Historia de la invención del transistor. Estudio de los semiconductores y los mecanismos del transistor.

 

Índice.

 Dopado.

Los rectificadores fabricados de semiconductores durante la Segunda Guerra Mundial en 1941.

Silicio de grado o calidad metalúrgico.

La unión pn.

Detalle del trabajo de Ohl.

Utilización del efecto de campo eléctrico para variar la corriente en el semiconductor.

Investigacion en la universidad de Purdue.

 

Introducción.

La invención del transistor hace unos 65 años fue uno de los descubrimientos más importantes del siglo 20, este suceso ha tenido un gran impacto en nuestra manera de vivir, fue inventado por un grupo de científicos en los Bell Telephone Laboratories dirigidos por William Shockley, el 16 de diciembre de 1947 Por esta invención John Bardeen, Walter Brattain y Shockley fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 1956. Sin embargo, cabe mencionar que la búsqueda del amplificador de estado sólido tiene una historia más larga que el transistor en sí, ella se remonta a la década de 1920 y al trabajo de Julius Edgar Lilienfeld , así como a la labor de Russell Ohl con su invención de la unión pn en1940 . En la primera parte del trabajo se describirá la historia que llevo al transistor y luego se analizaran los temas que incluyen tecnologías que fueron necesarias para llegar al mismo, también se incluyen tecnicas que derivan de esta invención.

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Walter Brattain comenzó a trabajar en los Laboratorios Bell en 1929, después de graduarse en la Universidad de Minnesota, Minneapolis, y William Shockley llegó en 1936 del Massachusetts Institute of Technology, Cambridge. John Bardeen llegó poco después de la Segunda Guerra Mundial. Luego de sus estudios de postgrado en la Universidad de Princeton, Nueva Jersey y la Universidad de Harvard, Cambridge, MA, se unió a la facultad de física en la Universidad de Minnesota en años anteriores a la guerra. Los tres no tenían experiencia relacionada con la electrónica de estado sólido, de la investigación en tiempos de guerra, hay razones para creer que esta experiencia de ingeniería aumento la eficacia del transistor. Cerca del momento de su llegada en 1936, a William Shockley se le dio un reto provocador realizado por Mervin J. Kelly, entonces Director de Investigación de los Laboratorios. A Shockley se le insto a idear un interruptor de estado sólido para reemplazar el relé electromecánico. Kelly también añadió: "... y para reemplazar el amplificador de tubo de vacío", pero la unidad de interruptor y de amplificador fue menos evidente en 1936 de lo que es hoy en día.

 ¿Qué motivo había detrás de esta convocatoria para innovar? sólo una: mejora la fiabilidad. A pesar de décadas de refinamiento, la transmisión telefónica seguía siendo un dispositivo poco fiable por razones inherente a su estructura y funcionamiento. Lo mismo puede decirse del tubo de vacío. Shockley y sus colegas se  pusieron a trabajar en su tarea, poniendo más atención en óxido de cobre como material semiconductor, pero con resultados negativo. Durante los últimos meses de la guerra, un notable documento interno fue emitido por la Bell Laboratorios, titulado Autorización para el Trabajo. Pidió la investigación fundamental de una media docena de clases de materiales relevante para la electrónica de estado sólido, entre los que destacan los semiconductores. Pronto los tres  se reunieron y trabajaron duro en el desarrollo del transistor.

Utilización del efecto de campo eléctrico para variar la corriente en el semiconductor.

En 1945 los semiconductores eran utilizados como diodos, varistores y termistores. Se pensaba en hacer un dispositivo de amplificación con un semiconductor, como un tríodo. Siguiendo la analogía del tubo de vacío,  el tríodo, si una rejilla podría ser colocado cerca del semiconductor, sería posible controlar el flujo de electrones a través del mismo. Sin embargo, un espacio de un mm de separación y la introducción de una rejilla dentro de un espacio tan estrecho es bastante difícil. Hilsch y RW Pohl realizaron con éxito en 1938 una demostración de la validez de este principio mediante la construcción de un tríodo en un cristal de haluro alcalino en el que la separación era de aproximadamente 1 cm. Este dispositivo podría amplificar frecuencias de menos de 1 Hz y ciertamente no era un dispositivo práctico. La modulación de la tensión haría regular el flujo de corriente a través de la material con la posibilidad de ganancia de potencia, la primera invención documentada de este tipo fue realizado por Lilienfeld ya en 1925. Todos los intentos de hacer un dispositivo de este tipo, sin embargo, habían fracasado.

Shockley había estudiado y analizado posibles estructuras de efecto de campo y había concluido que el efecto debía conducir a la amplificación en un sistema como el mostrado a continuación,

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La idea era controlar la conductancia de un film fino de semiconductor por la aplicación de un campo eléctrico transversal, como se muestra en el anterior dibujo, si las cargas inducidas eran portadores móviles, la conductancia podría variar con la tensión del electrodo de control

 

 

 

 

 

La unión pn.

Alrededor de la década del 40 Russell Ohl trabajaba en un proyecto en los laboratorios Bell, que incluía un rectificador de corriente alterna [8]  y un dispositivo sensible a la luz [9], los dos sistemas estaban basados en el uso del silicio que era obtenido en los dos proyectos de manera similar, por ello la siguiente descripción del trabajo de Ohl incluye partes de los mismos.

A mediados de la década de 1930 Russell Ohl, un investigador de los laboratorios Bell Telephone, comenzó a investigar el uso del rectificador de silicio como detector de radar. Encontró que el aumento de la pureza de silicio ayudaba a mejorar su capacidad de detección. El 23 de febrero de 1940, puso a prueba un pequeño trozo de silicio que produjo resultados sorprendentes. Cuando se expone a la luz, una corriente  fluye a través del silicio, también se dio cuenta que las diferentes partes del cristal producían efectos eléctricos opuestos cuando se prueba con una sonda de estilo "bigotes de gato”.

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Ohl y su colega Jack Scaff encontraron que una junta en el silicio marcaba la separación del silicio en las regiones que contienen distintos tipos de impurezas. La impureza del elemento fósforo, produjo un ligero exceso de electrones en la muestra mientras que la otra, el boro, tenía a una deficiencia leve, más tarde reconocido como "huecos".

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Llamaron a las regiones de tipo N, para el negativo  y de tipo P positivo, la superficie o "barrera" en la región donde se unen llegó a ser conocida como "unión pn." Un haz de luz dirigida a esta unión hacia que los electrones fluyan desde el lado de N a la del lado P, dando como resultado una corriente eléctrica. Ohl había descubierto el efecto fotovoltaico que alimenta las células solares de hoy.

La concepción de William Shockley del transistor de unión en 1948 deriva del descubrimiento de Ohl en 1940. La unión pn se convirtió en la forma más común de rectificador utilizado en la industria de la electrónica y es el bloque de construcción fundamental en el diseño de dispositivos.

 

Detalle del trabajo de Ohl. [7]

El trabajo fue realizado con silicio de una pureza del 99 % en forma de granos que coloco en un crisol dentro de un horno eléctrico en vacío o en una atmosfera de helio, para realizarlo en condiciones de no oxidación, aumento la temperatura lentamente y el silicio se fundió a una temperatura de 1400 ºC, el mismo crisol hecho de grafito era sometido a un campo magnético de alta frecuencia lo cual calentaba también al conjunto, luego dejo enfriar al silicio a una temperatura de 200 ºC debajo de la temperatura de fusión y a continuación dejo enfriar al mismo y extrajo un lingote, se extrajo el silicio por extrusión, a medida que se extrajo el conjunto el silicio se iba enfriando gradualmente, entre la zona que se enfrió primero y la que se enfrió a continuación, encontró que se formaba dos zonas debido a diferentes enfriamientos,  entre las dos había una barrera en un plano normal a la columna, esta barrera tenia propiedades rectificadoras importantes , la estructura del grano obtenido tenia forma de columna en dimensiones del orden de 0.5 mm.

El lingote 5 se forma por solidificación del silicio fundido en el crisol de sílice, comprendiendo dos zonas de estructuras visiblemente diferentes, la zona superior 7 tiene una estructura en forma de columna, el grano de la columna tiene medio milímetro en su ancho y un largo de 5 a 10 mm, la zona inferior 8 no tiene una estructura en forma de columna. La forma de la zona columnar es lustrosa y la que no columnar era una masa grisácea de cristales más pequeños, a lo largo de la porción columna 7, al otro lado de la parte inferior de la zona en forma de columna se encuentra algún tipo  de límite o barrera 9, que tiene propiedades de rectificación eléctrica. En esta región 9 la porción columnar tiende a ser estriada, estas se ven con un microscopio y presentan discontinuidades en los límites de la columna.

El siguiente dibujo debido a Ohl es una sección transversal de un lingote de silicio fundido dentro de un crisol de dióxido de silicio (SiO2) que es un compuesto de silicio y oxígeno, llamado comúnmente sílice,

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La barrera ocurría a una pequeña distancia arriba de la zona columnar y la no columnar, la zona arriba de la barrera tenía un potencial térmico positivo respecto al terminal de cobre y fue designada como zona P y la zona inferior N, utilizando a este como rectificador permite que los electrones fluyan de la zona N a la P.

El experimento descripto por Ohl, es una confirmación independiente, aunque menos directa, de la existencia de dos tipos diferentes de conductibilidad que la proporciona la medida de la fuerza electromotriz térmica o tensión termoeléctrica producida por un electrodo caliente, de la forma indicada en la siguiente figura,

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Cuando se coloca la sonda sobre el semiconductor, la misma es el electrodo más caliente, entre la sonda y el semiconductor aparece una tensión V. Para diferencias de temperatura pequeñas, esta tensión es proporción a la diferencia de temperatura. La polaridad de esta tensión depende del signo de la carga del portador mayoritario, los portadores móviles tienden a alejarse de la región caliente del semiconductor, yendo hacia regiones frías. Este movimiento es uno de los mecanismos por los que se extrae calor de la región caliente, los portadores transportan la energía térmica asociada a su movimiento alejándola de la región caliente. Como los portadores móviles tienden a alejarse de las regiones calientes hacia las más frías, la sonda caliente adquiere una carga opuesta a la de los portadores mayoritarios móviles. Así pues, se puede comprobar que entre la sonda caliente y las partes más frías del semiconductor aparecerá una diferencia de potencial. Si el semiconductor es del tipo n, la migración de electrones alejándose de la sonda caliente la dejara cargada positivamente, la tensión V definida en la anterior figura es positiva. Si el semiconductor es de tipo P, los huecos se alejan de la sonda y V es negativa. En uno o en otro caso se alcanza un estado estacionario cuando el campo interior asociado a V equilibre las tendencias al movimiento total de portadores. [6]

Como los portadores móviles tienden a alejarse de las regiones calientes hacia las más frías, la sonda caliente adquiere una carga opuesta a la de los portadores mayoritarios móviles.

La placa o lamina de silicio 10 representada en la figura 2, se cortó del lingote 5 de la figura 1 ( los números de las figuras corresponden al trabajo de Ohl) en la posición indicada por líneas cortadas y puntos, rectángulo 11 y la barrera está ubicada en el medio, https://lh6.googleusercontent.com/-dDPdX_Nbf38/VKfvoWvcUtI/AAAAAAAAAlA/4hkK2vbjrdg/w1354-h494-no/transistor+17.png

 

Para el corte utilizo una rueda metálica cargada con partículas de diamante, una versión moderna del corte realizado en semiconductores se puede ver en la siguiente figura, el disco está hecho con polvo de diamantes, armado entre dos piezas metálicas y que gira a alta velocidad, que puede cortar un semiconductor o una cerámica

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Por medio de un baño electrolítico, se cubrió con una capa de rodio y luego se agregó un metal al mismo para formar al terminal, se formó un paralelepípedo con una unión al medio que fue utilizada como rectificador eléctrico como se muestra a continuación,

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History of Semiconductor Engineering By Bo Lojek

 

Ohl descubrió que el sistema por el desarrollado podía trabajar en longitudes de onda del centímetro y del milímetro, un ejemplo de su trabajo de las pruebas del rectificador es el siguiente circuito, usado para medir la resistencia de la barra de silicio con la unión P N, encontrando un inusual comportamiento de la corriente que fluye a través de la muestra que lo llevo al descubrimiento de la unión P N en 1940, utilizo un sistema dinámico de medición con un osciloscopio, que permite medir v(t) e i(t), la naturaleza de este fenómeno le era desconocida. El sistema utiliza a un osciloscopio como presentador del fenómeno de la rectificacion

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En el siguiente circuito se representa el principio de este sistema, las placas horizontales del osciloscopio miden la variación de la tensión en el diodo VD y las placas verticales la variación de la tensión en la resistencia R3, que es la debida a la corriente en el diodo ID.

 

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Jack H. Scaff, también del laboratorio Bell, desarrollo un sistema de obtención del silicio de alta pureza, [10], utilizado en la fabricación de rectificadores y su investigación es un complemento al trabajo de Ohl, en los aspectos del horno y materiales. 

 

Los rectificadores fabricados de semiconductores durante la Segunda Guerra Mundial en 1941.

Las técnicas para producir cristales de alta pureza de germanio y de silicio se desarrollan para los detectores de microondas de radar en tiempo de guerra.

La tecnología de semiconductores dio un gran paso durante la Segunda Guerra Mundial, los receptores de radar necesitan rectificadores de estado sólido para detectar y convertir las señales de microondas. El silicio y el germanio emergieron como los materiales semiconductores dominantes debido a los esfuerzos de investigación en tiempos de guerra. Tras el trabajo pionero sobre el silicio de Russell Ohl, en 1940, investigadores de universidades y empresas en Gran Bretaña y Estados Unidos desarrollaron técnicas para purificar ambos elementos y al dopado con impurezas seleccionadas para obtener las características deseadas de semiconductores. Millones de diodos rectificadores de cristal, con una punta de metal haciendo contacto con un pequeño trozo de silicio o germanio, fueron fabricados para su uso en receptores de radares.

Bajo los auspicios del Laboratorio de Radiación del MIT, la purificación de silicio se produjo principalmente en la Universidad de Pennsylvania, dirigido por el físico Frederick Seitz, y Dupont Chemical Company. El silicio de 99,999 % de pureza estaba disponible a finales de la guerra. La mayoría de investigaciones del germanio se produjeron en la Universidad de Purdue bajo Karl Lark-Horovitz.

Electronic Genie: The Tangled History of Silicon By Frederick Seitz, Norman G. Einspruch

 

También fueron cruciales los esfuerzos de investigación en los Laboratorios Bell, dirigidos por el metalúrgico Jack Scaff y químico Henry Theurer, para entender cómo diversas impurezas llevan a los semiconductores de tipo n con un exceso de electrones y semiconductores tipo p con un déficit de electrones, o el exceso de huecos. Mediante la adición de pequeñas cantidades de elementos tales como el fósforo de la quinta columna de la Tabla Periódica en silicio puro y germanio, obtuvieron materiales de tipo n. La adición de elementos de la tercera columna como boro les produjo semiconductores de tipo p.

En 1942, Lark-Horovitz y su grupo comenzaron a concentrarse en la extracción de cristales de germanio purificados para su uso en los detectores de radar de microondas; también comenzaron a dopar  al germanio con otros elementos para determinar cómo afectan sus propiedades de rectificación. En 1943 tuvieron éxito en el desarrollo de una unidad de alto voltaje que fue producida en masa para su uso en los radares. Los físicos de Purdue describieron abiertamente sus resultados en las reuniones técnicas y con el personal de laboratorio de Bell que vinieron a Purdue [11]. Ellos no sabían que el flujo de información era de un solo sentido, el Laboratorio Bell había hecho la investigación de semiconductores confidencial. Se cree que Lark-Horovitz y su grupo estuvieron a  pocos meses del descubrimiento del transistor, el trabajo de Lark-Horovitz, estaba concentrado en el germanio y no en la galena(PbS) o el silicio, en los laboratorios de la Bell se realizó el primer transistor con un trozo de germanio de Purdue.

Investigacion en la universidad de Purdue.

Durante la segunda guerra mundial, se investigó las propiedades del rectificador de cristal, fue el comienzo de la participación pionera de la universidad de Purdue, con la investigación de semiconductores, en ella se emprendió el desarrollo de un mejor rectificador de cristal de  contacto, un dispositivo realizado aplicando un alambre de metal fino llamado "bigote de gato" contra una pieza de material semiconductor.

Rectificadores de cristal hechos con sulfuros y óxidos fueron utilizados en los primeros días de la radio,  en la Primera Guerra Mundial se convirtieron en obsoletos con la invención del tubo diodo de vacío, que era mucho más reproducible y fiable. Sin embargo, con el advenimiento de radar de microondas, el interés en los rectificadores de cristal revivió, porque su baja capacitancia hace que estos sean particularmente adecuados para operar a frecuencias de microondas. Debido a sus méritos añadidos, como su pequeño tamaño y bajo consumo de energía,  eventualmente reemplazaron a los diodos de tubos de vacío. En 1942, el silicio ya había sido empleado con éxito en los detectores de llamadas "reddot", rectificador desarrollados en Inglaterra. También se conocía que el germanio era capaz de una acción rectificador. Sin embargo, hubo muchos problemas inherentes con los rectificadores de cristal, sobre todo fueron sus resultados inconsistentes, debido principalmente a la mala calidad del material semiconductor y su susceptibilidad a dejar de funcionar por un defecto creado cuando se aplica la alimentación. En consecuencia, la misión de Purdue fue desarrollar un rectificador de cristal compacto, sensible y resistente a los golpes para receptores de radar de microondas.

Se reconoció que incluso en aquellos tiempos de urgencia era necesario respaldar el trabajo aplicado a la investigación básica sobre las propiedades del material y se estableció varios grupos con diferentes objetivos como el hacer crecer un mejor material, evaluar el material eléctricamente con el efecto Hall, la resistividad, las mediciones térmicas, su estudio estructural por medio de radiografías y mediciones de difracción de electrones y lo más importante, para diseñar, producir y probar los rectificadores de cristal.

La importancia de un control cuidadoso del material fue reconocido desde el principio. La aleación del material elemental, la adición de impurezas adecuadas, las que se conoce como "dopaje" determina sus propiedades eléctricas. Era necesario hacer el material tan puro como sea posible y luego experimentar con el dopaje para lograr las propiedades deseadas. El esfuerzo en Purdue en 1942 cambió el estudio del silicio y galena (PbS) a germanio. Esta decisión se basa en la suposición de que sería más fácil de purificar y controlar el contenido de impurezas del germanio porque tenía un punto de fusión inferior y por lo tanto no reaccionaría tan fácilmente con los crisoles del horno y los materiales. La elección de un semiconductor elemental fue particularmente afortunada. Incluso después de muchas décadas de investigación, ha sido difícil de obtener compuestos semiconductores tan bueno como el material elemental, germanio y silicio.

El éxito en el crecimiento de cristales de germanio fue crucial, ya que no había ninguna fuente disponible de este material. Esta tarea fue asignada a un estudiante de postgrado, Randy Whaley, que tuvo que establecer y mantener contacto con la Compañía Eagle-Picher, esta última compañía junto con la DuPont, desarrollaron procesos de fabricación de silicio y germanio de una pureza muy grande.

El germanio había sido un subproducto poco importante en la producción de estaño. Su tarea consistía en desarrollar técnicas para purificar el polvo de dióxido germanio GeO2 en una atmósfera de hidrógeno, el dióxido germanio que se reduce con hidrógeno a 650ºC. En principio, el hidrogeno se puede utilizar como agente reductor y se usa para la síntesis del germanio, el dióxido de germanio es térmicamente reducido entre 600ºC y 685ºC  con hidrogeno a germanio metálico,

GeO2 + 2 H2---------> Ge + 2 H2O

  Horno para la obtención de germanio a partir del dióxido de germanio característico de esa época se puede observar en la siguiente figura,                  

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germanium oxide reduces hydrogen

 El germanio se sometió a calentamiento prolongado en el vacío para purificarlo aún más. Whaley comenzó con un material de gran resistividad que podía hacer crecer, entonces lo volvía a fundir y deliberadamente lo aleaba con diferentes impurezas.

El grupo que evaluó las propiedades eléctricas de los cristales de germanio, determinó el tipo, p o n del material, la concentración de portadores y sus movilidades. El análisis teórico de estas mediciones fue realizado por Karl Lark-Horovitz y  Vivian Johnson. Se investigó un gran número de agentes de dopado, entre ellos se usó nitrógeno, fosforo, vanadio, arsénico, columbio, antimonio, tántalo, bismuto, estaño, hierro y níquel.  El germanio dopado con estos elementos resulto ser un germanio del tipo n con buenas propiedades de continua, sin embargo las mediciones utilizando radio frecuencia en la banda de 10 cm, no resultaron buenas y solo el antimonio y el fosforo prometían un uso.

El primer y mejor reconocido triunfo del grupo de Purdue fue el descubrimiento de Seymour Benzer que llevó al desarrollo de los rectificadores de cristal de germanio capaces de soportar muy altas tensiones inversa, superiores a 100 voltios. Esta invención resolvía el problema de la falla de los mismos haciendo un amplio uso de estos diodos. El grupo centró sus esfuerzos para producir los diodos en cantidad para las pruebas en el Laboratorio de Radiación y para la producción en masa en los Laboratorios Bell. La importancia de este dispositivo puede ser juzgado por la velocidad con la que varios laboratorios industriales entraron en producción comercial después de la guerra. La tesis doctoral de Benzer se basa en las propiedades de los rectificadores de alta tensión y su dependencia de la tensión aplicada, la temperatura y la luz incidente, llamado efecto fotoeléctrico.

 

A History of Physics at Purdue

Purdue University Results

Karl Lark Horowitz y Seymour Benzer

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Microelectronics: Its Unusual Origin and Personality

Raymond M. Warner, Jr., Life Fellow, IEEE

 

Transistores de silicio.

En ese momento, el transistor de silicio parecía ser un gran avance en el desarrollo del transistor y el mismo no se producía en los laboratorios Bell Telephone Laboratories en Murray Hill, Nueva Jersey, donde los físicos John Bardeen y Walter Brattain lo habían inventado en diciembre1947. El dispositivo tenía dos alambres de metal que presionaban delicadamente en una superficie de germanio, con una pequeña separación entre ambos  de ahí su nombre, el "transistor de punto de contacto". Llamaron a un alambre emisor y al otro alambre colector, mientras que un tercer contacto, llamado base, se aplicaba a la cara posterior del bloque de germanio, como se indica en el siguiente dibujo,

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El lector podrá consultar sobre la construcción de un transistor de contacto puntual utilizando dos diodos, el sistema experimentado, sin llegar a tener las características de un transistor , es una válvula en el cual la intensidad de corriente de un electrodo es regulada por la intensidad de corriente en el otro[1].

Luego del trabajo del grupo de la Bell, William Shockley  pensó que un mejor rendimiento y fiabilidad del transistor podría ser realizado por la eliminación de los frágiles contactos puntuales y en su lugar se requería la formación del emisor, base y colector en un solo semiconductor sándwich con tres capas diferentes. La corriente fluiría desde el emisor al colector en el dispositivo de Shockley y se podría modular por una señal de entrada en la base.

Gordon Teal, que entonces trabajaba en los Laboratorios Bell y su compañero químico y físico Morgan Sparks fabricaron con éxito el primer transistor de union en un cristal de germanio en abril de 1950, este poseía limitaciones debido a que la respuesta de frecuencia inferior a la del transistor de contacto puntual. Cinco años pasaron y Bardeen, Brattain y Shockley recibiero el premio Nobel por su trabajo. Su trabajo pionero fue eclipsado gran parte por el desarrollo posteriores del transistor, incluyendo el cambio crucial de germanio a silicio a mediados de los años 1950, este cambio en el material semiconductor resultó esencial para los circuitos integrados actuales.

En la electrónica de estado sólido, se usa el germanio con una temperatura de fusión de 938ºC y el silicio con una temperatura de fusión de 1414ºC como semiconductores intrínsecos, que son el punto de partida para la fabricación. Cada uno tiene cuatro electrones de valencia, pero el germanio a una temperatura dada tiene más electrones libres y una conductividad superior. El silicio es el semiconductor más ampliamente utilizado en la electrónica, en parte porque se puede utilizar a temperaturas mucho más altas que el germanio.

Los portadores  electrones y huecos que fluyen a través del germanio lo hacen más rápidamente que a través del silicio, lo que produce a una mayor respuesta en frecuencia, pero el germanio tiene serias limitaciones, por ejemplo, tiene un banda prohibida de 0,67 eV frente a 1,12 eV del silicio, la energía requerida para extraer electrones de los átomos a la banda de conducción. Así los transistores hechos de este elemento germanio, tienen corrientes de fuga muy superiores, al aumentar la temperatura, su delicadas uniones producen un mar de electrones libres. Por encima de aproximadamente 75 ° C, los transistores de germanio dejan de funcionar por completo. Estas limitaciones resultaron difíciles a los fabricantes y especialmente a las fuerzas armadas, que necesitaban equipos confiables para trabajar en condiciones extremas.

Estos problemas fueron tratados los Laboratorios Bell, que buscó un camino de investigación de los semiconductores al silicio durante principios de 1950. Trabajando en su departamento de física química con el técnico Ernie Buehler, Teal hicieron monocristales de silicio, dopados con pequeñas impurezas para hacer diodos de estado sólido en

 

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Historical Overview of Slicon Crystal Pulling Development, Werner Zulehner

La palabra silicio proviene del latinsilex”, piedra de pedernal, que es un oxido de silicio amorfo SiO2, este es un compuesto formado por silicio y oxígeno, en su forma cristalizada es el cuarzo, en el sólido amorfo, sus partículas constitutivas están desordenadas en contraste con los sólidos cristalinos.

En 1916 Jan Czochralski, extrajo alambres de metal de 0,8 mm de diámetro, verticalmente de una masa fundida aumentando la velocidad hasta que arranco algo de la masa fundida. En sus experimentos, los alambres cristalinos individuales ocurrieron y que reconoció en ellos mono cristales,  estos podrían cultivarse con éxito si se utilizan semillas de un cristal único.

Sistema para hacer crecer cristales por el método de Jan Czochralski

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Jan Czochralski descubrió este método por un accidente y el mismo se conoce como técnica Czochralski, estudiando la cristalización de metales. Hundió su pluma en un crisol que tenía un metal fundido, cuando levanto la pluma, vio que un delgado hilo de metal estaba en la punta de la pluma.

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En este método una semilla formada por un mono cristal con una determinada orientación, fijada a una varilla, se hunde en un crisol que contiene material fundido a ser crecido y calentado por una bobina por donde circula una corriente alterna, el material del crisol no puede reaccionar con el fundido. Antes de ser insertada la semilla, el material en el crisol se lleva durante un tiempo a una temperatura mayor que la de su punto de fundición. Luego la temperatura se disminuye ligeramente del punto de solidificación, hasta que se empiezan a formar cristales sobre la superficie. Sumergida la semilla, se levanta lentamente a 1 mm/min.

Después de la invención del transistor de punto de contacto en 1947 y del transistor de unión por William Shockley, sobre la base del germanio, los primeros cristales de germanio se hicieron crecer por el método de Czochralski y fueron realizados por Gordon Teal y John Little en 1948, [2] [3] [4], con un sistema como el mostrado,

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En el anterior dibujo se puede reconocer partes del sistema de Czochralski, el crisol era calentado por un horno de inducción que generaba una corriente alterna de 350 KHz, el motor tiraba la semilla para arriba por medio de un tornillo y todo el conjunto estaba metido dentro de una campana de vidrio, por la que se hacia circular nitrógeno e hidrogeno, como se muestra en el anterior dibujo.

 

 En 1949, Ernie Buehler comenzó su trabajo en el crecimiento de cristales, que fue mejorado, el primer transistor basado en silicio se desarrolló en 1949 y en 1951 Teal y Buehler construyeron un sistema para crecer cristales mostrado en la siguiente figura,[5]

History of Semiconductor Engineering

 Escrito por Bo Lojek

 

Apendice.

Semiconductor del tipo intrínseco.

El cristal de silicio se diferencia de un aislador debido a que a temperaturas por encima del cero absoluto, hay una probabilidad  de que un electrón en la red del cristal sea golpeado y sacado de su posición, formando una deficiencia de electrones llamados "huecos".

Si se aplica una tensión,  tanto los electrones como los huecos pueden contribuir a una pequeña  corriente.

 

Silicio de grado o calidad metalúrgica.

La síntesis y purificación de material semiconductor policristalino es el primer paso hacia la fabricación comercial de un dispositivo electrónico. Este material policristalino se utiliza como la materia prima para la formación de un material de cristal único que se procesa en obleas semiconductoras. La fuerte influencia de las características eléctricas por pequeñas cantidades de algunas impurezas requiere que la materia prima sea de pureza muy elevada > 99,9999%.

Después del oxígeno 46%, el silicio ,silicis pedernal es el elemento más abundante en la corteza terrestre 28%. Sin embargo, el silicio no se produce en su forma elemental,  sino como óxido (SiO2) o como silicatos. Arena, cuarzo, amatista, ágata, pedernal y el ópalo son algunas de las formas en las que aparece el óxido. Granito, hornablenda, asbestos, feldespato, arcilla y mica, son algunos de los numerosos minerales de silicato.  Mientras que el silicio elemental, conocido como el silicio de grado metalúrgico (MGS), se produce fácilmente a gran escala, los requisitos de pureza extrema para la fabricación de dispositivos electrónicos requieren etapas de purificación adicionales a fin de producir silicio de calidad electrónica (EGS).

El silicio de grado metalúrgico, es el material inicial para producir silicio puro para aplicaciones electrónicas. Se produce comercialmente mediante la reducción de óxido de silicio, el cuarzo con carbono en hornos de arco, el proceso se puede escribir como:

SiO2 + 2C = Si + 2CO

El producto obtenido no es puro y está formado por un 99.0% de Si y contiene impurezas tales como de Fe, Al, Ti, Mn, C, Ca, Mg, B, P, entre otros.

Funcionamiento del horno de arco.

Inicialmente se calienta todo el sistema con una resistencia eléctrica, el conjunto a procesar consiste en una mezcla de cuarzo, carbón de carbón, coque, y virutas madera

El coque es un  sólido formado por la destilación de carbón bituminoso calentado a temperaturas de 500 a 1100 °C sin contacto con el aire. El proceso implica que el carbón se limpia de alquitrán, gases y agua, este combustible o residuo se compone en 90 a 95% de carbono. El electrodo de carbón toca el conjunto del baño, la diferencia de potencial es de 200 a 300 voltios de corriente continua, a pesar de esta diferencia de potencial la corriente I es muy pequeña, por ello se agrega al sistema las resistencias de calefacción con lo que se puede en ciertos casos de aislamiento llegar a 600ºC, a dicha temperatura la corriente va aumentando lentamente y el efecto se ve aumentado por los 300 voltios, al calentarse la masa a fundir la corriente puede aumentar mucho, por ello se agrega en serie con el generador de tensión una resistencia limitadora. El siguiente es un dibujo muy esquemático del proceso

https://lh4.googleusercontent.com/-DsKRtYBQSSA/VJRI9vLk1sI/AAAAAAAAAbw/PiB09xiFrlw/w1164-h826-no/transistor+8.png

El silicio de grado metalúrgico se produce en el horno de arco eléctrico. El cuarzo y el carbón son alimentados en proporciones apropiadas a través de la parte superior y el silicio líquido se extrae de la parte inferior. La temperatura en el zona de producción es de aproximadamente 2200 K. Esto se logra a través de un arco eléctrico entre una electrodo de grafito y el baño. Los gases calientes se producen en la zona inferior del reactor durante la formación de silicio. Los gases fluyen hacia arriba como un flujo convectivo. En su camino, el intercambio de calor con la materia condensada que cae tiene lugar hacia abajo. En el siguiente dibujo esquematico de un horno de arco, con un electrodo de carbon sumergido, para produccion de silicio de calidad metalurgica,

https://lh4.googleusercontent.com/--4kV6Z2P-0M/VJRmVhr1G4I/AAAAAAAAAcc/bAFz4ZLQgLY/w1048-h499-no/transistor+9.png

 

Chemistry of the Main Group Elements

http://cnx.org/contents/f46e8679-ee00-4073-9f5e-a87ca9955a9e@25.7:64/Chemistry_of_the_Main_Group_El

Silicon Devices edited by Kenneth A. Jackson

Dopado.

En la producción de semiconductores, el dopado intencionalmente introduce impurezas en un extremadamente puro, también referido como intrínseca, semiconductor con el fin de modular sus propiedades eléctricas. Las impurezas dependen del tipo de semiconductor. Semiconductores ligeramente y moderadamente dopados se conocen como extrínsecos. Un semiconductor dopado a niveles tan altos que actúa más como un conductor de un semiconductor se conoce como degenerado.

En el contexto de fósforos y escintiladores, el dopaje es mejor conocida como la activación.

 

 

 

 

 

 

 

Referencias.

[1] Experimentos con semiconductores, fabricación de un transistor.

[2] Production of germanium rods having longitudinal crystal boundaries US 2683676 A

[3] Historical Overview of Silicon Crystal Pulling Development

[4] Finding the Right Material, Gordon Teal

[5] Process for producing semiconductive crystals of uniform resistivity US 2768914 A, Buehler Ernest, Gordon K Teal

[6] Principios de Electronica Paul E. Gray

[7] Timeline

[8] ALTERNATING CURRENT RECTIFIER, March 1941, 2,402,661

[9] LIGHT-SENSITIVE ELECTRIC DEVICE INCLUDING SILICON, Patent No. 2,402,662, dated June25, 1946

[10] Preparation of silicon materials, Jack H. Scaff,  2402582,

[11] The Origin of Semiconductor Research at Purdue

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Eduardo Ghershman, 1.12.2014