Histrorie

Al onze enigszins intelligente elektrische apperatuur is gebaseerd op een elementair actief onderdeel dat als elektrisch ventiel moet kunnen functioneren (halfgeleiders) en desgewenst signalen moet kunnen versterken, dus vermogender moet kunnen maken dan het oorspronkelijke ingangssignaal was. Klassiek voorbeeld is de versterker en oscillator (versterker met terugkoppeling), maar ook geheugencellen, poorten en daarmee processoren werken alleen met deze cruciale eigenschap.

In 1904 werd door Ambrose Fleming de elektronenbuis uitgevonden. Een glazen vacuuum buis met daarin twee platen tegenover elkaar: een anode(+) en een kathode (-). Door de kathode te verwarmen met een gloeidraad konden de elektronen van de kathode naar de anode oversteken en nog maar in die ene richting.

Hier had men dus een elektrisch ventiel gecreeerd: de voorloper op de diode.

Verder kon men door een rooster tussen de anode en kathode te plaatsen en die een bepaald potentiaal te geven men de anodestroom regelen en wel zo dat een kleine invloed van het tussenrooster een grotere invloed had op de anodestroom: oftewel een versterking.

Deze buizen waren reuze handig voor simpele analoge aparaten zoals versterkers, osilatoren en andere aparaten. Maar toch hadden ze wel wat nadelen: ze waren groot, de benodigde anodespanning was relatief hoog (doorgaans zo'n 150 volt) en het rendement en levensduur was laag, door de gloeidraad.

De eerste computerachtige apparaat was daar een leuk bekend voordeel van. Een 30 ton wegend apparaat met 18 000 buizen, verbruikte 25kW en was 12 bij 6 meter. Er was continu iemand bezig om de buizen die toevallig kapot gingen te vervangen.

Gelukkig ontdekten men dat niet alleen vacuuum een goede halfgeleider kon zijn, ook sommige vaste materialen hadden deze eigenschap. Zo werd in 1947 de eerste transistor gemaakt met het halfgeleidermateriaal germanium.

Echter dit materiaal had de nodige nadelen op buizen. Ze waren dan wel klein en compact, maar duur, lang niet zo vermogend en betrouwbaar.

Totdat in de jaren 70 silicium geschikt kon worden gemaakt als halfgeleidermateriaal: deze had nogal wat voordelen, zoals de veel betere verkrijgbaarheid, hogere thermische stabiliteit en betere elektrische eigenschappen.

Het heden

Maar ook silicium heeft zijn beperkingen als het gaat om snelheid en warmtebestendigheid, nu de eisen steeds hoger komen te liggen.

Ondertussen is men NU bezig om een aantal alternatieve halfgeleiders die beter geschikt lijkt te zijn voor bepaalde toepassingen.

Zo is er al een korte tijd de GaAs (Galium Arsenide) transistor die voor hoogfrequente laagvermogens communicatieapperatuur wordt gebruikt (GSM bijvoorbeeld). Gallium Arsenide heeft een hoge mobiliteit van elektronen.

Infineon en IBM hebben met SiGe (een mengsel van Silicium en Germanium) als halfgeleider een schakeling weten te klokken op een frequentie van 110GHz. Dit komt omdat mobiliteit van de elektronen in deze halfgeleider hoger is dan bij silicium. Omdat puur germanium niet goed tegen hitte kan hebben ze dit materiaal in de jaren 70 vervangen door silicium. Door Si met Ge te mengen krijg je een beetje de voordelen van beiden.

Ook met koolstof in synthetische diamantvorm zijn hoge resultaten te verwachten. Deze halfgeleider blijkt veel hittebestendiger te zijn dan silicium of germanium en bovendien blijkt de mobiliteit voor de elektronen ook nog eens veel hoger te liggen. Het japanse Nippon Telecom en Telegraph (NTT) heeft daar onlangs een doorbraak gezorgt voor een transistor die op 200GHz kon werken. Deze zijn dus voor zowel hoge frequenties als hoge vermogens geschikt. Ze kunnen als vervanging dienen voor elektronenbuizen die nu nog steeds voor deze toepassingen worden gebruikt (radio en TV zenders, radarinstallaties, satalietzenders, magnetron?) die dus erg onrendabel zijn.

Probleem met het huidige diamant is dat het erg moeilijk zuiver aan te brengen is op het substraat.

Een zweeds-brits team aan de universiteit Uppsala zijn bezig om technieken uit te vinden om het diamant zuiver genoeg te krijgen. Ook wordt onderzocht of er alternatieve diamanten, zoals kiezelcarbide (SiC) en kubiek boornitraat (c-BN) beter te hanteren zijn en/of betere eigenschappen hebben dan

Zo is er nog steeds geen oplossing voor