Кремниевый транзистор: революция в электронике — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как кремниевый транзистор изменил мир электроники. Почему кремний стал основным материалом для производства транзисторов. Каковы преимущества кремниевых транзисторов перед германиевыми. Как развивалась технология производства кремниевых транзисторов.

Содержание

История создания кремниевого транзистора

Кремниевый транзистор стал одним из важнейших изобретений XX века, совершившим революцию в электронике. Его история началась в 1950-х годах, когда ученые искали способы улучшить характеристики существовавших тогда германиевых транзисторов.

Первый работающий кремниевый транзистор был создан в 1954 году Моррисом Таненбаумом в Bell Labs. Однако компания не стала развивать это направление дальше. Почему Bell Labs упустила такую перспективную разработку? Вероятно, из-за сложностей в работе с кремнием по сравнению с германием.

Настоящий прорыв произошел, когда за дело взялась компания Texas Instruments. Уже в апреле 1954 года команда под руководством Уиллиса Адкока создала первый коммерческий кремниевый транзистор. Это стало сенсацией в мире электроники.

Преимущества кремниевых транзисторов

Кремниевые транзисторы быстро вытеснили германиевые благодаря ряду важных преимуществ:

Более широкий диапазон рабочих температур (от -55°C до +125°C)
Меньшие токи утечки в закрытом состоянии
Лучшая стабильность характеристик
Возможность работы при более высоких напряжениях
Меньшая стоимость сырья (кремний — второй по распространенности элемент в земной коре)

Эти качества сделали кремниевые транзисторы идеальными для использования в компьютерах, космической и военной технике. Как кремниевые транзисторы повлияли на развитие компьютерной техники? Они позволили создавать более надежные и производительные вычислительные устройства.

Развитие технологии производства

Производство первых кремниевых транзисторов было сложным и дорогостоящим процессом. Однако технологии быстро совершенствовались:

1954 — метод выращенного перехода
1955 — диффузионная технология
1960 — планарная технология
1963 — комплементарная МОП-структура (КМОП)

Какая технология стала ключевой для массового производства кремниевых транзисторов? Планарная технология, разработанная Жаном Хорни в компании Fairchild Semiconductor, позволила создавать транзисторы и интегральные схемы с высокой степенью интеграции.

Кремниевый транзистор как основа микроэлектроники

Кремниевые транзисторы стали фундаментом для развития микроэлектроники. Они позволили создавать все более сложные и компактные интегральные схемы. Как это повлияло на электронную промышленность?

Появление персональных компьютеров
Развитие мобильной связи
Создание смартфонов и планшетов
Миниатюризация электронных устройств

Сегодня кремниевые транзисторы остаются основой большинства электронных устройств. Их размеры уменьшились до нанометров, а количество на одном чипе достигает миллиардов.

Принцип работы кремниевого транзистора

В основе работы кремниевого транзистора лежит p-n переход — граница между областями с разным типом проводимости. Как формируется p-n переход в кремнии? Путем добавления примесей (легирования) в чистый кремний:

Примеси 5 группы (фосфор, мышьяк) создают избыток электронов — n-тип
Примеси 3 группы (бор, галлий) создают недостаток электронов (дырки) — p-тип

На границе p- и n-областей образуется обедненный слой, который действует как изолятор. Управляя шириной этого слоя с помощью напряжения, можно контролировать ток через транзистор.

Типы кремниевых транзисторов

Существует несколько основных типов кремниевых транзисторов:

Биполярные транзисторы

Работают за счет инжекции неосновных носителей заряда. Бывают n-p-n и p-n-p типов. Обладают высоким быстродействием, но потребляют больше энергии.

Полевые транзисторы

Управляются электрическим полем. Основные виды:

МОП-транзисторы (MOSFET) — наиболее распространенный тип
Транзисторы с управляющим p-n переходом (JFET)

Полевые транзисторы потребляют меньше энергии и проще в производстве, чем биполярные. Какой тип транзисторов чаще используется в современных интегральных схемах? МОП-транзисторы благодаря их низкому энергопотреблению и высокой плотности размещения на чипе.

Современные тенденции в развитии кремниевых транзисторов

Несмотря на то, что кремниевые транзисторы используются уже более 60 лет, их развитие продолжается. Основные направления:

Уменьшение размеров (текущий техпроцесс — 5 нм)
Трехмерные структуры (FinFET, GAAFET)
Новые материалы для снижения токов утечки
Оптические межсоединения для увеличения быстродействия

Однако дальнейшая миниатюризация кремниевых транзисторов сталкивается с физическими ограничениями. Как эта проблема может быть решена? Ученые работают над альтернативными технологиями, такими как квантовые вычисления и нейроморфные чипы.

Влияние кремниевых транзисторов на общество

Кремниевые транзисторы не просто изменили электронику — они трансформировали все общество. Их влияние можно увидеть во многих сферах:

Информационные технологии и интернет
Медицина (компьютерная томография, электронные имплантаты)
Космические исследования
Автомобильная промышленность
Образование и наука

Как кремниевые транзисторы изменили нашу повседневную жизнь? Они сделали доступными персональные компьютеры, смартфоны, умные бытовые приборы и множество других устройств, без которых мы уже не представляем свою жизнь.

Будущее кремниевых транзисторов

Несмотря на появление новых технологий, кремниевые транзисторы, вероятно, останутся основой электроники еще долгое время. Ожидается, что они продолжат совершенствоваться:

Дальнейшее уменьшение размеров (до 1-2 нм)
Использование новых материалов (графен, углеродные нанотрубки)
Интеграция с оптическими и квантовыми технологиями
Развитие трехмерных структур

Какие вызовы стоят перед разработчиками кремниевых транзисторов? Основные проблемы связаны с квантовыми эффектами, возникающими на наноуровне, и тепловыделением при высокой плотности транзисторов.

Кремниевые транзисторы продолжают оставаться ключевым элементом современной электроники, обеспечивая постоянное улучшение характеристик электронных устройств. Их развитие тесно связано с прогрессом в области материаловедения, нанотехнологий и квантовой физики.

Транзистор кремниевый эпитаксиально-планарный 2П7233А

В корзину

Описание и характеристики
Отзывы(0)
Инструкция

Транзистор «2П7233А» кремниевый эпитаксиально-планарный полевой с изолированным затвором, с обогащенным n-каналом и встроенным обратносмещенным диодом, в металлокерамическом корпусе КТ-97В, предназначенный для использования в источниках вторичного электропитания и другой преобразовательной аппаратуре специального назначения.

Особенности

Категория качества ВП,
Диапазон рабочих температур от — 60 до +125 C,
Материал покрытия выводов — Н3, Зл.4
Масса не более 10 г.

Корпусное исполнение — металлокерамический корпус КТ-97В (TO-254).

Обозначение технических условий: АЕЯР. 432140.577 ТУ.

Надежность

95 — процентный ресурс — 50 000 ч.

Срок сохраняемости — 25 лет.

Указания по эксплуатации

Транзистор пригоден для монтажа в аппаратуре методом групповой пайки оплавлением паяльных паст и паяльником. Температура пайки не выше 265 С. Время пайки не более 4 с. Время лужения 2 с. Допустимое число перепаек выводов транзисторов при проведении монтажных (сборочных) операций не более трех. Расстояние от корпуса до места лужения и пайки (по длине вывода) не менее 5 мм. Допускаются другие режимы и условия пайки при обеспечении сохранения целостности конструкции и надежности транзистора, что должно подтверждаться проведением испытаний потребителем. При монтаже транзистора корпус должен быть закреплен таким образом, чтобы в месте выхода вывода из корпуса вывод не испытывал вращающих или изгибающих усилий.

При монтаже транзисторов на теплоотводящий радиатор необходимо соблюдать следующие требования:

для улучшения теплового баланса, установку транзисторов на радиатор осуществлять с помощью теплопроводящих паст или специальных мягких прокладок;

запрещается припайка теплоотводящей поверхности корпуса к теплоотводу;
допускается электрическая изоляция корпуса транзистора от радиатора, при этом задание электрического режима должно производится с учетом теплового сопротивления изолирующей прокладки или пасты. При эксплуатации транзисторов в условиях механических воздействий транзисторы необходимо крепить за корпус.

Технические характеристики
Наименование	Буквенное обозначение	Норма		Температура среды, корпуса, С
Наименование	Буквенное обозначение	не менее	не более	Температура среды, корпуса, С
Остаточный ток стока (UЗИ = 0 В, UСИ = 60 В), мкА (UЗИ = 0 В, UСИ = 48 В), мкА (UЗИ = 0 В, UСИ = 48 В), мкА	IС. ост	— — —	250 1000 250	25±10 (125±5) -60±3
Ток стока 2), А (tи 300 мкс, Q 50, UЗИ = 5 В, UСИ = 2,2 В)	IС	40		25±10
Ток утечки затвора, нА (UЗИ = ±10 В, UСИ = 0 В)	—	30	±100	25±10
Сопротивление сток-исток в открытом состоянии 2), Ом (tи 300 мкс, Q 50, UЗИ = 5,0 В, IС = 31 А) UЗИ = 4,0 В, IС = 25 А)	RСИ. отк	— —	0,030 0,042	25±10
Крутизна характеристики, А/В (UСИ = 25 В, IС = 31 А, tи 300 мкс, Q 50)	S	23	—	25±10
Пороговое напряжение, В (UЗИ = UCИ, IС = 0,25 мА)	UЗИ. пор	1,0	2,0	25±10
Постоянное прямое напряжение диода, В (UЗИ = 0 В, IС = 40 А, tи 300 мкс, Q 50)	Uпр	—	2,5	25±10

Отзывы

Представлен транзистор для кремниевого мозга — он точно имитирует работу человеческого синапса

3DNews Технологии и рынок IT. Новости разработка и производство электроники Представлен транзистор для кремниевого м…

Самое интересное в обзорах

09. 03.2023 [21:04], Геннадий Детинич

Французский исследовательский центр CEA-Leti разработал транзистор с примерно 50 состояниями, а не с двумя, как у современной цифровой электроники. «Аналоговый» транзистор имитирует работу синапсов в нервной ткани человеческого мозга и делает это довольно близко по таким характеристикам, как энергопотребление и скорость. Планируется, что на основе новых транзисторов будут построены нейронные процессоры нового поколения с впечатляющими возможностями.

Источник изображения: Pixabay

Возможно, эта разработка ближе всего подошла к имитации того, как взаимодействуют нейроны мозга, считают в CEA-Leti. Транзистор также миниатюрен как синапс, потребляет столько же и работает на том же принципе — срабатывает не по одному импульсу, а после прихода критической «массы» сигналов. Синапс ведь не отзывается на одиночные нервные импульсы. Для запуска сигнала дальше по нервной сети требуются множественные стимулирующие реакции через синапсы. Только тогда конкретный нейрон запустит потенциал по своей сети дендритов для передачи информации другим связанным с ним нейронам.

Другое сходство между новым транзистором и синапсом заключается в том, что оба они являются ионными. Транзистор использует преимущества той же электрохимической реакции, что и синапс. В случае с транзистором его канал состоит из оксида титана, через который проходят ионы лития. В зависимости от их количества они изменяют электронную проводимость канала. Благодаря этому транзистор потребляет 1 фДж/мкм², столько же, сколько синапс. Это в 100 раз меньше, чем у других возможных решений, включая перспективную резистивную память.

Толщина транзистора всего 200 нм, а число циклов переключения более 100 тыс. Исследователи научились выпускать массивы транзисторов на 200-мм кремниевых пластинах с использованием стандартных КМОП-совместимых техпроцессов. Массивы транзисторов были испытаны в работе на эталонном тесте MNIST на распознавание изображений и показали хороший результат. Но предстоит ещё большая работа по подтверждению квалификации транзисторов для использования в нейронных чипах.

«Все эти элементы обнадеживают, но мы находимся только на первых этапах процесса оценки. Мы должны продолжать доводить транзистор до зрелости и обеспечить углубленную оценку его долговечности и надежности», — объяснил один из учёных из CEA-Leti.

Источник:

Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.

Материалы по теме

Постоянный URL: https://3dnews.ru/1083158/predstavlen-tranzistor-dlya-kremnievogo-mozga-on-tochno-imitiruet-rabotu-sinapsa

Рубрики: Новости Hardware, нанотехнологии, на острие науки, разработка и производство электроники,

Теги: cea-leti, транзисторы, нейроморфный, нейронная сеть

← В прошлое В будущее →

Кремниевый транзистор

: определение, история и принципы

Что такое кремниевый транзистор?

A Кремниевый транзистор представляет собой полупроводник на кремниевой основе. Он используется в самых разных электронных устройствах, таких как телевизоры и телефоны, для изменения потока электрического тока. Кремний в значительной степени заменил германий в транзисторах из-за его способности продолжать работать при высоких температурах. Кремниевый транзистор имеет и другие преимущества по сравнению с альтернативными материалами, такие как стоимость производства, и поэтому сегодня он производится массово в промышленно развитых странах.

Кремниевые транзисторы

Транзистор представляет собой устройство с промежуточной или переменной электропроводностью. Он используется для усиления и отклонения электрических токов в электронных устройствах. Обычно это делается с помощью отдельного входного сигнала, который управляет потоком электричества через транзистор. Входной сигнал можно изменить, изменяя его напряжение. Транзисторы, собранные вместе, образуют интегральную схему.

История кремниевого транзистора

Тем временем в 1950-х годах ученые и инженеры Bell Labs и Texas Instruments разрабатывали передовые технологии, необходимые для производства кремниевых транзисторов. Из-за более высокой температуры плавления и большей реакционной способности с кремнием было гораздо труднее работать, чем с германием, но он открывал большие перспективы для повышения производительности, особенно в переключающих устройствах. Транзисторы из германия делают переключатели с утечками; значительные токи утечки могут протекать, когда эти устройства предположительно находятся в выключенном состоянии. Кремниевые транзисторы имеют гораздо меньшую утечку. В 1954 Texas Instruments произвела первые коммерчески доступные транзисторы с кремниевым переходом и быстро заняла доминирующее положение на этом новом рынке, особенно для военных приложений, где их высокая стоимость не вызывала особого беспокойства.

В середине 1950-х годов Bell Labs сосредоточила свои усилия по разработке транзисторов на новых диффузионных технологиях, в которых очень узкие полупроводниковые слои — толщиной, измеряемой в микронах или миллионных долях метра — готовятся путем диффузии атомов примеси в поверхность полупроводника из горячий газ. Внутри диффузионной печи атомы примеси легче проникают в поверхность кремния или германия; глубина их проникновения регулируется изменением плотности, температуры и давления газа, а также временем обработки. Впервые диоды и транзисторы, произведенные с помощью этих процессов диффузионной имплантации, работали на частотах выше 100 мегагерц (100 миллионов циклов в секунду). Эти транзисторы с диффузной базой можно было бы использовать в приемниках и передатчиках для FM-радио и телевидения, которые работают на таких высоких частотах.

Еще один важный прорыв произошел в Bell Labs в 1955 году, когда Карл Фрош и Линк Дерик разработали способ получения стеклообразного внешнего слоя диоксида кремния на поверхности кремния в процессе диффузии. Этот слой предложил производителям транзисторов многообещающий способ защиты кремния под ним от дополнительных примесей после завершения процесса диффузии и достижения желаемых электрических свойств.

Texas Instruments, Fairchild Semiconductor Corporation и другие компании взяли на себя инициативу в применении этих диффузионных технологий для крупномасштабного производства транзисторов. В Fairchild физик Жан Хорни разработал планарный производственный процесс, в соответствии с которым различные полупроводниковые слои и их чувствительные интерфейсы помещаются под защитный внешний слой из диоксида кремния. Вскоре компания начала производить и продавать планарные кремниевые транзисторы, в основном для военного применения. Под руководством Роберта Нойса и Гордона Э. Мура ученые и инженеры Fairchild распространили эту революционную технику на производство интегральных схем.

В конце 1950-х годов исследователи Bell Labs разработали способы использования новых диффузионных технологий для реализации оригинальной идеи Шокли 1945 года о полевом транзисторе (FET). Для этого им пришлось решить проблему электронов в поверхностном состоянии, которые в противном случае блокировали бы проникновение внешних электрических полей в полупроводник. Им удалось тщательно очистить поверхность кремния и вырастить на ней слой очень чистого диоксида кремния. Этот подход уменьшил количество электронов в поверхностном состоянии на границе раздела между кремниевым и оксидным слоями, что позволило изготовить первый успешный полевой транзистор в 1919 году. 60 в Bell Labs, которая, однако, не продолжила свое развитие.

Усовершенствования конструкции полевого транзистора другими компаниями, особенно RCA и Fairchild, привели к созданию полевого транзистора металл-оксид-полупроводник (MOSFET) в начале 1960-х годов. Ключевыми проблемами, которые необходимо было решить, были стабильность и надежность этих МОП-транзисторов, которые основывались на взаимодействиях, происходящих на чувствительной поверхности кремния или вблизи нее, а не глубоко внутри. Обе фирмы начали выпускать МОП-транзисторы в продажу в конце 19 века.64.

В начале 1963 года Фрэнк Ванласс из Fairchild разработал комплементарную схему МОП (КМОП) транзисторов, основанную на паре МОП-транзисторов. Этот подход в конечном итоге оказался идеальным для использования в интегральных схемах из-за простоты производства и очень низкого рассеивания мощности в режиме ожидания. Однако проблемы со стабильностью продолжали преследовать МОП-транзисторы, пока в середине 1960-х исследователи из Fairchild не разработали решения. К концу десятилетия МОП-транзисторы начали вытеснять транзисторы с биполярным переходом в производстве микросхем. С конца 19КМОП-технология 80-х была предпочтительной технологией для цифровых приложений, в то время как биполярные транзисторы в настоящее время используются в основном для аналоговых и микроволновых устройств.

Принцип работы транзистора

p-n переход

Работа переходных транзисторов, как и большинства других полупроводниковых устройств, сильно зависит от поведение электронов и дырок на границе двух разнородных слоев, известный как p-n переход. Обнаружен в 1940 электрохимика Bell Labs Рассела Ола, p-n переходы образуются путем добавления двух разных примесных элементов к соседним областям германия или кремния. Добавление этих примесных элементов называется легированием. Атомы элементов 15-й группы периодической таблицы (которые обладают пятью валентными электронами), таких как фосфор или мышьяк, вносят электрон, у которого нет естественного места покоя в кристаллической решетке. Таким образом, эти избыточные электроны слабо связаны и относительно свободно перемещаются, действуя как носители заряда, которые могут проводить электрический ток. Атомы элементов группы 13 (с тремя валентными электронами), таких как бор или алюминий, вызывают дефицит электронов при добавлении в качестве примесей, эффективно создавая «дыры» в решетке. Эти положительно заряженные квантово-механические сущности также довольно свободно перемещаются и проводят электричество. Под действием электрического поля электроны и дырки движутся в противоположных направлениях. Во время и сразу после Второй мировой войны химики и металлурги из Bell Labs усовершенствовали методы добавления примесей к кремнию и германию высокой чистоты, чтобы создать желаемый слой, богатый электронами (известный как n-слой) и бедный электронами слой (известный как n-слой). как p-слой) в этих полупроводниках, как описано в разделе Разработка транзисторов.

P-n-переход действует как выпрямитель, подобно старым кристаллическим выпрямителям с точечным контактом, позволяя легко протекать току только в одном направлении. Если на переход не подается напряжение, электроны и дырки будут собираться на противоположных сторонах интерфейса, образуя обедненный слой, который будет действовать как изолятор между двумя сторонами. Отрицательное напряжение, приложенное к n-слою, будет перемещать избыточные электроны внутри него к границе раздела, где они объединятся с положительно заряженными дырками, притягиваемыми туда электрическим полем. Тогда ток будет течь легко. Если вместо этого к n-слою приложить положительное напряжение, возникающее электрическое поле будет оттягивать электроны от границы раздела, поэтому их комбинации с дырками будут происходить гораздо реже. В этом случае ток не будет течь (кроме крошечных токов утечки). Таким образом, электричество будет течь только в одном направлении через p-n переход.

1954: Кремниевые транзисторы предлагают превосходные рабочие характеристики | Кремниевый двигатель

Моррис Таненбаум производит первый кремниевый транзистор в Bell Labs, но инженеры Texas Instruments создают и продают первые коммерческие устройства.

В течение первых шести лет своего существования все транзисторы были сделаны из германия. Хотя с этим элементом гораздо проще работать, чем с кремнием, и он допускает работу на более высоких частотах, твердотельные устройства, изготовленные с его использованием, имеют гораздо худшие токи утечки в «выключенном» состоянии — анафема для компьютерной логики. Они также могут работать при температуре от 0 до 70°C, что ограничивает их использование в жестких условиях. Кремниевые устройства, работающие при температуре от -55 до 125°C, стали возможны после того, как Dupont начала поставлять материал высокой чистоты «полупроводникового качества». 19 января54 Химик из Bell Labs Моррис Таненбаум изготовил первый кремниевый транзистор, используя вариант метода выращенного перехода Моргана Спаркса и Гордона Тила.

Но Лаборатории не стали развивать этот процесс дальше, посчитав его непривлекательным для коммерческого производства, что позволило Texas Instruments (TI) заявить о себе как о прорыве несколько месяцев спустя. Покинув Bell Labs, чтобы организовать исследовательскую лабораторию в TI, Тил нанял группу ученых и инженеров во главе с химиком Уиллисом Адкоком для работы над кремниевыми транзисторами. Используя кремний высокой чистоты Dupont, они сделали свой первый успешный кремниевый транзистор — n-p-n с использованием техники выращенного перехода — 14 апреля 1954 года. Не зная о работе Таненбаума, Тил представил это достижение 10 мая на конференции Института радиоинженеров в Дейтоне, штат Огайо, произведя сенсацию, объявив, что кремниевые транзисторы были в производстве и в продаже. При небольшой конкуренции TI доминировала на рынке кремниевых транзисторов в течение следующих нескольких лет и значительно укрепила позиции Raytheon как крупнейшего поставщика транзисторов на торговом рынке. К концу 1950-х годов кремний стал предпочтительным полупроводниковым материалом в отрасли.

Предыдущая веха Следующая веха

Таненбаум, Моррис. Записная книжка Bell Labs № 25505, стр. 30 (26 января 1954 г.).
Джонс, Мортон. Инженерная тетрадь Texas Instruments № 9614 (6 мая 1954 г.), стр. 46.
Тил, Г.К. «Некоторые последние разработки в области кремниевых и германиевых материалов и устройств», представлено на Национальной конференции по бортовой электронике в Дейтоне, Огайо (10 мая 1954 г.).
Адкок, В. А., Джонс, М. Е., Торнхилл, Дж. В., и Джексон, Э. Д. «Кремниевый транзистор», Труды IRE, Vol. 42 (июль 1954 г.) стр. 1192.
Таненбаум, Моррис и др. «Кремниевые npn транзисторы с выращенным переходом», Journal of Applied Physics , Том. 26, № 9 (июнь 1955 г.), стр. 686–692.

Риордан, М. и Ходдесон, Л. Хрустальный огонь: рождение века информации . (Нью-Йорк: WW Norton, 1997), стр. 206–209.
Риордан, Майкл. «Утерянная история транзистора», IEEE Spectrum (май 2004 г.), стр. 44–49

Панель устной истории исследований и разработок кремния в Bell Telephone Laboratories — Голди, Хиттингер, Таненбаум (2008-09 гг.