Un semiconductor es un material que tiene un valor de conductividad eléctrica comprendido entre el de un conductor , como el cobre , y el de un aislante , como el vidrio . Su resistividad generalmente cae a medida que aumenta su temperatura; Los metales se comportan de manera opuesta. [1] En muchos casos, sus propiedades conductoras pueden alterarse de manera útil introduciendo impurezas (" dopaje ") en la estructura cristalina . Cuando existen dos regiones dopadas de manera diferente en el mismo cristal, se crea una unión semiconductora . El comportamiento de los portadores de carga , que incluyen electrones , iones y huecos de electrones , en estas uniones es la base de los diodos , los transistores y la mayoría de la electrónica moderna . Algunos ejemplos de semiconductores son el silicio , el germanio , el arseniuro de galio y los elementos cercanos a la llamada " escalera metaloide " de la tabla periódica . Después del silicio, el arseniuro de galio es el segundo semiconductor más común y se utiliza en diodos láser , células solares , circuitos integrados de frecuencia de microondas y otros. El silicio es un elemento crítico para fabricar la mayoría de los circuitos electrónicos .
Los dispositivos semiconductores pueden mostrar una variedad de propiedades útiles diferentes, como pasar la corriente más fácilmente en una dirección que en la otra, mostrar resistencia variable y tener sensibilidad a la luz o al calor. Debido a que las propiedades eléctricas de un material semiconductor pueden modificarse mediante dopaje y mediante la aplicación de campos eléctricos o luz, los dispositivos fabricados a partir de semiconductores pueden usarse para amplificación, conmutación y conversión de energía . El término semiconductor también se utiliza para describir los materiales utilizados en cables de alta capacidad y de media a alta tensión que forman parte de su aislamiento; estos materiales suelen ser plástico XLPE ( polietileno reticulado ) con negro de humo. [2]
La conductividad del silicio aumenta añadiendo una pequeña cantidad (del orden de 1 en 10 8 ) de átomos pentavalentes ( antimonio , fósforo o arsénico ) o trivalentes ( boro , galio , indio ). Este proceso se conoce como dopaje, y los semiconductores resultantes se conocen como semiconductores dopados o extrínsecos . Además del dopaje, la conductividad de un semiconductor se puede mejorar aumentando su temperatura. Esto es contrario al comportamiento de un metal, en el que la conductividad disminuye con el aumento de temperatura.
La comprensión moderna de las propiedades de un semiconductor se basa en la física cuántica para explicar el movimiento de los portadores de carga en una red cristalina . [3] El dopaje aumenta enormemente el número de portadores de carga dentro del cristal. Cuando un semiconductor dopado contiene huecos libres, se le llama " tipo p ", y cuando contiene electrones libres , se le conoce como " tipo n ". Los materiales semiconductores utilizados en dispositivos electrónicos están dopados en condiciones precisas para controlar la concentración y las regiones de dopantes de tipo p y n. El cristal de un único dispositivo semiconductor puede tener muchas regiones de tipo p y n; las uniones p-n entre estas regiones son responsables del comportamiento electrónico útil. Usando una sonda de punto caliente , se puede determinar rápidamente si una muestra de semiconductor es de tipo p o n. [4]
Algunas de las propiedades de los materiales semiconductores se observaron a mediados del siglo XIX y las primeras décadas del siglo XX. La primera aplicación práctica de los semiconductores en electrónica fue el desarrollo en 1904 del detector de bigotes de gato , un diodo semiconductor primitivo utilizado en los primeros receptores de radio . Los avances en la física cuántica llevaron a su vez a la invención del transistor en 1947 [5] y del circuito integrado en 1958.
Los semiconductores en su estado natural son malos conductores porque una corriente requiere el flujo de electrones, y los semiconductores tienen sus bandas de valencia llenas, impidiendo todo el flujo de nuevos electrones. Varias técnicas desarrolladas permiten que los materiales semiconductores se comporten como materiales conductores, como el dopaje o la activación de puertas . Estas modificaciones tienen dos resultados: tipo n y tipo p . Estos se refieren al exceso o escasez de electrones, respectivamente. Un número equilibrado de electrones haría que una corriente fluyera por todo el material. [6]
Las heterouniones ocurren cuando se unen dos materiales semiconductores dopados de manera diferente. Por ejemplo, una configuración podría consistir en germanio dopado p y n. Esto da lugar a un intercambio de electrones y huecos entre los materiales semiconductores dopados de forma diferente. El germanio dopado con n tendría un exceso de electrones y el germanio dopado con p tendría un exceso de huecos. La transferencia ocurre hasta que se alcanza un equilibrio mediante un proceso llamado recombinación , que hace que los electrones migratorios del tipo n entren en contacto con los huecos migratorios del tipo p. El resultado de este proceso es una franja estrecha de iones inmóviles , que provoca un campo eléctrico a través de la unión. [3] [6]
Una diferencia de potencial eléctrico en un material semiconductor haría que abandonara el equilibrio térmico y creara una situación de desequilibrio. Esto introduce electrones y huecos en el sistema, que interactúan mediante un proceso llamado difusión ambipolar . Siempre que se altera el equilibrio térmico en un material semiconductor, cambia el número de huecos y electrones. Estas interrupciones pueden ocurrir como resultado de una diferencia de temperatura o de fotones , que pueden ingresar al sistema y crear electrones y agujeros. Los procesos que crean o aniquilan electrones y huecos se denominan generación y recombinación, respectivamente. [6]
En ciertos semiconductores, los electrones excitados pueden relajarse emitiendo luz en lugar de producir calor. [7] Controlar la composición del semiconductor y la corriente eléctrica permite la manipulación de las propiedades de la luz emitida. [8] Estos semiconductores se utilizan en la construcción de diodos emisores de luz y puntos cuánticos fluorescentes .
Se pueden utilizar semiconductores con alta conductividad térmica para disipar el calor y mejorar la gestión térmica de la electrónica. Desempeñan un papel crucial en vehículos eléctricos , LED de alto brillo y módulos de potencia , entre otras aplicaciones. [9] [10] [11]
Los semiconductores tienen grandes factores de potencia termoeléctrica que los hacen útiles en generadores termoeléctricos , así como altas cifras de mérito termoeléctrico que los hacen útiles en refrigeradores termoeléctricos . [12]
Una gran cantidad de elementos y compuestos tienen propiedades semiconductoras, entre ellas: [13]
Los materiales semiconductores más comunes son los sólidos cristalinos, pero también se conocen semiconductores amorfos y líquidos. Estos incluyen silicio amorfo hidrogenado y mezclas de arsénico , selenio y telurio en diversas proporciones. Estos compuestos comparten con los semiconductores más conocidos las propiedades de conductividad intermedia y una rápida variación de la conductividad con la temperatura, así como una resistencia negativa ocasional . Estos materiales desordenados carecen de la estructura cristalina rígida de los semiconductores convencionales como el silicio. Generalmente se utilizan en estructuras de películas delgadas , que no requieren material de mayor calidad electrónica, siendo relativamente insensibles a las impurezas y al daño por radiación.
Casi toda la tecnología electrónica actual implica el uso de semiconductores, siendo el aspecto más importante el circuito integrado (IC), que se encuentra en computadoras de escritorio , portátiles , escáneres, teléfonos celulares y otros dispositivos electrónicos. Los semiconductores para circuitos integrados se producen en masa. Para crear un material semiconductor ideal, la pureza química es primordial. Cualquier pequeña imperfección puede tener un efecto drástico en el comportamiento del material semiconductor debido a la escala a la que se utilizan. [6]
También se requiere un alto grado de perfección cristalina, ya que las fallas en la estructura cristalina (como dislocaciones , maclas y fallas de apilamiento ) interfieren con las propiedades semiconductoras del material. Las fallas cristalinas son una de las principales causas de dispositivos semiconductores defectuosos. Cuanto más grande es el cristal, más difícil resulta alcanzar la perfección necesaria. Los procesos de producción en masa actuales utilizan lingotes de cristal de entre 100 y 300 mm (3,9 y 11,8 pulgadas) de diámetro, cultivados en forma de cilindros y cortados en obleas .
Existe una combinación de procesos que se utilizan para preparar materiales semiconductores para circuitos integrados. Un proceso se llama oxidación térmica , que forma dióxido de silicio en la superficie del silicio . Se utiliza como aislante de puerta y óxido de campo . Otros procesos se denominan fotomáscaras y fotolitografía . Este proceso es lo que crea los patrones en el circuito del circuito integrado. Se utiliza luz ultravioleta junto con una capa fotorresistente para crear un cambio químico que genera los patrones del circuito. [6]
El grabado es el siguiente proceso que se requiere. Ahora se puede grabar la parte del silicio que no estaba cubierta por la capa fotorresistente del paso anterior. El principal proceso que se utiliza habitualmente en la actualidad se denomina grabado con plasma . El grabado con plasma generalmente implica el bombeo de un gas de grabado a una cámara de baja presión para crear plasma . Un gas de grabado común es el clorofluorocarbono , o más comúnmente conocido como freón . Un alto voltaje de radiofrecuencia entre el cátodo y el ánodo es lo que crea el plasma en la cámara. La oblea de silicio está ubicada en el cátodo, lo que hace que sea golpeado por los iones cargados positivamente que se liberan del plasma. El resultado es silicio grabado anisotrópicamente . [3] [6]
El último proceso se llama difusión . Este es el proceso que le da al material semiconductor sus propiedades semiconductoras deseadas. También se le conoce como dopaje . El proceso introduce un átomo impuro en el sistema, que crea la unión p-n . Para incrustar los átomos impuros en la oblea de silicio, primero se coloca la oblea en una cámara a 1.100 grados Celsius. Los átomos se inyectan y finalmente se difunden con el silicio. Una vez completado el proceso y el silicio ha alcanzado la temperatura ambiente, se realiza el proceso de dopaje y el material semiconductor está listo para ser utilizado en un circuito integrado. [3] [6]
Los semiconductores se definen por su comportamiento conductor eléctrico único, en algún lugar entre el de un conductor y el de un aislante. [16] Las diferencias entre estos materiales pueden entenderse en términos de los estados cuánticos de los electrones, cada uno de los cuales puede contener cero o un electrón (según el principio de exclusión de Pauli ). Estos estados están asociados con la estructura de bandas electrónicas del material. La conductividad eléctrica surge debido a la presencia de electrones en estados que se encuentran deslocalizados (extendiéndose a través del material), sin embargo para poder transportar electrones un estado debe estar parcialmente lleno , conteniendo un electrón solo una parte del tiempo. [17] Si el estado siempre está ocupado con un electrón, entonces es inerte y bloquea el paso de otros electrones a través de ese estado. Las energías de estos estados cuánticos son críticas ya que un estado se llena parcialmente sólo si su energía está cerca del nivel de Fermi (ver estadísticas de Fermi-Dirac ).
La alta conductividad del material se debe a que tiene muchos estados parcialmente llenos y mucha deslocalización de estado. Los metales son buenos conductores eléctricos y tienen muchos estados parcialmente llenos con energías cercanas a su nivel de Fermi.Los aislantes , por el contrario, tienen pocos estados parcialmente llenos, sus niveles de Fermi se encuentran dentro de bandas prohibidas con pocos estados de energía para ocupar. Es importante destacar que se puede hacer que un aislante conduzca aumentando su temperatura: el calentamiento proporciona energía para promover algunos electrones a través de la banda prohibida, induciendo estados parcialmente llenos tanto en la banda de estados debajo de la banda prohibida (banda de valencia ) como en la banda de estados arriba. la banda prohibida ( banda de conducción ). Un semiconductor (intrínseco) tiene una banda prohibida que es más pequeña que la de un aislante y, a temperatura ambiente, se puede excitar un número significativo de electrones para cruzar la banda prohibida. [18]
Un semiconductor puro, sin embargo, no es muy útil, ya que no es ni un muy buen aislante ni un muy buen conductor. Sin embargo, una característica importante de los semiconductores (y de algunos aislantes, conocidos como semiaislantes ) es que su conductividad se puede aumentar y controlar dopando con impurezas y activando campos eléctricos. El dopaje y la activación mueven la banda de conducción o de valencia mucho más cerca del nivel de Fermi y aumentan considerablemente el número de estados parcialmente llenos.
Algunos materiales semiconductores con banda prohibida más amplia a veces se denominan semiaislantes . Cuando no están dopados, tienen una conductividad eléctrica más cercana a la de los aislantes eléctricos, pero pueden doparse (lo que los hace tan útiles como los semiconductores). Los semiaislantes encuentran aplicaciones específicas en microelectrónica, como sustratos para HEMT . Un ejemplo de semiaislante común es el arseniuro de galio . [19] Algunos materiales, como el dióxido de titanio , pueden incluso usarse como materiales aislantes para algunas aplicaciones, mientras que para otras aplicaciones se los trata como semiconductores de amplio espacio.
El llenado parcial de los estados en la parte inferior de la banda de conducción puede entenderse como la adición de electrones a esa banda. Los electrones no permanecen indefinidamente (debido a la recombinación térmica natural ), pero pueden moverse durante algún tiempo. La concentración real de electrones suele estar muy diluida, por lo que (a diferencia de los metales) es posible pensar en los electrones en la banda de conducción de un semiconductor como una especie de gas ideal clásico , donde los electrones vuelan libremente sin estar sujetos a El principio de exclusión de Pauli . En la mayoría de los semiconductores, las bandas de conducción tienen una relación de dispersión parabólica, por lo que estos electrones responden a las fuerzas (campo eléctrico, campo magnético, etc.) de forma muy parecida a como lo harían en el vacío, aunque con una masa efectiva diferente . [18] Debido a que los electrones se comportan como un gas ideal, también se puede pensar en la conducción en términos muy simplistas, como el modelo Drude , e introducir conceptos como la movilidad de los electrones .
Para el llenado parcial en la parte superior de la banda de valencia, es útil introducir el concepto de hueco de electrón . Aunque los electrones en la banda de valencia siempre están en movimiento, una banda de valencia completamente llena es inerte y no conduce corriente alguna. Si se saca un electrón de la banda de valencia, entonces la trayectoria que normalmente habría tomado el electrón ahora carece de carga. A los efectos de la corriente eléctrica, esta combinación de la banda de valencia completa, menos el electrón, se puede convertir en una imagen de una banda completamente vacía que contiene una partícula cargada positivamente que se mueve de la misma manera que el electrón. Combinado con la masa efectiva negativa de los electrones en la parte superior de la banda de valencia, llegamos a la imagen de una partícula cargada positivamente que responde a campos eléctricos y magnéticos tal como lo haría una partícula normal cargada positivamente en el vacío, nuevamente con algunos masa efectiva positiva. [18] Esta partícula se llama agujero, y el conjunto de agujeros en la banda de valencia puede entenderse nuevamente en términos clásicos simples (como ocurre con los electrones en la banda de conducción).
Cuando la radiación ionizante incide sobre un semiconductor, puede excitar un electrón fuera de su nivel de energía y, en consecuencia, dejar un agujero. Este proceso se conoce como generación de pares electrón-hueco . Los pares electrón-hueco también se generan constantemente a partir de energía térmica , en ausencia de cualquier fuente de energía externa.
Los pares electrón-hueco también pueden recombinarse. La conservación de la energía exige que estos eventos de recombinación, en los que un electrón pierde una cantidad de energía mayor que la banda prohibida , vayan acompañados de la emisión de energía térmica (en forma de fonones ) o radiación (en forma de fotones ).
En algunos estados, la generación y recombinación de pares electrón-hueco están en equilibrio. El número de pares electrón-hueco en estado estacionario a una temperatura determinada está determinado por la mecánica estadística cuántica . Los mecanismos mecánicos cuánticos precisos de generación y recombinación se rigen por la conservación de la energía y la conservación del impulso .
Como la probabilidad de que los electrones y los huecos se encuentren es proporcional al producto de sus números, el producto es casi constante en el estado estacionario a una temperatura dada, siempre que no haya un campo eléctrico significativo (que podría "eliminar" a los portadores de ambos). tipos, o moverlos de regiones vecinas que contienen más de ellos para reunirse) o generación de pares impulsada externamente. El producto es función de la temperatura, ya que la probabilidad de obtener suficiente energía térmica para producir un par aumenta con la temperatura, siendo aproximadamente exp(− E G / kT ), donde k es la constante de Boltzmann , T es la temperatura absoluta y E G es banda prohibida.
La probabilidad de encuentro aumenta con las trampas de portadores: impurezas o dislocaciones que pueden atrapar un electrón o un hueco y retenerlo hasta que se complete un par. En ocasiones, estas trampas de portadores se añaden intencionadamente para reducir el tiempo necesario para alcanzar el estado estable. [20]
La conductividad de los semiconductores puede modificarse fácilmente introduciendo impurezas en su red cristalina . El proceso de añadir impurezas controladas a un semiconductor se conoce como dopaje . La cantidad de impureza, o dopante, agregada a un semiconductor intrínseco (puro) varía su nivel de conductividad. [21] Los semiconductores dopados se denominan extrínsecos . [22] Al agregar impurezas a los semiconductores puros, la conductividad eléctrica puede variar en factores de miles o millones. [23]
Una muestra de 1 cm 3 de un metal o semiconductor tiene del orden de 10 22 átomos. [24] En un metal, cada átomo dona al menos un electrón libre para la conducción, por lo que 1 cm 3 de metal contiene del orden de 10 22 electrones libres, [25] mientras que una muestra de 1 cm 3 de germanio puro a 20 °C contiene aproximadamente4,2 × 10 22 átomos, pero sólo2,5 × 10 13 electrones libres y2,5 × 10 13 agujeros. La adición de 0,001% de arsénico (una impureza) dona 10 17 electrones libres adicionales en el mismo volumen y la conductividad eléctrica aumenta en un factor de 10.000. [26] [27]
Los materiales elegidos como dopantes adecuados dependen de las propiedades atómicas tanto del dopante como del material a dopar. En general, los dopantes que producen los cambios controlados deseados se clasifican como aceptores o donadores de electrones . Los semiconductores dopados con impurezas donantes se denominan tipo n , mientras que los dopados con impurezas aceptoras se conocen como tipo p . Las designaciones de tipo n y p indican qué portador de carga actúa como portador mayoritario del material . El portador opuesto se llama portador minoritario y existe debido a la excitación térmica en una concentración mucho menor en comparación con el portador mayoritario. [28]
Por ejemplo, el silicio semiconductor puro tiene cuatro electrones de valencia que unen cada átomo de silicio a sus vecinos. [29] En el silicio, los dopantes más comunes son los elementos del grupo III y del grupo V. Todos los elementos del grupo III contienen tres electrones de valencia, lo que hace que funcionen como aceptores cuando se usan para dopar silicio. Cuando un átomo aceptor reemplaza a un átomo de silicio en el cristal, se crea un estado vacante (un "agujero" de electrones), que puede moverse alrededor de la red y funcionar como portador de carga. Los elementos del grupo V tienen cinco electrones de valencia, lo que les permite actuar como donador; La sustitución de estos átomos por silicio crea un electrón libre adicional. Por lo tanto, un cristal de silicio dopado con boro crea un semiconductor de tipo p, mientras que uno dopado con fósforo da como resultado un material de tipo n. [30]
Durante la fabricación , los dopantes se pueden difundir en el cuerpo semiconductor mediante contacto con compuestos gaseosos del elemento deseado, o se puede utilizar la implantación de iones para posicionar con precisión las regiones dopadas.
Algunos materiales, cuando se enfrían rápidamente hasta un estado amorfo vítreo, tienen propiedades semiconductoras. Estos incluyen B, Si , Ge, Se y Te, y existen múltiples teorías para explicarlos. [31] [32]
La historia de la comprensión de los semiconductores comienza con experimentos sobre las propiedades eléctricas de los materiales. Las propiedades del coeficiente de resistencia, rectificación y sensibilidad a la luz tiempo-temperatura se observaron a principios del siglo XIX.
Thomas Johann Seebeck fue el primero en notar un efecto debido a los semiconductores, en 1821. [33] En 1833, Michael Faraday informó que la resistencia de las muestras de sulfuro de plata disminuye cuando se calientan. Esto es contrario al comportamiento de sustancias metálicas como el cobre. En 1839, Alexandre Edmond Becquerel informó sobre la observación de un voltaje entre un electrolito sólido y uno líquido, cuando fue impactado por la luz, el efecto fotovoltaico . En 1873, Willoughby Smith observó que las resistencias de selenio exhibían una resistencia decreciente cuando la luz incide sobre ellas. En 1874, Karl Ferdinand Braun observó la conducción y rectificación en sulfuros metálicos , aunque este efecto había sido descubierto mucho antes por Peter Munck af Rosenschöld (sv) escribiendo para Annalen der Physik und Chemie en 1835, [34] y Arthur Schuster encontró que un La capa de óxido de cobre en los cables tenía propiedades de rectificación que cesaban cuando se limpiaban los cables. William Grylls Adams y Richard Evans Day observaron el efecto fotovoltaico en el selenio en 1876. [35]
Una explicación unificada de estos fenómenos requirió una teoría de la física del estado sólido , que se desarrolló enormemente en la primera mitad del siglo XX. En 1878, Edwin Herbert Hall demostró la desviación de los portadores de carga que fluyen mediante la aplicación de un campo magnético, el efecto Hall . El descubrimiento del electrón por JJ Thomson en 1897 impulsó teorías sobre la conducción de electrones en sólidos. Karl Baedeker , al observar un efecto Hall con signo inverso al de los metales, teorizó que el yoduro de cobre tenía portadores de carga positiva. Johan Koenigsberger clasificó los materiales sólidos como metales, aislantes y "conductores variables" en 1914, aunque su alumno Josef Weiss ya introdujo el término Halbleiter (un semiconductor en su significado moderno) en su doctorado. tesis en 1910. [36] [37] Felix Bloch publicó una teoría del movimiento de electrones a través de redes atómicas en 1928. En 1930, B. Gudden afirmó que la conductividad en los semiconductores se debía a concentraciones menores de impurezas. En 1931, Alan Herries Wilson había establecido la teoría de la conducción de bandas y se había desarrollado el concepto de bandas prohibidas. Walter H. Schottky y Nevill Francis Mott desarrollaron modelos de la barrera de potencial y de las características de una unión metal-semiconductor . En 1938, Boris Davydov había desarrollado una teoría del rectificador de óxido de cobre, identificando el efecto de la unión p-n y la importancia de los portadores minoritarios y los estados superficiales. [34]
En ocasiones, la concordancia entre las predicciones teóricas (basadas en el desarrollo de la mecánica cuántica) y los resultados experimentales era deficiente. John Bardeen explicó más tarde que esto se debía al comportamiento extremadamente "sensible a la estructura" de los semiconductores, cuyas propiedades cambian dramáticamente en función de pequeñas cantidades de impurezas. [34] Los materiales comercialmente puros de la década de 1920 que contenían proporciones variables de trazas de contaminantes produjeron resultados experimentales diferentes. Esto estimuló el desarrollo de técnicas mejoradas de refinación de materiales, que culminaron en modernas refinerías de semiconductores que producen materiales con una pureza de partes por billón.
Los dispositivos que utilizaban semiconductores se construyeron al principio basándose en conocimientos empíricos antes de que la teoría de los semiconductores proporcionara una guía para la construcción de dispositivos más capaces y fiables.
Alexander Graham Bell utilizó la propiedad sensible a la luz del selenio para transmitir sonido a través de un haz de luz en 1880. Charles Fritts construyó una célula solar funcional y de baja eficiencia en 1883, utilizando una placa de metal recubierta con selenio y una capa delgada. de oro; El dispositivo se volvió comercialmente útil en fotómetros fotográficos en la década de 1930. [34] Jagadish Chandra Bose utilizó rectificadores detectores de microondas de contacto puntual hechos de sulfuro de plomo en 1904; El detector de bigotes de gato que utilizaba galena natural u otros materiales se convirtió en un dispositivo común en el desarrollo de la radio . Sin embargo, su funcionamiento era algo impredecible y requería ajuste manual para obtener el mejor rendimiento. En 1906, HJ Round observó la emisión de luz cuando la corriente eléctrica pasaba a través de cristales de carburo de silicio , el principio detrás del diodo emisor de luz . Oleg Losev observó una emisión de luz similar en 1922, pero en ese momento el efecto no tenía ninguna utilidad práctica. Los rectificadores de potencia, que utilizan óxido de cobre y selenio, se desarrollaron en la década de 1920 y adquirieron importancia comercial como alternativa a los rectificadores de tubo de vacío . [35] [34]
Los primeros dispositivos semiconductores utilizaron galena , incluido el detector de cristal del físico alemán Ferdinand Braun en 1874 y el detector de radiocristal del físico indio Jagadish Chandra Bose en 1901. [38] [39]
En los años anteriores a la Segunda Guerra Mundial, los dispositivos de comunicación y detección de infrarrojos impulsaron la investigación de materiales de sulfuro de plomo y seleniuro de plomo. Estos dispositivos se utilizaron para detectar barcos y aviones, telémetros infrarrojos y sistemas de comunicación por voz. El detector de cristal de contacto puntual se volvió vital para los sistemas de radio por microondas, ya que los dispositivos de tubo de vacío disponibles no podían servir como detectores por encima de unos 4000 MHz; Los sistemas de radar avanzados dependían de la rápida respuesta de los detectores de cristal. Durante la guerra se llevó a cabo una considerable investigación y desarrollo de materiales de silicio para desarrollar detectores de calidad constante. [34]
Los detectores y rectificadores de potencia no pudieron amplificar una señal. Se hicieron muchos esfuerzos para desarrollar un amplificador de estado sólido y se logró desarrollar un dispositivo llamado transistor de contacto puntual que podía amplificar 20 dB o más. [40] En 1922, Oleg Losev desarrolló amplificadores de resistencia negativa de dos terminales para radio, pero murió en el asedio de Leningrado después de completarlos con éxito. En 1926, Julius Edgar Lilienfeld patentó un dispositivo parecido a un transistor de efecto de campo , pero no resultó práctico. R. Hilsch y RW Pohl demostraron en 1938 un amplificador de estado sólido utilizando una estructura que se asemeja a la rejilla de control de un tubo de vacío; aunque el dispositivo mostraba una ganancia de potencia, tenía una frecuencia de corte de un ciclo por segundo, demasiado baja para cualquier aplicación práctica, pero una aplicación efectiva de la teoría disponible. [34] En los Laboratorios Bell , William Shockley y A. Holden comenzaron a investigar amplificadores de estado sólido en 1938. Russell Ohl observó la primera unión p-n en silicio alrededor de 1941, cuando se descubrió que un espécimen era sensible a la luz, con una límite definido entre la impureza de tipo p en un extremo y la de tipo n en el otro. Un corte cortado de la muestra en el límite p-n desarrolló un voltaje cuando se expuso a la luz.
El primer transistor que funcionó fue un transistor de contacto puntual inventado por John Bardeen , Walter Houser Brattain y William Shockley en los Laboratorios Bell en 1947. Shockley había teorizado anteriormente sobre un amplificador de efecto de campo hecho de germanio y silicio, pero no logró construir tal transistor. dispositivo de trabajo, antes de utilizar el germanio para inventar el transistor de contacto puntual. [41] En Francia, durante la guerra, Herbert Mataré había observado amplificación entre contactos puntuales adyacentes sobre una base de germanio. Después de la guerra, el grupo de Mataré anunció su amplificador " Transistron " poco después de que Bell Labs anunciara el " transistor ".
En 1954, el químico físico Morris Tanenbaum fabricó el primer transistor de unión de silicio en los Laboratorios Bell . [42] Sin embargo, los primeros transistores de unión eran dispositivos relativamente voluminosos que eran difíciles de fabricar en masa , lo que los limitaba a una serie de aplicaciones especializadas. [43]
