Conceptul de a combina diferiti tranzistori pe aceeasi piesa de cristal semiconductor a fost introdus in 1950 de GWA Dummer la o conferinta in Anglia unde a vorbit de siguranta electronicelor unde a sustinut ca : odata cu aparitia tranzistoarelor si a semiconductoarelor in general se pot concepe echipamente electronice ca blocuri solide fara fire de conexiune: wirelless. Blocul astfel conceput din conductori , izolatori si amplificatori , are functia de a fi conectat direct la functiile electrice prin taierea diferitelor regiuni a diverselor straturi.
Industrial se obtineau materiale semiconductoare cristaline de precizie dar scumpe care in acea perioada se limita in a obtine doar tranzistoare.
Industrial se obtineau materiale semiconductoare cristaline de precizie dar scumpe care in acea perioada se limita in a obtine doar tranzistoare.
Progresul tehnologiei de obtinere si de prelucrare a cristalelor de Si a dus la obtinerea cristalelor pentru “wafer”-i de la 2 la 12 inch , ceea ce cere investitii enorme in echipamentul de obtinere a materialelor cristaline multe miliarde de dolari in liniile de obtinere materialelor cristaline
Jack S. Kilby – (co-)inventator al circuitului integrat.
Jack S. Kilby – (co-)inventator al circuitului integrat.
Jack Kilby angajat la Texas Instruments in 1958, in vara lui 1958 nu si-a luat vacanta si a fost interesat in cum sa faca fata numarului mare de componente dintr-un circuit integrat. In timpul verii lui 1958 el a demostrat ca este posibil sa se fabrice diferitele componente discrete ale unui oscilator folosind doar Siliciu ca material de baza prin sudarea lor impreuna.. In septembrie a aratat ca este posibil sa se fabrice complet un circuit dintr-o bucata de Ge care s-a dovedit a fi predominant material semiconductor pe linia de fabricatie din acel moment.
In 9 Februarie 1959 a obtinut un patent pe tema “ miniaturizarea circuitelor electronice”. Tranzistorii din compozitie si elementele pasive ereau conectate prin intermediul unor fire de aur. Kilby a mentionat ca se pot folosi conectori de aur ca material izolator.- pentru conexiunile electrice ale diferitelor parti.
In acelasi timp au fost facute cercetari si la American laboratories. J.A. Hoerni, un om de stiinta de la Fairchild Electronics in California a aratat ca este posibil procesul de planarizare pentru a evita procesul de blocare a tranzistorilor pe suprafat de wafer a semiconductorilor.
In acelasi timp au fost facute cercetari si la American laboratories. J.A. Hoerni, un om de stiinta de la Fairchild Electronics in California a aratat ca este posibil procesul de planarizare pentru a evita procesul de blocare a tranzistorilor pe suprafat de wafer a semiconductorilor.
Procesul de planarizare permite conductorilor sa fie depozitati mai usor pe chip-ul de material semiconductor.
Robert Noyce din aceeasi companie a descoperit ca aluminiul ca metal adera usor la Si si si la oxidul de siliciu. Intr-o notita de laborator din 23 ianuarie 1959 a descris in detaliu cum se poate obtine un circuit integrat utilizand aluminiul ca si strat conductor . A depus un patent in 30 iulie 1959 “ Structura pe baza de Plumb a componentelor semiconductoare” pe care il obtine in 25 aprilie 1961. ( Kilby l-a obtinut in 1964)
Curand a devenit evident ca inventarea circuitului integrat va avea o importanta comerciala foarte mare.
Noyce si cativa colegi de-ai sai isi deschid o companie noua INTEL ( pentru electronice integrate si se centreaza pe obtinerea de Circuite integrate.
Noyce si cativa colegi de-ai sai isi deschid o companie noua INTEL ( pentru electronice integrate si se centreaza pe obtinerea de Circuite integrate.
Aflarea materialului de legatura a reprezentat motivul unui scandal intre Texas Instruments si Fairchild Electronics/Intel :
Noyce a ales aluminiul ca si material izolator care adera la suprafata pentru proprietatile sale optice iar Kilby a ales aurul ca si material izolator.. Printr-un ordin judecatoresc Fairchild primeste dreptul de patent in 1969. Cu toate acestea companiile au schimbat licentele intre ei .
Kilby si Noyce au fost considerati ca si co –inventatorii circuitului integrat. Noyce devine fondatorul lui “Silicon Valley” dar moare in 1990. Kilby isi continua cariera de inventator.El este co-inventatorul calculatorului de buzunar. Care la inceput nu a prezentat interes comencial.
Microelectronicele se dezvolta odata cu circuitel integrat
O alta inventie include si inventarea MOS-FET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) de D. Kahng si M.M. Atalla si a microprocesorului de T. Hoff
Azi se comercializeaza procesoare cu milioane de tranzistori cu RAM (random access memories ) aproape de 109 bytes per Chip.
Heterostructurile
Heterostructurile
Un semiconductor cu heterostructuri poate consta din 2 straturi diferite cu benzi energetice diferite, Semiconductorii ce formeaza heterostructurile sunt combinatii de tip Ga-As din familia III-V sau semiconductori de aliaje Si-Ge. Valoarea benzilor energetice de “gap” ( goluri) a diferitilor semiconductori depinde de aplicatie , se ajusteaza prin inlocuirea Ga cu In sau Al , sau a As cu P sau a Sb cu N prin variatia combinatiei de aliaj.
Marginile abrupte dintre straturile de semiconductor se obtin prin diferite metode cum ar fi :
MBE ( Molecular Beam Epitaxy) – inventat de A.Y.Cho si J.R> Arthur)
MOVCD (Metallo-Organic Chemical Vapor Deposition ) inventat de Manevit.
In fiecare din aceste metode , straturile cresc epitaxial ( strat atomic dupa strat , cu o constanta de retea bine stabilita.
Heterostructurile sunt utilizate in obtinerea tranzistorilor utilizati pentru frecventa ridicata si a optoelectronicelor.
Tranzistori cu heterojonctiune
Tranzistori cu heterojonctiune
Curentul de amplificare intr-o jonctiune bipolara obisnuita cum ar fi de tip npn se defineste ca raportul dintre curentul de electroni si cel de goluri. Electronii trec rapid prin baza fara sa se recombine . In acelasi timp golurile care se injecteaza de la baza catre emitor limiteaza curentul de amplificare. Dopand baza mai putin creste curentul de amplificare dar in acelasi timp creste rezistenta bazei.
Impreuna cu capacitanta emitor-baza , se obtine o constanta de timp RC mai ridicata si diferite limitari la viteza de operare a tranzistorului.
Un tranzistor bipolar cu heterojonctiune (HBT) difera de unul normal in ce priveste baza , care consta intr-un strat de semiconductor cu o energie mai mica a benzii energetice de goluri . Aceasta duce la scaderea barierei energetice si astfel la o crestere puternica a curentului de electroni .In acelasi timp curentul de goluri este fara sarcina ceea ce duce la obtinerea unui curent de amplificare asa cum este necesar. Pentru a reduce amplificarea , putem dopa baza considerabil de mult si sa o facem extrem de subtire , care sa duca apoi la o descrestere a rezistentei bazei si la constanta RC –timp , deci la un tranzistor mai rapid.
Un tranzistor bipolar cu heterojonctiune (HBT) difera de unul normal in ce priveste baza , care consta intr-un strat de semiconductor cu o energie mai mica a benzii energetice de goluri . Aceasta duce la scaderea barierei energetice si astfel la o crestere puternica a curentului de electroni .In acelasi timp curentul de goluri este fara sarcina ceea ce duce la obtinerea unui curent de amplificare asa cum este necesar. Pentru a reduce amplificarea , putem dopa baza considerabil de mult si sa o facem extrem de subtire , care sa duca apoi la o descrestere a rezistentei bazei si la constanta RC –timp , deci la un tranzistor mai rapid.
Principiul cresterii eficientei emitorului prin utilizarea unei benzi de goluri mai larga decat baza a fost mentionata de Shockley in patentul sau privind tranzistorul extensiv aplicat in 1948 si obtinut in 1951) si comentat teoretic de Gubanovin 1951. Analiza principala a fenomenului a fost facuta de Herbert Kroemer : el a sugerat o gradare a energiei de goluri in locul unei modificari energetice abrupte la jonctiune si existenta unui camp cuasi electric care sa afecteze diferit electronii si golurile.
Principiul cresterii eficientei emitorului prin utilizarea unei benzi de goluri mai larga decat baza a fost mentionata de Shockley in patentul sau privind tranzistorul extensiv aplicat in 1948 si obtinut in 1951) si comentat teoretic de Gubanovin 1951. Analiza principala a fenomenului a fost facuta de Herbert Kroemer : el a sugerat o gradare a energiei de goluri in locul unei modificari energetice abrupte la jonctiune si existenta unui camp cuasi electric care sa afecteze diferit electronii si golurile.
Electronii din straturile de heterojonctiune patrund prin al doilea strat si formeaza un strat bidimensional de electroni ( 2DEG, gaz electronic bidimensional).
Electronii din straturile de heterojonctiune patrund prin al doilea strat si formeaza un strat bidimensional de electroni ( 2DEG, gaz electronic bidimensional).
Cum doparea tipica a impuritatilor este este separata de 2 DEG , mobilitatea sa poate fi foarte ridicata.. In efectulde camp al tranzistorului densitatea de sarcina in 2DEG si curentul este controlata de un potential al portii inchise ce corespunde stratului 2DEG. Frecventa la limita a unui astfel de tranzistor HEMT (High Electron Mobility Transistor) numit si MODFET (Modulation Doped Field Effect Transistor) este de 600 GHz ( castigurile dispar). Zgomotul componentelor este foarte scazut.
A fost descoperit in acelasi timp de grupurile de la Bell Labs (R. Dingle et al.), si de cel din Japan (T. Mimura et al.) si de cel din France (D. Delagebeaudeuf et al.) si se foloseste ca aplicatii ale microundelor in comunicatiile wireless , in comunicatiile spatiale , radio si in astronomie.
Componenetele semiconductoare utilizate in heterostructuri dau posibilitatea combinarii tehnologiilor microelectronica , optoelectronica si a microundelor
Componenetele semiconductoare utilizate in heterostructuri dau posibilitatea combinarii tehnologiilor microelectronica , optoelectronica si a microundelor
Un exemplu de receiver fotodetector de viteza inalta ce combina heterojonctiunea unui fotodetector cu electronicele de viteza ridicata pe acelasi tip de chip : cititorul de coduri de bara din supermaket-uri care citesc preturile.
Laserii si heterostructurile
Laserii si heterostructurile
In 1964 premiul Nobel in fizica se ia de Ch.H. Townes, N.G. Basov, and A.M. Prokhorov pentru activitatea fundamentala in domeniul electronicii cuantice care duce la constructia oscilatorilor si a amplificatorilor bazati pe principiul maser/laser
In 1960 Maiman a incercat sa construiasca primul laser cu rubin
In 1962 R.N.Hall descopera laserul cu semiconductori dar eficienta homojonctiunii de tip pn nu a fost prea ridicata si a necesitat un curent mare la deschidere. . Laserii cu heterostructuri pot fi folositi la temperatura camerei si sunt pe departe tipul de laseri care domina.
Laserii cu heterostrcturi au aplicatii in domenii cum ar fi imprimantele laser, CD –playere si fibrele optice pentru comunicare de mare viteza.
Diodele emitatoare de lumina care utilizeaza acelasi tip de heterostrcturi se numesc diode laser. Se produ pe scara larga si se regasesc in multe produse : semnale de trafic, si in tot felul de displays,
Alte exemple de utilizare a componentelor ce utilizeaza heterojonctiuni si componente optoelectronice sunt fotodetectoare si celule solare si particular pentru inelele de putere ale satelitilor
Principiul laserilor cu heterostructuri sugerat de Kroemer in 1963 ( apoi cel al lui Varian si Palo Alto) ( publicat in Proc. IREE 51, 1782 (1963)) si apoi patentul lui Zh.I. Alferov si R.F. Kazarinov de la Ioffe Physico-Technical Institute, Leningrad (acum St. Petersburg). Sarcina purtatoare care se regaseste in starea de populatie inversata se concentreaza intr-un strat subtire cu o densitate scazuta a benzii de goluri plasata , strat plasat ca intr-un sandwich intre doua benzi de goluri cu densitate ridicata. Practic nu exusta nici un proces de recombinare in afara regiunii actyive unde banda de goluri cauzeaza o variatie a fortei cuasielectrice ce afecteaza electronii si golurile. Mai mult fotonii se limiteaza in regiunea benzii de goluri si indexul de refreactie astfel obtinut e foarte ridicat. Heterostructura actioneaza ca un ghid de unda optic iar pierderile optice din regiunea astfel obtinuta cu o banda de goluri cu densitate ridicata devine neglijabila. Astfel inversarea purtarorilor si a fotonilor cauzeaza un efect de laser care devine un laser activ. Devine astfel posibila descresterea curentului de limitare , ca o operatie continua fara o racire aditionala.
Principiul laserilor cu heterostructuri sugerat de Kroemer in 1963 ( apoi cel al lui Varian si Palo Alto) ( publicat in Proc. IREE 51, 1782 (1963)) si apoi patentul lui Zh.I. Alferov si R.F. Kazarinov de la Ioffe Physico-Technical Institute, Leningrad (acum St. Petersburg). Sarcina purtatoare care se regaseste in starea de populatie inversata se concentreaza intr-un strat subtire cu o densitate scazuta a benzii de goluri plasata , strat plasat ca intr-un sandwich intre doua benzi de goluri cu densitate ridicata. Practic nu exusta nici un proces de recombinare in afara regiunii actyive unde banda de goluri cauzeaza o variatie a fortei cuasielectrice ce afecteaza electronii si golurile. Mai mult fotonii se limiteaza in regiunea benzii de goluri si indexul de refreactie astfel obtinut e foarte ridicat. Heterostructura actioneaza ca un ghid de unda optic iar pierderile optice din regiunea astfel obtinuta cu o banda de goluri cu densitate ridicata devine neglijabila. Astfel inversarea purtarorilor si a fotonilor cauzeaza un efect de laser care devine un laser activ. Devine astfel posibila descresterea curentului de limitare , ca o operatie continua fara o racire aditionala.
Diferite grupuri de cercetatori au contribuit la dezvoltarea practica a laserilor concept introdus pentru prima data in 1963 si a permis introducerea pentru prima data a laserilor in 1970. O dezvoltare sistematica s-a produs in grupul de cercetatori al lui Alferov la Ioffe Institut . Primele heterostructuri crae au aparut sunt GaAsP/GaAs Au fost inlocuite de AlGaAs/GaAs. Laserii de tip pulsatorii au fost obtinuti folosind o heterostructura in 1968 si astfel grupul de cercetatori care au lucrat la ei au raportat exitenta unui laser care lucrat in mod continuu abia in mai 1970 .
Schimbul de informatii intre rusi si americanii a fost impiedicat de razboiul rece in anii 1960 .
Schimbul de informatii intre rusi si americanii a fost impiedicat de razboiul rece in anii 1960 .
S-au dezvoltat in paralel heterostructuri in laboratoarele industriale de la Bell Labs, IBM, and RCA in the United States – s-au potrivit insa reteaua de structuri, diagramele de benzi si laserii cu o singura heterojonctiune, obtinandu-se laseri cu heterostructuri duble care lucreaza in modul pulsatoriu si continuu.
Grupul lui M.B. Panish de la laboratoarele Bell au castigat cursa obtinand laserul care lucreaza la temperatura camerei in iunie 1970.
Dezvoltarea in continuare a laserilor cu semiconductori a dfevenit produs comercial si a intrat pe piata americana. Cateva grupuri de cercetatori care s-au implicat in aceasta activitate printre care si cel al lui N. Holonyak, Jr., si studentii sai .
Laserii care lucreaza in cascada cuantica au fost raportati de F. Capasso, A. Cho si colaboratorii sai in 1994.
Laserii care lucreaza in ultraviolet au fost perfectionati de S. Nakamura care utilizeaza diode care emit lumina in UV ( 1994) si se introduc apoi laserii cu strctura de GaN ( 1996) . In momentul de fata tot spectrul este acoperit.
In prezent de produc sute de milioane de sisteme laser .
Laserii folositi la CD playere domina ca numar laserii utilizati in domeniul comunicatiilor.
Heterostructurile in stiinta
Heterostructurile in stiinta
Structura de tip 2DEG obtinuta la o heterojonctiune dopata selectiv o contributie a cercetarilor fundamentale in fizica . Interesul major pare sa fie pe viitor transportul electronilor in domenii limitate geometric.
Utilizand un camp magnetic puternic aplicat perpendicular structurilor 2DEG K von Klitzing descopera efectul Hall cuantic si primeste premiul Nobel in 1985 pentru probele pe care le-a primit de la M. Pepper si G. Dorda. Utilizand campuri cu valori si mai ridicate , D.C. Tsui si H.L. Stoermer primesc premiul Nobel in 1998 pentru descoperirea efectului Hall cuantic fractionar in materiale MBE ultrapure pe care I le-a pus la dispozitie A.C. Gossard.
Pornind de la structuri 2DEG , electronii se pot limita la sructuri zero si unidimensionale.
cuantificarea conductantei in punctele de contact , localizarea , fenomenul de single electron tunneling, si studiul structurii din atomii si moleculele artificiale par sa fie fenomene fascinante de studiu.
Aproximatiile ingineriei structurilor de banda ( introdus de Capasso ) , utilizarea semiconductorilor cu superstructuri ( a heterojonctiunilor) introduse de L. Esaki care lucreaza impreuna cu colaboratorii sai R. Tsu and L. Chang la inceputul anilor 70. le permite sa ia premiul Nobel in 1973.
Toate acestea duc la o dezvoltare a tehnicilr de obtinere a materialelor cristaline cat mai avansate si in consecinta la dezvoltarea stiintei si tehnologiei.
Pentru viitor
Pentru viitor
Evolutia microelectronicii permite evolutia societatii datorita evolutiei IT din ultimile decenii. Tehnologia de azi bazata pe Si a inregistrat o evolutie de cateva ori dar continua sa evolueze.Limitarile fizice a materialelor se vor face la dimensiunea atomica . Mai serios va creste costul instrumentatiei si a echipamentelor care se vor utiliza si care se vor miniaturiza. Astfel stiinta va economisi la tehnologii si componente alternative. Dar nici o alegere nu este clara .
Viteza operatyiilor va creste . Frecventa procesoarelor este in prezent la ordinul de 1 GHz ( 1 miliard de cicluri pe secunda). Scopul cercetarii este sa se ajunga la la frecvente de 1 milion de ori ( proiectul petaflop cu 1015 operatii pe secunda). Frecventa mesajelor va creste . Radarele anticoliziune se prevad a functiona pe banda de 70 GHz.
Radioastronomia necesita detectoare de semnale slabe su frecvente ridicate . Viteza detectorilor de particule va creste . In zonele dens populate , oamenii se vor conecta acasa la z benzi inguste de telecomunicatii . Comunicatiile pe fibra si cele mobile vor creste ca importanta.
Microelectronicele si-au crescut productivitatea de sute de ori ( performanta va creste si pretul se va injumatati) in comparatie cu tehnologiile clasice in ultimii 15 ani. Se prevede pe viitor o dezvoltare similara ca si pana in prezent. Tehnologia informatiei si comunicatiei prevede ca pe viitor sa schimbe societatea .
Bibliografie
Bibliografie
Jack S. Kilby, Invention of the Integrated Circuit, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 23, July 1976, p.648.
Herbert Kroemer, Band Offsets and Chemical Bonding: The Basis for Heterostructure Applications, Physica Scripta T68, 10-16, 1996.
Zh.I. Alferov, The History and Future of Semiconductor Hetrostructures from the Point of View of a Russian Scientist, Physica Scripta T68, 32-45, 1996.
