Полупроводниковые приборы и физика полупроводников.

Полупроводниковые приборы: принцип работы, физика полупроводников, применение в электронике. Замена вакуумных ламп, интегральные схемы (IC).

15 мин чтения

100%

Источник: Semiconductor device — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Электронный компонент, использующий электронные свойства полупроводниковых материалов. Информация о физике полупроводников.

Полупроводниковое устройство – это электронный компонент, работа которого основана на электронных свойствах полупроводникового материала (преимущественно кремния, германия и арсенида галлия, а также органических полупроводников). Его проводимость лежит между проводимостью проводников и изоляторов. Полупроводниковые устройства заменили вакуумные лампы в большинстве областей применения. Они проводят электрический ток в твердом состоянии, а не в виде свободных электронов в вакууме (обычно высвобождаемых термоэлектронной эмиссией) или в виде свободных электронов и ионов через ионизированный газ. Полупроводниковые устройства производятся как в виде отдельных дискретных компонентов, так и в виде интегральных схем (ИС), состоящих из двух или более компонентов – их число может варьироваться от сотен до миллиардов – изготовленных и соединенных на одной полупроводниковой пластине (также называемой подложкой). Полупроводниковые материалы полезны, поскольку их характеристиками можно легко управлять путем намеренного добавления примесей, известного как легирование. Проводимостью полупроводников можно управлять, воздействуя на них электрическим или магнитным полем, светом или теплом, либо механически деформируя легированную монокристаллическую кремниевую структуру; таким образом, полупроводники могут служить отличными датчиками. Прохождение тока в полупроводнике обусловлено подвижными или "свободными" электронами и электронными дырками, которые вместе называются носителями заряда. Легирование полупроводника небольшой долей атомной примеси, такой как фосфор или бор, значительно увеличивает количество свободных электронов или дырок в полупроводнике. Если легированный полупроводник содержит избыток дырок, он называется полупроводником p-типа (p – от положительного электрического заряда); если он содержит избыток свободных электронов, он называется полупроводником n-типа (n – от отрицательного электрического заряда). Большинство подвижных носителей заряда имеют отрицательный заряд. Производство полупроводников точно контролирует расположение и концентрацию легирующих примесей p- и n-типа. Соединение полупроводников n- и p-типа образует p–n переход. Наиболее распространенным полупроводниковым устройством в мире является MOSFET (транзистор полевого эффекта с оксидным затвором), также называемый MOS-транзистором. По состоянию на 2013 год ежедневно производились миллиарды MOS-транзисторов. Количество производимых в год полупроводниковых устройств в среднем росло на 9,1% с 1978 года, и прогнозируется, что в 2018 году поставки впервые превысят 1 триллион штук, что означает, что на сегодняшний день было произведено более 7 триллионов штук.

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.

Транзистор с биполярным соединением

Биполярные транзисторы с p–n переходом (BJT) формируются из двух p–n переходов в конфигурации n–p–n или p–n–p. Средняя область, или база, между этими переходами обычно очень узкая. Другие области и соответствующие им выводы называются эмиттером и коллектором. Небольшой ток, подаваемый на переход между базой и эмиттером, изменяет характеристики перехода база-коллектор таким образом, что он может проводить ток, даже находясь под обратным смещением. Это создает значительно больший ток между коллектором и эмиттером, который управляется током базы-эмиттера.

Транзистор полевого эффекта

Другой тип транзистора, транзистор с полевым эффектом (FET), работает по принципу, что проводимость полупроводника можно увеличивать или уменьшать, воздействуя на него электрическим полем. Электрическое поле способно увеличивать количество свободных электронов и дырок в полупроводнике, тем самым изменяя его проводимость. Это поле может быть создано обратным смещением p–n перехода, формируя транзистор с эффектом поля на основе p–n перехода (JFET), или электродом, изолированным от основного материала оксидным слоем, формируя металл-оксид-полупроводниковый транзистор с полевым эффектом (MOSFET).

Полупроводники из оксида металла

Полупроводниковый прибор на основе металл-оксидной структуры FET (MOSFET, или МОП-транзистор) является на сегодняшний день самым широко используемым полупроводниковым устройством. На него приходится не менее 99,9% всех транзисторов, а по оценкам, с 1960 по 2018 год было изготовлено 13 секстиллионов MOSFET. Электрод затвора заряжается для создания электрического поля, которое управляет проводимостью "канала" между двумя выводами, называемыми истоком и стоком. В зависимости от типа носителей заряда в канале, устройство может быть n-канальным (для электронов) или p-канальным (для дырок) MOSFET. Хотя MOSFET назван частично в честь своего "металлического" затвора, в современных устройствах обычно используется поликремний вместо металла.

Материалы

Кремний (Si) является наиболее широко используемым материалом в полупроводниковых приборах. Сочетание его низкой стоимости сырья, относительно простой технологии обработки и полезного температурного диапазона делает его на сегодняшний день наилучшим компромиссом среди различных конкурирующих материалов. Кремний, используемый в производстве полупроводниковых приборов, в настоящее время выращивается в слитки достаточного диаметра для изготовления 300-мм (12-дюймовых) пластин. Германий (Ge) был широко распространенным ранним полупроводниковым материалом, но его тепловая чувствительность снижает его полезность по сравнению с кремнием. В настоящее время германий часто легируется кремнием для использования в высокоскоростных приборах SiGe; компания IBM является одним из основных производителей таких приборов. Арсенид галлия (GaAs) также широко используется в высокоскоростных приборах, однако до сих пор сложно выращивать слитки большого диаметра из этого материала, что ограничивает диаметр пластин размерами, значительно меньшими, чем у кремниевых пластин, и делает массовое производство приборов на основе GaAs значительно более дорогим, чем производство кремниевых приборов. Нитрид галлия (GaN) приобретает популярность в мощных приложениях, включая силовые интегральные схемы, светодиоды (LED) и радиочастотные компоненты, благодаря своей высокой прочности и теплопроводности. По сравнению с кремнием, ширина запрещенной зоны GaN более чем в 3 раза выше – 3,4 эВ, и он проводит электроны в 1000 раз эффективнее. Другие, менее распространенные материалы также используются или находятся в стадии исследования. Карбид кремния (SiC) также набирает популярность в силовых интегральных схемах и находит применение в качестве сырья для синих светодиодов, а также исследуется для использования в полупроводниковых приборах, способных выдерживать очень высокие рабочие температуры и воздействие значительных уровней ионизирующего излучения. Диоды IMPATT также изготавливаются из SiC. Различные соединения индия (арсенид индия, антимонид индия и фосфид индия) также используются в светодиодах и твердотельных лазерных диодах. Сульфид селена изучается для производства фотоэлектрических солнечных элементов. Наиболее распространенным применением органических полупроводников являются органические светоизлучающие диоды.

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.

Приложения

Все типы транзисторов могут использоваться как строительные блоки логических элементов, которые являются основополагающими в проектировании цифровых схем. В цифровых схемах, таких как микропроцессоры, транзисторы функционируют как включенные/выключенные переключатели; в MOSFET, например, напряжение, приложенное к затвору, определяет, включен переключатель или выключен. Транзисторы, используемые в аналоговых схемах, не работают как переключатели; вместо этого они реагируют на непрерывный диапазон входных сигналов непрерывным диапазоном выходных сигналов. Типичные аналоговые схемы включают усилители и генераторы. Схемы, осуществляющие взаимодействие или преобразование между цифровыми и аналоговыми схемами, называются схемами смешанного типа. Силовые полупроводниковые приборы – это дискретные приборы или интегральные схемы, предназначенные для применения при высоком токе или высоком напряжении. Силовые интегральные схемы сочетают в себе IC-технологию и технологию силовых полупроводников, их иногда называют "интеллектуальными" силовыми устройствами. Ряд компаний специализируется на производстве силовых полупроводников.

Идентификаторы компонентов

Номера компонентов полупроводниковых приборов часто зависят от производителя. Тем не менее, предпринимались попытки создания стандартов для кодов типов, и некоторые приборы им соответствуют. Для дискретных приборов, например, существуют три стандарта: JEDEC JESD370B в США, Pro Electron в Европе и японские промышленные стандарты (JIS).

Детектор кошачьих усов

Полупроводники использовались в электронике ещё до изобретения транзистора. Около рубежа XX века они были довольно распространены в качестве детекторов в радиоприёмниках, применяясь в устройстве, известном как "кошачий ус", разработанном Джагадишем Чандрой Бозе и другими исследователями. Однако эти детекторы были довольно капризными, требуя от оператора перемещать тонкую вольфрамовую нить (ус) по поверхности кристалла галенита (сульфида свинца) или карборунда (карбида кремния), пока устройство внезапно не начинало работать. Затем, в течение нескольких часов или дней, "кошачий ус" постепенно переставал функционировать, и процедуру приходилось повторять. В то время принцип их работы оставался совершенно непонятным. После появления более надёжных и усиливающих радиоприёмников на основе вакуумных ламп, системы с "кошачьим усом" быстро устарели. "Кошачий ус" является примитивным примером особого типа диода, который до сих пор широко используется и называется диодом Шоттки.

Металлический выпрямитель

Другой ранний тип полупроводникового прибора — металлический выпрямитель, в котором в качестве полупроводника используется оксид меди или селен. Компания Westinghouse Electric (1886) была одним из основных производителей этих выпрямителей.

Вторая мировая война

Во время Второй мировой войны исследования в области радиолокации быстро привели к тому, что радиолокационные приемники стали работать на всё более высоких частотах, и традиционные радиоприемники на основе электронных ламп перестали работать эффективно. Появление британского магнетрона в Соединенных Штатах в 1940 году во время миссии Тизарда создало острую потребность в практичном высокочастотном усилителе. По счастливой случайности Рассел Оль из лабораторий Белл решил попробовать «кошачий ус». К тому времени они не использовались уже несколько лет, и ни у кого в лабораториях не было такого устройства. После поисков он нашел один в магазине подержанных радиоприемников на Манхэттене и обнаружил, что он работает намного лучше, чем ламповые системы. Оль исследовал, почему «кошачий ус» функционирует так хорошо. Он провел большую часть 1939 года, пытаясь вырастить более чистые кристаллы. Вскоре он обнаружил, что при использовании кристаллов более высокого качества их капризное поведение исчезает, но вместе с ним пропадает и их способность работать в качестве радиодетектора. Однажды он обнаружил, что один из его самых чистых кристаллов, тем не менее, работал хорошо и имел отчетливую трещину посередине. Однако, когда он передвигался по комнате, пытаясь его протестировать, детектор необъяснимо то работал, то переставал. После некоторых исследований он выяснил, что на его поведение влияет свет в комнате: больше света вызывало большую проводимость кристалла. Он пригласил нескольких коллег посмотреть на этот кристалл, и Уолтер Браттейн сразу понял, что в трещине образовался своеобразный переход. Дальнейшие исследования прояснили оставшуюся загадку. Кристалл треснул, потому что обе стороны содержали очень незначительное количество примесей, которые Оль не смог удалить – около 0,2%. На одной стороне кристалла были примеси, добавляющие дополнительные электроны (носители электрического тока) и делающие его «проводником». На другой – примеси, стремящиеся связываться с этими электронами, делая ее (как он это назвал) «изолятором». Поскольку две части кристалла находились в контакте, электроны могли выталкиваться из проводящей стороны, имеющей избыток электронов (вскоре известной как эмиттер), и заменяться новыми, поступающими (например, от батареи), которые затем попадали бы в изолирующую часть и собирались нитью накала (называемой коллектором). Однако, когда полярность напряжения менялась, электроны, поступающие в коллектор, быстро заполняли «дырки» (примеси, нуждающиеся в электронах), и проводимость прекращалась почти мгновенно. Этот переход между двумя кристаллами (или частями одного кристалла) создал диод твердого тела, и эта концепция вскоре стала известна как полупроводниковая. Механизм действия диода в выключенном состоянии связан с разделением носителей заряда вокруг перехода. Эта область называется «обедненной зоной».

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".

Разработка диода

Обладая знаниями о принципе работы этих новых диодов, началась активная работа над освоением их производства по запросу. Команды из Университета Пердью, Лабораторий Белла, Массачусетского технологического института и Чикагского университета объединили усилия для выращивания более качественных кристаллов. В течение года производство германия было доведено до совершенства, и диоды военного назначения стали использоваться в большинстве радиолокационных станций.

Разработка транзистора

После войны Уильям Шокли решил попытаться создать полупроводниковое устройство, подобное триоду. Он получил финансирование и лабораторное пространство и приступил к решению этой задачи вместе с Браттейном и Джоном Бардином. Ключом к разработке транзистора было более глубокое понимание процесса подвижности электронов в полупроводнике. Стало ясно, что если бы можно было контролировать поток электронов от эмиттера к коллектору этого недавно открытого диода, можно было бы создать усилитель. Например, если контакты разместить по обе стороны кристалла одного типа, ток между ними через кристалл не потечет. Однако, если бы третий контакт мог "внедрять" электроны или дырки в материал, ток потечет. На практике это оказалось очень сложно. Если бы кристалл был какого-либо разумного размера, количество электронов (или дырок), необходимых для внедрения, было бы очень велико, что снизило бы его полезность в качестве усилителя, поскольку для начала потребовался бы большой ток внедрения. Тем не менее, вся идея кристаллического диода заключалась в том, что сам кристалл мог бы обеспечивать электроны на очень небольшом расстоянии – в обедненной области. Ключом, как оказалось, было размещение входных и выходных контактов очень близко друг к другу на поверхности кристалла по обе стороны этой области. Браттейн начал работу над созданием такого устройства, и многообещающие признаки усиления продолжали появляться по мере работы команды над проблемой. Иногда система работала, а затем неожиданно переставала. В одном случае неработающая система начала работать, когда ее поместили в воду. Ол и Браттейн в конечном итоге разработали новую ветвь квантовой механики, известную как физика поверхности, чтобы объяснить такое поведение. Электроны в любой части кристалла мигрировали бы из-за близлежащих зарядов. Электроны в эмиттерах или "дырки" в коллекторах скапливались бы на поверхности кристалла, где могли бы найти свой противоположный заряд, "плавающий" в воздухе (или воде). Однако их можно было оттолкнуть от поверхности при приложении небольшого заряда из любой другой точки кристалла. Вместо того, чтобы требовалось большое количество внедряемых электронов, очень небольшое количество в правильном месте на кристалле могло бы дать тот же эффект. Их понимание в определенной степени решило проблему необходимости очень маленькой управляющей области. Вместо двух отдельных полупроводников, соединенных общим, но крошечным, участком, можно было использовать одну большую поверхность. Эмиттерные и коллекторные выводы располагались бы очень близко друг к другу сверху, а управляющий вывод – у основания кристалла. Когда ток протекал через этот "базовый" вывод, электроны или дырки выталкивались бы через блок полупроводника и собирались на дальней поверхности. Пока эмиттер и коллектор находились очень близко друг к другу, этого должно было быть достаточно, чтобы между ними было достаточно электронов или дырок для начала проводимости.

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.

Первый транзистор

Команда Белла предприняла множество попыток создать такую систему с использованием различных инструментов, но в целом они оказались безуспешными. Конструкции, в которых контакты были достаточно близко расположены, неизменно были столь же хрупкими, как и оригинальные детекторы «кошачьего уса», и работали лишь короткое время, если вообще работали. В конечном итоге им удалось добиться практического прорыва. К краю пластикового клина приклеивали кусочек золотой фольги, а затем бритвой делали надрез на кончике треугольника. В результате получались два очень близко расположенных золотых контакта. Когда клин прижимали к поверхности кристалла и подавали напряжение на противоположную сторону (на основание кристалла), ток начинал течь от одного контакта к другому, поскольку напряжение на основании отталкивало электроны от основания к другой стороне, вблизи контактов. Так был изобретен точечный транзистор. Хотя устройство было собрано за неделю до этого, в записях Браттейна описывается первая демонстрация руководству в лабораториях Белла днем 23 декабря 1947 года, которую часто называют датой рождения транзистора. Устройство, которое сейчас известно как «p–n–p точечный контактный германиевый транзистор», в ходе испытаний работало как усилитель речи с коэффициентом усиления мощности 18. Джон Бардин, Уолтер Хаузер Браттейн и Уильям Брэдфорд Шокли были удостоены Нобелевской премии по физике за свою работу в 1956 году.

Этимология "транзистора"

Bell Telephone Laboratories нуждалась в универсальном названии для своего нового изобретения: рассматривались варианты "Полупроводниковый триод", "Твердотельный триод", "Триод поверхностных состояний", "Кристаллический триод" и "Иотатрон", но "транзистор", предложенный Джоном Р. Пирсом, победил во внутреннем голосовании. Обоснование выбора названия приведено в следующем отрывке из технических записок компании (28 мая 1948 г.) [26] с просьбой о голосовании:

Транзистор. Это сокращенное сочетание слов "транспроводимость" или "перенос" и "варистор". Устройство логически принадлежит к семейству варисторов и обладает транспроводимостью или импедансом передачи устройства с усилением, поэтому такое сочетание является описательным.

Улучшения в конструкции транзисторов

Шокли был расстроен тем, что устройство приписывают Браттейну и Бардину, которые, по его мнению, построили его "за его спиной", чтобы присвоить себе славу. Ситуация усугубилась, когда юристы Bell Labs обнаружили, что некоторые записи Шокли о транзисторе были достаточно близки к более раннему патенту Джулиуса Эдгара Лилиенфельда 1925 года, из-за чего они посчитали, что лучше исключить его имя из патентной заявки. Шокли был в ярости и решил продемонстрировать, кто был настоящим двигателем этого проекта. Через несколько месяцев он изобрел совершенно новый, значительно более надежный, биполярный транзистор с "сэндвич"-структурой, который использовался в подавляющем большинстве транзисторов вплоть до 1960-х годов. После решения проблем с хрупкостью, осталась проблема чистоты. Получение германия необходимой чистоты оказалось серьезной проблемой и ограничивало выход годных транзисторов из одной партии материала. Чувствительность германия к температуре также ограничивала его применение. Ученые предполагали, что кремний будет проще в изготовлении, но лишь немногие стали это исследовать. Бывший сотрудник Bell Labs Гордон К. Тил первым разработал рабочий кремниевый транзистор в начинающей компании Texas Instruments, что дало ей технологическое преимущество. С конца 1950-х годов большинство транзисторов стали изготавливаться на основе кремния. В течение нескольких лет на рынке появились продукты на основе транзисторов, особенно легко переносимые радиоприемники. Метод "зонной плавки", использующий движущуюся полосу расплавленного материала через кристалл, позволил еще больше повысить чистоту кристаллов.

Полупроводники оксида металла

В 1950-х годах Мохамед Аталла исследовал поверхностные свойства кремниевых полупроводников в лабораториях Bell, где он предложил новый метод изготовления полупроводниковых приборов, заключающийся в покрытии кремниевой пластины изолирующим слоем оксида кремния, чтобы обеспечить надежное проникновение электричества к проводящему кремнию, расположенному ниже, и преодолеть поверхностные состояния, препятствовавшие достижению полупроводникового слоя. Это известно как пассивация поверхности – метод, ставший критически важным для полупроводниковой промышленности, поскольку он позволил массовое производство кремниевых интегральных схем (ИС). Развивая метод пассивации поверхности, он разработал МОП-технологию (металл-оксид-полупроводник), которую предложил использовать для создания первого рабочего полевого транзистора на кремнии (FET). Это привело к изобретению МОП-транзистора (MOSFET) Мохамедом Аталлой и Давоном Кангом в 1959 году. Благодаря масштабируемости, значительно более низкому энергопотреблению и более высокой плотности по сравнению с биполярными транзисторами, MOSFET стал наиболее распространенным типом транзистора в компьютерах и электронике. Управление по патентам и товарным знакам США называет MOSFET «революционным изобретением, изменившим жизнь и культуру во всем мире». Первый отчет о MOSFET с плавающим затвором был представлен Давоном Кангом и Саймоном Сзе в 1967 году. FinFET (транзистор с оребренным каналом), тип 3D-многозатворного MOSFET, был разработан Дигом Хисамото и его командой исследователей в Центральной исследовательской лаборатории Hitachi в 1989 году.