Halvledere

Germanium- og siliciumhalvledereRediger

Den første siliciumhalvlederanordning var en radiokrystaldetektor af silicium, som blev udviklet af den amerikanske ingeniør Greenleaf Whittier Pickard i 1906. I 1940 opdagede Russell Ohl p-n-forbindelsen og de fotovoltaiske effekter i silicium. I 1941 blev der udviklet teknikker til fremstilling af germanium- og siliciumkrystaller af høj renhed til radarmikrobølgedetektorer under Anden Verdenskrig. I 1955 opdagede Carl Frosch og Lincoln Derick fra Bell Labs ved et tilfælde, at siliciumdioxid (SiO2) kunne dyrkes på silicium, og de foreslog senere, at dette kunne maskere siliciumoverflader under diffusionsprocesser i 1958.

I halvlederindustriens tidlige år, indtil slutningen af 1950’erne, var germanium det dominerende halvledermateriale til transistorer og andre halvlederkomponenter, i stedet for silicium. Germanium blev oprindeligt anset for at være det mere effektive halvledermateriale, da det var i stand til at demonstrere bedre ydeevne på grund af højere ladningsbærermobilitet. Den relative mangel på ydeevne i de tidlige siliciumhalvledere skyldtes, at den elektriske ledningsevne blev begrænset af ustabile kvanteoverfladetilstande, hvor elektroner er fanget på overfladen på grund af dinglende bindinger, der opstår, fordi der er umættede bindinger på overfladen. Dette forhindrede elektricitet i at trænge pålideligt gennem overfladen for at nå det halvledende siliciumlag.

Et gennembrud i siliciumhalvlederteknologien kom med den egyptiske ingeniør Mohamed Atalla, som udviklede processen med overfladepassivering ved termisk oxidation på Bell Labs i slutningen af 1950’erne. Han opdagede, at dannelsen af et termisk vokset siliciumdioxidlag reducerede koncentrationen af elektroniske tilstande på siliciumoverfladen betydeligt, og at siliciumoxidlag kunne anvendes til elektrisk stabilisering af siliciumoverflader. Atalla offentliggjorde først sine resultater i Bell-notater i løbet af 1957 og demonstrerede dem derefter i 1958. Dette var den første demonstration, der viste, at siliciumdioxidisolatorfilm af høj kvalitet kunne dyrkes termisk på siliciumoverfladen for at beskytte de underliggende p-n-junction dioder og transistorer af silicium. Atallas overfladepassiveringsproces gjorde det muligt for silicium at overgå germaniums ledningsevne og ydeevne og førte til, at silicium erstattede germanium som det dominerende halvledermateriale. Atallas overfladepassiveringsproces anses for at være det vigtigste fremskridt inden for siliciumhalvlederteknologien og banede vejen for masseproduktion af siliciumhalvlederkomponenter. I midten af 1960’erne blev Atallas proces til oxiderede siliciumoverflader brugt til at fremstille stort set alle integrerede kredsløb og siliciumkomponenter.

MOSFET (MOS-transistor)Rediger

I slutningen af 1950’erne anvendte Mohamed Atalla sine metoder til passivering af overfladen og termisk oxidation til at udvikle metal-oxid-halvlederprocessen (MOS), som han foreslog kunne bruges til at bygge den første fungerende silicium-felteffekttransistor. Dette førte til opfindelsen af MOSFET’en (MOS-felteffekttransistor) af Mohamed Atalla og Dawon Kahng i 1959. Det var den første virkelig kompakte transistor, som kunne miniaturiseres og masseproduceres til en lang række anvendelsesformål. Med sin skalerbarhed og et meget lavere strømforbrug og højere tæthed end bipolære junctionstransistorer blev MOSFET’en den mest almindelige transistortype i computere, elektronik og kommunikationsteknologi som f.eks. smartphones. Det amerikanske patent- og varemærkekontor kalder MOSFET for en “banebrydende opfindelse, der har forandret livet og kulturen verden over”.

CMOS-processen (complementary MOS) blev udviklet af Chih-Tang Sah og Frank Wanlass hos Fairchild Semiconductor i 1963. Den første rapport om en floating-gate MOSFET blev udarbejdet af Dawon Kahng og Simon Sze i 1967. FinFET (fin field-effect transistor), en type 3D multi-gate MOSFET, blev udviklet af Digh Hisamoto og hans forskerhold på Hitachi Central Research Laboratory i 1989.