Historie tranzistorů

Jeden z významných vynálezů XX století je zvažován tranzistorový vynálezkteří přišli vyměnit elektronické lampy.

Po dlouhou dobu byly lampy jedinou aktivní součástí všech elektronických zařízení, i když měly mnoho nedostatků. Především jde o velkou spotřebu energie, velké rozměry, krátkou životnost a nízkou mechanickou pevnost. Tyto nedostatky se po zdokonalování a sofistikovanosti elektronických zařízení cítily stále ostřeji.

Revoluční revoluce v radiotechnice nastala, když byly zastaralé lampy nahrazeny polovodičovými zesilovacími zařízeními - tranzistory, zbavenými všech uvedených nevýhod.

První operační tranzistor se narodil v roce 1947 díky úsilí zaměstnanců americké společnosti Bell Telephone Laboratories. Jejich jména jsou nyní známá po celém světě. Jsou to vědci - fyzici W. Shockley, D. Bardin a W. Brighten. Již v roce 1956 byla všem třem udělena Nobelova cena za fyziku za tento vynález.

Stejně jako mnoho velkých vynálezů však tranzistor nebyl okamžitě zaznamenán. Pouze v jedné z amerických novin bylo uvedeno, že společnost Bell Telephone Laboratories prokázala své zařízení zvané tranzistor. Bylo také řečeno, že může být použit v některých oblastech elektrotechniky namísto elektronových trubic.

Uvedený tranzistor byl ve formě malého kovového válce o délce 13 mm a byl demonstrován v přijímači, který neměl elektronové trubice. Na všechno ostatní společnost tvrdila, že zařízení lze použít nejen pro zesílení, ale také pro generování nebo přeměnu elektrického signálu.

Obr. 1. První tranzistor

Obr. 2. John Bardin, William Shockley a Walter Brattain. Za spolupráci při vývoji prvního operačního tranzistoru na světě v roce 1948 sdíleli Nobelovu cenu za rok 1956.

Schopnosti tranzistoru, stejně jako mnoho dalších velkých objevů, však nebyly okamžitě pochopeny a oceněny. Aby vzbudil zájem o nové zařízení, Bell jej pevně inzeroval na seminářích a v článcích a udělil každému licenci k jeho výrobě.

Výrobci elektronických lamp neviděli v tranzistoru vážného konkurenta, protože v jednom padajícím swoopu nebylo možné okamžitě slevit třicetiletou historii výroby lamp s několika stovkami návrhů a investic do jejich vývoje a výroby v hodnotě několika milionů dolarů. Tranzistor proto vstoupil do elektroniky ne tak rychle, protože doba elektronových elektronek stále probíhala.

Obr. 3. Tranzistor a elektronická lampa

První kroky k polovodičům

Od pradávna se v elektrotechnice používaly hlavně dva druhy materiálů - vodiče a dielektrika (izolátory). Kovy, solné roztoky a některé plyny mají schopnost vést proud. Tato schopnost je způsobena přítomností bezplatných nosičů nábojů - elektronů. Ve vodičích jsou elektrony poměrně snadno oddělitelné od atomu, ale ty kovy, které mají nízký odpor (měď, hliník, stříbro, zlato), jsou nejvhodnější pro přenos elektrické energie.

Izolátory zahrnují látky s vysokou rezistencí, jejich elektrony jsou velmi pevně vázány k atomu. Jedná se o porcelán, sklo, gumu, keramiku, plast. V těchto látkách proto neexistují žádné bezplatné poplatky, a proto neexistuje žádný elektrický proud.

Je vhodné si připomenout formulaci z učebnic fyziky, že elektrický proud je směrový pohyb elektricky nabitých částic pod vlivem elektrického pole. V izolátorech se prostě nic nehýbe pod vlivem elektrického pole.

Nicméně, v procesu studia elektrických jevů v různých materiálech, někteří vědci byli schopní “cítit se” pro polovodičové efekty.Například první krystalický detektor (dioda) byl vytvořen v roce 1874 německým fyzikem Karlem Ferdinandem Brownem na základě kontaktu olova a pyritu. (Pyrit je pyrit železa; když udeří na židli, vyřízne se jiskra, a proto dostal jméno od řeckého „hostiny“ - oheň). Později tento detektor úspěšně nahradil koherer v prvních přijímačích, což výrazně zvýšilo jejich citlivost.

V roce 1907 Beddecker při studiu vodivosti jodové mědi zjistil, že její vodivost vzrůstá 24krát v přítomnosti jodové nečistoty, i když jod sám není vodičem. Ale to všechno byly náhodné objevy, které nebylo možné vědecky zdůvodnit. Systematické studium polovodičů začalo až v roce 1920 - 1930 let.

Velkým přínosem pro studium polovodičů byl sovětský vědec ve slavné radiostanici O. Nižnij Novgorod. Losev. V historii upadl primárně jako vynálezce cristadinu (oscilátor a zesilovač založený na diodě) a LED. Více se o tom dozvíte zde: Historie LED. Záře Loseva.

Na začátku výroby tranzistoru bylo hlavním polovodičem germanium (Ge). Pokud jde o spotřebu energie, je to velmi ekonomické, napětí pro odblokování jeho pn křižovatky je pouze 0,1 ... 0,3 V, ale mnoho parametrů je nestabilních, takže nahradilo křemík (Si).

Teplota, při které jsou germaniové tranzistory funkční, není větší než 60 stupňů, zatímco křemíkové tranzistory mohou fungovat i nadále při 150 ° C. Křemík jako polovodič překonává germanium jinými vlastnostmi, zejména frekvencí.

Navíc zásoby křemíku (obyčejný písek na pláži) v přírodě jsou neomezené a technologie čištění a zpracování je jednodušší a levnější než vzácný přírodní prvek germania. První křemíkový tranzistor se objevil krátce po prvním tranzistoru germania - v roce 1954. Tato událost dokonce znamenala nové jméno „křemíkový věk“, nemělo by se zaměňovat s kamenem!

Obr. 4. Vývoj tranzistorů

Mikroprocesory a polovodiče. Silicon Age Sunset

Přemýšleli jste někdy, proč se v poslední době téměř všechny počítače staly vícejádrovými? Termíny dual-core nebo quad-core jsou společné pro všechny. Skutečnost je taková, že zvýšení výkonu mikroprocesoru zvýšením frekvence hodin a zvýšením počtu tranzistorů v jednom balíčku pro křemíkové struktury je téměř blízko limitu.

Zvýšení počtu polovodičů v jednom pouzdru je dosaženo snížením jejich fyzických rozměrů. V roce 2011 INTEL již vyvinul procesní technologii 32 nm, ve které je délka tranzistorového kanálu pouze 20 nm. Takový pokles však nepřináší znatelné zvýšení frekvence hodin, protože to bylo až do technologie 90 nm. Je zřejmé, že je čas přejít na něco zásadně nového.

Obr. 5. Historie tranzistorů

Graphene - polovodič budoucnosti

V roce 2004 fyzikové objevili nový polovodičový materiál. grafen. Tento hlavní kandidát pro nahrazení křemíku je také materiál uhlíkových skupin. Na jeho základě je vytvořen tranzistor, který pracuje ve třech různých režimech.

Obr. 6. Grafen

Obr. 7. Obrázek tranzistoru polního grafenu získaného pomocí rastrovacího elektronového mikroskopu

Ve srovnání se stávajícími technologiemi to umožní v jednom případě snížit počet tranzistorů přesně třikrát. Kromě toho podle vědců mohou provozní frekvence nového polovodičového materiálu dosáhnout až 1 000 GHz. Parametry jsou samozřejmě velmi lákavé, ale zatím je nový polovodič ve fázi vývoje a studia a křemík je stále pracovní kůň. Jeho věk ještě neskončil.

Boris Aladyshkin