Как работают полупроводниковые чипы?

0020-42285 ПЛАСТИНА,БЛОКЕР 8" EC WXZ

0010-35756 Камера охлаждения CVD в сборе

█ Вакуумная лампа (электронная трубка)

Эффект Эдисона

В 1883 году знаменитый изобретатель Томас Эдисон во время эксперимента наблюдал странное явление. В это время он проводил испытание нити накала (углеродной нити) на ресурс. Рядом с нитью он поместил медную проволоку, но медная проволока не была прикреплена ни к одному из электродов. То есть медный провод не находится под напряжением..

После того как на угольную нить подается нормальное напряжение, она начинает светиться и нагреваться. Через некоторое время Эдисон отключил питание. Он случайно обнаружил, что на медном проводе также возник электрический ток.

Эдисон не имел возможности объяснить причину этого явления, но, как проницательному «бизнесмену», первое, что пришло ему в голову, — запатентовать открытие. Он также назвал это явление «эффектом Эдисона».

Теперь мы знаем, что суть «эффекта Эдисона» заключается в эмиссии тепловых электронов. То есть при нагревании нити электроны на поверхности становятся активными и «убегают», в результате чего они захватываются металлической медной проволокой, которая генерирует электрический ток.

Когда Эдисон подал заявку на патент, он не подумал об использовании эффекта и отложил его на полку.

В 1884 году английский физик Джон Амброуз Флеминг посетил США, чтобы встретиться с Эдисоном. Эдисон продемонстрировал Флемингу эффект Эдисона и произвел на Флеминга большое впечатление.

 

弗莱明

Диод

К тому времени, когда Флеминг действительно использовал этот эффект, прошло более десяти лет. В 1901 году Гульельмо Маркони, изобретатель беспроводного телеграфа, начал эксперименты по радиосвязи на большие расстояния через Атлантику. Флеминг присоединился к эксперименту, чтобы помочь улучшить прием беспроводного сигнала. Проще говоря, это значит научиться обнаруживать сигнал на принимающей стороне и усиливать его, чтобы его можно было идеально интерпретировать. Каждый понимает сигнал, так что же такое сигнал обнаружения?

Так называемое обнаружение сигнала на самом деле является его фильтрацией. Сигнал, принимаемый антенной, очень беспорядочный и бывает разного рода. Сигналы, которые нам действительно нужны (сигналы заданной частоты), которые необходимо «отфильтровать» из этих беспорядочных сигналов, и это обнаружение.

Ключом к достижению обнаружения является однонаправленная проводимость (однонаправленная проводимость). Беспроводные магнитные волны представляют собой высокочастотные колебания, достигающие сотен тысяч раз в секунду. Индуцированный ток, генерируемый беспроводной электромагнитной волной, также меняется на «положительный, отрицательный, положительный, отрицательный». Если мы используем этот ток для управления наушниками, один положительный и один отрицательный равен нулю, и наушники не смогут точно идентифицировать сигнал.

При однонаправленной проводимости отрицательный полупериод синусоиды отсутствует, все они положительные, а направление тока одинаковое. Отфильтровывая высокие частоты, наушники легко улавливают изменения тока.

 

去掉负半周,电流方向变成一致的,容易解读

Чтобы обнаружить сигнал, Флеминг подумал об «эффекте Эдисона»: можно ли разработать новый тип детектора, основанный на потоке электронов, возникающем в результате эффекта Эдисона? Таким образом, в 1904 году под руками Флеминга родился первый в мире вакуумный электронный диод. В то время этот диод также называли «клапаном Флеминга». (Вакуумную трубку, также известную как электронная трубка, иногда называют «желчным протоком».))

弗莱明发明的2极管

Диод Флеминга, структура на самом деле очень простая, то есть в вакуумной стеклянной колбе нафаршированы два полюса: катод (катод), способный при нагревании испускать электроны (катодные лучи); Анод, принимающий электроны.

 

旁热式2极管

Причина создания вакуума в стеклянной трубке заключается в предотвращении ионизации газов, которая повлияет на нормальный поток электронов и разрушит характеристическую кривую. (Накачка в вакуум также может эффективно снизить потери нити накала от окисления.))

Транзистор

Появление диодов, которые решили проблему обнаружения и выпрямления, было крупным прорывом того времени. Однако ему есть куда совершенствоваться.

 

德福雷斯特

В 1906 году американский учёный Де Форест Ли (De Forest Lee) изобрел вакуумную триодную электронную лампу, хитроумно добавив решетчатую пластину («затвор») к вакуумной диодной электронной лампе.

德·福雷斯特发明的3极管

При добавлении затвора, когда напряжение затвора положительное, он притягивает больше электронов с катода. Большая часть электронов проходит через затвор и достигает анода, что значительно увеличивает ток на аноде. Если напряжение на затворе отрицательное, электроны на катоде не имеют возможности добраться до затвора, не говоря уже об аноде.

Небольшое изменение тока на затворе может вызвать большое изменение тока на аноде. Более того, изменяющаяся форма сигнала точно такая же, как ток затвора. Следовательно, транзистор имеет эффект усиления сигнала.

 

Сначала триод представлял собой одинарную сетку, затем он превратился в двойную сетку с двумя скрепленными вместе платами, а затем просто стал цельной закрытой сеткой.

 

围栅

Рождение вакуумного триода — знаковое событие в области электронной промышленности.

Этот небольшой компонент действительно реализует использование электричества для управления электричеством (в прошлом им управляли механические переключатели, у которых были проблемы с низкой частотой, коротким сроком службы и легким повреждением) и использовался «малый ток» для управления «большим током». ".

Этот небольшой компонент действительно реализует использование электричества для управления электричеством (в прошлом им управляли механические переключатели, у которых были проблемы с низкой частотой, коротким сроком службы и легким повреждением) и использовался «малый ток» для управления «большим током». ".

На его основе у нас есть радиостанции, радиоприемники, граммофоны, фильмы, радиоприемники, радары, радиопереговорные устройства и т. д., которые становятся все более мощными. Широкая популярность этих продуктов изменила повседневную жизнь людей и способствовала социальному прогрессу.

真空管

В 1919 году Шоттки из Германии предложил идею добавить завесу между воротами и положительным полюсом. Эту идею реализовал Ланде в Англии в 1926 году. Это стало квадрудой. Позже Холст и Телеген из Нидерландов изобрели пентод.

В 40-е годы 20 века исследования вычислительной техники достигли апогея. Было обнаружено, что однонаправленная проводимость электронных ламп может быть использована для проектирования некоторых логических схем (например, затворных схем или вентильных схем).

Итак, они начали внедрять электронные лампы в компьютерную сферу. В то время почти все электронные компьютеры, включая ENIAC (в котором использовалось более 18000 ламп), были основаны на лампах.

 

埃尼阿克

Здесь мы кратко поговорим о схеме затвора. Когда мы изучаем основы вычислений, мы должны изучить основные логические операции, такие как и, или, нет, XOR, то же самое, или, НЕ, или нет и т. д.

Компьютеры распознают только 0 и единицы. Он выполняет свои вычисления на основе этих правил логических операций. Например, 2+1 — это 0010+0001 в двоичном виде, а выполнение операции XOR равно 0011, что равно 3.

Схема, которая реализует вышеуказанные функции логического вентиля, представляет собой схему логического вентиля. С другой стороны, однопроводящая электронная лампа (вакуумная лампа) может быть собрана в различные схемы логических элементов. Например, «ИЛИ-вентиль» и «И-вентиль» ниже.

A, B — входы, F — выход.

█ транзисторов

В то же время с быстрым развитием и применением электронных ламп люди постепенно обнаружили, что у этого продукта есть некоторые недостатки:

С одной стороны, трубку легко сломать и она имеет высокий процент отказов; С другой стороны, трубку необходимо нагревать, а на выделение тепла тратится много энергии, что также приводит к чрезвычайно высокому энергопотреблению.

Итак, люди начали думать о том, есть ли лучший способ обнаружить, исправить и усилить сигнал. Конечно, есть способы. В это время вот-вот появится замечательный материал, и это – полупроводники.

 

Зародыш полупроводников

Вернемся во времени в 18 век. В 1782 году знаменитый итальянский физик Алессандро Вольта (Alessandro Volta) установил, что твердые вещества можно условно разделить на три типа:

Первые, такие металлы, как золото, серебро, медь, железо и т. д., обладают чрезвычайной проводимостью и называются проводниками;

Во-вторых, такие материалы, как дерево, стекло, керамика, слюда и т. д., которые плохо проводят электричество, называются изоляторами;

Третий, между проводником и изолятором, разряжается медленно.

Странные свойства третьего материала Вольт назвал «Полупроводниковая природа», что означает «свойства полупроводника». Впервые в истории человечества появился термин «полупроводник».

 

亚历山德罗·伏特

Позже ряд учёных намеренно или ненамеренно открыли некоторые свойства полупроводников. Например, в 1833 году Майкл Фарадей обнаружил, что при повышении температуры сульфида серебра сопротивление уменьшается (термочувствительное свойство полупроводников).

В 1839 году французский учёный Александр Эдмон Беккерель обнаружил, что свет может вызывать разность потенциалов между двумя концами определённых материалов (фотоэлектрический эффект полупроводников).

В 1873 году Уиллоуби Смит обнаружил, что проводимость селеновых материалов увеличивается под воздействием света (фотопроводящий эффект полупроводников).

Эти явления никто не смог объяснить в то время, и они не привлекли особого внимания.

В 1874 году немецкий учёный Карл Фердинанд Браун обнаружил свойства однонаправленной проводимости электрического тока в природных рудах (сульфидах металлов). Это огромная веха.

 

卡尔·布劳恩

В 1906 году американский инженер Гринлиф Уиттьер Пикард на основе кристалла чалмеровой руды изобрел знаменитый кристаллический детектор, также известный как «детектор кошачьих усов» (на геофоне имеется зонд, очень похожий на кошачьи усы, отсюда и название ).

 

矿石检波器

Рудный геофон — самый ранний полупроводниковый прибор человечества. Его внешний вид — «маленький тест» полупроводниковых материалов. Хотя он имел некоторые недостатки (плохой контроль качества, нестабильная работа, поскольку руда не отличалась высокой чистотой), он дал мощный толчок развитию электронной техники. В то время радиоприемники на основе рудных геофонов способствовали популяризации радиовещания и беспроводной телеграфии.

 

Появление зонной теории

Люди используют рудные геофоны, но никогда не понимают, как они работают. С тех пор более 30 лет ученые неоднократно задавались вопросом, почему существуют полупроводниковые материалы. Почему полупроводниковые материалы могут использоваться для однонаправленной проводимости?

Вначале многие люди даже сомневались в существовании полупроводниковых материалов. Знаменитый физик Паули однажды сказал: «Люди не должны изучать полупроводники, это грязный бардак, и кто знает, существуют ли полупроводники». "

Позднее, с зарождением и развитием квантовой механики, наконец произошел прорыв в теоретических исследованиях полупроводников.

В 1928 году Макс Карл Эрнст Людвиг Планк, немецкий физик и один из основоположников квантовой механики, впервые предложил теорию твёрдых энергетических зон в применении квантовой механики для изучения проводимости металлов.

 

量子理论之父,普朗克

Он считает, что под действием внешнего электрического поля проводимость полупроводника разделяется на проводимость с участием «дырок» (т. е. проводимость Р-типа) и проводимость с участием электронов (т. е. проводимость N-типа). Многие экзотические свойства полупроводников определяются как «дырками», так и электронами. Позже зонная теория была усовершенствована, чтобы систематически объяснить существенные различия между проводниками, изоляторами и полупроводниками. Давайте кратко рассмотрим зонную теорию. Как вы узнали из курса физики средней школы, объекты состоят из молекул, атомов, а внешняя оболочка атома — это электрон. Когда атомы твердого объекта находятся близко друг к другу, электроны будут смешиваться друг с другом. Квантовая механика считает, что электроны не могут оставаться на одной орбите и «разбиваются». В результате орбита разделилась на несколько тонких дорожек. В квантовой механике эта тонкая орбиталь называется энергетическим уровнем. Широкая орбита, образованная множеством тонких треков, сжатых вместе, называется энергетической зоной. Из двух зон нижняя — валентная зона, верхняя — зона проводимости, а средняя — запрещенная зона. Между валентной зоной и зоной проводимости находится запрещенная зона. Расстояние до запрещенной зоны, которая представляет собой ширину запрещенной зоны (энергетическая запрещенная зона).

Электроны движутся по широкой орбите и обладают макроскопической проводимостью. Электронов слишком много, они скучены, не могут двигаться и макроскопически не проводят электропроводность. Некоторые полные и пустые орбиты расположены очень близко друг к другу, и электроны могут легко переходить с полных орбит на пустые и свободно перемещаться, что называется проводниками. Две орбиты расположены слишком далеко друг от друга, зазор слишком велик, электроны не могут пройти сквозь них, и нет возможности проводить электричество. Однако если добавить энергию из внешнего мира, то можно изменить это состояние.

Если ширина запрещенной зоны находится в пределах 5 электронвольт (5 ЭВ), к электрону добавляется дополнительная энергия, и электрон может совершить прыжок и свободно двигаться, то есть проводимость. Это относится к полупроводникам. (Зона запрещенной зоны составляет около 1,12 эВ для кремния и 0,67 эВ для германия.) Если ширина запрещенной зоны превышает 5 электронвольт (5ЭВ), электроны не могут нормально пересекать ее, и она является изолятором. (Если внешний мир добавляет много энергии, он также может насильно помочь ему пересечь прошлое.) Например, воздух, воздух — изолятор, но электричество высокого напряжения также может пробивать воздух и образовывать электрический ток. Стоит отметить, что «широкозонный полупроводник», о котором мы сейчас часто слышим, представляет собой третье поколение полупроводниковых материалов, включающее карбид кремния (SiC), нитрид галлия (GaN), оксид цинка (ZnO), алмаз, нитрид алюминия (AlN). ), и т. д.

Their advantages are large bandgap width (>2,2EV), сильное электрическое поле пробоя, высокая теплопроводность, сильная антирадиационная способность, высокая светоотдача, высокая частота, может использоваться для высокотемпературных, высокочастотных, радиационных и мощных устройств - это направление отрасли. текущее бурное развитие. Ранее мы упомянули электроны и дырки. В полупроводниках есть два типа носителей: свободные электроны и дырки. Свободные электроны знакомы всем, что такое дырка?

Дырки также известны как электронные дырки. При комнатной температуре из-за теплового движения небольшое количество энергичных электронов в верхней части валентной зоны может пересечь зону и переместиться вверх в зону проводимости и стать «свободными электронами». После того, как электроны бегут, остается «дырка». Остальные электроны, не получившие продвижения, могут войти в эту «дырку» и генерировать электрический ток. Следует отметить, что сама дырка неподвижна, но процесс «заполнения дырки» производит положительный эффект электрического потока, поэтому ее также рассматривают как носитель.

В 1931 году Чарльз Томсон Вильсон предложил физическую модель полупроводников, основанную на зонной теории. В 1939 году советский физик А. С. Давыдов (AS Davydov), британский физик Невилл Фрэнсис Мотт (Nevill Francisco Mott) и немецкий физик Вальтер Герман Шоттки (Walter Hermann Schottky) внесли свой вклад в создание базовой теории полупроводников. Давыдов был первым, кто осознал роль нескольких носителей заряда в полупроводниках, а Шоттки и Мотт разработали знаменитую «теорию диффузии». На основе вкладов этих воротил постепенно был заложен фундамент базовой теории полупроводников.

 

Рождение транзистора

После появления рудного геофона ученые обнаружили, что производительность геофона во многом зависит от чистоты руды. Чем выше чистота руды, тем лучше будет работать геофон. Поэтому многие ученые проводили исследования по очистке рудных материалов (таких как сульфид свинца, сульфид меди, оксид меди и т. д.), и процесс очистки постоянно совершенствовался.

В 30-х годах 20-го века Рассел Шумейкер Ол, учёный из Bell Labs, предположил, что геофон, изготовленный из очищенных кристаллических материалов, полностью заменит электронный диод. (Знаете, в то время трубки были в абсолютном доминировании на рынке.) )

 

罗素·奥尔,他还是现代太阳能电池之父

Протестировав более 100 материалов один за другим, он решил, что кристаллы кремния — самый идеальный материал для геофонов. Чтобы проверить свои выводы, он усовершенствовал сплав кристаллов кремния высокой чистоты с помощью своего коллеги Джека Скаффа. Поскольку Bell Labs не имела возможности резать кристаллы кремния, Орр отправил сплав в ювелирный магазин, чтобы разрезать его на образцы кристаллов разных размеров. Неожиданно один из образцов после освещения вел себя как положительный электрод на одном конце и отрицательный электрод на другом конце, которые Орр назвал P- и N-областями соответственно. Таким образом, Орр изобрел первый в мире полупроводниковый PN-переход (P-N-переход). Во время Второй мировой войны компания Western Electric, дочерняя компания AT&T, изготовила партию кремниевых кристаллических диодов на основе очищенных полупроводниковых кристаллов. Небольшой размер и низкая частота отказов этих диодов значительно улучшили характеристики и надежность радиолокационных систем союзников. Изобретение Орром PN-перехода и превосходные характеристики кремниевых кристаллических диодов укрепили решимость Bell Labs развивать транзисторную технологию. В 1945 году Уильям Шокли из Bell Labs после общения с Расселом Орром нарисовал зонную диаграмму полупроводников P-типа и N-типа на основе зонной теории и на этой основе предложил «гипотезу эффекта поля».

.

肖克利的场效应设想

Протестировав более 100 материалов один за другим, он решил, что кристаллы кремния — самый идеальный материал для геофонов. Чтобы проверить свои выводы, он усовершенствовал сплав кристаллов кремния высокой чистоты с помощью своего коллеги Джека Скаффа. Поскольку Bell Labs не имела возможности резать кристаллы кремния, Орр отправил сплав в ювелирный магазин, чтобы разрезать его на образцы кристаллов разных размеров. Он предположил, что внутренний заряд кремниевой пластины может свободно перемещаться, и если пластина будет достаточно тонкой, под действием приложенного напряжения электроны или дырки в кремниевой пластине будут выходить на поверхность, значительно увеличивая проводимость кремниевой пластины. , тем самым достигая эффекта усиления тока. Основываясь на этом видении, 23 декабря 1947 года Джон Бардин и Уолтер Брэттон из Bell Labs построили первый в мире усилитель на полупроводниковом триоде. То есть следующая очень странная и убогая на вид вещь:

世界上第一个晶体管(基于锗半导体)

晶体管的电路模型

Согласно экспериментальным данным, этот транзистор может обеспечить «прирост напряжения 100, коэффициент усиления мощности 40 и потери тока 1/2,5…», что очень хорошо.

Называя его, Бардин и Брэттон утверждают, что способность устройства усиливать сигналы обусловлена ​​его характеристиками преобразования сопротивления, то есть сигнал переходит от «входа с низким сопротивлением» к «выходу с высоким сопротивлением». Итак, они назвали его транс-резистором. Позже его стали называть транзистором.

Много лет спустя Цянь Сюэсэнь, известный ученый в Китае, установил свое название в китайском переводе как: транзистор.

Я резюмировал, что свойства полупроводника – это особая способность проводить электричество (подвластная внешним факторам). Материалы, обладающие полупроводниковыми свойствами, называются полупроводниковыми материалами. Кремний и германий являются типичными полупроводниковыми материалами.

Микроскопически вещества, упорядоченно расположенные по определенным законам, называются кристаллами. Кристаллы кремния имеют монокристаллическую, поликристаллическую, аморфно-кристаллическую и другие формы.

Морфология кристалла определяет зонную структуру, а зонная структура определяет электрические свойства. Поэтому кристаллы кремния (германия) как полупроводниковые материалы имеют такое большое прикладное значение. Диоды, триоды и квадруды получили названия в зависимости от их функций. Электронные лампы (вакуумные лампы) и транзисторы (кремниевые транзисторы, германиевые транзисторы) называются принципиально. Транзистор, изобретенный Бардином и Брэттоном, на самом деле следует называть транзистором с точечным контактом. Как вы можете видеть на изображении ниже, этот дизайн слишком элементарный. Хотя он выполняет функцию усиления, он структурно хрупкий, чувствительный к внешним вибрациям, его нелегко изготовить, поэтому его нельзя использовать в коммерческих целях.

 

Шокли увидел этот недостаток и начал изучать новую конструкцию транзистора.

23 января 1948 года, после более чем месяца напряженной работы, Шокли предложил новую модель транзистора с трехслойной структурой и назвал ее «Соединительный транзистор».

肖克利的结式晶体管设计

Именно Морган Спаркс и Гордон Кидд Тил помогли Шокли создать конечный продукт. Особо следует упомянуть Гордона Тиля. Он обнаружил, что замена поли монокристаллическими полупроводниками может привести к значительному увеличению производительности. Более того, именно он обнаружил, что метод прямого вытягивания можно использовать для очистки монокристаллов металлов. С тех пор этот метод используется и является наиболее распространенным методом изготовления монокристаллов в полупроводниковой промышленности. Рождение транзисторов имеет огромное значение для развития человеческой науки и техники. Он обладает возможностями электронных ламп, но преодолевает все недостатки большого объема, высокого энергопотребления, небольшого увеличения, короткого срока службы и высокой стоимости электронных ламп. С момента его рождения было решено добиться полной замены трубки.

 

正在生产晶体管的工人

В области беспроводной связи транзисторы, как и электронные лампы, могут излучать, обнаруживать и усиливать электромагнитные волны. В области цифровых схем транзисторы также могут оказаться более удобными для реализации логических схем. Он заложил прочную основу для развития электронной промышленности.

 

Позже семейство транзисторов выросло.

█ИС

Появление транзисторов позволило миниатюризировать электрические цепи.

В 1952 году Джеффри Даммер, известный учёный из Королевского научно-исследовательского института радиолокации в Великобритании, отметил на конференции:

«С появлением транзисторов и всесторонним изучением полупроводников теперь кажется возможным, что электронное устройство будущего представляет собой твердый компонент без соединительных проводов».

В августе 1958 года Килби, новый сотрудник Texas Instruments, обнаружил, что крошечные схемы, состоящие из множества устройств, можно изготовить на одной пластине. Другими словами, различные электронные устройства (например, резисторы, конденсаторы, диоды и транзисторы) могут быть изготовлены на кремниевых пластинах и соединены тонкими проводами.

Вскоре после этого, 12 сентября, Килби на основе собственных идей удалось изготовить германиевую микросхему длиной 7/16 дюйма и шириной 1/16 дюйма, которая также стала первой в мире интегральной схемой.

 

Эта схема представляет собой однотранзисторный генератор с RC-обратной связью, и вся эта схема приклеена к предметному стеклу, что выглядит очень элементарно. Устройства схемы соединены разбросанными тонкими проводами. В то же время, когда Килби изобретал интегральную схему, другой человек совершил прорыв в этой области. Этим человеком был Роберт Нортон Нойс из Fairchild Semiconductor (который позже основал Intel). Fairchild — компания, соучредителем которой являются «Восемь предателей» Кремниевой долины (см. «Легенда о Fairchild»), которая имеет сильные позиции в области полупроводниковых технологий. Жан Эрни, один из «Восьми предателей», изобрел очень важный процесс планирования. В этом процессе к кремниевой пластине добавляется слой оксида кремния в качестве изолирующего слоя. Затем в этом слое изолирующего оксида кремния проделывают отверстие, а устройства, изготовленные по технологии диффузии кремния, соединяют алюминиевой пленкой. Рождение планарного процесса позволило Fairchild производить высокопроизводительные кремниевые кристаллические транзисторы чрезвычайно малых размеров, а также сделало возможным соединение устройств в интегральных схемах. 23 января 1959 года Нойс написал в своих рабочих заметках: «Изготовляя различные устройства на одной и той же кремниевой пластине и соединяя их вместе с помощью планарного процесса, можно создавать многофункциональные электронные схемы. Эта технология позволяет уменьшить размер и вес схему и снизить стоимость».

 

诺伊斯

Узнав, что Килби подал заявку на патент на интегральную схему, Нойс очень раскаялся, полагая, что опоздал на шаг. Однако вскоре он обнаружил, что изобретение Килби ошибочно. Интегральные схемы Килби соединены летающими проводами, которые просто не могут производиться массово и не имеют практической ценности. Идея Нойсса заключалась в том, чтобы сделать отрицательную пластину из всех схем и компонентов электронного устройства, а затем выгравировать ее на кремниевой пластине. После того, как эта кремниевая пластина выгравирована, она представляет собой всю схему и может быть использована непосредственно для сборки продукта. Кроме того, испарительное осаждение металла может заменить горячесварные проволоки и полностью исключить летающие проволоки.

 

Интегральная схема на кремниевом кристалле Fairchild

30 июля 1959 года Нойсс подал заявку на патент, основанный на его собственных идеях: «Полупроводниковый прибор – проволочная структура». Строго говоря, изобретение Нейсса ближе к интегральным схемам в современном понимании. Конструкция Нойсса основана на планарном процессе на основе кремния, а конструкция Килби основана на диффузионном процессе на основе германия. Опираясь на преимущества кремниевого процесса Fairchild, Нойсс создал схемы, которые действительно более совершенны, чем Кирби. В 1966 году трибунал наконец предоставил Килби изобретение идеи интегральной схемы (гибридной интегральной схемы) и изобретение интегральной схемы, упакованной в используемый сегодня чип (интегральная схема в истинном смысле этого слова). а также изобретение производственного процесса. Килби известен как «изобретатель первой интегральной схемы», а Нойс был тем, кто «придумал теорию интегральных схем, пригодных для промышленного производства». В марте 1960 года компания Texas Instruments сообщила, что Джек. Разработка Килби официально представила первую в мире коммерческую интегральную схему — кремниевый бистабильный мультирезонансный бинарный триггер 502, который продавался за 450 долларов. Знаменитая программа высадки на Луну «Аполлон» приобрела миллионы интегральных схем, что принесло компаниям Texas Instruments и Fairchild большие деньги. Успех авиационного рынка привел к расширению гражданского рынка. В 1964 году компания Zenith использовала интегральные схемы в слуховых аппаратах, что стало первым применением интегральных схем в гражданской сфере. После этого все должны быть знакомы с этой историей. Благодаря совместным усилиям материалов, процессов и процессов количество транзисторов в интегральных схемах продолжает увеличиваться, производительность продолжает улучшаться, а стоимость постепенно снижается, и мы вступили в эпоху закона Мура.

Закон Мура: количество транзисторов, которые можно разместить на интегральной схеме, удваивается примерно каждые 18 месяцев, а производительность удваивается. Разработка больших и сверхбольших интегральных схем на основе интегральных схем подготовила почву для появления полупроводниковых накопителей и микропроцессоров. В 1970 году компания Intel представила первую в мире интегральную схему DRAM (динамическое запоминающее устройство с произвольным доступом) — 1103. В следующем году они выпустили Intel 4004 — первый в мире программируемый чип, включающий в себя комбинаторы и контроллеры. Золотой век IT-технологий официально начался.

█ Эволюция транзисторов

Давайте вернемся и снова поговорим о транзисторах. С момента появления транзисторов в их форме произошло много серьезных изменений. Короче говоря, это в основном переход от биполярного к униполярному. В случае униполярного типа — от полевого транзистора к полевому транзистору. Со структурной точки зрения это переход от PlanarFET к FinFET и GAAFET.

 

Биполярный, униполярный

Переходной транзистор, изобретенный Шокли в 1948 году, называется биполярным переходным транзистором (БПТ), поскольку для участия в электропроводности он использует два носителя — дырки и электроны.

Транзисторы BJT доступны в двух конфигурациях: NPN и PNP:

Как мы видим, BJT-транзистор образует на полупроводниковой подложке два PN-перехода, расположенные очень близко друг к другу. Два PN-перехода делят весь полупроводник на три части, средняя часть — база, а две стороны — эмиттер и коллектор. Принцип работы BJT-транзисторов более сложен и в настоящее время используется редко, поэтому я не буду вдаваться в подробности ради экономии места. По сути, основная функция этого транзистора состоит в том, чтобы заставить коллектор производить большое изменение тока за счет небольшого изменения тока в базе, что имеет усиливающий эффект. О логических схемах автор упоминал ранее. Это комбинация диода и BJT-транзистора, которая называется схемой DTL (диодно-транзисторная логика). Позже схемы ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика) были полностью построены на транзисторах. Преимуществами BJT-транзисторов являются их высокая рабочая частота и высокая управляемость. Однако у него есть и недостатки, такие как высокое энергопотребление и низкая интеграция. Процесс его изготовления также более сложен, а использование плоской технологии имеет некоторые недостатки. В результате со временем начал появляться новый тип транзистора, известный как полевой транзистор (FET). В 1953 году Ян Росс и Джордж Дейси из Bell Labs совместно создали первый в мире прототип полевого транзистора с переходом (JFET).

JFET(结型场效应晶体管),此为N沟道

JFET — это полупроводниковый прибор с трехполюсной (трехполюсной) структурой, включающей исток, сток и затвор. JFET делятся на N-канальные (N-channel) JFET и P-канальные (P-Channel) JFET. Первый представляет собой полупроводник N-образной формы с двумя полупроводниками P-типа с каждой стороны (как показано на рисунке выше). Последний представляет собой полупроводник П-образной формы с двумя полупроводниками N-типа с обеих сторон. Принцип работы JFET заключается в простом управлении PN-переходом между затвором и каналом и, следовательно, слоем обеднения, путем управления напряжением между затвором G и истоком S (VGS на рисунке) и напряжением между стоком D и истоком S. (ВДС на рисунке). Чем шире слой обеднения, тем уже канал и чем больше сопротивление канала, тем меньший ток стока (ID на диаграмме) может быть пропущен. Состояние, при котором канал полностью покрыт слоем обеднения, называется пинч-состоянием. Когда транзистор JFET работает, ему требуется только один тип носителя, поэтому его называют униполярным транзистором. В 1959 году родился новый тип транзистора — знаменитый МОП-транзистор (МОП-транзистор (МОП-транзистор)). Его изобрели Мохамед Атала (переименованный в Мартина Атала), учёный египетского происхождения, и Давон Канг, учёный корейского происхождения.

МОП-транзистор также состоит из истока, стока и затвора. Буква «М» в слове «МОС» означает, что ворота изначально были изготовлены из металла. «О» означает, что затвор и подложка изолированы с помощью оксида. «S» означает, что МОП-транзистор полностью выполнен полупроводником.

MOSFET-транзистор, также известный как IGFET (полевой транзистор с изолированным затвором).

МОП-транзистор (N型)

Этот MOSFET-транзистор также делится на два типа: «N-тип» и «P-тип», то есть NMOS и PMOS. По типу операции ее также разделяют на усиленную и истощенную. В качестве примера возьмем МОП-транзистор N-типа (чаще используемый), показанный на рисунке выше. В качестве подложки использовался кремниевый полупроводниковый материал P-типа, на поверхность были диффузированы две области N-типа, а затем поверх него был нанесен изоляционный слой диоксида кремния (SiO2). Наконец, над N-зоной коррозией образовались две дыры. На изолирующем слое и в двух отверстиях методом металлизации выполнены три электрода: G (затвор), S (исток) и D (сток). Кремниевая подложка P-типа имеет одну клемму (B), которая соединена с источником S проводом. Принцип работы MOSFET относительно прост: обычно между N-областью и подложкой P образуется нейтральная обедненная область из-за естественной рекомбинации носителей.

После подачи прямого напряжения на затвор электроны в P-области будут накапливаться под действием электрического поля под оксидом кремния затвора, образуя область с электронами как можно большим количеством субонов, то есть канал.

Теперь, если между стоком и истоком приложено напряжение, ток будет свободно течь между истоком и стоком, достигая состояния проводимости.

Затвор G подобен затвору, который контролирует напряжение: если на затвор G подается напряжение, затвор открывается и ток течет от истока S к стоку D. Когда напряжение на затворе снимается, затвор закрывается, и ток не может пройти через него. .

В частности, следует отметить, что в 1967 году Цзян Даюань в сотрудничестве с китайским ученым Ши Минем совместно изобрели структуру FGMOS (MOSFET с плавающим затвором), которая заложила основу технологии полупроводниковых накопителей. Позже вся флэш-память, FLASH, EEPROM и т. д., была основана на этой технологии.

BJT, JFET, MOSFET только что были представлены, сначала я нарисую схему, не путайте свое мышление:

В 1963 году компания Frank Semiconductor компании Fairchild Semiconductor. Фрэнк Ванласс и Чи-Тан Сах (китайского происхождения) первыми предложили КМОП-транзистор. Они объединяют PMOS с NMOS-транзисторами и соединяют их в комплементарные структуры практически без тока покоя. Отсюда и происхождение буквы «C» (дополнительный) КМОП-транзисторов.

Самая большая особенность КМОП заключается в том, что энергопотребление намного ниже, чем у других типов транзисторов. С постоянным развитием закона Мура количество транзисторов в интегральных схемах увеличивается, что приводит к увеличению и требований к потребляемой мощности. Благодаря характеристикам низкого энергопотребления КМОП начали становиться массовыми.

Сегодня более 95% интегральных микросхем производятся на основе КМОП-процессов.

Другими словами, с 1960-х годов основные архитектурные принципы транзисторов были в значительной степени окончательно сформулированы. Экология интегральных схем, представленная КМОП, кремнием (природный запас кремния намного превышает запасы германия, а его термостойкость лучше, чем у германия, поэтому она стала основным направлением) и планарной технологией, способствовала быстрому развитию всей отрасли. на протяжении десятилетий.

 

PlanarFET, FinFET, GAAFET

 

Хотя основной принцип архитектуры не изменился, изменилась форма.

Интегральные схемы постоянно модернизируются, а процессы и процессы постоянно развиваются. Когда количество транзисторов достигнет определенного масштаба, процесс заставит транзисторы «деформироваться» для удовлетворения потребностей развития. Раньше транзисторы были в основном планарными транзисторами (PlanarFET). По мере того как транзистор становится меньше, длина затвора становится все короче и короче, а расстояние между истоком и стоком становится все ближе. Когда процесс (то есть то, что мы часто называем 7 нм и 3 нм, обычно относится к ширине затвора) меньше 20 нм, возникает проблема: затвору МОП-транзистора трудно закрыть канал тока, беспокойные электроны не могут быть заблокирован, явление утечки происходит неоднократно, а энергопотребление также увеличивается.

Чтобы решить эту проблему, в 1999 году профессор Ху Чжэнмин, китайско-американский учёный, официально изобрел FinFET. По сравнению с графическим дизайном PlanarFET, FinFET превратился в 3D-дизайн и трехмерную структуру. Его нынешний канал становится тонким вертикальным ломтиком, похожим на рыбий плавник, зажатым с трех сторон воротной обвязкой. Таким образом, создается относительно сильное электрическое поле, которое повышает эффективность канала управления и позволяет лучше контролировать возможность прохождения электронов. Технологии продолжают развиваться, и к тому времени, когда они достигнут 5-нм техпроцесса, FinFET тоже перестанут работать. В это время существовал GAAFET (транзистор с технологией Wrap-Around Gate). Полное название GAAFET на английском языке — Gate-All-Around FET. По сравнению с FinFET, GAAFET превращает затвор и сток из ребер в «маленькие палочки», которые проходят через затвор вертикально. Таким образом, от трех до четырех контактов, а также разделения на несколько четверных контактов, управление током затвора еще больше улучшается. Южнокорейская компания Samsung также разработала еще одну форму GAA — MBCFET (многомостовой полевой транзистор). MBCFET заменяет нанопроволоки в GAA на многослойные нанолисты, а большая ширина листовой структуры увеличивает контактную поверхность, сохраняя при этом все исходные преимущества при минимизации сложности.

 

В настоящее время крупные компании-производители микросхем в отрасли все еще проводят углубленные исследования по обновлению транзисторов, чтобы найти лучшие инновации для поддержки развития технологий чипов в будущем.

█ Eпилот

В общем, будь то электронная лампа (вакуумная лампа) или транзистор, это небольшой компонент, который использует электричество для управления электричеством. Транзисторы основаны на полупроводниковых материалах, поэтому их можно сделать достаточно маленькими. Именно по этой причине чипы (интегральные схемы) могут достигать «чрезвычайно малого размера и больших возможностей». Свойства полупроводниковых материалов, как и роль транзисторов, кажутся очень простыми. Именно сотни миллионов таких простых «гаджетов» поддерживают развитие цифровых технологий человека и подталкивают нас к эпохе цифрового интеллекта.