Semiconduttore

Un materiale semiconduttore ha un valore di conduttività elettrica che cade tra quello di un conduttore, come rame, oro, ecc. E un isolante, come un vetro. La loro resistenza diminuisce all’aumentare della temperatura, che è il comportamento opposto a quello di un metallo. Le loro proprietà di conduzione possono essere alterate in modi utili dall’introduzione deliberata e controllata di impurità (“drogaggio”) nella struttura cristallina. Dove due regioni diversamente drogate esistono nello stesso cristallo, viene creata una giunzione a semiconduttore. Il comportamento dei portatori di carica che includono elettroni, ioni e fori di elettroni in queste giunzioni è la base di diodi, transistor e tutta l’elettronica moderna.

I dispositivi a semiconduttore possono visualizzare una gamma di proprietà utili come la corrente passante più facilmente in una direzione rispetto all’altra, mostrando resistenza variabile e sensibilità alla luce o al calore. Poiché le proprietà elettriche di un materiale semiconduttore possono essere modificate dal drogaggio o dall’applicazione di campi elettrici o di luce, i dispositivi realizzati con semiconduttori possono essere utilizzati per l’amplificazione, la commutazione e la conversione di energia.

La conduttività del silicio viene aumentata aggiungendo una piccola quantità di atomi pentavalenti (antimonio, fosforo o arsenico) o trivalenti (boro, gallio, indio) (parte in 108). Questo processo è noto come drogaggio e i semiconduttori risultanti sono noti come semiconduttori drogati o estrinseci.

La moderna comprensione delle proprietà di un semiconduttore si basa sulla fisica quantistica per spiegare il movimento dei portatori di carica in un reticolo cristallino. Il doping aumenta notevolmente il numero di portatori di carica all’interno del cristallo. Quando un semiconduttore drogato contiene per lo più buchi liberi è chiamato “p-type”, e quando contiene elettroni per lo più liberi è noto come “n-type”. I materiali semiconduttori utilizzati nei dispositivi elettronici sono drogati in condizioni precise per controllare la concentrazione e le regioni di droganti di tipo p e n. Un singolo cristallo semiconduttore può avere molte regioni di tipo p e n; le giunzioni p-n tra queste regioni sono responsabili del comportamento elettronico utile.

Sebbene alcuni elementi puri e molti composti presentino proprietà dei semiconduttori, il silicio, [il migliore] fabbisogno di germanio e i composti di gallio sono i più usati nei dispositivi elettronici. Gli elementi vicino alla cosiddetta “scala metalloidale”, dove i metalloidi si trovano sulla tavola periodica, sono solitamente usati come semiconduttori.

Alcune delle proprietà dei materiali semiconduttori sono state osservate durante la metà del XIX e i primi decenni del 20 ° secolo. La prima applicazione pratica dei semiconduttori nell’elettronica fu lo sviluppo del rivelatore a basette di gatto del 1904, un diodo a semiconduttore primitivo ampiamente utilizzato nei primi ricevitori radio. Gli sviluppi della fisica quantistica a loro volta permisero lo sviluppo del transistor nel 1947 e il circuito integrato nel 1958.

Proprietà

Conducibilità variabile
I semiconduttori nel loro stato naturale sono cattivi conduttori perché una corrente richiede il flusso di elettroni, e i semiconduttori hanno le loro bande di valenza riempite, impedendo il flusso di ingresso di nuovi elettroni. Esistono diverse tecniche sviluppate che consentono ai materiali semiconduttori di comportarsi come materiali conduttori, come il doping o il gating. Queste modifiche hanno due risultati: n-type e p-type. Questi si riferiscono all’eccesso o alla carenza di elettroni, rispettivamente. Un numero sbilanciato di elettroni causerebbe il flusso di corrente attraverso il materiale.

eterogiunzioni
Eterojunctions si verificano quando due materiali semiconduttori diversamente drogati sono uniti insieme. Ad esempio, una configurazione potrebbe essere costituita da germanio drogato con p e n. Ciò si traduce in uno scambio di elettroni e fori tra i materiali semiconduttori diversamente drogati. Il germanio n-drogato avrebbe un eccesso di elettroni e il germanio drogato con p avrebbe un eccesso di buchi. Il trasferimento avviene finché l’equilibrio non viene raggiunto da un processo chiamato ricombinazione, che fa sì che gli elettroni migratori dal tipo n vengano a contatto con i fori migratori dal tipo p. Un prodotto di questo processo viene caricato ioni, che risultano in un campo elettrico.

Elettroni eccitati
Una differenza nel potenziale elettrico su un materiale semiconduttore causerebbe l’uscita dall’equilibrio termico e la creazione di una situazione di non equilibrio. Questo introduce elettroni e buchi nel sistema, che interagiscono attraverso un processo chiamato diffusione ambipolare. Ogni volta che l’equilibrio termico viene disturbato in un materiale semiconduttore, il numero di fori ed elettroni cambia. Tali interruzioni possono verificarsi a causa di una differenza di temperatura o di fotoni, che possono entrare nel sistema e creare elettroni e buchi. Il processo che crea e annienta gli elettroni e i buchi è chiamato generazione e ricombinazione.

Emissione di luce
In alcuni semiconduttori, gli elettroni eccitati possono rilassarsi emettendo luce invece di produrre calore. Questi semiconduttori sono utilizzati nella costruzione di diodi emettitori di luce e punti quantici fluorescenti.

Conversione di energia termica
I semiconduttori hanno grandi fattori di potenza termoelettrica che li rendono utili nei generatori termoelettrici, così come alti valori termoelettrici di merito che li rendono utili nei refrigeratori termoelettrici.

materiale
Un gran numero di elementi e composti hanno proprietà semiconduttive, tra cui:

Alcuni elementi puri si trovano nel gruppo 14 della tavola periodica; il più commercialmente importante di questi elementi è il silicio e il germanio. Silicio e germanio sono qui usati efficacemente perché hanno 4 elettroni di valenza nel loro guscio più esterno che dà loro la possibilità di guadagnare o perdere elettroni allo stesso tempo.
Composti binari, in particolare tra elementi nei gruppi 13 e 15, come arseniuro di gallio, gruppi 12 e 16, gruppi 14 e 16, e tra diversi elementi del gruppo 14, ad es. carburo di silicio.
Alcuni composti ternari, ossidi e leghe.
Semiconduttori organici, composti da composti organici.

I materiali semiconduttori più comuni sono solidi cristallini, ma sono anche noti semiconduttori amorfi e liquidi. Questi includono silicio amorfo idrogenato e miscele di arsenico, selenio e tellurio in una varietà di proporzioni. Questi composti condividono con i semiconduttori più noti le proprietà di conduttività intermedia e una rapida variazione di conducibilità con la temperatura, oltre a occasionali resistenze negative. Tali materiali disordinati mancano della rigida struttura cristallina dei semiconduttori convenzionali come il silicio. Sono generalmente utilizzati in strutture a film sottile, che non richiedono materiali di qualità elettronica superiore, essendo relativamente insensibili alle impurità e ai danni da radiazioni.

Preparazione di materiali semiconduttori
Quasi tutta la tecnologia elettronica odierna comporta l’uso di semiconduttori, con l’aspetto più importante del circuito integrato (IC), che si trova in laptop, scanner, telefoni cellulari, ecc. I semiconduttori per circuiti integrati sono prodotti in serie. Per creare un materiale semiconduttore ideale, la purezza chimica è fondamentale. Qualsiasi piccola imperfezione può avere un effetto drastico su come si comporta il materiale semiconduttore a causa della scala in cui vengono utilizzati i materiali.

È richiesto anche un alto grado di perfezione cristallina, dal momento che i difetti nella struttura cristallina (quali dislocazioni, gemelli e difetti di impilamento) interferiscono con le proprietà semiconduttive del materiale. Le faglie cristalline sono una delle principali cause di dispositivi semiconduttori difettosi. Più grande è il cristallo, più difficile è raggiungere la perfezione necessaria. Gli attuali processi di produzione di massa utilizzano lingotti di cristallo di diametro compreso tra 100 e 300 mm (3,9 e 11,8 pollici) che vengono coltivati ​​come cilindri e tagliati in fette.

Esiste una combinazione di processi che viene utilizzata per preparare materiali semiconduttori per i circuiti integrati. Un processo è chiamato ossidazione termica, che forma il biossido di silicio sulla superficie del silicio. Questo è usato come isolante di gate e ossido di campo. Altri processi sono chiamati fotomaschi e fotolitografia. Questo processo è ciò che crea i pattern sulla circonferenza nel circuito integrato. La luce ultravioletta viene utilizzata insieme a uno strato di fotoresist per creare un cambiamento chimico che genera i pattern per il circuito.

L’incisione è il processo successivo richiesto. La parte del silicio che non era coperta dallo strato di photoresist dal passaggio precedente può ora essere incisa. Il processo principale tipicamente utilizzato oggi è chiamato incisione al plasma. L’incisione al plasma di solito comporta un gas etch pompato in una camera a bassa pressione per creare plasma. Un gas di attacco comune è il clorofluorocarburo o il freon più comunemente noto. Un’alta tensione in radiofrequenza tra il catodo e l’anodo è ciò che crea il plasma nella camera. Il wafer di silicio si trova sul catodo, il che fa sì che venga colpito dagli ioni caricati positivamente che vengono rilasciati dal plasma. Il risultato finale è il silicio che è inciso anisotropicamente.

L’ultimo processo è chiamato diffusione. Questo è il processo che conferisce al materiale semiconduttore le sue proprietà semiconduttive desiderate. È anche conosciuto come doping. Il processo introduce un atomo impuro nel sistema, che crea la giunzione p-n. Al fine di ottenere gli atomi impuri incorporati nel wafer di silicio, il wafer viene prima immesso in una camera Celsius di 1.100 gradi. Gli atomi vengono iniettati e alla fine si diffondono con il silicio. Dopo che il processo è completato e il silicio ha raggiunto la temperatura ambiente, il processo di drogaggio è fatto e il materiale semiconduttore è pronto per essere utilizzato in un circuito integrato.

Fisica dei semiconduttori

Bande di energia e conduzione elettrica
I semiconduttori sono definiti dal loro comportamento conduttivo elettrico unico, da qualche parte tra quello di un conduttore e un isolante. Le differenze tra questi materiali possono essere comprese in termini di stati quantici per gli elettroni, ognuno dei quali può contenere zero o un elettrone (secondo il principio di esclusione di Pauli). Questi stati sono associati alla struttura di banda elettronica del materiale. La conduttività elettrica sorge a causa della presenza di elettroni in stati che vengono delocalizzati (estendendosi attraverso il materiale), tuttavia per trasportare gli elettroni uno stato deve essere parzialmente riempito, contenente un elettrone solo una parte del tempo. Se lo stato è sempre occupato da un elettrone, allora è inerte, bloccando il passaggio di altri elettroni attraverso quello stato. Le energie di questi stati quantici sono critiche, poiché uno stato è parzialmente riempito solo se la sua energia è vicina al livello di Fermi (vedi statistiche di Fermi-Dirac).

L’alta conduttività in un materiale deriva dal fatto che ha molti stati parzialmente riempiti e molto delocalizzazione dello stato. I metalli sono buoni conduttori elettrici e hanno molti stati parzialmente riempiti con energie vicine al loro livello di Fermi. Gli isolanti, al contrario, hanno pochi stati parzialmente pieni, i loro livelli di Fermi si collocano all’interno di spazi vuoti di banda con pochi stati di energia da occupare. È importante sottolineare che un isolante può essere condotto per aumentare la sua temperatura: il riscaldamento fornisce energia per promuovere alcuni elettroni attraverso il band gap, inducendo stati parzialmente pieni sia nella banda di stati al di sotto del band gap (banda di valenza) che nella banda di stati sopra il band gap (banda di conduzione). Un semiconduttore (intrinseco) ha un gap di banda inferiore a quello di un isolante ea temperatura ambiente è possibile eccitare un numero significativo di elettroni per superare il gap di banda.

Un semiconduttore puro, tuttavia, non è molto utile, in quanto non è né un ottimo isolante né un ottimo conduttore. Tuttavia, una caratteristica importante dei semiconduttori (e alcuni isolanti, noti come semi-isolanti) è che la loro conduttività può essere aumentata e controllata dal drogaggio con impurità e gating con campi elettrici. Il doping e il gating spostano la banda di conduzione o di valenza molto più vicino al livello di Fermi e aumentano notevolmente il numero di stati parzialmente riempiti.

Alcuni materiali semiconduttori a banda larga sono a volte indicati come semi-isolanti. Quando sono non rivestiti, hanno una conduttività elettrica più vicina a quella degli isolanti elettrici, tuttavia possono essere drogati (rendendoli utili quanto i semiconduttori). I semi-isolanti trovano applicazioni di nicchia nella microelettronica, come i substrati per HEMT. Un esempio di un semi-isolante comune è l’arseniuro di gallio. Alcuni materiali, come il biossido di titanio, possono anche essere utilizzati come materiali isolanti per alcune applicazioni, mentre vengono trattati come semiconduttori a grande apertura per altre applicazioni.

Supporti di carica (elettroni e fori)
Il riempimento parziale degli stati nella parte inferiore della banda di conduzione può essere inteso come aggiunta di elettroni a quella banda. Gli elettroni non rimangono indefinitamente (a causa della naturale ricombinazione termica) ma possono muoversi per un po ‘di tempo. L’effettiva concentrazione di elettroni è tipicamente molto diluita, e quindi (a differenza dei metalli) è possibile pensare agli elettroni nella banda di conduzione di un semiconduttore come una sorta di classico gas ideale, in cui gli elettroni volano liberamente senza essere soggetti a il principio di esclusione di Pauli. Nella maggior parte dei semiconduttori le bande di conduzione hanno una relazione di dispersione parabolica, e quindi questi elettroni rispondono alle forze (campo elettrico, campo magnetico, ecc.) Molto come se fossero nel vuoto, sebbene con una massa effettiva diversa. Poiché gli elettroni si comportano come un gas ideale, si può anche pensare alla conduzione in termini semplicistici come il modello di Drude e introdurre concetti come la mobilità degli elettroni.

Per il riempimento parziale nella parte superiore della banda di valenza, è utile introdurre il concetto di un buco di elettrone. Sebbene gli elettroni nella banda di valenza si spostino sempre, una banda di valenza completamente piena è inerte, non conduce alcuna corrente. Se un elettrone viene tolto dalla banda di valenza, allora la traiettoria che normalmente l’elettrone avrebbe preso è ora assente dalla sua carica. Ai fini della corrente elettrica, questa combinazione della banda di valenza completa, meno l’elettrone, può essere convertita in un’immagine di una banda completamente vuota contenente una particella caricata positivamente che si muove nello stesso modo dell’elettrone. Combinato con la massa negativa effettiva degli elettroni nella parte superiore della banda di valenza, arriviamo a un’immagine di una particella carica positivamente che risponde ai campi elettrici e magnetici proprio come farebbe una normale particella carica positiva nel vuoto, ancora con qualche positivo massa efficace Questa particella è chiamata un buco, e la collezione di buchi nella banda di valenza può essere di nuovo compresa in termini classici semplici (come con gli elettroni nella banda di conduzione).

Generazione di portatori e ricombinazione
Quando la radiazione ionizzante colpisce un semiconduttore, può eccitare un elettrone fuori dal suo livello di energia e conseguentemente lasciare un buco. Questo processo è noto come generazione di coppie elettrone-foro. Le coppie di elettroni-fori vengono costantemente generate anche dall’energia termica, in assenza di qualsiasi fonte di energia esterna.

Le coppie di elettroni-fori sono anche in grado di ricombinarsi. La conservazione dell’energia richiede che questi eventi di ricombinazione, in cui un elettrone perde una quantità di energia superiore alla banda proibita, siano accompagnati dall’emissione di energia termica (sotto forma di fononi) o radiazione (sotto forma di fotoni).

In alcuni stati, la generazione e la ricombinazione di coppie di elettroni-fori sono in equilibrio. Il numero di coppie di elettroni-lacune nello stato stazionario a una determinata temperatura è determinato dalla meccanica statistica quantistica. I meccanismi meccanici quantistici precisi di generazione e ricombinazione sono governati dalla conservazione dell’energia e dalla conservazione della quantità di moto.

Poiché la probabilità che gli elettroni e i fori si incontrino insieme è proporzionale al prodotto dei loro numeri, il prodotto è in uno stato stazionario pressoché costante a una data temperatura, a condizione che non vi sia un campo elettrico significativo (che potrebbe “sciacquare” portatori di entrambi i tipi, o spostarli dalle regioni vicine che contengono più di loro per incontrarsi insieme) o generazione di coppie guidata esternamente. Il prodotto è una funzione della temperatura, poiché la probabilità di ottenere abbastanza energia termica per produrre una coppia aumenta con la temperatura, essendo approssimativamente exp (-EG / kT), dove k è la costante di Boltzmann, T è la temperatura assoluta e EG è il gap di banda .

La probabilità di incontro è aumentata da trappole di trasporto-impurità o dislocazioni che possono intrappolare un elettrone o un buco e tenerlo fino al completamento di una coppia. Tali trappole di trasporto sono talvolta appositamente aggiunte per ridurre il tempo necessario per raggiungere lo stato stazionario.

Doping
La conduttività dei semiconduttori può essere facilmente modificata introducendo impurità nel loro reticolo cristallino. Il processo di aggiunta di impurità controllate a un semiconduttore è noto come drogaggio. La quantità di impurità, o drogante, aggiunta a un semiconduttore intrinseco (puro) varia il suo livello di conduttività. I semiconduttori drogati sono indicati come estrinseci. Aggiungendo l’impurità ai semiconduttori puri, la conduttività elettrica può essere variata da fattori di migliaia o milioni.

Un campione di 1 cm3 di metallo o semiconduttore ha un ordine di 1022 atomi. In un metallo, ogni atomo dona almeno un elettrone libero per conduzione, quindi 1 cm3 di metallo contiene sull’ordine di 1022 elettroni liberi, mentre un campione di 1 cm3 di germanio puro a 20 ° C contiene circa 4,2 × 1022 atomi, ma solo 2,5 × 1013 elettroni liberi e 2,5 × 1013 fori. L’aggiunta di 0,001% di arsenico (un’impurità) dona un extra di 1017 elettroni liberi nello stesso volume e la conduttività elettrica è aumentata di un fattore di 10.000.

I materiali scelti come droganti adatti dipendono dalle proprietà atomiche sia del drogante che del materiale da drogare. In generale, i droganti che producono i cambiamenti controllati desiderati sono classificati come accettori di elettroni o donatori. I semiconduttori drogati con impurità del donatore sono detti di tipo n, mentre quelli drogati con impurezze accettrici sono noti come tipo p. Le designazioni di tipo n e p indicano quale vettore di addebito funge da vettore di maggioranza del materiale. La portante opposta è chiamata la portantina di minoranza, che esiste a causa dell’eccitazione termica a una concentrazione molto più bassa rispetto alla portante di maggioranza.

Ad esempio, il silicio puro a semiconduttore ha quattro elettroni di valenza che legano ciascun atomo di silicio ai suoi vicini. Nel silicio, i droganti più comuni sono gli elementi del gruppo III e del gruppo V. Gli elementi del gruppo III contengono tutti tre elettroni di valenza, che li fanno funzionare come accettori se usati per drogare il silicio. Quando un atomo accettore sostituisce un atomo di silicio nel cristallo, viene creato uno stato libero (un “buco” di elettrone) che può spostarsi attorno al reticolo e funzionare come portatore di carica. Gli elementi del gruppo V hanno cinque elettroni di valenza, che consentono loro di agire come donatori; la sostituzione di questi atomi per il silicio crea un elettrone libero extra. Pertanto, un cristallo di silicio drogato con boro crea un semiconduttore di tipo p mentre uno drogato con fosforo risulta in un materiale di tipo n.

Durante la fabbricazione, i droganti possono essere diffusi nel corpo del semiconduttore per contatto con composti gassosi dell’elemento desiderato, oppure l’impianto di ioni può essere usato per posizionare accuratamente le regioni drogate.

Storia precoce dei semiconduttori
La storia della comprensione dei semiconduttori inizia con esperimenti sulle proprietà elettriche dei materiali. Le proprietà del coefficiente di temperatura negativo di resistenza, rettifica e sensibilità alla luce sono state osservate a partire dall’inizio del 19 ° secolo.

Thomas Johann Seebeck fu il primo a notare un effetto dovuto ai semiconduttori, nel 1821. Nel 1833, Michael Faraday riferì che la resistenza degli esemplari di solfuro d’argento diminuisce quando vengono riscaldati. Ciò è contrario al comportamento di sostanze metalliche come il rame. Nel 1839, Alexandre Edmond Becquerel riportò l’osservazione di una tensione tra un elettrolita solido e un liquido quando colpito dalla luce, l’effetto fotovoltaico. Nel 1873 Willoughby Smith osservò che i resistori al selenio mostrano una resistenza decrescente quando la luce cade su di loro. Nel 1874 Karl Ferdinand Braun osservò la conduzione e la rettifica in solfuri metallici, sebbene questo effetto fosse stato scoperto molto prima da Peter Munck di Rosenschold (sv) scrivendo per l’Annalen der Physik und Chemie nel 1835, e Arthur Schuster trovò che uno strato di ossido di rame i fili hanno proprietà di rettifica che cessano quando i fili vengono puliti. William Grylls Adams e Richard Evans Day hanno osservato l’effetto del fotovoltaico nel selenio nel 1876.

Una spiegazione unificata di questi fenomeni richiedeva una teoria della fisica dello stato solido che si sviluppò notevolmente nella prima metà del XX secolo. Nel 1878 Edwin Herbert Hall dimostrò la deflessione dei portatori di carica fluenti da un campo magnetico applicato, l’effetto Hall. La scoperta dell’elettrone di J.J. Thomson nel 1897 spinse le teorie sulla conduzione a base di elettroni nei solidi. Karl Baedeker, osservando un effetto Hall con il segno opposto a quello dei metalli, teorizzava che lo ioduro di rame aveva portatori di carica positivi. Johan Koenigsberger classificò materiali solidi come metalli, isolanti e “conduttori variabili” nel 1914 sebbene il suo studente Josef Weiss avesse già introdotto il termine Halbleiter (semiconduttore in significato moderno) in tesi di dottorato nel 1910. Felix Bloch pubblicò una teoria del movimento degli elettroni attraverso l’atomica reticoli nel 1928. Nel 1930, B. Gudden affermò che la conduttività nei semiconduttori era dovuta a concentrazioni minori di impurità. Nel 1931, la teoria della conduzione della banda era stata stabilita da Alan Herries Wilson e il concetto di band gap era stato sviluppato. Walter H. Schottky e Nevill Francis Mott hanno sviluppato modelli della barriera potenziale e delle caratteristiche di una giunzione metallo-semiconduttore. Nel 1938, Boris Davydov aveva sviluppato una teoria del raddrizzatore di ossido di rame, identificando l’effetto della giunzione p-n e l’importanza dei portatori di minoranza e degli stati superficiali.

L’accordo tra le previsioni teoriche (basate sullo sviluppo della meccanica quantistica) e i risultati sperimentali era a volte scadente. Questo è stato in seguito spiegato da John Bardeen come dovuto all’estremo comportamento “strutturale sensibile” dei semiconduttori, le cui proprietà cambiano drasticamente basandosi su piccole quantità di impurità. I materiali commercialmente puri degli anni ’20 contenenti diverse proporzioni di contaminanti in tracce producevano risultati sperimentali diversi. Ciò ha stimolato lo sviluppo di perfezionate tecniche di raffinazione dei materiali, culminate nelle moderne raffinerie di semiconduttori che producono materiali con purezza delle parti per trilione.

I dispositivi che utilizzano semiconduttori sono stati inizialmente costruiti sulla base di conoscenze empiriche, prima che la teoria dei semiconduttori fornisse una guida per la costruzione di dispositivi più capaci e affidabili.

Alexander Graham Bell usò la proprietà fotosensibile del selenio per trasmettere il suono su un raggio di luce nel 1880. Una cella solare funzionante, di bassa efficienza, fu costruita da Charles Fritts nel 1883 usando una piastra metallica rivestita di selenio e uno strato sottile di oro; il dispositivo divenne commercialmente utile nei misuratori di luce fotografici negli anni ’30. Raddrizzatori per rivelatori a microonde a contatto puntuale in solfuro di piombo furono usati da Jagadish Chandra Bose nel 1904; il rilevatore a basette per gatti che utilizza galena naturale o altri materiali è diventato un dispositivo comune nello sviluppo della radio. Tuttavia, era in qualche modo imprevedibile nel funzionamento e richiedeva la regolazione manuale per le migliori prestazioni. Nel 1906 H.J. Round osservò l’emissione di luce quando la corrente elettrica passò attraverso i cristalli di carburo di silicio, il principio alla base del diodo ad emissione luminosa. Oleg Losev osservò simili emissioni di luce nel 1922, ma all’epoca l’effetto non aveva alcun uso pratico. I raddrizzatori di potenza, che utilizzavano ossido di rame e selenio, furono sviluppati negli anni ’20 e divennero commercialmente importanti come alternativa ai raddrizzatori a tubi sottovuoto.

Negli anni precedenti la seconda guerra mondiale, i dispositivi di rilevamento e comunicazione a infrarossi hanno portato alla ricerca di materiali solfuro di piombo e seleniuro di piombo. Questi dispositivi sono stati utilizzati per il rilevamento di navi e aerei, per telemetri a raggi infrarossi e per sistemi di comunicazione vocale. Il rivelatore di cristalli a punti di contatto divenne vitale per i sistemi radio a microonde, poiché i dispositivi a valvole a vuoto disponibili non potevano servire come rivelatori al di sopra di circa 4000 MHz; i sistemi radar avanzati si basavano sulla risposta rapida dei rivelatori di cristalli. Una considerevole ricerca e sviluppo di materiali di silicio si sono verificati durante la guerra per sviluppare rivelatori di qualità costante.

Rivelatore e raddrizzatori di potenza non sono in grado di amplificare un segnale. Sono stati fatti molti sforzi per sviluppare un amplificatore a stato solido e avere successo nello sviluppo di un dispositivo chiamato transistor a contatti puntuali che potrebbe amplificare 20db o più. Nel 1922 Oleg Losev sviluppò amplificatori a resistenza negativa a due terminali per la radio, e morì nell’Assedio di Leningrado dopo il completamento con successo. Nel 1926 Julius Edgar Lilienfeld brevettò un dispositivo simile a un moderno transistor ad effetto di campo, ma non era pratico. R. Hilsch e R. W. Pohl nel 1938 hanno dimostrato un amplificatore a stato solido usando una struttura che assomiglia alla griglia di controllo di un tubo a vuoto; sebbene il dispositivo mostrasse un guadagno di potenza, aveva una frequenza di taglio di un ciclo al secondo, troppo bassa per qualsiasi applicazione pratica, ma un’applicazione efficace della teoria disponibile. A Bell Labs, William Shockley e A. Holden hanno iniziato a studiare amplificatori a stato solido nel 1938. La prima giunzione p-n in silicio è stata osservata da Russell Ohl intorno al 1941, quando un campione è risultato essere sensibile alla luce, con un contorno tagliente tra impurità di tipo p ad una estremità e tipo n all’altra. Una fetta tagliata dal campione al limite p-n ha sviluppato una tensione quando esposta alla luce.

In Francia, durante la guerra, Herbert Mataré aveva osservato l’amplificazione tra contatti a punti adiacenti su una base di germanio. Dopo la guerra, il gruppo di Mataré annunciò il loro amplificatore “Transistron” solo poco dopo che i Bell Labs annunciarono il “transistor”.