Жартылай өткізгіштер: қасиеттері мен қолданылуы

Кіріспе

Материал, өткізгіш пен оқшаулағыштан аралық электр өткізгіштікке ие

Жартылай өткізгіш – өткізгіштік қасиеті өткізгіш, мысалы, мыс, пен оқшаулағыш, мысалы, шыны, арасында болатын материал. Оның кедергісі температураның көтерілуімен әдетте төмендейді, ал металдар керісінше. Көп жағдайда оның өткізгіштік қасиеттерін кристалл құрылымына қоспалар енгізу арқылы ("допинг") жақсартуға болады. Егер бір кристалда екі түрлі допингтелген аймақ болса, жартылай өткізгіштік түйісу пайда болады. Осы түйісулердегі электрон, ион және электрондық тесіктер сияқты заряд тасымалдаушылардың мінез-құлқы диодтардың, транзисторлардың және қазіргі заманғы электрониканың негізін құрайды. Жартылай өткізгіштердің мысалдары: кремний, германий, галлий арсениді және периодтық кестедегі "металлоидты баспалдақ" деп аталатын элементтер. Кремнийден кейін галлий арсениді екінші ең көп қолданылатын жартылай өткізгіш болып табылады және лазерлік диодтарда, күн батареяларында, микротолқынды жиіліктегі интегралдық схемаларда және басқа да құрылғыларда қолданылады. Кремний – электрондық схемаларды жасау үшін өте маңызды элемент. Жартылай өткізгіш құрылғылар токты бір бағытта екіншісіне қарағанда оңай өткізу, өзгермелі кедергі көрсету және жарыққа немесе жылуға сезімтал болу сияқты әртүрлі пайдалы қасиеттерді көрсете алады. Жартылай өткізгіш материалдың электрлік қасиеттерін допингтеу және электр өрістерін немесе жарықты қолдану арқылы өзгертуге болатындықтан, жартылай өткізгіштерден жасалған құрылғыларды күшейту, коммутациялау және энергияны түрлендіру үшін пайдалануға болады. "Жартылай өткізгіш" термині жоғары сыйымдылыққа, орташа және жоғары кернеулі кабельдердегі оқшаулаудың бір бөлігі ретінде қолданылатын материалдарды сипаттау үшін де қолданылады. Бұл материалдар көбінесе көміртекті қара түсті пластмассадан жасалған XLPE (қайырылған полиэтилен) болып табылады. Кремнийдің өткізгіштігін бес валентті (антимон, фосфор немесе мырыш) немесе үш валентті (бор, галлий, индий) атомдардың аз мөлшерін (шамамен 108-ге тең) қосу арқылы арттыруға болады. Бұл процесс допингтеу деп аталады, ал нәтижесінде алынған жартылай өткізгіштер допингтелген немесе сыртқы жартылай өткізгіштер деп аталады. Допингтеуден басқа, жартылай өткізгіштің өткізгіштігін оның температурасын арттыру арқылы жақсартуға болады. Бұл металдың мінез-құлқына қайшы келеді, онда температураның өсуімен өткізгіштік төмендейді. Жартылай өткізгіштің қасиеттерін қазіргі заманғы түсінік кристалл тордағы заряд тасымалдаушылардың қозғалысын түсіндіру үшін кванттық физикаға сүйенеді. Допингтеу кристаллдағы заряд тасымалдаушылардың санын күрт арттырады. Допингтелген жартылай өткізгіште бос тесіктер болса, ол "p-типті", ал бос электрондар болса, ол "n-типті" деп аталады. Электрондық құрылғыларда қолданылатын жартылай өткізгіш материалдар p және n типті допанттардың концентрациясы мен аймақтарын бақылау үшін нақты жағдайларда допингтеледі. Бір жартылай өткізгіш құрылғы кристалдарында көптеген p және n типті аймақтар болуы мүмкін; осы аймақтар арасындағы pn түйісулері пайдалы электрондық мінез-құлыққа жауапты. Ыстық нүктелі зондты пайдаланып, жартылай өткізгіш үлгісінің p немесе n типті екенін тез анықтауға болады. Жартылай өткізгіш материалдардың кейбір қасиеттері 19 ғасырдың ортасы мен 20 ғасырдың алғашқы онжылдықтарында байқалды. Электроникада жартылай өткізгіштердің алғашқы практикалық қолданылуы 1904 жылы жасалған "мысық шашы бар детектор" болды, ол ерте радио қабылдағыштарында қолданылған қарапайым жартылай өткізгіш диод. Кванттық физиканың дамуы 1947 жылы транзистордың және 1958 жылы интегралды схеманың ойлап табуына әкелді.

A semiconductor is a material that has an electrical conductivity value falling between that of a conductor, such as copper, and an insulator, such as glass. Its resistivity generally falls as its temperature rises; metals behave in the opposite way. In many cases their conducting properties may be altered in useful ways by introducing impurities ("doping") into the crystal structure. When two differently doped regions exist in the same crystal, a semiconductor junction is created. The behavior of charge carriers, which include electrons, ions, and electron holes, at these junctions is the basis of diodes, transistors, and most modern electronics. Some examples of semiconductors are silicon, germanium, gallium arsenide, and elements near the so called "metalloid staircase" on the periodic table. After silicon, gallium arsenide is the second most common semiconductor and is used in laser diodes, solar cells, microwave frequency integrated circuits, and others. Silicon is a critical element for fabricating most electronic circuits. Semiconductor devices can display a range of different useful properties, such as passing current more easily in one direction than the other, showing variable resistance, and having sensitivity to light or heat. Because the electrical properties of a semiconductor material can be modified by doping and by the application of electrical fields or light, devices made from semiconductors can be used for amplification, switching, and energy conversion. The term semiconductor is also used to describe materials used in high capacity, medium to high voltage cables part of their insulation, these materials are often plastic XLPE (Cross linked polyethylene) with carbon black. The conductivity of silicon is increased by adding a small amount (of the order of 1 in 108) of pentavalent (antimony, phosphorus, or arsenic) or trivalent (boron, gallium, indium) atoms. This process is known as doping, and the resulting semiconductors are known as doped or extrinsic semiconductors. Apart from doping, the conductivity of a semiconductor can be improved by increasing its temperature. This is contrary to the behavior of a metal, in which conductivity decreases with an increase in temperature. The modern understanding of the properties of a semiconductor relies on quantum physics to explain the movement of charge carriers in a crystal lattice. Doping greatly increases the number of charge carriers within the crystal. When a doped semiconductor contains free holes, it is called "p type", and when it contains free electrons, it is known as "n type". The semiconductor materials used in electronic devices are doped under precise conditions to control the concentration and regions of p and n type dopants. A single semiconductor device crystal can have many p and n type regions; the p–n junctions between these regions are responsible for the useful electronic behavior. Using a hot point probe, one can determine quickly whether a semiconductor sample is p or n type. A few of the properties of semiconductor materials were observed throughout the mid 19th and first decades of the 20th century. The first practical application of semiconductors in electronics was the 1904 development of the cat's whisker detector, a primitive semiconductor diode used in early radio receivers. Developments in quantum physics led in turn to the invention of the transistor in 1947 and the integrated circuit in 1958.

Өзгермелі электр өткізгіштігі

Жартылай өткізгіштер табиғи күйінде нашар өткізгіштер болып табылады, себебі ток электрондардың қозғалысын қажет етеді, ал жартылай өткізгіштердің валенттік белдеуі толыққандықтан, жаңа электрондардың еркін ағынына кедергі келтіреді. Бірнеше дамытылған техникалар жартылай өткізгіш материалдарға допинг немесе қақпалдау (gating) сияқты өткізгіш материалдар сияқты мінез-құлық танытуға мүмкіндік береді. Бұл өзгертулер екі түрге бөлінеді: n-типті және p-типті. Олар сәйкесінше электронның артық немесе жетіспеуімен сипатталады. Электрондардың тең санды болуы материалда ток ағысын тудырады.

Гетероқосылымдар

Гетероқосылымдар екі әртүрлі допингтелген жартылай өткізгіш материалдар біріктірілген кезде пайда болады. Мысалы, конфигурация p-типті және n-типті германийден тұруы мүмкін. Бұл әртүрлі допингтелген жартылай өткізгіш материалдар арасында электрондар мен тесіктердің алмасуына әкеледі. n-типті германийде электрондардың артық болуы, ал p-типті германийде тесіктердің артық болуы байқалады. Бұл алмасу рекомбинация деп аталатын процесс арқылы тепе-теңдікке жеткенше жүзеге асырылады, нәтижесінде n-типтен миграциялаған электрондар p-типтен миграциялаған тесіктермен жанасады. Бұл процестің нәтижесінде түйіспе арқылы электр өрісін тудыратын қозғалмайтын иондардың тар жолағы пайда болады. Жартылай өткізгіш құрамын және электр тогын басқару арқылы шығарылатын жарықтың қасиеттерін өзгертуге болады. Бұл жартылай өткізгіштер жарықдиодтар мен флуоресценттік кванттық нүктелерді жасауда қолданылады.

Жоғары жылу өткізгіштігі

Жоғары жылу өткізгіштігі бар жартылай өткізгіштерді жылуды тарату және электрониканың жылулық басқаруын жақсарту үшін қолдануға болады. Олар электр көліктерінде, жоғары жарық шығаратын диодтарда (LED) және қуат модульдерінде, сондай-ақ басқа да көптеген қолданыстарда маңызды рөл атқарады.

Жылу энергиясын түрлендіру

Жартылай өткізгіштердің жоғары термоэлектрлік қуат факторлары термоэлектрлік генераторларда қолдануға ыңғайлы, ал жоғары термоэлектрлік сапа коэффициенттері термоэлектрлік салқындатқыштарда қолдануға мүмкіндік береді.

Жартылай өткізгіш материалдарды дайындау

Көптеген бүгінгі электрондық технологиялар жартылай өткізгіштерді пайдалануды қамтиды, олардың ең маңыздысы – интегралды схема (IC), ол үстелдік компьютерлерде, ноутбуктерде, сканерлерде, ұялы телефондарда және басқа да электрондық құрылғыларда кездеседі. IC үшін жартылай өткізгіштер жаппай өндіріледі. Жарымөткізгіш материалды жасауда химиялық тазалық ең бастысы. Кез келген ұсақ кемшілік материалдың масштабтылығына байланысты жартылай өткізгіш материалдың қалай жұмыс істейтініне айтарлықтай әсер ете алады. Бұл материалдардың айырмашылықтарын электрондардың кванттық күйлері тұрғысынан түсінуге болады, олардың әрқайсысында нөл немесе бір электрон болуы мүмкін (Паулидің тыйым салу принципі бойынша). Бұл күйлер материалдың электрондық жолақты құрылымымен байланысты. Электр өткізгіштігі материал арқылы кеңейтілген (делокализацияланған) күйдегі электрондардың болуына байланысты туындайды, бірақ электрондарды тасымалдау үшін күй жартылай толтырылуы керек, яғни электронды тек уақыттың бір бөлігінде ғана қамтуы керек. Егер күйде әрқашан электрон болса, онда ол инертті болып, сол күй арқылы басқа электрондардың өтуін тоқтатады. Бұл кванттық күйлердің энергиясы маңызды, өйткені күй тек оның энергиясы Ферми деңгейіне жақын болғанда ғана жартылай толтырылады (Ферми-Дирак статистикасын қараңыз). Материалдың жоғары өткізгіштігі оның көптеген жартылай толтырылған күйлері мен күйлердің кеңейтілуінен (делокализациясынан) туындайды. Металдар жақсы электр өткізгіштері болып табылады және олардың Ферми деңгейіне жақын энергиясы бар көптеген жартылай толтырылған күйлері бар. Изоляторлар, керісінше, аздаған жартылай толтырылған күйлерге ие, олардың Ферми деңгейлері энергиялық күйлердің азын қамтитын жолақты бос орындарда орналасқан. Маңыздысы, изоляторды температураны жоғарылату арқылы өткізгіштікке жеткізуге болады: қыздыру кейбір электрондарды жолақты аралықтан өтуге қажетті энергияны береді, бұл жолақты аралықтан төменгі (валенттік жолақты) және жолақты аралықтан жоғары (өткізгіштік жолақты) күйлердің жолағында жартылай толтырылған күйлерді тудырады. (Ішкі) жартылай өткізгіштің жолақты аралығы изоляторға қарағанда кішірек, сондықтан бөлме температурасында жолақты аралықтан өту үшін көптеген электрондарды қоздыруға болады. Алайда, таза жартылай өткізгіш өте пайдалы емес, өйткені ол жақсы изолятор да, жақсы өткізгіш те емес. Бірақ жартылай өткізгіштердің (және кейбір изоляторлардың, жартылай изоляторлар деп аталатын) маңызды ерекшелігі – олардың өткізгіштігін қоспалармен допингтеу және электр өрістерімен басқару арқылы арттыруға және бақылауға болады. Допингтеу және басқару өткізгіштік немесе валенттік жолақты Ферми деңгейіне жақындатады және жартылай толтырылған күйлердің санын арттырады. Кейбір кең жолақты жартылай өткізгіш материалдар кейде жартылай изоляторлар деп аталады. Допингтелмеген кезде олардың электр өткізгіштігі электр изоляторларына жақын, бірақ оларды допингтеуге болады (оларды жартылай өткізгіштер сияқты пайдалы етеді). Жартылай изоляторлар микроэлектроникада, мысалы, HEMT үшін негіз ретінде қолданылады. Галлий арсениді – жалпы жартылай изолятордың мысалы. Титан диоксиді сияқты кейбір материалдар кейбір қолданымдарда изоляторлық материалдар ретінде қолданылуы мүмкін, ал басқа қолданымдарда кең жолақты жартылай өткізгіштер ретінде қарастырылады.

Almost all of today's electronic technology involves the use of semiconductors, with the most important aspect being the integrated circuit (IC), which are found in desktops, laptops, scanners, cell phones, and other electronic devices. Semiconductors for ICs are mass produced. To create an ideal semiconducting material, chemical purity is paramount. Any small imperfection can have a drastic effect on how the semiconducting material behaves due to the scale at which the materials are used. The differences between these materials can be understood in terms of the quantum states for electrons, each of which may contain zero or one electron (by the Pauli exclusion principle). These states are associated with the electronic band structure of the material. Electrical conductivity arises due to the presence of electrons in states that are delocalized (extending through the material), however in order to transport electrons a state must be partially filled, containing an electron only part of the time. If the state is always occupied with an electron, then it is inert, blocking the passage of other electrons via that state. The energies of these quantum states are critical since a state is partially filled only if its energy is near the Fermi level (see Fermi–Dirac statistics). High conductivity in material comes from it having many partially filled states and much state delocalization. Metals are good electrical conductors and have many partially filled states with energies near their Fermi level. Insulators, by contrast, have few partially filled states, their Fermi levels sit within band gaps with few energy states to occupy. Importantly, an insulator can be made to conduct by increasing its temperature: heating provides energy to promote some electrons across the band gap, inducing partially filled states in both the band of states beneath the band gap (valence band) and the band of states above the band gap (conduction band). An (intrinsic) semiconductor has a band gap that is smaller than that of an insulator and at room temperature, significant numbers of electrons can be excited to cross the band gap. A pure semiconductor, however, is not very useful, as it is neither a very good insulator nor a very good conductor. However, one important feature of semiconductors (and some insulators, known as semi insulators) is that their conductivity can be increased and controlled by doping with impurities and gating with electric fields. Doping and gating move either the conduction or valence band much closer to the Fermi level and greatly increase the number of partially filled states. Some wider bandgap semiconductor materials are sometimes referred to as semi insulators. When undoped, these have electrical conductivity nearer to that of electrical insulators, however they can be doped (making them as useful as semiconductors). Semi insulators find niche applications in micro electronics, such as substrates for HEMT. An example of a common semi insulator is gallium arsenide. Some materials, such as titanium dioxide, can even be used as insulating materials for some applications, while being treated as wide gap semiconductors for other applications.

Заряд тасымалдаушылар (электрондар мен тесіктер)

Сымды өткізгіштің төменгі жағындағы күйлердің ішінара толуын сол жолаққа электрондардың қосылуы деп түсінуге болады. Электрондар мәңгілікке тоқтамайды (табиғи жылулық рекомбинация салдарынан), бірақ олар қаншама уақытқа дейін қозғала алады. Электрондардың нақты концентрациясы көбінесе өте төмен болады, сондықтан (металдардан өзгеше) жартылай өткізгіштің сымды өткізгіш жолағындағы электрондарды классикалық идеал газ сияқты қарастыруға болады, онда электрондар Паулидің тыйым салу принципіне бағынбай еркін қозғалады. Көптеген жартылай өткізгіштердің сымды жолақтары параболалық дисперсиялық байланысқа ие, сондықтан осы электрондар күштерге (электр өрісі, магнит өрісі және т.б.) вакуумдағыдай жауап береді, бірақ әртүрлі тиімді массамен.

Допинг қолдану

Жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі кристалл торына қоспалар енгізу арқылы оңай өзгертіледі. Жартылай өткізгішке бақыланатын қоспаларды қосу процесі допинг деп аталады. Ішкі (таза) жартылай өткізгішке қосылатын қоспаның немесе допанттың мөлшері оның өткізгіштік деңгейін өзгертеді. Допингтелген жартылай өткізгіштер сыртқы деп аталады. Таза жартылай өткізгіштерге қоспалар қосу арқылы электр өткізгіштігі мыңдаған немесе миллиондаған есеге өзгеруі мүмкін. Металл немесе жартылай өткізгіштің 1 см³ үлгісінде шамамен 10²² атом болады. Металлдың әрбір атомы өткізгіштік үшін кем дегенде бір еркін электронды береді, сондықтан 1 см³ металдың құрамында шамамен 10²² еркін электрон бар, ал таза германийдің 1 см³ үлгісінде 20°C температурада шамамен 4,2 атом, бірақ тек 2,5 еркін электрон және 2,5 тесік болады. Арсеннің 0,001% (қоспа) қосылуы сол көлемде қосымша 10¹⁷ еркін электронды береді және электр өткізгіштігі 10 000 есеге артады. Допант ретінде таңдалатын материалдар допингтің және допингтелетін материалдың атомдық қасиеттеріне байланысты. Жалпы, қажетті бақыланатын өзгерістерді тудыратын допанттар электрон қабылдағыштар немесе донорлар ретінде жіктеледі. Донорлық қоспалармен допингтелген жартылай өткізгіштер n типі, ал акцепторлық қоспалармен допингтелгендер p типі деп аталады. n және p типтері қай заряд тасымалдаушысы материалдың басым тасымалдаушысы ретінде әрекет ететінін көрсетеді. Оған қарама-қарсы тасымалдаушы азшылық тасымалдаушысы деп аталады, ол көпшілік тасымалдаушыға қарағанда жылулық тұрақтандырудың төмен концентрациясында пайда болады. Мысалы, таза жартылай өткізгіш кремнийде әр кремний атомын көршілеріне байланыстыратын төрт валентті электрон болады. Кремнийде ең көп қолданылатын допанттар III және V топтағы элементтер болып табылады. III топтағы элементтердің барлығы үш валентті электронды қамтиды, сондықтан кремнийді допингтеу үшін оларды қабылдағыштар ретінде пайдаланады. Кристалдағы кремний атомын қабылдағыш атом алмастырғанда бос күй (электрондық "тесік") пайда болады, ол тордың ішінде қозғалып, заряд тасымалдаушысы ретінде жұмыс істей алады. V топтағы элементтерде бес валентті электрон болады, бұл оларға донор ретінде әрекет етуге мүмкіндік береді; осы атомдарды кремнийге ауыстыру қосымша еркін электронды жасайды. Сондықтан бормен допингтелген кремний кристалы p типіндегі жартылай өткізгішті жасайды, ал фосформен допингтелген материал n типіндегі материалды береді. Өндіріс кезінде допанттарды жартылай өткізгіштің денесіне қажетті элементтің газ тәрізді қосылыстарымен жанасу арқылы таратуға болады, немесе допингтелген аймақтарды дәл орналастыру үшін иондық имплантация қолданылуы мүмкін.

The conductivity of semiconductors may easily be modified by introducing impurities into their crystal lattice. The process of adding controlled impurities to a semiconductor is known as doping. The amount of impurity, or dopant, added to an intrinsic (pure) semiconductor varies its level of conductivity. Doped semiconductors are referred to as extrinsic. By adding impurity to the pure semiconductors, the electrical conductivity may be varied by factors of thousands or millions. A 1 cm3 specimen of a metal or semiconductor has the order of 1022 atoms. In a metal, every atom donates at least one free electron for conduction, thus 1 cm3 of metal contains on the order of 1022 free electrons, whereas a 1 cm3 sample of pure germanium at 20°C contains about 4.2 atoms, but only 2.5 free electrons and 2.5 holes. The addition of 0.001% of arsenic (an impurity) donates an extra 1017 free electrons in the same volume and the electrical conductivity is increased by a factor of 10,000. The materials chosen as suitable dopants depend on the atomic properties of both the dopant and the material to be doped. In general, dopants that produce the desired controlled changes are classified as either electron acceptors or donors. Semiconductors doped with donor impurities are called n type, while those doped with acceptor impurities are known as p type. The n and p type designations indicate which charge carrier acts as the material's majority carrier. The opposite carrier is called the minority carrier, which exists due to thermal excitation at a much lower concentration compared to the majority carrier. For example, the pure semiconductor silicon has four valence electrons that bond each silicon atom to its neighbors. In silicon, the most common dopants are group III and group V elements. Group III elements all contain three valence electrons, causing them to function as acceptors when used to dope silicon. When an acceptor atom replaces a silicon atom in the crystal, a vacant state (an electron "hole") is created, which can move around the lattice and function as a charge carrier. Group V elements have five valence electrons, which allows them to act as a donor; substitution of these atoms for silicon creates an extra free electron. Therefore, a silicon crystal doped with boron creates a p type semiconductor whereas one doped with phosphorus results in an n type material. During manufacture, dopants can be diffused into the semiconductor body by contact with gaseous compounds of the desired element, or ion implantation can be used to accurately position the doped regions.

Аморфты жартылай өткізгіштер

Кейбір материалдар, егер оларды жылдам салқындатып, шыны тәрізді аморфты күйге жеткізсе, жартылай өткізгіш қасиеттерге ие болады. Оларға B, Si, Ge, Se және Te жатады, ал осы құбылысты түсіндіру үшін бірнеше теориялар бар.

Жартылай өткізгіштердің алғашқы тарихы

Жартылай өткізгіштерді түсіну тарихы материалдардың электрлік қасиеттері бойынша жүргізілген тәжірибелерден басталады. Уақытқа тәуелді кедергінің коэффициенті, түзету және жарыққа сезімталдық сияқты қасиеттер 19 ғасырдың басында байқалған. Томас Иоганн Зебек 1821 жылы жартылай өткізгіштерге тән әсерді алғашқылардың бірі ретінде анықтады. 1833 жылы Майкл Фарадей күміс сульфидінің үлгілерін қыздырғанда кедерісі төмендейтінін хабарлады. Бұл мыс сияқты металлдардың мінез-құлқына қайшы келеді. 1839 жылы Александр Эдмонд Беккерель қатты дене мен сұйық электролит арасындағы кернеуді, жарық түскен кезде фотоэлектрлік эффектіні байқады. 1873 жылы Уиллоуби Смит селен резисторларының жарыққа түскенде кедерісі төмендейтінін анықтады. 1874 жылы Карл Фердинанд Браун металл сульфидтерінде өткізгіштік пен түзетуді байқады, бірақ бұл эффект 1835 жылы «Annalen der Physik und Chemie» журналында жарияланған Питер Мунк аф Розеншельдтің (sv) еңбегінде бұрын анықталған болатын. Артур Шустер сымдардағы мыс оксидінің қабатының түзету қасиеттерін анықтады, бірақ сымдар тазартылғанда бұл қасиет жойылады. Уильям Гриллс Адамс және Ричард Эванс Дей 1876 жылы селенде фотоэлектрлік эффектіні байқады. Бұл құбылыстарды біріктіре түсіндіру үшін қатты дене физикасының теориясы қажет болды, ол 20 ғасырдың бірінші жартысында қарқынды дамыды. 1878 жылы Эдвин Герберт Холл магнит өрісінде ағып жатқан заряд тасымалдаушылардың бұрылуын көрсетті, бұл Холл эффектісі деп аталды. 1897 жылы Дж. Дж. Томсонның электронды ашқандығы қатты денелерде электрондық өткізгіштік теориясын қалыптастыруға ықпал етті. Карл Бедекер металдардағыдан кері таңбалы Холл эффектін байқап, мыс йодидінің оң заряд тасымалдаушылары бар екенін болжады. Иоган Кенигсбергер 1914 жылы металдар, изоляторлар және «өзгермелі өткізгіштер» сияқты қатты материалдарды жіктеді, бірақ оның шәкірті Йозеф Вайс 1910 жылы докторлық диссертациясында «Halbleiter» (қазіргі мағынадағы жартылай өткізгіш) терминін енгізді. Феликс Блох 1928 жылы атомдық торлар арқылы электрондардың қозғалысы туралы теория жариялады. 1930 жылы Б. Гудден жартылай өткізгіштердегі өткізгіштіктің кішігірім қоспалардың концентрациясына байланысты екенін мәлімдеді. 1931 жылы Алан Херрис Уилсон жетекшілік теорияны және жолақтық аралықтар тұжырымдамасын жасады. Уолтер Х. Шоттки мен Невилл Фрэнсис Мотт потенциалдық кедергінің және металл-жартылай өткізгіш торабының сипаттамаларын жасады. 1938 жылы Борис Давыдов мыс оксидінің түзетушісі туралы теорияны жасады, pn торабының әсерін және азшылық тасымалдаушылар мен беттік күйлердің маңыздылығын анықтады. Екінші дүниежүзілік соғысқа дейінгі жылдары инфрақызыл сәулелерді анықтау және байланыс құрылғылары қорғасын сульфиді мен қорғасын селениді материалдарын зерттеуге түрткіс берді. Бұл құрылғылар кемелер мен ұшақтарды анықтау, инфрақызыл диапазонды өлшегіштер және дауыс байланысы жүйелері үшін қолданылды. Нүктелік контактілі кристалл детекторлары микротолқындық радио жүйелері үшін маңызды болды, өйткені вакуумдық түтіктер 4000 МГц-тен жоғары жиілікте детекторлар ретінде жұмыс істей алмады; жетілдірілген радар жүйелері кристалл детекторларының жылдам жауабына тәуелді болды. Соғыс кезінде тұрақты сапалы детекторларды жасау үшін кремний материалдарын зерттеу және дамыту жұмыстары жүргізілді. 1922 жылы Олег Лосев радио үшін екі полюсті, теріс кедергілі күшейткіштерді жасады, бірақ ол Ленинград қоршауында қаза тапты. 1926 жылы Джулиус Эдгар Лилиенфельд өріс эффектілі транзисторға ұқсас құрылғыны патенттеді, бірақ ол практикалық емес еді. 1938 жылы Р. Хилш және Р. В. Поль вакуумдық түтіктің басқару торына ұқсас құрылымды қолдана отырып, қатты күйдегі күшейткішті көрсетті; құрылғы қуатты күшейтуді көрсеткенімен, секундына бір циклді кесу жиілігіне ие болды, бұл кез келген практикалық қолдану үшін тым төмен, бірақ қолда бар теорияны тиімді пайдалануға мүмкіндік берді. Францияда соғыс кезінде Герберт Матаре германий базасындағы жанындағы контактілер арасындағы күшейтуді байқады. Соғыстан кейін Матаре тобы «Транзистрон» күшейткішін жариялады, бұл «Транзистор» туралы хабарламадан кейін болды. 1954 жылы физикалық химик Моррис Таненбаум Bell Labs-те алғашқы кремнийлі торапты транзисторды жасады. Алайда, алғашқы торапты транзисторлар салыстырмалы түрде үлкен құрылғылар болды және оларды жаппай өндіру қиын болды, бұл оларды бірқатар мамандандырылған қолданулармен шектеді.

The history of the understanding of semiconductors begins with experiments on the electrical properties of materials. The properties of the time temperature coefficient of resistance, rectification, and light sensitivity were observed starting in the early 19th century. Thomas Johann Seebeck was the first to notice an effect due to semiconductors, in 1821. In 1833, Michael Faraday reported that the resistance of specimens of silver sulfide decreases when they are heated. This is contrary to the behavior of metallic substances such as copper. In 1839, Alexandre Edmond Becquerel reported observation of a voltage between a solid and a liquid electrolyte, when struck by light, the photovoltaic effect. In 1873, Willoughby Smith observed that selenium resistors exhibit decreasing resistance when light falls on them. In 1874, Karl Ferdinand Braun observed conduction and rectification in metallic sulfides, although this effect had been discovered much earlier by Peter Munck af Rosenschöld (sv) writing for the Annalen der Physik und Chemie in 1835, and Arthur Schuster found that a copper oxide layer on wires had rectification properties that ceased when the wires are cleaned. William Grylls Adams and Richard Evans Day observed the photovoltaic effect in selenium in 1876. A unified explanation of these phenomena required a theory of solid state physics, which developed greatly in the first half of the 20th century. In 1878 Edwin Herbert Hall demonstrated the deflection of flowing charge carriers by an applied magnetic field, the Hall effect. The discovery of the electron by J. J. Thomson in 1897 prompted theories of electron based conduction in solids. Karl Baedeker, by observing a Hall effect with the reverse sign to that in metals, theorized that copper iodide had positive charge carriers. Johan Koenigsberger classified solid materials like metals, insulators, and "variable conductors" in 1914 although his student Josef Weiss already introduced the term Halbleiter (a semiconductor in modern meaning) in his Ph. D. thesis in 1910. Felix Bloch published a theory of the movement of electrons through atomic lattices in 1928. In 1930, B. Gudden stated that conductivity in semiconductors was due to minor concentrations of impurities. By 1931, the band theory of conduction had been established by Alan Herries Wilson and the concept of band gaps had been developed. Walter H. Schottky and Nevill Francis Mott developed models of the potential barrier and of the characteristics of a metal–semiconductor junction. By 1938, Boris Davydov had developed a theory of the copper oxide rectifier, identifying the effect of the p–n junction and the importance of minority carriers and surface states. In the years preceding World War II, infrared detection and communications devices prompted research into lead sulfide and lead selenide materials. These devices were used for detecting ships and aircraft, for infrared rangefinders, and for voice communication systems. The point contact crystal detector became vital for microwave radio systems since available vacuum tube devices could not serve as detectors above about 4000 MHz; advanced radar systems relied on the fast response of crystal detectors. Considerable research and development of silicon materials occurred during the war to develop detectors of consistent quality. In 1922, Oleg Losev developed two terminal, negative resistance amplifiers for radio, but he perished in the Siege of Leningrad after successful completion. In 1926, Julius Edgar Lilienfeld patented a device resembling a field effect transistor, but it was not practical. R. Hilsch and R. W. Pohl in 1938 demonstrated a solid state amplifier using a structure resembling the control grid of a vacuum tube; although the device displayed power gain, it had a cut off frequency of one cycle per second, too low for any practical applications, but an effective application of the available theory. In France, during the war, Herbert Mataré had observed amplification between adjacent point contacts on a germanium base. After the war, Mataré's group announced their "Transistron" amplifier only shortly after Bell Labs announced the "transistor". In 1954, physical chemist Morris Tanenbaum fabricated the first silicon junction transistor at Bell Labs. However, early junction transistors were relatively bulky devices that were difficult to manufacture on a mass production basis, which limited them to a number of specialised applications.