Was ist ein Epitaxialtransistor?
Der Epitaxialtransistor ist der Vorläufer für viele moderne Halbleiterbauelemente. Ein Standardtransistor verwendet drei Teile eines Halbleitermaterials, die direkt miteinander verschmolzen sind. Epitaxialtransistoren ähneln einem Standardtransistor, weisen jedoch eine sehr dünne Filmschicht aus reinem, ungeladenem Halbleitermaterial auf, die zwischen den Transistorabschnitten abgeschieden ist, um sie voneinander zu isolieren. Dies verbessert die Geschwindigkeit und Leistung des Geräts erheblich.
Ein Standardtransistor besteht aus drei Teilen eines Halbleitermaterials wie z. B. Silizium. Das Silizium für diese Stücke wird mit einem Zusatzstoff gemischt, der ihnen eine elektrische Ladung verleiht. Bei einem NPN-Transistor, einem Industriestandard, sind zwei der Teile negativ geladen, während das dritte positiv geladen ist.
Zum Aufbau des Transistors werden die drei Siliziumteile miteinander verschmolzen, wobei das positiv geladene Teil zwischen den beiden negativ geladenen Teilen liegt. Sobald diese Teile miteinander verschmolzen sind, findet an den beiden Stellen, an denen sich die Teile treffen, ein Elektronenaustausch statt, der als Übergänge bezeichnet wird. Der Elektronenaustausch hält an den Übergängen an, bis ein Gleichgewicht zwischen den negativen und positiven Ladungen erreicht ist. Nachdem die elektrischen Ladungen ausgeglichen sind, sind diese beiden Bereiche überhaupt nicht mehr geladen und werden als Verarmungsgebiete bezeichnet.
Verarmungsbereiche in einem Transistor bestimmen viele der Betriebseigenschaften des Geräts, z. B. wie schnell das Gerät seinen Zustand ändern kann, was als Schalten bezeichnet wird, und bei welchen Spannungen das Gerät leitet oder ausfällt, was als Durchbruch- oder Lawinenspannung bezeichnet wird. Da das Verfahren zum Erzeugen von Verarmungsbereichen in Standardtransistoren auf natürliche Weise erfolgt, sind sie nicht optimal genau und können nicht gesteuert werden, um ihre physikalische Struktur zu verbessern oder zu ändern, abgesehen von der Änderung der Stärke der Ladung, die anfänglich dem Silizium hinzugefügt wurde. Germanium-Transistoren hatten jahrelang im Vergleich zu Silizium-Transistoren überlegene Schaltgeschwindigkeiten, einfach weil der Germanium-Halbleiter dazu neigte, auf natürliche Weise dichtere Verarmungsbereiche zu bilden.
Howard Christensen und Gordon Teal von Bell Labs entwickelten 1951 eine Technologie, die wir heute als epitaktische Abscheidung bezeichnen. Diese Technologie könnte, wie der Name schon sagt, einen sehr dünnen Film oder eine Materialschicht auf einem Substrat aus einem identischen Material abscheiden. 1960 leitete Henry Theurer das Bell-Team, das die epitaktische Abscheidung von Siliziumhalbleitern perfektionierte.
Dieser neue Ansatz beim Bau von Transistoren hat Halbleiterbauelemente für immer verändert. Anstatt sich auf die natürlichen Tendenzen von Silizium zu verlassen, um die Verarmungsgebiete eines Transistors zu bilden, könnte die Technologie sehr dünne Schichten aus reinem, ungeladenem Silizium hinzufügen, die als Verarmungsgebiete wirken würden. Mit diesem Verfahren konnten Entwickler die Betriebseigenschaften von Siliziumtransistoren präzise steuern, und zum ersten Mal waren kostengünstige Siliziumtransistoren ihren Germanium-Pendants in jeder Hinsicht überlegen.
Mit dem perfektionierten epitaktischen Abscheidungsprozess schuf das Bell-Team den ersten Epitaxietransistor, den das Unternehmen in seiner Telefonvermittlungsausrüstung sofort einsatzbereit machte, wodurch sowohl die Geschwindigkeit als auch die Zuverlässigkeit des Systems verbessert wurden. Fairchild Semiconductors war von der Leistung des Epitaxietransistors beeindruckt und begann mit der Arbeit an einem eigenen Epitaxietransistor, dem legendären 2N914. Es brachte das Gerät 1961 auf den Markt und blieb weit verbreitet.
Nach Fairchilds Veröffentlichung begannen andere Unternehmen wie Sylvania, Motorola und Texas Instruments mit der Arbeit an eigenen Epitaxietransistoren, und das Silicon Age of electronics war geboren. Aufgrund des Erfolgs der epitaktischen Abscheidung bei der Herstellung von Transistoren und Siliziumbauteilen im Allgemeinen suchten die Ingenieure nach anderen Verwendungsmöglichkeiten für die Technologie und sie wurde bald für andere Materialien wie Metalloxide eingesetzt. Die direkten Nachfahren des Epitaxietransistors gibt es in nahezu allen modernen elektronischen Geräten: Flachbildschirmen, Digitalkamera-CCDs, Mobiltelefonen, integrierten Schaltkreisen, Computerprozessoren, Speicherchips, Solarzellen und einer Vielzahl anderer Geräte, die die Grundlage für alle bilden moderne technologische Systeme.