Co to jest tranzystor epitaksjalny?
Tranzystor epitaksjalny jest prekursorem wielu nowoczesnych urządzeń półprzewodnikowych. Standardowy tranzystor używa trzech kawałków materiału półprzewodnikowego połączonych ze sobą bezpośrednio. Tranzystory epitaksjalne są bardzo podobne do standardowych tranzystorów, tyle że mają bardzo cienką warstwę czystego, nienaładowanego materiału półprzewodnikowego osadzonego między sekcjami tranzystora, aby odizolować je od siebie. To znacznie poprawia szybkość i wydajność urządzenia.
Standardowy tranzystor składa się z trzech kawałków materiału półprzewodnikowego, takiego jak krzem. Krzem w tych kawałkach miesza się z dodatkiem, który nadaje im ładunek elektryczny. W przypadku tranzystora typu NPN, standardu przemysłowego, dwa elementy są naładowane ujemnie, podczas gdy trzeci jest naładowany dodatnio.
Aby zbudować tranzystor, trzy kawałki krzemu są stopione ze sobą, a dodatnio naładowany element jest umieszczony pomiędzy dwoma ujemnie naładowanymi elementami. Po stopieniu się tych elementów następuje wymiana elektronów w dwóch miejscach, w których się spotykają, zwanych połączeniami. Wymiana elektronów trwa na skrzyżowaniach, aż do osiągnięcia równowagi między ładunkami ujemnymi i dodatnimi. Po zrównoważeniu ładunków elektrycznych te dwa obszary w ogóle nie mają już żadnego ładunku i nazywane są regionami zubożenia.
Regiony wyczerpania w tranzystorze określają wiele cech operacyjnych urządzenia, takich jak szybkość, z jaką urządzenie może zmieniać stany, zwane przełączaniem, oraz przy jakich napięciach będzie przewodzić lub ulegać awariom, zwanym napięciem przebicia lub lawinowym. Ponieważ metoda tworzenia obszarów wyczerpania w standardowych tranzystorach zachodzi naturalnie, nie są one optymalnie precyzyjne i nie można ich kontrolować w celu poprawy lub zmiany ich struktury fizycznej, poza zmianą siły ładunku początkowo dodanego do krzemu. Przez lata tranzystory germanowe miały lepsze prędkości przełączania w porównaniu do tranzystorów krzemowych po prostu dlatego, że półprzewodnik germanowy miał tendencję do tworzenia węższych regionów zubożenia.
W 1951 roku Howard Christensen i Gordon Teal z Bell Labs stworzyli technologię, którą teraz nazwaliśmy osadzaniem epitaksjalnym. Technologia ta, jak sama nazwa wskazuje, może osadzać bardzo cienki film lub warstwę materiału na podłożu z identycznego materiału. W 1960 r. Henry Theurer kierował zespołem Bell, który perfekcyjnie wykorzystał osadzanie epitaksjalne w półprzewodnikach krzemowych.
To nowe podejście do budowy tranzystorów na zawsze zmieniło urządzenia półprzewodnikowe. Zamiast polegać na naturalnych tendencjach krzemu do tworzenia obszarów zubożenia tranzystora, technologia mogłaby dodać bardzo cienkie warstwy czystego, nienaładowanego krzemu, który działałby jako regiony zubożenia. Proces ten dał projektantom precyzyjną kontrolę nad charakterystyką operacyjną tranzystorów krzemowych, a po raz pierwszy opłacalne tranzystory krzemowe stały się lepsze pod każdym względem od swoich odpowiedników germanowych.
Po udoskonaleniu procesu osadzania epitaksjalnego zespół Bell stworzył pierwszy tranzystor epitaksjalny, który firma natychmiast wdrożyła w sprzęt do przełączania telefonu, poprawiając zarówno szybkość, jak i niezawodność systemu. Będąc pod wrażeniem wydajności tranzystora epitaksjalnego, Fairchild Semiconductors rozpoczął pracę nad własnym tranzystorem epitaksjalnym, legendarnym 2N914. To urządzenie wypuściło na rynek w 1961 roku i nadal było szeroko stosowane.
Po wydaniu Fairchilda inne firmy, takie jak Sylvania, Motorola i Texas Instruments, rozpoczęły prace nad własnymi tranzystorami epitaksjalnymi i narodziła się epoka krzemowa elektroniki. Ze względu na sukces osadzania epitaksjalnego w tworzeniu tranzystorów i ogólnie urządzeń krzemowych, inżynierowie poszukiwali innych zastosowań tej technologii i wkrótce zaczęto ją stosować z innymi materiałami, takimi jak tlenki metali. Bezpośredni potomkowie epitaksjalnego tranzystora istnieją w prawie każdym możliwym do wyobrażenia zaawansowanym urządzeniu elektronicznym: płaskich ekranach, matrycach CCD w aparatach cyfrowych, telefonach komórkowych, układach scalonych, procesorach komputerowych, układach pamięci, ogniwach słonecznych i niezliczonych innych urządzeniach, które stanowią fundament wszystkich nowoczesne systemy technologiczne.