Tranzistora vēsture

Tiek uzskatīts viens no nozīmīgākajiem XX gadsimta izgudrojumiem tranzistora izgudrojumskurš ieradās nomainīt elektroniskās lampas.

Ilgu laiku lampas bija visu elektronisko ierīču vienīgais aktīvais komponents, lai arī tām bija daudz trūkumu. Pirmkārt, tas ir liels enerģijas patēriņš, lieli izmēri, īss kalpošanas laiks un zema mehāniskā izturība. Šie trūkumi arvien jūtamāki kļuva ar elektroniskā aprīkojuma uzlabošanu un izsmalcinātību.

Radiotehnikas revolūcija notika tad, kad novecojušās lampas tika aizstātas ar pusvadītāju pastiprināšanas ierīcēm - tranzistoriem, kuriem nebija visu minēto trūkumu.

Pirmais operatīvais tranzistors dzimis 1947. gadā, pateicoties amerikāņu uzņēmuma Bell Telephone Laboratories darbinieku centieniem. Viņu vārdi tagad ir zināmi visā pasaulē. Tie ir zinātnieki - fiziķi W. Shockley, D. Bardin un W. Brighten. Jau 1956. gadā par šo izgudrojumu visiem trim tika piešķirta Nobela prēmija fizikā.

Bet, tāpat kā daudzi lieliski izgudrojumi, tranzistors netika uzreiz pamanīts. Tikai vienā no Amerikas laikrakstiem tika minēts, ka Bell Telephone Laboratories demonstrēja savu ierīci, ko sauc par tranzistoru. Tika arī teikts, ka to var izmantot dažās elektrotehnikas jomās, nevis elektronu lampas.

Parādītais tranzistors bija maza metāla cilindra formā, kura garums bija 13 mm, un tas tika parādīts uztvērējā, kurā nebija elektronu lampu. Turklāt uzņēmums apgalvoja, ka ierīci var izmantot ne tikai pastiprināšanai, bet arī elektriskā signāla ģenerēšanai vai pārveidošanai.

Att. 1. Pirmais tranzistors

Att. 2. Džons Bardins, Viljams Šoklijs un Valters Brattains. Par sadarbību, attīstot pasaulē pirmo operatīvo tranzistoru 1948. gadā, viņi dalījās 1956. gada Nobela prēmijā.

Bet tranzistora iespējas, tāpat kā daudzu citu lielu atklājumu iespējas, netika uzreiz saprastas un novērtētas. Lai izraisītu interesi par jauno ierīci, Bell stingri reklamēja to semināros un rakstos un visiem piešķīra licenci tās ražošanai.

Elektronisko lukturu ražotāji tranzistorā neredzēja nopietnu konkurentu, jo vienā mirklī uzreiz nebija iespējams atlaist vairāku simtu dizainu lampu ražošanas trīsdesmit gadu vēsturi un vairāku miljonu dolāru investīcijas to attīstībā un ražošanā. Tāpēc tranzistors elektronikā ienāca ne tik ātri, jo elektronu lampu laikmets joprojām turpinājās.

Att. 3. Tranzistors un elektroniskā lampa

Pirmie soļi pusvadītājiem

Kopš seniem laikiem elektrotehnikā galvenokārt tika izmantoti divu veidu materiāli - vadītāji un dielektriķi (izolatori). Metāliem, sāls šķīdumiem un dažām gāzēm ir spēja vadīt strāvu. Šī spēja ir saistīta ar brīvo lādiņu nesēju - elektronu - klātbūtni vadītājos. Diriģentos elektroni ir diezgan viegli atdalāmi no atoma, bet tie elektroenerģijas pārnešanai vispiemērotākie ir tie metāli, kuriem ir maza pretestība (varš, alumīnijs, sudrabs, zelts).

Izolatori satur vielas ar augstu pretestību, to elektroni ir ļoti cieši saistīti ar atomu. Tie ir porcelāns, stikls, gumija, keramika, plastmasa. Tāpēc šīm vielām nav bezmaksas lādiņu, un tāpēc nav elektriskās strāvas.

Ir lietderīgi atgādināt no fizikas mācību grāmatām formulējumu, ka elektriskā strāva ir elektriski uzlādētu daļiņu virziena kustība elektriskā lauka ietekmē. Izolatoros elektriskā lauka ietekmē vienkārši nav ko pārvietoties.

Tomēr dažādu materiālu elektrisko parādību izpētes procesā daži pētnieki spēja "sajust" pusvadītāju efektus.Piemēram, pirmo kristālisko detektoru (diode) 1874. gadā izveidoja vācu fiziķis Kārlis Ferdinands Brauns, pamatojoties uz svina un pirīta kontaktu. (Pirīts ir dzelzs pirīts; kad tas atsitās pret krēslu, tiek cirsts dzirksteles, tāpēc tas ieguva nosaukumu no grieķu valodas “svētki” - uguns). Vēlāk šis detektors sekmīgi nomainīja koheri pirmajos uztvērējos, kas ievērojami palielināja to jutīgumu.

1907. gadā Beddekers, pētot joda vara vadītspēju, atklāja, ka joda piemaisījuma klātbūtnē tā vadītspēja palielinās 24 reizes, kaut arī pats jods nav diriģents. Bet visi šie bija nejauši atklājumi, kuriem nevarēja sniegt zinātnisku pamatojumu. Sistemātiska pusvadītāju izpēte sākās tikai 1920. gadā - 1930 gadi.

Lielu ieguldījumu pusvadītāju izpētē sniedza padomju zinātnieks slavenajā Nižnij Novgorod radio laboratorijā O.V. Losevs. Viņš gāja vēsturē galvenokārt kā cristadīna (oscilatora un pastiprinātāja, kura pamatā ir diode) un LED izgudrotājs. Vairāk par to varat uzzināt šeit: Gaismas diožu vēsture. Losevas kvēle.

Tranzistora ražošanas rītausmā galvenais pusvadītājs bija germānija (Ge). Runājot par enerģijas patēriņu, tas ir ļoti ekonomisks, tā pn krustojuma atslēgšanai spriegums ir tikai 0,1 ... 0,3 V, taču daudzi parametri ir nestabili, tāpēc silīcijs (Si) nāca to aizstāt.

Temperatūra, kurā darbojas germānija tranzistori, nav augstāka par 60 grādiem, bet silīcija tranzistori var turpināt darboties 150 ° C temperatūrā. Silīcijs kā pusvadītājs pārspēj germāniju citās īpašībās, galvenokārt frekvencē.

Turklāt silīcija (parasto smilšu pludmalē) rezerves dabā ir neierobežotas, un tās tīrīšanas un pārstrādes tehnoloģija ir vienkāršāka un lētāka nekā germānija reti sastopamais dabas elements. Pirmais silīcija tranzistors parādījās neilgi pēc pirmā germānija tranzistora - 1954. gadā. Šis notikums pat radīja jaunu nosaukumu “silīcija laikmets”, ko nedrīkst sajaukt ar akmeni!

Att. 4. Tranzistoru evolūcija

Mikroprocesori un pusvadītāji. Silīcija laikmeta saulriets

Vai esat kādreiz domājis, kāpēc pēdējā laikā gandrīz visi datori ir kļuvuši par daudzkodolu? Apzīmējumi divkodolu vai četrkodolu ir kopīgi visiem. Fakts ir tāds, ka mikroprocesora veiktspējas palielināšanās, palielinot takts frekvenci un palielinot tranzistoru skaitu vienā paketē, silīcija struktūrām ir gandrīz tuvu robežai.

Pusvadītāju skaita pieaugums vienā korpusā tiek panākts, samazinot to fiziskos izmērus. INTEL 2011. gadā jau izstrādāja 32 nm procesa tehnoloģiju, kurā tranzistora kanāla garums ir tikai 20 nm. Tomēr šāds samazinājums nedod ievērojamu pulksteņa frekvences pieaugumu, jo tā bija tehnoloģija līdz 90 nm. Ir acīmredzams, ka ir pienācis laiks pāriet uz kaut ko pilnīgi jaunu.

Att. 5. Tranzistoru vēsture

Grafēns - nākotnes pusvadītājs

2004. gadā fiziķi atklāja jaunu pusvadītāju materiālu. grafēns. Šis galvenais silīcija aizvietotāja kandidāts ir arī oglekļa grupas materiāls. Uz tā pamata tiek izveidots tranzistors, kas darbojas trīs dažādos režīmos.

Att. 6. Grafēns

Att. 7. Lauka grafēna tranzistora attēls, kas iegūts, izmantojot skenējošu elektronu mikroskopu

Salīdzinot ar esošajām tehnoloģijām, tas ļaus vienā gadījumā samazināt tranzistoru skaitu trīs reizes. Turklāt, pēc zinātnieku domām, jaunā pusvadītāja materiāla darbības frekvences var sasniegt līdz 1000 GHz. Parametri, protams, ir ļoti vilinoši, taču līdz šim jaunais pusvadītājs ir izstrādes un izpētes posmā, un silīcija joprojām ir darba zirgs. Viņa vecums vēl nav beidzies.

Boriss Aladyshkin