В предыдущей статье () Сяо Цзаоцзюнь познакомил вас с некоторыми базовыми знаниями о полупроводниковых микросхемах.

В сегодняшней статье мы продолжим говорить о процессе рождения чипов – от электронных ламп, транзисторов до интегральных схем, от BJT, MOSFET до CMOS, о том, как развивался чип и как он работает.

█ Вакуумная лампа (электронная трубка)

• Эффект Эдисона

В 1883 году знаменитый изобретатель Томас Эдисон во время эксперимента наблюдал странное явление.

В это время он проводил ресурсные испытания нити (углеродной нити). Рядом с нитью он поместил медную проволоку, но она не была подключена ни к одному электроду. Другими словами, медный провод не находится под напряжением.

После того, как угольная нить нормально подается под напряжением, она начинает светиться и выделять тепло. Через некоторое время Эдисон отключил питание. Он случайно обнаружил, что электрический ток также генерируется на медном проводе.

Эдисон не имел возможности объяснить причину этого явления, но как проницательный «бизнесмен» первым делом он подумал подать заявку на патент на это открытие. Он также назвал это явление «эффектом Эдисона».

Теперь мы знаем, что «Эффект Эдисона”суть,даТермоэлектронная эмиссия。也就да说,После нагрева нити,Электронный экран Surface становится активным,«Сбежал»,Результат фиксируется металлической медной проволокой.,Это создает электрический ток.

После того, как Эдисон подал заявку на патент, он не придумал никакого применения этому эффекту, поэтому отложил его на полку.

В 1884 году британский физик Джон Амброуз Флеминг посетил Соединенные Штаты, чтобы встретиться с Эдисоном. Эдисон продемонстрировал эффект Эдисона Флемингу, который был впечатлен.

Флеминг

• диод

Прошло более десяти лет, прежде чем Флеминг действительно использовал этот эффект.

В 1901 году Гульельмо Маркони, изобретатель беспроволочного телеграфа. Флеминг присоединился к эксперименту, чтобы изучить способы улучшения приема беспроводного сигнала.

Проще говоря, это значит научиться обнаруживать и усиливать сигналы на принимающей стороне, чтобы их можно было идеально интерпретировать.

Все знают, как усиливать сигналы,那什么даСигнал обнаруженияШерстяная ткань？

Так называемое обнаружение сигнала на самом деле является его фильтрацией. Сигнал, принимаемый антенной, очень беспорядочный, включает в себя всевозможные сигналы. Сигнал, который нам действительно нужен (сигнал на заданной частоте), необходимо «отфильтровать» от этих беспорядочных сигналов. Это и есть обнаружение.

Для достижения обнаружения ключевым моментом является односторонняя проводимость (односторонняя проводимость).

Радиоэлектромагнитные волны представляют собой высокочастотные колебания с частотой до сотен тысяч раз в секунду. Индуцированный ток, генерируемый беспроводными электромагнитными волнами, также постоянно меняется: «положительный, отрицательный, положительный, отрицательный». Если мы используем этот ток для управления наушниками, один положительный и один отрицательный будут равны нулю, и наушники не смогут точно идентифицировать. сигнал.

При однонаправленной проводимости отрицательный полупериод синусоидальной волны исчезает, все являются положительными, а направление тока является постоянным. После фильтрации высоких частот наушники легко улавливают изменения тока.

Убрав отрицательный полупериод, текущее направление становится последовательным и его легко интерпретировать.

для Сигнал обнаружения, Флеминг подумал об «Эффекте Эдисона»——Может ли это быть основано на «Эффекте»? Эдисонаэлектронный поток, проектирование геофона нового типа?

вот и все,1904 год,世界上第一支真空электронныйдиод,Под руками Флеминга родился. затем,Этот диод еще называют клапаном Флеминга.,vacuum Трубку, также известную как электронная трубка, иногда называют «желчным протоком». )

диод, изобретенный Флемингом

Флемингиздиод,На самом деле структура очень простая,Это в вакуумной стеклянной колбе.,Подключены два полюса: катод (Cathode),После нагрева он может излучать электронные (катодные лучи) анод (Anode);,Можно получить эл.

Боковой диод с подогревом

Причина вакуумирования стеклянной трубки заключается в предотвращении ионизации газа, которая повлияет на нормальный поток электронов и разрушит характеристическую кривую. (Вакуумирование также может эффективно снизить потери нити на окисление.)

• триод

Появление диодов решило необходимость обнаружения и исправления, что было большим прорывом в то время. Однако ему еще есть куда совершенствоваться.

вырубать лес

В 1906 году американский учёный Де Форест Forest Lee）в вакууме диодэлектронный Гуанли,Умное добавление сетки («сетки»),изобретенныйЭлектронная лампа с вакуумным триодом。

Де Форест изобрел триод

После добавления затвора, когда напряжение на затворе положительное, он будет притягивать больше электронов, испускаемых катодом. Большая часть электронов проходит через затвор и достигает анода, что значительно увеличивает ток на аноде.

Если напряжение на затворе отрицательное, электроны на катоде не имеют возможности добраться до затвора, не говоря уже об аноде.

Небольшое изменение тока на затворе может вызвать большое изменение тока на аноде. Более того, меняющаяся форма сигнала полностью соответствует току затвора. Следовательно, триод имеет функцию усиления сигнала.

Сначала транзистор представлял собой одинарный затвор, а позже он стал двойным затвором с двумя стиснутыми вместе платами. Позже он стал просто полностью закрытым забором.

изгородь

Рождение вакуумного триода — знаковое событие в электронной промышленности.

Этот небольшой компонент действительно реализует использование электричества для управления электричеством (в прошлом для управления электричеством использовались механические переключатели, у которых были проблемы с низкой частотой, коротким сроком службы и легкостью повреждения), и использовался «малый ток» для управления «большим током». текущий".

Он объединяет три функции обнаружения, усиления и генерации, закладывая основу для развития электронных технологий.

На его основе у нас есть радиостанции, радиоприемники, граммофоны, фильмы, радиостанции, радары, радиопереговорные устройства и т. д. со все более мощными функциями. Широкая популярность этих продуктов изменила повседневную жизнь людей и способствовала социальному прогрессу.

вакуумная трубка

В 1919 году Шоттки из Германии предложил идею добавить завесную сетку между сеткой и положительным электродом. Эту идею реализовал английский Ланде в 1926 году. Вот что стало тетродом. Позже Холст и Теллеген из Нидерландов изобрели пентод.

В 1940-х годах исследования в области компьютерных технологий достигли своего апогея. Было обнаружено, что характеристики односторонней проводимости электронных ламп можно использовать для проектирования некоторых логических схем (таких как схемы затвора И и схемы затвора ИЛИ).

Итак, они начали внедрять электронные лампы в компьютерную сферу. В то время почти все электронные компьютеры, включая ЭНИАК (в котором использовалось более 18 000 электронных ламп), были основаны на электронных лампах.

Эниак

Здесь мы кратко поговорим о вентильных схемах.

Когда мы изучаем основы работы с компьютерами, мы должны изучить основные логические операции, такие как И, ИЛИ, НЕ, исключающее ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, И НЕ, НИ и т. д.

Компьютеры знают только 0 и 1. Он выполняет вычисления на основе этих правил логических операций.

Например, 2+1 — это 0010+0001 в двоичном формате. После выполнения операции XOR оно равно 0011, что равно 3.

Схемы, реализующие вышеуказанные функции логических элементов.,Это схема логического вентиля. И односторонняя проводящая электронная трубка (вакуумная трубка),Его можно встроить в различные схемы логических вентилей.

Например, следующие «Схема логического элемента ИЛИ» и «Схема логического элемента И».

A и B — входы, F — выход.

█ транзистор

С быстрым развитием и применением электронных ламп люди постепенно обнаружили, что этот продукт имеет некоторые недостатки:

С одной стороны, электронные лампы легко повреждаются и имеют высокий процент отказов; с другой стороны, для использования электронные лампы необходимо нагревать, и на нагрев тратится много энергии, что также приводит к чрезвычайно высокому энергопотреблению.

Поэтому люди начали думать — а есть ли лучший способ добиться обнаружения, выпрямления и усиления сигнала цепи?

Конечно, есть способы. В это время,Отличный материал на подходе,它就да——полупроводник。

• полупроводникиз萌芽

Давайте переместимся во времени и вернемся в 18 век.

В 1782 году знаменитый итальянский физик Алессандро Вольта посредством экспериментов обнаружил, что твердое вещество можно условно разделить на три типа:

Металлы первого типа, такие как золото, серебро, медь и железо, легко проводят электричество и называются проводниками;

Второй тип, такие материалы, как дерево, стекло, керамика, слюда и т. д., плохо проводят электричество и называются изоляторами;

Третий тип, между проводником и изолятором, разряжается медленно.

Странные свойства третьего материала Вольт назвал «Полупроводниковая природа», что означает «свойства полупроводника». Впервые в истории человечества появился термин «полупроводник».

Алессандро Вольта

Позже многие учёные намеренно или ненамеренно открыли некоторые свойства полупроводников. Например:

В 1833 году Майкл Фарадей обнаружил, что сопротивление сульфида серебра уменьшается с повышением температуры (термочувствительное свойство полупроводников).

В 1839 году французский учёный Александр Эдмон Беккерель обнаружил, что освещение может создавать разность потенциалов в определённых материалах (фотоэлектрический эффект полупроводников).

В 1873 году Уиллоби Смит обнаружил, что проводимость селеновых материалов увеличивается под воздействием света (эффект фотопроводимости полупроводников).

В то время никто не мог объяснить эти явления, и они не привлекли особого внимания.

В 1874 году немецкий учёный Карл Фердинанд Браун обнаружил свойство односторонней проводимости природных руд (сульфидов металлов). Это огромная веха.

Карл Браун

В 1906 году американский инженер Гринлиф Уитлер Пикард Whittier Pickard）,На основе кристаллов халькопирита.,изобретенный著名изДетектор руды（crystal детектор), также известный как «детектор кошачьих усов» (детектор имеет зонд, похожий на кошачьи усы, отсюда и название).

Детектор руды

Детектор руды — самое раннее человеческое полупроводниковое устройство. Его внешний вид – это «маленькая проба» материала полупроводника.

Хоть и имеет некоторые недостатки (плохой контроль качества,Работа нестабильная,Потому что чистота руды невысокая),Но это эффективно способствовало развитию электронных технологий. затем,Радиоприемник на базе Детектора руды,Способствовало распространению радио и беспроволочного телеграфа.

• Появление теории энергетических зон

Люди используют Детектор руды,Но я до сих пор не могу понять его значение. В последующие 30 лет,Учёные неоднократно задумывались – почему существует полупроводник из материала? Почему материалы полупроводника могут обеспечивать одностороннюю проводимость?

Вначале многие люди даже сомневались в существовании полупроводниковых материалов. Знаменитый физик Паули однажды сказал: «Люди не должны изучать полупроводники. Это грязный бардак. Кто знает, существуют ли полупроводники».

Позднее, с зарождением и развитием квантовой механики, теоретические исследования полупроводников наконец совершили прорыв.

В 1928 году немецкий физик и один из основоположников квантовой механики Макс Планк Karl Ernst Ludwig Planck）,При применении квантовой механики для изучения проблем металлической проводимости,предложил впервыезонная теория твердого тела。

Планк, отец квантовой теории

Он считает, что под действием внешнего электрического поля проводимость полупроводника разделяется на проводимость с участием дырок (т. е. проводимость P-типа) и проводимость с участием электронов (т. е. проводимость N-типа). Многие странные свойства полупроводников определяются «дырками» и электронами.

Позже теория энергетических зон была усовершенствована и систематически объяснила существенные различия между проводниками, изоляторами и полупроводниками.

Давайте кратко рассмотрим теорию энергетических зон.

На уроках физики в средней школе все узнали, что объекты состоят из молекул и атомов, а внешняя оболочка атомов — это электроны.

Когда атомы твердых объектов расположены относительно близко друг к другу, электроны будут смешиваться друг с другом. Квантовая механика считает, что электроны не могут оставаться на одной орбите и будут «столкнуться». В результате трасса внезапно распалась на несколько тонких дорожек.

В квантовой механике такая тонкая орбита называется энергетическим уровнем. Широкая орбита, образованная множеством сжатых вместе тонких орбит, называется энергетической зоной.

Среди двух энергетических зон нижняя — валентная зона, верхняя — зона проводимости, а средняя — запрещенная зона. Между валентной зоной и зоной проводимости имеется запрещенная зона. Расстояние между запрещенными зонами – это ширина запрещенной зоны (запрещенная зона).

Электроны движутся по широким орбитам и макроскопически проводят электричество. Электронов слишком много, они скучены и не могут двигаться, а макроскопически кажутся непроводящими.

Некоторые полные и пустые орбиты очень близки, и электроны могут легко перебегать с полной орбиты на пустую и свободно перемещаться. Это проводник.

Если две орбиты расположены слишком далеко друг от друга, а зазор слишком велик для прохождения электронов, то проводить электричество будет невозможно. Однако если добавить энергию извне, это состояние можно изменить.

Если ширина запрещенной зоны находится в пределах 5 электрон-вольт (5 эв) и к электронам добавляется дополнительная энергия, электроны могут завершить пересечение и свободно двигаться, то есть возникает проводимость. Это полупроводник. (У кремния ширина запрещенной зоны около 1,12 э В, а у германия — около 0,67 э В.)

Если ширина запрещенной зоны превышает 5 электрон-вольт (5 эв), электроны не могут пересечь ее при нормальных обстоятельствах, и она является изолятором. (Если внешний мир добавляет много энергии, его также можно заставить пересечься. Например, воздух, воздух является изолятором, но электричество высокого напряжения также может расщепить воздух и образовать электрический ток.)

Стоит упомянуть, что,我们现在经常听说из«Широкозонный полупроводник»,就да包括碳化硅（SiC）、Нитрид галлия (GaN)、Оксид цинка (ZnO)、алмаз、Материалы полупроводников третьего поколения, такие как нитрид алюминия (AlN).

它们из优点да禁带宽度大（>2.2ev）、Электрическое поле с сильным пробоем、Высокая теплопроводность、Сильная радиационная стойкость、Высокая светоотдача、Высокая частота,Может использоваться для высокотемпературных, высокочастотных, радиационно-стойких и мощных устройств.,Это направление, в котором в настоящее время отрасль активно развивается.

Мы упоминали ранееэлектронныйидыра。полупроводник В России есть два типа перевозчиков.：бесплатноэлектронныйидыра。бесплатноэлектронный Это всем знакомо,Что такое дыра?

Дырки еще называют электронными дырками.

При нормальной температуре из-за теплового движения небольшое количество электронов с высокой энергией наверху валентной зоны может пересечь запрещенную зону и подняться в зону проводимости, становясь «свободными электронами».

После выхода электронов остается «дырка». Остальные электроны, не получившие продвижения, могут войти в эту «дырку», генерируя тем самым электрический ток. Обратите внимание, что сама дырка неподвижна, но процесс «заполнения дырки» дыркой производит эффект протекания положительного электричества, поэтому ее тоже рассматривают как носитель.

В 1931 году британский физик Чарльз Томсон Рис Уилсон предложил физическую модель полупроводников, основанную на теории энергетических зон.

В 1939 году советский физик А.С.Давыдов (А.С.Давыдов), британский физик Невилл Фрэнсис Мотт и немецкий физик Вальтер Герман Шоттки) внесли свой вклад в создание базовой теории полупроводников. Давыдов был первым, кто осознал роль неосновных носителей носителей в полупроводниках, а Шоттки и Мотт предложили знаменитую «теорию диффузии».

На основе вклада этих больших ребят постепенно была заложена основная теоретическая основа полупроводников.

• Рождение транзистора

После рождения Детектора руды,ученые обнаружили,производительность этого детектора,Он имеет отличную связь с чистотой руды. Чем выше чистота руды,Производительность тем лучше.

Поэтому многие ученые проводили исследования по очистке рудных материалов (таких как сульфид свинца, сульфид меди, оксид меди и т. д.), причем процесс очистки постоянно совершенствовался.

В 1930-х годах ученый из Bell Labs Рассел Шумейкер Ол предположил, что детекторы, изготовленные из очищенных кристаллических материалов, полностью заменят электронные диоды. (Знаете, в то время электронные лампы абсолютно доминировали на рынке.)

Рассел Орр, отец современных солнечных батарей

Испытав один за другим более 100 материалов, он пришел к выводу, что кристалл кремния — самый идеальный материал для изготовления детекторов. Чтобы проверить свой вывод, он с помощью своего коллеги Джека Скаффа извлек кристалл кремния высокой чистоты.

Поскольку у Bell Labs не было возможности резать кристаллы кремния, Орр отправил сплав в ювелирный магазин, чтобы разрезать его на образцы кристаллов разных размеров.

Неожиданно после освещения один конец одного из образцов вел себя как положительный, а другой конец как отрицательный. Орр назвал их P-зоной и N-зоной соответственно. Таким образом, Орр изобрел первый в мире полупроводниковый PN-переход (P-N-переход).

во время второй мировой войны,AT&T旗下из西方电气公司,На основе очищенных кристаллов полупроводника.,Выпущена партия кремниевых кристаллов диод. Эти диоды имеют небольшой размер и низкую частоту отказов.,Значительно улучшены характеристики и надежность радиолокационных систем союзников.

Изобретение Орром PN-перехода,И отличная производительность кремниевого кристаллического диода.,Это укрепило решимость Bell Labs развивать технологию транзисторов.

В 1945 году Уильям Шокли из Bell Labs после общения с Расселом Орром нарисовал зонные диаграммы полупроводников P-типа и N-типа на основе зонной теории и на основе этого предложил «гипотезу эффекта поля».

Гипотеза эффекта поля Шокли

Он предположил, что внутренние заряды кремниевой пластины могут свободно перемещаться, если пластина достаточно тонкая, под воздействием приложенного напряжения электроны или дырки кремниевой пластины выйдут на поверхность, что значительно увеличит проводимость кремниевой пластины. , тем самым достигая эффекта усиления тока.

Согласно этой идее,23 декабря 1947 г.,贝尔实验室из约翰·巴丁и沃尔特·Брэттон сделал этоПервый в мире полупроводниктриодный усилитель。也就да下面这个看上去非常奇怪且简陋из东东：

Первый в мире транзистор (на основе германиевого полупроводника)

Схема модели транзистора

По экспериментальным данным,Этот транзистор может обеспечить коэффициент усиления по напряжению 100,Прирост мощности 40,Текущая потеря 1/2,5...",Выступление было выдающимся.

при назывании,Бардин и Браттейн верят,Причина, по которой это устройство может усиливать сигнал,Это из-за его характеристик преобразования сопротивления.,То есть сигнал переходит от «входа с низким сопротивлением» к «выходу с высоким сопротивлением». затем,Они назвали его трансрезистором. позже,сокращенноtransistor。

много лет спустя,Цянь Сюэсэнь, известный китайский учёный,Его название в китайском переводе:：транзистор。

Подведем итог: свойство полупроводника – это особая способность проводить электричество (на которую влияют внешние факторы). Материалы, обладающие полупроводниковыми свойствами, называются полупроводниковыми материалами. Кремний и германий являются типичными полупроводниковыми материалами.

Микроскопически вещества, упорядоченно расположенные по определенным правилам, называются кристаллами. Кристаллы кремния бывают монокристаллическими, поликристаллическими, аморфными кристаллами и другими формами.

Морфология кристалла определяет зонную структуру, а зонная структура определяет электрические свойства. Поэтому кристалл кремния (германия) как полупроводниковый материал имеет такое большое прикладное значение.

диод, триод, тетрод,Он назван в честь функции: электронная лампа (вакуумная лампа), транзистор (кремниевый транзистор, германиевый транзистор).,Он назван в честь принципа.

транзистор, изобретенный Бардином и Брэттоном,На самом деле это должно называтьсяТочка контакта транзистора。Это также видно на рисунке ниже,Этот дизайн слишком прост. Хотя он реализует функцию усиления,Но конструкция хрупкая,Чувствителен к внешним вибрациям,Непрост в изготовлении,Непригоден для коммерческого применения.

Шокли заметил этот недостаток и начал заочно изучать новый транзистордизайн.

23 января 1948 г.,После более чем месяца упорной работы,Шокли предложил новую модель транзистора с трехслойной структурой.,并将其名为结式транзистор（Junction Transistor）。

Узел Шокли транзистордизайн

В создании конечного продукта Шокли помогали Морган Спаркс и Гордон Кидд Тил.

Отдельного упоминания заслуживает Гордон Тилл.

Он обнаружил, что замена поликристаллических полупроводников монокристаллическими может привести к значительному улучшению производительности. Более того, именно он обнаружил, что методом Чохральского можно очищать монокристаллы металлов. Этот метод используется до сих пор и является наиболее важным методом производства монокристаллов в полупроводниковой промышленности.

Рождение транзистора,Это имеет чрезвычайно важное значение для развития человеческой науки и техники.

Он обладает возможностями электронных ламп, но преодолевает все недостатки электронных ламп, такие как большой размер, высокое энергопотребление, небольшое увеличение, короткий срок службы и высокая стоимость. С момента его рождения было решено, что он полностью заменит электронную лампу.

Рабочие, производящие транзисторы

В области беспроводной связи,транзисториэлектронный Несмотря ни на что,Он может осуществлять излучение, обнаружение и усиление сигнала электромагнитных волн. В области цифровых схем,Транзистор также упрощает реализацию логических схем. Это заложило прочную основу для взлета электронной промышленности.

Позже растущее семейство транзисторов

█ интегральная схема

Появление транзисторов дает возможность миниатюризировать схемы.

В 1952 году Джеффри Даммер, известный учёный из Королевского радиолокационного института, отметил на конференции:

«С появлением транзисторов и всесторонним изучением полупроводников,Теперь это кажется возможным,Будущее электронное устройство представляет собой цельную деталь без соединительных проводов. "

В августе 1958 года Килби, новый сотрудник Texas Instruments, обнаружил, что чрезвычайно маленькие микросхемы, состоящие из множества устройств, можно производить на одной пластине. Другими словами, различные электронные устройства (такие как резисторы, конденсаторы, диоды и транзисторы) можно изготовить на кремниевых пластинах, а затем соединить тонкими проводами.

скоро,12 сентября,Килби основывал свои идеи на,Успешно изготовлена ​​схема германиевого чипа длиной 7/16 дюйма и шириной 1/16 дюйма.,也да世界上第一块интегральная схема（Integrated Circuit）。

Эта схема представляет собой одиночный транзисторный генератор с RC-обратной связью.,Все это приклеено к предметному стеклу.,Это выглядит очень грубо. компоненты схемы,Они соединены разбросанными тонкими линиями.

Изобретение Килби интегральное Одновременно со схемой прорыв в этой области совершил и другой человек. Этот человек — полупроводник Fairchild (Fairchild Роберт Нойс из Semiconductor Norton Нойс, который позже основал Intel).

仙童да硅谷“восемь предателей”联合创立из公司（Посмотреть подробности：сказка）,Он имеет чрезвычайно сильную техническую прочность в полупроводнике.

Джин Ахмед Хорни, одна из «восьми предателей» Hoerni）,изобретенный非常重要изПроцесс планирования。

Этот процесс заключается в добавлении слоя оксида кремния в качестве изолирующего слоя на кремниевую пластину. Затем в этом слое изолирующего оксида кремния проделывают отверстия и используют алюминиевые пленки для соединения устройств, изготовленных по технологии диффузии кремния.

Рождение графического мастерства,Позволяет Fairchild создавать кремниевые кристаллы чрезвычайно маленького размера с высоким разрешением.,также сделатьинтегральная Возможно соединение между устройствами в схеме.

23 января 1959 года Нойс написал в своих рабочих заметках:

«Изготовляя различные устройства на одной и той же кремниевой пластине, а затем соединяя их с помощью планарной технологии, можно создавать многофункциональные электронные схемы. Эта технология позволяет уменьшить размер, вес и стоимость схем».

нет

Узнал Килби, представил интегральную схема После патента,не очень сожалею,Думаю, я опоздал на шаг. Однако,Вскоре он снова обнаружил,У изобретения Килби действительно были недостатки.

Интегральная схема Килби использует соединение с помощью летающего провода.,Осуществить крупносерийное производство просто невозможно.,Отсутствие практической ценности.

Идея нета заключается в следующем:

Все схемы и компоненты электронного устройства изготавливаются на мастер-плате, а затем гравируются на кремниевой пластине. После того, как эта кремниевая пластина будет выгравирована, она будет содержать все схемы и может быть непосредственно использована для сборки изделий. Кроме того, метод напыления металла позволяет заменить термосварочные проволоки и полностью исключить летящие проволоки.

Интегральная схема Fairchild's Silicon Crystal

30 июля 1959 г.,нетна основе собственных идей,Заявлена ​​на патент: "Полупроводник - проволочная конструкция".

строго говоря,Изобретение нет ближе к интегральной схеме в современном понимании. Дизайн нет основан на планарном процессе кремниевой подложки,Конструкция Килби основана на процессе диффузии германиевой подложки. нет, опирается на преимущества кремниевого процесса Fairchild,Созданная схема действительно более совершенна, чем у Килби.

В 1966 году суд наконец постановил, что интегральная схемаидея（гибридныйинтегральная Права на изобретение схемы были переданы Килби, инкапсулировавшем интегральную схему, используемую сегодня, в чип. схема (настоящий смысл интегральная схема), а право изобретать процесс изготовления предоставлено нет.

Килби известен как «первый образец интегральной» Изобретатель «схемы», «нет» предложил интегральную схему, пригодную для промышленного производства. схема теории» люди.

Март 1960 г.,Texas Instruments по дизайну Джека Килби.,Официально запущен первый в мире коммерческий продукт интегральной схемы - кремниевый бистабильный мультирезонансный бинарный триггер 502.,Цена продажи 450$.

После зарождения интегральной схемы она впервые была применена в военной сфере (тогда это был самый чувствительный период Холодной войны).

В 1961 году ВВС США запустили первую интегральную схема управляемого компьютера. В 1962 году американцы добавили интегральную Схема используется в системе наведения баллистической ракеты Минитмен.

позже,Знаменитая программа высадки на Луну Аполлона,Он даже закупил миллионы частей интегральной схемы.,Пусть Texas Instruments и Fairchild заработают много денег.

Успех на военном рынке,Стимулировалось расширение гражданского рынка. 1964 год,ZenithКомпания будетинтегральная Схема используется в слуховых аппаратах и ​​считается интегральной. Первая реализация схемы в гражданской сфере.

История после этого,С этим должен быть знаком каждый. Совместными усилиями материалов, процессов и процессов,Увеличение количества транзисторов из интегральной схемы,производительность Постоянное улучшение,стоимость постепенно снижается,Мы вступили в эпоху закона Мура.

Закон Мура: количество транзисторов, которые можно разместить на интегральной схеме.,Он удваивается примерно каждые 18 месяцев.,Производительность также увеличится вдвое.

на основеинтегральная схема крупномасштабная, сверхбольшая интегральная разработка Схема, проложившая путь к появлению полупроводниковых накопителей и микропроцессоров.

В 1970 году Intel выпустила первую в мире интегральную память DRAM (Dynamic Random Access Memory). схема1103. В следующем году они выпустили первое в мире программируемое вычислительное устройство, включающее калькулятор и контроллер — Intel. 4004。

Золотой век IT-технологий официально начался.

█ Эволюция транзисторов

Давайте вернемся и поговорим о транзисторах.

транзистор появился на свет до сих пор,Форма претерпела множество серьезных изменений. В итоге,Преимущественно по биполярному типу,Преимущественно однополярного типа. В случае однополярного типа,От полевого транзистора к полевому транзистору. со структурной точки зрения,От PlanarFET снова к FinFET,Затем в ГААФЕТ.

Сокращений много и они расположены близко друг к другу, поэтому легко запутаться. Пожалуйста, наберитесь терпения и просмотрите их один за другим.

• Биполярный тип, униполярный тип

Транзистор типа перехода, изобретенный Шокли в 1948 году, называется транзистором типа биполярного перехода (Bipolar), поскольку для участия в проводимости он использует два носителя, дыру и электронный. Junction Transistor,BJT）。

BJTтранзистор имеет две структурные формы: NPN и PNP:

мы можем видеть,BJT-транзистор находится на подложке полупроводника.,Сделайте два PN-перехода очень близко друг к другу. Два узла ПН делят целый кусок полупроводника на три части.,Средняя часть – основа (Base),Две стороны — это эмиттер (Emitter) и коллектор (Collector).

Работапринцип BJTтранзистора сложнее,и сейчас редко используется,ограничено пространством,Я не буду много об этом рассказывать. по сути,Основная функция этого транзистора,Это небольшое изменение тока через базу.,Разрешить коллектору производить большие изменения тока,Есть усиливающий эффект.

Сяо Цзаоцзюнь ранее упоминал логические схемы. Он представляет собой комбинацию диода и BJTтранзистора и называется DTL. （Diode-Transistor Логическая) Позже появилась ТТЛ (Транзистор-Транзистор), построенная полностью по транзисторной схеме. Логическая) схема.

Преимущества BJTтранзистора — высокая частота и сильные ходовые качества. но,у него также есть недостатки,Например, высокое энергопотребление и низкая интеграция. Процесс производства также относительно сложен.,Использование плоской технологии имеет некоторые недостатки.

затем,через некоторое время,Начинает появляться новый вид транзисторов,也就даПолевой транзистор (Полевой транзистор, FET)。

В 1953 году Ян Росс из Bell Labs. Росс и Джордж Дарси Dacey) для производства первого в мире полевого транзистора с переходом (Junction Field Effect Транзистор, JFET) прототип.

JFET (транзистор с полевым эффектом перехода), это N-канал

JFET представляет собой трехконтактный (трехконтактный) полупроводниковый прибор, включающий исток, сток и затвор.

JFET делится на N-канальный JFET и P-канальный JFET. Первый представляет собой полупроводник N-образной формы с двумя полупроводниками P-типа, выполненными с обеих сторон (как показано на рисунке выше). Последний представляет собой полупроводник П-образной формы с двумя полупроводниками N-типа, выполненными с обеих сторон.

Проще говоря, принцип работы JFET заключается в управлении напряжением на затворе путем управления напряжением между затвором G и истоком S (VGS на рисунке) и напряжением между стоком D и истоком S (VDS на рисунке). стык между полюсом и каналом контролирует слой истощения.

Чем шире слой обеднения, тем уже канал, тем больше сопротивление канала и тем меньший ток стока (ID на рисунке), который может пройти. Состояние, при котором канал полностью покрыт слоем обеднения, называется состоянием отсечки.

JFETтранзистор Работакогда,Нужен только один перевозчик,Поэтому его называют транзистором униполярного типа.

1959 год,Родился новый вид транзистора,那就да大名鼎鼎изMOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET, металлооксидный полупроводник полевой транзистор)。

Его изобретателями являются египетский учёный Мохамед Атала (переименованный в Мартина Атала) и корейский учёный Давон Кан (также переводится как Цзян Даюань).

МОП-транзистор также состоит из истока, стока и затвора. Буква «М» в слове «МОС» указывает на то, что изначально ворота были изготовлены из металла. «О» означает, что затвор и подложка изолированы оксидом. «S» означает, что весь МОП-транзистор реализован полупроводником (полупроводником).

MOSFETтранзистор,Также называется IGFET (полевой транзистор с изолированным затвором).,Полевой транзистор с изолированным затвором).

МОП-транзистор (тип N)

Этот видMOSFETтранзистор,также разделен на“Nформа”и“Pформа” Два типа, а именно NMOS и PMOS. По типу операции ее также делят на усиленный тип и истощающий тип.

В качестве примера возьмем МОП-транзистор N-типа (более распространенный), изображенный выше. В качестве подложки используется кремниевый полупроводниковый материал P-типа, на поверхность распыляются две области N-типа, а затем на нее наносится слой изоляционного слоя диоксида кремния (SiO2). Наконец, травлением над N-областью делаются два отверстия. С помощью металлизации сделайте три электрода на изолирующем слое и в двух отверстиях: G (затвор), S (исток) и D (сток).

Кремниевая подложка P-типа имеет клемму (B), соединенную с источником S через провод.

Принцип работы MOSFET относительно прост:

В нормальных условиях между N-областью и субстратом P образуется нейтральная обедненная область из-за естественной рекомбинации носителей.

После подачи прямого напряжения на затвор электроны в P-области соберутся под оксидом кремния затвора под действием электрического поля, образуя область, в которой электроны составляют большинство, то есть канал.

Теперь, если между стоком и истоком приложено напряжение, ток будет свободно течь между истоком и стоком, достигая проводящего состояния.

Затвор G аналогичен затвору, который управляет напряжением. Если на затвор G подается напряжение, затвор открывается, и ток может течь от истока S к стоку D. Когда напряжение на затворе снимается, затвор закрывается и ток не может пройти.

Особенно важно отметить, что в 1967 году Цзян Даюань в сотрудничестве с китайским ученым Ши Минем совместно изобрели структуру FGMOS (MOSFET с плавающим затвором), заложив основу для технологии полупроводникового хранения данных. Позже все флэш-памяти, FLASH, EEPROM и т. д. были основаны на этой технологии.

Я только что представил BJT, JFET и MOSFET. Позвольте мне сначала нарисовать картинку, чтобы никто не запутался:

В 1963 году Фрэнк Ванрас из Fairchild Semiconductor. Ванласс) и Чи-Тан Sah,китайский）предложил впервыеCMOSтранзистор。

Они сочетают PMOS с NMOSтранзистором.,соединены во взаимодополняющие структуры,Ток покоя практически отсутствует. Это также «C (дополнительный) CMOSтранзистор.,дополнительный)» происхождения.

Самая большая особенность CMOS,То есть энергопотребление значительно ниже, чем у других типов транзисторов. С постоянным развитием закона Мура,Увеличение количества транзисторов из интегральной схемы,Требования к энергопотреблению также возрастают. На основе характеристик низкого энергопотребления,CMOS начинает становиться мейнстримом.

Сегодня более 95% интегральных схем изготавливаются на основе КМОП-технологии.

другими словами,С 1960-х годов,Базовая архитектура транзисторного принципа в основном доработана. На основе КМОП и кремния (природный запас кремния значительно превышает запас германия,И производительность термостойкости лучше, чем у германия.,Поэтому это стало мейнстримом) и интегральная схема экологии, представленная графическими поделками.,На протяжении десятилетий он поддерживал быстрое развитие всей отрасли.

• PlanarFET、FinFET、GAAFET

Хотя основные архитектурные принципы не изменились, изменилась форма.

интегральная схема постоянно обновляется,Технологии и производственные процессы продолжают развиваться. Когда количество транзисторов достигает определенного масштаба,,Процесс заставит изделие «деформироваться».,Для удовлетворения потребностей развития.

в первые дни,транзистор主要да平面форматранзистор（PlanarFET）。

Поскольку транзистор становится меньше по размеру,Длина ворот становится все короче и короче,Расстояние между источником и стоком постепенно сокращается.

Когда процесс (то есть то, что мы часто называем 7 нм и 3 нм, обычно имея в виду ширину затвора) меньше 20 нм, возникают проблемы: затвору МОП-транзистора трудно закрыть канал тока, беспокойные электроны невозможно заблокировать. , и часто происходят утечки. Потребляемая мощность также увеличивается.

Чтобы решить эту проблему,1999 год,Профессор Ху Чжэнмин, китайско-американский учёный,正式изобретенныйРебристый полевой транзистор (FinFET)。

По сравнению с плоской конструкцией PlanarFET, FinFET напрямую становится трехмерной конструкцией и трехмерной структурой.

Его нынешнее русло становится тонким вертикальным куском, похожим на рыбий плавник, зажатым с трех сторон решетками. Таким образом, будет создано относительно сильное электрическое поле, которое повысит эффективность канала управления и позволит лучше контролировать возможность прохождения электронов.

Технологии продолжают развиваться,Подождите до 5 нм,FinFET больше не доступен. В это время,Вот оно сноваGAAFET (транзистор с технологией Gate Allaround)。

Полное английское название GAAFET — Gate-All-Around FET. По сравнению с FinFET, GAAFET превращает затвор и сток из ребер в «палочки», которые проходят через затвор вертикально.

В этом случае от трех контактных поверхностей до четырех контактных поверхностей, а также разделения на несколько четырех контактных поверхностей способность затвора управлять током еще больше улучшается.

Южнокорейская компания Samsung также разработала другую форму GAA‑MBCFET (многомостовой полевой транзистор).

MBCFET использует многослойные нанолисты для замены нанопроволок в GAA. Большая ширина листовой структуры увеличивает поверхность контакта, сохраняя при этом все исходные преимущества и минимизируя сложность.

в настоящий момент,Крупнейшие компании отрасли,Все еще глубоко исследую возможность обновления транзисторов.,найти лучшие инновации,Поддержите будущее технологическое развитие.

█ Заключение

Ладно, я наконец закончил писать, я устал. Здесь вы видите настоящую любовь.

В целом, будь то электронная трубка (вакуумная трубка), или транзистор, — это небольшие компоненты, которые используют электричество для управления электричеством. Транзистор основан на полупроводниковом материале, поэтому его можно сделать достаточно небольшим. Это чип(интегральный схема) является причиной того, что он может достичь «маленького роста, больших способностей».

Характеристики материалов полупроводников,и роль транзистора,Все это выглядит очень просто. Это миллиарды таких простых «прибамбасов»,Поддерживает все развитие цифровых технологий человека,Подтолкните нас к эре цифрового интеллекта.

В следующем выпуске с вами снова поговорит Сяо Цзаоцзюнь:

Как делают чипсы?

Что означают модель IDM и модель Fabless, часто упоминаемые в отрасли?

В чипе так много транзисторов, как они подключены?

Следите за обновлениями!