¿Cómo funcionan los chips semiconductores?

0020-42285 PLACA, BLOQUEADOR 8" EC WXZ

0010-35756 Conjunto de cámara de enfriamiento de CVD

█ Tubo de vacío (tubo de electrones)

El efecto Edison

En 1883, el famoso inventor Thomas Edison observó un extraño fenómeno durante un experimento. En ese momento estaba realizando una prueba de vida útil del filamento (filamento de carbono). Al lado del filamento, colocó un alambre de cobre, pero el alambre de cobre no estaba conectado a ninguno de los electrodos. Es decir, el cable de cobre no está energizado..

Una vez que el filamento de carbono se energiza normalmente, comienza a brillar y calentarse. Después de un rato, Edison desconectó la fuente de alimentación. Accidentalmente descubrió que también se había generado una corriente eléctrica en el cable de cobre.

Edison no tenía manera de explicar el por qué de este fenómeno, pero, como astuto "hombre de negocios", lo primero que le vino a la mente fue patentar el descubrimiento. También llamó a este fenómeno el "efecto Edison".

Ahora sabemos que la esencia del "efecto Edison" es la emisión de electrones térmicos. Es decir, cuando se calienta el filamento, los electrones de la superficie se activan y "escapan" y, como resultado, son capturados por el alambre metálico de cobre, que genera una corriente eléctrica.

Cuando Edison solicitó una patente, no pensó en el uso del efecto y lo dejó en el estante.

En 1884, el físico inglés John Ambrose Fleming visitó Estados Unidos para reunirse con Edison. Edison le mostró a Fleming el efecto Edison y le causó una gran impresión.

 

弗莱明

Diodo

Cuando Fleming realmente utilizó este efecto, fue más de una década después. En 1901, Guglielmo Marconi, el inventor de la telegrafía inalámbrica, lanzó experimentos con comunicaciones por radio de largo alcance a través del Atlántico. Fleming se unió al experimento para ayudar a mejorar la recepción de la señal inalámbrica. En pocas palabras, se trata de estudiar cómo detectar la señal en el extremo receptor y amplificarla para que pueda interpretarse perfectamente.放大Todos entienden la señal, entonces, ¿qué es una señal de detección?

La llamada detección de señales es en realidad detección de señales. La señal que recibe la antena es muy confusa y hay todo tipo de señales. Las señales que realmente necesitamos (señales de una frecuencia específica) deben ser "filtradas" para eliminar estas señales confusas, y eso es detección.

Para lograr la detección, la conductividad unidireccional (conductividad unidireccional) es la clave. Las ondas magnéticas inalámbricas son oscilaciones de alta frecuencia, de hasta cientos de miles de veces por segundo. La corriente inducida generada por la onda electromagnética inalámbrica también cambia con "positivo, negativo, positivo, negativo". Si usamos esta corriente para accionar el auricular, un positivo y un negativo son cero, y el auricular no podrá funcionar con precisión. identificar la señal.

Con conductividad unidireccional, el semiciclo negativo de la onda sinusoidal desaparece, todos son positivos y la dirección de la corriente es la misma. Al filtrar las frecuencias altas, los auriculares pueden detectar fácilmente los cambios en la corriente.

 

去掉负半周,电流方向变成一致的,容易解读

Para detectar la señal, Fleming pensó en el "efecto Edison": ¿podría diseñarse un nuevo tipo de detector basándose en el flujo de electrones del efecto Edison? De esta forma, en 1904, nació de la mano de Fleming el primer diodo de electrones de vacío del mundo. En aquella época, este diodo también se llamaba "válvula Fleming". (El tubo de vacío, también conocido como tubo de electrones, a veces se denomina "conducto biliar").

弗莱明发明的2极管

El diodo de Fleming, la estructura es en realidad muy simple, es decir, en una bombilla de vidrio al vacío, se rellenan dos polos: un cátodo (cátodo), que puede emitir electrones (rayos catódicos) cuando se calienta; Un ánodo que recibe electrones.

 

旁热式2极管

La razón por la cual el vacío en el tubo de vidrio es para evitar la ionización de gases, lo que afectará el flujo normal de electrones y destruirá la curva característica. (Bombear al vacío también puede reducir eficazmente la pérdida por oxidación del filamento).

Transistor

La llegada de los diodos, que resolvieron la necesidad de detección y rectificación, fue un gran avance en ese momento. Sin embargo, tiene margen de mejora.

 

德福雷斯特

En 1906, el científico estadounidense De Forest Lee (De Forest Lee) inventó el tubo de electrones de triodo de vacío agregando inteligentemente una placa de rejilla ("puerta") al tubo de electrones de diodo de vacío.

德·福雷斯特发明的3极管

Cuando se agrega la puerta, cuando el voltaje de la puerta es positivo, atrae más electrones del cátodo. La mayoría de los electrones pasan a través de la puerta y llegan al ánodo, lo que aumentará considerablemente la corriente en el ánodo. Si el voltaje en la puerta es negativo, los electrones en el cátodo no tienen energía para ir a la puerta, y mucho menos al ánodo.

Un pequeño cambio de corriente en la puerta puede provocar un gran cambio de corriente en el ánodo. Además, la forma de onda cambiante es exactamente la misma que la corriente de puerta. Por tanto, el transistor tiene el efecto de amplificar la señal.

 

Al principio, el triodo era una rejilla única, luego se convirtió en una rejilla doble con dos tablas intercaladas y luego simplemente se convirtió en una rejilla completamente cerrada.

 

围栅

El nacimiento del triodo de vacío es un hito en el campo de la industria electrónica.

Este pequeño componente realmente realiza el uso de la electricidad para controlar la electricidad (en el pasado, estaba controlado por interruptores mecánicos, que tenían problemas de baja frecuencia, corta vida útil y fácil daño), y usaba "pequeña corriente" para controlar "gran corriente". ".

Este pequeño componente realmente realiza el uso de la electricidad para controlar la electricidad (en el pasado, estaba controlado por interruptores mecánicos, que tenían problemas de baja frecuencia, corta vida útil y fácil daño), y usaba "pequeña corriente" para controlar "gran corriente". ".

En base a ello tenemos emisoras de radio, radios, fonógrafos, películas, radios, radares, radioporteros, etc., que cada vez son más potentes. La amplia popularidad de estos productos ha cambiado la vida cotidiana de las personas y ha promovido el progreso social.

真空管

En 1919, Schottky de Alemania propuso la idea de agregar una puerta tipo cortina entre la puerta y el poste positivo. Esta idea fue realizada por Lande en Inglaterra en 1926. Esto se convirtió en el cuadrúpedo. Más tarde, Holst y Telegen de los Países Bajos inventaron el pentodo.

En los años 40 del siglo XX, la investigación de la tecnología informática alcanzó su apogeo. Se ha descubierto que la conductividad unidireccional de los tubos de electrones se puede utilizar para diseñar algunos circuitos lógicos (por ejemplo, circuitos de compuerta o circuitos de compuerta).

Entonces comenzaron a introducir tubos de electrones en el campo de la informática. En ese momento, casi todas las computadoras electrónicas, incluida ENIAC (que usaba más de 18,000 tubos), se basaban en tubos.

 

埃尼阿克

Aquí hablamos brevemente sobre el circuito de puerta. Cuando aprendemos los conceptos básicos de la informática, debemos haber aprendido operaciones lógicas básicas, como y, o, no, XOR, igual o, NOT, o no, etc.

Las computadoras solo reconocen 0s y 1s. Hace sus cálculos basándose en estas reglas de operaciones lógicas. Por ejemplo, 2+1 es 0010+0001 en binario y realizar la "operación XOR" es igual a 0011, que es 3.

El circuito que implementa las funciones de puerta lógica anteriores es el circuito de puerta lógica. Por otro lado, un tubo de electrones de un solo conductor (tubo de vacío) se puede ensamblar en varios circuitos de compuerta lógica. Por ejemplo, "Puerta OR" y "Puerta AND" a continuación.

A, B son las entradas y F son las salidas.

█ transistores

Al mismo tiempo que el rápido desarrollo y aplicación de los tubos de electrones, la gente ha descubierto gradualmente que este producto tiene algunos inconvenientes:

Por un lado, el tubo es fácil de romper y tiene una alta tasa de fallos; Por otro lado, es necesario calentar el tubo y se desperdicia mucha energía en la generación de calor, lo que también conlleva un consumo de energía extremadamente alto.

Entonces, la gente empezó a pensar si existía una mejor manera de detectar, rectificar y amplificar la señal. Por supuesto, hay maneras. En este momento, está a punto de aparecer un gran material: los semiconductores.

 

El germen de los semiconductores

Retrocedamos en el tiempo hasta el siglo XVIII. En 1782, el famoso físico italiano Alessandro Volta (Alessandro Volta) descubrió que la materia sólida se puede dividir a grandes rasgos en tres tipos:

Los primeros, metales como el oro, la plata, el cobre, el hierro, etc., son sumamente conductores y se denominan conductores;

En segundo lugar, los materiales como la madera, el vidrio, la cerámica, la mica, etc., que no son fáciles de conducir la electricidad, se denominan aislantes;

El tercero, entre un conductor y un aislante, se descarga lentamente.

Las extrañas propiedades del tercer material son denominadas por Volt "Naturaleza semiconductora", que significa "propiedades semiconductoras". Esta es la primera vez en la historia de la humanidad que aparece el término "semiconductor".

 

亚历山德罗·伏特

Más tarde, varios científicos, intencionadamente o no, descubrieron algunas propiedades de los semiconductores. Por ejemplo, en 1833, Michael Faraday descubrió que cuando aumenta la temperatura del sulfuro de plata, disminuye la resistencia (la propiedad de los semiconductores sensibles al calor).

En 1839, el científico francés Alexandre Edmond Becquerel descubrió que la luz podía provocar una diferencia de potencial entre los dos extremos de ciertos materiales (el efecto fotovoltaico de los semiconductores).

En 1873, Willoughby Smith descubrió que la conductividad de los materiales de selenio aumenta cuando se exponen a la luz (el efecto fotoconductor de los semiconductores).

Estos fenómenos nadie fue capaz de explicarlos en ese momento y no llamaron mucho la atención.

En 1874, el científico alemán Karl Ferdinand Braun descubrió las propiedades de conducción unidireccional de la corriente eléctrica en minerales naturales (sulfuros metálicos). Este es un gran hito.

 

卡尔·布劳恩

En 1906, el ingeniero estadounidense Greenleaf Whittier Pickard, basándose en el cristal de mineral de Chalmer, inventó el famoso detector de cristales, también conocido como "detector de bigotes de gato" (el geófono tiene una sonda, muy parecida a los bigotes de un gato, de ahí el nombre ).

 

矿石检波器

El geófono mineral es el primer dispositivo semiconductor de la humanidad. Su aparición es una "pequeña prueba" de materiales semiconductores. Aunque tuvo algunas deficiencias (control de calidad deficiente, trabajo inestable, porque el mineral no era de alta pureza), dio un fuerte impulso al desarrollo de la tecnología electrónica. En aquella época, los receptores de radio basados ​​en geófonos minerales contribuyeron a la popularización de la radiodifusión y la telegrafía inalámbrica.

 

El advenimiento de la teoría de bandas.

La gente usa geófonos minerales, pero nunca entienden cómo funcionan. En los más de 30 años transcurridos desde entonces, los científicos han preguntado repetidamente por qué existen materiales semiconductores. ¿Por qué se pueden utilizar materiales semiconductores para la conducción unidireccional?

Al principio, mucha gente incluso dudaba de que los materiales semiconductores existieran realmente. El famoso físico Pauli dijo una vez: "La gente no debería estudiar semiconductores, es un desastre y quién sabe si existen semiconductores". "

Posteriormente, con el nacimiento y desarrollo de la mecánica cuántica, finalmente se produjo un gran avance en la investigación teórica de los semiconductores.

En 1928, Max Karl Ernst Ludwig Planck, físico alemán y uno de los fundadores de la mecánica cuántica, propuso por primera vez la teoría de las bandas de energía sólida en la aplicación de la mecánica cuántica al estudio de la conducción de los metales.

 

量子理论之父,普朗克

Él cree que bajo la acción de un campo eléctrico externo, la conductividad de los semiconductores se divide en conductividad con participación de "agujeros" (es decir, conducción tipo P) y conductividad con participación de electrones (es decir, conducción tipo N). Muchas de las propiedades exóticas de los semiconductores están determinadas tanto por los "huecos" como por los electrones. Posteriormente, la teoría de bandas se perfeccionó aún más para explicar sistemáticamente las diferencias esenciales entre conductores, aislantes y semiconductores. Echemos un vistazo breve a la teoría de bandas. Como aprendiste en física en la escuela secundaria, los objetos están formados por moléculas, átomos y la capa exterior de un átomo es un electrón. Cuando los átomos de un objeto sólido están cerca unos de otros, los electrones se mezclarán. La mecánica cuántica cree que los electrones no pueden permanecer en una órbita y "chocan". Como resultado, la órbita se dividió en varias pistas delgadas. En mecánica cuántica, este fino orbital se llama nivel de energía. La amplia órbita formada por múltiples pistas delgadas apretadas se llama banda de energía. De las dos bandas, la inferior es la banda de valencia, la superior es la banda de conducción y la del medio es la banda prohibida. Entre la banda de valencia y la banda de conducción hay una banda prohibida. La distancia de la banda prohibida, que es la banda prohibida (banda prohibida de energía).

Los electrones se mueven en una órbita amplia y son macroscópicamente conductores. Hay demasiados electrones, están abarrotados, no pueden moverse y macroscópicamente no son conductores. Algunas órbitas completas y órbitas vacías están muy juntas, y los electrones pueden pasar fácilmente de órbitas completas a órbitas vacías y moverse libremente, lo que se denomina conductores. Las dos órbitas están demasiado separadas, la brecha es demasiado grande, los electrones no pueden atravesarlas y no hay forma de conducir la electricidad. Sin embargo, si agregas energía del mundo exterior, puedes cambiar este estado.

Si la banda prohibida está dentro de los 5 electronvoltios (5 EV), se agrega una energía adicional al electrón y el electrón puede completar el salto y moverse libremente, es decir, la conducción. Esto pertenece a los semiconductores. (La banda prohibida es aproximadamente 1,12 eV para el silicio y 0.67 eV para el germanio). Si la banda prohibida excede los 5 electronvoltios (5EV), los electrones normalmente no pueden cruzarla y es un aislante. (Si el mundo exterior agrega mucha energía, también puede ayudarlo a cruzar el pasado). Por ejemplo, el aire, el aire es un aislante, pero la electricidad de alto voltaje también puede atravesar el aire y formar una corriente eléctrica. Vale la pena mencionar que el "semiconductor de banda prohibida amplia" del que escuchamos a menudo ahora es la tercera generación de materiales semiconductores, incluidos carburo de silicio (SiC), nitruro de galio (GaN), óxido de zinc (ZnO), diamante, nitruro de aluminio (AlN). ), etc.

Their advantages are large bandgap width (>2.2EV), campo eléctrico de alta ruptura, alta conductividad térmica, fuerte capacidad antirradiación, alta eficiencia luminosa, alta frecuencia, se puede utilizar para alta temperatura, alta frecuencia, resistencia a la radiación y dispositivos de alta potencia, es la dirección de la industria. vigoroso desarrollo actual. Anteriormente mencionamos los electrones y los huecos. Hay dos tipos de portadores en los semiconductores: electrones libres y huecos. Los electrones libres son familiares para todos, ¿qué es un agujero?

Los agujeros también se conocen como agujeros de electrones. A temperatura ambiente, debido al movimiento térmico, una pequeña cantidad de electrones energéticos en la parte superior de la banda de valencia pueden cruzar la banda y ascender a la banda de conducción y convertirse en "electrones libres". Después de que los electrones corren, queda un "agujero". El resto de electrones que no son promocionados pueden entrar en este “hueco” y generar una corriente eléctrica. Cabe señalar que el agujero en sí es inmóvil, pero el proceso de "llenar el agujero" produce un efecto de flujo eléctrico positivo, por lo que también se considera un portador.

En 1931, Charles Thomson Wilson propuso un modelo físico de semiconductores basado en la teoría de bandas. En 1939, el físico soviético AS Davydov (AS Давыдов), el físico británico Nevill Francis Mott (Nevill Francis Mott) y el físico alemán Walter Hermann Schottky (Walter Hermann Schottky) contribuyeron a la teoría básica de los semiconductores. Davydov fue el primero en reconocer el papel de unos pocos portadores en los semiconductores, mientras que Schottky y Mott desarrollaron la famosa "teoría de la difusión". Sobre la base de las contribuciones de estos peces gordos, se han ido sentando gradualmente las bases de la teoría básica de los semiconductores.

 

El nacimiento del transistor

Después del nacimiento del geófono de mineral, los científicos descubrieron que el rendimiento del geófono tiene una gran relación con la pureza del mineral. Cuanto mayor sea la pureza del mineral, mejor funcionará el geófono. Por lo tanto, muchos científicos han llevado a cabo investigaciones de purificación de materiales minerales (como sulfuro de plomo, sulfuro de cobre, óxido de cobre, etc.) y el proceso de purificación se ha mejorado continuamente.

En los años 30 del siglo XX, Russell Shoemaker Ohl, científico de los Laboratorios Bell, propuso que un geófono hecho de materiales cristalinos purificados reemplazaría por completo a un diodo de electrones. (Sabes, en ese momento, el tubo tenía un dominio absoluto del mercado).

 

罗素·奥尔,他还是现代太阳能电池之父

Después de probar más de 100 materiales uno por uno, decidió que los cristales de silicio eran el material ideal para los geófonos. Para comprobar sus conclusiones, refinó una fusión de cristal de silicio de alta pureza con la ayuda de su colega Jack Scaff. Debido a que Bell Labs no tenía la capacidad de cortar cristales de silicio, Orr envió la fusión a una joyería para cortarla en muestras de cristal de diferentes tamaños. Inesperadamente, una de las muestras, después de la iluminación, se comportó como un electrodo positivo en un extremo y un electrodo negativo en el otro extremo, que Orr denominó regiones P y N, respectivamente. De esta manera, Orr inventó la primera unión PN semiconductora (unión P-N) del mundo. Durante la Segunda Guerra Mundial, Western Electric, una subsidiaria de AT&T, fabricó un lote de diodos de cristal de silicio basados ​​en cristales semiconductores purificados. El pequeño tamaño y la baja tasa de fallas de estos diodos mejoraron enormemente el rendimiento y la confiabilidad de los sistemas de radar aliados. La invención de Orr de la unión PN y el excelente rendimiento de los diodos de cristal de silicio fortalecieron la determinación de Bell Labs de desarrollar tecnología de transistores. En 1945, William Shockley de Bell Labs, después de comunicarse con Russell Orr, dibujó el diagrama de bandas de los semiconductores de tipo P y N basándose en la teoría de bandas y, sobre esta base, propuso la "hipótesis del efecto de campo".

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肖克利的场效应设想

Después de probar más de 100 materiales uno por uno, decidió que los cristales de silicio eran el material ideal para los geófonos. Para comprobar sus conclusiones, refinó una fusión de cristal de silicio de alta pureza con la ayuda de su colega Jack Scaff. Debido a que Bell Labs no tenía la capacidad de cortar cristales de silicio, Orr envió la fusión a una joyería para cortarla en muestras de cristal de diferentes tamaños. Planteó la hipótesis de que la carga interna de la oblea de silicio podría moverse libremente, y si la oblea fuera lo suficientemente delgada, bajo la influencia del voltaje aplicado, emergerían electrones o agujeros en la oblea de silicio en la superficie, aumentando considerablemente la conductividad de la oblea de silicio. , logrando así el efecto de amplificación de corriente. Basándose en esta visión, el 23 de diciembre de 1947, John Bardeen y Walter Bratton de Bell Labs construyeron el primer amplificador triodo semiconductor del mundo. Es decir, la siguiente cosa muy extraña y de aspecto lamentable:

世界上第一个晶体管(基于锗半导体)

晶体管的电路模型

Según los registros experimentales, este transistor puede lograr una "ganancia de voltaje de 100, una ganancia de potencia de 40 y una pérdida de corriente de 1/2,5...", lo cual es muy bueno.

Al nombrarlo, Bardeen y Bratton sostienen que la capacidad del dispositivo para amplificar señales se debe a sus características de conversión de resistencia, es decir, la señal pasa de una "entrada de baja resistencia" a una "salida de alta resistencia". Entonces lo llamaron trans-resistencia. Más tarde se abrevió como transistor.

Muchos años después, Qian Xuesen, un científico famoso en China, estableció su nombre de traducción al chino como: transistor.

Resumí que las propiedades de los semiconductores son una capacidad especial para conducir electricidad (sujeta a factores externos). Los materiales con propiedades semiconductoras se denominan materiales semiconductores. El silicio y el germanio son materiales semiconductores típicos.

Microscópicamente, las sustancias que están ordenadas de acuerdo con ciertas leyes se llaman cristales. Los cristales de silicio tienen formas monocristalinas, policristalinas, cristalinas amorfas y otras.

La morfología del cristal determina la estructura de la banda y la estructura de la banda determina las propiedades eléctricas. Por lo tanto, los cristales de silicio (germanio), como materiales semiconductores, tienen un gran valor de aplicación. Los diodos, triodos y cuadrudos se nombran según sus funciones. En principio se denominan tubos de electrones (tubos de vacío) y transistores (transistores de silicio, transistores de germanio). El transistor inventado por Bardeen y Bratton debería llamarse en realidad transistor de contacto puntual. Como puede ver en la imagen a continuación, este diseño es demasiado rudimentario. Aunque logra la función de amplificación, es estructuralmente frágil, sensible a vibraciones externas y no es fácil de fabricar, por lo que no tiene la capacidad de ser utilizado comercialmente.

 

Shockley vio este defecto y comenzó un retiro para estudiar un nuevo diseño de transistor.

El 23 de enero de 1948, después de más de un mes de arduo trabajo, Shockley propuso un nuevo modelo de transistor con una estructura de tres capas y lo llamó Junction Transistor.

肖克利的结式晶体管设计

Fueron Morgan Sparks y Gordon Kidd Teal quienes ayudaron a Shockley a hacer el producto final. Mención especial merece Gordon Thiel. Descubrió que sustituir el poli por semiconductores monocristalinos podría generar importantes mejoras en el rendimiento. Además, fue él quien descubrió que el método de extracción recta podía utilizarse para purificar cristales metálicos individuales. Este método se ha utilizado desde entonces y es el método de fabricación de monocristal más dominante en la industria de los semiconductores. El nacimiento de los transistores es de gran importancia para el desarrollo de la ciencia y la tecnología humanas. Tiene la capacidad de los tubos de electrones, pero supera todas las deficiencias de gran volumen, alto consumo de energía, pequeño aumento, corta vida útil y alto costo de los tubos de electrones. Desde el momento en que nació se decidió que se lograría una sustitución completa de la trompa.

 

正在生产晶体管的工人

En el campo de las comunicaciones inalámbricas, los transistores, al igual que los tubos de electrones, pueden emitir, detectar y amplificar ondas electromagnéticas. En el campo de los circuitos digitales, los transistores también pueden resultar más convenientes para implementar circuitos lógicos. Ha sentado una base sólida para el despegue de la industria electrónica.

 

Posteriormente, la familia de transistores creció.

█CI

La llegada de los transistores hizo posible miniaturizar los circuitos eléctricos.

En 1952, Geoffrey Dummer, un conocido científico del Royal Radar Research Institute del Reino Unido, señaló en una conferencia:

"Con la aparición de los transistores y el estudio exhaustivo de los semiconductores, ahora parece concebible que el dispositivo electrónico del futuro sea un componente sólido sin cables de conexión".

En agosto de 1958, Kilby, un nuevo empleado de Texas Instruments, descubrió que se podían fabricar pequeños circuitos, formados por muchos dispositivos, en una sola oblea. En otras palabras, se pueden fabricar diferentes dispositivos electrónicos (por ejemplo, resistencias, condensadores, diodos y transistores) sobre obleas de silicio y conectarlos con cables finos.

Poco después, el 12 de septiembre, Kilby logró fabricar un circuito de chip de germanio de 7/16 de pulgada de largo y 1/16 de pulgada de ancho basado en sus propias ideas, que también fue el primer circuito integrado del mundo.

 

Este circuito es un oscilador de un solo transistor con retroalimentación RC, y todo está pegado a la diapositiva de vidrio, lo que parece muy rudimentario. Los dispositivos del circuito están conectados mediante cables finos dispersos. Al mismo tiempo que Kilby inventaba el circuito integrado, otra persona también hizo un gran avance en este campo. Esa persona era Robert Norton Noyce de Fairchild Semiconductor (quien más tarde fundó Intel). Fairchild es una empresa cofundada por los "Ocho Traidores" de Silicon Valley (ver: La leyenda de Fairchild), que tiene una gran fortaleza en la tecnología de semiconductores. Jean Hoerni, uno de los "Ocho Traidores", inventó el importante Proceso de Planificación. En este proceso, se añade una capa de óxido de silicio a la oblea de silicio como capa aislante. Luego, se hace un agujero en esta capa de óxido de silicio aislante, y los dispositivos que se han fabricado con tecnología de difusión de silicio se conectan con una película de aluminio. El nacimiento del proceso planar permitió a Fairchild fabricar transistores de cristal de silicio de alto rendimiento con tamaños extremadamente pequeños y también hizo posible conectar dispositivos en circuitos integrados. El 23 de enero de 1959, Noyce escribió en sus notas de trabajo: "Fabricando varios dispositivos en la misma oblea de silicio y conectándolos mediante un proceso plano, es posible crear circuitos electrónicos multifuncionales. Esta tecnología puede reducir el tamaño y el peso de el circuito y reducir el coste".

 

诺伊斯

Después de enterarse de que Kilby había presentado una patente para un circuito integrado, Noyce se arrepintió mucho y creyó que había llegado un paso demasiado tarde. Sin embargo, pronto descubrió que el invento de Kilby tenía fallas. Los circuitos integrados de Kilby están conectados mediante cables voladores, que simplemente no pueden producirse en masa y carecen de valor práctico. La visión de Neuss era hacer una placa negativa de todos los circuitos y componentes de un dispositivo electrónico y luego grabarla en una oblea de silicio. Una vez grabada esta oblea de silicio, constituye el circuito completo y se puede utilizar directamente para ensamblar el producto. Además, la deposición por evaporación de metal puede reemplazar los alambres soldados en caliente y eliminar por completo los alambres voladores.

 

Circuito integrado de cristal de silicio de Fairchild

El 30 de julio de 1959, Neuss solicitó una patente basada en sus propias ideas: "Dispositivo semiconductor - estructura de alambre". En sentido estricto, el invento de Neuss se acerca más a los circuitos integrados en el sentido moderno. El diseño de Neuss se basa en un proceso plano basado en silicio, mientras que el diseño de Kilbi se basa en un proceso de difusión basado en germanio. Basándose en las ventajas del proceso de silicio de Fairchild, Neuss ha creado circuitos que, de hecho, son más avanzados que los de Kirby. En 1966, el tribunal finalmente concedió a Kilby la invención de la idea de un circuito integrado (un circuito integrado híbrido) y la invención de un circuito integrado empaquetado en un chip que se utiliza hoy en día (un circuito integrado en el verdadero sentido de la palabra), así como la invención del proceso de fabricación. Kilby es conocido como “el inventor del primer circuito integrado”, mientras que Noyce fue quien “ideó la teoría de los circuitos integrados aptos para la producción industrial”. En marzo de 1960, Texas Instruments informó que Jack. El diseño de Kilby lanzó oficialmente el primer producto de circuito integrado comercializado en el mundo, el flip-flop binario multirresonante biestable de silicio 502, que se vendió por 450 dólares. El famoso programa de alunizaje Apolo compró millones de circuitos integrados, lo que hizo que Texas Instruments y Fairchild ganaran mucho dinero. El éxito del mercado de la aviación ha llevado a la expansión del mercado civil. En 1964, Zenith utilizó circuitos integrados en audífonos, lo que supuso el primer aterrizaje de circuitos integrados en el campo civil. Después de eso, todos deberían estar familiarizados con la historia. Con los esfuerzos conjuntos de materiales, procesos y procesos, la cantidad de transistores en los circuitos integrados continúa aumentando, el rendimiento continúa mejorando y el costo disminuye gradualmente, y hemos entrado en la era de la Ley de Moore.

Ley de Moore: El número de transistores que caben en un circuito integrado se duplica aproximadamente cada 18 meses, y el rendimiento se duplica. El desarrollo de circuitos integrados a gran y ultra gran escala basados ​​en circuitos integrados ha allanado el camino para la aparición de microprocesadores y almacenamiento de semiconductores. En 1970, Intel presentó el primer circuito integrado DRAM (Memoria dinámica de acceso aleatorio) del mundo, el 1103. Al año siguiente, lanzaron el Intel 4004, el primer chip programable del mundo que incluye combinadores y controladores. La edad de oro de la tecnología TI ha comenzado oficialmente.

█ La evolución de los transistores.

Volvamos atrás y hablemos de transistores nuevamente. Desde la llegada de los transistores, se han producido muchos cambios importantes en su forma. En pocas palabras, es principalmente de bipolar a unipolar. En el caso del tipo unipolar, de FET a MOSFET. Desde un punto de vista estructural, es de PlanarFET a FinFET y GAAFET.

 

Bipolar, unipolar

El transistor de unión inventado por Shockley en 1948 se llama transistor de unión bipolar (BJT) porque utiliza dos portadores, huecos y electrones, para participar en la conducción eléctrica.

Los transistores BJT están disponibles en dos configuraciones: NPN y PNP:

Como podemos ver, un transistor BJT forma dos uniones PN que están muy cerca entre sí en un sustrato semiconductor. Dos uniones PN dividen todo el semiconductor en tres partes, la parte central es la base y los dos lados son el emisor y el colector. El principio de funcionamiento de los transistores BJT es más complejo y rara vez se utiliza hoy en día, por lo que no entraré en él por razones de espacio. En esencia, la función principal de este transistor es hacer que el colector produzca un gran cambio de corriente a través de un pequeño cambio de corriente en la base, lo que tiene un efecto amplificador. El autor mencionó anteriormente los circuitos lógicos. Es una combinación de un diodo y un transistor BJT, y se llama circuito DTL (lógica de diodo-transistor). Más tarde, los circuitos TTL (Transistor-Transistor Logic) se construyeron enteramente con transistores. Las ventajas de los transistores BJT son su alta frecuencia de funcionamiento y su gran capacidad de conducción. Sin embargo, también tiene desventajas, como un alto consumo de energía y una baja integración. Su proceso de fabricación también es más complejo y el uso de tecnología plana presenta algunos inconvenientes. Como resultado, con el tiempo comenzó a surgir un nuevo tipo de transistor, conocido como transistor de efecto de campo (FET). En 1953, Ian Ross y George Dacey de Bell Labs colaboraron para producir el primer prototipo del mundo de un transistor de efecto de campo de unión (JFET).

JFET(结型场效应晶体管),此为N沟道

JFET es un dispositivo semiconductor con una estructura tripolar (tres terminales), que incluye una fuente, un drenaje y una compuerta. Los JFET se dividen en JFET de canal N (canal N) y JFET de canal P (canal P). El primero es un semiconductor en forma de N con dos semiconductores tipo P a cada lado (como se muestra en la imagen de arriba). Este último es un semiconductor en forma de P con dos semiconductores de tipo N en ambos lados. El principio de funcionamiento de JFET es simplemente controlar la unión PN entre la puerta y el canal y, por lo tanto, la capa de agotamiento, controlando el voltaje entre la puerta G y la fuente S (VGS en la figura) y el voltaje entre el drenaje D y la fuente S. (VDS en la figura). Cuanto más ancha sea la capa de agotamiento, más estrecho será el canal y cuanto mayor sea la resistencia del canal, menor será la corriente de drenaje (ID en el diagrama) que puede pasar. El estado en el que el canal está completamente cubierto por la capa de agotamiento se denomina estado de pellizco. Cuando un transistor JFET funciona, requiere solo un tipo de portadora, por lo que se llama transistor unipolar. En 1959 nació un nuevo tipo de transistor, el famoso MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET). Fue inventado por Mohamed Atala (rebautizado como Martin Atala), un científico de origen egipcio, y Dawon Kahng, un científico de origen coreano.

MOSFET también se compone de fuente, drenaje y compuerta. La "M" en "MOS" significa que la puerta se implementó originalmente con metal. "O" significa que la puerta y el sustrato están aislados utilizando óxido. "S" significa que el MOSFET se implementa en su totalidad mediante semiconductores.

Transistor MOSFET, también conocido como IGFET (In-sulated Gate FET, transistor de efecto de campo de puerta aislada).

MOSFET(N型)

Este transistor MOSFET también se divide en dos tipos: "tipo N" y "tipo P", es decir, NMOS y PMOS. Según el tipo de operación, también se divide en mejorada y agotada. Tome el MOS tipo N (más comúnmente utilizado) en la figura anterior como ejemplo. Se utilizó material semiconductor de silicio tipo P como sustrato, y se difundieron dos regiones de tipo N en la superficie, y luego se cubrió una capa aislante de dióxido de silicio (SiO2) encima. Finalmente, por encima de la zona N, se realizaron dos agujeros por corrosión. Se realizan tres electrodos sobre la capa aislante y en dos orificios mediante metalización: G (compuerta), S (fuente) y D (drenaje). El sustrato de silicio tipo P tiene un terminal (B) que está conectado a la fuente S mediante un cable. El principio de funcionamiento de un MOSFET es relativamente simple: normalmente, se forma una región neutra de agotamiento entre la región N y el sustrato P debido a la recombinación natural de los portadores.

Después de suministrar voltaje directo a la puerta, los electrones en la región P se acumularán bajo la acción del campo eléctrico debajo del óxido de silicio de la puerta, formando una región con electrones de tantos subones, es decir, un canal.

Ahora bien, si se aplica un voltaje entre el drenaje y la fuente, la corriente fluirá libremente entre la fuente y el drenaje, logrando un estado de conducción.

La puerta G es como una puerta que controla el voltaje, si se aplica un voltaje a la puerta G, la puerta se abre y la corriente conduce desde la fuente S al drenaje D. Cuando se elimina el voltaje en la puerta, la puerta se cierra y la corriente no puede pasar. .

En particular, cabe señalar que en 1967, Jiang Dayuan cooperó con el científico chino Shi Min para inventar conjuntamente la estructura de "puerta flotante" FGMOS (Floating Gate MOSFET), que sentó las bases de la tecnología de almacenamiento de semiconductores. Posteriormente, todas las memorias flash, FLASH, EEPROM, etc., se basaron en esta tecnología.

Se acaban de presentar BJT, JFET y MOSFET. Primero dibujaré un diagrama, no arruines tu pensamiento:

En 1963, Frank Semiconductor de Fairchild Semiconductor. Frank Wanlass y Chih-Tang Sah (de ascendencia china) propusieron por primera vez el transistor CMOS. Combinan transistores PMOS con NMOS y los conectan en estructuras complementarias casi sin corriente de reposo. Este es también el origen de la "C" (Complementaria) de los transistores CMOS.

La característica más importante de CMOS es que el consumo de energía es mucho menor que el de otros tipos de transistores. Con el continuo desarrollo de la Ley de Moore, el número de transistores en los circuitos integrados aumenta, lo que hace que también aumenten los requisitos de consumo de energía. Basado en las características de bajo consumo de energía, CMOS ha comenzado a generalizarse.

Hoy en día, más del 95% de los chips de circuitos integrados se fabrican basándose en procesos CMOS.

En otras palabras, desde la década de 1960, los principios arquitectónicos básicos de los transistores se han finalizado en gran medida. La ecología de los circuitos integrados representada por CMOS, el silicio (la reserva natural de silicio supera con creces la del germanio y su resistencia al calor es mejor que la del germanio, por lo que se ha convertido en la corriente principal) y la tecnología plana han respaldado el rápido desarrollo de toda la industria. durante décadas.

 

PlanarFET, FinFET, GAAFET

 

Aunque el principio central de la arquitectura no ha cambiado, la forma sí ha cambiado.

Los circuitos integrados se actualizan constantemente y los procesos y procesos evolucionan constantemente. Cuando el número de transistores alcanza una determinada escala, el proceso obligará a los transistores a "deformarse" para satisfacer las necesidades del desarrollo. Al principio, los transistores eran principalmente transistores planos (PlanarFET). A medida que el transistor se hace más pequeño, la longitud de la compuerta se hace cada vez más corta y la distancia entre la fuente y el drenaje se acerca. Cuando el proceso (es decir, lo que a menudo llamamos 7 nm y 3 nm, generalmente se refiere al ancho de la puerta) es inferior a 20 nm, surge el problema: a la puerta del MOSFET le resulta difícil cerrar el canal actual, los electrones inquietos no pueden bloquearse, el fenómeno de fuga se produce repetidamente y el consumo de energía también aumenta.

Para resolver este problema, en 1999, el profesor Hu Zhengming, un científico chino-estadounidense, inventó oficialmente el FinFET. En comparación con el diseño gráfico de PlanarFET, FinFET se ha convertido directamente en un diseño 3D y una estructura tridimensional. Su canal actual se convierte en una delgada rebanada vertical como la aleta de un pez, sujeta con una envoltura de puerta en tres lados. De esta manera, se crea un campo eléctrico relativamente fuerte, lo que mejora la eficiencia del canal de control y puede controlar mejor si los electrones pueden pasar. La tecnología sigue evolucionando y, cuando llegue a los 5 nm, los FinFET tampoco funcionarán. En ese momento, existía GAAFET (transistor de tecnología de puerta envolvente). El nombre completo de GAAFET en inglés es Gate-All-Around FET. En comparación con los FinFET, GAAFET convierte la compuerta y el drenaje de las aletas en "pequeños palos" que pasan verticalmente a través de la compuerta. De esta manera, de tres a cuatro contactos, y también divididos en varios contactos cuádruples, se mejora aún más el control de la corriente en la puerta. Samsung de Corea del Sur también ha diseñado otra forma de GAA, MBCFET (Multi-Bridge-Channel FET). MBCFET reemplaza los nanocables en GAA con nanohojas multicapa, y el mayor ancho de la estructura de la hoja aumenta la superficie de contacto, conservando todas las ventajas originales y minimizando la complejidad.

 

En la actualidad, las principales empresas de chips de la industria todavía están investigando en profundidad la actualización de la forma de los transistores, con el fin de encontrar mejores innovaciones que respalden el desarrollo de la tecnología de chips en el futuro.

█ Epilogue

En general, ya sea un tubo de electrones (tubo de vacío) o un transistor, es un componente pequeño que utiliza electricidad para controlar la electricidad. Los transistores se basan en materiales semiconductores, por lo que pueden fabricarse lo suficientemente pequeños. Ésta es la razón por la que los chips (circuitos integrados) pueden alcanzar "un tamaño extremadamente pequeño y una gran capacidad". Las propiedades de los materiales semiconductores, así como el papel de los transistores, parecen muy simples. Son cientos de millones de estos simples "dispositivos" los que apoyan el desarrollo de la tecnología digital humana y nos empujan hacia la era de la inteligencia digital.