Dispositivo semiconductor

Un diodo semiconductor es un dispositivo que generalmente se forma a partir de una unión p-n . En la unión de un semiconductor de tipo p y uno de tipo n , se forma una región de agotamiento donde la conducción de corriente se ve inhibida por la falta de portadores de carga móviles. Cuando el dispositivo está polarizado en directa (conectado al lado p, que tiene un potencial eléctrico mayor que el lado n), esta región de agotamiento disminuye, lo que permite una conducción significativa. Por el contrario, solo se puede lograr una corriente muy pequeña cuando el diodo está polarizado en inversa (conectado al lado n, que tiene un potencial eléctrico mayor que el lado p, y por lo tanto la región de agotamiento se expande).

Al exponer un semiconductor a la luz, se generan pares electrón-hueco , lo que aumenta la cantidad de portadores libres y, por lo tanto, la conductividad. Los diodos optimizados para aprovechar este fenómeno se conocen como fotodiodos . Los diodos semiconductores compuestos también pueden producir luz, como en el caso de los diodos emisores de luz y los diodos láser .

Dispositivos de dos terminales:

• DIAC
• Diodo (diodo rectificador)
• diodo Gunn
• diodo IMPATT
• diodo láser
• Diodo emisor de luz (LED)
• Célula fotoeléctrica
• Fototransistor
• diodo PIN
• diodo Schottky
• Célula solar
• diodo supresor de sobretensiones transitorias
• diodo túnel
• VCSEL
• diodo Zener
• diodo Zen

Dispositivos de tres terminales:

• Transistor bipolar
• Transistor Darlington
• transistor de efecto de campo
• Transistor bipolar de puerta aislada (IGBT)
• rectificador controlado por silicio
• tiristor
• TRIAC
• Transistor unijuntura

Dispositivos de cuatro terminales:

• Sensor de efecto Hall (sensor de campo magnético)
• Optoacoplador​

Los números de pieza de los dispositivos semiconductores suelen ser específicos del fabricante. No obstante, se han realizado intentos por crear estándares para los códigos de tipo, y un subconjunto de dispositivos los sigue. Para los dispositivos discretos , por ejemplo, existen tres estándares: JEDEC JESD370B en Estados Unidos, Pro Electron en Europa y las Normas Industriales Japonesas (JIS).

Los semiconductores se habían utilizado en el campo de la electrónica durante algún tiempo antes de la invención del transistor. Hacia principios del siglo XX, eran bastante comunes como detectores en las radios , utilizados en un dispositivo llamado "bigote de gato" desarrollado por Jagadish Chandra Bose y otros. Sin embargo, estos detectores eran algo problemáticos, ya que requerían que el operador moviera un pequeño filamento de tungsteno (el bigote) alrededor de la superficie de un cristal de galena (sulfuro de plomo) o carborundo (carburo de silicio) hasta que comenzara a funcionar repentinamente. ^{[ 19 ]} Luego, durante un período de unas horas o días, el bigote de gato dejaba de funcionar lentamente y el proceso debía repetirse. En aquel entonces, su funcionamiento era completamente misterioso. Tras la introducción de las radios de válvulas de vacío , más fiables y amplificadas , los sistemas de bigote de gato desaparecieron rápidamente. El "bigote de gato" es un ejemplo primitivo de un tipo especial de diodo que todavía es popular hoy en día, llamado diodo Schottky .

Otro tipo primitivo de dispositivo semiconductor es el rectificador metálico, en el que el semiconductor es óxido de cobre o selenio . Westinghouse Electric (1886) fue un importante fabricante de estos rectificadores.

Durante la Segunda Guerra Mundial, la investigación en radares impulsó rápidamente el desarrollo de receptores de radar que operaban a frecuencias cada vez más altas , alrededor de 4000  MHz, y los receptores de radio tradicionales basados ​​en válvulas dejaron de funcionar correctamente. La introducción del magnetrón de cavidad, procedente de Gran Bretaña y presente en Estados Unidos en 1940 durante la Misión Tizard, generó una necesidad imperiosa de un amplificador práctico de alta frecuencia.

Por un capricho, Russell Ohl, de los Laboratorios Bell, decidió probar un bigote de gato . Para entonces, llevaban varios años sin usarse y nadie en los laboratorios tenía uno. Tras encontrar uno en una tienda de radios de segunda mano en Manhattan , descubrió que funcionaba mucho mejor que los sistemas de válvulas.

Ohl investigó por qué el detector de rayos X funcionaba tan bien. Dedicó la mayor parte de 1939 a cultivar versiones más puras de estos cristales. Pronto descubrió que, con cristales de mayor calidad, su comportamiento errático desaparecía, pero también su capacidad para funcionar como detector de radio. Un día, encontró uno de sus cristales más puros que, a pesar de todo, funcionaba correctamente, y tenía una grieta claramente visible cerca del centro. Sin embargo, mientras se movía por la habitación intentando probarlo, el detector funcionaba misteriosamente y luego se detenía. Tras un estudio, descubrió que el comportamiento estaba controlado por la luz de la habitación: a mayor luz, mayor conductancia en el cristal. Invitó a varias personas a ver este cristal, y Walter Brattain se dio cuenta de inmediato de que había una especie de unión en la grieta.

Investigaciones posteriores aclararon el misterio restante. El cristal se había agrietado porque cada lado contenía cantidades ligeramente diferentes de impurezas que Ohl no pudo eliminar: aproximadamente un 0,2 %. Un lado del cristal tenía impurezas que añadían electrones adicionales (los portadores de la corriente eléctrica) y lo convertían en un conductor. El otro lado tenía impurezas que tendían a unirse a estos electrones, convirtiéndolo en un aislante. Debido a que las dos partes del cristal estaban en contacto, los electrones podían ser expulsados ​​del lado conductor, que tenía electrones adicionales (que pronto se conocería como emisor ), y reemplazados por nuevos electrones suministrados (por ejemplo, desde una batería), que fluían hacia la parte aislante y eran recogidos por el filamento (llamado colector ) . Sin embargo, cuando se invertía el voltaje, los electrones que se empujaban hacia el colector llenaban rápidamente los huecos (las impurezas que necesitaban electrones), y la conducción se detenía casi instantáneamente. Esta unión de los dos cristales (o partes de un mismo cristal) creó un diodo de estado sólido, concepto que pronto se conoció como semiconducción. El mecanismo de funcionamiento del diodo cuando está apagado se debe a la separación de los portadores de carga alrededor de la unión. Esta zona se denomina « región de agotamiento ».

Conociendo el funcionamiento de estos nuevos diodos, se inició un intenso esfuerzo para aprender a fabricarlos bajo demanda. Equipos de la Universidad de Purdue , Bell Labs , el MIT y la Universidad de Chicago unieron fuerzas para desarrollar mejores cristales. En un año, la producción de germanio se perfeccionó hasta el punto de que los diodos de grado militar se utilizaban en la mayoría de los radares.

Tras la guerra, William Shockley decidió intentar construir un dispositivo semiconductor similar a un triodo . Consiguió financiación y espacio de laboratorio, y se puso a trabajar en el problema con Brattain y John Bardeen .

La clave para el desarrollo del transistor residió en una mayor comprensión del proceso de movilidad de los electrones en un semiconductor. Se comprendió que, si se lograba controlar el flujo de electrones desde el emisor hasta el colector de este diodo recién descubierto, se podría construir un amplificador. Por ejemplo, si se colocan contactos a ambos lados de un mismo tipo de cristal, no fluirá corriente entre ellos a través del cristal. Sin embargo, si un tercer contacto pudiera "inyectar" electrones o huecos en el material, la corriente fluiría.

En realidad, esto parecía muy difícil. Si el cristal tuviera un tamaño razonable, la cantidad de electrones (o huecos) que se necesitarían inyectar sería muy grande, lo que lo haría poco útil como amplificador , ya que requeriría una gran corriente de inyección inicial. Dicho esto, la idea principal del diodo de cristal era que el propio cristal pudiera proporcionar los electrones a lo largo de una distancia muy pequeña: la región de agotamiento. La clave parecía ser colocar los contactos de entrada y salida muy cerca uno del otro en la superficie del cristal, a ambos lados de esta región.

Brattain comenzó a trabajar en la construcción de un dispositivo de este tipo, y a medida que el equipo trabajaba en el problema, seguían apareciendo indicios prometedores de amplificación. A veces, el sistema funcionaba, pero luego dejaba de funcionar inesperadamente. En un caso, un sistema que no funcionaba empezó a funcionar al colocarlo en agua. Ohl y Brattain desarrollaron finalmente una nueva rama de la mecánica cuántica , conocida como física de superficies , para explicar este comportamiento. Los electrones en cualquier parte del cristal migrarían debido a las cargas cercanas. Los electrones en los emisores, o los "huecos" en los colectores, se agruparían en la superficie del cristal, donde podrían encontrar su carga opuesta "flotando" en el aire (o en el agua). Sin embargo, podían ser expulsados ​​de la superficie con la aplicación de una pequeña cantidad de carga desde cualquier otro punto del cristal. En lugar de necesitar un gran suministro de electrones inyectados, una cantidad muy pequeña en el lugar adecuado del cristal lograría el mismo efecto.

Su comprensión resolvió, en cierta medida, el problema de necesitar un área de control muy pequeña. En lugar de dos semiconductores separados conectados por una región común, aunque diminuta, bastaría con una única superficie más grande. Los electrodos emisor y colector se colocarían muy cerca uno del otro en la parte superior, mientras que el electrodo de control se ubicaría en la base del cristal. Al circular corriente por este electrodo de base, los electrones o huecos serían expulsados ​​a través del bloque del semiconductor y se acumularían en la superficie opuesta. Siempre que el emisor y el colector estuvieran muy cerca, esto permitiría que hubiera suficientes electrones o huecos entre ellos para que se iniciara la conducción.

El equipo de Bell realizó numerosos intentos para construir un sistema de este tipo con diversas herramientas, pero generalmente fracasaron. Los montajes, donde los contactos estaban lo suficientemente cerca, eran invariablemente tan frágiles como los detectores originales de bigotes de gato, y funcionaban brevemente, si es que funcionaban. Finalmente, lograron un avance práctico. Se pegó una lámina de oro al borde de una cuña de plástico y luego se cortó la lámina con una cuchilla en la punta del triángulo. El resultado fueron dos contactos de oro muy próximos entre sí. Cuando se presionó la cuña sobre la superficie de un cristal y se aplicó voltaje al otro lado (en la base del cristal), la corriente comenzó a fluir de un contacto al otro, ya que el voltaje de la base empujaba los electrones desde la base hacia el otro lado, cerca de los contactos. Se había inventado el transistor de contacto puntual.

Si bien el dispositivo se construyó una semana antes, las notas de Brattain describen la primera demostración a los altos cargos de los Laboratorios Bell la tarde del 23 de diciembre de 1947, fecha que a menudo se considera el nacimiento del transistor. Lo que hoy se conoce como el " transistor de germanio de contacto puntual p-n-p " funcionó como amplificador de voz con una ganancia de potencia de 18 en esa prueba. John Bardeen , Walter Houser Brattain y William Bradford Shockley recibieron el Premio Nobel de Física de 1956 por su trabajo.

Los Laboratorios Bell Telephone necesitaban un nombre genérico para su nuevo invento: se consideraron "Triodo semiconductor", "Triodo sólido", "Triodo de estados superficiales" [ sic ] , "Triodo de cristal" e "Iotatrón", pero "transistor", acuñado por John R. Pierce , ganó una votación interna. La justificación del nombre se describe en el siguiente extracto de los Memorandos Técnicos de la compañía (28 de mayo de 1948) [26] en los que se solicitaban votos:

Transistor. Esta es una combinación abreviada de las palabras "transconductancia" o "transferencia" y "varistor". El dispositivo pertenece lógicamente a la familia de los varistores y posee la transconductancia o impedancia de transferencia de un dispositivo con ganancia, por lo que esta combinación resulta descriptiva.

Shockley estaba molesto porque el dispositivo se le atribuía a Brattain y Bardeen, quienes, según él, lo habían construido "a sus espaldas" para llevarse el mérito. La situación empeoró cuando los abogados de Bell Labs descubrieron que algunos de los escritos de Shockley sobre el transistor eran lo suficientemente similares a los de una patente anterior de 1925 de Julius Edgar Lilienfeld, por lo que consideraron que lo mejor era omitir su nombre de la solicitud de patente.

Shockley se enfureció y decidió demostrar quién era el verdadero cerebro de la operación. Unos meses más tarde, inventó un transistor bipolar de unión completamente nuevo, considerablemente más robusto, con una estructura de capas o tipo sándwich, que se utilizó en la gran mayoría de los transistores hasta la década de 1960.

Una vez resueltos los problemas de fragilidad, el problema restante era la pureza. Lograr la pureza requerida en el germanio estaba resultando ser un problema grave y limitaba el rendimiento de transistores que realmente funcionaban a partir de un lote determinado de material. La sensibilidad del germanio a la temperatura también limitaba su utilidad. Los científicos teorizaron que el silicio sería más fácil de fabricar, pero pocos investigaron esta posibilidad. Gordon K. Teal, antiguo científico de Bell Labs , fue el primero en desarrollar un transistor de silicio funcional en la incipiente Texas Instruments , lo que le otorgó una ventaja tecnológica. Desde finales de la década de 1950, la mayoría de los transistores se basaban en silicio. En pocos años, aparecieron en el mercado productos basados ​​en transistores, sobre todo radios portátiles. La técnica de " fusión por zonas ", que utiliza una banda de material fundido que se mueve a través del cristal, aumentó aún más la pureza del cristal.

En 1955, Carl Frosch y Lincoln Derick cultivaron accidentalmente una capa de dióxido de silicio sobre la oblea de silicio, en la que observaron efectos de pasivación de la superficie. ^{[ 20 ] [ 21 ]} Para 1957, Frosch y Derick, utilizando enmascaramiento y predeposición, pudieron fabricar transistores de efecto de campo de dióxido de silicio; los primeros transistores planares, en los que el drenador y la fuente estaban adyacentes en la misma superficie. ^{[ 22 ]} Demostraron que el dióxido de silicio aislaba, protegía las obleas de silicio e impedía que los dopantes se difundieran en la oblea. ^{[ 20 ] [ 22 ]} En Bell Labs, la importancia de la técnica y los transistores de Frosch y Derick se reconoció de inmediato. Los resultados de su trabajo circularon por Bell Labs en forma de memorandos BTL antes de ser publicados en 1957. En Shockley Semiconductor , Shockley había distribuido la versión preliminar de su artículo en diciembre de 1956 a todo su personal directivo, incluido Jean Hoerni , ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]} quien más tarde inventaría el proceso planar en 1959 mientras estaba en Fairchild Semiconductor . ^{[ 27 ] [ 28 ]}

Después de esto, JR Ligenza y WG Spitzer estudiaron el mecanismo de óxidos crecidos térmicamente, fabricaron una pila Si/ SiO₂ de alta _{calidad y publicaron sus resultados en 1960.} ^{[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]} Tras esta investigación, Mohamed Atalla y Dawon Kahng propusieron un transistor MOS de silicio en 1959 ^{[ 32 ]} y demostraron con éxito un dispositivo MOS funcional con su equipo de Bell Labs en 1960. ^{[ 33 ] [ 34 ]} Su equipo incluía a EE LaBate y EI Povilonis, quienes fabricaron el dispositivo; MO Thurston, LA D'Asaro y JR Ligenza, quienes desarrollaron los procesos de difusión, y HK Gummel y R. Lindner, quienes caracterizaron el dispositivo. ^{[ 35 ] [ 36 ]}

Gracias a su escalabilidad [ ^{37 ] y a} su consumo de energía mucho menor y mayor densidad que los transistores de unión bipolar ^{[ 38 ]} , el MOSFET se convirtió en el tipo de transistor más común en computadoras, electrónica ^{[ 39 ]} y tecnología de comunicaciones como los teléfonos inteligentes ^{[ 40 ]} . La Oficina de Patentes y Marcas de los Estados Unidos considera al MOSFET un «invento revolucionario que transformó la vida y la cultura en todo el mundo» ^{[ 40 ] .}

El concepto de capa de inversión de Bardeen de 1948 constituye la base de la tecnología CMOS actual. ^{[ 41 ]} CMOS ( MOS complementario ) fue inventado por Chih-Tang Sah y Frank Wanlass en Fairchild Semiconductor en 1963. ^{[ 42 ]} El primer informe de un MOSFET de puerta flotante fue realizado por Dawon Kahng y Simon Sze en 1967. ^{[ 43 ]} FinFET (transistor de efecto de campo de aleta), un tipo de MOSFET multigate 3D , fue propuesto por HR Farrah ( Bendix Corporation ) y RF Steinberg en 1967 ^{[ 44 ]} y construido por primera vez por Digh Hisamoto y su equipo de investigadores en el Laboratorio Central de Investigación de Hitachi en 1989. ^{[ 45 ] [ 46 ]}