonografe, filmove, radio aparate, radare, radio interfone itd. koji postaju sve moćniji. Široka popularnost ovih proizvoda promijenila je svakodnevni život ljudi i promovirala društveni napredak.

真空管

Godine 1919., Schottky iz Njemačke je predložio ideju dodavanja kapije zavjese između kapije i pozitivnog stupa. Ovu ideju je Lande realizovao u Engleskoj 1926. godine. Ovo je postalo quadrude. Kasnije su Holst i Telegen iz Holandije izmislili pentodu.

40-ih godina 20. vijeka istraživanje kompjuterske tehnologije je doživjelo vrhunac. Utvrđeno je da se jednosmjerna provodljivost elektronskih cijevi može koristiti za dizajniranje nekih logičkih kola (npr. i gejt kola, ili gejt kola).

Tako su počeli da uvode elektronske cijevi u kompjutersko polje. U to vrijeme, gotovo svi elektronski računari, uključujući ENIAC (koji je koristio više od 18,000 cijevi), bili su bazirani na cijevima.

 

埃尼阿克

Ovdje ukratko govorimo o krugu gejta. Kada naučimo osnove računarstva, moramo naučiti osnovne logičke operacije, kao što su i, ili, ne, XOR, isto ili, NOT, ili ne, itd.

Računari prepoznaju samo 0 i 1. Svoje proračune obavlja na osnovu ovih pravila logičkih operacija. Na primjer, 2+1 je 0010+0001 u binarnom obliku, a izvođenje "XOR operacije" jednako je 0011, što je 3.

Kolo koje implementira gore navedene funkcije logičkih vrata je kolo logičkih vrata. S druge strane, jednoprovodna elektronska cijev (vakuumska cijev) može se sklopiti u različita kola logičkih vrata. Na primjer, "OR Gate" i "AND Gate" ispod.

A, B su ulazi, a F su izlaz

█ tranzistori

U isto vrijeme naglog razvoja i primjene elektronskih cijevi, ljudi su postepeno otkrili da postoje neki nedostaci ovog proizvoda:

S jedne strane, cijev se lako lomi i ima visoku stopu kvarova; S druge strane, cijev se mora zagrijati, a mnogo energije se gubi na proizvodnju topline, što također donosi izuzetno veliku potrošnju energije.

Dakle, ljudi su počeli razmišljati o tome postoji li bolji način da se otkrije, ispravi i pojača signal. Naravno, postoje načini. U ovom trenutku će se pojaviti sjajan materijal, a to su - poluprovodnici.

 

Klica poluprovodnika

Vratimo se u prošlost u 18. vijek. Godine 1782, poznati italijanski fizičar Alessandro Volta (Alessandro Volta) otkrio je da se čvrsta materija može grubo podijeliti na tri tipa:

Prvi, metali kao što su zlato, srebro, bakar, gvožđe, itd., izuzetno su provodljivi i nazivaju se provodnicima;

Drugo, materijali kao što su drvo, staklo, keramika, liskun, itd., koji nisu laki za vođenje struje, nazivaju se izolatorima;

Treći, između provodnika i izolatora, se polako prazni.

Čudna svojstva trećeg materijala Volt je nazvala "Semiconducting Nature", što znači "svojstva poluprovodnika". Ovo je prvi put u ljudskoj istoriji da se pojavio termin "poluprovodnik".

 

亚历山德罗·伏特

Kasnije su brojni naučnici, namjerno ili nenamjerno, otkrili neka svojstva poluprovodnika. Na primjer, 1833. Michael Faraday je otkrio da kada se temperatura srebrnog sulfida poveća, otpor se smanjuje (osobina osjetljivosti na toplinu poluvodiča).

Godine 1839. francuski naučnik Alexandre Edmond Becquerel otkrio je da svjetlost može uzrokovati potencijalnu razliku između dva kraja određenih materijala (fotonaponski efekat poluvodiča).

Godine 1873. Willoughby Smith je otkrio da se provodljivost selenskih materijala povećava kada su izloženi svjetlosti (fotokonduktivni efekat poluprovodnika).

Ove pojave, niko nije umeo da ih objasni u to vreme, i nisu privlačili veliku pažnju.

Godine 1874. njemački naučnik Karl Ferdinand Braun otkrio je jednosmjernu provodljivost električne struje u prirodnim rudama (metalni sulfidi). Ovo je velika prekretnica.

 

卡尔·布劳恩

Godine 1906. američki inženjer Greenleaf Whittier Pickard, zasnovan na kristalu rude Chalmer, izumio je poznati detektor kristala, također poznat kao "mačji detektor brkova" (geofon ima sondu na sebi, slično kao mačji brk, otuda i naziv ).

 

矿石检波器

Rudni geofon je najraniji poluprovodnički uređaj čovječanstva. Njegov izgled je "mali test" poluvodičkih materijala. Iako je imao nekih nedostataka (loša kontrola kvaliteta, nestabilan rad, jer ruda nije bila visoke čistoće), dala je snažan podsticaj razvoju elektronske tehnologije. U to vrijeme, radio prijemnici na bazi rudnih geofona promovirali su popularizaciju radiodifuzije i bežične telegrafije.

 

Pojava teorije bendova

Ljudi koriste geofone za rudu, ali nikada ne razumiju kako rade. U više od 30 godina od tada, naučnici su se više puta pitali zašto postoje poluprovodnički materijali. Zašto se poluvodički materijali mogu koristiti za jednosmjernu provodljivost?

U ranim danima, mnogi ljudi su čak sumnjali da poluvodički materijali zaista postoje. Čuveni fizičar Pauli je jednom rekao: "Ljudi ne bi trebalo da proučavaju poluprovodnike, to je prljav nered, a ko zna da li postoje poluprovodnici." "

Kasnije, sa rođenjem i razvojem kvantne mehanike, konačno je došlo do iskora u teorijskom istraživanju poluprovodnika.

Godine 1928. Max Karl Ernst Ludwig Planck, njemački fizičar i jedan od osnivača kvantne mehanike, prvi je predložio teoriju čvrstih energetskih pojasa u primjeni kvantne mehanike za proučavanje provodljivosti metala.

 

量子理论之父,普朗克

On smatra da se pod dejstvom spoljašnjeg električnog polja provodljivost poluprovodnika deli na provodljivost sa učešćem "rupa" (tj. P-tip provodljivosti) i provodljivost sa učešćem elektrona (tj. provodljivost N-tipa). Mnoga egzotična svojstva poluprovodnika određena su i "rupama" i elektronima. Kasnije je teorija pojasa dodatno poboljšana kako bi se sistematski objasnile suštinske razlike između provodnika, izolatora i poluprovodnika. Pogledajmo ukratko teoriju bendova. Kao što ste naučili u srednjoj školi fizike, objekti se sastoje od molekula, atoma, a vanjski omotač atoma je elektron. Kada su atomi čvrstog objekta blizu jedan drugom, elektroni će se pomešati. Kvantna mehanika vjeruje da elektroni ne mogu ostati u jednoj orbiti i da se "lome". Kao rezultat toga, orbita je podijeljena na nekoliko tankih staza. U kvantnoj mehanici, ova fina orbitala se naziva energetski nivo. Široka orbita formirana od više tankih tragova stisnutih zajedno naziva se energetski pojas. Od ta dva pojasa, donji je valentni pojas, gornji je provodni pojas, a srednji je zabranjeni pojas. Između valentnog pojasa i provodnog pojasa nalazi se zabranjeni pojas. Udaljenost zabranjenog pojasa, a to je zazor u pojasu (energetski pojas).

Elektroni se kreću po širokoj orbiti i makroskopski su provodljivi. Previše je elektrona, gužve su, ne mogu se kretati, a makroskopski nisu provodljivi. Neke pune orbite i prazne orbite su vrlo blizu jedna drugoj, a elektroni mogu lako trčati iz punih orbita u prazne orbite i slobodno se kretati, što se naziva provodnicima. Dvije orbite su predaleko jedna od druge, jaz je prevelik, elektroni ne mogu proći kroz njih i ne postoji način da se provede električna energija. Međutim, ako dodate energiju iz vanjskog svijeta, možete promijeniti ovo stanje.

Ako je pojas u pojasu unutar 5 elektron-volti (5 EV), elektronu se dodaje dodatna energija i elektron može završiti skok i slobodno se kretati, odnosno provodljivost. Ovo spada u poluprovodnike. (Razmak je oko 1,12 eV za silicijum i 0, 67 eV za germanijum.) Ako razmak u pojasu prelazi 5 elektron volti (5EV), elektroni ga normalno ne mogu preći i on je izolator. (Ako vanjski svijet dodaje mnogo energije, može mu i nasilno pomoći da pređe prošlost.) Na primjer, zrak, zrak je izolator, ali električna energija visokog napona također može probiti zrak i formirati električnu struju. Vrijedi spomenuti da je "poluprovodnik sa širokim pojasom" o kojem sada često čujemo treća generacija poluvodičkih materijala, uključujući silicijum karbid (SiC), galijev nitrid (GaN), cink oksid (ZnO), dijamant, aluminijum nitrid (AlN ), itd.

Their advantages are large bandgap width (>2.2EV), visoko električno polje, visoka toplotna provodljivost, jaka sposobnost protiv zračenja, visoka svjetlosna efikasnost, visoka frekvencija, može se koristiti za visoke temperature, visoke frekvencije, otpornost na zračenje i uređaje velike snage, smjer je industrije trenutni snažan razvoj. Ranije smo spomenuli elektrone i rupe. Postoje dvije vrste nosača u poluvodičima: slobodni elektroni i rupe. Slobodni elektroni su svima poznati, šta je rupa?

Rupe su poznate i kao elektronske rupe. Na sobnoj temperaturi, zbog termičkog kretanja, mali broj energetskih elektrona na vrhu valentnog pojasa može prijeći pojas i pomaknuti se u provodni pojas i postati "slobodni elektroni". Nakon pokretanja elektrona, iza njega ostaje "rupa". Ostali elektroni koji se ne promovišu mogu ući u ovu "rupu" i generirati električnu struju. Treba napomenuti da je sama rupa nepokretna, ali proces "punjenja rupe" proizvodi pozitivan efekat električnog protoka, pa se i ona smatra nosiocem.

Godine 1931. Charles Thomson Wilson je predložio fizički model poluprovodnika zasnovan na teoriji pojaseva. Godine 1939. sovjetski fizičar AS Davidov (AS Davydov), britanski fizičar Nevill Francis Mott (Nevill Francis Mott) i njemački fizičar Walter Hermann Schottky (Walter Hermann Schottky) dali su doprinos osnovnoj teoriji poluprovodnika. Davidov je prvi prepoznao ulogu nekoliko nosača u poluprovodnicima, dok su Šotki i Mot razvili čuvenu „teoriju difuzije“. Na osnovu doprinosa ovih velikana, postepeno je postavljen temelj osnovne teorije poluprovodnika.

 

Rođenje tranzistora

Nakon rođenja geofona za rudu, naučnici su otkrili da performanse geofona imaju veliku vezu sa čistoćom rude. Što je veća čistoća rude, to će geofon bolje raditi. Stoga su mnogi znanstvenici provodili istraživanja prečišćavanja rudnih materijala (kao što su olovo sulfid, bakar sulfid, bakrov oksid, itd.), a proces prečišćavanja je kontinuirano unapređivan.

Tridesetih godina 20. vijeka, Russell Shoemaker Ohl, naučnik iz Bell Labsa, predložio je da geofon napravljen od pročišćenih kristalnih materijala u potpunosti zamijeni elektronsku diodu. (Znate, u to vrijeme cijev je bila u apsolutnoj dominaciji na tržištu.) )

 

罗素·奥尔,他还是现代太阳能电池之父

Nakon testiranja više od 100 materijala jednog po jednog, odlučio je da su silicijumski kristali najidealniji materijal za geofone. Kako bi testirao svoje zaključke, rafinirao je fuziju kristala silicija visoke čistoće uz pomoć svog kolege Jacka Scaffa. Budući da Bell Labs nije imao mogućnost rezanja kristala silicija, Orr je poslao fuziju u zlataru da je isječe na kristalne uzorke različitih veličina. Neočekivano, jedan od uzoraka se, nakon osvjetljenja, ponašao kao pozitivna elektroda na jednom kraju i negativna elektroda na drugom kraju, koje je Orr nazvao P i N regija, respektivno. Na ovaj način, Orr je izumeo prvi poluprovodnički PN spoj (P–N spoj). Tokom Drugog svjetskog rata, Western Electric, podružnica AT&T-a, proizvela je seriju silikonskih kristalnih dioda na bazi pročišćenih poluvodičkih kristala. Mala veličina i niska stopa kvarova ovih dioda uvelike su poboljšali performanse i pouzdanost savezničkih radarskih sistema. Orrov izum PN spoja i odlične performanse silicijumskih kristalnih dioda ojačale su odlučnost Bell Labsa da razvije tranzistorsku tehnologiju. Godine 1945. William Shockley iz Bell Labsa, nakon komunikacije sa Russell Orr-om, nacrtao je dijagram pojasa poluprovodnika P-tipa i N-tipa na osnovu teorije pojasa, i na osnovu toga predložio "hipotezu o efektu polja"

.

肖克利的场效应设想

Nakon testiranja više od 100 materijala jednog po jednog, odlučio je da su silicijumski kristali najidealniji materijal za geofone. Kako bi testirao svoje zaključke, rafinirao je fuziju kristala silicija visoke čistoće uz pomoć svog kolege Jacka Scaffa. Budući da Bell Labs nije imao mogućnost rezanja kristala silicija, Orr je poslao fuziju u zlataru da je isječe na kristalne uzorke različitih veličina. On je pretpostavio da se unutrašnji naboj silikonske pločice može slobodno kretati, a ako je pločica dovoljno tanka, pod utjecajem primijenjenog napona, elektroni ili rupe u silicijumskoj pločici bi se pojavile na površini, što bi uvelike povećalo provodljivost silicijumske pločice. , čime se postiže efekat pojačanja struje. Na osnovu ove vizije, 23. decembra 1947. godine, John Bardeen i Walter Bratton iz Bell Labsa izgradili su prvo poluprovodničko triodno pojačalo na svijetu. Odnosno, sledeća vrlo čudna i otrcana stvar:

世界上第一个晶体管(基于锗半导体)

晶体管的电路模型

Prema eksperimentalnim zapisima, ovaj tranzistor može postići "pojačanje napona od 100, pojačanje snage 40 i gubitak struje od 1/2,5......", što je vrlo dobro.

Dajući mu naziv, Bardeen i Bratton tvrde da je sposobnost uređaja da pojača signale posljedica njegovih karakteristika konverzije otpora, tj. signal ide od "ulaza niske otpornosti" do "izlaza visokog otpora". Dakle, nazvali su ga trans-otpornikom. Kasnije je skraćeno kao tranzistor.

Mnogo godina kasnije, Qian Xuesen, poznati naučnik u Kini, postavio je svoje ime u kineski prevod kao: tranzistor.

Sažeo sam da su svojstva poluprovodnika posebna sposobnost provođenja električne energije (podložna vanjskim faktorima). Materijali sa poluvodičkim svojstvima nazivaju se poluprovodnički materijali. Silicijum i germanijum su tipični poluprovodnički materijali.

Mikroskopski, supstance koje su uredno raspoređene prema određenim zakonima nazivaju se kristali. Kristali silicijuma imaju monokristalne, polikristalne, amorfne kristalne i druge oblike.

Morfologija kristala određuje strukturu traka, a struktura traka određuje električna svojstva. Stoga kristali silicijuma (germanijuma), kao poluprovodnički materijali, imaju tako veliku primenu. Diode, triode i kvadrude su nazvane prema svojim funkcijama. Elektronske cijevi (vakumske cijevi) i tranzistori (silicijumski tranzistori, germanijumski tranzistori) se u principu nazivaju. Tranzistor koji su izmislili Bardeen i Bratton zapravo bi se trebao nazvati tranzistorom s tačkastim kontaktom. Kao što možete vidjeti na slici ispod, ovaj dizajn je previše rudimentaran. Iako ostvaruje funkciju pojačanja, strukturno je lomljiv, osjetljiv na vanjske vibracije i nije ga lako proizvesti, pa nema mogućnost komercijalne upotrebe.

 

Shockley je uvidio ovaj nedostatak i počeo se povlačiti radi proučavanja novog dizajna tranzistora.

Dana 23. januara 1948., nakon više od mjesec dana napornog rada, Shockley je predložio novi model tranzistora sa troslojnom strukturom i nazvao ga Junction Transistor.

肖克利的结式晶体管设计

Morgan Sparks i Gordon Kidd Teal pomogli su Shockleyju da napravi konačni proizvod. Posebno treba spomenuti ovog Gordona Thiela. Otkrio je da bi zamjena polia monokristalnim poluvodičima mogla dovesti do značajnog poboljšanja performansi. Štaviše, on je bio taj koji je otkrio da se metoda Straight-pull može koristiti za pročišćavanje pojedinačnih metalnih kristala. Ova metoda se koristi od tada i najdominantnija je metoda proizvodnje monokristala u industriji poluvodiča. Rođenje tranzistora je od velikog značaja za razvoj ljudske nauke i tehnologije. Ima sposobnost elektronskih cijevi, ali prevazilazi sve nedostatke velike zapremine, velike potrošnje energije, malog povećanja, kratkog vijeka trajanja i visoke cijene elektronskih cijevi. Od trenutka kada je rođen, odlučeno je da se postigne potpuna zamjena cijevi.

 

正在生产晶体管的工人

U polju bežične komunikacije, tranzistori, poput elektronskih cijevi, mogu emitovati, detektirati i pojačati elektromagnetne valove. U polju digitalnih kola, tranzistori mogu biti pogodniji za implementaciju logičkih kola. Postavio je čvrste temelje za uzlet elektronske industrije.

 

Kasnije je porodica tranzistora porasla

█IC

Pojava tranzistora omogućila je minijaturizaciju električnih kola.

Godine 1952., Geoffrey Dummer, poznati naučnik na Kraljevskom institutu za istraživanje radara u Ujedinjenom Kraljevstvu, primijetio je na konferenciji:

"Sa pojavom tranzistora i sveobuhvatnim proučavanjem poluprovodnika, sada se čini zamislivim da je elektronički uređaj budućnosti čvrsta komponenta bez žica za povezivanje."

U avgustu 1958. Kilby, novi zaposlenik u Texas Instruments-u, otkrio je da se sićušna kola, sastavljena od mnogo uređaja, mogu proizvesti na jednoj pločici. Drugim riječima, različiti elektronički uređaji (npr. otpornici, kondenzatori, diode i tranzistori) mogu se napraviti na silikonskim pločicama i povezati tankim žicama.

Ubrzo nakon toga, 12. septembra, Kilby je uspeo da proizvede kolo sa germanijumskim čipom dužine 7/16 inča i širine 1/16 inča na osnovu sopstvenih ideja, koje je takođe bilo prvo integrisano kolo na svetu.

 

Ovo kolo je oscilator sa jednim tranzistorom sa RC povratnom spregom, a cijela stvar je zalijepljena za staklo, što izgleda vrlo rudimentarno. Uređaji kruga povezani su raštrkanim tankim žicama. U isto vrijeme kada je Kilby izmišljao integrirano kolo, još jedna osoba je također napravila proboj u ovoj oblasti. Ta osoba je bio Robert Norton Noyce iz Fairchild Semiconductor-a (koji je kasnije osnovao Intel). Fairchild je kompanija suosnivača "Osam izdajnika" iz Silikonske doline (vidi: Legenda o Fairchildu), koja ima snažnu snagu u tehnologiji poluprovodnika. Jean Hoerni, jedan od "Osam izdajnika", izumio je veoma važan proces planiranja. U ovom procesu silicijumskoj pločici se dodaje sloj silicijum oksida kao izolacioni sloj. Zatim se u ovom sloju od izolacionog silicijum oksida napravi rupa, a uređaji koji su napravljeni tehnologijom silicijum difuzije se povezuju aluminijskom folijom. Rođenje planarnog procesa omogućilo je Fairchild-u da proizvede silikonske kristalne tranzistore visokih performansi izuzetno malih veličina, a također je omogućilo povezivanje uređaja u integrirana kola. Noyce je 23. januara 1959. godine napisao u svojim bilješkama o radu: "Izradom različitih uređaja na istoj silikonskoj pločici i njihovim povezivanjem pomoću planarnog procesa, moguće je stvoriti multifunkcionalna elektronska kola. Ova tehnologija može smanjiti veličinu i težinu krug i smanjiti troškove."

 

诺伊斯

Nakon što je saznao da je Kilby prijavio patent za integrirano kolo, Noyce se jako pokajao, vjerujući da je zakasnio jedan korak. Međutim, ubrzo je otkrio da je Kilbyjev izum bio pogrešan. Kilbyjeva integrirana kola su povezana letećim žicama, koje se jednostavno ne mogu masovno proizvoditi i nemaju praktičnu vrijednost. Neussova vizija je bila napraviti negativnu ploču od svih kola i komponenti elektronskog uređaja, a zatim je ugravirati na silikonsku pločicu. Nakon što je ova silikonska pločica ugravirana, to je cijeli krug i može se koristiti direktno za sastavljanje proizvoda. Osim toga, taloženje metala isparavanjem može zamijeniti vruće zavarene žice i potpuno eliminirati leteće žice.

 

Fairchildovo integrirano kolo silikonskog kristala

Nojs je 30. jula 1959. godine podnio zahtjev za patent na osnovu vlastitih ideja: "Poluvodički uređaj - žičana struktura". Strogo govoreći, Neussov izum je bliži integriranim kolima u modernom smislu. Neussov dizajn je baziran na planarnom procesu baziranom na silicijumu, dok je Kilbijev dizajn zasnovan na procesu difuzije baziranog na germaniju. Oslanjajući se na prednosti Fairchildovog silikonskog procesa, Neuss je napravio kola koja su zaista naprednija od Kirbyja. Godine 1966. Tribunal je konačno odobrio Kilbyju izum ideje integrisanog kola (hibridnog integrisanog kola) i pronalazak integrisanog kola upakovanog u čip koji se danas koristi (integrisano kolo u pravom smislu te reči), kao i pronalazak proizvodnog procesa. Kilby je poznat kao "pronalazač prvog integrisanog kola", dok je Nojs bio taj koji je "došao do teorije integrisanih kola pogodnih za industrijsku proizvodnju". U martu 1960. Texas Instruments je objavio da je Jack. Kilbyjev dizajn službeno je lansirao prvi komercijalizirani proizvod integriranog kola na svijetu, 502 silikonski bistabilni multi-rezonantni binarni flip-flop, koji je prodan za 450 dolara. Čuveni program sletanja na Mesec Apollo kupio je milione integrisanih kola, čime je Texas Instruments i Fairchild zaradio mnogo novca. Uspjeh avio tržišta doveo je do širenja civilnog tržišta. Godine 1964. Zenith je koristio integrisana kola u slušnim aparatima, što je bilo prvo sletanje integrisanih kola u civilnom polju. Svi bi trebali biti upoznati s pričom nakon toga. Zajedničkim naporima materijala, procesa i procesa, broj tranzistora u integrisanim kolima nastavlja da raste, performanse nastavljaju da se poboljšavaju, a cena postepeno opada, i ušli smo u eru Mooreovog zakona.

Mooreov zakon: Broj tranzistora koji mogu stati u integrirano kolo se udvostručuje otprilike svakih 18 mjeseci, a performanse se udvostručuju. Razvoj velikih i ultra velikih integrisanih kola zasnovanih na integrisanim kolima otvorio je put za pojavu poluvodičkih memorija i mikroprocesora. Intel je 1970. godine predstavio prvo integrisano kolo DRAM (Dynamic Random Access Memory) na svijetu, 1103. Sljedeće godine su lansirali Intel 4004, prvi programabilni čip na svijetu koji uključuje kombinatore i kontrolere. Zlatno doba IT tehnologije je zvanično počelo.

█ Evolucija tranzistora

Vratimo se i opet pričamo o tranzistorima. Od pojave tranzistora, došlo je do mnogih velikih promjena u njihovom obliku. Ukratko, uglavnom je od bipolarnog do unipolarnog. U slučaju unipolarnog tipa, od FET-a do MOSFET-a. Sa strukturne tačke gledišta, to je od PlanarFET-a do FinFET-a do GAAFET-a.

 

Bipolarni, unipolarni

Spojni tranzistor koji je izumio Shockley 1948. naziva se bipolarni spojni tranzistor (BJT) jer koristi dva nosioca, rupe i elektrone, da učestvuju u električnoj provodljivosti.

BJT tranzistori su dostupni u dvije konfiguracije: NPN i PNP:

Kao što vidimo, BJT tranzistor pravi dva PN spoja koji su vrlo blizu jedan drugom na poluvodičkoj podlozi. Dva PN spoja dijele cijeli poluvodič na tri dijela, srednji dio je baza, a dvije strane su emiter i kolektor. Princip rada BJT tranzistora je složeniji i rijetko se koristi u današnje vrijeme, tako da neću ulaziti u njega radi prostora. U suštini, glavna funkcija ovog tranzistora je da natera kolektor da proizvede veliku promenu struje kroz malu promenu struje u bazi, što ima efekat pojačavanja. Autor je ranije spomenuo logička kola. To je kombinacija diode i BJT tranzistora, a zove se DTL (Diode-Transistor Logic) kolo. Kasnije su TTL (Transistor-Transistor Logic) kola izgrađena u potpunosti od tranzistora. Prednosti BJT tranzistora su njihova visoka radna frekvencija i jaka sposobnost vožnje. Međutim, ima i nedostatke, poput velike potrošnje energije i niske integracije. Njegov proizvodni proces je također složeniji, a postoje i neki nedostaci upotrebe ravne tehnologije. Kao rezultat toga, s vremenom se počeo pojavljivati ​​novi tip tranzistora, poznat kao tranzistor sa efektom polja (FET). Godine 1953. Ian Ross i George Dacey iz Bell Labs-a su sarađivali na proizvodnji prvog svjetskog prototipa tranzistora sa efektom spojnog polja (JFET).

JFET(结型场效应晶体管),此为N沟道

JFET je poluprovodnički uređaj sa tropolnom (tri terminala) strukturom, uključujući izvor, dren i kapiju. JFET-ovi su podijeljeni na N-kanalne (N-kanalne) JFET-ove i P-kanalne (P-kanalne) JFET-ove. Prvi je poluprovodnik u obliku slova N sa dva poluprovodnika tipa P sa obe strane (kao što je prikazano na gornjoj slici). Potonji je poluvodič u obliku slova P sa dva poluvodiča N-tipa na obje strane. Princip rada JFET-a je jednostavno da kontroliše PN spoj između gejta i kanala, a time i sloja deplecije, kontrolišući napon između gejta G i izvora S (VGS na slici) i napona između drena D i izvora S. (VDS na slici). Što je sloj deplecije širi, to je kanal uži i što je veći otpor kanala, to je manja struja odvoda (ID na dijagramu) koja se može proći. Stanje u kojem je kanal potpuno prekriven slojem iscrpljenosti naziva se stanje štipanja. Kada JFET tranzistor radi, potreban mu je samo jedan tip nosača, pa se naziva unipolarni tranzistor. Godine 1959. rođen je novi tip tranzistora, a to je bio čuveni MOSFET (metal-oksid-semiconductor FET). Izmislili su ga Mohamed Atala (preimenovan u Martin Atala), naučnik egipatskog porijekla, i Dawon Kahng, naučnik korejskog porijekla.

MOSFET se takođe sastoji od izvora, drena i kapije. "M" u "MOS" znači da je kapija originalno izvedena pomoću metala. "O" znači da su kapija i supstrat izolirani pomoću oksida. "S" znači da je MOSFET implementiran kao cjelina pomoću poluprovodnika.

MOSFET tranzistor, takođe poznat kao IGFET (In-sulated Gate FET, izolovani tranzistor sa efektom polja).

MOSFET (N型)

Ovaj MOSFET tranzistor je također podijeljen u dva tipa: "N-tip" i "P-tip", odnosno NMOS i PMOS. Prema vrsti operacije, također se dijeli na pojačane i iscrpljene. Uzmite N-tip MOS (češće korišten) na gornjoj slici kao primjer. Silicijumski poluprovodnički materijal P-tipa korišćen je kao supstrat, a dva regiona N-tipa su raspršena na površini, a zatim je na vrhu prekriven izolacioni sloj silicijum dioksida (SiO2). Konačno, iznad N zone, korozijom su napravljene dvije rupe. Na izolacionom sloju iu dve rupe metalizacijom su izrađene tri elektrode: G (kapija), S (izvor) i D (drejn). Silicijumski supstrat P-tipa ima jedan terminal (B) koji je vodom povezan sa izvorom S. Princip rada MOSFET-a je relativno jednostavan: normalno, neutralna oblast iscrpljivanja se formira između N regije i supstrata P zbog prirodne rekombinacije nosača.

Nakon što se na gejtu dovede prednji napon, elektroni u P regionu će se akumulirati pod dejstvom električnog polja ispod silicijum oksida kapije, formirajući oblast sa elektronima sa isto toliko subona, odnosno kanal.

Sada, ako se napon primeni između drena i izvora, struja će slobodno teći između izvora i drena, postižući stanje provodljivosti.

Gejt G je poput kapije koja kontroliše napon, ako se napon primeni na kapiju G, kapija se otvara i struja vodi od izvora S do odvoda D. Kada se napon na kapiji ukloni, kapija se zatvara i struja ne može da prođe kroz .

Posebno treba istaći da je 1967. godine Jiang Dayuan sarađivao sa kineskim naučnikom Ši Minom kako bi zajednički izumili FGMOS (Floating Gate MOSFET) strukturu "plutajućih kapija", koja je postavila temelje tehnologije skladištenja poluvodiča. Kasnije su sve fleš memorije, FLASH, EEPROM, itd., bile bazirane na ovoj tehnologiji.

BJT, JFET, MOSFET su upravo predstavljeni, prvo ću nacrtati dijagram, nemojte zabrljati svoje razmišljanje:

Godine 1963. Frank Semiconductor iz Fairchild Semiconductora. Frank Wanlass i Chih-Tang Sah (kineskog porijekla) prvi su predložili CMOS tranzistor. Oni kombinuju PMOS sa NMOS tranzistorima i povezuju ih u komplementarne strukture gotovo bez struje mirovanja. Ovo je također porijeklo "C" (komplementarnog) CMOS tranzistora.

Najveća karakteristika CMOS-a je da je potrošnja energije mnogo niža nego kod drugih tipova tranzistora. Kontinuiranim razvojem Murovog zakona povećava se broj tranzistora u integriranim kolima, što povećava i zahtjeve za potrošnjom energije. Na osnovu karakteristika niske potrošnje energije, CMOS je počeo da postaje mainstream.

Danas se više od 95% čipova integrisanih kola proizvodi na osnovu CMOS procesa.

Drugim riječima, od 1960-ih, osnovni arhitektonski principi tranzistora su uglavnom finalizirani. Ekologija integrisanog kola koju predstavlja CMOS, silicijum (prirodna zaliha silicijuma je daleko veća od germanijuma, a otpornost na toplotu je bolja od germanijuma, pa je postao mainstream), i planarna tehnologija podržali su brzi razvoj čitave industrije decenijama.

 

PlanarFET,FinFET,GAAFET

 

Iako se princip osnovne arhitekture nije promijenio, forma se promijenila.

Integrirana kola se stalno nadograđuju, a procesi i procesi se stalno razvijaju. Kada broj tranzistora dostigne određenu skalu, proces će natjerati tranzistore da se "deformišu" kako bi zadovoljili potrebe razvoja. U ranim danima, tranzistori su uglavnom bili planarni tranzistori (PlanarFET). Kako tranzistor postaje manji, dužina gejta postaje sve kraća, a udaljenost između izvora i odvoda se približava. Kada je proces (to jest, ono što često nazivamo 7nm i 3nm, generalno se odnosi na širinu kapije) manji od 20nm, nastaje problem: kapija MOSFET-a je teško zatvoriti strujni kanal, nemirni elektroni ne mogu Ako bude blokiran, fenomen curenja se ponavlja, a potrošnja energije se takođe povećava.

Kako bi riješio ovaj problem, 1999. godine, profesor Hu Zhengming, kinesko-američki naučnik, zvanično je izumio FinFET. U poređenju sa grafičkim dizajnom PlanarFET-a, FinFET je direktno postao 3D dizajn i trodimenzionalna struktura. Njegov trenutni kanal postaje tanak okomiti komad poput riblje peraje, stegnut omotačem sa tri strane. Na taj način postoji relativno jako električno polje, koje poboljšava efikasnost kontrolnog kanala i može bolje kontrolirati da li elektroni mogu proći. Tehnologija nastavlja da se razvija, a kada dostigne 5nm, ni FinFET neće raditi. U to vrijeme, postojao je GAAFET (Tranzistor tehnologije Wrap-Around Gate). Puni naziv GAAFET-a na engleskom je Gate-All-Around FET. U poređenju sa FinFET-ovima, GAAFET pretvara kapiju i odvod iz peraja u "male štapiće" koji prolaze okomito kroz kapiju. Na ovaj način, od tri do četiri kontakta, a takođe i razdvojenih na nekoliko četvorostrukih kontakata, dodatno je poboljšana gejt kontrola struje. Južnokorejski Samsung je takođe dizajnirao još jedan oblik GAA, MBCFET (Multi-Bridge-Channel FET). MBCFET zamjenjuje nanožice u GAA višeslojnim nanolistovima, a veća širina strukture lima povećava kontaktnu površinu, zadržavajući sve originalne prednosti uz minimiziranje složenosti.

 

Trenutno, najveće kompanije za proizvodnju čipova u industriji još uvijek dubinsko istražuju nadogradnju oblika tranzistora, kako bi pronašle bolje inovacije za podršku razvoju tehnologije čipova u budućnosti.

█ Epilogue

Općenito, bilo da je u pitanju elektronska cijev (vakuumska cijev) ili tranzistor, to je mala komponenta koja koristi električnu energiju za kontrolu struje. Tranzistori su bazirani na poluvodičkim materijalima, tako da se mogu napraviti dovoljno mali. To je razlog zašto čipovi (integrirana kola) mogu postići "ekstremno male veličine, velike sposobnosti". Osobine poluvodičkih materijala, kao i uloga tranzistora, izgledaju vrlo jednostavno. Stotine miliona takvih jednostavnih "gadžeta" podržavaju razvoj ljudske digitalne tehnologije i guraju nas ka eri digitalne inteligencije.