Un semiconductor es un material que se encuentra entre el conductor y el aislante en capacidad de conducir corriente eléctrica. [1] En muchos casos, sus propiedades conductoras pueden alterarse de formas útiles introduciendo impurezas (" dopaje ") en la estructura cristalina . Cuando existen dos regiones dopadas de forma 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 , transistores y la mayoría de los productos electrónicos modernos . Algunos ejemplos de semiconductores son el silicio , el germanio , el arseniuro de galio y los elementos cercanos a la llamada " escalera de metaloides " en 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 una resistencia variable y tener sensibilidad a la luz o al calor. Debido a que las propiedades eléctricas de un material semiconductor se pueden modificar mediante dopaje y mediante la aplicación de campos eléctricos o luz, los dispositivos hechos de semiconductores se pueden utilizar 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 como parte de su aislamiento, y estos materiales suelen ser plástico XLPE ( polietileno reticulado ) con negro de carbono. [2]
La conductividad del silicio se incrementa añadiendo una pequeña cantidad (del orden de 1 en 10 8 ) de átomos pentavalentes ( antimonio , fósforo o arsénico ) o trivalentes ( boro , galio , indio ). [3] Este proceso se conoce como dopaje, y los semiconductores resultantes se conocen como semiconductores dopados o extrínsecos . Aparte 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 un aumento de la temperatura. [4]
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 . [5] El dopaje aumenta en gran medida el número de portadores de carga dentro del cristal. Cuando un semiconductor está dopado con elementos del grupo V, se comportarán como donantes creando electrones libres , conocido como dopaje de " tipo n ". Cuando un semiconductor está dopado con elementos del grupo III, se comportarán como aceptores creando huecos libres, conocido como dopaje de " tipo p ". Los materiales semiconductores utilizados en dispositivos electrónicos se dopan en condiciones precisas para controlar la concentración y las regiones de dopantes de tipo p y n. Un solo cristal de 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 , uno puede determinar rápidamente si una muestra de semiconductor es de tipo p o n. [6]
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 la 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 física cuántica condujeron a su vez a la invención del transistor en 1947 [7] 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, lo que impide el flujo completo de nuevos electrones. Varias técnicas desarrolladas permiten que los materiales semiconductores se comporten como materiales conductores, como el dopaje o el gating . 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. [8]
Las homojunciones se producen cuando se unen dos materiales semiconductores dopados de forma diferente. Por ejemplo, una configuración podría consistir en germanio dopado con p y germanio dopado con n . Esto da como resultado 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 se produce hasta que se alcanza un equilibrio mediante un proceso llamado recombinación , que hace que los electrones que migran del tipo n entren en contacto con los huecos que migran del tipo p. [9] El resultado de este proceso es una estrecha franja de iones inmóviles, que provoca un campo eléctrico a través de la unión. [5] [8]
Una diferencia de potencial eléctrico en un material semiconductor haría que éste abandonara el equilibrio térmico y creara una situación de no equilibrio. Esto introduce electrones y huecos en el sistema, que interactúan a través de un proceso llamado difusión ambipolar . Siempre que se altera el equilibrio térmico en un material semiconductor, cambia el número de huecos y electrones. Estas alteraciones pueden ocurrir como resultado de una diferencia de temperatura o de fotones , que pueden entrar en el sistema y crear electrones y huecos. Los procesos que crean o aniquilan electrones y huecos se denominan generación y recombinación, respectivamente. [8]
En ciertos semiconductores, los electrones excitados pueden relajarse emitiendo luz en lugar de producir calor. [10] Controlar la composición del semiconductor y la corriente eléctrica permite manipular las propiedades de la luz emitida. [11] Estos semiconductores se utilizan en la construcción de diodos emisores de luz y puntos cuánticos fluorescentes .
Los semiconductores con alta conductividad térmica se pueden utilizar para la disipación de calor y la mejora de la gestión térmica de los componentes electrónicos. Desempeñan un papel crucial en vehículos eléctricos , LED de alto brillo y módulos de potencia , entre otras aplicaciones. [12] [13] [14]
Los semiconductores tienen grandes factores de potencia termoeléctrica que los hacen útiles en generadores termoeléctricos , así como figuras de mérito termoeléctricas altas que los hacen útiles en enfriadores termoeléctricos . [15]
Un gran número de elementos y compuestos tienen propiedades semiconductoras, entre ellos: [16]
Los materiales semiconductores más comunes son los sólidos cristalinos, pero también se conocen semiconductores amorfos y líquidos. Entre ellos se encuentran el silicio amorfo hidrogenado y las 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 ocasional resistencia negativa . Dichos materiales desordenados carecen de la estructura cristalina rígida de los semiconductores convencionales como el silicio. Generalmente se utilizan en estructuras de película delgada , 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 (CI), que se encuentra en computadoras de escritorio , portátiles , escáneres, teléfonos celulares y otros dispositivos electrónicos. Los semiconductores para CI 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 en la que se utilizan los materiales. [8]
También se requiere un alto grado de perfección cristalina, ya que los fallos en la estructura cristalina (como dislocaciones , maclas y fallos de apilamiento ) interfieren con las propiedades semiconductoras del material. Los fallos cristalinos son una de las principales causas de los dispositivos semiconductores defectuosos. Cuanto más grande sea el cristal, más difícil es lograr la perfección necesaria. Los procesos actuales de producción en masa utilizan lingotes de cristal de entre 100 y 300 mm (3,9 y 11,8 pulgadas) de diámetro, cultivados como cilindros y cortados en obleas .
Existe una combinación de procesos que se utilizan para preparar materiales semiconductores para circuitos integrados. Un proceso se denomina oxidación térmica , que forma dióxido de silicio en la superficie del silicio . Este se utiliza como aislante de compuerta y óxido de campo . Otros procesos se denominan fotomáscaras y fotolitografía . Este proceso es el que crea los patrones en el circuito integrado. Se utiliza luz ultravioleta junto con una capa de fotorresistencia para crear un cambio químico que genera los patrones para el circuito. [8]
El siguiente proceso que se requiere es el grabado. La parte del silicio que no estaba cubierta por la capa de fotorresistencia del paso anterior ahora se puede grabar. El proceso principal que se utiliza normalmente en la actualidad se llama grabado de plasma . El grabado de plasma generalmente implica un gas de grabado bombeado en 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 se encuentra en el cátodo, lo que hace que sea golpeada por los iones cargados positivamente que se liberan del plasma. El resultado es silicio que se graba anisotrópicamente . [5] [8]
El último proceso se denomina difusión . Es el proceso que le da al material semiconductor sus propiedades semiconductoras deseadas. También se conoce como dopaje . El proceso introduce un átomo impuro en el sistema, lo que crea la unión p-n . Para conseguir que los átomos impuros se incrusten en la oblea de silicio, primero se coloca la oblea en una cámara a 1100 grados Celsius. Los átomos se inyectan y finalmente se difunden con el silicio. Una vez que se completa el proceso y el silicio ha alcanzado la temperatura ambiente, se realiza el proceso de dopaje y la oblea semiconductora está casi preparada. [5] [8]
Los semiconductores se definen por su comportamiento conductor eléctrico único, en algún lugar entre el de un conductor y un aislante. [19] Las diferencias entre estos materiales se pueden entender en términos de los estados cuánticos de los electrones, cada uno de los cuales puede contener cero o un electrón (por el principio de exclusión de Pauli ). Estos estados están asociados con la estructura de banda electrónica del material. La conductividad eléctrica surge debido a la presencia de electrones en estados que están deslocalizados (que se extienden a través del material), sin embargo, para transportar electrones, un estado debe estar parcialmente lleno , conteniendo un electrón solo una parte del tiempo. [20] Si el estado siempre está ocupado con un electrón, entonces es inerte, bloqueando el paso de otros electrones a través de ese estado. Las energías de estos estados cuánticos son críticas ya que un estado está parcialmente lleno solo si su energía está cerca del nivel de Fermi (ver estadísticas de Fermi-Dirac ).
La alta conductividad de un material proviene de que tiene muchos estados parcialmente llenos y mucha deslocalización de estados. 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 brechas de banda 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 brecha de banda, induciendo estados parcialmente llenos tanto en la banda de estados debajo de la brecha de banda ( banda de valencia ) como en la banda de estados por encima de la brecha de banda ( banda de conducción ). Un semiconductor (intrínseco) tiene una brecha de banda que es más pequeña que la de un aislante y, a temperatura ambiente, se pueden excitar cantidades significativas de electrones para cruzar la brecha de banda. [21]
Sin embargo, un semiconductor puro no es muy útil, ya que no es ni un buen aislante ni un buen conductor. Sin embargo, una característica importante de los semiconductores (y algunos aislantes, conocidos como semiaislantes ) es que su conductividad se puede aumentar y controlar mediante el dopaje con impurezas y la activación de campos eléctricos. El dopaje y la activación de campos eléctricos mueven la banda de conducción o de valencia mucho más cerca del nivel de Fermi y aumentan en gran medida el número de estados parcialmente llenos.
Algunos materiales semiconductores de banda ancha se denominan a veces semiaislantes . Cuando no están dopados, tienen una conductividad eléctrica cercana a la de los aislantes eléctricos, sin embargo, pueden doparse (lo que los hace tan útiles como los semiconductores). Los semiaislantes encuentran aplicaciones de nicho en la microelectrónica, como sustratos para HEMT . Un ejemplo de un semiaislante común es el arseniuro de galio . [22] Algunos materiales, como el dióxido de titanio , incluso pueden usarse como materiales aislantes para algunas aplicaciones, mientras que se los trata como semiconductores de banda ancha para otras aplicaciones.
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 ser muy diluida y, por lo tanto (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 al 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 fuerzas (campo eléctrico, campo magnético, etc.) de forma muy similar a como lo harían en el vacío, aunque con una masa efectiva diferente . [21] 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 de 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 un agujero de electrón . Aunque los electrones en la banda de valencia siempre están en movimiento, una banda de valencia completamente llena es inerte, no conduce ninguna corriente. Si se saca un electrón de la banda de valencia, entonces la trayectoria que el electrón habría tomado normalmente ahora carece de su carga. Para los fines 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 una imagen de una partícula cargada positivamente que responde a los campos eléctricos y magnéticos tal como lo haría una partícula normal cargada positivamente en el vacío, nuevamente con cierta masa efectiva positiva. [21] Esta partícula se llama agujero, y la colección de agujeros en la banda de valencia se puede entender nuevamente en términos clásicos simples (como con los electrones en la banda de conducción).
Cuando la radiación ionizante incide sobre un semiconductor, puede excitar un electrón y sacarlo de su nivel de energía, lo que deja un hueco. 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 tienden a 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 , estén acompañados por 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 se encuentran en equilibrio. El número de pares electrón-hueco en el estado estacionario a una temperatura dada está determinado por la mecánica estadística cuántica . Los mecanismos mecánicos cuánticos precisos de generación y recombinación están regidos por la conservación de la energía y la conservación del momento .
Como la probabilidad de que los electrones y los huecos se encuentren es proporcional al producto de sus números, el producto está en estado estacionario casi constante a una temperatura dada, siempre que no haya un campo eléctrico significativo (que podría "expulsar" portadores de ambos tipos, o moverlos de regiones vecinas que contienen más de ellos para que se encuentren) o una generación de pares impulsada externamente. El producto es una 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 la 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. Estas trampas de portadores a veces se añaden deliberadamente para reducir el tiempo necesario para alcanzar el estado estacionario. [23]
La conductividad de los semiconductores se puede modificar 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, añadida a un semiconductor intrínseco (puro) varía su nivel de conductividad. [24] Los semiconductores dopados se denominan extrínsecos . [25] Al añadir impurezas a los semiconductores puros, la conductividad eléctrica se puede variar en factores de miles o millones. [26]
Una muestra de 1 cm3 de un metal o semiconductor tiene el orden de 10 22 átomos. [27] En un metal, cada átomo dona al menos un electrón libre para la conducción, por lo que 1 cm3 de metal contiene del orden de 10 22 electrones libres, [28] mientras que una muestra de 1 cm3 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. [29] [30]
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 donantes 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 denomina portador minoritario , que existe debido a la excitación térmica a una concentración mucho menor en comparación con el portador mayoritario. [31]
Por ejemplo, el silicio semiconductor puro tiene cuatro electrones de valencia que unen cada átomo de silicio a sus vecinos. [32] En el silicio, los dopantes más comunes son los elementos del grupo III y del grupo V. Los elementos del grupo III contienen tres electrones de valencia, lo que hace que funcionen como aceptores cuando se utilizan para dopar silicio. Cuando un átomo aceptor reemplaza a un átomo de silicio en el cristal, se crea un estado vacante (un "hueco" de electrones), que puede moverse por la red y funcionar como portador de carga. Los elementos del grupo V tienen cinco electrones de valencia, lo que les permite actuar como donante; 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. [33]
Durante la fabricación , los dopantes se pueden difundir en el cuerpo semiconductor mediante el 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 alcanzar un estado amorfo vítreo, tienen propiedades semiconductoras. Entre ellos se encuentran el B, el Si , el Ge, el Se y el Te, y existen múltiples teorías para explicarlas. [34] [35]
La historia de la comprensión de los semiconductores comienza con experimentos sobre las propiedades eléctricas de los materiales. Las propiedades del coeficiente de resistencia en función del tiempo y la temperatura, la rectificación y la sensibilidad a la luz se observaron a principios del siglo XIX.
Thomas Johann Seebeck fue el primero en notar que los semiconductores exhiben una característica especial, de modo que el experimento sobre el efecto Seebeck surgió con un resultado mucho más fuerte al aplicar semiconductores, en 1821. [36] 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 son golpeados por la luz, el efecto fotovoltaico . En 1873, Willoughby Smith observó que las resistencias de selenio exhiben una resistencia decreciente cuando la luz incide sobre ellas. En 1874, Karl Ferdinand Braun observó conducción y rectificación en sulfuros metálicos , aunque este efecto había sido descubierto antes por Peter Munck af Rosenschöld (sv) escribiendo para Annalen der Physik und Chemie en 1835; Los hallazgos de Rosenschöld fueron ignorados. [37] Simon Sze afirmó que la investigación de Braun fue el primer estudio sistemático de dispositivos semiconductores. [38] También en 1874, Arthur Schuster descubrió que una capa de óxido de cobre sobre 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. [39]
Una explicación unificada de estos fenómenos requirió una teoría de la física del estado sólido , que se desarrolló mucho en la primera mitad del siglo XX. En 1878 Edwin Herbert Hall demostró la desviación de los portadores de carga que fluyen por un campo magnético aplicado, el efecto Hall . El descubrimiento del electrón por JJ Thomson en 1897 impulsó las teorías de conducción basada en electrones en sólidos. Karl Baedeker , al observar un efecto Hall con el signo inverso al de los metales, teorizó que el yoduro de cobre tenía portadores de carga positivos. Johan Koenigsberger clasificó los materiales sólidos como metales, aislantes y "conductores variables" en 1914, aunque su estudiante Josef Weiss ya introdujo el término Halbleiter (un semiconductor en el sentido moderno) en su tesis doctoral. tesis en 1910. [40] [41] Felix Bloch publicó una teoría del movimiento de electrones a través de redes atómicas en 1928. En 1930, B. Gudden Alan Herries Wilson había establecido la teoría de bandas de conducción y se había desarrollado el concepto de brechas de banda. Walter H. Schottky y Nevill Francis Mott desarrollaron modelos de la barrera de potencial y de las características de una unión metal-semiconductor . Para 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 de superficie. [37]
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 a la conducta extremadamente "sensible a la estructura" de los semiconductores, cuyas propiedades cambian drásticamente en función de pequeñas cantidades de impurezas. [37] Los materiales comercialmente puros de la década de 1920 que contenían proporciones variables de contaminantes traza producían resultados experimentales diferentes. Esto estimuló el desarrollo de técnicas mejoradas de refinación de materiales, que culminaron en las refinerías modernas de semiconductores que producen materiales con una pureza de partes por billón.
Los dispositivos que utilizan semiconductores se construyeron inicialmente con base en conocimiento empírico, antes de que la teoría de semiconductores proporcionara una guía para la construcción de dispositivos más capaces y confiables.
En 1880, Alexander Graham Bell utilizó la propiedad fotosensible del selenio para transmitir sonido a través de un haz de luz. En 1883, Charles Fritts construyó una célula solar funcional, de baja eficiencia, utilizando una placa de metal recubierta de selenio y una fina capa de oro; el dispositivo se volvió comercialmente útil en los fotómetros fotográficos en la década de 1930. [37] 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 utiliza 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 un ajuste manual para un mejor rendimiento. En 1906, H. J. 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 uso práctico. 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 tubos de vacío . [39] [37]
Los primeros dispositivos semiconductores utilizaron galena , incluido el detector de cristal del físico alemán Ferdinand Braun en 1874 y el detector de cristal de radio del físico indio Jagadish Chandra Bose en 1901. [42] [43]
En los años anteriores a la Segunda Guerra Mundial, los dispositivos de detección y comunicación por infrarrojos impulsaron la investigación sobre materiales de sulfuro de plomo y seleniuro de plomo. Estos dispositivos se utilizaron para detectar barcos y aviones, para telémetros infrarrojos y para sistemas de comunicación por voz. El detector de cristal de contacto puntual se volvió vital para los sistemas de radio de microondas, ya que los dispositivos de tubo de vacío disponibles no podían servir como detectores por encima de los 4000 MHz; los sistemas de radar avanzados dependían de la respuesta rápida de los detectores de cristal. Durante la guerra se realizó una considerable investigación y desarrollo de materiales de silicio para desarrollar detectores de calidad constante. [37]
Los detectores y rectificadores de potencia no podían amplificar una señal. Se hicieron muchos esfuerzos para desarrollar un amplificador de estado sólido y se tuvo éxito en el desarrollo de un dispositivo llamado transistor de contacto puntual que podía amplificar 20 dB o más. [44] En 1922, Oleg Losev desarrolló amplificadores de resistencia negativa de dos terminales para radio, pero murió en el Sitio de Leningrado después de completarlo con éxito. En 1926, Julius Edgar Lilienfeld patentó un dispositivo parecido a un transistor de efecto de campo , pero no era práctico. R. Hilsch y RW Pohl en 1938 demostraron un amplificador de estado sólido utilizando una estructura parecida a la rejilla de control de un tubo de vacío; aunque el dispositivo mostraba 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. [37] En Bell Labs , William Shockley y A. Holden comenzaron a investigar amplificadores de estado sólido en 1938. La primera unión p-n en silicio fue observada por Russell Ohl alrededor de 1941 cuando se descubrió que una muestra era sensible a la luz, con un límite nítido entre la impureza de tipo p en un extremo y el tipo n en el otro. Un corte de la muestra en el límite p-n desarrolló un voltaje cuando se expuso a la luz.
El primer transistor funcional fue un transistor de contacto puntual inventado por John Bardeen , Walter Houser Brattain y William Shockley en Bell Labs en 1947. Shockley había teorizado anteriormente un amplificador de efecto de campo hecho de germanio y silicio, pero no logró construir un dispositivo que funcionara de esa manera, antes de finalmente usar germanio para inventar el transistor de contacto puntual. [45] En Francia, durante la guerra, Herbert Mataré había observado la 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 Bell Labs . [46] Sin embargo, los primeros transistores de unión eran dispositivos relativamente voluminosos que eran difíciles de fabricar en serie , lo que los limitaba a una serie de aplicaciones especializadas. [47]
