Dispositivo semiconductor
Definición
Los dispositivos semiconductores son componentes electrónicos que explotan las propiedades electrónicas de los materiales semiconductores, principalmente el silicio, el germanio y el arseniuro de galio, así como los semiconductores orgánicos. Los dispositivos semiconductores han reemplazado a los dispositivos termoiónicos (tubos de vacío) en la mayoría de las aplicaciones. Usan la conducción electrónica en estado sólido en comparación con el estado gaseoso o la emisión termoiónica en alto vacío.
Los dispositivos semiconductores se fabrican como dispositivos discretos individuales y como circuitos integrados (IC), que consisten en un número de dispositivos fabricados e interconectados en un único sustrato semiconductor, oblea, de unos pocos (desde dos) a miles de millones.
Los materiales semiconductores son útiles porque su comportamiento se puede manipular fácilmente mediante la adición de impurezas, conocido como dopaje. La conductividad del semiconductor puede controlarse mediante la introducción de un campo eléctrico o magnético, mediante la exposición a la luz o al calor, o mediante la deformación mecánica de una rejilla monocristalina dopada; por lo tanto, los semiconductores pueden ser excelentes sensores. La conducción actual en un semiconductor se produce a través de electrones y orificios móviles o "libres" , conocidos colectivamente como portadores de carga. El dopaje de un semiconductor como el silicio con una pequeña proporción de una impureza atómica, como el fósforo o el boro, aumenta en gran medida la cantidad de electrones o agujeros libres dentro del semiconductor. Cuando un semiconductor dopado contiene exceso de agujeros se denomina "tipo p", y cuando contiene un exceso de electrones libres se conoce como "tipo n", donde p (positivo para los agujeros) o n (negativo para los electrones) es el signo de la carga de la mayoría de los operadores de carga móvil. El material semiconductor utilizado en los dispositivos se dopa en condiciones altamente controladas en una instalación de fabricación, o fab , para controlar con precisión la ubicación y la concentración de dopantes tipo p y n. Las uniones que se forman cuando los semiconductores de tipo ny p se unen se denominan uniones p-n.
Los dispositivos semiconductores fabricados por año han estado creciendo un 9,1% en promedio desde 1978 y se prevé que los envíos en 2018 por primera vez superen el billón, lo que significa que se han realizado más de 7 billones hasta la fecha, apenas en la década anterior.
Diodo
Un diodo semiconductor es un dispositivo hecho típicamente de una sola unión p-n. En la unión de un tipo p y un semiconductor de tipo n, se forma una región de agotamiento en la que la conducción de la corriente se ve inhibida por la falta de portadores de carga móvil. Cuando el dispositivo está polarizado hacia adelante (conectado con el lado p a un potencial eléctrico mayor que el lado n), esta región de agotamiento se ve disminuida, permitiendo una conducción significativa, mientras que solo se puede lograr una corriente muy pequeña cuando el diodo está polarizado inversamente y por lo tanto, la región de agotamiento se expandió.
La exposición de un semiconductor a la luz puede generar pares de electrones y orificios, lo que aumenta la cantidad de portadores libres y, por lo tanto, la conductividad. Los diodos optimizados para aprovechar este fenómeno se conocen como fotodiodos . Los diodos semiconductores compuestos también se pueden usar para generar luz, como en los diodos emisores de luz y diodos láser.
Transistor
Transistor de unión bipolar
Los transistores de unión bipolar se forman a partir de dos uniones p-n, en configuración n-p-n o p-n-p. La región central o base entre las uniones suele ser muy estrecha. Las otras regiones, y sus terminales asociados, se conocen como el emisor y el colector . Una pequeña corriente inyectada a través de la unión entre la base y el emisor cambia las propiedades de la unión base-colector para que pueda conducir la corriente aunque esté polarizada inversamente. Esto crea una corriente mucho mayor entre el colector y el emisor, controlada por la corriente base-emisor.
Transistor de efecto de campo
Otro tipo de transistor, el transistor de efecto de campo, opera según el principio de que la conductividad de los semiconductores puede aumentarse o disminuirse por la presencia de un campo eléctrico. Un campo eléctrico puede aumentar el número de electrones y agujeros libres en un semiconductor, cambiando así su conductividad. El campo puede aplicarse mediante una unión p-n polarizada inversamente, formando un transistor de efecto de campo de unión (JFET) o mediante un electrodo aislado del material a granel por una capa de óxido, formando un transistor de efecto de campo semiconductor de óxido de metal (MOSFET)
El MOSFET, un dispositivo de estado sólido, es el dispositivo semiconductor más utilizado en la actualidad. El electrodo de puerta está cargado para producir un campo eléctrico que controla la conductividad de un "canal" entre dos terminales, llamado fuente y drenaje . Dependiendo del tipo de portadora en el canal, el dispositivo puede ser un MOSFET de canal n (para electrones) o de canal p (para agujeros). Aunque el MOSFET se denomina en parte por su puerta "metálica", en los dispositivos modernos se usa generalmente el polisilicio en su lugar.
Materiales de dispositivos semiconductores
Con mucho, el silicio (Si) es el material más ampliamente utilizado en dispositivos semiconductores. Su combinación de bajo costo de materia prima, procesamiento relativamente simple y un rango de temperatura útil hace que actualmente sea el mejor compromiso entre los diversos materiales de la competencia. El silicio usado en la fabricación de dispositivos semiconductores actualmente se fabrica en bolas que tienen un diámetro lo suficientemente grande como para permitir la producción de obleas de 300 mm (12 pulgadas).
El germanio (Ge) fue un material semiconductor temprano ampliamente utilizado, pero su sensibilidad térmica lo hace menos útil que el silicio. En la actualidad, el germanio a menudo se alea con silicio para su uso en dispositivos SiGe de muy alta velocidad; IBM es un importante productor de tales dispositivos.
El arseniuro de galio (GaAs) también se usa ampliamente en dispositivos de alta velocidad, pero hasta ahora ha sido difícil formar bolos de gran diámetro de este material, limitando el diámetro de la oblea a tamaños significativamente más pequeños que las obleas de silicio, produciendo en masa dispositivos GaAs significativamente más caro que el silicio.
Otros materiales menos comunes también están en uso o bajo investigación.
El carburo de silicio (SiC) ha encontrado alguna aplicación como materia prima para los diodos emisores de luz azul (LED) y se está investigando para su uso en dispositivos semiconductores que podrían soportar temperaturas de funcionamiento y entornos muy altos con la presencia de niveles significativos de radiación ionizante. Los diodos IMPATT también se han fabricado a partir de SiC.
Varios compuestos de indio (arseniuro de indio, antimonio de indio y fosfuro de indio) también se utilizan en LED y diodos láser de estado sólido. El sulfuro de selenio se está estudiando en la fabricación de células solares fotovoltaicas.
El uso más común para los semiconductores orgánicos son los diodos emisores de luz orgánicos.
Lista de dispositivos semiconductores comunes
Dispositivos de dos terminales:
- DIAC
- Diodo (diodo rectificador)
- Diodo Gunn
- Diodo IMPATT
- Diodo láser
- Diodo emisor de luz (LED)
- Célula fotoeléctrica
- Fototransistor
- Diodo PIN
- Diodo Schottky
- Célula solar
- Diodo de supresión de voltaje transitorio
- Diodo de túnel
- VCSEL
- diodo Zener
Dispositivos de tres terminales:
- Transistor bipolar
- Transistor Darlington
- Transistor de efecto de campo
- Transistor bipolar de puerta aislada (IGBT)
- Rectificador controlado por silicio
- Tiristor
- TRIAC
- Transistor de Unijunction
Dispositivos de cuatro terminales:
- Sensor de efecto Hall (sensor de campo magnético)
- Fotoacoplador (Optoacoplador)
Aplicaciones de dispositivos semiconductores
Todos los tipos de transistores se pueden usar como bloques de construcción de puertas lógicas, que son fundamentales en el diseño de circuitos digitales. En circuitos digitales como microprocesadores, los transistores actúan como interruptores de encendido y apagado; en el MOSFET, por ejemplo, el voltaje aplicado a la puerta determina si el interruptor está encendido o apagado.
Los transistores utilizados para circuitos analógicos no actúan como interruptores de encendido y apagado; más bien, responden a un rango continuo de entradas con un rango continuo de salidas. Los circuitos analógicos comunes incluyen amplificadores y osciladores.
Los circuitos que interconectan o traducen entre circuitos digitales y circuitos analógicos se conocen como circuitos de señal mixta.
Los dispositivos semiconductores de potencia son dispositivos discretos o circuitos integrados destinados a aplicaciones de alta corriente o alta tensión. Los circuitos integrados de potencia combinan la tecnología IC con la tecnología de semiconductores de potencia, a veces se los denomina dispositivos de potencia "inteligentes". Varias compañías se especializan en la fabricación de semiconductores de potencia.
Identificadores de componentes
Los designadores de tipo de dispositivos semiconductores a menudo son específicos del fabricante. Sin embargo, ha habido intentos de crear estándares para códigos de tipo, y un subconjunto de dispositivos los sigue. Para dispositivos discretos, por ejemplo, hay tres estándares: JEDEC JESD370B en Estados Unidos, Pro Electron en Europa y Japanese Industrial Standards (JIS) en Japón.
Historia del desarrollo de dispositivos semiconductores
Detector de patillas
Semiconductores habían sido utilizados en el campo de la electrónica durante algún tiempo antes de la invención del transistor. Alrededor del cambio de siglo veinte eran bastante comunes como detectores en radios, usados en un dispositivo llamado "bigote de gato" desarrollado por Jagadish Chandra Bose y otros. Sin embargo, estos detectores eran un tanto problemáticos y requerían que el operador moviera un pequeño filamento de tungsteno (el bigote) alrededor de la superficie de un cristal de galena (sulfuro de plomo) o carborundo (carburo de silicio) hasta que comenzara a funcionar de repente. Luego, durante un período de algunas horas o días, el bigote del gato dejará de funcionar lentamente y el proceso tendrá que repetirse. En ese momento su operación era completamente misteriosa. Después de la introducción de las radios más confiables y amplificadas basadas en tubos de vacío, el gato ' Los sistemas de bigotes desaparecieron rápidamente. El "bigote del gato" es un ejemplo primitivo de un tipo especial de diodo aún popular en la actualidad, llamado diodo Schottky.
Rectificador de metal
Otro tipo temprano de dispositivo semiconductor es el rectificador de metal en el cual el semiconductor es óxido de cobre o selenio. Westinghouse Electric (1886) fue uno de los principales fabricantes de estos rectificadores.
Segunda Guerra Mundial
Durante la Segunda Guerra Mundial, la investigación de radar rápidamente empujó a los receptores de radar a operar a frecuencias cada vez más altas y los receptores de radio tradicionales basados en tubos ya no funcionaban bien. La introducción del magnetrón de cavidad desde Gran Bretaña a los Estados Unidos en 1940 durante la Misión Tizard dio como resultado la necesidad apremiante de un amplificador práctico de alta frecuencia.
Por un capricho, Russell Ohl de Bell Laboratories decidió probar el bigote de un gato. En este punto, no habían estado en uso durante varios años, y nadie en los laboratorios tenía uno. Después de buscar uno en una tienda de radio usada en Manhattan, descubrió que funcionaba mucho mejor que los sistemas basados en tubos.
Ohl investigó por qué el bigote del gato funcionaba tan bien. Pasó la mayor parte de 1939 tratando de desarrollar versiones más puras de los cristales. Pronto descubrió que con cristales de mayor calidad su comportamiento quisquilloso desapareció, pero también lo hizo su capacidad para operar como un detector de radio. Un día descubrió que uno de sus cristales más puros funcionaba bien, y tenía una grieta claramente visible cerca del centro. Sin embargo, mientras se movía por la habitación tratando de probarlo, el detector misteriosamente funcionaba, y luego se detenía nuevamente. Después de estudiar, descubrió que el comportamiento estaba controlado por la luz en la habitación: más luz causaba más conductancia en el cristal. Invitó a otras personas a ver este cristal, y Walter Brattain inmediatamente se dio cuenta de que había algún tipo de cruce en la grieta.
La investigación adicional aclaró el misterio restante. El cristal se había agrietado porque cada lado contenía cantidades muy ligeramente diferentes de las impurezas que Ohl no pudo eliminar: alrededor del 0,2%. Un lado del cristal tenía impurezas que agregaban electrones extra (los portadores de la corriente eléctrica) y lo convertían en un "conductor". El otro tenía impurezas que querían unirse a estos electrones, convirtiéndolo (lo que él llamaba) en un "aislante". Debido a que las dos partes del cristal estaban en contacto entre sí, los electrones podían ser expulsados del lado conductivo que tenía electrones extra (que pronto se conocería como el emisor ) y reemplazados por otros suministrados (de una batería, por ejemplo) donde fluirían a la parte aislante y serían recogidos por el filamento de bigotes (llamado colector) Sin embargo, cuando se revierte el voltaje, los electrones que se introducen en el colector llenarán rápidamente los "agujeros" (las impurezas necesitadas de electrones) y la conducción se detendrá casi instantáneamente. Esta unión de los dos cristales (o partes de un cristal) creó un diodo de estado sólido, y el concepto pronto se conoció como semiconducción. El mecanismo de acción cuando el diodo está apagado tiene que ver con la separación de los portadores de carga alrededor de la unión. Esto se llama una "región de agotamiento".
Desarrollo del diodo
Armado con el conocimiento de cómo funcionaban estos nuevos diodos, comenzó un vigoroso esfuerzo para aprender a construirlos a pedido. Equipos de la Universidad Purdue, Bell Labs, MIT y la Universidad de Chicago unieron fuerzas para construir mejores cristales. En un año, la producción de germanio se había perfeccionado hasta el punto en que se usaban diodos de grado militar en la mayoría de los conjuntos de radar.
Desarrollo del transistor
Después de la guerra, William Shockley decidió intentar la construcción de un dispositivo semiconductor similar a un triodo. Aseguró fondos y espacio en el laboratorio, y se puso a trabajar en el problema con Brattain y John Bardeen.
La clave para el desarrollo del transistor fue la comprensión adicional del proceso de movilidad de electrones en un semiconductor. Se comprendió que si hubiera alguna manera de controlar el flujo de electrones desde el emisor hasta el colector de este diodo recientemente descubierto, se podría construir un amplificador. Por ejemplo, si los contactos se colocan en ambos lados de un solo tipo de cristal, la corriente no fluirá entre ellos a través del cristal. Sin embargo, si un tercer contacto pudiera "inyectar" electrones o agujeros en el material, la corriente fluiría.
En realidad, hacer esto parecía ser muy difícil. Si el cristal tuviera un tamaño razonable, la cantidad de electrones (o agujeros) que se necesita inyectar debería ser muy grande, por lo que sería poco útil como amplificador, ya que para empezar requeriría una gran corriente de inyección. Dicho eso, la idea del diodo de cristal era que el cristal en sí podía proporcionar los electrones a una distancia muy pequeña, la región de agotamiento. La clave parecía ser colocar los contactos de entrada y salida muy juntos en la superficie del cristal a cada lado de esta región.
Brattain comenzó a trabajar en la construcción de dicho dispositivo, y cada vez que el equipo trabajaba en el problema continuaban apareciendo atisbos de amplificación. Algunas veces el sistema funcionaría pero luego dejaría de funcionar inesperadamente. En un caso, un sistema que no funcionaba comenzó a funcionar cuando se lo colocaba en el agua. Ohl y Brattain finalmente desarrollaron una nueva rama de la mecánica cuántica, que se conoció como física de superficie, para dar cuenta del comportamiento. Los electrones en cualquier pieza del cristal migrarían debido a cargas cercanas. Los electrones en los emisores, o los "agujeros" en los colectores, se agruparían en la superficie del cristal donde podrían encontrar su carga opuesta "flotando alrededor" en el aire (o agua). Sin embargo, podrían ser empujados lejos de la superficie con la aplicación de una pequeña cantidad de carga desde cualquier otra ubicación en el cristal. En lugar de necesitar un gran suministro de electrones inyectados, un número muy pequeño en el lugar correcto del cristal lograría lo mismo.
Su comprensión resolvió el problema de necesitar un área de control muy pequeña hasta cierto punto. En lugar de necesitar dos semiconductores separados conectados por una región común, pero pequeña, una única superficie más grande serviría. Los cables emisores y colectores de electrones se colocarían muy juntos en la parte superior, con el cable de control colocado en la base del cristal. Cuando la corriente fluye a través de esta "base" de plomo, los electrones o agujeros se expulsan, a través del bloque de semiconductor, y se acumulan en la superficie más alejada. Siempre que el emisor y el colector estén muy juntos, esto debería permitir que haya suficientes electrones o agujeros entre ellos para permitir que comience la conducción.
El primer transistor
El equipo de Bell hizo muchos intentos para construir dicho sistema con varias herramientas, pero generalmente falló. Las configuraciones donde los contactos estaban lo suficientemente cerca eran invariablemente tan frágiles como los detectores de bigotes del gato original, y funcionarían brevemente, si es que lo hacen. Eventualmente tuvieron un avance práctico. Un pedazo de lámina de oro estaba pegado al borde de una cuña de plástico, y luego la lámina se cortó con una cuchilla de afeitar en la punta del triángulo. El resultado fue dos contactos de oro muy poco separados. Cuando la cuña se empujó hacia abajo sobre la superficie de un cristal y se aplicó voltaje al otro lado (en la base del cristal), la corriente comenzó a fluir de un contacto al otro a medida que el voltaje de base empujaba a los electrones hacia afuera de la base. el otro lado cerca de los contactos. El transistor de contacto puntual había sido inventado.
Mientras que el dispositivo fue construido una semana antes, las notas de Brattain describen la primera demostración a los altos mandos en los Laboratorios Bell en la tarde del 23 de diciembre de 1947, a menudo dada como la fecha de nacimiento del transistor. Lo que ahora se conoce como el "transistor de germanio p-n-p de punto de contacto" funcionó como un amplificador de voz con una ganancia de potencia de 18 en esa prueba. John Bardeen, Walter Houser Brattain y William Bradford Shockley fueron galardonados con el Premio Nobel de física de 1956 por su trabajo.
Origen del término "transistor"
Bell Telephone Laboratories necesitaba un nombre genérico para su nueva invención: "Semiconductor Triode", "Solid Triode", "Surface States Triode" [ sic ], "Crystal Triode" y "Iotatron" fueron considerados, pero "transistor", acuñado por John R. Pierce, ganó una votación interna. La justificación para el nombre se describe en el siguiente extracto de los Memorandos Técnicos de la compañía (28 de mayo de 1948) [26] llamando a votación:
Mejoras en el diseño de transistores
Shockley estaba molesto porque el dispositivo se le acreditaba a Brattain y Bardeen, quienes creían que lo habían construido "a sus espaldas" para llevarse la gloria. La situación empeoró cuando los abogados de Bell Labs descubrieron que algunas de las propias escrituras de Shockley sobre el transistor eran lo suficientemente parecidas a las de una patente anterior de 1925 de Julius Edgar Lilienfeld que pensaron que era mejor que su nombre quedara fuera de la solicitud de patente.
Shockley estaba indignado, y decidió demostrar quién era el verdadero cerebro de la operación. Unos meses más tarde, inventó un tipo de transistor completamente nuevo, considerablemente más robusto, con una estructura de capa o "sándwich". Esta estructura pasó a ser utilizada por la gran mayoría de todos los transistores en la década de 1960, y se convirtió en el transistor de unión bipolar.
Una vez resueltos los problemas de fragilidad, el problema restante era la pureza. Fabricar germanio con la pureza requerida demostraba ser un problema serio y limitaba el rendimiento de los transistores que realmente funcionaban a partir de un lote dado de material. La sensibilidad del germanio a la temperatura también limitó su utilidad. Los científicos teorizaron que el silicio sería más fácil de fabricar, pero pocos investigaron esta posibilidad. Gordon K. Teal fue el primero en desarrollar un transistor de silicio en funcionamiento, y su compañía, la naciente Texas Instruments, se benefició de su ventaja tecnológica. Desde finales de la década de 1960, la mayoría de los transistores estaban basados en silicio. En pocos años aparecieron en el mercado productos basados en transistores, especialmente radios fáciles de transportar.
El transistor de inducción estático, el primer transistor de alta frecuencia, fue inventado por los ingenieros japoneses Jun-ichi Nishizawa e Y. Watanabe en 1950. Fue el transistor más rápido hasta la década de 1980.
Una mejora importante en el rendimiento de fabricación llegó cuando un químico aconsejó a las empresas que fabricaban semiconductores que utilizaran agua destilada en lugar de agua corriente: los iones de calcio presentes en el agua del grifo eran la causa de los bajos rendimientos. "Zona de fusión", una técnica que utiliza una banda de material fundido que se mueve a través del cristal, aumenta aún más la pureza del cristal.