Жартылайөткішгіш құрылғылар және олардың физикасы

Кіріспе

Жартылай өткізгіш материалдарының электрондық қасиеттерін пайдаланатын электрондық компонент. Жартылай өткізгіш физикасы туралы мәліметтер

Жартылай өткізгіш құрылғысы – жартылай өткізгіш материалдардың (негізінен кремний, германий және галлий арсениді, сондай-ақ органикалық жартылай өткізгіштер) электрондық қасиеттеріне сүйенетін электрондық компонент. Оның өткізгіштігі өткізгіштер мен оқшаулағыштар арасында орналасады. Жартылай өткізгіш құрылғылары көптеген қолданыстарда вакуумдық түтіктердің орнын басты. Олар электр тогын қатты күйде өткізеді, вакуум арқылы еркін электрондар (әдетте термиондық эмиссия арқылы босатылады) немесе иондалған газ арқылы еркін электрондар мен иондар түрінде емес. Жартылай өткізгіш құрылғылары жеке құрылғылар түрінде де, интегралды схема (IC) чиптері түрінде де өндіріледі, олар бір жартылай өткізгіш пластинасында (немесе субстрат) жасалған және өзара байланысқан жүзден миллиардқа дейін құрылғылардан тұруы мүмкін. Жартылай өткізгіш материалдардың пайдалы болуының себебі – олардың мінез-құлқы допинг деп аталатын қосымшалардың қасақана енгізілуі арқылы оңай өзгертілуі мүмкін. Жартылай өткізгіштің өткізгіштігі электр немесе магнит өрісін қолдану арқылы, жарыққа немесе жылуға ұшырату арқылы немесе допингтелген монокристалл кремний тордың механикалық деформациясы арқылы басқарылуы мүмкін; осылайша, жартылай өткізгіштер тамаша сенсорлар бола алады. Жартылай өткізгіштегі ток өткізгіштігі жылдам немесе "еркін" электрондар мен электрон тесіктерінің қозғалысынан туындайды, олар бірлесіп заряд тасымалдаушылар деп аталады. Жартылай өткізгішке фосфор немесе бор сияқты атомдық қосымшаның шағын мөлшерін қосу арқылы жартылай өткізгіштегі еркін электрондар немесе тесіктердің саны күрт артады. Допингтелген жартылай өткізгіште тесіктер басым болса, ол p-типті жартылай өткізгіш (оң электр заряды үшін p) деп аталады; еркін электрондар басым болса, ол n-типті жартылай өткізгіш (теріс электр заряды үшін n) деп аталады. Жылдам заряд тасымалдаушылардың көпшілігі теріс зарядталған. Жартылай өткізгіштерді өндіру кезінде p және n-типті допанттардың орналасуы мен концентрациясы қатаң бақыланады. n және p-типті жартылай өткізгіштердің қосылысы pn-түйінді құрайды. Әлемдегі ең көп таралған жартылай өткізгіш құрылғысы – MOSFET (металл-оксид-жартылай өткізгіш өрістік эффект транзисторы), сондай-ақ MOS транзисторы деп те аталады. 2013 жылғы мәліметтер бойынша, күн сайын миллиардтаған MOS транзисторлары өндіріледі. 1978 жылдан бері жыл сайын өндірілетін жартылай өткізгіш құрылғыларының саны орташа есеппен 9,1%-ға өсіп келеді, ал 2018 жылғы жеткізілімдер алғаш рет 1 триллионнан асып түсуі күтілуде, яғни бүгінгі күнге дейін 7 триллионнан астам құрылғы жасалған.

A semiconductor device is an electronic component that relies on the electronic properties of a semiconductor material (primarily silicon, germanium, and gallium arsenide, as well as organic semiconductors) for its function. Its conductivity lies between conductors and insulators. Semiconductor devices have replaced vacuum tubes in most applications. They conduct electric current in the solid state, rather than as free electrons across a vacuum (typically liberated by thermionic emission) or as free electrons and ions through an ionized gas. Semiconductor devices are manufactured both as single discrete devices and as integrated circuit (IC) chips, which consist of two or more devices—which can number from the hundreds to the billions—manufactured and interconnected on a single semiconductor wafer (also called a substrate). Semiconductor materials are useful because their behavior can be easily manipulated by the deliberate addition of impurities, known as doping. Semiconductor conductivity can be controlled by the introduction of an electric or magnetic field, by exposure to light or heat, or by the mechanical deformation of a doped monocrystalline silicon grid; thus, semiconductors can make excellent sensors. Current conduction in a semiconductor occurs due to mobile or "free" electrons and electron holes, collectively known as charge carriers. Doping a semiconductor with a small proportion of an atomic impurity, such as phosphorus or boron, greatly increases the number of free electrons or holes within the semiconductor. When a doped semiconductor contains excess holes, it is called a p type semiconductor (p for positive electric charge); when it contains excess free electrons, it is called an n type semiconductor (n for a negative electric charge). A majority of mobile charge carriers have negative charges. The manufacture of semiconductors controls precisely the location and concentration of p and n type dopants. The connection of n type and p type semiconductors form p–n junctions. The most common semiconductor device in the world is the MOSFET (metal–oxide–semiconductor field effect transistor), also called the MOS transistor. As of 2013, billions of MOS transistors are manufactured every day. Semiconductor devices made per year have been growing by 9.1% on average since 1978, and shipments in 2018 are predicted for the first time to exceed 1 trillion, meaning that well over 7 trillion have been made to date.

Биполярлы тұйықталған транзистор

Биполярлы тұйықталған транзисторлар (BJT) екі pn-тоғысудан, n-p-n немесе p-n-p конфигурациясында жасалады. Тоғысулардың арасындағы ортаңғы, немесе базалық аймақ әдетте өте тар болады. Басқа аймақтар және олармен байланысты терминалдар эмитер және коллектор деп аталады. База мен эмитер арасындағы тоғысу арқылы жіберілген шағын ток, база-коллектор тоғысуының қасиеттерін өзгертеді, соның салдарынан ол кері полярлықпен болса да ток өткізе алады. Бұл коллектор мен эмитер арасында база-эмитер тогымен басқарылатын әлдеқайда үлкен токты тудырады.

Өріс әсері транзисторы

Транзистордың тағы бір түрі – өрістік эффектті транзистор (FET), жартылай өткізгіштің өткізгіштігін электр өрісінің әсерімен арттыруға немесе азайтуға болатын қағида бойынша жұмыс істейді. Электр өрісі жартылай өткізгіштегі бос электрондар мен тесіктердің санын көбейтіп, осы арқылы оның өткізгіштігін өзгерте алады. Өріс, кері бұрылысқан pn-қосылысы арқылы қосылыс өрістік эффектті транзисторды (JFET) құруға немесе оксид қабатымен негізгі материалдан оқшауланған электрод арқылы металл-оксид-жартылай өткізгіш өрістік эффектті транзисторды (MOSFET) құруға мүмкіндік береді.

Металл оксидті жартылай өткізгіш

Металл оксиді жартылай өткізгіш FET (MOSFET, немесе MOS транзисторы), қатты күйдегі құрылғы, қазіргі таңда ең көп қолданылатын жартылай өткізгіш құрылғы болып табылады. Ол барлық транзисторлардың кем дегенде 99,9%-ын құрайды, ал 1960 жылдан 2018 жылға дейін 13 секстиллион MOSFET өндірілген. Қақпа электроды электр өрісін тудыру үшін зарядталады, ол екі терминал – көз және ағын – арасындағы "арнаның" өткізгіштігін басқарады. Арнадағы заряд тасымалдаушысының түріне байланысты құрылғы n-арналы (электрондар үшін) немесе p-арналы (тесіктер үшін) MOSFET болуы мүмкін. MOSFET атының бір бөлігі оның "металл" қақпасына байланысты болғанымен, қазіргі заманғы құрылғыларда көбінесе поликремний қолданылады.

Материалдар

Кремний (Si) – жартылай өткізгіш құрылғыларда ең көп қолданылатын материал. Оның шикізаттың төмен құны, салыстырмалы түрде қарапайым өңдеу процесі және пайдалы температура диапазоны оны қазіргі уақытта әртүрлі бәсекелес материалдар арасында ең тиімді таңдауға айналдырады. Жартылай өткізгіш құрылғыларын өндіруде қолданылатын кремний қазіргі уақытта 300 мм (12 дюйм) диаметрі бар шашақтар түрінде жасалады, олар 300 мм (12 дюйм) вафлилер өндіруге мүмкіндік береді. Германий (Ge) – ертеде қолданылған жартылай өткізгіш материалдардың бірі, бірақ оның температураға сезімталдығы кремнийге қарағанда оны аз пайдалы етеді. Бүгінде германий көбінесе кремниймен қорытпа жасап, өте жылдам SiGe құрылғыларында қолданылады; IBM мұндай құрылғылардың ірі өндірушісі болып табылады. Галлий арсениді (GaAs) жоғары жылдамдықты құрылғыларда да кеңінен қолданылады, бірақ осы уақытқа дейін осы материалдан үлкен диаметрлі шашақтар жасау қиын болды, бұл вафлилердің диаметрін кремний вафлилерінен әлдеқайда кішірек етіп шектеді, соның салдарынан GaAs құрылғыларын жаппай өндіру кремнийге қарағанда едәуір қымбатқа түседі. Галлий нитриді (GaN) жоғары беріктігі мен жылу өткізгіштігінің арқасында қуатты интегралдық схемалар (IC), жарықдиодтар (LED) және радиожиілік (RF) компоненттері сияқты жоғары қуатты қолдануларда танымал болып келеді. Кремниймен салыстырғанда, GaN-ның энергиялық саңылауы 3,4 эВ-та 3 еседен астам кең, және ол электрондарды 1000 есе тиімді өткізеді. Басқа, сирек қолданылатын материалдар да қолданылуда немесе зерттелуде. Кремний карбиді (SiC) қуатты интегралдық схемаларда да танымал болып келеді, көк LED-тердің шикізаты ретінде қолданылады және өте жоғары жұмыс температурасына және иондаушы сәулеленудің жоғары деңгейі бар ортада жұмыс істей алатын жартылай өткізгіш құрылғыларда қолдану үшін зерттелуде. SiC-тен IMPATT диодтары да жасалған. Әртүрлі индий қосылыстары (индий арсениді, индий антимониді және индий фосфиді) LED және қатты күйдегі лазерлік диодтарда да қолданылады. Селен сульфиді фотоэлектрлік күн батареяларын өндіруде зерттеледі. Органикалық жартылай өткізгіштердің ең көп таралған қолданысы – органикалық жарықдиодтар.

By far, silicon (Si) is the most widely used material in semiconductor devices. Its combination of low raw material cost, relatively simple processing, and a useful temperature range makes it currently the best compromise among the various competing materials. Silicon used in semiconductor device manufacturing is currently fabricated into boules that are large enough in diameter to allow the production of 300 mm (12 in.) wafers. Germanium (Ge) was a widely used early semiconductor material but its thermal sensitivity makes it less useful than silicon. Today, germanium is often alloyed with silicon for use in very high speed SiGe devices; IBM is a major producer of such devices. Gallium arsenide (GaAs) is also widely used in high speed devices but so far, it has been difficult to form large diameter boules of this material, limiting the wafer diameter to sizes significantly smaller than silicon wafers thus making mass production of GaAs devices significantly more expensive than silicon. Gallium Nitride (GaN) is gaining popularity in high power applications including power ICs, light emitting diodes (LEDs), and RF components due to its high strength and thermal conductivity. Compared to silicon, GaN's band gap is more than 3 times wider at 3.4 eV and it conducts electrons 1,000 times more efficiently. Other less common materials are also in use or under investigation. Silicon carbide (SiC) is also gaining popularity in power ICs and has found some application as the raw material for blue LEDs and is being investigated for use in semiconductor devices that could withstand very high operating temperatures and environments with the presence of significant levels of ionizing radiation. IMPATT diodes have also been fabricated from SiC. Various indium compounds (indium arsenide, indium antimonide, and indium phosphide) are also being used in LEDs and solid state laser diodes. Selenium sulfide is being studied in the manufacture of photovoltaic solar cells. The most common use for organic semiconductors is organic light emitting diodes.

Қолданбалар

Барлық транзистор түрлерін логикалық қақпалардың құрылыс блоктары ретінде пайдалануға болады, олар цифрлық схемаларды жобалауда негізгі болып табылады. Микропроцессорлар сияқты цифрлық схемаларда транзисторлар қосу-өшіру құрылғысы ретінде жұмыс істейді; мысалы, MOSFET-те, қақпаға (gate) қолданылатын кернеу құрылғының қосулы немесе өшірілгенін анықтайды. Аналогтық схемаларда қолданылатын транзисторлар қосу-өшіру құрылғысы ретінде жұмыс істемейді; керісінше, олар үздіксіз кіріс диапазонына үздіксіз шығыс диапазонымен жауап береді. Күшейткіштер мен генераторлар (осцилляторлар) жиі қолданылатын аналогтық схемалардың мысалдары болып табылады. Цифрлық және аналогтық схемалар арасында байланыс жасауға немесе аударма жасауға арналған схемалар аралас сигналды схемалар деп аталады. Қуаттық жартылай өткізгіш құрылғылар – жоғары ток немесе жоғары кернеу қолдануларына арналған дискретті құрылғылар немесе интегралдық схемалар. Қуаттық интегралдық схемалар IC технологиясын қуаттық жартылай өткізгіш технологиясымен біріктіреді, олар кейде "ақылды" қуат құрылғылары деп те аталады. Бірнеше компания қуаттық жартылай өткізгіштерді өндіруге маманданған.

Құрылғыны анықтау

Жартылай өткізгіш құрылғылардың нөмірлері көбінесе өндірушіге тән болады. Бірақ, типтік кодтарға арналған стандарттарды жасауға әрекеттер жасалған, және құрылғылардың бір бөлігі осы стандарттарға сәйкес келеді. Мысалы, дискретті құрылғылар үшін үш стандарт бар: АҚШ-та JEDEC JESD370B, Еуропада Pro Electron және Жапон өнеркәсіптік стандарттары (JIS).

Мысық шашы бар детектор

Жартылай өткізгіштер транзистор ойлап табылғанға дейін электроника саласында біраз уақыттан бері қолданылып келді. 20-шы ғасырдың басында олар радиолардағы детекторлар ретінде кеңінен таралған, олар Джагадиш Чандра Боз және басқалар жасаған "мысық мұрты" деп аталатын құрылғыда қолданылды. Алайда, бұл детекторлар біршама қиындық тудыратын, операторға кішкентай вольфрам жіпшесін (мұрт) галенаның (қорғасын сульфиді) немесе карборундомның (кремний карбиді) кристаллының бетімен жылжыту қажеттігі болды, осылайша ол кенеттен жұмыс істей бастағанша іздеу керек еді. Содан кейін, бірнеше сағат немесе күндер ішінде "мысық мұрты" бірте-бірте жұмысын тоқтатып, процедураны қайталау қажет болатын. Олардың жұмыс істеу принципі сол кезде толығымен түсініксіз болды. Вакуумдық түбіртектерге негіделген, сенімдірек және күшейтілген радиолар енгізілгеннен кейін, "мысық мұрты" жүйелері тез арада қолданудан шығып қалды. "Мысық мұрты" – бүгінгі күнге дейін танымал диодтың ерекше түрінің, Шотки диодының алғашқы мысалы болып табылады.

Металл түзетуші

Жартылай өткізгіш құрылғылардың тағы бір ерте түрі – металл түзетуші, онда жартылай өткізгіш мыс оксиді немесе селен қолданылады. Westinghouse Electric (1886) осы түзетушілердің ірі өндірушісі болған.

Екінші дүниежүзілік соғыс

Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде радар зерттеулері радар қабылдағыштарын үнемі жоғары жиіліктерде жұмыс істеуге итермеледі, ал дәстүрлі түтікшелі радио қабылдағыштар тиімді жұмыс істемей қалды. 1940 жылы Тизард миссиясы барысында Ұлыбританиядан АҚШ-қа қуыс магнитрон жеткізілуі жоғары жиілікті практикалық күшейткішке шұғыл қажеттілікті тудырды. Белл зертханасының қызметкері Рассел Оль, мүмкіншілігін сезіп, «мысық мұртымен» тәжірибе жасауға шешім қабылдады. Осыған дейін бірнеше жылдан бері қолданылмай келгендіктен, зертханада мұндай құралдың бірі де болмады. Манхэттендегі қолданылған радио дүкендерінен біреуін іздеп тапқаннан кейін, ол оның түтікшелі жүйелерден әлдеқайда жақсы жұмыс істейтінін анықтады. Оль, «мысық мұртының» мұндай нәтижелі жұмыс істеу себебін зерттеді. 1939 жылдың көп бөлігін кристаллдардың тазарақ үлгілерін өсіруге жұмсады. Бірақ, жақсырақ кристаллдардың ерекше мінез-құлқы жоғалып, радиодетектор ретінде жұмыс істеу қабілеті де төмендеді. Бір күні ол өсірген ең таза кристалдарының бірі жақсы жұмыс істейтінін байқады, және оның ортасында анық көрінетін жарық болды. Бірақ, бөлмеде жылжып, сынап көргенде, детектор кездейсоқ жұмыс істеп, кейін тоқтап қалатын. Зерттеулер нәтижесінде, бұл мінез-құлық бөлмедегі жарықпен байланысты екенін анықтады – жарық күшінсізденген сайын кристаллдың өткізгіштігі артады. Ол басқа бірнеше адамды осы кристалды көруге шақырды, және Уолтер Браттейн бірден жарықта қандай да бір қосылыс бар екенін түсінді. Тағы да зерттеулер жүргізілді, және құпия ашылды. Кристаллдың жарылу себебі – Ольтің алып тастай алмаған, екі жақтағы 0,2% шамасындағы қоспалардың мөлшерінің өте аз болғандығы еді. Кристаллдың бір жағында артық электрондарды (электр тогының тасымалдаушылары) қамтитын және оны «өткізгіш» ететін қоспалар болды. Екінші жағында осы электрондарға байланысуға ұмтылатын қоспалар болды, осылайша оны (оның сөзімен айтқанда) «оқшаулағыш» ететін. Кристаллдың екі бөлігі бір-бірімен жанасқандықтан, электрондар артық электрондары бар өткізгіш жағынан (кейін эмитер деп аталатын) шығарылып, жаңа электрондармен алмастырылуы мүмкін (мысалы, батареядан), олар оқшаулағыш бөлікке ағып, одан жиналатын. Бірақ, кернеу кері бұрылғанда, коллекторға итермеленген электрондар «бөліктің ішіндегі бос орындарды» (электронға мұқтаж қоспаларды) тез толтырып, өткізгіштік дерлік бірден тоқтатылатын. Осы екі кристаллдың (немесе бір кристаллдың бөліктерінің) қосылысы қатты күйдегі диодты жасады, ал бұл концепция жартылай өткізгіштік ретінде танылды. Диодты өшіру механизмі түйіспе маңындағы заряд тасымалдаушыларын бөлумен байланысты. Бұл «төмендеу аймағы» деп аталады.

During World War II, radar research quickly pushed radar receivers to operate at ever higher frequencies and the traditional tube based radio receivers no longer worked well. The introduction of the cavity magnetron from Britain to the United States in 1940 during the Tizard Mission resulted in a pressing need for a practical high frequency amplifier. On a whim, Russell Ohl of Bell Laboratories decided to try a cat's whisker. By this point, they had not been in use for a number of years, and no one at the labs had one. After hunting one down at a used radio store in Manhattan, he found that it worked much better than tube based systems. Ohl investigated why the cat's whisker functioned so well. He spent most of 1939 trying to grow more pure versions of the crystals. He soon found that with higher quality crystals their finicky behavior went away, but so did their ability to operate as a radio detector. One day he found one of his purest crystals nevertheless worked well, and it had a clearly visible crack near the middle. However, as he moved about the room trying to test it, the detector would mysteriously work, and then stop again. After some study he found that the behavior was controlled by the light in the room – more light caused more conductance in the crystal. He invited several other people to see this crystal, and Walter Brattain immediately realized there was some sort of junction at the crack. Further research cleared up the remaining mystery. The crystal had cracked because either side contained very slightly different amounts of the impurities Ohl could not remove – about 0.2%. One side of the crystal had impurities that added extra electrons (the carriers of electric current) and made it a "conductor". The other had impurities that wanted to bind to these electrons, making it (what he called) an "insulator". Because the two parts of the crystal were in contact with each other, the electrons could be pushed out of the conductive side which had extra electrons (soon to be known as the emitter), and replaced by new ones being provided (from a battery, for instance) where they would flow into the insulating portion and be collected by the whisker filament (named the collector). However, when the voltage was reversed the electrons being pushed into the collector would quickly fill up the "holes" (the electron needy impurities), and conduction would stop almost instantly. This junction of the two crystals (or parts of one crystal) created a solid state diode, and the concept soon became known as semiconduction. The mechanism of action when the diode off has to do with the separation of charge carriers around the junction. This is called a "depletion region".

Диодтың дамуы

Осы жаңа диодтардың жұмыс істеу қағидаларын білгеннен кейін, оларды қажеттілікке қарай өндіруді үйрену үшін қарқынды жұмыс басталды. Пурдью университеті, Белл лабораториясы, МТИ және Чикаго университетінің командалары жақсырақ кристаллдар жасау үшін бірікті. Бір жыл ішінде германий өндірісі отандық сапаға жетіп, әскери стандарттағы диодтар көптеген радарларда қолданыла бастады.

Транзистордың дамуы

Соғыстан кейін Уильям Шокли триодқа ұқсас жартылай өткізгіш құрылғы жасауға тырысуға шешім қабылдады. Ол қаржыландыру мен зертханалық кеңістік алды және Браттейн мен Джон Бардинмен бірге мәселені шешуге кірісті. Транзисторды дамытудың кілті – жартылай өткізгіштегі электрондардың қозғалу процесін одан әрі түсіну болды. Осы жаңадан ашылған диодтың эмиттерінен коллекторға электрондар ағынын қалай басқаруға болатынын түсінгенде, күшейткіш құрастыруға болатындығы анық болды. Мысалы, егер контактілер бір типті кристаллдың екі жағына орналастырылса, ток кристалл арқылы өте алмайды. Бірақ, егер үшінші контакт материалға электрондарды немесе «бос орындарды» енгізе алса, ток ағып түседі. Бұл іс жүзінде өте қиын болып көрінді. Егер кристаллдың көлемі белгілі бір деңгейде болса, күшейткіш ретінде тиімді болу үшін, оған енгізілуі керек электрондардың (немесе бос орындардың) саны өте көп болуы керек еді, себебі бастапқыда үлкен инжекциялық ток қажет болар еді. Алайда, кристалл диодтың идеясы – кристаллдың өзі электрондарды өте кішкентай қашықтыққа, яғни ажыратылған аймаққа жеткізе алатыны еді. Кілт – кіріс және шығыс контактілерін кристаллдың бетінде осы аймақтың екі жағына өте жақын орналастыру болып көрінді. Браттейн мұндай құрылғыны жасау бойынша жұмыс істей бастады және команда мәселені шешкен кезде күшейтудің қызықты белгілері пайда бола берді. Кейде жүйе жұмыс істейтін, кейде күтпеген жерден тоқтап қалатын. Бір жағдайда жұмыс істемейтін жүйе суға салғаннан кейін жұмыс істей бастады. Оль мен Браттейн осы құбылысты түсіну үшін кванттық механиканың жаңа саласын – беттік физиканы дамытты. Кристаллдың кез келген бөлігіндегі электрондар жақын жердегі зарядтардың әсерінен қозғалады. Эмиттердегі электрондар немесе коллектордағы «бос орындар» кристаллдың бетінде жиналады, онда олар өздеріне қарама-қарсы зарядты ауада (немесе суда) «көтеріліп жүзіп» табуы мүмкін. Бірақ оларды кристаллдың кез келген жерінен кішкене заряд қолданып, беттен ығыстыруға болады. Кристаллға көптеген электрондарды енгізудің қажеті болмайды, дұрыс орналастырылған аз ғана электрондар да соның сияқты нәтиже береді. Олардың түсінігі белгілі бір деңгейде өте кішкентай басқару аймағының қажеттілігін шешуге көмектесті. Бір-бірімен ортақ, бірақ өте кішкентай аймақ арқылы байланысқан екі жеке жартылай өткізгіштің орнына, бір үлкен бет жеткілікті болар еді. Электронды шығаратын және жинайтын электродтардың екеуі де кристаллдың үстіңгі жағында өте жақын орналасады, ал басқару электроды кристаллдың негізіне орналасады. Осы «негізгі» электрод арқылы ток өткенде, электрондар немесе бос орындар жартылай өткізгіштің ішінде ығыстырылып, қарама-қарсы бетке жиналады. Егер эмиттер мен коллектор өте жақын болса, олардың арасында жеткілікті электрондар немесе бос орындар болуы керек, сонда өткізгіштік басталуы мүмкін.

After the war, William Shockley decided to attempt the building of a triode like semiconductor device. He secured funding and lab space, and went to work on the problem with Brattain and John Bardeen. The key to the development of the transistor was the further understanding of the process of the electron mobility in a semiconductor. It was realized that if there were some way to control the flow of the electrons from the emitter to the collector of this newly discovered diode, an amplifier could be built. For instance, if contacts are placed on both sides of a single type of crystal, current will not flow between them through the crystal. However, if a third contact could then "inject" electrons or holes into the material, the current would flow. Actually doing this appeared to be very difficult. If the crystal were of any reasonable size, the number of electrons (or holes) required to be injected would have to be very large, making it less than useful as an amplifier because it would require a large injection current to start with. That said, the whole idea of the crystal diode was that the crystal itself could provide the electrons over a very small distance, the depletion region. The key appeared to be to place the input and output contacts very close together on the surface of the crystal on either side of this region. Brattain started working on building such a device, and tantalizing hints of amplification continued to appear as the team worked on the problem. Sometimes the system would work but then stop working unexpectedly. In one instance a non working system started working when placed in water. Ohl and Brattain eventually developed a new branch of quantum mechanics, which became known as surface physics, to account for the behavior. The electrons in any one piece of the crystal would migrate about due to nearby charges. Electrons in the emitters, or the "holes" in the collectors, would cluster at the surface of the crystal where they could find their opposite charge "floating around" in the air (or water). Yet they could be pushed away from the surface with the application of a small amount of charge from any other location on the crystal. Instead of needing a large supply of injected electrons, a very small number in the right place on the crystal would accomplish the same thing. Their understanding solved the problem of needing a very small control area to some degree. Instead of needing two separate semiconductors connected by a common, but tiny, region, a single larger surface would serve. The electron emitting and collecting leads would both be placed very close together on the top, with the control lead placed on the base of the crystal. When current flowed through this "base" lead, the electrons or holes would be pushed out, across the block of the semiconductor, and collect on the far surface. As long as the emitter and collector were very close together, this should allow enough electrons or holes between them to allow conduction to start.

Бірінші транзистор

Белл тобы мұндай жүйені әр түрлі құралдармен құруға көп рет тырысты, бірақ көбінесе сәтсіз аяқтады. Контакттер жеткілікті жақын орналасқан жағдайда құрылған схемалар әрқашан бастапқы мысық мұртымен жұмыс істейтін детекторлар сияқты нәзік болып келді және егер жұмыс істесе, онда қысқа ғана уақытқа. Соңында олар маңызды жаңалыққа қол жеткізді. Алтын фольгасы пластик бұрыштың жиегіне жабыстырылды, содан кейін үшбұрыштың ұшында қырағымен кесілді. Нәтижесінде өте жақын орналасқан екі алтын контактісі пайда болды. Бұрыш кристалл бетіне басылғанда және кернеу кристаллдың екінші жағына (табанына) қолданылғанда, табандық кернеу электрондарды табаннан контактілерге жақын басқа жаққа қарай итеріп жіберді, соның салдарынан ток бір контактіден екіншісіне ағыла бастады. Тоқтамалы контактілі транзистор ойлап табылды. Бұл құрылғы бір апта бұрын жасалған болса да, Браттейннің жазбаларында 23 желтоқсан 1947 жылы Белл зертханасындағы жоғары лауазымды қызметкерлерге алғашқы демонстрация жасалғаны көрсетілген. Бұл күн транзистордың туған күні деп есептеледі. Қазір "p–n–p тоқтамалы контактілі германий транзисторы" деп аталатын құрылғы сол сынақта 18 есе қуатты күшейткіш ретінде жұмыс істеді. Джон Бардин, Уолтер Хаузер Браттейн және Уильям Брэдфорд Шокли өздерінің еңбегі үшін 1956 жылы физика саласындағы Нобель сыйлығымен марапатталды.

"Транзистор" сөзінің этимологиясы

Белл телефон зертханалары жаңа өнертабысына жалпы атау қажет болды: "Жартылай өткізгіш триоды", "Қатты триоды", "Беттік күйлер триоды", "Кристалл триоды" және "Иотатрон" – барлығы қарастырылды, бірақ Джон Р. Пирс атайтын "транзистор" ішкі дауыс беруде жеңіске жетті. Атаудың себебі компанияның Техникалық меморандумдарынан (1948 жылдың 28 мамыры) [26] дауыс беруге шақыруда келтірілген келесі үзіндіде сипатталған:

Транзистор. Бұл "транспроводимость" немесе "трансфер" және "варистор" сөздерінің қысқартылған комбинациясы. Бұл құрылғы логикалық тұрғыдан варисторлар отбасысына жатады және күшейткіші бар құрылғының трансөткізгіштігі немесе берілу кедергісіне ие, сондықтан бұл комбинация сипаттамалық болып табылады.

Транзисторлардың дизайны

Шокли құрылғыны Браттейн мен Бардинге жатқызғанына ашуланды, олар оны «артынан» жасап, даңқ алғанын сезінді. «Белл Лабораториясы» заңгерлері Шоклидің транзистор туралы жазған жазбаларының 1925 жылғы Джулиус Эдгар Лилиенфельдтің патентіне тым ұқсас екенін анықтағаннан кейін жағдай нашарлады. Сондықтан, патентке оның атын жазбауды жөн көрді. Шокли қатты ашуланып, операцияның нағыз миы кім екенін көрсетуге бел буды. Бірнеше айдан кейін ол толығымен жаңа, әлдеқайда берік, біполярлы қосылысты транзистордың түрін ойлап тапты, ол қабатты немесе «сэндвич» құрылымды болды және 1960 жылдарға дейін барлық транзисторлардың басым бөлігінде қолданылды. Оның қатайғыштық мәселесі шешілгеннен кейін, тазалық мәселесі қалды. Керек деңгейдегі германийді алу қиындық тудырды және берілген материалдан жұмыс істейтін транзисторлардың өнімділігін шектеді. Германийдің температураға сезімталдығы да оның қолданылуын шектеді. Ғалымдар кремнийді жасау оңайырақ болады деп болжады, бірақ олардың аз ғанасы осы мүмкіндікті зерттеді. «Белл Лабораториясы»ның бұрынғы ғалымы Гордон К. Тил «Texas Instruments» компаниясында жұмыс істейтін алғашқы кремний транзисторын жасап, оған технологиялық артықшылық берді. 1950 жылдардың соңынан бастап көптеген транзисторлар кремний негізінде жасалды. Бірнеше жыл ішінде транзисторлық өнімдер, ең бастысы, оңай тасымалданатын радиолар нарықта пайда болды. «Аймақтық балқыту» – кристалл арқылы жылжып өтетін балқытылған материалды қолдану әдісі, кристаллдың тазалығын одан әрі арттырды.

Металл оксидінің жартылай өткізгіштері

1950 жылдары Мохамед Атала Bell Labs-те кремний жартылай өткізгіштердің беткі қасиеттерін зерттеді, онда ол жартылай өткізгіш құрылғысын жасаудың жаңа әдісін ұсынды: кремний пластинкасын кремний оксидінің изоляциялық қабатымен қаптау, осылайша электр тогы төмендегі өткізгіш кремнийге сенімді түрде еніп, жартылай өткізгіш қабатқа жетуіне кедергі келтіретін беткі күйлерді жеңуге мүмкіндік береді. Бұл беткі пассивтеу деп аталады, және ол кремний интегралдық схемаларын (IC) жаппай өндіруге мүмкіндік жасағандықтан жартылай өткізгіш өнеркәсібі үшін өте маңызды әдіс болды. Оның беткі пассивтеу әдісіне сүйене отырып, ол металл-оксидті жартылай өткізгіш (MOS) процесін жасады, оны алғашқы жұмыс істейтін кремнийлі өрістік эффектті транзисторды (FET) құру үшін пайдалануға болатынын ұсынды. Осының нәтижесінде 1959 жылы Мохамед Атала мен Давон Канг MOSFET (MOS өрістік эффектті транзистор) өнертабысын жасады. Оның кеңейтілу мүмкіндігі, биполярлы қосылыс транзисторларына қарағанда айтарлықтай төмен қуат тұтынуы және жоғары тығыздығының арқасында MOSFET компьютерлерде және электроникада ең көп қолданылатын транзистор түріне айналды. АҚШ патент және сауда белгілері бюросы MOSFET-ті "әлемдегі өмір мен мәдениетті өзгертетін маңызды өнертабыс" деп сипаттайды. Суда қалқып тұратын қақпалы MOSFET туралы алғашқы хабарламаны 1967 жылы Давон Канг пен Саймон Сзе жасады. FinFET (fin field effect transistor) – 3D көп қақпалы MOSFET түрі, ол 1989 жылы Hitachi Central Research Laboratory-да Диг Хисамото және оның зерттеушілер тобымен әзірленді.