Che cos'è un transistor epitassiale?
Il transistor epitassiale è il precursore di molti moderni dispositivi a semiconduttore. Un transistor standard utilizza tre pezzi di materiale semiconduttore fusi insieme direttamente. I transistor epitassiali sono molto simili a un transistor standard, tranne per il fatto che hanno uno strato di pellicola molto sottile di materiale semiconduttore puro e non caricato depositato tra le sezioni del transistor per isolarli l'uno dall'altro. Ciò migliora notevolmente la velocità e le prestazioni del dispositivo.
Un transistor standard è composto da tre pezzi di materiale semiconduttore, come il silicio. Il silicio per questi pezzi è miscelato con un additivo che conferisce loro una carica elettrica. Per un transistor di tipo NPN, uno standard industriale, due dei pezzi sono caricati negativamente mentre il terzo è caricato positivamente.
Per costruire il transistor, i tre pezzi di silicio vengono fusi insieme, con il pezzo caricato positivamente inserito tra i due pezzi caricati negativamente. Una volta che questi pezzi sono fusi insieme, si verifica uno scambio di elettroni nei due punti in cui i pezzi si incontrano, chiamati giunzioni. Lo scambio di elettroni continua nelle giunzioni fino a quando non viene raggiunto un equilibrio tra le cariche positive e negative. Avendo bilanciato le cariche elettriche, queste due aree non hanno più alcuna carica e sono chiamate regioni di esaurimento.
Le regioni di esaurimento in un transistor determinano molte delle caratteristiche operative del dispositivo, come la velocità con cui il dispositivo può cambiare stati, chiamato commutazione, e con quali tensioni condurrà o meno il dispositivo, chiamato tensione di rottura o valanga. Poiché il metodo di creazione di regioni di svuotamento nei transistor standard avviene in modo naturale, non sono perfettamente precisi e non possono essere controllati per migliorare o alterare la loro struttura fisica, oltre a cambiare la forza della carica inizialmente aggiunta al silicio. Per anni, i transistor al germanio avevano velocità di commutazione superiori rispetto ai transistor al silicio semplicemente perché il semiconduttore al germanio tendeva a formare naturalmente regioni di deplezione più strette.
Nel 1951, Howard Christensen e Gordon Teal dei Bell Labs crearono una tecnologia che ora chiamavamo deposizione epitassiale. Questa tecnologia, come suggerisce il nome, potrebbe depositare un film molto sottile, o strato, di materiale su un substrato di un materiale identico. Nel 1960, Henry Theurer guidò il team Bell che perfezionò l'uso della deposizione epitassiale per i semiconduttori al silicio.
Questo nuovo approccio alla costruzione di transistor ha cambiato per sempre i dispositivi a semiconduttore. Invece di fare affidamento sulle tendenze naturali del silicio per formare le regioni di esaurimento di un transistor, la tecnologia potrebbe aggiungere strati molto sottili di silicio puro, non caricato, che fungerebbero da regioni di esaurimento. Questo processo ha dato ai progettisti un controllo preciso sulle caratteristiche operative dei transistor al silicio e, per la prima volta, i transistor al silicio economici sono diventati superiori sotto tutti gli aspetti rispetto alle loro controparti in germanio.
Con il processo di deposizione epitassiale perfezionato, il team Bell ha creato il primo transistor epitassiale, che la società ha messo in servizio immediato nelle sue apparecchiature di commutazione telefonica, migliorando sia la velocità che l'affidabilità del sistema. Stupito dalle prestazioni del transistor epitassiale, Fairchild Semiconductors iniziò a lavorare sul proprio transistor epitassiale, il leggendario 2N914. Ha rilasciato il dispositivo sul mercato nel 1961 ed è rimasto ampiamente utilizzato.
Dopo l'uscita di Fairchild, altre società come Sylvania, Motorola e Texas Instruments, iniziarono a lavorare sui propri transistor epitassiali e nacque l'Era dell'elettronica al silicio. A causa del successo della deposizione epitassiale nella creazione di transistor e dei dispositivi al silicio in generale, gli ingegneri hanno cercato altri usi per la tecnologia e presto sono stati messi a lavorare con altri materiali, come gli ossidi metallici. I discendenti diretti del transistor epitassiale esistono in quasi tutti i dispositivi elettronici avanzati immaginabili: schermi piatti, CCD per fotocamere digitali, telefoni cellulari, circuiti integrati, processori per computer, chip di memoria, celle solari e una miriade di altri dispositivi che costituiscono le basi di tutti moderni sistemi tecnologici.