Dispositivo semiconductor

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Componente electrónico que explota las propiedades electrónicas de materiales semiconductores
Outlines of some packaged semiconductor devices

Un dispositivo semiconductor es un componente electrónico que se basa en las propiedades electrónicas de un material semiconductor (principalmente silicio, germanio y arseniuro de galio, así como semiconductores orgánicos) para su funcionamiento. Su conductividad se encuentra entre conductores y aisladores. Los dispositivos semiconductores han reemplazado a los tubos de vacío en la mayoría de las aplicaciones. Conducen la corriente eléctrica en estado sólido, en lugar de como electrones libres a través del vacío (normalmente liberados por emisión termoiónica) o como electrones e iones libres a través de un gas ionizado.

Los dispositivos semiconductores se fabrican como dispositivos discretos individuales y como chips de circuito integrado (IC), que constan de dos o más dispositivos, que pueden contarse desde cientos hasta miles de millones, fabricados e interconectados en una sola oblea de semiconductor (también llamada un sustrato).

Los materiales semiconductores son útiles porque su comportamiento se puede manipular fácilmente mediante la adición deliberada de impurezas, lo que se conoce como dopaje. La conductividad de los semiconductores puede controlarse mediante la introducción de un campo eléctrico o magnético, mediante exposición a la luz o al calor, o mediante la deformación mecánica de una rejilla de silicio monocristalino dopado; por lo tanto, los semiconductores pueden ser excelentes sensores. La conducción de corriente en un semiconductor se produce debido a dispositivos móviles o "libres" electrones y huecos de electrones, conocidos colectivamente como portadores de carga. Dopar un semiconductor con una pequeña proporción de una impureza atómica, como fósforo o boro, aumenta considerablemente la cantidad de electrones libres o huecos dentro del semiconductor. Cuando un semiconductor dopado contiene un exceso de agujeros, se denomina semiconductor de tipo p (p para carga eléctrica positiva); cuando contiene un exceso de electrones libres, se denomina semiconductor de tipo n (n para carga eléctrica negativa). La mayoría de los operadores de carga móvil tienen carga negativa. La fabricación de semiconductores controla con precisión la ubicación y concentración de los dopantes de tipo p y n. La conexión de semiconductores de tipo n y tipo p forman uniones p-n.

El dispositivo semiconductor más común en el mundo es el MOSFET (transistor de efecto de campo semiconductor de óxido de metal), también llamado transistor MOS. A partir de 2013, se fabrican miles de millones de transistores MOS todos los días. Los dispositivos semiconductores fabricados por año han crecido un 9,1 % en promedio desde 1978, y se prevé que los envíos en 2018 superen por primera vez 1 billón, lo que significa que hasta la fecha se han fabricado más de 7 billones.

Diodo

Un diodo semiconductor es un dispositivo que normalmente se fabrica a partir de una sola unión p-n. En la unión de un semiconductor de tipo p y uno de tipo n se forma una región de agotamiento donde la conducción de corriente se ve inhibida por la falta de portadores de carga móviles. Cuando el dispositivo está polarizado hacia adelante (conectado con el lado p a un potencial eléctrico más alto que el lado n), esta región de agotamiento disminuye, lo que permite una conducción significativa, mientras que solo se puede lograr una corriente muy pequeña. cuando el diodo se expande y, por lo tanto, la región de agotamiento.

Exponer un semiconductor a la luz puede generar pares electrón-hueco, lo que aumenta la cantidad de portadores libres y, por lo tanto, la conductividad. Los diodos optimizados para aprovechar este fenómeno se conocen como fotodiodos. Los diodos semiconductores compuestos también pueden producir luz, como en los diodos emisores de luz y los diodos láser.

Transistores

Transistor de unión bipolar

Una estructura transistor de unión bipolar

Los transistores de unión bipolar (BJT) se forman a partir de dos uniones p-n, en configuración n-p-n o p-n-p. El medio, o base, la región entre las uniones suele ser muy estrecha. Las otras regiones y sus terminales asociados se conocen como emisor y colector. Una pequeña corriente inyectada a través de la unión entre la base y el emisor cambia las propiedades de la unión base-colector para que pueda conducir corriente aunque tenga polarización inversa. Esto crea una corriente mucho mayor entre el colector y el emisor, controlada por la corriente base-emisor.

Transistor de efecto de campo

Otro tipo de transistor, el transistor de efecto de campo (FET), funciona según el principio de que la conductividad del semiconductor puede aumentar o disminuir por la presencia de un campo eléctrico. Un campo eléctrico puede aumentar la cantidad de electrones libres y huecos en un semiconductor, cambiando así su conductividad. El campo puede ser aplicado por una unión p-n polarizada inversamente, formando un transistor de efecto de campo de unión (JFET) o por un electrodo aislado del material a granel por una capa de óxido, formando un transistor de efecto de campo semiconductor de óxido de metal (MOSFET).

Metal-óxido-semiconductor

Funcionamiento de un MOSFET y su curva Id-Vg. Al principio, cuando no se aplica tensión de puerta. No hay electrones de inversión en el canal, el dispositivo es OFF. A medida que aumenta el voltaje de la puerta, la densidad de electrones de inversión en el aumento del canal, aumenta la corriente, el dispositivo se enciende.

El FET (MOSFET o transistor MOS) de metal-óxido-semiconductor, un dispositivo de estado sólido, es, con diferencia, el dispositivo semiconductor más utilizado en la actualidad. Representa al menos el 99,9 % de todos los transistores, y se estima que se fabricaron 13 sextillones de MOSFET entre 1960 y 2018.

El electrodo gate se carga para producir un campo eléctrico que controla la conductividad de un "canal" entre dos terminales, llamados fuente y drenaje. Dependiendo del tipo de portador en el canal, el dispositivo puede ser un MOSFET de canal n (para electrones) o un MOSFET de canal p (para huecos). Aunque el MOSFET recibe su nombre en parte por su estructura de "metal" puerta, en los dispositivos modernos se suele utilizar polisilicio en su lugar.

Materiales para dispositivos semiconductores

Con diferencia, el silicio (Si) es el material más utilizado en los dispositivos semiconductores. Su combinación de bajo costo de materia prima, procesamiento relativamente simple y un rango de temperatura útil lo convierte actualmente en el mejor compromiso entre los diversos materiales de la competencia. El silicio utilizado en la fabricación de dispositivos semiconductores se fabrica actualmente en bolas que tienen un diámetro lo suficientemente grande como para permitir la producción de obleas de 300 mm (12 pulgadas).

El germanio (Ge) fue uno de los primeros materiales semiconductores muy utilizados, pero su sensibilidad térmica lo hace menos útil que el silicio. Hoy en día, el germanio a menudo se alea con silicio para su uso en dispositivos SiGe de muy alta velocidad; IBM es un importante productor de tales dispositivos.

El arseniuro de galio (GaAs) también se usa ampliamente en dispositivos de alta velocidad, pero hasta ahora ha sido difícil formar bolas de gran diámetro de este material, lo que limita el diámetro de la oblea a tamaños significativamente más pequeños que las obleas de silicio, lo que hace que la producción en masa de dispositivos de GaAs significativamente más caros que los de silicio.

Otros materiales menos comunes también están en uso o bajo investigación.

El carburo de silicio (SiC) ha encontrado alguna aplicación como materia prima para los diodos emisores de luz (LED) azules y se está investigando para su uso en dispositivos semiconductores que podrían soportar temperaturas de funcionamiento muy altas y entornos con presencia de niveles significativos de radiación ionizante. También se han fabricado diodos IMPATT a partir de SiC.

También se utilizan varios compuestos de indio (arseniuro de indio, antimoniuro de indio y fosfuro de indio) en LED y diodos láser de estado sólido. El sulfuro de selenio se está estudiando en la fabricación de células solares fotovoltaicas.

El uso más común de los semiconductores orgánicos son los diodos orgánicos emisores de luz.

Lista de dispositivos semiconductores comunes

Dispositivos de dos terminales:

  • DIAC
  • Diodo (diodo de rectificador)
  • Diodo de Gunn
  • Diodo IMPATT
  • Diodo láser
  • Diódo emisor de luz (LED)
  • Photocell
  • Fototransistor
  • Diodo PIN
  • diodo Schotky
  • Celda solar
  • Diódo de supresión transitoria
  • Tunnel diode
  • VCSEL
  • diodo Zener
  • Diodo Zen

Dispositivos de tres terminales:

  • Transistor bipolar
  • Transistor de Darlington
  • Transistor de efectos sobre el terreno
  • Transistor bipolar de ágata aislada (IGBT)
  • Rectificador controlado por silicona
  • Thyristor
  • TRIAC
  • Transistor de unión

Dispositivos de cuatro terminales:

  • Sensor de efecto Hall (sensor de campo magnético)
  • Photocoupler (Optocoupler)

Aplicaciones de dispositivos semiconductores

Todos los tipos de transistores se pueden utilizar como bloques de construcción de puertas lógicas, que son fundamentales en el diseño de circuitos digitales. En circuitos digitales como los microprocesadores, los transistores actúan como interruptores de encendido y apagado; en el MOSFET, por ejemplo, el voltaje aplicado a la puerta determina si el interruptor está encendido o apagado.

Los transistores utilizados para circuitos analógicos no actúan como interruptores de encendido y apagado; más bien, responden a un rango continuo de entradas con un rango continuo de salidas. Los circuitos analógicos comunes incluyen amplificadores y osciladores.

Los circuitos que interactúan o traducen entre circuitos digitales y circuitos analógicos se conocen como circuitos de señal mixta.

Los dispositivos semiconductores de potencia son dispositivos discretos o circuitos integrados destinados a aplicaciones de alta corriente o alto voltaje. Los circuitos integrados de potencia combinan la tecnología IC con la tecnología de semiconductores de potencia, a veces se denominan "inteligentes". dispositivos de potencia Varias empresas se especializan en la fabricación de semiconductores de potencia.

Identificadores de componentes

Los números de pieza de los dispositivos semiconductores suelen ser específicos del fabricante. Sin embargo, ha habido intentos de crear estándares para códigos tipo y un subconjunto de dispositivos los sigue. Para dispositivos discretos, por ejemplo, existen tres estándares: JEDEC JESD370B en Estados Unidos, Pro Electron en Europa y estándares industriales japoneses (JIS).

Historia del desarrollo de dispositivos semiconductores

Detector de bigotes de gato

Los semiconductores se habían utilizado en el campo de la electrónica durante algún tiempo antes de la invención del transistor. A principios del siglo XX, eran bastante comunes como detectores en radios, utilizados en un dispositivo llamado "bigotes de gato". desarrollado por Jagadish Chandra Bose y otros. Sin embargo, estos detectores eran algo problemáticos, ya que requerían que el operador moviera un pequeño filamento de tungsteno (el bigote) alrededor de la superficie de un cristal de galena (sulfuro de plomo) o carborundum (carburo de silicio) hasta que de repente comenzó a funcionar. Luego, durante un período de unas pocas horas o días, el bigote del gato dejaría de funcionar lentamente y el proceso tendría que repetirse. En ese momento, su operación era completamente misteriosa. Después de la introducción de las radios basadas en tubos de vacío más confiables y amplificadas, los sistemas de bigotes de gato desaparecieron rápidamente. El "gato'bigot" es un ejemplo primitivo de un tipo especial de diodo que sigue siendo popular hoy en día, llamado diodo Schottky.

Rectificador de metal

Otro tipo temprano de dispositivo semiconductor es el rectificador de metal en el que el semiconductor es óxido de cobre o selenio. Westinghouse Electric (1886) fue un importante fabricante de estos rectificadores.

Segunda Guerra Mundial

Durante la Segunda Guerra Mundial, la investigación de radares empujó rápidamente a los receptores de radar a operar a frecuencias cada vez más altas y los receptores de radio tradicionales basados en válvulas ya no funcionaron bien. La introducción del magnetrón de cavidad de Gran Bretaña a los Estados Unidos en 1940 durante la Misión Tizard resultó en una necesidad apremiante de un amplificador práctico de alta frecuencia.

Por capricho, Russell Ohl de Bell Laboratories decidió probar con un bigote de gato. En este punto, no habían estado en uso durante varios años y nadie en los laboratorios tenía uno. Después de buscar uno en una tienda de radios usadas en Manhattan, descubrió que funcionaba mucho mejor que los sistemas basados en válvulas.

Ohl investigó por qué el bigote del gato funcionaba tan bien. Pasó la mayor parte de 1939 tratando de hacer crecer versiones más puras de los cristales. Pronto descubrió que con cristales de mayor calidad, su comportamiento quisquilloso desaparecía, pero también su capacidad para operar como un detector de radio. Un día descubrió que uno de sus cristales más puros, sin embargo, funcionaba bien y tenía una grieta claramente visible cerca del medio. Sin embargo, mientras se movía por la habitación tratando de probarlo, el detector funcionaba misteriosamente y luego se detenía de nuevo. Después de un poco de estudio, descubrió que el comportamiento estaba controlado por la luz de la habitación: más luz causaba más conductancia en el cristal. Invitó a varias otras personas a ver este cristal, y Walter Brattain se dio cuenta de inmediato de que había algún tipo de unión en la grieta.

Más investigaciones aclararon el misterio restante. El cristal se había resquebrajado porque cada lado contenía cantidades muy ligeramente diferentes de las impurezas que Ohl no pudo eliminar: alrededor del 0,2 %. Un lado del cristal tenía impurezas que añadían electrones adicionales (los portadores de corriente eléctrica) y lo convertían en un "conductor". El otro tenía impurezas que querían unirse a estos electrones, convirtiéndolo (lo que él llamó) en un 'aislante'. Debido a que las dos partes del cristal estaban en contacto entre sí, los electrones podían salir del lado conductor que tenía electrones adicionales (que pronto se conocería como el emisor) y reemplazarse por otros nuevos. provistos (de una batería, por ejemplo) donde fluirían hacia la parte aislante y serían recogidos por el filamento de la barba (llamado el colector). Sin embargo, cuando se invierte el voltaje, los electrones que se empujan hacia el colector llenan rápidamente los 'agujeros'. (las impurezas que necesitan electrones), y la conducción se detendría casi instantáneamente. Esta unión de los dos cristales (o partes de un cristal) creó un diodo de estado sólido, y el concepto pronto se conoció como semiconductor. El mecanismo de acción cuando el diodo está apagado tiene que ver con la separación de los portadores de carga alrededor de la unión. Esto se denomina "región de agotamiento".

Desarrollo del diodo

Con el conocimiento de cómo funcionaban estos nuevos diodos, se inició un vigoroso esfuerzo para aprender a construirlos a pedido. Los equipos de la Universidad de Purdue, Bell Labs, MIT y la Universidad de Chicago unieron fuerzas para construir mejores cristales. En un año, la producción de germanio se había perfeccionado hasta el punto en que se usaban diodos de grado militar en la mayoría de los equipos de radar.

Desarrollo del transistor

Después de la guerra, William Shockley decidió intentar construir un dispositivo semiconductor similar a un triodo. Consiguió financiación y espacio en el laboratorio, y se puso a trabajar en el problema con Brattain y John Bardeen.

La clave para el desarrollo del transistor fue la mayor comprensión del proceso de movilidad de los electrones en un semiconductor. Se dio cuenta de que si había alguna forma de controlar el flujo de electrones del emisor al colector de este diodo recién descubierto, se podría construir un amplificador. Por ejemplo, si los contactos se colocan en ambos lados de un solo tipo de cristal, la corriente no fluirá entre ellos a través del cristal. Sin embargo, si un tercer contacto pudiera "inyectar" electrones o agujeros en el material, la corriente fluiría.

En realidad, hacer esto parecía ser muy difícil. Si el cristal tuviera un tamaño razonable, la cantidad de electrones (o huecos) necesarios para inyectar tendría que ser muy grande, lo que lo haría menos útil como amplificador porque requeriría una gran corriente de inyección para empezar. Dicho esto, la idea general del diodo de cristal era que el propio cristal podía proporcionar los electrones a una distancia muy pequeña, la región de agotamiento. La clave parecía ser colocar los contactos de entrada y salida muy juntos en la superficie del cristal a cada lado de esta región.

Brattain comenzó a trabajar en la construcción de un dispositivo de este tipo y siguieron apareciendo tentadores indicios de amplificación a medida que el equipo trabajaba en el problema. A veces, el sistema funcionaba pero luego dejaba de funcionar inesperadamente. En un caso, un sistema que no funcionaba comenzó a funcionar cuando se colocó en el agua. Ohl y Brattain finalmente desarrollaron una nueva rama de la mecánica cuántica, que se conoció como física de superficies, para explicar el comportamiento. Los electrones en cualquier pieza del cristal migrarían debido a las cargas cercanas. Los electrones en los emisores, o los "agujeros" en los colectores, se agruparían en la superficie del cristal donde podrían encontrar su carga opuesta "flotando alrededor" en el aire (o agua). Sin embargo, podrían alejarse de la superficie con la aplicación de una pequeña cantidad de carga desde cualquier otro lugar del cristal. En lugar de necesitar una gran cantidad de electrones inyectados, un número muy pequeño en el lugar correcto del cristal lograría lo mismo.

Su comprensión resolvió el problema de necesitar un área de control muy pequeña hasta cierto punto. En lugar de necesitar dos semiconductores separados conectados por una región común, pero pequeña, serviría una sola superficie más grande. Los cables emisores y colectores de electrones se colocarían muy juntos en la parte superior, con el cable de control colocado en la base del cristal. Cuando la corriente fluyó a través de esta "base" plomo, los electrones o los huecos serían expulsados, a través del bloque de semiconductor, y se acumularían en la superficie lejana. Siempre que el emisor y el colector estuvieran muy juntos, esto debería permitir suficientes electrones u orificios entre ellos para permitir que comience la conducción.

Primer transistor

Una réplica estilizada del primer transistor

El equipo de Bell hizo muchos intentos de crear un sistema de este tipo con varias herramientas, pero por lo general fracasó. Las configuraciones en las que los contactos estaban lo suficientemente cerca eran invariablemente tan frágiles como lo habían sido los detectores de bigotes de gato originales, y funcionaban brevemente, si es que lo hacían. Eventualmente tuvieron un avance práctico. Se pegó un trozo de lámina de oro al borde de una cuña de plástico y luego se cortó la lámina con una navaja en la punta del triángulo. El resultado fueron dos contactos de oro muy próximos entre sí. Cuando la cuña se empujó hacia abajo sobre la superficie de un cristal y se aplicó voltaje al otro lado (en la base del cristal), la corriente comenzó a fluir de un contacto al otro a medida que el voltaje base empujaba los electrones lejos de la base hacia el otro lado cerca de los contactos. Se había inventado el transistor de contacto puntual.

Si bien el dispositivo se construyó una semana antes, las notas de Brattain describen la primera demostración a los altos mandos en Bell Labs en la tarde del 23 de diciembre de 1947, a menudo dada como la fecha de nacimiento del transistor. Lo que ahora se conoce como el "transistor de germanio de contacto puntual p–n–p" operó como un amplificador de voz con una ganancia de potencia de 18 en esa prueba. John Bardeen, Walter Houser Brattain y William Bradford Shockley recibieron el Premio Nobel de Física de 1956 por su trabajo.

Etimología de "transistor"

Bell Telephone Laboratories necesitaba un nombre genérico para su nuevo invento: "Triodo semiconductor", "Triodo sólido", "Triodo de estados superficiales" [sic], "Triodo de cristal" y "Iotatrón" todos fueron considerados, pero 'transistor', acuñado por John R. Pierce, ganó una votación interna. La justificación del nombre se describe en el siguiente extracto de los Memorandos Técnicos de la empresa (28 de mayo de 1948) [26] en los que se solicitan votaciones:

Transistor. Esta es una combinación abreviada de las palabras "transconductancia" o "transferencia", y "variador". El dispositivo pertenece lógicamente a la familia varistor, y tiene la impedancia de transconductancia o transferencia de un dispositivo que tiene ganancia, de modo que esta combinación es descriptiva.

Mejoras en el diseño de transistores

Shockley estaba molesto porque el dispositivo se atribuyó a Brattain y Bardeen, quienes, en su opinión, lo habían construido 'a sus espaldas'. para tomar la gloria. Las cosas empeoraron cuando los abogados de Bell Labs descubrieron que algunos de los escritos del propio Shockley sobre el transistor eran lo suficientemente parecidos a los de una patente anterior de 1925 de Julius Edgar Lilienfeld que pensaron que era mejor dejar su nombre fuera de la solicitud de patente.

Shockley estaba indignado y decidió demostrar quién era el verdadero cerebro de la operación. Unos meses más tarde, inventó un tipo de transistor de unión bipolar completamente nuevo, considerablemente más robusto, con una capa o 'sándwich'; estructura, utilizada para la gran mayoría de todos los transistores en la década de 1960.

Con los problemas de fragilidad resueltos, un problema pendiente era la pureza. Producir germanio con la pureza requerida estaba demostrando ser un problema grave y limitaba el rendimiento de los transistores que realmente funcionaban a partir de un lote determinado de material. La sensibilidad del germanio a la temperatura también limitó su utilidad. Los científicos teorizaron que el silicio sería más fácil de fabricar, pero pocos investigaron esta posibilidad. El ex científico de Bell Labs, Gordon K. Teal, fue el primero en desarrollar un transistor de silicio funcional en la naciente Texas Instruments, lo que le dio una ventaja tecnológica. Desde finales de la década de 1950, la mayoría de los transistores estaban basados en silicio. En unos pocos años aparecieron en el mercado productos basados en transistores, sobre todo radios fáciles de transportar. La 'fusión por zonas', una técnica que usa una banda de material fundido que se mueve a través del cristal, aumentó aún más la pureza del cristal.

Semiconductor de óxido de metal

En la década de 1950, Mohamed Atalla investigó las propiedades superficiales de los semiconductores de silicio en Bell Labs, donde propuso un nuevo método de fabricación de dispositivos semiconductores, recubriendo una oblea de silicio con una capa aislante de óxido de silicio para que la electricidad pudiera penetrar de manera confiable en el el silicio conductor que se encuentra debajo, superando los estados superficiales que impedían que la electricidad llegara a la capa semiconductora. Esto se conoce como pasivación superficial, un método que se volvió fundamental para la industria de los semiconductores, ya que hizo posible la producción en masa de circuitos integrados (CI) de silicio. Sobre la base de su método de pasivación de superficies, desarrolló el proceso de semiconductores de óxido metálico (MOS), que propuso que podría usarse para construir el primer transistor de efecto de campo de silicio (FET) en funcionamiento. Esto condujo a la invención del MOSFET (transistor de efecto de campo MOS) por parte de Mohamed Atalla y Dawon Kahng en 1959. Con su escalabilidad, un consumo de energía mucho menor y una densidad más alta que los transistores de unión bipolar, el MOSFET se convirtió en el tipo de transistor más común. en informática, electrónica y tecnología de las comunicaciones, como los teléfonos inteligentes. La Oficina de Patentes y Marcas de EE. UU. llama al MOSFET un "invento innovador que transformó la vida y la cultura en todo el mundo".

CMOS (MOS complementario) fue inventado por Chih-Tang Sah y Frank Wanlass en Fairchild Semiconductor en 1963. El primer informe de un MOSFET de puerta flotante fue realizado por Dawon Kahng y Simon Sze en 1967. FinFET (fin field-effect transistor), un tipo de MOSFET multipuerta 3D, fue desarrollado por Digh Hisamoto y su equipo de investigadores en el Laboratorio Central de Investigación de Hitachi en 1989.

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