1. Dispositivos semicondutores

1.1 O que é um semicondutor

1.1.1. Visão geral dos conceitos relacionados

1.1.1.1. O que é uma substância

A matéria é composta de partículas, e diferentes substâncias são compostas de diferentes partículas.Moléculas , átomos e íons são três tipos de partículas que compõem a matéria .

O que é uma molécula?

Uma molécula é uma partícula que retém as propriedades químicas de uma substância . Pode existir independentemente. Moléculas são compostas de átomos. Moléculas podem ser divididas em átomos em reações químicas, e átomos podem ser recombinados em novas moléculas.

As moléculas têm um determinado tamanho e massa, o mesmo tipo de moléculas têm as mesmas propriedades e diferentes tipos de moléculas têm propriedades diferentes.

Algumas substâncias simples não metálicas (como: O2, H2, P, etc.), compostos gasosos (H2S, SO2, etc.) e compostos orgânicos (alcanos, alcenos, alcinos, aromáticos) são compostos de moléculas.

O que é um átomo?

Os átomos são as menores partículas envolvidas na transformação química . Os átomos são as partículas básicas que formam moléculas e íons. Os átomos podem primeiro formar moléculas e depois substâncias, e os átomos também podem formar substâncias diretamente (como diamante, grafite e gases raros, etc.). Os átomos em uma substância composta diretamente por átomos retêm as propriedades químicas da substância original.

Os átomos também têm tamanho e massa (a massa aqui é a massa atômica relativa, de acordo com os regulamentos internacionais, 1/12 de uma massa atômica C-12 é usada como padrão) e também estão em constante movimento.

O que são íons?

Os íons são átomos carregados ou grupos de átomos . (Grupos atômicos referem-se a grupos atômicos compostos por vários átomos, que geralmente não são fáceis de separar quando participam de reações químicas.) Os átomos não são eletricamente sensíveis e geralmente não possuem uma estrutura estável. Os carregados positivamente são chamados de cátions, e os carregados negativamente são chamados de ânions.

Substâncias compostas de íons incluem a maioria dos sais, bases fortes e óxidos metálicos de baixo custo. Substâncias feitas de íons só podem formar compostos (por exemplo, cloreto de sódio).

elétrons extranucleares

O arranjo de elétrons fora do núcleo, cada camada pode organizar no máximo um elétron, e a camada mais externa não pode exceder 8 elétrons. Por exemplo, nosso silício, número atômico 14, está localizado na posição de transição entre metais e não metais na tabela periódica dos elementos. Sua distribuição de elétrons fora do núcleo [2, 8, 4], os 4 elétrons mais externos tendem a ser uma estrutura estável de 8 elétrons. Não é fácil obter elétrons ou perder elétrons.

Diagrama esquemático da estrutura atômica do Si:

Arranjo de elétrons extranucleares: É usado principalmente para descrever o arranjo de elétrons extranucleares de átomos em um estado estável (estado fundamental).

Por exemplo:

1) A configuração eletrônica extranuclear do átomo de hidrogênio: $1s^1$ ;

2) A disposição dos elétrons fora do núcleo do átomo de silício: $1s^22s^22p^63s^23p^2$ ;

1.1.1.2. O que é uma reação química

Uma reação química é um processo no qual átomos ou elétrons são rearranjados (convertidos ou transferidos) entre moléculas em contato umas com as outras para formar novas moléculas acompanhadas de mudanças de energia. A essência é a quebra de ligações antigas e a formação de novas ligações .

Na mudança química de um átomo, o núcleo permanece inalterado e apenas os elétrons fora do núcleo mudam. Na física atômica, uma vez que um átomo sofre fissão nuclear ou fusão nuclear, é chamado de reação nuclear, e essa mudança não é uma reação química.

Portanto, as moléculas são as menores partículas que mantêm as propriedades químicas das substâncias, os átomos são as menores partículas nas mudanças químicas e as propriedades químicas das substâncias dependem das propriedades das moléculas. As propriedades moleculares são determinadas pela estrutura interna da molécula, que envolve fortes interações e configurações geométricas entre átomos adjacentes na molécula.

O que é uma ligação química?

Uma ligação química é uma forte força de ligação mútua entre átomos adjacentes em uma molécula. Os tipos básicos de ligações químicas são: ligações iônicas, ligações covalentes, ligações metálicas.

Ligação iônica : uma interação que liga cátions e ânions com cargas opostas (descreve a capacidade de um ânion ou cátion de ganhar ou perder elétrons).

Composto iônico : Um composto formado pela interação eletrostática de ânions e cátions. Deve conter ligações iônicas e também pode conter ligações covalentes. De um modo geral, os metais são fáceis de perder elétrons; portanto , os compostos formados por elementos metálicos e amônia $NH_4^+$ (exceto $AlCl_3$ , ) são geralmente compostos iônicos. $BeCl_2$ Compostos iônicos conduzem eletricidade quando fundidos ou dissolvidos em água.

Ligação covalente : Uma forte interação entre átomos formada pelo compartilhamento de pares de elétrons (descrevendo a força das propriedades não metálicas).

Composto covalente : Um composto no qual os átomos diretamente adjacentes uns aos outros em uma molécula são ligados por ligações covalentes. Um átomo ou molécula contendo apenas ligações covalentes (deve conter ligações polares). A maioria deles não conduz eletricidade e apenas uma pequena parte pode conduzir eletricidade quando dissolvida em água.

Ligação metálica : a ligação química formada entre átomos metálicos (ou íons) e elétrons livres em cristais metálicos (descreve o elemento metálico, a força do metal)

A definição de compostos iônicos e compostos covalentes pode ser distinguida conforme conduzem eletricidade no estado fundido, e aqueles que podem conduzir eletricidade no estado fundido devem ser compostos iônicos .

1.1.2. Definição de semicondutor

Semicondutor refere-se a um material cuja condutividade à temperatura ambiente está entre a de um condutor e um isolante. É um material cuja condutividade pode ser controlada, variando de um isolante a um condutor. Geralmente, a resistência dos materiais semicondutores diminui com o aumento da temperatura, que é oposta à dos metais. Materiais semicondutores comuns: silício (Si), germânio (Ge), arseneto de gálio (GaAs). O silício é o mais amplamente utilizado .

Nota: A definição restrita de resistividade do material semicondutor: condutor<semicondutor ( $10^{-5} - 10^{12}$ Ω·cm)<isolante, mas mais precisamente deve ser definida de acordo com a estrutura de banda de energia do material.

1.1.3. Visão geral da teoria da banda de energia

1.1.3.1. O que é banda de energia

Com relação à definição de semicondutores até 1931, AH Wilson explicou com sucesso as diferenças entre metais, isolantes e semicondutores com base na teoria da banda de energia (teoria importante para discutir o estado e o movimento dos elétrons nos cristais).

O arranjo de elétrons fora do núcleo do átomo que introduzimos anteriormente é baseado no arranjo de elétrons fora do núcleo no estado fundamental. Do nível de energia da mecânica quântica, cada átomo tem seu próprio nível de energia. por exemplo:

Diagrama de nível de energia de um átomo de hidrogênio:

O nível de energia atômica foi proposto pela primeira vez a partir do modelo de Bohr, mas a mecânica quântica desenvolvida posteriormente deu uma explicação mais profunda. A divisão dos níveis de energia atômica não tem nada a ver com o número de elétrons externos, mas está relacionada ao número de cargas nucleares.

A energia do nível de energia mais alto do átomo de hidrogênio é 0 (a energia mencionada aqui é a energia potencial), ou seja, quando o elétron está infinitamente distante do núcleo de hidrogênio, quando o estado ligado apenas se ioniza para o estado livre, e então há elétrons que se movem livremente e não estão ligados ao núcleo.

O átomo é mais estável quando está no estado fundamental. Quando está no estado excitado, ele transita espontaneamente para um nível de energia mais baixo. Após uma ou mais transições para o estado fundamental, a energia será liberada na forma de fótons durante a transição.

Banda

Quando os átomos formam um cristal, devido ao arranjo periódico dos átomos, à medida que o número de átomos aumenta, os níveis de energia eletrônica originalmente discretos se tornarão cada vez mais densos, e os níveis de energia densos formarão bandas, ou seja, bandas de energia.

1.1.3.2, banda de valência, banda de condução e banda proibida

Banda preenchida Quando o átomo está no estado fundamental (zero absoluto), todos os seus elétrons são preenchidos sequencialmente a partir do nível de energia mais baixo, e todos os elétrons apenas preenchem uma banda de energia com energia mais baixa, enquanto a banda de energia com maior energia está completamente vazia no estado fundamental (zero absoluto), e essas bandas de energia preenchidas são chamadas de bandas cheias ;

Banda de valência A banda completa com a maior energia (a camada mais externa) é preenchida com elétrons de valência, por isso é chamada de banda de valência;

Banda proibida A banda de energia no cristal é geralmente em forma de banda e, às vezes, há uma grande lacuna de energia entre a banda e a banda, que é chamada de banda proibida (ou intervalo de banda); por exemplo, a largura de banda proibida do cristal de silício é 1,12eV e os elétrons devem receber energia maior que isso para conduzir eletricidade;

Banda de condução O espaço de energia formado pelos elétrons livres, ou seja, a faixa de energia dos elétrons livres em uma estrutura sólida, geralmente participa da condução ou ionização, e essas bandas de energia são chamadas de bandas de condução.

Para materiais metálicos comuns, a lacuna de energia entre a banda de condução e a banda de valência é muito pequena (a banda de condução está cheia e quase não se sobrepõe à banda proibida), e os elétrons podem facilmente ganhar energia e pular para a banda de condução à temperatura ambiente;

Para materiais semicondutores, a largura do bandgap entre as bandas de energia não é muito grande. Após a injeção fotoelétrica ou excitação térmica, alguns elétrons na banda de valência cruzarão a banda proibida e entrarão na banda de condução com maior energia. O movimento direcional dos elétrons na banda de condução pode detectar a passagem da corrente;

Para os isoladores, o band gap entre as bandas de energia é muito grande, ou seja, a resistividade costuma ser alta. Quando a tensão aplicada é menor que a tensão de ruptura, nenhuma corrente apreciável flui.

1.1.3.3, bandgap direto e bandgap indireto

O semicondutor absorve fótons para fazer a transição de elétrons (excitar) da banda de valência para a banda de condução, e o processo de formação de pares elétron-buraco tem transições verticais e transições não verticais, que dependem principalmente das posições do topo da banda de condução e do topo da banda de valência no espaço K.

Bandgap direto o topo da banda de condução e o topo da banda de valência estão na mesma posição no espaço K, e os elétrons precisam apenas absorver a energia (fóton) para pular para a banda de condução.

Bandgap indireto As diferentes posições do topo da banda de condução e do topo da banda de valência no espaço K. De acordo com a lei da conservação de energia, os elétrons não devem apenas absorver a energia (fótons), mas também mudar o momento (fônons) para pular para a banda de condução.

Os semicondutores compostos gerais têm lacunas de banda diretas, como GaAs, InP, InSb, etc .; enquanto Si e Ge são semicondutores de lacuna de banda indireta.

1.1.4, classificação de semicondutores

A classificação básica dos semicondutores pode ser dividida em: semicondutores intrínsecos e semicondutores impuros.

1.1.4.1. Semicondutor intrínseco

Semicondutores puros sem outras impurezas são chamados de semicondutores intrínsecos.

Os elétrons de valência na camada mais externa de cada átomo não são apenas ligados por seu próprio núcleo, mas também atraídos por núcleos vizinhos. Portanto, os elétrons de valência não apenas se movem em torno de seus próprios núcleos, mas também aparecem em órbitas em torno de núcleos vizinhos. Portanto, ligações covalentes são formadas entre átomos de silício puro e átomos de silício e tendem a ser estáveis.

Mas sob uma certa força externa (dando energia [luz, calor, etc.]) os elétrons também se libertarão, fazendo com que a ligação covalente seja quebrada para gerar buracos (o buraco real não existe, ele é formado por elétrons livres se libertando), e os elétrons de valência adjacentes podem preencher o buraco (esse processo é chamado de excitação intrínseca). Desta forma, uma certa migração de carga ocorre na ligação covalente (a direção do movimento do buraco é oposta à dos elétrons, e existem dois tipos de portadores em semicondutores intrínsecos: elétrons livres carregados negativamente e buracos carregados positivamente), e o movimento direcional dos elétrons forma uma corrente (energia térmica é convertida em energia elétrica).

Nota: As lacunas e a corrente fluem na mesma direção, enquanto os elétrons estão na direção oposta. A direção do fluxo de corrente é definida como a direção do movimento das cargas positivas, oposta à dos elétrons.

1.1.4.2, semicondutor de impureza - semicondutor do tipo N

Nos semicondutores intrínsecos, embora existam dois tipos de portadores, a condutividade é ruim porque a concentração de portadores é muito baixa. Se algumas impurezas puderem ser dopadas nele, sua condutividade será alterada qualitativamente (aumentar sua condutividade).

Semicondutor do tipo N : um semicondutor (negativo-negativo, negativo) dopado com um elemento pentavalente (como o fósforo), com 5 elétrons na camada mais externa do elemento e um elétron extra (carregado negativamente) pode facilmente se libertar das algemas do núcleo e se tornar um portador de movimento livre (há mais elétrons de movimento livre e a condutividade também é mais forte).

Em semicondutores intrínsecos, a proporção de elétrons livres para buracos é de 1:1, e em semicondutores do tipo N, os elétrons livres são os portadores majoritários, enquanto os buracos são os portadores minoritários. Neste momento, os elétrons livres são chamados de muitos e os buracos são poucos.

1.1.4.3, semicondutor de impureza - semicondutor tipo P

Semicondutor do tipo P : Um semicondutor dopado com um elemento trivalente (como o boro) é chamado de semicondutor do tipo P. Existem apenas três elétrons na camada mais externa do elemento, que formam uma ligação covalente (4+3) com o silício, e há um elétron a menos para formar uma estrutura estável de 8 elétrons.

Seja um semicondutor do tipo N ou um semicondutor do tipo P, ele é eletricamente neutro em si mesmo. Isso ocorre porque o número de prótons e o número de elétrons fora do núcleo são iguais. Em semicondutores do tipo P (dopados com boro), o chamado buraco ocorre porque o boro trivalente substitui a posição do átomo de silício na rede cristalina. A ligação covalente original de Si-Si no lado direito se foi e uma posição será desocupada. Essa posição é chamada de buraco. As lacunas são fornecidas principalmente por impurezas e os elétrons livres são formados por excitação térmica. Os buracos são realmente equivalentes a partículas carregadas positivamente.No processo de excitação térmica, os buracos são complementados e os buracos são gerados (quebra de ligações químicas), mas parece que os buracos estão se movendo, mas na verdade é o movimento dos elétrons. Portanto, quanto maior a concentração de buracos, mais forte a condutividade.

Da mesma forma, em semicondutores do tipo N, os elétrons livres são fornecidos principalmente por impurezas e os buracos são formados por excitação térmica. Quanto mais impurezas dopadas, mais forte a condutividade.

1.1.5. Visão geral de materiais semicondutores

Os materiais semicondutores podem ser divididos em composição química: semicondutores elementares, semicondutores compostos inorgânicos, semicondutores compostos orgânicos, etc.;

Classificação de semicondutores	distribuído	representar
semicondutor elementar	Distribuídos nos grupos IIIA a IVA da tabela periódica dos elementos; C, P, Se têm duas formas de isolante e semicondutor; B, Si, Ge, Te são semicondutores; Sn, As, Sb têm duas formas de semicondutor e metal. Entre eles, o ponto de fusão e o ponto de ebulição do P são muito baixos, o estado estável de As, Sb e Sn é metal e o semicondutor é um estado instável.	Ge, Si
Semicondutor composto inorgânico	1）二元化合物半导体材料 IV-IV 族：SiC 和 Ge-Si 合金均具有闪锌矿结构； III-V族：由III族元素Al、Ga、In和V族元素P、As、Sb组成，如：GaAs； II-VI族：由II族元素Zn、Cd、Hg与VI族元素S、Se、Te形成的化合物，是重要的光电材料; I-VII族：I族元素Cu、Ag、Au与VII族元素Cl、Br、I形成的化合物 ; V-VI族：由V族元素As、Sb、Bi和VI族元素S、Se、Te形成的化合物; 2) 三元化合物半导体材料由第II族和第IV族原子取代III-V族中的两个III族原子组成，如ZnSiP2、ZnGeP2 、ZnGeAs2、CdGeAs2、CdSnSe2等; AgTlTe2, CuInSe2, CuAlS2 等 ;	SiC, GaAs
composto orgânico semicondutor	Naftaleno, antraceno, poliacrilonitrila, ftalocianina e alguns compostos aromáticos, etc., mas não têm sido usados como materiais semicondutores

1.1.5.1, a primeira geração de semicondutores

Tempo de subida O surgimento do germânio (Ge) e dos circuitos integrados na década de 1950 foi um passo importante para a indústria de semicondutores. O primeiro circuito integrado fabricado por Jack Kilby da Texas Instruments foi fabricado usando um pedaço de material semicondutor de germânio como substrato, enquanto Fairchild substituiu o germânio por silício e inventou os circuitos integrados de silício;

No final da década de 1960, devido às deficiências dos dispositivos de germânio em resistência a altas temperaturas e resistência à radiação, eles foram gradualmente substituídos por silício (Si). Por um lado, as reservas de silício são extremamente ricas; por outro lado, o silício pode formar filmes de dióxido de silício (SiO2) com boas propriedades de isolamento;

Materiais representativos silício (Si), germânio (Ge) e outros materiais semicondutores elementares;

Cenários de aplicação devido ao bandgap estreito (gap de banda) de silício e germânio e baixa mobilidade de elétrons e tensão de ruptura, é usado principalmente em campos de baixa tensão e baixa frequência, como: informação eletrônica, energia nova, fotovoltaica, transistores de média potência, fotodetectores e outros campos.

1.1.5.2, o semicondutor de segunda geração

Rise time: Desde a década de 1990, com o rápido desenvolvimento das comunicações móveis, o surgimento das rodovias de informação baseadas em comunicações de fibra óptica e na Internet, os materiais semicondutores de segunda geração representados pelo arseneto de gálio (GaAs) e fosfeto de índio (InP) começaram a surgir;

Materiais representativos Os materiais semicondutores de segunda geração são semicondutores compostos, incluindo uma variedade de semicondutores compostos III-V. Os dispositivos semicondutores comerciais mais amplamente utilizados são arseneto de gálio (GaAs), fosfeto de índio (InP), fosfeto de arseneto de gálio (GaAsP), arseneto de gálio e alumínio (GaAlAs) e fosfeto de índio e gálio (InGaP), entre os quais a tecnologia de arsenieto de gálio é a mais madura e amplamente utilizada;

Cenário de aplicação Como a mobilidade eletrônica dos semicondutores compostos é maior que a dos semicondutores elementares, e os semicondutores compostos têm um intervalo de banda direto, que não está disponível nos semicondutores de silício, os semicondutores compostos são usados principalmente para fabricar dispositivos eletrônicos de alta velocidade, alta frequência, alta potência e emissores de luz. Por exemplo: diodo emissor de luz (LED), diodo laser (LD), receptor de luz (PIN) e células solares e outros produtos. O arsenieto de gálio e outros materiais semicondutores de segunda geração têm as características de alta frequência, resistência à radiação e resistência a altas temperaturas, e são amplamente utilizados em comunicação via satélite, comunicação móvel, comunicação óptica, navegação GPS e outros campos.

1.1.5.3, o semicondutor de terceira geração

Tempo de subida Devido à escassez de gálio (apenas 0,0015% na crosta terrestre) e índio (apenas 0,001% na crosta terrestre), os recursos materiais são muito escassos, resultando em preços altos, o arsênico é altamente tóxico e causará séria poluição ambiental. A aplicação dos materiais semicondutores de segunda geração tem certas limitações.

Desde o século 21, os materiais semicondutores de terceira geração representados por nitreto de gálio (GaN), carboneto de silício (SiC), óxido de zinco (ZnO) e diamante começaram a surgir.

Materiais representativos Os materiais semicondutores de terceira geração são principalmente carboneto de silício (SiC), nitreto de gálio (GaN), óxido de zinco (ZnO), diamante, nitreto de alumínio (AlN) como materiais semicondutores de banda larga; entre eles, carboneto de silício (SiC) e nitreto de gálio (GaN) são mais maduros;

Cenários de aplicação Os materiais semicondutores de terceira geração têm características como banda proibida mais ampla, maior condutividade térmica, maior resistência à radiação e maior taxa de deriva de saturação eletrônica. Eles podem ser amplamente utilizados em campos de alta tensão, alta frequência, alta temperatura e alta confiabilidade, incluindo comunicações de radiofrequência (estações base 5G), radar, satélites, gerenciamento de energia, eletrônica automotiva e eletrônica de potência industrial.

Material semicondutor	Banda proibida (eV)	Ponto de fusão (K)	Constante de rede (nm)
Primeira Geração: Germânio (Ge)	1.1	1221	0,5658
Primeira Geração: Silício (Si)	0,7	1687	0,5428
Segunda Geração: Arsenieto de Gálio (GaAs)	1.4	1511	0,5635
Terceira geração: carboneto de silício (SiC)	3.05	2826	a:0,3080 c:1,5120
Terceira Geração: Nitreto de Gálio (GaN)	3.4	1973	a:0,3190 c:0,5190
A terceira geração: Diamond C	5.5	maior que 3800	0,3570

O que é uma constante de rede

Ficará em contato com o substrato e epitaxia posteriormente.

Em primeiro lugar, um cristal é uma substância na qual os átomos se repetem regular e periodicamente no espaço tridimensional.

Por esta razão, para descrever a estrutura do cristal, é introduzido um conceito de rede espacial, ou seja, o padrão de rede formado pela conexão de átomos neste cristal parece ser um padrão geométrico regular que se repete (geralmente paralelepípedo no espaço). Chamamos essa unidade regularmente arranjada de célula unitária. As diferentes formas da célula unitária determinam as diferentes propriedades do cristal. O comprimento da aresta e o ângulo incluído da célula unitária são chamados de parâmetros da célula unitária, e o tamanho da célula unitária pode ser descrito pelo comprimento da aresta, que é chamado de constante de rede. A mudança da constante de rede reflete a mudança da composição e do estado de tensão dentro do cristal, então a constante de rede também é chamada de constante de rede.

1.2. Partindo do diodo

Um diodo é um dispositivo eletrônico feito de materiais semicondutores (silício, selênio, germânio, etc.). Possui condutividade unidirecional, ou seja, quando uma tensão direta é aplicada ao ânodo do diodo, o diodo conduz. Quando uma tensão reversa é aplicada ao ânodo e ao cátodo, o diodo é desligado.

Falando em diodos, temos que mencionar uma de suas estruturas importantes - a junção pn.O dispositivo semicondutor básico é uma junção pn conectada com terminais condutores. Quando nos concentramos na física da operação de semicondutores, usamos o termo junção pn; quando nos concentramos no projeto de circuitos, usamos o termo diodo. Mas são essencialmente a mesma coisa.

1.2.1. O que é uma junção PN

Mencionamos anteriormente: tipo N - muitos portadores são elétrons livres e poucos portadores são buracos; tipo P - muitos portadores são buracos e poucos portadores são elétrons livres; todos eles são chamados de portadores .

Junção PN : região dopada tipo P e região dopada tipo N, após um período de difusão ou deriva, ocorre uma região de equilíbrio dinâmico na junção das duas, ou seja, forma-se uma região de carga espacial estável (ou região de barreira). Essa região de carga espacial é a junção PN.

O campo elétrico formado na região de carga espacial (ou região de barreira) é chamado de campo elétrico interno. Por exemplo: o campo elétrico interno do silício é de cerca de 0,6~0,8V.

1.2.2. O que é Movimento de Difusão

Movimento de difusão

A diferença de concentração de portadores produz o movimento de difusão de múltiplos portadores. Há mais buracos e menos elétrons na região do tipo P, e mais elétrons e menos buracos na região do tipo N, de modo que os elétrons e buracos se difundem de locais com alta concentração para locais com baixa concentração, então os elétrons se difundem da região N para a região P, enquanto os buracos se difundem da região P para a região N e, finalmente, atingem um ponto de equilíbrio.

Elétrons e lacunas têm cargas opostas e se recombinarão (neutralizarão) durante o processo de difusão. Como resultado, a neutralidade elétrica original nas regiões P e N é destruída e a região P (que atrai elétrons da região N) perde lacunas e deixa íons carregados negativamente (carregados negativamente à esquerda), e a região N perde elétrons para deixar íons carregados positivamente (carregados positivamente à direita), então (recombinação de elétrons e buracos) forma uma região de carga espacial (ou região de barreira). Assim como a bateria em nossa vida diária, uma grande quantidade de cargas positivas e negativas se acumulam em ambas as extremidades da bateria (positivo (alto potencial) -> negativo (baixo potencial), essa diferença de potencial é o que chamamos de tensão ) .

O movimento de difusão alarga a região de carga espacial. Você pode entender que quanto mais elétrons e buracos são recombinados na área adjacente durante o movimento de difusão, mais íons carregados negativamente e positivamente nos lados esquerdo e direito, maior a diferença de potencial e maior a área de carga espacial.

1.2.3. O que é movimento de deriva

Movimento de deriva

Depois que a região de carga espacial é formada, devido à interação entre cargas positivas e negativas, um campo elétrico é formado na região de carga espacial, e sua direção é da região N carregada positivamente para a região carregada negativamente P. Como o campo elétrico é formado dentro do semicondutor após a difusão de portadores, é chamado de campo elétrico embutido. Como a direção do campo elétrico interno é a mesma que a direção da difusão dos elétrons e oposta à direção da difusão dos buracos, ela impede o movimento de difusão dos portadores.

Quanto mais forte o campo elétrico embutido, mais forte o movimento de deriva, e o movimento de deriva diminui a região de carga espacial. Ou seja, ele vai empurrar os elétrons originalmente da região P de volta para a região N, tentando evitar a combinação de elétrons e buracos, de forma que a região de carga espacial fique mais fina.

1.2.4, polarização direta e polarização reversa

Como mencionamos anteriormente, os dois tipos de movimento da junção PN (movimento de deriva e movimento de difusão), quando esses dois movimentos finalmente se estabilizam, não há corrente. Quando conectamos uma fonte de alimentação em ambas as extremidades da junção PN, a diferença de potencial neste momento formará dois tipos, um é polarização direta e o outro é polarização reversa. Este é também o princípio pelo qual os diodos têm características de condução unidirecional (condução direta, corte reverso).

viés para a frente

Quando o pólo positivo da fonte de alimentação é conectado ao terminal da região P, e o pólo negativo é conectado ao terminal do pólo N, é chamado de polarização direta da junção PN, referido como polarização direta da junção PN .

Quando a junção PN é polarizada diretamente, a direção do campo elétrico externo é oposta à do campo elétrico interno (alto potencial -> baixo potencial, e a corrente é a direção do movimento da carga positiva). Isso faz com que os buracos na região P compensem uma parte da carga espacial negativa na região de carga espacial (a carga negativa na região P está ficando cada vez mais fraca), e os elétrons livres na região N entram na região de carga espacial para compensar uma parte da carga espacial positiva (a carga positiva na região N está ficando mais fraca). Como resultado, a região de carga espacial é estreitada e o campo elétrico interno é enfraquecido. O enfraquecimento do campo elétrico embutido aumenta o movimento de difusão da maioria dos portadores.Quando os elétrons e buracos se difundem completamente livremente, o campo elétrico embutido desaparece, formando uma corrente estável, e a junção PN é condutora direta.

polarização inversa

Quando o pólo positivo da fonte de alimentação é conectado ao terminal da região N e o pólo negativo é conectado ao terminal do pólo P, é chamado de polarização reversa da junção PN, conhecida como polarização reversa da junção PN .

Quando a junção PN é polarizada inversamente, o campo elétrico aplicado está na mesma direção que o campo elétrico interno na região de carga espacial, o que também levará à destruição do estado de equilíbrio de difusão e movimento de deriva. A região N absorve elétrons e a região P absorve buracos, fazendo com que a região de carga espacial aumente gradualmente e o campo elétrico interno fortalecido, dificultando a difusão do portador majoritário. No entanto, devido ao número constante e pequeno de portadores minoritários à temperatura ambiente, a corrente reversa é extremamente pequena. A pequena corrente indica que a resistência reversa da junção PN é muito alta. Geralmente, pode-se considerar que a junção PN polarizada reversa não é condutiva e está basicamente em um estado desligado.

Nota: A condução direta pode fazer com que o diodo queime devido à corrente excessiva, e o corte reverso reverterá a quebra quando a tensão de quebra for atingida.

1.2.5. Processo de preparação da junção PN

1.2.5.1. Substrato

o que é substrato

Um substrato é um floco de cristal único limpo fabricado a partir de um material semicondutor com planos de cristal específicos e propriedades elétricas, ópticas e mecânicas apropriadas para o crescimento de camadas epitaxiais.

Por que você precisa de um substrato

Existem principalmente os seguintes pontos:

1) crescer

Alguns semicondutores com estruturas complexas não são fáceis de crescer em cristais únicos em circunstâncias normais, porque não há um bom ponto de ligação e eles não podem nuclear, muito menos crescer em cristais. Portanto, uma rede correspondente é necessária como ponto de fixação.

2) suporte

Um filme com espessura de vários mícrons ou mesmo vários nanômetros deve ser fixado ao substrato para que não seja fácil quebrar e danificar.

3) Participe da condução

Muitos substratos são semicondutores, como o silício, que formam heterojunções com materiais funcionais e participam da realização das funções do dispositivo.

Substrato material

O principal material do substrato é o silício monocristalino, que é o segundo elemento mais abundante na crosta terrestre e possui enormes reservas (basicamente na forma de dióxido de silício (areia) ou silicato).

Atualmente, a matéria-prima para a preparação do polissilício é a areia de quartzo (redução).

O silício policristalino para lingotes de silício monocristalino geralmente são preparados pelo método Czochralski (puxado através de um forno), então o silício monocristalino que costumamos ver se parece com isso.

O material monocristal passa por processamento mecânico, tratamento químico (por exemplo: dopagem para aumentar a condutividade elétrica), polimento de superfície e inspeção de qualidade para obter uma folha polida de monocristal que atenda a certos padrões. O objetivo do polimento é remover ainda mais a camada danificada restante na superfície processada. A folha polida pode ser usada diretamente para fazer dispositivos e também pode ser usada como material de substrato para epitaxia.

Além do silício (Si), os materiais de substrato incluem safira ( $Al_2O_3$ ), carboneto de silício (SiC), nitreto de silício (SiN), nitreto de alumínio (AlN), nitreto de gálio (GaN), arseneto de gálio ( GaAs ), óxido de zinco (ZnO) e outros materiais.

Uma história sobre o material do substrato:

O substrato de silício tem as vantagens de baixo custo, grande área, alta qualidade, boa condutividade elétrica e térmica, fácil integração, etc., e seu processo de preparação é relativamente maduro; (em 2016, a equipe da Universidade de Nanchang e Jiang Fengyi da Lattice Optoelectronics inventou "diodo emissor de luz azul baseado em GaN com alta eficiência de luz no substrato de silício" e ganhou o primeiro prêmio do Prêmio Nacional de Ciência e Tecnologia de 2015)

A safira tem excelentes propriedades ópticas, propriedades mecânicas e estabilidade química, alta resistência (perdendo apenas para o diamante), alta dureza e resistência à erosão. Como material de substrato, a safira tem as vantagens de propriedades químicas estáveis em alta temperatura (2.000°C), difícil absorção de luz visível e baixo preço. (Em 1993, Isamu Akasaki e outros romperam com a tecnologia central de preparação de LEDs azuis baseados em GaN de alta eficiência em substratos de safira. Em 2014, eles ganharam o Prêmio Nobel de Física pela invenção de "diodos emissores de luz azul de alta eficiência".)

O carboneto de silício tem excelentes propriedades térmicas, mecânicas, químicas e elétricas e é um dos melhores materiais para fazer dispositivos eletrônicos de alta temperatura, alta frequência e alta potência.

O substrato de cristal único de nitreto de alumínio tem boa condutividade térmica e é um material de substrato ideal para a preparação de alta corrente, alta potência, chips de LED e lasers ultravioleta profundos;

O substrato de cristal único de GaN tem boa condutividade elétrica e térmica, mas o preço do substrato de GaN ainda é muito alto;

Seleção de substrato

Obviamente, a escolha do material do substrato considera principalmente os seguintes fatores:

1) Correspondência estrutural de substrato e filme epitaxial

A estrutura cristalina do material epitaxial e do material do substrato é a mesma ou semelhante, a incompatibilidade da constante de rede é pequena, o desempenho da cristalização é bom e a densidade do defeito é baixa;

2) O coeficiente de expansão térmica do substrato e a correspondência do filme epitaxial

A correspondência do coeficiente de expansão térmica é muito importante. A grande diferença no coeficiente de expansão térmica entre o filme epitaxial e o material do substrato pode não apenas reduzir a qualidade do filme epitaxial, mas também causar danos ao dispositivo devido ao calor durante o processo de trabalho do dispositivo;

3) A estabilidade química do substrato e a correspondência do filme epitaxial

O material do substrato deve ter boa estabilidade química, e não é fácil de se decompor e corroer na temperatura e atmosfera de crescimento epitaxial, e a qualidade do filme epitaxial não pode ser reduzida devido à reação química com o filme epitaxial;

4) A dificuldade e o custo da preparação do material:

Considerando as necessidades de desenvolvimento da industrialização, os requisitos de preparação de materiais de substrato devem ser simples e o custo não deve ser alto.

1.2.5.2. Oxidação

O papel do processo de oxidação é formar uma película protetora na superfície do wafer. Ele protege o wafer de impurezas químicas, evita correntes de fuga nos circuitos, impede a difusão durante a implantação de íons e evita que os wafers escorreguem durante a corrosão.

1.2.5.3. Fotolitografia

Cada chip precisa ser gravado por uma máquina de litografia no início de seu nascimento, e a máquina de litografia também é a máquina central no processo de fabricação de chips. A tecnologia de fotolitografia é uma tecnologia de processo que usa o princípio da reação fotoquímica e métodos de ataque químico e físico para transferir o padrão da placa de máscara para o wafer. O princípio da litografia originou-se da fotolitografia na tecnologia de impressão, que é processar e formar micrográficos em um plano.

De acordo com a fonte de luz de exposição, a tecnologia de litografia é dividida principalmente em litografia óptica e litografia de feixe de partículas (litografia de feixe de partículas comum inclui principalmente raios-X, feixe de elétrons e litografia de feixe de íons, etc.), entre os quais a litografia óptica é atualmente a tecnologia de litografia mais importante.

Especificamente, a fotolitografia é dividida em colagem, mascaramento, exposição e revelação.

1) Fotoresistente

De acordo com a diferença de fotorresiste, o fotorresiste pode ser dividido em dois tipos: resistência positiva e resistência negativa.

Fotorresiste positivo: se decompõe e desaparece após ser exposto à luz, deixando um padrão na área não exposta;

Cola negativa: vai polimerizar após ser exposta à luz e fazer aparecer os grafismos da parte receptora de luz;

2) máscara

A máscara é chamada de máscara para abreviar. Geralmente, a máscara carrega um desenho de design e a luz passa através da máscara para projetar o padrão de design no fotorresiste.

3) Exposição

A impressão de circuito é realizada controlando a exposição à luz.

4) Desenvolvimento

O revelador é pulverizado no wafer para remover o fotorresiste na área não coberta pelo padrão, para que o padrão do circuito impresso possa ser revelado.

Histórias sobre máquinas de litografia:

Os principais fabricantes de máquinas de litografia são: Dutch ASML (ASML), Japan Nikon, Japan Canon (Canon), American Panlin Semiconductor, American ABM, American MYCRO, German SUSS, etc.

Em 1984, a Philips e a ASMI investiram 2,1 milhões cada uma para estabelecer a ASML;

Em 1990, a ASML se separou da Philips e a chamou de empresa independente. Em 1995, a ASML tornou-se oficialmente pública e, em seguida, adquiriu várias empresas americanas de tecnologia de litografia;

Em 2006, a ASML lançou seu primeiro produto líder de mercado, o sistema TWINSCAN usando litografia de imersão;

Em 2000, uma grande quantia de dinheiro foi investida na pesquisa e desenvolvimento da tecnologia de luz ultravioleta extrema (EUV). Mais tarde, devido à dificuldade e ao alto investimento, a ASML chegou a querer desistir, mas diante da forte atração de EUV, Intel, TSMC e Samsung não conseguiu ficar parada e decidiu investir na ASML (as três concorrentes adquiriram em conjunto 23% das ações da ASML, das quais a Intel representava 15%) para apoiar o desenvolvimento de máquinas de litografia EUV.

Depois que a máquina de litografia EUV foi desenvolvida, o preço das ações da ASML subiu acentuadamente, então Intel, Samsung e TSMC venderam um grande número de ações da ASML. O maior acionista que assumiu tornou-se o American Capital International Group, detendo 15,81% das ações.

Atualmente, a máquina de litografia convencional em meu país ainda é a máquina de litografia DUV de quarta geração com comprimento de onda de 193 nanômetros, também conhecida como laser ArF excimer (fluoreto de hidrogênio).

Até a invenção da tecnologia de imersão (refração da luz após entrar no líquido de imersão) e a melhoria da tecnologia de lentes de projeção, a tecnologia de litografia mudou de 130 nanômetros em 2003 para 22 nanômetros agora, e essa tecnologia encontrou um gargalo novamente.

Sabemos que o comprimento de onda da luz está no nível do nanômetro. Se você deseja melhorar o processo de fabricação, precisa de comprimentos de onda mais curtos. O comprimento de onda da luz vermelha à luz roxa está ficando cada vez mais curto, então você tem que mudar a fonte de luz. O comprimento de onda da luz ultravioleta extrema é de 13,5 nanômetros. Antes, a luz ultravioleta extrema não era usada porque consome muita energia. A luz ultravioleta extrema é facilmente afetada pelo ambiente (o ar absorve a luz ultravioleta, por isso deve ser feita no vácuo) e a lente absorve a luz ultravioleta , então a lente de foco só pode ser alterada para um refletor, mas a energia de reflexão da luz ultravioleta extrema é perdida. Maior, então a eficiência de conversão eletro-óptica da luz ultravioleta extrema é extremamente baixa e o consumo de energia é extremamente alto.

1.2.5.4, corrosão, dopagem

Após a obtenção do padrão litográfico, pode-se realizar a próxima etapa do processamento, como corrosão, dopagem ou deposição de filme fino.

A corrosão pode corroer as partes não protegidas pelo fotorresistente. Geralmente é usado para cavar sulcos na bolacha. Geralmente é dividido em corrosão seca e corrosão úmida. O primeiro usa principalmente bombardeio de plasma e o último geralmente usa imersão em solvente para dissolver. Depois que a corrosão é concluída, o fotorresiste residual é removido para obter o padrão de ranhura desejado.

Para alterar as propriedades elétricas dos semicondutores e formar estruturas como junções PN, resistores e contatos ôhmicos no wafer, também precisamos dopar impurezas específicas em regiões específicas. O método de dopagem mais importante é a implantação de íons, que implanta diretamente íons impuros com alta energia no substrato semicondutor e pode controlar com precisão a profundidade e a concentração da dopagem.

1.2.5.5. Deposição de filme fino e epitaxia

O chip é uma estrutura 3D formada pelo empilhamento de uma série de componentes de circuitos ativos e passivos. A deposição de filme consiste em empilhar alternadamente filmes dielétricos isolantes, como SiO2 e SiN, ou filmes condutores metálicos, como Al e Cu, na superfície do wafer por meio de métodos físicos/químicos. Existem muitas técnicas para a deposição de filmes finos, como a deposição química de vapor e a deposição física de vapor.

Os filmes finos comuns são divididos principalmente em três categorias: filmes finos semicondutores, dielétricos e compostos de metal/metal.

1) Filme semicondutor

Usado principalmente para preparar regiões de canal de fonte/drenagem, camadas epitaxiais de cristal único e portas MOS, etc.

2) Filme dielétrico

Principalmente usado para isolamento de trincheiras rasas, camada de óxido de portão, parede lateral, camada de barreira, camada dielétrica antes da camada de metal, camada dielétrica intermetálica, camada de parada de corrosão, camada de barreira, camada antirreflexo, camada de passivação, etc. no segmento traseiro, e também pode ser usado para máscaras rígidas.

3) Filmes compostos de metal e metal

Filmes finos de metal são usados principalmente para portões de metal, camadas de metal, almofadas e filmes compostos de metal são usados principalmente para camadas de barreira, máscaras duras, etc. Por exemplo, filmes finos de metal incluem Al, Cu, etc., que possuem boa condutividade elétrica e são usados para fazer eletrodos, fios e dispositivos supercondutores.

epitaxia

Epitaxia : refere-se ao processo de crescimento de um novo cristal único em um substrato de cristal único que foi cuidadosamente processado por corte, retificação, polimento, etc. O novo cristal único pode ser o mesmo material que o substrato ou pode ser um material diferente (epitaxia homoepitaxial ou heterogênea).

Para a cadeia tradicional da indústria de semicondutores de silício, a fabricação de dispositivos em wafers de silício (especialmente alta frequência e alta potência) não pode atender aos requisitos de alta tensão de ruptura na área do coletor, pequena resistência em série e pequena queda de tensão de saturação. O desenvolvimento da tecnologia epitaxial resolveu com sucesso esta dificuldade. Solução: Uma camada epitaxial de alta resistividade é cultivada em um substrato de silício de resistência extremamente baixa e o dispositivo é fabricado na camada epitaxial, de modo que a camada epitaxial de alta resistividade garanta uma alta tensão de ruptura do tubo, enquanto o substrato de baixa resistência reduz a resistência do substrato e a queda de tensão de saturação, resolvendo assim a contradição entre os dois.

1.3 Transistor e seu princípio de funcionamento

1.3.1, o que é um triodo

O triodo semicondutor, também conhecido como "triodo de cristal" ou "transistor", é um dispositivo semicondutor que controla a corrente e tem a função de amplificação de corrente. Existem duas junções PN que se influenciam internamente, formando uma estrutura NPN (um semicondutor do tipo P entre dois semicondutores do tipo N) ou uma estrutura PNP. Como mostrado abaixo:

A diferença entre o grau de dopagem do triodo e do diodo comum é:

1) A região do emissor é altamente dopada, de modo que os elétrons injetados na região da base a partir da região do emissor formam um gradiente de concentração de elétrons razoavelmente alto na região da base quando a junção do emissor é polarizada diretamente;

2) A área de base é projetada para ser muito fina e a concentração de dopagem é a mais baixa, de modo que apenas uma pequena parte dos elétrons injetados na área de base se recombina com muitos sub-buracos para formar uma corrente de base, e o fluxo contínuo de buracos recombinados com os elétrons da área de base requer que a base forneça corrente para se manter;

3) A área da área do coletor é grande e a dopagem é baixa: de modo que os elétrons de alta concentração na área da base se difundem na área do coletor para formar uma corrente de coletor;

A estrutura do triodo:

Definimos três semicondutores como triodos sucessivamente: emissor, base e coletor;

A primeira junção PN é chamada de junção do emissor, e a segunda junção PN é chamada de junção do coletor;

Cada uma das três áreas do triodo leva a um pino, na ordem:

1) Emitter e (Emitter): emite elétrons

2) Base b (Base): eletrônica de controle

3) Coletor c (Coletor): coleta elétrons

1.3.2, o princípio de funcionamento do triodo

Na verdade, o triodo tem três estados de trabalho diferentes, que são estado de corte, estado de amplificação e estado de saturação. Como surgiram esses três estados?

Vamos ver o status de corte primeiro :

Para o emissor, quando a fonte de alimentação está conectada $V_{bb}$ (o potencial do ponto b é maior que o do ponto e), e a tensão externa neste momento $V_{bb}$ é muito pequena para atingir o valor da tensão do gate da junção do emissor, a junção PN da esquerda é cortada, ou seja, não há injeção de portador (elétron) na região do emissor para a região da base, que é quase 0;

Para o coletor, quando o ponto está conectado à fonte de alimentação $V_{cc}$ (o potencial do ponto c é maior que o do ponto b), a junção do coletor está em um estado de polarização reversa, $I_C$ que é quase 0. Todo o triodo está no estado de corte.

Em seguida, vamos analisar o estado do zoom :

Para o emissor, quando a fonte de alimentação está conectada $V_{bb}$ (o potencial no ponto b é maior do que no ponto e) e a junção do emissor é polarizada diretamente (ou seja, a primeira junção PN à esquerda está ligada), os elétrons entram na região da base da região do emissor para formar uma corrente. a região da base, esperando para ser sugada pela região do $EM UM}$ coletor $eu_{BN}$ .

对于集电极来说，当点接入电源 $V_{cc}$ （c点的电位比b点高），集电结就处于反偏状态时内电场增强（此时集电极电势高于基集），造成多数载流子扩散运动较难进行，同时加强了少数载流子的漂移运动（P型——少子为自由电子，N型——少子为空穴），虽然是反偏状态，但是在基区的电子是作为少数的载流子的，此时的内电场的增强不仅没有阻碍电子，反而给电子助力了，并且由于设计的浓度差和基区非常薄的缘故（电子在基区还没来得及复合），所以更多的电子被第二个电源拉进了集电区（此时占主导地位的是注入到基区的电子而不是 $V_{cc}$ ），形成电流 $eu_{CN}$ ，同时因为内建电场的增强，致使集电结的空穴向左移动，形成了反向电流(漏电流) $eu_{CBO}$ ，这种接法很奇妙。

Quando a junção do emissor é polarizada diretamente e a junção do coletor é polarizada reversamente, os elétrons que entram na região de base são divididos em dois caminhos, ou seja, deve haver uma certa relação de shunt entre os elétrons $eu_{B}$ e os elétrons. $eu_{C}$ Quando mudamos constantemente $V_1$ a tensão $I_B$ também vai mudar neste momento (de acordo com a lei de Ohm: $I=\frac{U}{R}$ ), e Δ $I_c$ também vai mudar. $I_B$ A mudança em si é pequena, e um leve Δ $I_b$ corresponde a um maior Δ $I_c$ (devido a diferenças de concentração, etc.). Normalmente, a relação entre a quantidade de mudança Δ da corrente do coletor e a quantidade de mudança Δ $I_c$ da corrente de base $I_b$ é chamada de fator de ampliação da corrente do emissor comum (fator de ampliação da corrente) e é representada pelo símbolo β (β = Δ $I_c$ / Δ $I_b$ ). Este é o princípio da amplificação de tubo de três estágios. Pela descrição acima, podemos ver que a alteração da tensão de entrada é para alterar a corrente de entrada através dela e, em seguida, controlar a alteração da tensão de saída através da transmissão da corrente de entrada, razão pela qual o triodo é chamado de dispositivo de controle de corrente.

Por fim, analise o estado de saturação:

O que é saturação? A corrente de coletor aumenta com o aumento da corrente de base. Quando a corrente de coletor aumenta até certo ponto, e depois aumenta a corrente de base, a corrente de coletor não aumenta mais. Esse fenômeno é chamado de saturação. Do ponto de vista do movimento de elétrons, quando os elétrons da região de base são demais para serem consumidos pela região do coletor, toda a região P também pode ser considerada como um semicondutor do tipo N, e eles se tornam um semicondutor inteiro, e a junção do coletor desaparece teoricamente.

Do ponto de vista da análise do circuito, significa que quando $V_{bb}$ aumenta até certo ponto, permanece $V_{cc}$ inalterado. Com o aumento de Ic, devido ao efeito de divisão de tensão da resistência em série, a tensão no ponto c diminui gradualmente (o valor máximo de Ic é I, c=Vcc/Rc). O triodo também não precisa fazer isso.

1.3.3 Três estados de trabalho do triodo

Três estados de trabalho do triodo:

1.4, transistor de efeito de campo MOS e seu princípio de funcionamento

1.4.1, a origem do MOS

Em 1831, Faraday, um físico e químico britânico , descobriu a indução eletromagnética, então algumas pessoas chamaram este ano de o ano da era elétrica;

Em 1833, Faraday descobriu um material: é diferente de outros metais porque sua resistência diminui com o aumento da temperatura. Naquela época, era apenas absolutamente peculiar e não provocava grandes faíscas. Essa também é a primeira propriedade física de semicondutores descoberta no escuro;

Em 1874, o físico alemão Ferdinand Braun notou que a condutividade do sulfeto está relacionada à direção da tensão aplicada, que é o efeito de retificação dos semicondutores;

Entre 1930 e 1940, a exploração de semicondutores continuou;

Em julho de 1945, ou seja, após a Segunda Guerra Mundial, os Laboratórios Bell, nos Estados Unidos, criaram um departamento de pesquisa em física do estado sólido, que para produzir transistores tem enfrentado muitas dificuldades. Shockley começou a usar semicondutores para desenvolver um novo amplificador eletrônico.O inteligente, mas indiferente Shockley escolheu trabalhar em casa, permitindo que os colegas Walter Bratton e John Bardeen realizassem experimentos livremente nos Laboratórios Bell em Nova Jersey;

Em novembro de 1947, uma descoberta acidental de Bratton deu ao físico teórico Bardeen uma nova compreensão crucial do comportamento de correntes elétricas em superfícies semicondutoras. Bratton montou um amplificador de plástico, folha de ouro e germânio semicondutor e o testou. Este amplificador é bem-sucedido e pode controlar uma grande corrente com uma pequena tensão de entrada.Este é o primeiro transistor da história;

Em 1949, Martin M. "John" Atalla entrou na Bell Laboratories, onde se concentrou na pesquisa das propriedades de superfície de semicondutores. Ele nasceu em Port Said, Egito, e recebeu um diploma de Bacharel em Ciências pela Universidade do Cairo, no Egito, um mestrado em Engenharia Mecânica pela Universidade de Purdue, nos Estados Unidos, em 1947, e um doutorado em 1949;

Em 1950, Bell Laboratories preparou com sucesso germânio de cristal único (Ge) usando o método Czochralski (Czochralski, girando em torno do eixo de elevação a uma certa velocidade) Ge também foi o primeiro material semicondutor usado em dispositivos discretos;

Em 1951, a Western Electric Corporation (Western ElectriC) começou a produzir transistores de germânio comerciais de ponto de contato;

Em 1952, empresas como Western Electric, Raytheon e American Radio produziram transistores bipolares comerciais;

Em 1955, Shockley voltou para sua cidade natal, Santa Clara Valley (mais tarde "Silicon Valley"), fundou o Shockley Semiconductor Laboratory e atuou como diretor;

Em 1956, Shockley, Bardeen e Bratton ganharam o Prêmio Nobel de Física pela invenção do transistor de germânio de ponto de contato, e Shockley era até conhecido como o "pai do transistor";

Em 1959, Dawon.Kahng (Cohen, coreano, também conhecido como Jiang Dayuan ) formou-se em engenharia elétrica pela Ohio State University, nos Estados Unidos, ingressou na Bell Labs e trabalhava para a Atala na época. Seu experimento supera e penetra com sucesso o estado de superfície que impede a formação do campo elétrico e entra com sucesso no material semicondutor. Este é o primeiro transistor de efeito de campo (FET) de portão isolado bem-sucedido na comunidade científica global de semicondutores. Mais tarde, a Bell Labs solicitou uma patente para isso;

Em 1962, a Bell Laboratories anunciou oficialmente que Cohen, Atala e outros haviam desenvolvido com sucesso o transistor de efeito de campo semicondutor de óxido de metal (MOSFET).

1.4.2, o que é um transistor de efeito de campo MOS

O que é um Transistor Unipolar

O Transistor de Efeito de Campo, conhecido como FET (Field Effect Transistor), é um dispositivo controlado por tensão que controla a magnitude da corrente de saída pelo efeito de campo elétrico gerado pela tensão de entrada. Quando funciona, apenas um tipo de portadora (portadora majoritária) participa da condução, por isso também é chamado de transistor unipolar.

Observação: o triodo é um dispositivo bipolar e ambos os portadores participam da condução.

Suas principais características:

1) A resistência de entrada é alta, até $10^7$ ~ $10^{15}$ Ω, e o transistor de efeito de campo de porta isolada pode ser tão alto quanto $10^{15}$ Ω, que é muito maior que a resistência de entrada do triodo.

2) Baixo ruído, boa estabilidade térmica, processo simples, fácil integração e tamanho pequeno, fácil de controlar as características do dispositivo.

O que é um tubo de efeito de campo MOS

O transistor de efeito de campo MOS é a abreviação de MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor), ou seja, transistor de efeito de campo semicondutor de óxido de metal, que pertence ao tipo de porta isolada do transistor de efeito de campo. Portanto, os transistores MOS às vezes são chamados de transistores de efeito de campo de porta isolada.MOSFETs usam a magnitude da tensão de porta-fonte para alterar a quantidade de carga induzida na superfície do semicondutor para controlar a magnitude da corrente de dreno. Em circuitos eletrônicos gerais, os tubos MOS são geralmente usados em circuitos amplificadores ou circuitos de comutação.

Classificação de tubos de efeito de campo MOS

JFET (tipo de junção) é geralmente chamado de "dispositivo ON" e é uma ferramenta do tipo depleção com baixa resistência de dreno. Ele usa o controle da tensão reversa da junção PN na espessura da camada de depleção para alterar a largura do canal condutivo, controlando assim a magnitude da corrente de dreno. Ele permite uma impedância de entrada menor que o MOSFET, porque o MOSFET é embutido com um isolador, então a corrente de fuga é menor e não há muitas aplicações práticas.

Os MOSFETs são geralmente chamados de "dispositivos OFF" e podem operar nos modos de esgotamento e aprimoramento e têm alta resistência ao dreno. Devido à dopagem diferente do substrato, ele pode ser dividido em canal N (transistor MOS tipo N-NMOS) e transistor de efeito de campo de canal P (transistor MOS tipo P-PMOS).

Gate (eletrodo de portão) : gate-gate, traduzido para o chinês como grade, eletrodo-eletrodo, desempenha um papel de controle.

Fonte (fonte) : fonte-recursos, traduzido para o chinês como fonte, um eletrodo que atua como coletor.

Drain (dreno) : dreno-descarga, a tradução chinesa é dreno, o eletrodo que atua como emissor.

1.4.3, o princípio de funcionamento do transistor MOS

Quando VGS = 0 V, existem dois diodos back-to-back entre o dreno e a fonte, e a aplicação de uma tensão entre D e S não formará uma corrente entre D e S;

Quando uma tensão é aplicada ao portão, se 0 << $V_{GS}$ limiar $V_{GS}(th)$ ( $V_{GS}(th)$ tensão de ativação), através da ação do campo elétrico formado entre o portão e o substrato, os múltiplos sub-furos no semicondutor tipo P perto da parte inferior do portão serão repelidos para baixo e uma fina camada de camada de depleção de íons negativos aparecerá; ao mesmo tempo, os sub-furos minoritários serão atraídos para se mover para a camada superficial, mas o número é limitado, não o suficiente para formar um canal condutor e se comunicar com o dreno e a fonte, então ainda não é suficiente para formar uma corrente de dreno;

Com $V_{GS}$ o aumento de , quando $V_{GS}$ > $V_{GS}(th)$ , como a tensão da porta neste momento é relativamente forte, mais elétrons são reunidos na camada superficial do semicondutor tipo P próximo à parte inferior da porta, que pode formar um canal (equivalente à resistência, quanto maior o canal, menor a resistência e mais forte a condutividade), conectando o dreno e a fonte $V_{GS}$ . Ao mesmo tempo, devido à tensão positiva aplicada ao dreno neste momento, a corrente do dreno para a fonte pode ser formada e o transistor MOS é ligado.À medida que a tensão continua aumentando, ela também $V_{GS}$ aumenta $EU IA$ ;

E o tamanho também afetará a largura do canal direito, e também há três estados de trabalho no tubo NMOS:

1) Quando $V_{GS}$ > $V_{GS}(th)$ e $V_{DS}<V_{GS}-V_{GS}(th)$ , está em estado não saturado, sendo controlado por e $EU IA$ ao mesmo tempo ; $V_{GS}$ $V_{DS}$

2) Quando $V_{GS}$ > $V_{GS}(th)$ e $V_{DS}>V_{GS}-V_{GS}(th)$ , está em estado saturado, ou seja, quando $V_{GD}$ a descompressão se aproxima gradativamente de $V_{GS}(th)$ , o canal direito é pinçado neste momento, sendo controlado $EU IA$ somente $V_{DS}$ após o pinçamento;

3) Quando $V_{GS}$ < $V_{GS}(th)$ , o canal não está formado e está em estado de corte;

Isso é:

1.5, inversor CMOS

1.5.1, o que é um inversor CMOS

O inversor (Inverter), também conhecido como porta NOT, é uma porta lógica que realiza a lógica na lógica digital, e é um dos circuitos de porta mais básicos. Como a lógica NAND pode realizar operações lógicas arbitrárias (simplificando bastante as operações complexas), as portas NAND são os circuitos de portas lógicas mais amplamente usados.

Fomos expostos a inversores TTL em circuitos lógicos digitais. Os circuitos TTL usam transistores bipolares (triodo) como elementos de comutação, por isso também são chamados de circuitos integrados bipolares. Os circuitos integrados digitais bipolares são dispositivos que utilizam dois portadores de polaridade diferentes, elétrons e lacunas, para a condução elétrica. Tem as vantagens de alta velocidade (velocidade de comutação rápida) e forte capacidade de condução, mas seu consumo de energia é relativamente grande e seu nível de integração é relativamente baixo.

O circuito CMOS é composto por transistores de efeito de campo isolantes e, como há apenas uma portadora, é um circuito integrado de transistor unipolar. Suas principais vantagens são alta impedância de entrada, baixo consumo de energia (como o consumo de energia estática é quase zero), forte capacidade antiparasitária e adequado para integração em larga escala.

inversor CMOS

O inversor CMOS consiste em um transistor MOS de aprimoramento de canal P e um transistor MOS de aprimoramento de canal N conectados em série. Normalmente, o tubo do canal P é usado como tubo de carga e o tubo do canal N é usado como tubo de entrada.

Pode-se ver claramente que o circuito do tipo TTL é obviamente muito mais complicado.

1.5.2. Princípio de funcionamento do inversor CMOS

A partir do diagrama do circuito do inversor COMS acima, podemos ver que o inversor consiste em um transistor de carga (PMOS) e um transistor de entrada (NMOS) conectados em série. A tensão de ativação dos dois transistores MOS $V_{GSth-p}\leqslant0$ , $V_{GSth-n}>0$ , é necessária para garantir a operação normal $V_{DD}>|V_{GSth-p}|+V_{GSth-n}$ .

Se $V_1$ a entrada for de baixo nível (como 0V), o tubo de carga é ligado, o tubo de entrada é cortado e a $V_0$ tensão de saída está próxima de $V_{DD}$ ;

Se $V_1$ a entrada for de alto nível, o tubo de entrada está ligado, o tubo de carga está desligado e a $V_0$ tensão de saída está próxima de 0V;

1.5.3. Principais características dos inversores CMOS

Características de transferência de tensão

A curva característica de transferência de tensão de um inversor CMOS pode ser dividida em cinco áreas de trabalho.

A área de trabalho que precisamos é a área de estado estável. Quando está estável, o inversor CMOS funciona nas áreas I e V, e sempre há um transistor MOS no estado desligado, e a corrente de fuga fluindo é extremamente pequena.

Características de transferência atuais

De acordo com a análise acima, podemos saber que quando o inversor CMOS trabalha na Zona III, como o tubo de carga e o tubo de entrada estão em estado saturado, uma grande corrente será gerada e a corrente em outros casos é extremamente pequena, portanto o consumo de energia é extremamente baixo.

Circuitos integrados digitais (ligados)