반도체

Semiconductor
반도체를 사용하는 장치 및 그 이력에 대해서는 반도체 장치를 참조하십시오.다른 용도는 반도체(동음이의)를 참조하십시오.
모노크리스탈린 실리콘의 잉곳
반도체
장치
날조
4-fach-NAND-C10.JPG
MOSFET 스케일링
(프로세스 노드)
미래

반도체 재료는 금속 구리 등 도체와 유리 등 절연체 사이에 들어가는 전기전도도 값을 갖는다.그것의 저항성은 온도가 상승함에 따라 떨어지고 금속은 반대로 작용한다.그것의 전도 성질은 결정 구조에 불순물("도핑")을 도입함으로써 유용한 방법으로 변경될 수 있다.두 개의 서로 다른 도핑된 지역이 동일한 결정으로 존재할 때, 반도체 접합부가 생성된다.이러한 접합점에서 전자, 이온, 전자홀을 포함하는 전하 전달체의 동작은 다이오드, 트랜지스터, 그리고 대부분의 현대 전자장치의 기본이다.반도체의 예로는 실리콘, 게르마늄, 갈륨 비소화, 주기율표상의 이른바 '금속계단' 부근의 원소 등이 있다.실리콘에 이어 갈륨비소는 두 번째로 보편적인 반도체로 레이저 다이오드, 태양전지, 마이크로파주파 집적회로 등에 사용된다.실리콘은 대부분의 전자 회로를 조작하는 데 중요한 요소다.

반도체 소자는 한 방향으로 전류를 다른 방향보다 더 쉽게 전달하고, 가변 저항을 보이며, 빛이나 열에 민감하게 반응하는 등 다양한 유용한 특성을 나타낼 수 있다.반도체 재료의 전기적 성질은 도핑으로, 전기장이나 빛을 응용하면 수정이 가능하기 때문에 반도체에서 만든 소자는 증폭, 전환, 에너지 전환 등에 활용할 수 있다.

실리콘의 전도도는 소량의 펜타발렌트(안티몬, 인 또는 비소) 또는 삼발렌트(보론, 갈륨, 인듐) 원자를 첨가하여 증가한다8.이 과정을 도핑(doping)이라고 하며, 그 결과 반도체는 도핑(dopped) 또는 외인(外人) 반도체로 알려져 있다.반도체는 도핑과 별도로 온도를 높여 전도도를 높일 수 있다.이는 온도가 상승하면 전도성이 감소하는 금속의 거동에 반하는 것이다.

반도체의 성질에 대한 현대적인 이해는 양자물리학에 의존하여 결정 격자에서 전하 캐리어의 움직임을 설명한다.[1]도핑을 하면 크리스탈 내의 충전 캐리어의 수가 크게 증가한다.도핑된 반도체에 자유 구멍이 있을 때는 p형이라고 하고, 자유 전자가 들어 있을 때는 n형이라고 한다.전자소자에 사용되는 반도체 물질은 p-형 도펜트의 농도 및 부위를 조절하기 위해 정확한 조건에서 도핑된다.단일 반도체 소자 결정에는 많은 p-형과 n형 영역이 있을 수 있으며, 이들 영역 간의 p-n 접합은 유용한 전자적 동작의 원인이 된다.핫포인트 프로브를 사용하면 반도체 샘플이 p-형인지 n형인지 빠르게 판단할 수 있다.[2]

반도체 재료의 특성 중 일부는 19세기 중반과 20세기 초반에 걸쳐 관찰되었다.전자공학에서 반도체를 처음으로 실용화한 것은 1904년 초기 전파 수신기에 사용되는 원시 반도체 다이오드인 고양이-휘저 검출기(cat-whisker detector)의 개발이었다.양자물리학의 발전은 1947년 트랜지스터,[3] 1958년 집적회로, 1959년 MOSFET(금속-산화-반도체-반도체 전계효과 트랜지스터)의 발명으로 이어졌다.

특성.

가변 전기 전도도

자연상태의 반도체는 전자의 흐름을 필요로 하기 때문에 전도체가 불량하고, 반도체는 발란스 밴드를 채워서 새로운 전자의 전 흐름을 막는다.몇 가지 개발된 기술은 반도체 재료가 도핑이나 탕구 같은 전도 물질처럼 동작하도록 한다.이러한 수정은 n-type과 p-type의 두 가지 결과를 가진다.이것들은 각각 전자의 과잉이나 부족을 가리킨다.균형 잡힌 수의 전자는 전류가 물질 전체에 흐르게 할 것이다.[4]

이성교배

이종 접합은 서로 다른 두 도핑된 반도체 물질이 결합될 때 발생한다.예를 들어, 구성은 p-도핑 게르마늄과 n-도핑 게르마늄으로 구성될 수 있다.이것은 다른 도핑된 반도체 물질들 사이에서 전자와 구멍의 교환을 초래한다.n 도핑 게르마늄은 전자의 과잉이 될 것이고, p 도핑 게르마늄은 구멍의 과잉이 될 것이다.이 전달은 재결합이라는 프로세스에 의해 평형에 도달할 때까지 일어나며, 이 과정에서 n형에서 이동하는 전자가 p형에서 이동하는 구멍과 접촉하게 된다.이 과정의 결과는 이동하지 않는 이온의 좁은 띠로, 교차로를 가로지르는 전기장을 발생시킨다.[1][4]

흥분 전자

반도체 재료의 전위차가 열 평형을 벗어나 평형 상태가 되지 않도록 할 것이다.이것은 양극 확산이라고 불리는 과정을 통해 상호작용하는 시스템에 전자와 구멍을 도입한다.반도체 물질에서 열 평형이 흐트러질 때마다 구멍과 전자의 수가 변한다.이러한 중단은 온도차나 광자의 결과로 발생할 수 있으며, 이는 시스템에 들어가 전자와 구멍을 만들 수 있다.전자와 구멍을 만들어 전멸시키는 과정을 각각 생성과 재조합이라고 한다.[4]

광 방출

특정 반도체의 경우 흥분된 전자가 열을 내는 대신 빛을 발산해 긴장을 풀 수 있다.[5]이 반도체는 발광 다이오드와 형광 양자점 건설에 사용된다.

높은 열전도율

열전도율이 높은 반도체는 열 분산과 전자 열 관리 개선에 활용할 수 있다.

열에너지 변환

반도체는 열전 발전기에 유용하게 쓰이고, 열전 냉각기에 유용하게 쓰일 수 있는 높은 열전 형상을 가지고 있다.[6]

자재

주요 기사:반도체 재료 목록
실리콘 크리스탈은 마이크로 전자와 광전기에 사용되는 가장 일반적인 반도체 물질이다.

많은 수의 원소와 화합물은 다음을 포함한 반도체 특성을 갖는다.[7]

  • 어떤 순수 원소들은 주기율표의 그룹 14에서 발견된다; 이들 원소들 중 가장 상업적으로 중요한 것은 실리콘과 게르마늄이다.실리콘과 게르마늄은 가장 바깥쪽 껍질에 4개의 발란스 전자를 가지고 있어 동시에 전자를 동등하게 얻거나 잃을 수 있는 능력을 주기 때문에 여기서 효과적으로 사용된다.
  • 이항 화합물, 특히 갈륨 비소와 같은 그룹 13과 그룹 15의 요소들, 그룹 12와 그룹 16과 그룹 14와 그룹 16 그리고 다른 그룹-14 요소들 사이의, 예를 들어 실리콘 카바이드.
  • 특정 3차 화합물, 산화물, 합금.
  • 유기 화합물로 만들어진 유기 반도체.
  • 반도체 금속-유기체 프레임워크.[8][9]

가장 흔한 반도체 재료는 결정체 고형분이지만, 무정형 반도체와 액체 반도체도 알려져 있다.여기에는 다양한 비율로 수소화 아모르퍼스 실리콘과 비소, 셀레늄, 텔루륨의 혼합물이 포함된다.이들 화합물은 중간 전도율의 특성과 온도에 따른 전도율의 빠른 변화, 그리고 때로는 음의 저항을 가진 반도체와 공유한다.이런 난해한 재료는 실리콘과 같은 기존 반도체의 견고한 결정 구조가 부족하다.이들은 일반적으로 전자 품질의 소재를 필요로 하지 않는 박막 구조물에 사용되어 왔으며, 불순물과 방사선 손상에 비교적 둔감하다.

반도체 재료 준비

오늘날의 거의 모든 전자 기술은 반도체의 사용을 포함하는데, 가장 중요한 측면은 데스크탑, 노트북, 스캐너, 휴대폰, 그리고 다른 전자기기에서 발견되는 집적회로(IC)이다.IC용 반도체는 양산된다.이상적인 반도체 소재를 만들기 위해서는 화학적 순도가 무엇보다 중요하다.어떤 작은 불완전함도 재료의 사용 규모 때문에 반도체 재료의 동작에 급격한 영향을 미칠 수 있다.[4]

결정 구조의 결함(탈구, 쌍둥이와 같은 결함)은 소재의 반도체화 특성을 방해하기 때문에 높은 수준의 결정성 완성도 또한 요구된다.반도체 소자의 결함은 결정체 결함의 주요 원인이다.크리스탈이 클수록 필요한 완벽을 달성하기가 어렵다.현재의 대량 생산 공정은 직경 100~300mm(3.9~11.8인치)의 결정괴를 사용하며 실린더로 자라서 웨이퍼로 얇게 자른다.

IC용 반도체 재료를 준비하는 데 사용되는 공정의 조합이 있다.한 가지 과정은 열 산화라고 불리며, 이것은 실리콘 표면에 이산화규소를 형성한다.이것은 게이트 절연체와 필드 옥사이드로 사용된다.다른 과정들은 포토마스크와 포토리스토그래피라고 불린다.이 과정은 집적회로에서 회로의 패턴을 만드는 것이다.자외선은 광자층과 함께 회로의 패턴을 생성하는 화학적 변화를 일으키기 위해 사용된다.[4]

식각은 필요한 다음 과정이다.이전 단계부터 광자층이 커버하지 않았던 실리콘 부분은 이제 식각할 수 있다.오늘날 일반적으로 사용되는 주요 과정은 플라즈마 에칭이라고 불린다.플라즈마 식각은 보통 혈장을 생성하기 위해 저압 챔버에서 펌핑되는 에치 가스를 포함한다.흔한 에치 가스는 클로로플루오로카본 또는 더 흔히 알려진 프레온이다.음극과 양극 사이의 높은 무선 주파수 전압은 챔버에서 플라즈마를 생성한다.실리콘 웨이퍼는 음극에 위치하여 플라즈마에서 방출되는 양전하 이온에 의해 충격을 받는다.결과는 음이소프로 식각된 실리콘이다.[1][4]

마지막 과정은 확산이라고 불린다.이것은 반도체 재료에 원하는 반도체 특성을 부여하는 과정이다.도핑이라고도 한다.이 과정은 시스템에 불순 원자를 도입하여 p-n 접합부를 만든다.실리콘 웨이퍼에 삽입된 불순 원자를 얻기 위해 웨이퍼를 먼저 섭씨 1100도 챔버에 넣는다.원자들은 주입되어 결국 실리콘과 함께 확산된다.공정이 완료되고 실리콘이 실온에 도달하면 도핑 공정이 이루어지고 반도체 재료를 집적회로에 사용할 준비가 된다.[1][4]

반도체 물리학

에너지 대역 및 전기 전도

주요 기사:전자 밴드 구조와 전기 저항도 및 전도도
평형상태에서 다양한 종류의 물질로 전자 상태를 채우는 것.여기서 높이는 에너지인 반면 폭은 열거된 물질의 특정 에너지에 대해 사용 가능한 상태의 밀도다.음영은 페르미-디락 분포(검은색: 모든 상태가 채워짐, 흰색: 채워짐 없음)를 따른다.금속과 반미에서 페르미레벨E는F 적어도 하나의 밴드 안에 있다.
절연체와 반도체에서 페르미 레벨은 밴드 간격 내에 있지만, 반도체의 경우, 밴드가 전자나 구멍으로 열적으로 채워질 정도로 충분히 페르미 레벨에 가깝다.
편집하다

반도체는 도체와 절연체 사이의 어딘가에서 독특한 전기 전도성 행동에 의해 정의된다.[10]이 물질들 간의 차이는 각각 0개 또는 1개의 전자를 포함할 수 있는 전자의 양자 상태의 관점에서 이해할 수 있다(Pauli 제외 원리에 의해).이러한 상태는 소재의 전자 밴드 구조와 관련이 있다.전기전도도는 전자가 소산된 상태(물질로 확장)에 존재하기 때문에 발생하지만, 전자를 운반하기 위해서는 전자가 시간의 일부분만을 포함하는 상태가 부분적으로 채워져야 한다.[11]만약 국가가 항상 전자에 의해 점유된다면, 그것은 불활성화 되어 그 상태를 통한 다른 전자의 통로를 차단한다.이 양자 상태의 에너지는 그 에너지가 페르미 수준에 근접한 경우에만 부분적으로 채워지기 때문에 중요하다(페르미-디락 통계 참조).

재료의 높은 전도성은 부분적으로 채워진 상태와 많은 상태 탈초점화를 가지고 있기 때문에 발생한다.금속은 좋은 전기 전도체로서, 페르미 수준 근처에 에너지가 부분적으로 채워진 상태가 많다.이와는 대조적으로 절연체는 부분적으로 채워진 상태가 거의 없으며, 이들의 페르미 수준은 점유할 에너지 상태가 거의 없는 대역 간격 내에 위치한다.중요한 것은 절연체가 온도를 높임으로써 전도될 수 있다: 난방은 밴드갭(밸런스 밴드) 아래의 상태 대역과 밴드갭 위의 상태 대역(전도 밴드)에서 일부 전자를 촉진하기 위한 에너지를 공급하고, 부분 충만 상태를 양쪽 모두에서 유도한다.(내인성) 반도체는 절연체보다 작은 밴드갭을 가지고 있으며 실온에서는 상당수의 전자가 밴드 갭을 건너기 위해 흥분할 수 있다.[12]

그러나 순수한 반도체는 매우 좋은 절연체도 아니고 아주 좋은 도체도 아니기 때문에 그다지 유용하지 않다.그러나 반도체(및 일부 절연체(semi-insulator, 일명 반절연체)의 한 가지 중요한 특징은 불순물로 도핑을 하고 전기장과 탕약을 맺음으로써 전도성을 높이고 제어할 수 있다는 점이다.도핑과 게이트는 전도 또는 발랑스 밴드를 페르미 수준에 훨씬 더 가깝게 이동시키고 부분적으로 채워진 상태의 수를 크게 증가시킨다.

일부 광대역 간극 반도체 소재는 반인슐레이터라고도 한다.도핑되지 않은 경우 전기 절연체에 가까운 전기 전도성을 갖지만 도핑할 수 있다(반도체처럼 유용하다).세미 인슐레이터는 HEMT용 기판과 같은 마이크로 전자공학에서 틈새 응용 분야를 발견한다. 일반적인 세미 인슐레이터의 예는 갈륨 비소화다.[13]이산화티타늄과 같은 일부 물질은 일부 용도의 절연 재료로도 사용될 수 있으며, 다른 용도의 경우 광폭 반도체로 취급된다.

충전 캐리어(전자 및 구멍)

주요 기사:전자 구멍

전도 대역의 하단에 있는 상태의 부분 충전은 그 대역에 전자를 추가하는 것으로 이해할 수 있다.전자는 (자연적인 열적 재조합으로 인해) 무한정 머무르지 않고 한동안 움직일 수 있다.전자의 실제 농도는 전형적으로 매우 희석되기 때문에 (금속과 달리) 반도체의 전도 대역에 있는 전자를 일종의 고전적인 이상 기체로 생각할 수 있는데, 전자는 파울리 배척 원리의 영향을 받지 않고 자유롭게 날아다닌다.대부분의 반도체에서 전도 대역은 포물선 분산 관계를 가지기 때문에 이러한 전자는 비록 다른 유효 질량을 가지고 있지만 진공에서처럼 힘(전기장, 자기장 등)에 많이 반응한다.[12]전자는 이상적인 기체처럼 작용하기 때문에 드루드 모델과 같은 매우 단순한 용어로 전도를 생각할 수도 있고, 전자 이동성과 같은 개념을 도입할 수도 있다.

발란스 밴드 상단의 부분 충전에 대해서는 전자홀의 개념을 도입하는 것이 도움이 된다.발란스 밴드의 전자는 항상 움직이고 있지만, 완전히 완전한 발란스 밴드는 어떤 전류도 전도하지 않고 불활성이다.만약 전자가 발란스 대역에서 전자를 빼낸다면, 전자가 정상적으로 가져갔을 궤적은 이제 전하를 놓치게 된다.전류의 목적상, 전자를 뺀 이 풀 발란스 대역의 조합은 전자와 같은 방식으로 움직이는 양전하 입자를 포함하는 완전히 빈 띠의 그림으로 변환할 수 있다.발랑스 밴드 상단에 있는 전자의 음의 유효 질량과 결합하여, 우리는 보통의 양전하 입자가 진공에서 하는 것처럼 전기장과 자기장에 반응하는 양전하 입자의 그림에 도달한다. 다시 어떤 양의 유효 질량과 함께 말이다.[12]이 입자를 구멍이라고 하며, 발란스 밴드에 있는 구멍의 집합은 다시 단순한 고전적 용어(전도 밴드에 있는 전자와 같이)로 이해할 수 있다.

캐리어 생성 및 재조합

주요기사 : 캐리어 생성 및 재조합

전리방사선이 반도체와 충돌할 경우 에너지 수준에서 전자를 자극해 결과적으로 구멍이 생길 수 있다.이 과정은 전자 구멍 쌍 생성이라고 알려져 있다.전자 구멍 쌍은 외부 에너지원이 없는 경우 열 에너지에서도 지속적으로 생성된다.

전자 구멍 쌍도 재결합하기 쉽다.에너지 보존은 전자가 밴드 간격보다 더 큰 양의 에너지를 손실하는 이러한 재조합 현상을 열 에너지(음파 형태)나 방사선(광자 형태)의 방출과 동반할 것을 요구한다.

일부 주에서는 전자 구멍 쌍의 생성과 재조합이 등유석에 있다.주어진 온도에서 안정 상태에 있는 전자 구멍 쌍의 수는 양자 통계 역학에 의해 결정된다.생성과 재조합의 정확한 양자역학 메커니즘은 에너지 절약과 운동량 보존에 의해 관리된다.

전자와 홀이 함께 만나는 확률은 그 숫자의 산물에 비례하므로, 제품은 주어진 온도에서 거의 일정한 정상 상태에 있으며, 유의한 전기장(두 가지 유형의 캐리어를 "융기"할 수도 있고, 또는 만날 수 있는 더 많은 캐리어를 포함하는 인접 지역에서 이동시킬 수도 있음)이 없다.gether) 또는 외부적으로 구동되는 쌍 생성.제품은 온도의 함수인데, 한 쌍을 생산할 수 있는 충분한 열 에너지를 얻을 확률은 온도에 따라 대략 exp(-EG/kT)가 증가하는데 여기서 k는 볼츠만의 상수, T는 절대온도, E는G 밴드갭이다.

만나고자 하는 확률은 전자나 구멍을 틀어막고 쌍이 완성될 때까지 지탱할 수 있는 불순물 또는 탈구 등 캐리어 트랩에 의해 증가한다.그러한 운반선 트랩은 때때로 안정 상태에 도달하는 데 필요한 시간을 줄이기 위해 의도적으로 추가된다.[14]

도핑

주요 기사:도핑(반도체)

반도체의 전도도는 결정 격자에 불순물을 주입하면 쉽게 수정할 수 있다.반도체에 제어된 불순물을 첨가하는 과정을 도핑이라고 한다.내인성(순수) 반도체에 첨가되는 불순물(도판트)의 양은 전도도 수준을 변화시킨다.[15]도핑된 반도체는 외연성이라고 불린다.[16]순수 반도체에 불순물을 더하면 전기 전도도가 수천 또는 수백만 인자에 따라 달라질 수 있다.[17]

금속이나 반도체의 1cm의3 표본은 원자 10개의22 순서를 가지고 있다.[18]금속에서, 모든 원자는 전도를 위해 적어도 하나의 자유전자를 기증한다. 따라서3 1 cm의 금속은 1022 자유전자의 순서로 포함되어 있는 반면,[19] 20 °C에서 1 cm의3 순수 게르마늄 샘플은 약 4.2×1022 원자를 포함하고 있지만, 2.5×1013 자유전자와 2.5×1013 구멍만 포함하고 있다.0.001%의 비소(불순물)를 첨가하면 같은 부피에 10개의17 자유전자가 추가로 공급되고 전기전도도가 1만 배 증가된다.[20][21]

적절한 도펜트로 선택한 물질은 도펜트와 도핑될 물질 모두의 원자 특성에 따라 달라진다.일반적으로 원하는 조절 변화를 생성하는 도파트는 전자 수용체 또는 기증자로 분류된다.기증자 불순물이 도핑된 반도체를 n형이라고 하고, 수용자 불순물이 도핑된 반도체를 p형이라고 한다.n과 p 타입의 지정은 어떤 충전 캐리어가 재료의 다수 캐리어 역할을 하는지를 나타낸다.반대편 캐리어를 소수 캐리어라고 하는데, 다수 캐리어에 비해 훨씬 낮은 농도의 열 방출로 인해 존재한다.[22]

예를 들어, 순수 반도체 실리콘은 각각의 실리콘 원자를 이웃에 결합시키는 4개의 발란스 전자를 가지고 있다.[23]실리콘에서 가장 흔한 도파제는 그룹 III와 그룹 V 원소들이다.그룹 III 원소는 모두 3개의 발란스 전자를 포함하고 있어 실리콘 도핑에 사용될 때 수용체로서 기능하게 한다.수정에서 수용자 원자가 실리콘 원자를 대체하면 격자 주위로 움직일 수 있는 빈 상태(전자 "구멍")가 생성돼 전하 운반체 역할을 한다.그룹 V 원소들은 5개의 발란스 전자를 가지고 있는데, 이것은 그들이 기증자의 역할을 할 수 있게 해준다; 이 원자들을 실리콘으로 대체하는 것은 여분의 자유 전자를 만들어진다.따라서 붕소를 도핑한 실리콘 크리스털은 p형 반도체를 만드는 반면 인을 도핑한 실리콘 크리스털은 n형 소재를 만든다.[24]

제조 과정에서 원하는 원소의 기체성분과 접촉해 반도체 본체로 도펜트를 확산시키거나, 도핑된 부위를 정확히 위치시키는 이온 이식술을 사용할 수 있다.

아모르퍼스 반도체

어떤 물질은 유리 같은 비정형 상태로 빠르게 냉각될 때 반도체 성질을 가진다.여기에는 B, Si, Ge, Se, Te가 포함되며, 이를 설명하기 위한 여러 이론이 있다.[25][26]

반도체의 초기 역사

참고 항목:반도체 소자 § 반도체 소자 개발의 역사 및 전기전자공학 연대표

반도체에 대한 이해의 역사는 재료의 전기적 특성에 관한 실험에서 시작된다.저항, 정류, 광감도의 시간온도계수의 성질은 19세기 초부터 관찰되었다.

칼 퍼디낸드 브라운은 1874년 최초의 반도체 소자인 결정 검출기를 개발했다.

토마스 요한 시벡은 1821년에 반도체로 인한 영향을 처음으로 알아차렸다.[27]1833년 마이클 패러데이(Michael Faraday)는 황화은 표본을 가열하면 내성이 감소한다고 보고했다.구리와 같은 금속성 물질의 거동에 반하는 것이다.1839년 알렉산드르 에드먼드 베크렐은 고체와 액체 전해질 사이의 전압에 대한 관찰을 보고했는데, 빛에 맞으면 광전 효과가 나타난다.1873년 윌로비 스미스는 셀레늄 저항기에 빛이 떨어졌을 때 저항이 감소하는 것을 관찰했다.비록 그 효과는 훨씬 전에 피터 먼크 af Rosenschold(sv)은 Annalen 데르 Physik 운트 Chemie을 쓰는 것에 의해 1835,[28]에서 처음 발견되었습니다. 1874년에 카를 페르디난트 브라운 금속 황화물에, 아서 슈스터가 전선에 구리를 산화물 층 때, 2012수정 속성 있음을 발견했다 전도와 시정을 관찰했다. wires는 청소된다.윌리엄 그릴스 아담스와 리처드 에반스 데이는 1876년 셀레늄에서 광전 효과를 관측했다.[29]

이러한 현상에 대한 통일된 설명은 20세기 전반기에 크게 발전한 고체물리학 이론을 필요로 했다.1878년 에드윈 허버트 홀은 적용된 자기장에 의해 흐르는 전하 캐리어의 편향, 즉 홀 효과를 입증했다.J.J.에 의한 전자 발견. 1897년 톰슨은 고체에서 전자에 기초한 전도에 대한 이론을 촉진시켰다.Karl Baedeker는 금속에서 반대 기호가 있는 홀 효과를 관찰함으로써 구리 요오드화물이 양극 전하 운반체를 가지고 있다는 이론을 세웠다.요한 쾨니히스베르거는 1910년 박사학위 논문에서 이미 할블라이터(현대적 의미의 반도체)라는 용어를 도입했지만 1914년 금속, 절연체, '변형 도체'와 같은 고체물질을 분류했다.[30][31]펠릭스 블로흐는 1928년 원자 격자를 통한 전자의 이동 이론을 발표했다.1930년, B.거든은 반도체 내 전도성이 미세한 불순물 농도 때문이라고 밝혔다.1931년까지 밴드 전도의 이론은 앨런 에리스 윌슨에 의해 확립되었고 밴드 격차의 개념이 개발되었다.Walter H. Schottky와 Nevill Francis Mott는 잠재적 장벽의 모델과 금속-반도체 접합부의 특성을 개발했다.1938년까지 보리스 다비도프는 p-n 접합부의 효과와 소수 운송업자와 표면 상태의 중요성을 확인하면서 구리-산화 정류기의 이론을 발전시켰다.[28]

이론적 예측(양자역학 발전 기반)과 실험 결과 간의 일치성이 때로는 좋지 않았다.이는 이후 존 바딘에 의해 극도의 "구조 민감" 행태에 의해 설명되었는데, 반도체는 소량의 불순물에 따라 특성이 극적으로 변화한다.[28]미량 오염물질의 다양한 비율을 포함하는 1920년대의 상업적으로 순수한 물질은 서로 다른 실험 결과를 낳았다.이것은 향상된 재료 정제 기술의 개발을 촉진했고, 현대 반도체 정유회사들이 수조 단위의 순도로 재료를 생산하는 것을 최고조에 달하게 되었다.

반도체를 이용한 소자는 반도체 이론이 보다 유능하고 신뢰할 수 있는 소자의 구축에 대한 지침을 제공하기 전에 먼저 경험적 지식을 바탕으로 구축되었다.

알렉산더 그레이엄 벨은 1880년에 셀레늄의 빛에 민감한 성질을 이용해 빛의 빔을 통해 소리를 전달하였다.저효율의 작동 태양 전지는 셀레늄으로 코팅된 금속판과 얇은 금층을 사용하여 1883년에 찰스 프리츠에 의해 건설되었다. 이 장치는 1930년대에 사진 광량계에 상업적으로 유용해졌다.[28]황화 납으로 만들어진 점 접촉 마이크로파 검출기 정류기는 1904년 자가디쉬 찬드라 보즈에 의해 사용되었는데, 천연 갈레나 다른 물질을 사용한 고양이의 휘슬러 검출기는 라디오 개발에서 흔한 장치가 되었다.다만, 동작이 다소 예측불허였고, 최상의 성능을 위해 수동 조정이 필요했다.1906년 H.J. 라운드(H.J. Round)는 전류가 발광 다이오드의 원리인 실리콘 카바이드 결정을 통과할 때 발광하는 것을 관찰했다.올레그 로제프는 1922년 비슷한 빛 배출을 관찰했지만, 그 당시에는 그 효과가 실용적이지 않았다.동산화물과 셀레늄을 사용한 동력 정류기는 1920년대에 개발되었고 진공관 정류기의 대안으로 상업적으로 중요해졌다.[29][28]

최초의 반도체 소자는 갈레나를 사용했는데, 1874년 독일 물리학자 페르디난드 브라운의 결정검출기, 1901년 벵골 물리학자 자가디쉬 찬드라 보세의 전파 결정검출기였다.[32][33]

제2차 세계 대전 이전 해에는 적외선 탐지 및 통신 장치가 납-황화물 및 납-셀레나드 물질에 대한 연구를 촉진하였다.이 장치들은 선박과 항공기 탐지, 적외선 탐지, 음성 통신 시스템 등에 사용되었다.점 접촉 결정 검출기는 사용 가능한 진공관 장치가 약 4000 MHz 이상의 검출기 역할을 할 수 없었기 때문에 마이크로파 무선 시스템에 필수적이 되었다.; 첨단 레이더 시스템은 결정 검출기의 빠른 응답에 의존했다.일관된 품질의 검출기를 개발하기 위해 전쟁 중에 실리콘 재료에 대한 상당한 연구와 개발이 이루어졌다.[28]

초기 트랜지스터

주요 기사:트랜지스터의 역사
존 바딘, 윌리엄 쇼클리, 월터 브래튼은 1947년에 양극성 점 접촉 트랜지스터를 개발했다.

검출기와 전원 정류기는 신호를 증폭시킬 수 없었다.솔리드 스테이트 앰프를 개발하기 위해 많은 노력을 기울였고 20dB 이상을 증폭시킬 수 있는 포인트 컨택트 트랜지스터라는 소자를 개발하는 데 성공했다.[34]1922년 올레그 로제프는 라디오용 2단자, 음저항 증폭기를 개발했지만, 성공적으로 완공된 후 레닌그라드 포위전에서 전사했다.1926년 율리우스 에드가 릴리엔펠트는 전계효과 트랜지스터를 닮은 장치에 특허를 냈지만 실용적이지 못했다.1938년 R. Hilsch와 R. W. Pohl은 진공관의 제어 그리드와 유사한 구조를 사용하는 고체 상태의 증폭기를 시연했다. 비록 장치가 전력 이득을 표시했지만, 초당 1 사이클의 차단 주파수를 가졌고, 어떤 실용적인 용도에 대해서도 너무 낮았지만, 이용 가능한 이론의 효과적인 적용이었다.[28]벨 연구소, 윌리엄 쇼클리, A.홀든은 1938년에 고체 상태의 증폭기를 조사하기 시작했다.실리콘의 첫 p-n 접합부는 1941년경 러셀 오울이 관찰한 시료는 한쪽 끝에는 p형 불순물이, 다른 쪽 끝에는 n형 불순물이 날카로운 경계를 가지고 있는 등 빛에 민감한 것으로 밝혀졌다.p-n 경계에서 시료에서 절단한 슬라이스는 빛에 노출되었을 때 전압을 발생시켰다.

최초의 작동 트랜지스터는 존 바딘, 월터 하우저 브래튼, 윌리엄 쇼클리 등이 1947년 벨 연구소에서 발명한 포인트 콘택트 트랜지스터다.쇼클리는 일찍이 게르마늄과 실리콘으로 만든 전계효과 증폭기를 이론화했지만, 그러한 작동 장치를 만드는 데 실패했고, 결국 게르마늄을 사용하여 포인트 콘택트 트랜지스터를 발명했다.[35]프랑스에서는 전쟁 중에 헤르베르트 마타레가 게르마늄 기지의 인접 지점 접점 사이의 증폭을 관찰했다.전쟁이 끝난 후, 마타레 일행은 벨 랩스가 "트랜지스터"를 발표한 직후에야 "트랜지스터" 앰프를 발표했다.

1954년 물리 화학자 모리스 타넨바움이 벨 연구소에서 최초의 실리콘 접합 트랜지스터를 조작했다.[36]그러나 초기 접속 트랜지스터는 대량생산 기준으로 제조하기 어려운 비교적 부피가 큰 장치여서 다수의 특수 용도에 국한되었다.[37]

게르마늄과 실리콘 반도체

주요 기사:실리콘
모하메드 아탈라는 1957년에, 모스 트랜지스터는 1959년에 표면 통과 과정을 개발했다.

최초의 실리콘 반도체 소자는 1906년 미국 엔지니어 그린리프 휘티어 피카드가 개발한 실리콘 라디오 크리스털 검출기였다.[33]1940년에 러셀 오일은 실리콘에서 p-n 접합부와 광전 효과를 발견했다.1941년 제2차 세계대전 당시 레이더 전자파 탐지기를 위해 고순도 게르마늄과 실리콘 결정체를 생산하는 기술이 개발되었다.[32]1955년 벨 연구소의 칼 프로슈와 링컨 데릭은 우연히 이산화규소(SiO2)가 실리콘에서 자랄 수 있다는 사실을 발견했고,[38] 이후 1958년 확산 과정에서 실리콘 표면을 가릴 수 있다고 제안했다.[39]

반도체 산업 초기인 1950년대 후반까지 게르마늄은 실리콘이 아닌 트랜지스터와 다른 반도체 소자의 지배적인 반도체 소재였다.게르마늄은 처음에는 캐리어 이동성이 높아 더 나은 성능을 보여줄 수 있었기 때문에 더 효과적인 반도체 재료로 여겨졌다.[40][41]초기 실리콘 반도체의 상대적인 성능 부족은 표면에 불포화 결합이 존재하기 때문에 발생하는 매달린 결합으로 인해 전자가 표면에 갇혀 있는 [42]불안정한 양자 표면 상태에 의해 전기전도도가 제한되었기 때문이다.[43]이것은 전기가 표면으로 안정적으로 침투하여 반도체 실리콘 층에 도달하는 것을 막았다.[44][45]

1950년대 후반 벨 연구소에서 열 산화 작용에 의한 표면 패시브 과정을 개발한 이집트 엔지니어 모하메드 아탈라의 연구로 실리콘 반도체 기술의 획기적인 발전이 이루어졌다.[43][46][41]그는 열적으로 성장한 이산화규소 층의 형성이 실리콘 표면의 전자 상태 농도를 크게 감소시켰으며,[46] 실리콘 산화층을 사용하여 실리콘 표면을 전기적으로 안정시킬 수 있다는 것을 발견했다.[47]아탈라는 1957년 벨 메모에 그의 연구 결과를 처음 발표했고, 1958년에 그것을 증명했다.[48][49]이는 고품질의 이산화규소 절연체 필름을 실리콘 표면에 열적으로 성장시켜 기초 실리콘 p-n 접합 다이오드와 트랜지스터를 보호할 수 있다는 것을 보여주는 첫 번째 시연이었다.[39]아탈라의 표면 패시브 공정은 실리콘이 게르마늄의 전도성과 성능을 능가할 수 있게 했고, 실리콘이 지배적인 반도체 재료로 게르마늄을 대체하게 했다.[41][42]아탈라의 표면 패시브 공정은 실리콘 반도체 기술에서 가장 중요한 진전으로 평가돼 실리콘 반도체 소자 양산의 발판을 마련했다.[50]1960년대 중반까지, 아탈라의 산화 실리콘 표면 공정이 사실상 모든 집적 회로와 실리콘 소자를 조작하는 데 사용되었다.[51]

MOSFET(MOS 트랜지스터)

주요기사: MOSFET
참고 항목:반도체 척도 예시 및 트랜지스터 수 목록
모스펫(MOSFET)은 1959년 모하메드 아탈라와 다원 카엥에 의해 발명되었다.

1950년대 후반 모하메드 아탈라는 자신의 표면 패시브와 열 산화 방법을 이용해 금속-산화-반도체(MOS) 공정을 개발했으며, 이 공정을 통해 최초의 실리콘 전계효과 트랜지스터를 만들 수 있다고 제안했다.[44][45]이로써 1959년 모하메드 아탈라와 다원 카엥이 개발한 MOSFET(MOS 전계효과 트랜지스터)가 탄생했다.[52][48]고 uses,[37]의 넓은 범위로 그 scalability,[53]으로 대량 생산된 miniaturised 수 있는 최초의 진정한 소형 트랜지스터와 양극성 접합보다 훨씬 더 낮은 전력 소비와 높은 밀도 transistors,[54]은 MOSFET이 되트랜지스터 컴퓨터, electronics,[45]과 통신 수단의 가장 흔한 유형 기술 su.ch로smartphones.[55] 미국 특허상표청은 MOSFET를 "전 세계의 삶과 문화를 변화시킨 획기적인 발명품"[55]이라고 부른다.

CMOS(Complementary MOS) 공정은 1963년 페어차일드 반도체에서 치탕 사와 프랭크 완라스가 개발했다.[56]플로팅게이트 MOSFET의 첫 보도는 1967년 다원 카응과 사이먼 스제가 했다.[57]3D 멀티게이트 MOSFET의 일종인 핀펫(핀-전계효과 트랜지스터)은 1989년 다이 히사모토와 히사모토의 연구팀이 개발했다.[58][59]

참고 항목

참조

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추가 읽기

외부 링크