К вопросу о развитии полупроводниковой техники

Карчёва С.И., Лапшин Э.В. К ВОПРОСУ О РАЗВИТИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ТЕХНИКИ

1. Предпосылки появления транзисторов.

Появление транзисторов - это результат кропотливой работы десятков выдающихся ученых и сотен виднейших специалистов, которые в течении предшествующих десятилетий развивали науку о полупроводниках. Среди них были не только физики, но и специалисты по электронике, физхимии, материаловедению.

Начало серьезных исследований относится к 1833 году, когда Майкл Фарадей работая с сульфидом серебра обнаружил, что проводимость полупроводников растет с повышением температуры, в противоположность проводимости металлов, которая в этом случае уменьшается.

В конце XIX века были установлены три важнейших свойства полупроводников:

1. Появление ЭДС при освещении полупроводника.

2. Рост электрической проводимости полупроводника при освещении.

3. Выпрямляющее свойство контакта полупроводника с металлом.

В 2 0-е годы ХХ в. выпрямляющие свойства контакта полупроводников с металлом начали практически использовать в радиотехнике. Радиоспециалисту из Нижегородской радиотехнической лаборатории Олегу Лосеву в 1922 году удалось применить выпрямляющее устройство на контакте стали с кристаллом цинкита в качестве детектора, в детекторном приемнике под названием "Кристадин". Схема кристадина (Рис. 1.1) содержит входной настраиваемый контур Ь1С1 к которому подключена внешняя антенна А и заземление. С помощью переключателя П1 параллельно входному контуру подключается детектор Д1. Такой детектор может не

Кристадин

Рис 1.1 «Кристадин».

только детектировать, но и предварительно усиливать сигнал, когда его рабочая точка находится на падающем участке ВАХ (Рис. 1.2). На этом участке ВАХ сопротивление детектора становится отрицательным, что приводит к частичной компенсации потерь в контуре Ь1С1 и тогда приемник становится генератором.

ВАХ

Рис 1.2 ВАХ «Кристадина».

Потенциометр R1 регулирует ток детектора. Прослушивание сигналов принятых радиостанцией осуществляется на низкоуровневый телефон, катушки которого включены последовательно с источником питания через дроссель Др 1 и катушку L2.

Первый образец кристадина был изготовлен Лосевым в 1923 году. В это время в Москве начала работать центральная радиотелефонная станция, передачи которой можно было принимать на простые детекторные приемники только вблизи столицы. Кристадин Лосева позволял не только увеличить дальность приема радиостанции, но был проще и дешевле. Интерес к кристадину в то время был огромный. "Сенсационное изобретение" - под таким заголовком американский журнал "Radio News" напечатал в сентябре 1924 г. редакционную статью посвященную работе Лосева. "Открытие Лосева делает эпоху", -писал журнал, выражая надежду, что сложную электровакуумную лампу вскоре заменит кусочек цинкита или другого вещества простого в изготовлении и применении.

Продолжая исследование кристаллических детекторов, Лосев открыл свечение карборунда при прохождении через него электрического тока. Спустя 2 0 лет это же явление было открыто американским физиком Дестрио и получило название электролюминесценции. Важную роль в развитии теории полупроводников в начале 30-х годов сыграли работы, проводимые в России под руководством академика А.Ф. Иоффе. В 1931 году он опубликовал статью с пророческим названием: "Полупроводники - новые материалы электроники". Немалую заслугу в исследование полупроводников внесли советские ученые - Б.В. Курчатов, В.П. Жузе и др. В своей работе - "К вопросу об электропроводности закиси меди", опубликованной в 1932 году, они показали, что величина и тип электрической проводимости определяется

концентрацией и природой примеси. Немного позднее, советский физик - Я.Н. Френкель создал теорию возбуждения в полупроводниках парных носителей заряда: электронов и дырок. В 1931 г. англичанину Уилсону удалось создать теоретическую модель полупроводника, основанную на том факте, что в твердом теле дискретные энергетические уровни электронов отдельных атомов размываются в непрерывные зоны, разделенные запрещенными зонами (значениями энергии, которые электроны не могут принимать) - "зонная теория полупроводников".

В 193 8 г. Мотт в Англии, Давыдов в СССР, Вальтер Шоттки в Германии сформулировали, независимо, теорию выпрямляющего действия контакта металл-полупроводник. Эта обширная программа исследований, выполняемая учеными разных стран и привела к экспериментальному созданию сначала точечного, а затем и плоскостного транзистора.

2. Изобретение точечного транзистора.

Третий период развития электроники - это период создания и внедрения дискретных полупроводниковых приборов, начавшийся с изобретения точечного транзистора. В 1946 году при лаборатории "Белл Телефон" была создана группа во главе с Уильямом Шокли, проводившая исследования свойств полупроводников на Кремнии (Sc) и Германии (Ge) [Литература: Дж. Грик "Физика XX в. Ключевые эксперименты", М. 1978 г.] Группа проводила как теоретические, так и экспериментальные исследования физических процессов на границе раздела двух полупроводников с различными типами электрической проводимости. В итоге были изобретены: трехэлектродные полупроводниковые приборы - транзисторы. В зависимости от количества носителей заряда транзисторы были разделены на:

- униполярные (полевые), где использовались однополярные носители.

- биполярные, где использовались разнополярные носители(электроны и дырки).

Идеи создания полевых транзисторов появились раньше, чем биполярных, но практически реализовать эти идеи не удавалось. Успех был достигнут 23 декабря 1947 г. сотрудниками лаборатории "Белл Телефон"- Бардиным и Браттейном, под руководством Шокли. Бардин и Браттейн в результате многочисленных вариантов получили работающий полупроводниковый прибор. Информация об этом изобретении появилась в журнале "The Physical Review" в июле 1948 года. Вот как об этом изобретении писали сами авторы: "Приводится описание трехэлементного электронного устройства, использующего вновь

открытый принцип, который основан на применение полупроводника в качестве основного элемента. Устройство может быть использовано, как усилитель, генератор и в других целях, для которых обычно применяются вакуумные электронные лампы. Устройство состоит из трех электродов размещенных на германиевом блоке, как показано на Рис. 2.1

Два из этих электродов называющиеся, эмиттером (Э) и коллектором (К), являются выпрямителями с точечным контактом и располагаются в непосредственной близости друг от друга на верхней поверхности. Третий электрод, большой площади и маленького радиуса, нанесен на основание - базу (Б). Использовался Ge n-типа. Точечные контакты изготовлялись как из Вольфрама так и из фосфористой бронзы. Каждый точечный контакт в отдельности вместе с электродом базы образует выпрямитель с высоким обратным сопротивлением. Ток, направление которого по отношению ко всему объему кристалла является прямым, создается дырками т.е. носителями, имеющими противоположный знак по отношению к носителям обычно присутствующим в избытке внутри объема Ge. Когда два точечных контакта расположены очень близко друг к другу и к ним приложено постоянное напряжение, контакты оказывают взаимное влияние друг на друга. Благодаря этому влиянию возможно использовать данное устройство для усиления сигнала переменного тока. Электрическая цепь с помощью которой можно этого добиться показана на Рис. 2.1 К эмиттеру приложено небольшое положительное напряжение в прямом направлении, которое вызывает ток в несколько миллиампер через поверхность. К коллектору прикладывается обратное напряжение, достаточно большое для того чтобы ток коллектора был равным или больше тока эмит-тера(1к > 1э). Знак напряжения на коллекторе таков, что он притягивает дырки идущие от эмиттера. В результате большая часть тока эмиттера проходит через коллектор. Коллектор создает большое сопротивление для электронов текущих в полупроводник, и почти не препятствует потоку дырок в точечный. Если ток эмиттера модулировать напряжением сигнала, то это приводит к соответствующему изменению тока коллектора. Была получена большая величина отношения выходного напряжения к входному, такого же порядка, что и отношение импедансов, выпрямляющего точечного контакта в обратном и прямом направлении. Таким образом возникает соответствующее усиление мощности выходного сигнала. Получили выигрыш в мощности в 10 0 раз. Подобные устройства работали как усилители при частотах вплоть до 10 МГц(мегагерц)."

Устройство изобретенное Бардиным и Браттейном было названо точечным транзистором типа А и представлял собой конструкцию представленную на Рис. 2.2 Где (1) кристалл Германия, (2) вывод эмиттера, (3) вывод базы. Усиление сигнала осуществлялось за счет большого различия в величинах сопротивления, низкоомного входного и высокоомного выходного. Поэтому создатели нового прибора назвали его сокращенно - транзистором (в пер. с английского - "преобразователь сопротивления").

Рис 2.1 Трехэлементное электронное устройство

Рис2.2 Точечный транзистор

З.Изобретение плоскостного биполярного транзистора.

Одновременно, в период апрель 194 7 - январь 194 8 г., Шокли опубликовал теорию плоскостных биполярных транзисторов. Рассмотрев полупроводниковые выпрямительные устройства из кристаллов полупроводника, имеющего переход между областями р- и п- типа.

Такое устройство, называемое плоскостным полупроводниковым выпрямителем, обладает малым сопротивлением, когда р-область - положительна по отношению к п-области. Характеристики плоскостного выпрямителя можно точно определить теоретически. По сравнению с точечным, плоскостной выпрямитель допускает большую нагрузку т.к. площадь контакта можно сделать достаточно большой. С другой стороны с увеличением площади растет шунтирующая контактная емкость. Далее Шокли рассмотрел теорию плоскостного транзистора из кристалла полупроводника, содержащего два р-п перехода .

Положительная р-область является эмиттером, отрицательная р-область коллектором, п-область представляет собой базу. Таким образом вместо металлических точечных контактов используются две р-п области. В точечном транзисторе два металлических точечных контакта необходимо было располагать очень близко друг к другу, и в плоскостном транзисторе оба перехода должны располагаться очень близко друг к другу. Область базы очень тонкая - менее 25 мкм. Плоскостные транзисторы обладают рядом преимуществ перед точечными: они более доступны теоретическому анализу, обладают

более низким уровнем шумов, обеспечивают большую мощность. Для нормальной работы транзистора, как усилителя, необходимо чтобы на эмиттер было подано прямое, а на коллектор обратное смещение, по отношению к базе. Для р-п-р транзистора условие соответствует - положительному эмиттеру и отрицательному коллектору. Для п-р-п - обратные полярности т.е. отрицательный эмиттер и положительный коллектор.

4.История развития полевых транзисторов.

Первый полевой транзистор был запатентован в США в 1926/30гг., 1928/32гг. и 1928/33гг. Лилиен-фельд - автор этих потентов. Он родился в 18 82 году в Польше. С 1910 по 1926 г. был профессором Лейпцигского университета. В 1926 г. иммигрировал в США и подал заявку на патент.

Предложенные Лилиенфельдом транзисторы не были внедрены в производство. Транзистор по одному из первых патентов № 1900018 представлен на Рис.4.1 и 4.2.

Рис 3.1 Плоскостной полупроводниковый выпрямитель.

А1-

5 - исток Б - сток О - затвор

О

Рис 4.1 Транзистор по одному из первых патентов № 1900018.

Рис 4.2 Схема транзистора по одному из первых патентов № 1900018

Наиболее важная особенность изобретения Лилиенфельда заключается в том, что он понимал работу транзистора на принципе модуляции проводимости исходя из электростатики. В описании к патенту формулируется, что проводимость тонкой области полупроводникового канала модулируется входным сигналом, поступающим на затвор через входной трансформатор.

В 1935 году в Англии получил патент на полевой транзистор немецкий изобретатель О. Хейл Схема из патента № 439457 представлена на Рис. 4.3,

где: 1 - управляющий электрод

2 - тонкий слой полупроводника

3,4 - омические контакты к полупроводнику

5 - источник постоянного тока

6 - источник переменного напряжения

7 - амперметр

Рис 4.3 Патент О.Хейла

Рис 4.4 Полевой транзистор Шокли

Управляющий электрод (1) выполняет роль затвора, электрод (3) выполняет роль стока, электрод (4) роль истока. Подавая переменный сигнал на затвор, расположенный очень близко к проводнику, получаем изменение сопротивления полупроводника (2) между стоком и истоком. При низкой частоте можно наблюдать колебание стрелки амперметра (7). Данное изобретение является прототипом полевого транзистора с изолированным затвором.

Следующий период волны изобретений по транзисторам наступил в 1939 году, когда после трехлетних изысканий по твердотельному усилителю в фирме "BTL" (Bell Telephone Laboratories) Шокли был приглашен включиться в исследование Браттейна по медноокисному выпрямителю. Работа была прервана второй мировой войной, но уже перед отъездом на фронт Шокли предложил два транзистора. Исследования по транзисторам возобновились после войны, когда в середине 1945 г. Шокли вернулся в "BTL", а в 1946 г. туда же пришел Бардин.

В 1952 г. Шокли описал униполярный(полевой) транзистор с управляющим электродом, состоящим, как показано на рис. 4.4., из обратно смещенного p-n - перехода. Предложенный Шокли полевой транзистор состоит из полупроводникового стержня n-типа (канал n-типа) с омическими выводами на торцах. В качестве полупроводника использован кремний^^. На поверхности канала с противоположных сторон формируется р-п-переход, таким образом, чтобы он был параллелен направлению тока в канале. Рассмотрим, как течет ток между омическими контактами истока и стока. Проводимость канала определяют основные носители заряда для данного канала. В нашем случае электроны в канале n-типа. Вывод, от которого носители начинают свой путь, называется истоком. На рис. 4.4 - это отрицательный электрод. Второй омический электрод, к которому подходят электроны, - сток. Третий вывод от р-п-перехода называют затвор.

Точное описание процессов в полевом транзисторе представляет определенные трудности. Поэтому, Шокли предложил упрощенную теорию униполярного транзистора в основном объясняющую свойства этого прибора. При изменении входного напряжения (исток-затвор) изменяется обратное напряжение на р-п-переходе, что приводит к изменению толщины запирающего слоя. Соответственно изменяется площадь поперечного сечения n-канала, через который проходит поток основных носителей заряда, т.е. выходной ток. При высоком напряжении затвора запирающий слой становится все толще и площадь поперечного сечения уменьшается до нуля, а сопротивление канала увеличивается до бесконечности и транзистор запирается.

В 1963 г. Хофштейн и Хайман описали другую конструкцию полевого транзистора, где используется поле в диэлектрике, расположенном между пластиной полупроводника и металлической пленкой. Такие транзисторы со структурой металл-диэлектрик-полупроводник называются МДП-транзисторы. В период с 1952 по 1970 гг. полевые транзисторы оставались на лабораторной стадии развития. Три фактора способствовали стремительному развитию полевых транзисторов в 70-е годы:

1) Развитие физики полупроводников и прогресс в технологии полупроводников, что позволило получить приборы с заданными характеристиками.

2) Создание новых технологических методов, таких как тонкопленочные технологии для получения структуры с изолированным затвором.

3) Широкое внедрение транзисторов в электрическое оборудование.

5. История развития серийного производства транзисторов в США и СССР

Ускоренная разработка и производство транзисторов развернулись в США в кремниевой долине, расположенной в 80-ти км от Сан-Франциско. Возникновение кремниевой долины связывают с именем Ф. Термена - декана инженерного факультета Стенфордского университета, когда его студенты Хьюлетт, Паккард и братья Вариан создали фирмы, прославившие их имена во время второй мировой войны.

Бурное развитие кремниевой долины началось, когда Шокли покинул "BTL" и основал собственную фирму по производству кремниевых транзисторов при финансовой помощи питомца Калифорнийского политехнического института А. Беккмана. Его фирма начала работу осенью 1955 г., как отделение фирмы "Beckman Instruments" в армейских казармах Паоло-Алто. Шокли пригласил 12 специалистов

Институт полупроводниковых материалов и оборудования (США) составил генеалогическое дерево и первые ветви отпочкованные от фирмы Shockley выглядят так: Ласт и Хорни в 1961 году основали

Amelco, которая позже превратилась в Teledyne Semiconductor. Хорни в 1964 году создал Union Corbide Electronics, в 1967 году - Intersil. Ежегодно создавалось по четыре фирмы, и за период с 1957 по 1983 г. в кремниевой долине было создано более 100 фирм. Рост продолжается и сейчас. Он стимулируется близостью Стенфордского и Калифорнийского университета и активным участием их сотрудников в деле организации фирм.

Семейство монолитных транзисторно-транзисторных логических элементов с четырьмя и более биполярными транзисторами на одном кристалле кремния было выпущено фирмой Fairchild уже в феврале 1960 года и получило название "микрологика". Планарная технология Хорни и монолитная технология Нойса заложили в 1960 году фундамент развития интегральных микросхем, сначала на биполярных транзисторах, а затем 1965-85 гг. на полевых транзисторах и комбинациях тех и других. Малый разрыв во времени между идеей и серийным производством интегральных микросхем объясняется оперативностью разработчиков. Так в 1959 году Хорни проводя многочисленные опыты, сам отрабатывал технологию окисления и диффузии кремниевых пластин, чтобы найти оптимальную глубину диффузии бора и фосфора, и условия маскирования оксидом. Одновременно Нойс в темной комнате, по вечерам, в выходные дни упорно наносит и экспонирует фоторезист на множестве кремниевых пластин с оксидом и алюминием в поисках оптимальных режимов травления алюминия. Гринич лично работает с приборами, снимая характеристики транзисторов и интегральных микросхем. Когда нет прецедента и опытных данных кратчайших путь к практической реализации - "сделай сам". Путь, который и выбрала четверка пионеров - Гри-нич, Хорни, Мур, Нойс.

Первыми транзисторами выпущенными отечественной промышленностью были точечные транзисторы, которые предназначались для усиления и генерирования колебаний частотой до 5 МГц. В процессе производства первых в мире транзисторов были отработаны отдельные технологические процессы и разработаны методы контроля параметров. Накопленный опыт позволил перейти к выпуску более совершенных приборов, которые уже могли работать на частотах до 10 МГц. В дальнейшем на смену точечным транзисторам пришли плоскостные, обладающие более высокими электрическими и эксплуатационными качествами. Первые транзисторы типа П1 и П2 предназначались для усиления и генерирования электрических колебаний с частотой до 100 кГц. Затем появились более мощные низкочастотные транзисторы П3 и П4 применение которых в 2-х тактных усилителях позволяло получить выходную мощность до нескольких десятков ватт. По мере развития полупроводниковой промышленности происходило освоение новых типов транзисторов, в том числе П5 и П6, которые по сравнению со своими предшественниками обладали улучшенными характеристиками. Шло время, осваивались новые методы изготовления транзисторов, и транзисторы П1 - П6 уже не удовлетворяли действующим требованиям и были сняты с производства. Вместо них появились транзисторы типа П13 - П16, П201 - П203, которые тоже относились к низкочастотным непревышающим 100 кГц. Столь низкий частотный предел объясняется способом изготовления этих транзисторов, осуществляемым методом сплавления. Поэтому транзисторы П1 - П6, П13 - П16,

П201 - П203 называют сплавными. Транзисторы способные генерировать и усиливать электрические колебания с частотой в десятки и сотни МГц появились значительно позже - это были транзисторы типа П401 - П403, которые положили начало применению нового диффузионного метода изготовления полупроводниковых приборов. Такие транзисторы называют диффузионными. Дальнейшее развитие шло по пути совершенствования как сплавных, так и диффузионных транзисторов, а так же созданию и освоению новых методов их изготовления.

Литература

1. Журнал «Радио»/3-87издательство ДОСААФ СССР с 1987 года/под редакцией А.В.Гороховского/С -

68.

2. Журнал «Радио»/4-85издательство ДОСААФ СССР с 1987года/под редакцией А.В.Гороховского/С -

65.

3. Журнал «Радио»/6-87издательство ДОСААФ СССР с 1987 года/под редакцией А.В.Гороховского/С -

68.

4. Журнал «Радио»/11-87издательство ДОСААФ СССР с 1987 года/под редакцией А.В.Гороховского/С -