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 (
), 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