Semiconductor

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Un material semiconductor tiene un valor de conductividad eléctrica que se encuentra entre el de un conductor, como el cobre metálico, y el de un aislante, como el vidrio. Su resistividad cae a medida que aumenta su temperatura; los metales se comportan de manera opuesta. su conducciónlas propiedades pueden alterarse de manera útil mediante la introducción de impurezas ("dopaje") en la estructura cristalina. Cuando existen dos regiones dopadas de manera diferente en el mismo cristal, se crea una unión semiconductora. El comportamiento de los portadores de carga, que incluyen electrones, iones y huecos de electrones, en estas uniones es la base de los diodos, transistores y la mayoría de los dispositivos electrónicos modernos. Algunos ejemplos de semiconductores son el silicio, el germanio, el arseniuro de galio y los elementos cercanos a la llamada "escalera metaloide" en la tabla periódica. Después del silicio, el arseniuro de galio es el segundo semiconductor más común y se usa en diodos láser, células solares, circuitos integrados de frecuencia de microondas y otros. El silicio es un elemento crítico para la fabricación de la mayoría de los circuitos electrónicos.

Los dispositivos semiconductores pueden mostrar una variedad de propiedades útiles, como pasar la corriente más fácilmente en una dirección que en la otra, mostrar resistencia variable y tener sensibilidad a la luz o al calor. Debido a que las propiedades eléctricas de un material semiconductor pueden modificarse mediante el dopaje y la aplicación de campos eléctricos o luz, los dispositivos hechos de semiconductores pueden usarse para amplificación, conmutación y conversión de energía.

La conductividad del silicio aumenta añadiendo una pequeña cantidad (del orden de 1 en 10) de átomos pentavalentes (antimonio, fósforo o arsénico) o trivalentes (boro, galio, indio). Este proceso se conoce como dopaje y los semiconductores resultantes se conocen como semiconductores dopados o extrínsecos. Aparte del dopaje, la conductividad de un semiconductor puede mejorarse aumentando su temperatura. Esto es contrario al comportamiento de un metal, en el que la conductividad disminuye al aumentar la temperatura.

La comprensión moderna de las propiedades de un semiconductor se basa en la física cuántica para explicar el movimiento de los portadores de carga en una red cristalina. El dopaje aumenta considerablemente el número de portadores de carga dentro del cristal. Cuando un semiconductor dopado contiene huecos libres, se denomina "tipo p", y cuando contiene electrones libres, se denomina "tipo n". Los materiales semiconductores utilizados en los dispositivos electrónicos se dopan en condiciones precisas para controlar la concentración y las regiones de los dopantes de tipo p y n. Un solo cristal de dispositivo semiconductor puede tener muchas regiones de tipo p y n; las uniones p-n entre estas regiones son responsables del comportamiento electrónico útil. Usando una sonda de punto caliente, se puede determinar rápidamente si una muestra de semiconductor es de tipo p o n.

Algunas de las propiedades de los materiales semiconductores se observaron a mediados del siglo XIX y las primeras décadas del siglo XX. La primera aplicación práctica de los semiconductores en la electrónica fue el desarrollo en 1904 del detector de bigotes de gato, un diodo semiconductor primitivo utilizado en los primeros receptores de radio. Los avances en la física cuántica condujeron a su vez a la invención del transistor en 1947, el circuito integrado en 1958 y el MOSFET (transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor) en 1959.

Propiedades

Conductividad eléctrica variable

Los semiconductores en su estado natural son malos conductores porque una corriente requiere el flujo de electrones, y los semiconductores tienen sus bandas de valencia llenas, impidiendo todo el flujo de nuevos electrones. Varias técnicas desarrolladas permiten que los materiales semiconductores se comporten como materiales conductores, como el dopaje o la activación. Estas modificaciones tienen dos resultados: tipo n y tipo p. Estos se refieren al exceso o escasez de electrones, respectivamente. Un número equilibrado de electrones haría que una corriente fluyera por todo el material.

Heterouniones

Las heterouniones se producen cuando se unen dos materiales semiconductores dopados de forma diferente. Por ejemplo, una configuración podría consistir en germanio dopado con p y germanio dopado con n. Esto da como resultado un intercambio de electrones y huecos entre los materiales semiconductores dopados de forma diferente. El germanio dopado con n tendría un exceso de electrones, y el germanio dopado con p tendría un exceso de huecos. La transferencia ocurre hasta que se alcanza un equilibrio mediante un proceso llamado recombinación, que hace que los electrones que migran del tipo n entren en contacto con los huecos que migran del tipo p. El resultado de este proceso es una franja estrecha de iones inmóviles, que provoca un campo eléctrico a través de la unión.

Electrones excitados

Una diferencia de potencial eléctrico en un material semiconductor haría que éste saliera del equilibrio térmico y creara una situación de no equilibrio. Esto introduce electrones y huecos en el sistema, que interactúan a través de un proceso llamado difusión ambipolar. Siempre que se altera el equilibrio térmico en un material semiconductor, cambia el número de huecos y electrones. Tales interrupciones pueden ocurrir como resultado de una diferencia de temperatura o fotones, que pueden ingresar al sistema y crear electrones y huecos. Los procesos que crean y aniquilan electrones y huecos se denominan generación y recombinación, respectivamente.

Emisión de luz

En ciertos semiconductores, los electrones excitados pueden relajarse emitiendo luz en lugar de producir calor. Estos semiconductores se utilizan en la construcción de diodos emisores de luz y puntos cuánticos fluorescentes.

Alta conductividad térmica

Los semiconductores con alta conductividad térmica se pueden utilizar para disipar el calor y mejorar la gestión térmica de la electrónica.

Conversión de energía térmica

Los semiconductores tienen grandes factores de potencia termoeléctrica que los hacen útiles en generadores termoeléctricos, así como altas cifras termoeléctricas de mérito que los hacen útiles en enfriadores termoeléctricos.

Materiales

Una gran cantidad de elementos y compuestos tienen propiedades semiconductoras, entre ellas:

Los materiales semiconductores más comunes son los sólidos cristalinos, pero también se conocen semiconductores amorfos y líquidos. Estos incluyen silicio amorfo hidrogenado y mezclas de arsénico, selenio y telurio en una variedad de proporciones. Estos compuestos comparten con los semiconductores más conocidos las propiedades de conductividad intermedia y una rápida variación de la conductividad con la temperatura, así como una resistencia negativa ocasional. Tales materiales desordenados carecen de la estructura cristalina rígida de los semiconductores convencionales como el silicio. Generalmente se han utilizado en estructuras de película delgada, que no requieren material de mayor calidad electrónica, siendo relativamente insensibles a las impurezas y al daño por radiación.

Preparación de materiales semiconductores

Casi toda la tecnología electrónica actual involucra el uso de semiconductores, siendo el aspecto más importante el circuito integrado (IC), que se encuentra en computadoras de escritorio, computadoras portátiles, escáneres, teléfonos celulares y otros dispositivos electrónicos. Los semiconductores para circuitos integrados se producen en masa. Para crear un material semiconductor ideal, la pureza química es primordial. Cualquier pequeña imperfección puede tener un efecto drástico en el comportamiento del material semiconductor debido a la escala en la que se utilizan los materiales.

También se requiere un alto grado de perfección cristalina, ya que las fallas en la estructura del cristal (como dislocaciones, gemelos y fallas de apilamiento) interfieren con las propiedades semiconductoras del material. Las fallas cristalinas son una causa importante de dispositivos semiconductores defectuosos. Cuanto más grande es el cristal, más difícil es lograr la perfección necesaria. Los procesos de producción en masa actuales utilizan lingotes de cristal de entre 100 y 300 mm (3,9 y 11,8 pulgadas) de diámetro, crecidos como cilindros y cortados en obleas.

Hay una combinación de procesos que se utilizan para preparar materiales semiconductores para circuitos integrados. Un proceso se llama oxidación térmica, que forma dióxido de silicio en la superficie del silicio. Esto se utiliza como aislante de puerta y óxido de campo. Otros procesos se denominan fotomáscaras y fotolitografía. Este proceso es lo que crea los patrones en el circuito en el circuito integrado. La luz ultravioleta se usa junto con una capa fotorresistente para crear un cambio químico que genera los patrones para el circuito.

El grabado es el siguiente proceso que se requiere. Ahora se puede grabar la parte del silicio que no estaba cubierta por la capa fotorresistente del paso anterior. El proceso principal que se usa típicamente hoy en día se llama grabado con plasma. El grabado con plasma generalmente involucra un gas de grabado bombeado en una cámara de baja presión para crear plasma. Un gas de grabado común es el clorofluorocarbono, o más comúnmente conocido Freón. Un alto voltaje de radiofrecuencia entre el cátodo y el ánodo es lo que crea el plasma en la cámara. La oblea de silicio está ubicada en el cátodo, lo que hace que sea golpeada por los iones cargados positivamente que se liberan del plasma. El resultado es silicio grabado anisotrópicamente.

El último proceso se llama difusión. Este es el proceso que le da al material semiconductor sus propiedades semiconductoras deseadas. También se conoce como dopaje. El proceso introduce un átomo impuro en el sistema, lo que crea la unión p-n. Para que los átomos impuros se incrusten en la oblea de silicio, primero se coloca la oblea en una cámara a 1100 grados Celsius. Los átomos se inyectan y finalmente se difunden con el silicio. Una vez que se completa el proceso y el silicio ha alcanzado la temperatura ambiente, se realiza el proceso de dopaje y el material semiconductor está listo para usarse en un circuito integrado.

Física de semiconductores

Bandas de energía y conducción eléctrica.

Los semiconductores se definen por su comportamiento conductor eléctrico único, en algún punto entre el de un conductor y el de un aislante. Las diferencias entre estos materiales se pueden entender en términos de los estados cuánticos de los electrones, cada uno de los cuales puede contener cero o un electrón (por el principio de exclusión de Pauli). Estos estados están asociados con la estructura de bandas electrónicas del material. La conductividad eléctrica surge debido a la presencia de electrones en estados que están deslocalizados (que se extienden a través del material), sin embargo, para transportar electrones, un estado debe estar parcialmente lleno, conteniendo un electrón solo una parte del tiempo.Si el estado siempre está ocupado con un electrón, entonces es inerte y bloquea el paso de otros electrones a través de ese estado. Las energías de estos estados cuánticos son críticas, ya que un estado se llena parcialmente solo si su energía está cerca del nivel de Fermi (consulte las estadísticas de Fermi-Dirac).

La alta conductividad en el material proviene de que tiene muchos estados parcialmente llenos y mucha deslocalización del estado. Los metales son buenos conductores eléctricos y tienen muchos estados parcialmente llenos con energías cercanas a su nivel de Fermi. Los aisladores, por el contrario, tienen pocos estados parcialmente llenos, sus niveles de Fermi se encuentran dentro de los espacios de banda con pocos estados de energía para ocupar. Es importante destacar que se puede hacer que un aislante conduzca aumentando su temperatura: el calentamiento proporciona energía para promover algunos electrones a través de la banda prohibida, lo que induce estados parcialmente llenos tanto en la banda de estados por debajo de la banda prohibida (banda de valencia) como en la banda de estados por encima de la banda prohibida. banda prohibida (banda de conducción). Un semiconductor (intrínseco) tiene una banda prohibida que es más pequeña que la de un aislante y, a temperatura ambiente, se puede excitar un número significativo de electrones para cruzar la banda prohibida.

Sin embargo, un semiconductor puro no es muy útil, ya que no es ni un muy buen aislante ni un muy buen conductor. Sin embargo, una característica importante de los semiconductores (y algunos aislantes, conocidos como semiaislantes) es que su conductividad se puede aumentar y controlar dopando con impurezas y activando campos eléctricos. El dopaje y la activación mueven la banda de conducción o de valencia mucho más cerca del nivel de Fermi y aumentan considerablemente el número de estados parcialmente llenos.

Algunos materiales semiconductores de banda prohibida más ancha a veces se denominan semiaislantes. Cuando no están dopados, tienen una conductividad eléctrica más cercana a la de los aislantes eléctricos, sin embargo, pueden doparse (lo que los hace tan útiles como los semiconductores). Los semiaislantes encuentran aplicaciones de nicho en la microelectrónica, como sustratos para HEMT. Un ejemplo de un semiaislante común es el arseniuro de galio. Algunos materiales, como el dióxido de titanio, incluso se pueden usar como materiales aislantes para algunas aplicaciones, mientras que se tratan como semiconductores de brecha ancha para otras aplicaciones.

Portadores de carga (electrones y huecos)

El llenado parcial de los estados en la parte inferior de la banda de conducción puede entenderse como la adición de electrones a esa banda. Los electrones no se quedan indefinidamente (debido a la recombinación térmica natural) pero pueden moverse por algún tiempo. La concentración real de electrones suele ser muy diluida, por lo que (a diferencia de los metales) es posible pensar en los electrones en la banda de conducción de un semiconductor como una especie de gas ideal clásico, donde los electrones vuelan libremente sin estar sujetos a el principio de exclusión de Pauli. En la mayoría de los semiconductores, las bandas de conducción tienen una relación de dispersión parabólica, por lo que estos electrones responden a las fuerzas (campo eléctrico, campo magnético, etc.) como lo harían en el vacío, aunque con una masa efectiva diferente.Debido a que los electrones se comportan como un gas ideal, también se puede pensar en la conducción en términos muy simples, como el modelo de Drude, e introducir conceptos como la movilidad de los electrones.

Para el llenado parcial en la parte superior de la banda de valencia, es útil introducir el concepto de hueco de electrones. Aunque los electrones en la banda de valencia siempre se están moviendo, una banda de valencia completamente llena es inerte y no conduce ninguna corriente. Si se saca un electrón de la banda de valencia, entonces la trayectoria que el electrón habría tomado normalmente ahora no tiene carga. A los efectos de la corriente eléctrica, esta combinación de la banda de valencia completa, menos el electrón, se puede convertir en una imagen de una banda completamente vacía que contiene una partícula cargada positivamente que se mueve de la misma manera que el electrón. Combinado con lo negativo.masa efectiva de los electrones en la parte superior de la banda de valencia, llegamos a una imagen de una partícula cargada positivamente que responde a los campos eléctricos y magnéticos tal como lo haría una partícula normal cargada positivamente en el vacío, nuevamente con algo de masa efectiva positiva. Esta partícula se denomina hueco, y el conjunto de huecos en la banda de valencia puede volver a entenderse en términos clásicos sencillos (como ocurre con los electrones en la banda de conducción).

Generación y recombinación de portadores

Cuando la radiación ionizante golpea un semiconductor, puede excitar un electrón fuera de su nivel de energía y, en consecuencia, dejar un hueco. Este proceso se conoce como generación de pares electrón-hueco. Los pares electrón-hueco también se generan constantemente a partir de energía térmica, en ausencia de cualquier fuente de energía externa.

Los pares electrón-hueco también son aptos para recombinarse. La conservación de la energía exige que estos eventos de recombinación, en los que un electrón pierde una cantidad de energía mayor que la banda prohibida, vayan acompañados de la emisión de energía térmica (en forma de fonones) o de radiación (en forma de fotones).

En algunos estados, la generación y recombinación de pares electrón-hueco están en equilibrio. El número de pares electrón-hueco en el estado estacionario a una temperatura determinada está determinado por la mecánica estadística cuántica. Los mecanismos precisos de la mecánica cuántica de generación y recombinación se rigen por la conservación de la energía y la conservación del impulso.

Como la probabilidad de que los electrones y los huecos se encuentren es proporcional al producto de sus números, el producto es casi constante en el estado estacionario a una temperatura dada, siempre que no haya un campo eléctrico significativo (que podría "limpiar" los portadores de ambos tipos, o moverlos de regiones vecinas que contienen más de ellos para reunirse) o generación de pares impulsada externamente. El producto es función de la temperatura, ya que la probabilidad de obtener suficiente energía térmica para producir un par aumenta con la temperatura, siendo aproximadamente exp(− E G / kT), donde k es la constante de Boltzmann, T es la temperatura absoluta y E G es banda prohibida.

La probabilidad de encuentro aumenta con las trampas de portadores: impurezas o dislocaciones que pueden atrapar un electrón o un hueco y retenerlo hasta que se complete un par. Estas trampas de portadores a veces se agregan deliberadamente para reducir el tiempo necesario para alcanzar el estado estacionario.

Dopaje

La conductividad de los semiconductores se puede modificar fácilmente introduciendo impurezas en su red cristalina. El proceso de agregar impurezas controladas a un semiconductor se conoce como dopaje. La cantidad de impureza, o dopante, añadida a un semiconductor intrínseco (puro) varía su nivel de conductividad. Los semiconductores dopados se conocen como extrínsecos. Al agregar impurezas a los semiconductores puros, la conductividad eléctrica puede variar en factores de miles o millones.

Una muestra de 1 cm de un metal o semiconductor tiene el orden de 10 átomos. En un metal, cada átomo dona al menos un electrón libre para la conducción, por lo que 1 cm de metal contiene del orden de 10 electrones libres, mientras que una muestra de 1 cm de germanio puro a 20 °C contiene aproximadamente4.2 × 10 átomos, pero solo2,5 × 10 electrones libres y2,5 × 10 agujeros. La adición de 0,001% de arsénico (una impureza) dona 10 electrones libres adicionales en el mismo volumen y la conductividad eléctrica aumenta en un factor de 10.000.

Los materiales elegidos como dopantes adecuados dependen de las propiedades atómicas tanto del dopante como del material a dopar. En general, los dopantes que producen los cambios controlados deseados se clasifican como aceptores o donantes de electrones. Los semiconductores dopados con impurezas donantes se denominan tipo n, mientras que los dopados con impurezas aceptoras se conocen como tipo p. Las designaciones de tipo n y p indican qué portador de carga actúa como portador mayoritario del material. El portador opuesto se llama portador minoritario, que existe debido a la excitación térmica en una concentración mucho más baja en comparación con el portador mayoritario.

Por ejemplo, el silicio semiconductor puro tiene cuatro electrones de valencia que unen cada átomo de silicio con sus vecinos. En el silicio, los dopantes más comunes son el grupo III y el grupo V.elementos. Todos los elementos del grupo III contienen tres electrones de valencia, lo que hace que funcionen como aceptores cuando se usan para dopar el silicio. Cuando un átomo aceptor reemplaza un átomo de silicio en el cristal, se crea un estado vacante (un "agujero" de electrones), que puede moverse alrededor de la red y funcionar como portador de carga. Los elementos del grupo V tienen cinco electrones de valencia, lo que les permite actuar como donante; la sustitución de estos átomos por silicio crea un electrón libre adicional. Por lo tanto, un cristal de silicio dopado con boro crea un semiconductor de tipo p, mientras que uno dopado con fósforo da como resultado un material de tipo n.

Durante la fabricación, los dopantes se pueden difundir en el cuerpo semiconductor por contacto con compuestos gaseosos del elemento deseado, o se puede usar la implantación de iones para posicionar con precisión las regiones dopadas.

Semiconductores amorfos

Algunos materiales, cuando se enfrían rápidamente a un estado amorfo vítreo, tienen propiedades semiconductoras. Estos incluyen B, Si, Ge, Se y Te, y existen múltiples teorías para explicarlos.

Historia temprana de los semiconductores

La historia de la comprensión de los semiconductores comienza con experimentos sobre las propiedades eléctricas de los materiales. Las propiedades del coeficiente de resistencia, rectificación y sensibilidad a la luz tiempo-temperatura se observaron a principios del siglo XIX.

Thomas Johann Seebeck fue el primero en notar un efecto debido a los semiconductores, en 1821. En 1833, Michael Faraday informó que la resistencia de las muestras de sulfuro de plata disminuye cuando se calientan. Esto es contrario al comportamiento de sustancias metálicas como el cobre. En 1839, Alexandre Edmond Becquerel informó sobre la observación de un voltaje entre un electrolito sólido y un líquido, cuando golpeado por la luz, el efecto fotovoltaico. En 1873, Willoughby Smith observó que las resistencias de selenio exhiben una resistencia decreciente cuando la luz incide sobre ellas. En 1874, Karl Ferdinand Braun observó la conducción y la rectificación en sulfuros metálicos, aunque este efecto había sido descubierto mucho antes por Peter Munck af Rosenschold (sv) escribiendo para Annalen der Physik und Chemie en 1835,y Arthur Schuster descubrieron que una capa de óxido de cobre en los cables tiene propiedades de rectificación que cesan cuando se limpian los cables. William Grylls Adams y Richard Evans Day observaron el efecto fotovoltaico en el selenio en 1876.

Una explicación unificada de estos fenómenos requería una teoría de la física del estado sólido, que se desarrolló mucho en la primera mitad del siglo XX. En 1878, Edwin Herbert Hall demostró la desviación de los portadores de carga que fluyen mediante un campo magnético aplicado, el efecto Hall. El descubrimiento del electrón por JJ Thomson en 1897 impulsó teorías de conducción basada en electrones en sólidos. Karl Baedeker, al observar un efecto Hall con signo inverso al de los metales, teorizó que el yoduro de cobre tenía portadores de carga positiva. Johan Koenigsberger clasificó los materiales sólidos como metales, aislantes y "conductores variables" en 1914, aunque su alumno Josef Weiss ya introdujo el término Halbleiter (un semiconductor en sentido moderno) en su Ph.D. tesis en 1910.Felix Bloch publicó una teoría del movimiento de electrones a través de redes atómicas en 1928. En 1930, B. Gudden afirmó que la conductividad en los semiconductores se debía a concentraciones menores de impurezas. En 1931, Alan Herries Wilson estableció la teoría de la conducción de bandas y se desarrolló el concepto de intervalos de banda. Walter H. Schottky y Nevill Francis Mott desarrollaron modelos de la barrera potencial y de las características de una unión metal-semiconductor. En 1938, Boris Davydov había desarrollado una teoría del rectificador de óxido de cobre, identificando el efecto de la unión p-n y la importancia de los portadores minoritarios y los estados superficiales.

La concordancia entre las predicciones teóricas (basadas en el desarrollo de la mecánica cuántica) y los resultados experimentales fue a veces deficiente. Esto fue explicado más tarde por John Bardeen debido al comportamiento extremo "sensible a la estructura" de los semiconductores, cuyas propiedades cambian drásticamente en función de pequeñas cantidades de impurezas. Los materiales comercialmente puros de la década de 1920 que contenían proporciones variables de trazas de contaminantes produjeron resultados experimentales diferentes. Esto impulsó el desarrollo de técnicas mejoradas de refinación de materiales, que culminó en modernas refinerías de semiconductores que producen materiales con una pureza de partes por trillón.

Los dispositivos que utilizan semiconductores se construyeron al principio sobre la base del conocimiento empírico antes de que la teoría de los semiconductores proporcionara una guía para la construcción de dispositivos más capaces y confiables.

Alexander Graham Bell usó la propiedad sensible a la luz del selenio para transmitir el sonido a través de un haz de luz en 1880. Charles Fritts construyó en 1883 una celda solar funcional, de baja eficiencia, utilizando una placa de metal recubierta con selenio y una capa delgada. de oro; el dispositivo se volvió comercialmente útil en fotómetros fotográficos en la década de 1930.Los rectificadores detectores de microondas de contacto puntual hechos de sulfuro de plomo fueron utilizados por Jagadish Chandra Bose en 1904; el detector de bigotes de gato que utiliza galena natural u otros materiales se convirtió en un dispositivo común en el desarrollo de la radio. Sin embargo, su funcionamiento era algo impredecible y requería un ajuste manual para obtener el mejor rendimiento. En 1906, HJ Round observó la emisión de luz cuando la corriente eléctrica pasaba a través de cristales de carburo de silicio, el principio detrás del diodo emisor de luz. Oleg Losev observó una emisión de luz similar en 1922, pero en ese momento el efecto no tenía ningún uso práctico. Los rectificadores de potencia, que utilizan óxido de cobre y selenio, se desarrollaron en la década de 1920 y adquirieron importancia comercial como alternativa a los rectificadores de tubo de vacío.

Los primeros dispositivos semiconductores utilizaron galena, incluido el detector de cristal del físico alemán Ferdinand Braun en 1874 y el detector de cristal de radio del físico bengalí Jagadish Chandra Bose en 1901.

En los años anteriores a la Segunda Guerra Mundial, los dispositivos de comunicación y detección de infrarrojos impulsaron la investigación de materiales de sulfuro de plomo y seleniuro de plomo. Estos dispositivos se utilizaron para detectar barcos y aeronaves, para telémetros infrarrojos y para sistemas de comunicación por voz. El detector de cristal de contacto puntual se volvió vital para los sistemas de radio de microondas, ya que los dispositivos de tubo de vacío disponibles no podían servir como detectores por encima de los 4000 MHz; Los sistemas de radar avanzados se basaban en la rápida respuesta de los detectores de cristal. Se llevó a cabo una considerable investigación y desarrollo de materiales de silicio durante la guerra para desarrollar detectores de calidad constante.

Primeros transistores

El detector y los rectificadores de potencia no pudieron amplificar una señal. Se hicieron muchos esfuerzos para desarrollar un amplificador de estado sólido y se logró desarrollar un dispositivo llamado transistor de contacto puntual que podía amplificar 20 dB o más. En 1922, Oleg Losev desarrolló amplificadores de resistencia negativa de dos terminales para radio, pero murió en el asedio de Leningrado después de completarlos con éxito. En 1926, Julius Edgar Lilienfeld patentó un dispositivo parecido a un transistor de efecto de campo, pero no resultó práctico. R. Hilsch y RW Pohl en 1938 demostraron un amplificador de estado sólido utilizando una estructura que se asemejaba a la rejilla de control de un tubo de vacío; aunque el dispositivo mostraba ganancia de potencia, tenía una frecuencia de corte de un ciclo por segundo, demasiado baja para cualquier aplicación práctica, pero una aplicación efectiva de la teoría disponible.En Bell Labs, William Shockley y A. Holden comenzaron a investigar los amplificadores de estado sólido en 1938. Russell Ohl observó la primera unión p-n en el silicio alrededor de 1941 cuando se descubrió que una muestra era sensible a la luz, con un límite definido entre Impureza tipo p en un extremo y tipo n en el otro. Una rebanada cortada de la muestra en el límite p-n desarrolló un voltaje cuando se expuso a la luz.

El primer transistor que funcionó fue un transistor de contacto puntual inventado por John Bardeen, Walter Houser Brattain y William Shockley en Bell Labs en 1947. Anteriormente, Shockley había teorizado sobre un amplificador de efecto de campo hecho de germanio y silicio, pero no logró construirlo. dispositivo de trabajo, antes de usar germanio para inventar el transistor de contacto puntual. En Francia, durante la guerra, Herbert Mataré había observado amplificación entre puntos de contacto adyacentes sobre una base de germanio. Después de la guerra, el grupo de Mataré anunció su amplificador "Transistron" poco después de que Bell Labs anunciara el "transistor".

En 1954, el químico físico Morris Tanenbaum fabricó el primer transistor de unión de silicio en Bell Labs. Sin embargo, los primeros transistores de unión eran dispositivos relativamente voluminosos que eran difíciles de fabricar en masa, lo que los limitaba a una serie de aplicaciones especializadas.

Semiconductores de germanio y silicio

El primer dispositivo semiconductor de silicio fue un detector de cristal de radio de silicio, desarrollado por el ingeniero estadounidense Greenleaf Whittier Pickard en 1906. En 1940, Russell Ohl descubrió la unión p-n y los efectos fotovoltaicos en el silicio. En 1941, se desarrollaron técnicas para producir cristales de germanio y silicio de alta pureza para detectores de microondas de radar durante la Segunda Guerra Mundial. En 1955, Carl Frosch y Lincoln Derick en Bell Labs descubrieron accidentalmente que el dióxido de silicio (SiO 2) podía crecer en el silicio, y luego propusieron que esto podría enmascarar las superficies de silicio durante los procesos de difusión en 1958.

En los primeros años de la industria de los semiconductores, hasta finales de la década de 1950, el germanio era el material semiconductor dominante para los transistores y otros dispositivos semiconductores, en lugar del silicio. El germanio se consideró inicialmente el material semiconductor más efectivo, ya que podía demostrar un mejor rendimiento debido a una mayor movilidad del portador. La relativa falta de rendimiento en los primeros semiconductores de silicio se debió a que la conductividad eléctrica estaba limitada por estados superficiales cuánticos inestables, donde los electrones quedan atrapados en la superficie, debido a los enlaces colgantes que se producen porque los enlaces no saturados están presentes en la superficie. Esto impidió que la electricidad penetrara de forma fiable en la superficie para llegar a la capa de silicio semiconductor.

Un gran avance en la tecnología de semiconductores de silicio se produjo con el trabajo del ingeniero egipcio Mohamed Atalla, quien desarrolló el proceso de pasivación superficial por oxidación térmica en Bell Labs a fines de la década de 1950. Descubrió que la formación de una capa de dióxido de silicio desarrollada térmicamente reducía en gran medida la concentración de estados electrónicos en la superficie del silicio, y que las capas de óxido de silicio podían usarse para estabilizar eléctricamente las superficies de silicio. Atalla publicó por primera vez sus hallazgos en memorandos de Bell durante 1957, y luego lo demostró en 1958. Esta fue la primera demostración que mostró que las películas aislantes de dióxido de silicio de alta calidad podrían crecer térmicamente en la superficie de silicio para proteger la unión p-n de silicio subyacente. diodos y transistores.El proceso de pasivación de la superficie de Atalla permitió que el silicio superara la conductividad y el rendimiento del germanio y condujo a que el silicio reemplazara al germanio como material semiconductor dominante. El proceso de pasivación de superficies de Atalla se considera el avance más importante en la tecnología de semiconductores de silicio y allana el camino para la producción en masa de dispositivos semiconductores de silicio. A mediados de la década de 1960, el proceso de Atalla para superficies de silicio oxidado se utilizó para fabricar prácticamente todos los circuitos integrados y dispositivos de silicio.

MOSFET (transistor MOS)

A fines de la década de 1950, Mohamed Atalla utilizó sus métodos de pasivación superficial y oxidación térmica para desarrollar el proceso de metal-óxido-semiconductor (MOS), que propuso podría usarse para construir el primer transistor de efecto de campo de silicio en funcionamiento. Esto condujo a la invención del MOSFET (transistor de efecto de campo MOS) por Mohamed Atalla y Dawon Kahng en 1959. Fue el primer transistor verdaderamente compacto que podía miniaturizarse y producirse en masa para una amplia gama de usos. Con su escalabilidad, y 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 computadoras, electrónica y tecnología de 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".

El proceso CMOS (MOS complementario) fue desarrollado 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 (transistor de efecto de campo de aleta), 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.