Что такое эпитаксиальный транзистор?

Эпитаксиальный транзистор является предвестником для многих современных полупроводниковых приборов. Стандартный транзистор использует три куска полупроводникового материала, слитых вместе напрямую. Эпитаксиальные транзисторы очень похожи на стандартные транзисторы, за исключением того, что они имеют очень тонкий пленочный слой из чистого незаряженного полупроводникового материала, нанесенный между секциями транзистора, чтобы изолировать их друг от друга. Это значительно повышает скорость и производительность устройства.

Стандартный транзистор состоит из трех частей из полупроводникового материала, такого как кремний. Кремний для этих частей смешан с добавкой, которая дает им электрический заряд. Для транзистора NPN-типа, промышленного стандарта, две части заряжены отрицательно, а третья заряжена положительно.

Чтобы построить транзистор, три куска кремния сплавляются вместе, причем положительно заряженный элемент помещается между двумя отрицательно заряженными частями. Как только эти части соединены вместе, обмен электронами происходит в двух местах, где части встречаются, называемые соединениями. Обмен электронами продолжается в местах соединения, пока не будет достигнут баланс между отрицательным и положительным зарядами. Сбалансировав электрические заряды, эти две области больше не имеют никакого заряда и называются областями истощения.

Области истощения в транзисторе определяют многие эксплуатационные характеристики устройства, например, насколько быстро устройство может изменять состояния, называемое переключением, и при каких напряжениях устройство будет проводить или выходить из строя, называемое его напряжением пробоя или лавинного напряжения. Поскольку метод создания областей истощения в стандартных транзисторах происходит естественным образом, они не являются оптимально точными и не могут контролироваться для улучшения или изменения их физической структуры, за исключением изменения силы заряда, первоначально добавленного в кремний. В течение многих лет германиевые транзисторы имели превосходные скорости переключения по сравнению с кремниевыми транзисторами просто потому, что германиевый полупроводник имел тенденцию естественно образовывать более плотные области истощения.

В 1951 году Говард Кристенсен и Гордон Тил из Bell Labs создали технологию, которая теперь называется эпитаксиальным осаждением. Эта технология, как следует из названия, может наносить очень тонкую пленку или слой материала на подложку из идентичного материала. В 1960 году Генри Тойрер возглавил команду Белла, которая усовершенствовала использование эпитаксиального осаждения для кремниевых полупроводников.

Этот новый подход к конструированию транзисторов навсегда изменил полупроводниковые устройства. Вместо того чтобы полагаться на естественные тенденции кремния для формирования областей истощения транзистора, технология может добавить очень тонкие слои чистого незаряженного кремния, которые будут действовать в качестве областей истощения. Этот процесс дал разработчикам точный контроль над эксплуатационными характеристиками кремниевых транзисторов, и впервые экономически эффективные кремниевые транзисторы превзошли во всех отношениях их германиевые аналоги.

С совершенствованием процесса эпитаксиального осаждения команда Bell создала первый эпитаксиальный транзистор, который компания незамедлительно задействовала в своем оборудовании для телефонной коммутации, улучшив как скорость, так и надежность системы. Под впечатлением от характеристик эпитаксиального транзистора Fairchild Semiconductors начала работу над собственным эпитаксиальным транзистором, легендарным 2N914. Оно выпустило устройство на рынок в 1961 году и оставалось широко распространенным.

После выпуска Fairchild другие компании, такие как Sylvania, Motorola и Texas Instruments, начали работу над своими собственными эпитаксиальными транзисторами, и на свет появился Кремниевый век электроники. В связи с успехом эпитаксиального осаждения при создании транзисторов и кремниевых устройств в целом, инженеры искали другие способы применения этой технологии, и вскоре ее начали использовать с другими материалами, такими как оксиды металлов. Прямые потомки эпитаксиального транзистора существуют практически во всех мыслимых электронных устройствах: плоские экраны, цифровые ПЗС-камеры, сотовые телефоны, интегральные схемы, компьютерные процессоры, микросхемы памяти, солнечные элементы и множество других устройств, которые составляют основу всех современные технологические системы.