Halbleiter

Germanium- und Silizium-HalbleiterBearbeiten

Das erste Silizium-Halbleiterbauelement war ein Silizium-Radiokristalldetektor, den der amerikanische Ingenieur Greenleaf Whittier Pickard 1906 entwickelte. Im Jahr 1940 entdeckte Russell Ohl den p-n-Übergang und die photovoltaischen Effekte in Silizium. Im Jahr 1941 wurden Techniken zur Herstellung hochreiner Germanium- und Siliziumkristalle für Radar-Mikrowellendetektoren während des Zweiten Weltkriegs entwickelt. 1955 entdeckten Carl Frosch und Lincoln Derick in den Bell Labs zufällig, dass Siliziumdioxid (SiO2) auf Silizium gezüchtet werden kann, und schlugen 1958 vor, dass damit Siliziumoberflächen während Diffusionsprozessen maskiert werden könnten.

In den Anfangsjahren der Halbleiterindustrie, bis in die späten 1950er Jahre, war Germanium das vorherrschende Halbleitermaterial für Transistoren und andere Halbleiterbauelemente, nicht Silizium. Germanium galt zunächst als das effektivere Halbleitermaterial, da es aufgrund der höheren Ladungsträgerbeweglichkeit eine bessere Leistung aufweisen konnte. Der relative Leistungsmangel der frühen Silizium-Halbleiter war darauf zurückzuführen, dass die elektrische Leitfähigkeit durch instabile Quantenoberflächenzustände begrenzt war, bei denen Elektronen an der Oberfläche gefangen sind, und zwar aufgrund von baumelnden Bindungen, die durch ungesättigte Bindungen an der Oberfläche entstehen. Dies verhinderte, dass Elektrizität zuverlässig die Oberfläche durchdringen konnte, um die halbleitende Siliziumschicht zu erreichen.

Ein Durchbruch in der Silizium-Halbleitertechnologie kam mit der Arbeit des ägyptischen Ingenieurs Mohamed Atalla, der Ende der 50er Jahre in den Bell Labs das Verfahren der Oberflächenpassivierung durch thermische Oxidation entwickelte. Er entdeckte, dass die Bildung einer thermisch gewachsenen Siliziumdioxidschicht die Konzentration elektronischer Zustände an der Siliziumoberfläche stark reduziert und dass Siliziumoxidschichten zur elektrischen Stabilisierung von Siliziumoberflächen verwendet werden können. Atalla veröffentlichte seine Erkenntnisse zunächst 1957 in Bell-Memos und demonstrierte sie 1958. Dies war die erste Demonstration, die zeigte, dass hochwertige Siliziumdioxid-Isolatorschichten thermisch auf der Siliziumoberfläche aufgewachsen werden können, um die darunter liegenden Silizium-P-n-Übergangsdioden und -transistoren zu schützen. Atallas Oberflächenpassivierungsverfahren ermöglichte es Silizium, die Leitfähigkeit und Leistung von Germanium zu übertreffen, und führte dazu, dass Silizium Germanium als dominierendes Halbleitermaterial ablöste. Atallas Oberflächenpassivierungsverfahren gilt als der wichtigste Fortschritt in der Silizium-Halbleitertechnologie und ebnete den Weg für die Massenproduktion von Silizium-Halbleitergeräten. Mitte der 1960er Jahre wurde Atallas Verfahren für oxidierte Siliziumoberflächen für die Herstellung praktisch aller integrierten Schaltungen und Siliziumbauelemente verwendet.

MOSFET (MOS-Transistor)Bearbeiten

In den späten 1950er Jahren nutzte Mohamed Atalla seine Methoden der Oberflächenpassivierung und der thermischen Oxidation, um den Metall-Oxid-Halbleiter (MOS)-Prozess zu entwickeln, mit dem er den ersten funktionierenden Silizium-Feldeffekttransistor bauen wollte. Dies führte zur Erfindung des MOSFET (MOS-Feldeffekttransistor) durch Mohamed Atalla und Dawon Kahng im Jahr 1959. Er war der erste wirklich kompakte Transistor, der miniaturisiert und für eine breite Palette von Anwendungen in Massenproduktion hergestellt werden konnte. Dank seiner Skalierbarkeit, seines wesentlich geringeren Stromverbrauchs und seiner höheren Dichte als Bipolartransistoren wurde der MOSFET zum gängigsten Transistortyp in Computern, Elektronik und Kommunikationstechnologie wie Smartphones. Das US-Patent- und Markenamt bezeichnet den MOSFET als „bahnbrechende Erfindung, die das Leben und die Kultur auf der ganzen Welt verändert hat“.

Das CMOS-Verfahren (Complementary MOS) wurde 1963 von Chih-Tang Sah und Frank Wanlass bei Fairchild Semiconductor entwickelt. Der erste Bericht über einen Floating-Gate-MOSFET stammt von Dawon Kahng und Simon Sze aus dem Jahr 1967. Der FinFET (Fin-Field-Effect-Transistor), eine Art 3D-Multi-Gate-MOSFET, wurde 1989 von Digh Hisamoto und seinem Forscherteam im Hitachi Central Research Laboratory entwickelt.