Podręcznik

2.3. Początki

W roku 1874 niemiecki fizyk Karl Ferdynand Braun zaobserwował, że styk metalowej igły z niektórymi kryształami (przykład: galena, czyli siarczek ołowiu) przewodzi prąd elektryczny asymetrycznie: opór elektryczny zależy od kierunku przepływu prądu. Była to pierwsza obserwacja odnosząca się do zjawisk występujących w półprzewodnikach. Zjawisko zaobserwowane przez Brauna znalazło zastosowanie praktyczne w postaci detektora kryształkowego: prymitywnej diody wykorzystywanej aż do drugiej wojny światowej w najprostszych radioodbiornikach. Do dziś stosowane są ostrzowe diody germanowe – współczesna wersja diody Brauna, w której galena zastąpiona została przez kryształ germanu – pierwiastka będącego półprzewodnikiem. 

Zrozumienie zjawisk zachodzących w półprzewodnikach było możliwe dzięki rozwojowi fizyki w pierwszej połowie XX wieku: poznaniu budowy atomu, fizyce kwantowej, fizyce ciała stałego. Zjawiska na styku metal-półprzewodnik opisał teoretycznie niemiecki fizyk Walter Schottky w latach 20 XX wieku. Prace nad wykorzystaniem zjawisk w półprzewodnikach zostały zintensyfikowane w latach II Wojny Światowej w związku z rozwojem techniki radarowej. Wkrótce po wojnie fundamentalne prace teoretyczne i doświadczalne zespołu uczonych amerykańskich – Williama Shockleya, Johna Bardeena i Waltera Brattaina doprowadziły do powstania pierwszych tranzystorów: tranzystora ostrzowego (1947) i złączowego (1951). Tranzystor ostrzowy był elementem o niewielkiej przydatności i małej trwałości, więc szybko wyszedł z użycia, natomiast tranzystor złączowy, zwany obecnie tranzystorem bipolarnym, we współczesnych wersjach technologicznych jest wytwarzany i stosowany do dziś. Jednak – obok tranzystorów - niemniej ważnym wynikiem prac Shockleya, Bardeena i Brattaina był ścisły i spójny opis ilościowy zjawisk w diodzie półprzewodnikowej i tranzystorze bipolarnym, który stanowi do dziś, wraz z późniejszymi rozszerzeniami i uzupełnieniami, podstawę inżynierskiej wiedzy w dziedzinie techniki półprzewodnikowej.

Tranzystory bipolarne były podstawowymi elementami pierwszych układów scalonych, lecz dziś w mikroelektronice wykorzystywane są niemal wyłącznie tranzystory innego rodzaju: tranzystory unipolarne z izolowaną bramką zwane w skrócie tranzystorami MOSFET lub po prostu MOS. Ich historia rozpoczęła się nawet wcześniej, niż tranzystorów bipolarnych. Julius Lilienfeld, fizyk urodzony we Lwowie w zaborze austriackim, lecz działający w Niemczech, a następnie w USA, opatentował w latach 1925 i 1928 struktury będące pierwowzorami tranzystorów unipolarnych. Nie było jednak w tamtych czasach technologii umożliwiających wytworzenie takich tranzystorów. Pierwsze działające tranzystory MOSFET zawdzięczamy pracom prowadzonym w laboratoriach Bella w USA na przełomie lat 50 i 60 XX wieku.

I jeszcze jeden wynalazek, bez którego nie byłoby mikroelektroniki w jej współczesnej postaci: technologia wytwarzania monokryształów, czyli kryształów o idealnie regularnej budowie wewnętrznej. Wynalazcą metody wytwarzania monokryształów był polski chemik Jan Czochralski, urodzony w Kcyni w zaborze pruskim, działający najpierw w Niemczech, a od 1928 roku profesor Politechniki Warszawskiej. Pierwszy raz Czochralski zaobserwował zjawisko monokrystalizacji (ale nie półprzewodnika, lecz metalu – cyny) w roku 1916, a opublikował w 1918. Metodę Czochralskiego wykorzystano po raz pierwszy do produkcji monokryształów półprzewodnika (germanu) w roku 1950 w laboratoriach Bella w USA. Dziś metoda Czochralskiego używana jest powszechnie do produkcji monokryształów krzemu będących podstawowym materiałem mikroelektroniki. 

A co to jest dioda, tranzystor bipolarny, tranzystor MOS? Jak to działa? Jeśli nie wiesz, czytaj dalej.