Halfgeleider

Germanium en silicium halfgeleidersEdit

Het eerste halfgeleiderapparaat van silicium was een radiokristaldetector van silicium, ontwikkeld door de Amerikaanse ingenieur Greenleaf Whittier Pickard in 1906. In 1940 ontdekte Russell Ohl de p-n junctie en fotovoltaïsche effecten in silicium. In 1941 werden technieken ontwikkeld voor de productie van zeer zuivere germanium- en siliciumkristallen voor radarmicrogolfdetectoren tijdens de Tweede Wereldoorlog. In 1955 ontdekten Carl Frosch en Lincoln Derick bij Bell Labs bij toeval dat siliciumdioxide (SiO2) op silicium kon worden gekweekt, en zij stelden later voor dat dit siliciumoppervlakken kon maskeren tijdens diffusieprocessen in 1958.

In de beginjaren van de halfgeleiderindustrie, tot het einde van de jaren 1950, was germanium het dominante halfgeleidermateriaal voor transistors en andere halfgeleiderinrichtingen, in plaats van silicium. Germanium werd aanvankelijk beschouwd als het meest doeltreffende halfgeleidermateriaal, omdat het betere prestaties kon voorleggen dankzij de hogere mobiliteit van de dragers. Het relatieve gebrek aan prestaties in vroege siliciumhalfgeleiders was te wijten aan het feit dat de elektrische geleiding beperkt werd door onstabiele kwantumoppervlaktetoestanden, waarbij elektronen gevangen zitten aan het oppervlak, ten gevolge van bungelende bindingen die ontstaan omdat er onverzadigde bindingen aanwezig zijn aan het oppervlak. Dit verhinderde dat elektriciteit op betrouwbare wijze door het oppervlak drong om de halfgeleidende siliciumlaag te bereiken.

Een doorbraak in de silicium halfgeleidertechnologie kwam met het werk van de Egyptische ingenieur Mohamed Atalla, die het proces van oppervlakte passivering door thermische oxidatie ontwikkelde bij Bell Labs aan het eind van de jaren 1950. Hij ontdekte dat de vorming van een thermisch gegroeide siliciumdioxide-laag de concentratie van elektronische toestanden aan het siliciumoppervlak sterk verminderde, en dat siliciumoxidelagen konden worden gebruikt om siliciumoppervlakken elektrisch te stabiliseren. Atalla publiceerde zijn bevindingen voor het eerst in Bell-memo’s in 1957, en demonstreerde ze vervolgens in 1958. Dit was de eerste demonstratie die aantoonde dat isolatorfilms van siliciumdioxide van hoge kwaliteit thermisch op het siliciumoppervlak konden worden gegroeid om de onderliggende silicium p-n junctie-diodes en transistors te beschermen. Dankzij Atalla’s oppervlaktepassiveringsproces kon silicium het geleidingsvermogen en de prestaties van germanium overtreffen, en kon silicium germanium vervangen als het dominante halfgeleidermateriaal. Atalla’s oppervlaktepassiveringsproces wordt beschouwd als de belangrijkste vooruitgang in de siliciumhalfgeleidertechnologie en effende de weg voor de massaproductie van siliciumhalfgeleiderelementen. Tegen het midden van de jaren 1960 werd Atalla’s proces voor geoxideerde siliciumoppervlakken gebruikt om vrijwel alle geïntegreerde schakelingen en siliciumapparaten te fabriceren.

MOSFET (MOS-transistor)Bewerken

In de late jaren vijftig gebruikte Mohamed Atalla zijn oppervlaktepassiverings- en thermische oxidatiemethoden om het metaal-oxide-semiconductor (MOS) proces te ontwikkelen, waarvan hij voorstelde dat het kon worden gebruikt om de eerste werkende silicium-veldeffecttransistor te bouwen. Dit leidde tot de uitvinding van de MOSFET (MOS field-effect transistor) door Mohamed Atalla en Dawon Kahng in 1959. Het was de eerste echt compacte transistor die kon worden geminiaturiseerd en in massa kon worden geproduceerd voor een breed scala van toepassingen. Door zijn schaalbaarheid, en veel lager stroomverbruik en hogere dichtheid dan bipolaire junctie-transistoren, werd de MOSFET het meest gebruikte type transistor in computers, elektronica en communicatietechnologie, zoals smartphones. Het US Patent and Trademark Office noemt de MOSFET een “baanbrekende uitvinding die het leven en de cultuur over de hele wereld heeft veranderd”.

Het CMOS (complementary MOS) proces werd ontwikkeld door Chih-Tang Sah en Frank Wanlass bij Fairchild Semiconductor in 1963. De eerste melding van een floating-gate MOSFET werd gemaakt door Dawon Kahng en Simon Sze in 1967. FinFET (fin field-effect transistor), een soort 3D multi-gate MOSFET, werd in 1989 ontwikkeld door Digh Hisamoto en zijn team van onderzoekers bij Hitachi Central Research Laboratory.