Félvezető eszköz

Macskabajusz-detektorSzerkesztés

A félvezetőket már jóval a tranzisztor feltalálása előtt is használták az elektronika területén. A 20. század fordulója körül eléggé elterjedtek detektorokként a rádiókban, a Jagadish Chandra Bose és mások által kifejlesztett “macskabajusznak” nevezett eszközben használták őket. Ezek a detektorok azonban kissé körülményesek voltak, mivel a kezelőnek egy kis volfrámszálat (a whiskert) kellett mozgatnia egy galén (ólom-szulfid) vagy karborundum (szilícium-karbid) kristály felületén, amíg az hirtelen működésbe nem lépett. Ezután néhány óra vagy nap alatt a macskabajusz lassan abbahagyta a munkát, és a folyamatot meg kellett ismételni. Működésük akkoriban teljesen rejtélyes volt. A megbízhatóbb és felerősített vákuumcsöves rádiók bevezetése után a macskabajusz-rendszerek gyorsan eltűntek. A “macskabajusz” egy kezdetleges példája a ma is népszerű speciális diódatípusnak, a Schottky-diódának.

Fém egyenirányítóSzerkesztés

A félvezető eszközök másik korai típusa a fém egyenirányító, amelyben a félvezető rézoxid vagy szelén. A Westinghouse Electric (1886) volt ezen egyenirányítók egyik fő gyártója.

Második világháborúSzerkesztés

A második világháború alatt a radarkutatás gyorsan arra késztette a radarvevőket, hogy egyre magasabb frekvenciákon működjenek, és a hagyományos csőalapú rádióvevők már nem működtek jól. Az üreges magnetron bevezetése Nagy-Britanniából az Egyesült Államokba 1940-ben a Tizard-misszió során azt eredményezte, hogy sürgősen szükség volt egy praktikus nagyfrekvenciás erősítőre.

A Bell Laboratories munkatársa, Russell Ohl egy szeszélyből úgy döntött, hogy kipróbál egy macskabajuszt. Ekkor már évek óta nem használták őket, és a laboratóriumokban senkinek sem volt ilyenje. Miután levadászott egyet egy manhattani használt rádióboltban, rájött, hogy sokkal jobban működik, mint a csöves rendszerek.

Ohl megvizsgálta, miért működött olyan jól a macskabajusz. Az 1939-es év nagy részét azzal töltötte, hogy megpróbálta a kristályok tisztább változatait növeszteni. Hamarosan rájött, hogy a jobb minőségű kristályokkal a kényes viselkedésük megszűnt, de ezzel együtt a rádiódetektorként való működésük is. Egy napon megtalálta az egyik legtisztább kristályát, amely ennek ellenére jól működött, és amelynek a közepe közelében jól látható repedés volt. Ahogy azonban a szobában mozogva próbálta tesztelni, a detektor rejtélyes módon működött, majd újra leállt. Némi tanulmányozás után rájött, hogy a viselkedést a szobában lévő fény szabályozza – a több fény nagyobb vezetőképességet okozott a kristályban. Több más embert is meghívott, hogy megnézzék ezt a kristályt, és Walter Brattain azonnal rájött, hogy a repedésnél valamiféle csomópont van.

A további kutatások tisztázták a fennmaradó rejtélyt. A kristály azért repedt meg, mert mindkét oldala nagyon kis mértékben – körülbelül 0,2% – eltérő mennyiségben tartalmazta azokat a szennyeződéseket, amelyeket Ohl nem tudott eltávolítani. A kristály egyik oldalán olyan szennyeződések voltak, amelyek plusz elektronokat (az elektromos áram hordozóit) adtak hozzá, és “vezetővé” tették. A másik oldalon olyan szennyeződések voltak, amelyek meg akarták kötni ezeket az elektronokat, és így (amit ő “szigetelőnek” nevezett) “szigetelővé” tették. Mivel a kristály két része érintkezett egymással, az elektronok kiszorulhattak a vezető oldalról, amely extra elektronokat tartalmazott (hamarosan emitter néven ismerték), és helyettük újakat kaptak (például egy akkumulátorról), amelyek a szigetelő részbe áramlottak, és a whisker-szál (amelyet kollektornak neveztek el) összegyűjtötte őket. A feszültség megfordításakor azonban a kollektorba tolt elektronok gyorsan betöltenék a “lyukakat” (az elektronszükségletű szennyeződéseket), és a vezetés szinte azonnal megszűnne. A két kristály (vagy egy kristály részeinek) ez a kapcsolódása szilárdtest-diódát hozott létre, és a fogalom hamarosan félvezetés néven vált ismertté. A hatásmechanizmus, amikor a dióda ki van kapcsolva, a töltéshordozóknak az átmenet körüli szétválásával függ össze. Ezt nevezik “kimerülési régiónak”.

A dióda fejlesztéseSzerkesztés

Azzal a tudással felvértezve, hogyan működnek ezek az új diódák, erőteljes erőfeszítések kezdődtek annak megtanulására, hogyan lehet ezeket igény szerint megépíteni. A Purdue Egyetem, a Bell Labs, az MIT és a Chicagói Egyetem csapatai összefogtak, hogy jobb kristályokat építsenek. Egy éven belül a germániumgyártást olyannyira tökéletesítették, hogy a legtöbb radarkészülékben katonai minőségű diódákat használtak.

A tranzisztor kifejlesztéseSzerkesztés

A háború után William Shockley úgy döntött, hogy megpróbálkozik egy triódaszerű félvezető eszköz megépítésével. Biztosított finanszírozást és laboratóriumi helyet, és Brattain-nel és John Bardeen-nel együtt nekilátott a problémának.

A tranzisztor kifejlesztésének kulcsa a félvezetőben az elektronok mozgékonyságának folyamatának további megértése volt. Rájöttek, hogy ha valamilyen módon szabályozni lehetne az elektronok áramlását ennek az újonnan felfedezett diódának az emitteréből a kollektorába, akkor erősítőt lehetne építeni. Ha például egy kristálytípus két oldalán érintkezőket helyezünk el, akkor a kristályon keresztül nem fog áram folyni közöttük. Ha azonban ezután egy harmadik érintkezővel elektronokat vagy lyukakat lehetne “befecskendezni” az anyagba, akkor áram folyna.

Az, hogy ezt ténylegesen megvalósítsuk, nagyon nehéznek tűnt. Ha a kristály bármilyen ésszerű méretű lenne, a befecskendezéshez szükséges elektronok (vagy lyukak) számának nagyon nagynak kellene lennie, ami erősítőként kevésbé lenne hasznos, mivel kezdetben nagy befecskendezési áramra lenne szükség. Ennek ellenére a kristálydióda lényege az volt, hogy maga a kristály képes az elektronokat egy nagyon kis távolságon, a kimerülési tartományon keresztül biztosítani. A kulcsnak az tűnt, hogy a bemeneti és kimeneti érintkezőket nagyon közel kell elhelyezni egymáshoz a kristály felületén, ennek a régiónak mindkét oldalán.

Brattain elkezdett dolgozni egy ilyen eszköz megépítésén, és az erősítés kínzó nyomai folyamatosan megjelentek, ahogy a csapat a problémán dolgozott. Néha a rendszer működött, de aztán váratlanul leállt. Egy esetben egy nem működő rendszer akkor kezdett működni, amikor vízbe helyezték. Ohl és Brattain végül a kvantummechanika egy új ágát fejlesztette ki, amely a felületfizika néven vált ismertté, hogy magyarázatot adjon a viselkedésre. A kristály bármelyik darabjában lévő elektronok a közeli töltések hatására vándorolnak. A kibocsátókban lévő elektronok, illetve a gyűjtőkben lévő “lyukak” a kristály felszínén csoportosulnának, ahol a levegőben (vagy a vízben) “lebegve” megtalálnák ellentétes töltésüket. Ugyanakkor a kristály bármely más helyéről kis mennyiségű töltés alkalmazásával el lehetne őket tolni a felszínről. Ahelyett, hogy nagy mennyiségű befecskendezett elektronra lett volna szükség, a kristály megfelelő helyére juttatott nagyon kis számú elektron ugyanezt elérte volna.

A felfogásuk bizonyos mértékig megoldotta azt a problémát, hogy nagyon kis vezérlőterületre volt szükség. Ahelyett, hogy két különálló félvezetőre lenne szükség, amelyeket egy közös, de aprócska terület köt össze, egyetlen nagyobb felület szolgálna. Az elektronkibocsátó és az elektrongyűjtő vezetékeket egyaránt nagyon közel egymáshoz helyeznék el a tetején, a vezérlő vezeték pedig a kristály alján helyezkedne el. Amikor áram folyik át ezen az “alap” vezetéken, az elektronok vagy lyukak kilökődnének, át a félvezetőtömbön, és összegyűlnének a távoli felületen. Amíg az emitter és a kollektor nagyon közel volt egymáshoz, addig elég elektron vagy lyuk lehetett közöttük ahhoz, hogy a vezetés megindulhasson.

Az első tranzisztorSzerkesztés

Az első tranzisztor stilizált mása

A Bell-csoport számos kísérletet tett egy ilyen rendszer megépítésére különböző eszközökkel, de általában sikertelenül. Az olyan elrendezések, ahol az érintkezők elég közel voltak egymáshoz, mindig ugyanolyan törékenyek voltak, mint az eredeti macskabajusz-érzékelők, és csak rövid ideig működtek, ha egyáltalán működtek. Végül gyakorlati áttörést értek el. Egy darab aranyfóliát ragasztottak egy műanyag ék szélére, majd a fóliát egy borotvával felszeletelték a háromszög csúcsán. Az eredmény két nagyon szorosan egymás mellett elhelyezkedő aranyérintkező lett. Amikor az éket lenyomták egy kristály felületére, és a másik oldalra (a kristály aljára) feszültséget kapcsoltak, áram kezdett folyni az egyik érintkezőből a másikba, mivel az alapfeszültség az elektronokat az alaptól az érintkezőkhöz közeli másik oldal felé tolta. A pontérintkezős tranzisztort feltalálták.

Míg az eszköz egy héttel korábban készült, Brattain feljegyzései szerint az első bemutatót 1947. december 23-án délután tartották a Bell Labs felsőbb vezetőinek, amit gyakran a tranzisztor születési dátumaként adnak meg. A ma “p-n-p pontérintkezős germánium-tranzisztor” néven ismert eszköz ezen a próbán 18-as teljesítményerősítőként működött. John Bardeen, Walter Houser Brattain és William Bradford Shockley 1956-ban fizikai Nobel-díjat kapott munkájukért.

A “tranzisztor” kifejezés eredete

A Bell Telephone Laboratories-nak szüksége volt egy általános névre új találmányának: “Semiconductor Triode”, “Solid Triode”, “Surface States Triode” , “Crystal Triode” és “Iotatron” mind felmerült, de a John R. Pierce által kitalált “transistor” nyerte a belső szavazást. Az elnevezés indoklását a vállalat szavazásra felhívó műszaki feljegyzésének (1948. május 28.) alábbi kivonata tartalmazza:

Tranzisztor. Ez a “transconductance” vagy “transfer” és a “varistor” szavak rövidített kombinációja. Az eszköz logikailag a varisztorok családjába tartozik, és egy erősítéssel rendelkező eszköz transzkonduktanciájával vagy átviteli impedanciájával rendelkezik, így ez a kombináció leíró jellegű.

A tranzisztorok tervezésében elért fejlesztésekSzerkesztés

Shockley felháborodott azon, hogy az eszközt Brattain és Bardeen javára írták, akik szerinte “a háta mögött” építették, hogy elvegyék a dicsőséget. Az ügyek még rosszabbra fordultak, amikor a Bell Labs jogászai rájöttek, hogy Shockley néhány saját írása a tranzisztorról elég közel áll Julius Edgar Lilienfeld egy korábbi, 1925-ös szabadalmához, így jobbnak látták, ha az ő nevét kihagyják a szabadalmi bejelentésből.

Shockley felbőszült, és úgy döntött, bebizonyítja, ki volt az igazi agya a műveletnek. Néhány hónappal később feltalált egy teljesen új, lényegesen robusztusabb, réteg- vagy “szendvics” szerkezetű tranzisztortípust. Ezt a szerkezetet alkalmazták a későbbiekben az összes tranzisztor túlnyomó többségénél az 1960-as évekig, és belőle fejlődött ki a bipoláris csomóponti tranzisztor.

A törékenységi problémák megoldása után maradt még egy probléma, a tisztaság. A szükséges tisztaságú germánium előállítása komoly problémának bizonyult, és korlátozta az adott anyagtételből ténylegesen működő tranzisztorok hozamát. A germánium hőmérsékletérzékenysége szintén korlátozta a felhasználhatóságát. A tudósok elmélete szerint a szilíciumot könnyebb lenne előállítani, de csak kevesen vizsgálták ezt a lehetőséget. Gordon K. Teal volt az első, aki működő szilíciumtranzisztort fejlesztett ki, és cége, a születőben lévő Texas Instruments profitált a technológiai előnyből. Az 1960-as évek végétől kezdve a legtöbb tranzisztor szilíciumalapú volt. Néhány éven belül megjelentek a piacon a tranzisztoralapú termékek, leginkább a könnyen hordozható rádiók.

A statikus indukciós tranzisztort, az első nagyfrekvenciás tranzisztort Jun-ichi Nishizawa és Y. Watanabe japán mérnökök találták fel 1950-ben. Ez volt a leggyorsabb tranzisztor egészen az 1980-as évekig.

A gyártási hozam jelentős javulása akkor következett be, amikor egy vegyész azt tanácsolta a félvezetőket gyártó vállalatoknak, hogy csapvíz helyett desztillált vizet használjanak: a csapvízben lévő kalciumionok okozták a gyenge hozamot. A “zónaolvasztás”, egy olyan technika, amely a kristályon keresztül mozgó olvadt anyag sávját használja, tovább növelte a kristálytisztaságot.

Fém-oxid félvezető (MOS)Edit

Az 1950-es években Mohamed Atalla a Bell Labs-ben a szilícium félvezetők felületi tulajdonságait vizsgálta, ahol a félvezető eszközök gyártásának új módszerét javasolta: a szilícium ostyát egy szigetelő szilícium-oxid réteggel vonta be, hogy az elektromosság megbízhatóan át tudjon hatolni az alatta lévő vezető szilíciumba, legyőzve a felületi állapotokat, amelyek megakadályozták, hogy az elektromosság elérje a félvezető réteget. Ez az úgynevezett felületi passziválás, amely a félvezetőipar számára kritikus jelentőségűvé vált, mivel lehetővé tette a szilícium integrált áramkörök (IC-k) tömeggyártását. A felületi passziválási módszerére építve fejlesztette ki a fémoxid-félvezető (MOS) eljárást, amelyet javasolta az első működő szilícium térhatású tranzisztor (FET) megépítésére. Ez vezetett a MOSFET (MOS field-effect transistor) feltalálásához Mohamed Atalla és Dawon Kahng által 1959-ben. A MOSFET skálázhatóságának, valamint a bipoláris csomóponti tranzisztoroknál jóval alacsonyabb energiafogyasztásának és nagyobb sűrűségének köszönhetően a MOSFET lett a legelterjedtebb tranzisztortípus a számítógépekben, az elektronikában és a kommunikációs technológiában, például az okostelefonokban. Az Egyesült Államok Szabadalmi és Védjegyhivatala a MOSFET-et “úttörő találmánynak nevezi, amely világszerte átalakította az életet és a kultúrát”.

A CMOS-t (komplementer MOS) Chih-Tang Sah és Frank Wanlass találta fel a Fairchild Semiconductor-nál 1963-ban. A lebegő kapus MOSFET-ről először 1967-ben Dawon Kahng és Simon Sze számolt be. A FinFET-et (fin field-effect transistor), a 3D-s többkapus MOSFET-típust Digh Hisamoto és kutatócsoportja fejlesztette ki a Hitachi Központi Kutatási Laboratóriumban 1989-ben.

A FinFET-et (fin field-effect transistor) egy 3D-s többkapus MOSFET-típus.