Halvledare

Germanium- och kiselhalvledareRedigera

Den första kiselhalvledaren var en radiokristalldetektor i kisel, som utvecklades av den amerikanske ingenjören Greenleaf Whittier Pickard 1906. År 1940 upptäckte Russell Ohl p-n-övergången och fotovoltaiska effekter i kisel. År 1941 utvecklades tekniker för tillverkning av germanium- och kiselkristaller med hög renhet för radarmikrovågsdetektorer under andra världskriget. År 1955 upptäckte Carl Frosch och Lincoln Derick vid Bell Labs av en slump att kiseldioxid (SiO2) kunde odlas på kisel, och de föreslog senare 1958 att detta kunde maskera kiselytor under diffusionsprocesser.

Under halvledarindustrins tidiga år, fram till slutet av 1950-talet, var germanium det dominerande halvledarmaterialet för transistorer och andra halvledarkomponenter, snarare än kisel. Germanium ansågs till en början vara det effektivare halvledarmaterialet, eftersom det kunde uppvisa bättre prestanda på grund av högre laddningsrörlighet. Den relativa bristen på prestanda i tidiga kiselhalvledare berodde på att den elektriska ledningsförmågan begränsades av instabila kvantyttillstånd, där elektroner fångas in på ytan, på grund av dinglande bindningar som uppstår eftersom det finns omättade bindningar på ytan. Detta hindrade elektricitet från att på ett tillförlitligt sätt tränga igenom ytan för att nå det halvledande kiselskiktet.

Ett genombrott i kiselhalvledartekniken kom tack vare den egyptiske ingenjören Mohamed Atalla, som utvecklade processen för ytpassivering genom termisk oxidation vid Bell Labs i slutet av 1950-talet. Han upptäckte att bildandet av ett termiskt odlat kiseldioxidskikt kraftigt minskade koncentrationen av elektroniska tillstånd på kiselytan och att kiseloxidskikt kunde användas för att elektriskt stabilisera kiselytor. Atalla publicerade först sina upptäckter i Bell-memoar under 1957 och demonstrerade dem sedan 1958. Detta var den första demonstrationen som visade att högkvalitativa kiseldioxidisolatorfilmer kunde odlas termiskt på kiselytan för att skydda de underliggande p-n-övergångsdioderna och transistorerna av kisel. Atallas ytpassiveringsprocess gjorde det möjligt för kisel att överträffa germaniums ledningsförmåga och prestanda och ledde till att kisel ersatte germanium som det dominerande halvledarmaterialet. Atallas ytpassiveringsprocess anses vara det viktigaste framsteget inom kiselhalvledartekniken och banade väg för massproduktion av kiselhalvledarkomponenter. I mitten av 1960-talet användes Atallas process för oxiderade kiselytor för att tillverka praktiskt taget alla integrerade kretsar och kiselkomponenter.

MOSFET (MOS-transistor)Redigera

I slutet av 1950-talet använde Mohamed Atalla sina metoder för ytpassivering och termisk oxidation för att utveckla metalloxidhalvledarprocessen (MOS), som han föreslog skulle kunna användas för att bygga den första fungerande fälteffekttransistorn i kisel. Detta ledde till att Mohamed Atalla och Dawon Kahng uppfann MOSFET (MOS-fälteffekttransistor) 1959. Det var den första verkligt kompakta transistorn som kunde miniatyriseras och massproduceras för ett brett spektrum av användningsområden. Med sin skalbarhet, sin mycket lägre energiförbrukning och högre densitet än bipolära junktionstransistorer blev MOSFET den vanligaste transistortypen i datorer, elektronik och kommunikationsteknik som t.ex. smartphones. US Patent and Trademark Office kallar MOSFET för en ”banbrytande uppfinning som förändrade livet och kulturen runt om i världen”.

CMOS-processen (complementary MOS) utvecklades av Chih-Tang Sah och Frank Wanlass på Fairchild Semiconductor 1963. Den första rapporten om en MOSFET med flytande grind gjordes av Dawon Kahng och Simon Sze 1967. FinFET (fin field-effect transistor), en typ av 3D multi-gate MOSFET, utvecklades av Digh Hisamoto och hans forskargrupp vid Hitachi Central Research Laboratory 1989.