Chip bán dẫn hoạt động như thế nào?

0020-42285 VÒI, KHÓA 8" EC WXZ

0010-35756 Assy buồng hồi chiêu CVD

█ Ống chân không (ống điện tử)

Hiệu ứng Edison

Năm 1883, nhà phát minh nổi tiếng Thomas Edison đã quan sát thấy một hiện tượng kỳ lạ trong một thí nghiệm. Lúc đó anh đang tiến hành thử nghiệm tuổi thọ của dây tóc (sợi carbon). Bên cạnh dây tóc, ông đặt một sợi dây đồng, nhưng sợi dây đồng đó không được gắn vào bất kỳ điện cực nào. Tức là dây đồng không được cấp điện.

Sau khi dây tóc carbon được cung cấp năng lượng bình thường, nó bắt đầu phát sáng và tỏa nhiệt. Một lúc sau, Edison ngắt nguồn điện. Anh vô tình phát hiện ra rằng một dòng điện cũng đã được tạo ra trên dây đồng.

Edison không có cách nào giải thích nguyên nhân của hiện tượng này, nhưng với tư cách là một “doanh nhân” khôn ngoan, điều đầu tiên ông nghĩ đến là cấp bằng sáng chế cho khám phá này. Ông còn đặt tên cho hiện tượng này là “hiệu ứng Edison”.

Bây giờ chúng ta biết rằng bản chất của "hiệu ứng Edison" là sự phát xạ của các electron nhiệt. Nghĩa là, khi dây tóc được làm nóng, các electron trên bề mặt sẽ hoạt động và "thoát ra", kết quả là chúng bị dây đồng kim loại bắt giữ, tạo ra dòng điện.

Khi Edison nộp đơn xin cấp bằng sáng chế, ông đã không hề nghĩ tới công dụng của tác dụng đó và đã để nó lên kệ.

Năm 1884, nhà vật lý người Anh John Ambrose Fleming đến thăm Hoa Kỳ để gặp Edison. Edison đã cho Fleming thấy Hiệu ứng Edison và gây ấn tượng mạnh với Fleming.

 

弗莱明

Điốt

Vào thời điểm Fleming thực sự sử dụng hiệu ứng này thì đã hơn một thập kỷ sau. Năm 1901, Guglielmo Marconi, người phát minh ra điện báo không dây, đã tiến hành các thí nghiệm liên lạc vô tuyến tầm xa xuyên Đại Tây Dương. Fleming tham gia thử nghiệm để giúp tìm ra cách nâng cao khả năng thu tín hiệu không dây. Nói một cách đơn giản là nghiên cứu cách phát hiện tín hiệu ở đầu thu và khuếch đại tín hiệu để tín hiệu có thể được giải thích một cách hoàn hảo.放大Mọi người đều hiểu tín hiệu, vậy tín hiệu phát hiện là gì?

Cái gọi là phát hiện tín hiệu thực chất là sàng lọc tín hiệu. Tín hiệu mà ăng-ten thu được rất lộn xộn và có đủ loại tín hiệu. Những tín hiệu chúng ta thực sự cần (tín hiệu có tần số xác định) cần được "lọc" ra khỏi những tín hiệu lộn xộn này và đó chính là khả năng phát hiện.

Để đạt được khả năng phát hiện, độ dẫn đơn hướng (độ dẫn đơn hướng) là chìa khóa. Sóng từ không dây là những dao động có tần số cao, lên tới hàng trăm nghìn lần mỗi giây. Dòng điện cảm ứng do sóng điện từ không dây tạo ra cũng thay đổi theo các "dương, âm, dương, âm", nếu chúng ta sử dụng dòng điện này để điều khiển tai nghe thì một dương và một âm bằng 0, tai nghe sẽ không thể điều khiển chính xác xác định tín hiệu.

Với độ dẫn điện một chiều, nửa chu kỳ âm của sóng hình sin không còn nữa, tất cả đều là dương và hướng của dòng điện là như nhau. Bằng cách lọc các tần số cao, tai nghe có thể dễ dàng cảm nhận được những thay đổi của dòng điện.

 

去掉负半周,电流方向变成一致的,容易解读

Để phát hiện tín hiệu, Fleming đã nghĩ đến "hiệu ứng Edison" - liệu một loại máy dò mới có thể được thiết kế dựa trên dòng electron từ hiệu ứng Edison hay không? Bằng cách này, vào năm 1904, diode điện tử chân không đầu tiên trên thế giới đã ra đời dưới bàn tay của Fleming. Vào thời điểm đó, diode này còn được gọi là "van Fleming". (Ống chân không, còn được gọi là ống điện tử, đôi khi được gọi là "ống mật."))

弗莱明发明的2极管

Điốt Fleming, thực chất có cấu tạo rất đơn giản, tức là trong một bóng đèn thủy tinh chân không, có hai cực được nhét vào: một cực âm (cathode), có thể phát ra electron (tia âm cực) khi đun nóng; Cực dương nhận electron.

 

旁热式2极管

Lý do chân không trong ống thủy tinh là để ngăn cản quá trình ion hóa chất khí, điều này sẽ ảnh hưởng đến dòng điện tử bình thường và phá hủy đường cong đặc tính. (Bơm vào chân không cũng có thể làm giảm hiệu quả sự mất mát do oxy hóa của dây tóc.) )

bóng bán dẫn

Sự ra đời của điốt, giải quyết được nhu cầu phát hiện và chỉnh lưu, là một bước đột phá lớn vào thời điểm đó. Tuy nhiên, nó có chỗ để cải thiện.

 

德福雷斯特

Năm 1906, nhà khoa học người Mỹ De Forest Lee (De Forest Lee) đã phát minh ra ống điện tử triode chân không bằng cách khéo léo thêm một tấm lưới (“cổng”) vào ống điện tử diode chân không.

德·福雷斯特发明的3极管

Khi thêm cổng, khi điện áp của cổng dương, nó sẽ thu hút nhiều electron hơn từ cực âm. Hầu hết các electron đi qua cổng và đến cực dương, điều này sẽ làm tăng đáng kể dòng điện trên cực dương. Nếu điện áp ở cổng âm thì các electron ở cực âm không có năng lượng để đi đến cổng chứ đừng nói đến cực dương.

Một sự thay đổi nhỏ của dòng điện ở cổng có thể gây ra một sự thay đổi lớn về dòng điện ở cực dương. Hơn nữa, dạng sóng thay đổi hoàn toàn giống với dòng điện cổng. Vì vậy Transistor có tác dụng khuếch đại tín hiệu.

 

Lúc đầu, triode là một lưới đơn, sau đó nó trở thành một lưới đôi với hai tấm bảng kẹp vào nhau, và sau đó nó đơn giản trở thành một lưới hoàn chỉnh kèm theo.

 

围栅

Sự ra đời của triode chân không là một sự kiện quan trọng trong lĩnh vực công nghiệp điện tử.

Thành phần nhỏ này thực sự nhận ra việc sử dụng điện để điều khiển điện (trước đây, nó được điều khiển bằng các công tắc cơ học, gặp vấn đề về tần số thấp, tuổi thọ ngắn và dễ hư hỏng) và sử dụng "dòng điện nhỏ" để điều khiển "dòng điện lớn". ".

Thành phần nhỏ này thực sự nhận ra việc sử dụng điện để điều khiển điện (trước đây, nó được điều khiển bằng các công tắc cơ học, gặp vấn đề về tần số thấp, tuổi thọ ngắn và dễ hư hỏng) và sử dụng "dòng điện nhỏ" để điều khiển "dòng điện lớn". ".

Dựa vào đó, chúng ta có các đài phát thanh, đài, máy quay đĩa, phim ảnh, đài, radar, máy liên lạc vô tuyến, v.v., ngày càng trở nên mạnh mẽ hơn. Sự phổ biến rộng rãi của những sản phẩm này đã thay đổi cuộc sống hàng ngày của người dân và thúc đẩy tiến bộ xã hội.

真空管

Năm 1919, Schottky của Đức đề xuất ý tưởng bổ sung thêm một cổng rèm giữa cổng và cực dương. Ý tưởng này được Lande thực hiện ở Anh vào năm 1926. Điều này trở thành tứ giác. Sau đó, Holst và Telegen của Hà Lan đã phát minh ra pentode.

Vào những năm 40 của thế kỷ 20, việc nghiên cứu công nghệ máy tính bước vào đỉnh cao. Người ta đã phát hiện ra rằng độ dẫn điện một chiều của ống điện tử có thể được sử dụng để thiết kế một số mạch logic (ví dụ: mạch cổng hoặc mạch cổng).

Vì vậy, họ bắt đầu đưa ống điện tử vào lĩnh vực máy tính. Vào thời điểm đó, hầu hết tất cả các máy tính điện tử, kể cả ENIAC (sử dụng hơn 18,{1}} bóng đèn), đều dựa trên bóng đèn.

 

埃尼阿克

Ở đây chúng ta nói ngắn gọn về mạch cổng. Khi chúng ta tìm hiểu những điều cơ bản về điện toán, chúng ta phải học các phép toán logic cơ bản, chẳng hạn như và, hoặc, không, XOR, tương tự hoặc, KHÔNG, hoặc không, v.v.

Máy tính chỉ nhận dạng 0 và số 1. Nó thực hiện các phép tính dựa trên các quy tắc hoạt động logic này. Ví dụ: 2+1 là 0010+0001 ở dạng nhị phân và thực hiện "thao tác XOR" bằng 0011, tức là 3.

Mạch thực hiện các chức năng cổng logic trên là mạch cổng logic. Mặt khác, một ống điện tử dẫn điện đơn (ống chân không) có thể được lắp ráp thành nhiều mạch cổng logic khác nhau. Ví dụ: "Cổng HOẶC" và "Cổng AND" bên dưới.

A, B là đầu vào và F là đầu ra

█ bóng bán dẫn

Cùng với sự phát triển và ứng dụng nhanh chóng của ống điện tử, người ta dần dần nhận thấy sản phẩm này có một số nhược điểm:

Một mặt, ống dễ gãy và có tỷ lệ hỏng hóc cao; Mặt khác, ống cần được làm nóng, lãng phí rất nhiều năng lượng vào quá trình sinh nhiệt, điều này cũng mang lại mức tiêu thụ điện năng cực cao.

Vì vậy, mọi người bắt đầu suy nghĩ xem liệu có cách nào tốt hơn để phát hiện, khắc phục và khuếch đại tín hiệu hay không. Tất nhiên, có nhiều cách. Lúc này, một loại vật liệu tuyệt vời sắp xuất hiện, đó là chất bán dẫn.

 

Mầm của chất bán dẫn

Chúng ta hãy quay ngược thời gian về thế kỷ 18. Năm 1782, nhà vật lý nổi tiếng người Ý Alessandro Volta (Alessandro Volta) phát hiện ra rằng vật chất rắn có thể được chia đại khái thành ba loại:

Thứ nhất, các kim loại như vàng, bạc, đồng, sắt, v.v., có tính dẫn điện cực cao và được gọi là chất dẫn điện;

Thứ hai, các vật liệu như gỗ, thủy tinh, gốm sứ, mica,… không dễ dẫn điện được gọi là chất cách điện;

Thứ ba, giữa dây dẫn và chất cách điện, phóng điện chậm.

Tính chất kỳ lạ của chất liệu thứ ba được Volt đặt tên là “Bản chất bán dẫn”, có nghĩa là “tính chất bán dẫn”. Đây là lần đầu tiên trong lịch sử loài người xuất hiện thuật ngữ “chất bán dẫn”.

 

亚历山德罗·伏特

Sau này, một số nhà khoa học dù cố ý hay vô ý đã phát hiện ra một số tính chất bán dẫn. Ví dụ, vào năm 1833, Michael Faraday phát hiện ra rằng khi nhiệt độ của bạc sunfua tăng thì điện trở giảm (tính chất nhạy cảm với nhiệt của chất bán dẫn).

Năm 1839, nhà khoa học người Pháp Alexandre Edmond Becquerel phát hiện ra rằng ánh sáng có thể gây ra hiệu điện thế giữa hai đầu của một số vật liệu nhất định (hiệu ứng quang điện của chất bán dẫn).

Năm 1873, Willoughby Smith phát hiện ra rằng độ dẫn điện của vật liệu selen tăng lên khi tiếp xúc với ánh sáng (hiệu ứng quang dẫn của chất bán dẫn).

Những hiện tượng này, vào thời điểm đó không ai có thể giải thích được và chúng cũng không thu hút được nhiều sự chú ý.

Năm 1874, nhà khoa học người Đức Karl Ferdinand Braun đã phát hiện ra tính chất dẫn điện một chiều của dòng điện trong quặng tự nhiên (sulfua kim loại). Đây là một cột mốc quan trọng.

 

卡尔·布劳恩

Năm 1906, kỹ sư người Mỹ Greenleaf Whittier Pickard, dựa trên tinh thể quặng chalmer, đã phát minh ra máy dò tinh thể nổi tiếng, còn được gọi là "máy dò râu mèo" (máy địa âm có một đầu dò trên đó, giống như râu mèo nên có tên là ).

 

矿石检波器

Máy địa âm quặng là thiết bị bán dẫn sớm nhất của nhân loại. Sự xuất hiện của nó là một "thử nghiệm nhỏ" đối với vật liệu bán dẫn. Mặc dù còn một số khuyết điểm (kiểm soát chất lượng kém, hoạt động không ổn định do quặng không có độ tinh khiết cao) nhưng nó đã tạo động lực mạnh mẽ cho sự phát triển của công nghệ điện tử. Vào thời điểm đó, máy thu vô tuyến dựa trên máy địa lý quặng đã thúc đẩy việc phổ biến phát thanh truyền hình và điện báo không dây.

 

Sự ra đời của lý thuyết ban nhạc

Mọi người sử dụng máy địa lý quặng, nhưng họ không bao giờ hiểu cách chúng hoạt động. Trong hơn 30 năm kể từ đó, các nhà khoa học đã nhiều lần đặt câu hỏi tại sao lại có vật liệu bán dẫn. Tại sao vật liệu bán dẫn có thể được sử dụng để dẫn điện một chiều?

Trong những ngày đầu, nhiều người thậm chí còn nghi ngờ liệu vật liệu bán dẫn có thực sự tồn tại hay không. Nhà vật lý nổi tiếng Pauli từng nói: "Mọi người không nên nghiên cứu chất bán dẫn, đó là một mớ hỗn độn bẩn thỉu và ai biết liệu có chất bán dẫn hay không". "

Sau này, với sự ra đời và phát triển của cơ học lượng tử, cuối cùng đã có bước đột phá trong nghiên cứu lý thuyết về chất bán dẫn.

Năm 1928, Max Karl Ernst Ludwig Planck, nhà vật lý người Đức và là một trong những người sáng lập cơ học lượng tử, lần đầu tiên đề xuất lý thuyết về các dải năng lượng rắn trong ứng dụng cơ học lượng tử để nghiên cứu sự dẫn điện của kim loại.

 

量子理论之父,普朗克

Ông tin rằng dưới tác dụng của điện trường bên ngoài, độ dẫn điện của chất bán dẫn được chia thành độ dẫn có sự tham gia của các "lỗ trống" (tức là độ dẫn loại P) và độ dẫn có sự tham gia của electron (tức là độ dẫn loại N). Nhiều tính chất kỳ lạ của chất bán dẫn được xác định bởi cả “lỗ trống” và electron. Sau đó, lý thuyết dải được hoàn thiện hơn nữa để giải thích một cách có hệ thống những khác biệt cơ bản giữa chất dẫn điện, chất cách điện và chất bán dẫn. Chúng ta hãy xem xét ngắn gọn về lý thuyết ban nhạc. Như bạn đã học trong vật lý cấp hai, các vật thể được tạo thành từ các phân tử, nguyên tử và lớp vỏ ngoài của nguyên tử là electron. Khi các nguyên tử của một vật rắn ở gần nhau thì các electron sẽ trộn lẫn vào nhau. Cơ học lượng tử tin rằng các electron không thể ở trên một quỹ đạo và "va chạm". Kết quả là quỹ đạo bị chia thành nhiều rãnh nhỏ. Trong cơ học lượng tử, quỹ đạo tinh tế này được gọi là mức năng lượng. Quỹ đạo rộng được hình thành bởi nhiều vệt mỏng ép vào nhau được gọi là dải năng lượng. Trong hai dải, dải dưới là dải hóa trị, dải trên là dải dẫn và dải giữa là dải cấm. Giữa vùng hóa trị và vùng dẫn là vùng cấm. Khoảng cách của dải cấm, đó là khoảng cách dải (khoảng cách dải năng lượng).

Các electron chuyển động theo quỹ đạo rộng và có tính dẫn điện vĩ mô. Có quá nhiều electron, chúng đông đúc, không thể di chuyển và về mặt vĩ mô, chúng không dẫn điện. Một số quỹ đạo đầy đủ và quỹ đạo trống rất gần nhau và các electron có thể dễ dàng chạy từ quỹ đạo đầy đủ đến quỹ đạo trống và chuyển động tự do, điều này được gọi là chất dẫn điện. Hai quỹ đạo cách nhau quá xa, khe hở quá lớn, các electron không thể chạy qua và không có cách nào để dẫn điện. Tuy nhiên, nếu bổ sung thêm năng lượng từ thế giới bên ngoài, bạn có thể thay đổi trạng thái này.

Nếu vùng cấm nằm trong khoảng 5 electron volt (5 EV), một năng lượng bổ sung sẽ được thêm vào electron và electron có thể hoàn thành bước nhảy và chuyển động tự do, tức là dẫn điện. Điều này thuộc về chất bán dẫn. (Khoảng vùng cấm là khoảng 1,12 eV đối với silicon và 0,67 eV đối với germanium.) Nếu khoảng cách vùng cấm vượt quá 5 electron volt (5EV), thì các electron thường không thể đi qua nó và nó là một chất cách điện. (Nếu thế giới bên ngoài tiếp thêm nhiều năng lượng thì cũng có thể cưỡng bức giúp nó vượt qua quá khứ.) Ví dụ như không khí, không khí là chất cách điện, nhưng điện cao thế cũng có thể xuyên qua không khí và tạo thành dòng điện. Điều đáng nói, “chất bán dẫn vùng cấm rộng” mà chúng ta thường nghe nói đến hiện nay là vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba, bao gồm silicon cacbua (SiC), gali nitrit (GaN), oxit kẽm (ZnO), kim cương, nhôm nitrit (AlN). ), vân vân.

Their advantages are large bandgap width (>2.2EV), điện trường phân hủy cao, độ dẫn nhiệt cao, khả năng chống bức xạ mạnh, hiệu suất phát sáng cao, tần số cao, có thể sử dụng cho nhiệt độ cao, tần số cao, khả năng chống bức xạ và các thiết bị công suất cao, là hướng đi của ngành công nghiệp sự phát triển mạnh mẽ hiện nay. Trước đó chúng ta đã đề cập đến electron và lỗ trống. Có hai loại chất mang trong chất bán dẫn: electron tự do và lỗ trống. Các electron tự do quen thuộc với mọi người, lỗ trống là gì?

Lỗ trống còn được gọi là lỗ electron. Ở nhiệt độ phòng, do chuyển động nhiệt, một số lượng nhỏ electron mang năng lượng ở đầu vùng hóa trị có thể vượt qua vùng hóa trị và di chuyển lên vùng dẫn và trở thành "electron tự do". Sau khi các electron chạy sẽ để lại một "lỗ trống". Những electron còn lại không được thăng cấp có thể đi vào "lỗ trống" này và tạo ra dòng điện. Cần lưu ý rằng bản thân lỗ trống là bất động, nhưng quá trình “lấp lỗ” tạo ra hiệu ứng dòng điện dương nên còn được coi là vật mang điện.

Năm 1931, Charles Thomson Wilson đề xuất một mô hình vật lý của chất bán dẫn dựa trên lý thuyết vùng. Năm 1939, nhà vật lý Liên Xô AS Davydov (AS Давыдов), nhà vật lý người Anh Nevill Francis Mott (Nevill Francis Mott) và nhà vật lý người Đức Walter Hermann Schottky (Walter Hermann Schottky) đã đóng góp vào lý thuyết cơ bản về chất bán dẫn. Davydov là người đầu tiên nhận ra vai trò của một số chất mang trong chất bán dẫn, trong khi Schottky và Mott đã phát triển "lý thuyết khuếch tán" nổi tiếng. Dựa trên sự đóng góp của những ông lớn này, nền tảng của lý thuyết cơ bản về chất bán dẫn đã dần được đặt ra.

 

Sự ra đời của bóng bán dẫn

Sau sự ra đời của geophone quặng, các nhà khoa học nhận thấy rằng hiệu suất của geophone có mối quan hệ rất lớn với độ tinh khiết của quặng. Độ tinh khiết của quặng càng cao thì geophone sẽ hoạt động càng tốt. Do đó, nhiều nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu tinh chế vật liệu quặng (như chì sunfua, đồng sunfua, oxit đồng, v.v.) và quá trình tinh chế liên tục được cải tiến.

Vào những năm 30 của thế kỷ 20, Russell Shoemaker Ohl, nhà khoa học tại Bell Labs, đã đề xuất rằng một chiếc geophone làm từ vật liệu tinh thể tinh khiết sẽ thay thế hoàn toàn một diode điện tử. (Bạn biết đấy, vào thời điểm đó, ống này đang thống trị thị trường tuyệt đối.) )

 

罗素·奥尔,他还是现代太阳能电池之父

Sau khi thử nghiệm lần lượt hơn 100 vật liệu, ông quyết định rằng tinh thể silicon là vật liệu lý tưởng nhất cho máy địa kỹ thuật. Để kiểm tra kết luận của mình, ông đã tinh chế một phản ứng tổng hợp tinh thể silicon có độ tinh khiết cao với sự giúp đỡ của đồng nghiệp Jack Scaff. Vì Bell Labs không có khả năng cắt tinh thể silicon nên Orr đã gửi hỗn hợp này đến một cửa hàng trang sức để cắt nó thành các mẫu pha lê có kích cỡ khác nhau. Thật bất ngờ, một trong các mẫu, sau khi được chiếu sáng, hoạt động như một điện cực dương ở một đầu và một điện cực âm ở đầu kia, được Orr đặt tên lần lượt là vùng P và N. Bằng cách này, Orr đã phát minh ra điểm nối PN bán dẫn đầu tiên trên thế giới (điểm nối P–N). Trong Thế chiến thứ hai, Western Electric, một công ty con của AT&T, đã sản xuất một loạt điốt tinh thể silicon dựa trên tinh thể bán dẫn tinh khiết. Kích thước nhỏ và tỷ lệ hỏng hóc thấp của các điốt này đã cải thiện đáng kể hiệu suất và độ tin cậy của các hệ thống radar của Đồng minh. Việc Orr phát minh ra điểm nối PN và hiệu suất tuyệt vời của điốt tinh thể silicon đã củng cố quyết tâm phát triển công nghệ bóng bán dẫn của Bell Labs. Năm 1945, William Shockley của Bell Labs, sau khi liên lạc với Russell Orr, đã vẽ sơ đồ vùng cấm của chất bán dẫn loại P và loại N dựa trên lý thuyết vùng tần, và trên cơ sở đó đã đề xuất "giả thuyết hiệu ứng trường"

.

肖克利的场效应设想

Sau khi thử nghiệm lần lượt hơn 100 vật liệu, ông quyết định rằng tinh thể silicon là vật liệu lý tưởng nhất cho máy địa kỹ thuật. Để kiểm tra kết luận của mình, ông đã tinh chế một phản ứng tổng hợp tinh thể silicon có độ tinh khiết cao với sự giúp đỡ của đồng nghiệp Jack Scaff. Vì Bell Labs không có khả năng cắt tinh thể silicon nên Orr đã gửi hỗn hợp này đến một cửa hàng trang sức để cắt nó thành các mẫu pha lê có kích cỡ khác nhau. Ông đưa ra giả thuyết rằng điện tích bên trong của tấm wafer silicon có thể di chuyển tự do và nếu tấm wafer đủ mỏng, dưới tác động của điện áp đặt vào, các electron hoặc lỗ trống trên tấm wafer silicon sẽ xuất hiện trên bề mặt, làm tăng đáng kể độ dẫn điện của tấm wafer silicon. , do đó đạt được hiệu quả khuếch đại hiện tại. Dựa trên tầm nhìn này, vào ngày 23 tháng 12 năm 1947, John Bardeen và Walter Bratton của Bell Labs đã chế tạo bộ khuếch đại triode bán dẫn đầu tiên trên thế giới. Đó là, thứ trông rất kỳ lạ và tồi tàn sau đây:

世界上第一个晶体管(基于锗半导体)

晶体管的电路模型

Theo hồ sơ thử nghiệm, bóng bán dẫn này có thể đạt được "tăng điện áp 100, tăng công suất 40 và tổn thất dòng điện 1/2,5......", rất tốt.

Khi đặt tên cho nó, Bardeen và Bratton lập luận rằng khả năng khuếch đại tín hiệu của thiết bị là do đặc tính chuyển đổi điện trở của nó, tức là tín hiệu chuyển từ "đầu vào có điện trở thấp" sang "đầu ra có điện trở cao". Vì vậy, họ đặt tên cho nó là điện trở chuyển tiếp. Sau này nó được viết tắt là Transistor.

Nhiều năm sau, Qian Xuesen, một nhà khoa học nổi tiếng ở Trung Quốc, đặt tên dịch sang tiếng Trung của mình là: bóng bán dẫn.

Tôi tóm tắt rằng tính chất bán dẫn là khả năng dẫn điện đặc biệt (tùy thuộc vào các yếu tố bên ngoài). Vật liệu có tính chất bán dẫn được gọi là vật liệu bán dẫn. Silicon và germanium là những vật liệu bán dẫn điển hình.

Dưới kính hiển vi, các chất được sắp xếp gọn gàng theo những quy luật nhất định được gọi là tinh thể. Tinh thể silicon có dạng tinh thể đơn tinh thể, đa tinh thể, vô định hình và các dạng khác.

Hình thái tinh thể xác định cấu trúc dải và cấu trúc dải xác định tính chất điện. Vì vậy, tinh thể silicon (gecmani), làm vật liệu bán dẫn, có giá trị ứng dụng lớn như vậy. Điốt, triode và bốn cực được đặt tên theo chức năng của chúng. Các ống điện tử (ống chân không) và các bóng bán dẫn (transistor silicon, bóng bán dẫn germanium) được đặt tên theo nguyên tắc. Bóng bán dẫn do Bardeen và Bratton phát minh thực ra nên được gọi là bóng bán dẫn tiếp điểm điểm. Như bạn có thể thấy từ hình ảnh bên dưới, thiết kế này còn quá thô sơ. Mặc dù đạt được chức năng khuếch đại nhưng nó có cấu trúc mỏng manh, nhạy cảm với các rung động bên ngoài và không dễ chế tạo nên không có khả năng sử dụng thương mại.

 

Shockley đã nhìn ra khuyết điểm này và bắt đầu rút lui để nghiên cứu thiết kế bóng bán dẫn mới.

Ngày 23/1/1948, sau hơn một tháng làm việc miệt mài, Shockley đã đề xuất một mẫu bóng bán dẫn mới có cấu trúc ba lớp và đặt tên là Junction Transistor.

肖克利的结式晶体管设计

Chính Morgan Sparks và Gordon Kidd Teal đã giúp Shockley tạo ra sản phẩm cuối cùng. Cần phải đề cập đặc biệt đến Gordon Thiel này. Ông phát hiện ra rằng việc thay thế poly bằng chất bán dẫn đơn tinh thể có thể mang lại hiệu suất tăng đáng kể. Hơn nữa, chính ông là người đã phát hiện ra rằng phương pháp Kéo thẳng có thể được sử dụng để tinh chế các tinh thể kim loại đơn lẻ. Phương pháp này đã được sử dụng kể từ đó và là phương pháp chế tạo tinh thể đơn chiếm ưu thế nhất trong ngành bán dẫn. Sự ra đời của bóng bán dẫn có ý nghĩa rất lớn đối với sự phát triển khoa học công nghệ của nhân loại. Nó có khả năng của ống điện tử, nhưng khắc phục được mọi khuyết điểm về thể tích lớn, tiêu thụ năng lượng cao, độ phóng đại nhỏ, tuổi thọ ngắn và giá thành cao của ống điện tử. Ngay từ khi nó ra đời, người ta đã quyết định rằng nó sẽ thay thế hoàn toàn ống.

 

正在生产晶体管的工人

Trong lĩnh vực truyền thông không dây, bóng bán dẫn, giống như ống điện tử, có thể phát ra, phát hiện và khuếch đại sóng điện từ. Trong lĩnh vực mạch kỹ thuật số, bóng bán dẫn cũng có thể thuận tiện hơn để thực hiện các mạch logic. Nó đã đặt nền tảng vững chắc cho sự cất cánh của ngành công nghiệp điện tử.

 

Sau này, gia đình bóng bán dẫn phát triển

█vi mạch

Sự ra đời của bóng bán dẫn đã giúp thu nhỏ các mạch điện.

Năm 1952, Geoffrey Dummer, một nhà khoa học nổi tiếng tại Viện Nghiên cứu Radar Hoàng gia ở Vương quốc Anh, đã lưu ý tại một hội nghị:

“Với sự ra đời của bóng bán dẫn và nghiên cứu toàn diện về chất bán dẫn, giờ đây có thể hình dung rằng thiết bị điện tử trong tương lai là một bộ phận rắn không có dây kết nối”.

Vào tháng 8 năm 1958, Kilby, một nhân viên mới tại Texas Instruments, đã phát hiện ra rằng các mạch điện nhỏ, được tạo thành từ nhiều thiết bị, có thể được chế tạo trên một tấm bán dẫn duy nhất. Nói cách khác, các thiết bị điện tử khác nhau (ví dụ như điện trở, tụ điện, điốt và bóng bán dẫn) có thể được chế tạo trên các tấm silicon và được kết nối bằng dây mỏng.

Ngay sau đó, vào ngày 12 tháng 9, Kilby đã thành công trong việc chế tạo một mạch chip germanium dài 7/16 inch và rộng 1/16 inch dựa trên ý tưởng của chính ông, đây cũng là mạch tích hợp đầu tiên trên thế giới.

 

Mạch này là một bộ dao động bán dẫn đơn có phản hồi RC và toàn bộ được dán vào tấm kính, trông rất thô sơ. Các thiết bị của mạch được kết nối bằng các dây mỏng rải rác. Cùng lúc Kilby phát minh ra mạch tích hợp, một người khác cũng tạo ra bước đột phá trong lĩnh vực này. Người đó chính là Robert Norton Noyce của Fairchild Semiconductor (người sau này thành lập Intel). Fairchild là công ty được đồng sáng lập bởi "Tám kẻ phản bội" của Thung lũng Silicon (xem: Truyền thuyết về Fairchild), công ty có thế mạnh về công nghệ bán dẫn. Jean Hoerni, một trong “Tám kẻ phản bội”, đã phát minh ra Quy trình lập kế hoạch rất quan trọng. Trong quá trình này, một lớp oxit silic được thêm vào tấm bán dẫn silicon làm lớp cách điện. Sau đó, một lỗ được tạo ra trên lớp oxit silicon cách điện này và các thiết bị được chế tạo bằng công nghệ khuếch tán silicon được kết nối bằng một màng nhôm. Sự ra đời của quy trình phẳng đã cho phép Fairchild chế tạo các bóng bán dẫn tinh thể silicon hiệu suất cao với kích thước cực nhỏ, đồng thời còn có thể kết nối các thiết bị trong mạch tích hợp. Vào ngày 23 tháng 1 năm 1959, Noyce đã viết trong ghi chú công việc của mình: “Bằng cách chế tạo nhiều thiết bị khác nhau trên cùng một tấm bán dẫn silicon và kết nối chúng lại với nhau bằng quy trình phẳng, có thể tạo ra các mạch điện tử đa chức năng. Công nghệ này có thể giảm kích thước và trọng lượng của mạch và giảm chi phí."

 

诺伊斯

Sau khi biết Kilby đã nộp bằng sáng chế cho mạch tích hợp, Noyce đã rất hối hận vì tin rằng mình đã muộn một bước. Tuy nhiên, anh sớm phát hiện ra rằng phát minh của Kilby có sai sót. Các mạch tích hợp của Kilby được kết nối bằng dây bay, loại dây này không thể sản xuất hàng loạt và thiếu giá trị thực tế. Tầm nhìn của Neuss là tạo ra một tấm âm bản chứa tất cả các mạch điện và các bộ phận của một thiết bị điện tử, sau đó khắc nó lên một tấm wafer silicon. Sau khi tấm wafer silicon này được khắc, nó sẽ là toàn bộ mạch điện và có thể được sử dụng trực tiếp để lắp ráp sản phẩm. Ngoài ra, sự lắng đọng bay hơi của kim loại có thể thay thế dây hàn nóng và loại bỏ hoàn toàn dây bay.

 

Mạch tích hợp tinh thể silicon của Fairchild

Ngày 30/7/1959, Neuss nộp đơn xin cấp bằng sáng chế dựa trên ý tưởng của chính mình: “Thiết bị bán dẫn - cấu trúc dây”. Nói đúng ra, phát minh của Neuss gần với mạch tích hợp hơn theo nghĩa hiện đại. Thiết kế của Neuss dựa trên quy trình phẳng dựa trên silicon, trong khi thiết kế của Kilbi dựa trên quy trình khuếch tán dựa trên germanium. Dựa vào những ưu điểm của quy trình silicon của Fairchild, Neuss đã tạo ra những mạch điện thực sự tiên tiến hơn Kirby. Năm 1966, tòa án cuối cùng đã cấp cho Kilby phát minh ra ý tưởng về mạch tích hợp (mạch tích hợp lai) và phát minh ra mạch tích hợp được đóng gói trong một con chip được sử dụng ngày nay (mạch tích hợp theo đúng nghĩa của từ này), cũng như việc phát minh ra quy trình sản xuất. Kilby được mệnh danh là "người phát minh ra mạch tích hợp đầu tiên", trong khi Noyce là người "đưa ra lý thuyết về mạch tích hợp phù hợp cho sản xuất công nghiệp". Vào tháng 3 năm 1960, Texas Instruments báo cáo rằng Jack. Thiết kế của Kilby chính thức ra mắt sản phẩm mạch tích hợp được thương mại hóa đầu tiên trên thế giới, flip-flop nhị phân đa cộng hưởng silicon 502 có thể đóng được, được bán với giá 450 USD. Chương trình đổ bộ lên mặt trăng Apollo nổi tiếng đã mua hàng triệu mạch tích hợp, giúp Texas Instruments và Fairchild kiếm được rất nhiều tiền. Sự thành công của thị trường hàng không đã kéo theo sự mở rộng của thị trường dân sự. Năm 1964, Zenith sử dụng mạch tích hợp trong máy trợ thính, đây là lần đầu tiên mạch tích hợp được đưa vào lĩnh vực dân sự. Mọi người hẳn đã quen với câu chuyện sau đó. Với nỗ lực chung của vật liệu, quy trình và quy trình, số lượng bóng bán dẫn trong mạch tích hợp tiếp tục tăng, hiệu suất tiếp tục được cải thiện và chi phí giảm dần, và chúng ta đã bước vào kỷ nguyên của Định luật Moore.

Định luật Moore: Số lượng bóng bán dẫn có thể lắp vào một mạch tích hợp sẽ tăng gấp đôi sau mỗi 18 tháng và hiệu suất cũng tăng gấp đôi. Sự phát triển của các mạch tích hợp quy mô lớn và quy mô cực lớn dựa trên các mạch tích hợp đã mở đường cho sự xuất hiện của bộ lưu trữ bán dẫn và bộ vi xử lý. Năm 1970, Intel giới thiệu mạch tích hợp DRAM (Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động) đầu tiên trên thế giới, 1103. Năm sau, họ tung ra Intel 4004, chip lập trình đầu tiên trên thế giới bao gồm bộ tổ hợp và bộ điều khiển. Thời đại hoàng kim của công nghệ CNTT đã chính thức bắt đầu.

█ Sự phát triển của bóng bán dẫn

Hãy quay lại và nói về bóng bán dẫn một lần nữa. Kể từ khi bóng bán dẫn ra đời, đã có nhiều thay đổi lớn về hình thức của chúng. Tóm lại, nó chủ yếu là từ lưỡng cực đến đơn cực. Trong trường hợp loại đơn cực, từ FET đến MOSFET. Từ quan điểm cấu trúc, đó là từ PlanarFET đến FinFET đến GAAFET.

 

Lưỡng cực, đơn cực

Bóng bán dẫn tiếp giáp do Shockley phát minh vào năm 1948 được gọi là bóng bán dẫn tiếp giáp lưỡng cực (BJT) vì nó sử dụng hai hạt tải điện là lỗ trống và electron để tham gia vào quá trình dẫn điện.

Các bóng bán dẫn BJT có hai cấu hình: NPN và PNP:

Như chúng ta có thể thấy, một bóng bán dẫn BJT tạo ra hai điểm nối PN rất gần nhau trên đế bán dẫn. Hai điểm nối PN chia toàn bộ chất bán dẫn thành ba phần, phần giữa là đế, hai bên là bộ phát và bộ thu. Nguyên lý hoạt động của bóng bán dẫn BJT phức tạp hơn và ngày nay nó hiếm khi được sử dụng nên tôi sẽ không đi sâu vào vì lý do không gian. Về bản chất, chức năng chính của bóng bán dẫn này là làm cho cực thu tạo ra một dòng điện thay đổi lớn thông qua một sự thay đổi dòng điện nhỏ ở đế, có tác dụng khuếch đại. Tác giả đã đề cập đến mạch logic trước đó. Nó là sự kết hợp giữa một diode và một bóng bán dẫn BJT, và được gọi là mạch DTL (Diode-Transistor Logic). Sau này, các mạch TTL (Transistor-Transistor Logic) được chế tạo hoàn toàn bằng bóng bán dẫn. Ưu điểm của bóng bán dẫn BJT là tần số hoạt động cao và khả năng truyền động mạnh mẽ. Tuy nhiên, nó cũng có những nhược điểm như tiêu thụ điện năng cao và khả năng tích hợp thấp. Quy trình sản xuất của nó cũng phức tạp hơn và có một số hạn chế khi sử dụng công nghệ phẳng. Kết quả là, theo thời gian, một loại bóng bán dẫn mới bắt đầu xuất hiện, được gọi là Transitor hiệu ứng trường (FET). Năm 1953, Ian Ross và George Dacey của Bell Labs đã hợp tác để sản xuất nguyên mẫu đầu tiên trên thế giới của bóng bán dẫn hiệu ứng trường nối (JFET).

JFET(结型场效应晶体管),此为N沟道

JFET là một thiết bị bán dẫn có cấu trúc ba cực (ba cực), bao gồm nguồn, cống và cổng. JFET được chia thành JFET kênh N (kênh N) và JFET kênh P (Kênh P). Cái trước là một chất bán dẫn hình chữ N với hai chất bán dẫn loại P ở hai bên (như trong hình trên). Loại thứ hai là chất bán dẫn hình chữ P với hai chất bán dẫn loại N ở hai bên. Nguyên lý làm việc của JFET chỉ đơn giản là điều khiển tiếp điểm PN giữa cổng và kênh, và do đó điều khiển lớp suy giảm, bằng cách điều khiển điện áp giữa cổng G và nguồn S (trong hình là VGS) và điện áp giữa cống D và nguồn S. (VDS trong hình). Lớp cạn kiệt càng rộng, kênh càng hẹp và điện trở kênh càng lớn thì dòng thoát (ID trong sơ đồ) có thể đi qua càng nhỏ. Trạng thái trong đó kênh bị bao phủ hoàn toàn bởi lớp cạn kiệt được gọi là trạng thái chụm. Khi một bóng bán dẫn JFET hoạt động, nó chỉ cần một loại sóng mang nên được gọi là bóng bán dẫn đơn cực. Năm 1959, một loại bóng bán dẫn mới ra đời, đó là MOSFET (FET bán dẫn oxit kim loại) nổi tiếng. Nó được phát minh bởi Mohamed Atala (đổi tên thành Martin Atala), một nhà khoa học gốc Ai Cập và Dawon Kahng, một nhà khoa học gốc Hàn Quốc.

MOSFET cũng bao gồm nguồn, cống và cổng. Chữ "M" trong "MOS" có nghĩa là cổng ban đầu được thực hiện bằng kim loại. "O" có nghĩa là cổng và chất nền được cách ly bằng oxit. "S" có nghĩa là MOSFET được triển khai toàn bộ bằng chất bán dẫn.

Transistor MOSFET hay còn gọi là IGFET (In-sulated Gate FET, Transistor hiệu ứng trường cổng cách điện).

MOSFET(N)

Bóng bán dẫn MOSFET này cũng được chia thành hai loại: "loại N" và "loại P", tức là NMOS và PMOS. Theo loại hoạt động, nó cũng được chia thành tăng cường và cạn kiệt. Lấy MOS loại N (thường được sử dụng hơn) trong hình trên làm ví dụ. Vật liệu bán dẫn silicon loại P được sử dụng làm chất nền và hai vùng loại N được khuếch tán trên bề mặt, sau đó phủ một lớp cách nhiệt silicon dioxide (SiO2) lên trên. Cuối cùng, phía trên vùng N, hai lỗ được tạo ra do ăn mòn. Ba điện cực được chế tạo trên lớp cách điện và trong hai lỗ bằng phương pháp kim loại hóa: G (cổng), S (nguồn) và D (cống). Chất nền silicon loại P có một đầu cuối (B) được kết nối với nguồn S bằng dây dẫn. Nguyên lý hoạt động của MOSFET tương đối đơn giản: Thông thường, vùng suy giảm trung tính được hình thành giữa vùng N và chất nền P do sự tái hợp tự nhiên của các hạt mang điện.

Sau khi cung cấp điện áp chuyển tiếp cho cổng, các electron trong vùng P sẽ tích tụ dưới tác dụng của điện trường dưới lớp oxit silic của cổng, tạo thành một vùng có nhiều electron như nhiều subon, tức là một kênh.

Bây giờ, nếu đặt một điện áp giữa cực máng và nguồn, dòng điện sẽ chạy tự do giữa nguồn và cực máng, đạt được trạng thái dẫn điện.

Cổng G giống như một cổng điều khiển điện áp, nếu đặt một điện áp vào cổng G thì cổng sẽ mở ra và dòng điện dẫn từ nguồn S đến cực tiêu D. Khi mất điện áp trên cổng, cổng sẽ đóng lại và dòng điện không thể đi qua .

Đặc biệt, cần chỉ ra rằng vào năm 1967, Jiang Dayuan đã hợp tác với nhà khoa học Trung Quốc Shi Min để cùng phát minh ra cấu trúc "cổng nổi" FGMOS (Floating Gate MOSFET), đặt nền móng cho công nghệ lưu trữ bán dẫn. Sau này, tất cả bộ nhớ flash, FLASH, EEPROM, v.v. đều dựa trên công nghệ này.

BJT, JFET, MOSFET vừa được giới thiệu, mình sẽ vẽ sơ đồ trước, đừng làm rối tung suy nghĩ của bạn nhé:

Năm 1963, Frank Semiconductor của Fairchild Semiconductor. Frank Wanlass và Chih-Tang Sah (gốc Trung Quốc) lần đầu tiên đề xuất bóng bán dẫn CMOS. Họ kết hợp PMOS với các bóng bán dẫn NMOS và kết nối chúng thành các cấu trúc bổ sung mà hầu như không có dòng điện tĩnh. Đây cũng chính là nguồn gốc của chữ “C” (Bổ sung) của bóng bán dẫn CMOS.

Đặc điểm lớn nhất của CMOS là mức tiêu thụ điện năng thấp hơn nhiều so với các loại bóng bán dẫn khác. Với sự phát triển không ngừng của Định luật Moore, số lượng bóng bán dẫn trong mạch tích hợp ngày càng tăng kéo theo yêu cầu về điện năng tiêu thụ cũng tăng lên. Dựa trên đặc điểm tiêu thụ điện năng thấp, CMOS đã bắt đầu trở thành xu hướng chủ đạo.

Ngày nay, hơn 95% chip mạch tích hợp được sản xuất dựa trên quy trình CMOS.

Nói cách khác, kể từ những năm 1960, các nguyên tắc kiến ​​trúc cốt lõi của bóng bán dẫn phần lớn đã được hoàn thiện. Hệ sinh thái mạch tích hợp được đại diện bởi CMOS, silicon (dự trữ silicon tự nhiên vượt xa gecmani và khả năng chịu nhiệt của nó tốt hơn gecmani nên đã trở thành xu hướng chủ đạo) và công nghệ phẳng đã hỗ trợ sự phát triển nhanh chóng của toàn bộ ngành công nghiệp trong nhiều thập kỷ.

 

PlanarFET, FinFET, GAAFET

 

Mặc dù nguyên tắc kiến ​​trúc cốt lõi không thay đổi nhưng hình thức đã thay đổi.

Các mạch tích hợp liên tục được nâng cấp, các quy trình và quy trình không ngừng phát triển. Khi số lượng bóng bán dẫn đạt đến một quy mô nhất định, quá trình này sẽ buộc các bóng bán dẫn phải “biến dạng” để đáp ứng nhu cầu phát triển. Trong những ngày đầu, bóng bán dẫn chủ yếu là bóng bán dẫn phẳng (PlanarFET). Khi bóng bán dẫn trở nên nhỏ hơn, chiều dài của cổng ngày càng ngắn hơn và khoảng cách giữa nguồn và cống ngày càng gần nhau hơn. Khi quy trình (tức là chúng ta thường gọi là 7nm và 3nm, thường dùng để chỉ chiều rộng của cổng) nhỏ hơn 20nm, thì sẽ nảy sinh vấn đề: cổng của MOSFET khó đóng kênh hiện tại, các electron không ngừng hoạt động không thể đóng được bị chặn, hiện tượng rò rỉ xảy ra liên tục và mức tiêu thụ điện năng cũng tăng lên.

Để giải quyết vấn đề này, năm 1999, Giáo sư Hu Zhengming, một nhà khoa học người Mỹ gốc Hoa, đã chính thức phát minh ra FinFET. So với thiết kế đồ họa của PlanarFET, FinFET đã trực tiếp trở thành thiết kế 3D và cấu trúc ba chiều. Kênh hiện tại của nó trở thành một lát dọc mỏng giống như vây cá, được kẹp bằng một tấm chắn ở ba phía. Bằng cách này, sẽ có một điện trường tương đối mạnh, giúp cải thiện hiệu quả của kênh điều khiển và có thể kiểm soát tốt hơn liệu các electron có thể đi qua hay không. Công nghệ tiếp tục phát triển và khi nó đạt tới 5nm, FinFET cũng sẽ không hoạt động. Vào thời điểm này đã có GAAFET (Transitor công nghệ cổng bao quanh). Tên đầy đủ của GAAFET trong tiếng Anh là Gate-All-Around FET. So với FinFET, GAAFET biến cổng và thoát nước từ các vây thành những "cây gậy nhỏ" đi thẳng qua cổng. Bằng cách này, từ ba đến bốn tiếp điểm, đồng thời chia thành nhiều tiếp điểm bốn, việc kiểm soát cổng dòng điện được cải thiện hơn nữa. Samsung của Hàn Quốc cũng đã thiết kế một dạng GAA khác là MBCFET (FET đa kênh). MBCFET thay thế dây nano trong GAA bằng các tấm nano nhiều lớp và chiều rộng lớn hơn của cấu trúc tấm làm tăng bề mặt tiếp xúc, đồng thời giữ lại tất cả các ưu điểm ban đầu đồng thời giảm thiểu độ phức tạp.

 

Hiện nay, các hãng chip lớn trong ngành vẫn đang nghiên cứu chuyên sâu về nâng cấp hình thức của bóng bán dẫn, nhằm tìm ra những cải tiến tốt hơn nhằm hỗ trợ cho sự phát triển của công nghệ chip trong tương lai.

█ Ephi công

Nhìn chung, dù là ống điện tử (ống chân không) hay bóng bán dẫn thì nó cũng là một linh kiện nhỏ sử dụng điện năng để điều khiển dòng điện. Bóng bán dẫn dựa trên vật liệu bán dẫn, vì vậy chúng có thể được chế tạo đủ nhỏ. Đây là lý do tại sao chip (mạch tích hợp) có thể đạt được “kích thước cực nhỏ, khả năng lớn”. Các tính chất của vật liệu bán dẫn cũng như vai trò của bóng bán dẫn tưởng chừng rất đơn giản. Chính hàng trăm triệu “tiện ích” đơn giản như vậy đã hỗ trợ sự phát triển công nghệ số của con người và thúc đẩy chúng ta tiến tới kỷ nguyên trí tuệ số.