Od siarczku srebra do grafenu,

czyli jak półprzewodniki

trafiły pod strzechy

Andrzej Jakubowski, Lidia Łukasiak

Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

Politechniki Warszawskiej

XI Krajowa Konferencja Elektroniki,

11-

14 czerwca 2012, Darłówko Wschodnie

Source: www.computerhistory.org

1833

– pierwsza udokumentowana

obserwacja efektu
półprzewodnikowego

Rezystancja siarczku srebra maleje z
temperaturą (w przeciwieństwie do metali)

Michael Faraday

(1791

– 1867)

Wczesna historia półprzewodników

“There is no other body with which
I am acquainted, that, like sulfuret of
silver, can compare with metals in
conducting power for electricity of low
tension when hot, but which, unlike
them, during cooling, loses in power,
while they, on the contrary, gain.
Probably, however, many others may,
when sought for, be found”.

Michael Faraday

Kierunek przepływu prądu

Pojęcie prądu jako przepływu fikcyjnego
ładunku dodatniego pochodzącego z
elektrody o dodatnim potencjale

pojawiło się w pracach

Michaela Faradaya

R

I

+

-

Thomas Johann Seebeck

– odkrywca

termoelektryczności
Już ok. 10 lat przed

Faradayem

zwrócił

uwagę na odmienne właściwości materiałów
zwanych obecnie półprzewodnikami

Źródło: E. Velmre, „Thomas Johann Seebeck (1770-1831)”, Proc. Estonian

Acad. Sci. Eng., 2007, 13, 4, 276-282

Wczesna historia półprzewodników

CE

NA

TRA

NZY

ST

ORA

[USD

]

ROK

PR
ODUK

CJ
A

TRA

NZY

ST
OR
ÓW

1E+12

1E+15

1E+18

1E+21

1.0E-12

1.0E-09

1.0E-06

1.0E-03

1.0E+00

1960

1970

1980

1990

2000

2010

2020

10

06

10

04

10

02

10

00

10

08

10

10

10

12

1960

2020

1980

2000

Liczba

tr

anzy

storów

na

głow

ę

mi

eszk

ańc

a

Ziemi

ROK

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

2000

2002

2004

2006

2008

2010*

N

a

100

mi

esz

kań

có

w

U

mo

w

y

[ml

n

]

Umowy [mln]
Na 100 mieszkańców

*Oszacowanie
Źródło: ITU World Telecommunication /ICT Indicators database

Umowy na telefony komórkowe, 2000-2010*

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0

500

1 000

1 500

2 000

2 500

2000

2002

2004

2006

2008

2010*

N

a

100

mi

esz

kań

có

w

U

ży

tko

w

n

icy

In

ter

n

etu

[m

ln

]

Użytkownicy Internetu [mln]

Użytkownicy Internetu na 100 mieszkańców

Użytkownicy Internetu 2000-2010*

*Oszacowanie
Źródło: ITU World Telecommunication /ICT Indicators database

2002

PenDrive 8 MB

– 2001 r.

2012

PenDrive 512 GB

bramka sterująca

bramka pływająca

dren

źródło

krzem

1910

– określenie

halbleiter (półprzewodnik)

pojawia się po raz pierwszy (rozprawa
doktorska Weissa, ucznia
Koenigsbergera, poświęcona
termoelektryczności)

Źródło: G. Busch, „Early History of the Physics and Chemistry of Semiconductors-

From Doubts to Fact in a Hundred Years

”, Eur J Phys 10, pp. 254-64, 1989

Wczesna historia półprzewodników

1839 – obserwacja napięcia na styku

pomiędzy półprzewodnikiem
a elektrolitem

Edmund Becquerel

(1820-1891)

Wczesna historia półprzewodników

1874 – odkrycie prostowania w

kryształach siarczków metali
dotykanych metalowym
ostrzem

Ferdinand Braun

(1850-1918)

Source: www.radarworld.org/history.pdf

1897 – wynalazł the cathode ray

tube (CRT) z odchylaniem
magnetycznym

1909 – Nagroda Nobla z

fizyki wraz z G.
Marconim

Wczesna historia półprzewodników

A. Schuster

1874

– obserwacja prostowania w

obwodzie z miedzianych drutów
skręconych śrubami

odkrycie tlenku miedzi jako
półprzewodnika

W. Smith

1873 – eksperymenty z selenowymi

bateriami słonecznymi

Wczesna historia półprzewodników

1876

– pierwsza obserwacja powierzchni

i jej wpływu na prąd (efekt polowy)

W.G. Adams

and

R.E. Day

C. Fritz (Frits, Fritts)

1883 – bateria słoneczna (wydajność 1-2%)

Wczesna historia półprzewodników

1906 – patent na krzemowe prostowniki

ostrzowe

G. Pickard

J.S. Bose

1903 – patent na prostowniki ostrzowe (galena

PbS)

1928 – kwantowa teoria elektronów w sieciach

krystalicznych (Nagroda Nobla w 1952)

F. Bloch

Wczesna historia półprzewodników

Henry Joseph Round

(1881-1966)

1907 – obserwacja świecenia w

węgliku krzemu pod
wpływem przyłożonego
napięcia

Wczesna historia półprzewodników

Oleg Władimirowicz Łosew

(1903-1942)

1927 – pierwsza dioda

elektrolumines-
cencyjna

Wczesna historia półprzewodników

Zrozumieć półprzewodniki

P. Morse

1930

– pojęcie przerwy energetycznej

L. Brillouin

1930

– zastosowanie przerwy

energetycznej do analizy ciał
stałych

Zrozumieć półprzewodniki

R. Kronig

i

W. Penney

1931

– model periodycznego potencjału

W. Heisenberg

1931

– pojęcie dziury (Peierls niemal

doszedł do pojęcia dziury)

E

k

E

k

E

k

energy gap

Metal

band not

filled completely

Insulator

band

filled completely

Semiconductor

electron states

within the gap

Teoria pasmowa Wilsona - 1931

Półprzewodniki w praktyce

1929

–

eksperymetalne potwierdzenie

istnienia bariery potencjału w
złączu metal-półprzewodnik
(bariera Schottky’ego)

Walter Schottky

(1886-1976)

Julius Edgar Lilienfeld (1882-1963)

Zdjęcie i informacje na podstawie wniosku o

przyznanie obywatelstwa Stanów

Zjednoczonych Ameryki Północnej złożonego

1 października 1934 roku. J.E.Lilienfeld miał

wówczas 52 lata. W swoich dokumentach

imigracyjnych informuje, że urodził się w

Polsce, ma brązowe włosy i oczy, wzrost
wynosi 5 stóp i 6 cali a waga 146 funtów.

Urodzony 18 kwietnia 1882 r. (Lwów), zmarły 28 sierpnia 1963r

(Charlotte Amalie, U.S.A). Doktorat z fizyki na Uniwersytecie w Berlinie.

W latach 1910-1927 profesor fizyki na Uniwersytecie w Lipsku. W 1927

roku emigruje do USA, gdzie pracuje jako dyrektor ds. badań w Ergon

Research Laboratories. Od 1988 Amerykańskie Stowarzyszenie Fizyków

przyznaje nagrodę im. Lilienfelda.

J.E. Lilienfeld-

US Patent

1,900,018.

Pierwszy patent

opisujący zasadę

działania tranzystora

MOS

Wniosek złożony:

marzec 1928,

Patent przyznany:

marzec 1933

J.E. Lilienfield-US

Patent 1,745,175.

Pierwszy patent

opisujący zasadę

działania tranzystora

MESFET

Zgłoszony: październik 1928,

przyznany: styczeń 1930

1934

– teoretyczne odkrycie

pojemnościowego sterowania
prądem w tranzystorach polowych

Koncepcja przyrządu

Oskar Heil

(1908-1994)

N. Mott

i

W.

Schottky

1938

– model bariery potencjału i przepływu

prądu (praca wyjścia)
(Mott

– nagroda Nobla w 1977)

Sir Neville Mott

(1905-1996)

Zrozumieć półprzewodniki

W.

Schottky

1939

– model bariery potencjału i przepływu

prądu (praca wyjścia i ładunek)

B. Dawidow

1938

– teoria prostowanika Cu

2

O (złącze p-n,

nośniki nadmiarowe, rekombinacja)

H.A. Bethe

1942

– teoria emisji termicznej (nagroda

Nobla w 1967)

Zrozumieć półprzewodniki

Złącze p-n

Russel Ohl (1898

– 1987)

lata 20-te

– eksperymenty dotyczące

detekcji fal radiowych (

cat’s

whisker)

1927

– rozpoczyna pracę w Bell Labs

1939

– próba poprawienia jakości krzemu

1940

– efekt fotowoltaiczny

Identyfikacja domieszek(B, Al, P)

1946

– 4 patenty na detektory krzemowe i

złącze p-n

Source: M.Riordan, L.Hoddeson, „The origins of the pn junction”, IEEE Spectrum, June 1997, p. 46

• Bell Laboratories – dział badawczy

AT&T

• Patenty

Graham Bell

wygasły ok. 1907



rosnąca konkurencja



transkontynentalne rozmowy telefoniczne

• AT&T kupiła patent

Lee De Foresta

na

triodę próżniową (wzmacnianie

• AT&T wydała setki tysięcy dolarów na

usprawnienie lamp próżniowych

Bell Telephone Laboratories

Source: www.pbs.org

Są trzy drogi do ruiny:
• kobiety,
• hazard
• technologia.

Kobiety to droga najprzy-
jemniejsza,
hazard - najszybsza
technologia -
najpewniejsza.

-

Georges Pompidou

Mervin Kelly

– dyrektor ds.

badań w Bell Telephone
Laboratories

Bell Telephone Laboratories

Początkowo popiera prace nad lampami
próżniowymi

Lampy

– duże zużycie energii,

duże wydzielanie ciepła,
krótki czas życia

33

ENIAC - 1946

pow. pokoju: ~ 170 m

2

masa: ~ 30 ton

liczba lamp: ~ 18 tys. koszt: ~ 0.5 mln USD

1945

–

Mervin Kelly

powołuje Solid-State

Division

”W celu zdobycia nowej wiedzy, którą można
wykorzystać do opracowania zupełnie
nowych i ulepszonych elementów dla
systemów komunikacji”

Grupą kierowali

William Shockley

i Stanley

Morgan

Bell Telephone Laboratories

35

Miniaturyzacja

ENIAC



Wymiar charakt. 0.5 µm



Rozmiary: 7.44mm x 5.29 mm



Liczba tranz.: 174,569



Obudowa: 132 pin PGA

Źródło: From Vacuum Tubes to Microchip History, Operation and Reconstruction in VLSI
Jan Van der Spiegel University of Pennsylvania

“One shouldn’t work on semiconductors,
that is a filthy mess; who knows whether
any semiconductors exist

!”

Wolfgang Pauli

, 1931

(in a letter to Peierls)

Zakaz Pauliego, nagroda Nobla- 1945

„Nikt nie powinien zajmować się
półprzewodnikami, to takie mętne bagno;
kto wie czy one w ogóle istnieją”

Source: Out of the crystal maze, Lillian Hoddeson (ed.) et al., 1992

Kierunki badawcze

1. Krzem i german (najlepiej poznane)

2. Efekt polowy

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Stany powierzchniowe

Teoria stanów powierzchniowych

Bardeena

Wyjaśnienie fiaska

tranzystora polowego

Pierwszy tranzystor: grudzień 1947

Wynalazcy tranzystora
ostrzowego

John Bardeen

Walter Brattain

William Bradford

Shockley

– wynalazca

tranzystora złączowego

Nagroda Nobla

– 1956

Tranzystor

ostrzowy

16 grudnia, 1947

23 grudnia19

47

pokaz dla

kierownictwa

laboratorium

Tranzystor ostrzowy

metalowa podstawa

Ge typu n

Warstwa inwersyjna typu p

polistyrenowy

klin

folia Au

folia Au

szczelina

sprężyna

V

1

V

2

R

I

1

I

2

sy

gna

ł

w

ejścio

w

y

sy

gna

ł

w

yjściow

y

+

+

Source: M.Riordan, L.Hoddeson, C. Herring, „The invention of the transistor”, Rev. Mod. Phys., vol. 71, no. 2, 1999, p. S336

W. Shockley and G. L. Pearson, “Modulation of
conductance of thin films of semi-conductors by
surface charges

,” Phys. Rev.,vol. 74, pp. 232–233,

July 15, 1948

J.Bardeen, W.Brattain, „Physical principles involved
in transistor action”, Phys. Rev., vol. 75, p. 1208,
1949

W. Shockley, “The theory of p-n junctions in
semiconductors and p-n junction transistors

,” Bell

Syst. Tech. J., vol. XXVIII, no. 3, pp. 435

–489, July

1949

W. Shockley, M. Sparks, and G. K. Teal, “p-n
junction transistors

,”Phys. Rev., vol. 83, no. 1, pp.

151

–162, July 1, 1951.

William Bradford Shockley

emiter

kolektor

emiter

kolektor

baza

monokryształ germanu

baza (typ-n)

typ-p

typ-p

Czochralski, J. “Ein neues Verfahren zur Messung der
Kristallisationsgeschwindigkeit der Metalle” Zeitschrift
f

ür Physikalische Chemie (

1917

), 92, 219

G. Teal and J. B. Little

“Growth of germanium single

crystals“, Phys. Rev., vol. 78, p. 647, 1950

G. Teal,

“Germanium and silicon single crystals“,

Phys. Rev., vol. 87, p. 221, 1952

Metoda Czochralskiego rediviva!!!

Jan Czochralski

(1885-1953)

1907

– podjęcie pracy w AEG (Allgemaine

Elektricitäts Gesselschaft)

1910

– ślub z Margaretą Haase

1913

– pierwsza publikacja)

1916

– metoda Czochralskiego

1885

– 23 paździer-

nika, Kcynia

1904

– wyjazd do

Berlina

Jan Czochralski

(1885-1953)

1924

– książka „Nowoczesne

metaloznawstwo w teorii i praktyce”

1924

– patent na metal „B”

1925

– przewodniczący Niemieckiego

Towarzystwa Metaloznawczego NTM

1917

– kierownictwo

laboratorium
metaloznawstwa
AEG (do 1928)

Jan Czochralski

(1885-1953)

1928

– rezygnacja z pracy w AEG i

przewodnictwa NTM

1929

– doktorat h.c. PW, tytuł profesora

zwyczajnego

1929

– kierownik Katedry Metalurgii i

Metaloznawstwa na Wydziale
Chemiczc

1928

– spotkanie z

prezydentem
Mościckim

Jan Czochralski

(1885-1953)

1929

– kierownik Katedry Metalurgii i

Metaloznawstwa na Wydziale
Chemicznym PW (do 1934 r.)

1934 - dyrektor Instytutu Metalurgii i

Metaloznawstwa (do 1939 r.)

1940

– kierownik Zakładu Badań

Materiałowych

Jan Czochralski

(1885-1953)

1945

– aresztowanie, proces, uniewinnienie

1945

– 19 grudnia – uchwała Senatu PW

wykluczająca prof. Czochralskiego z
grona profesorów PW

1940

– kierownik

Zakładu Badań
Materiałowych
(do 1944 r.)

Jan Czochralski

(1885-1953)

1953

– umiera w Poznaniu, pochowany w

Kcyni

2011

– 29 października – uchwała Senatu

PW przywracająca prof.
Czochralskiemu dobre imię

Jan Czochralski (1885-1953 )
Profesor Politechniki
Warszawskiej

Monokrystalizacja krzemu (Si)

2015 ???

450 mm

0.5”

1950

Skala postępu

0.E+00

2.E+06

4.E+06

6.E+06

8.E+06

1990

1995

2000

2005

2010

2015

Po

w

ier

zch

n

ia

p

ły

tek

Si

[

m

2

]

ROK

Światowa produkcja płytek Si

Na podstawie: Sage Concepts, „Silicon Industry – 2011”, June 2011
http://www.sageconceptsonline.com/docs/report1.pdf

Światowa produkcja płytek Si

Na podstawie: Sage Concepts, „Silicon Industry – 2011”, June 2011
http://www.sageconceptsonline.com/docs/report1.pdf

0

200

400

600

800

1990

1995

2000

2005

2010

2015

Po

w

ier

zch

n

ia

p

ły

tek

Si

[

ha

]

ROK

0

200

400

600

800

2005

2007

2009

2011

2013

2015

Po

w

ier

zch

n

ia

p

ły

tek

Si

[

ha

]

ROK

wszystkie średnice

300 mm

Światowa produkcja płytek Si

Na podstawie: Sage Concepts, „Silicon Industry – 2011”, June 2011
http://www.sageconceptsonline.com/docs/report1.pdf

AlGaAs 2.8 nm

AlGaAs 2.8 nm

AlGaAs 1.7 nm

AlGaAs:Si 1.8 nm

AlGaAs:Si 2.0 nm

AlGaAs 2.6 nm

AlGaAs 4.6 nm

AlGaAs 1.1 nm

AlGaAs 1.1 nm

GaAs 4.8 nm

GaAs 5.4 nm

GaAs 1.9 nm

GaAs 3.0 nm

GaAs:Si 3.0 nm

GaAs:Si 2.8 nm

GaAs 3.0 nm

GaAs 3.4 nm

Wysokiej jako

ści podłoże CZ-GaAs











































x 36

Struktura lasera
kaskadowego

opracowanego w zespole
prof. M.Bugajskiego
(ITE Warszawa)

Na podstawie:
K. Kosiel, M. Bugajski i in., „77 K operation
of AlGaAs/GaAs quantum cascade laser at
9

m

m”, Photonics Letters Poland, vol 1, pp.

16-18, 2009

Nie

było prawdopodobnie większego

naukowego

osiągnięcia

na

polu

półprzewodników, w okresie zaraz po
uzyskaniu tranzystora, od

otrzymania

monokryształów germanu o wysokiej
jakości

w

laboratoriach

firmy

Bell

Telephone.

William Shockley

Źródło: Wiek elektroniki, pod red. C.F.J. Overhage’a, PWN, Warszawa, 1968

William Shockley (1910-1989

)

• Geniusz elektroniki
• „Ojczym” Doliny Krzemowej
• Człowiek o trudnym charakterze i

kontrowersyjnych poglądach

Ciąg dalszy nastąpi …

KKE’2013