История на транзистора

Разгледано е едно от значимите изобретения на XX век изобретение на транзисторакоито дойдоха да заменят електронните лампи.

Дълго време лампите бяха единственият активен компонент на всички електронни устройства, въпреки че имаха много недостатъци. На първо място, това е голяма консумация на енергия, големи размери, кратък живот и ниска механична якост. Тези недостатъци се усещаха все по-рязко с подобряването и усъвършенстването на електронното оборудване.

Революция в радиотехниката настъпи, когато остарелите лампи бяха заменени от полупроводникови усилващи устройства - транзистори, лишени от всички споменати недостатъци.

Първият оперативен транзистор е роден през 1947 г., благодарение на усилията на служителите на американската компания Bell Telephone Laboratories. Имената им сега са известни по целия свят. Това са учени - физиците У. Шокли, Д. Бардин и У. Брайтън. Още през 1956 г. и тримата са носители на Нобелова награда по физика за това изобретение.

Но, както много велики изобретения, транзисторът не беше забелязан веднага. Само в един от американските вестници беше споменато, че Bell Telephone Laboratories демонстрира своето устройство, наречено транзистор. Беше казано също, че той може да се използва в някои области на електротехниката вместо електронни тръби.

Показаният транзистор е бил под формата на малък метален цилиндър с дължина 13 мм и е демонстриран в приемник, който няма електронни тръби. Към всичко останало компанията твърди, че устройството може да се използва не само за усилване, но и за генериране или преобразуване на електрически сигнал.

Фиг. 1. Първият транзистор

Фиг. 2. Джон Бардин, Уилям Шокли и Уолтър Братайн. За сътрудничеството си в разработването на първия оперативен транзистор в света през 1948 г. те споделят Нобеловата награда от 1956 г.

Но възможностите на транзистора, както всъщност и на много други големи открития, не бяха веднага разбрани и оценени. За да събуди интерес към новото устройство, Бел твърдо го рекламира на семинари и статии и предостави на всички лиценз за производството му.

Производителите на електронни лампи не видяха сериозен конкурент в транзистора, защото беше невъзможно с един кратък момент да се намали тридесетгодишната история на производството на лампи от няколкостотин дизайна и многомилионни инвестиции в тяхното развитие и производство. Следователно транзисторът влезе в електрониката не толкова бързо, тъй като ерата на електронните тръби все още продължаваше.

Фиг. 3. Транзисторна и електронна лампа

Първи стъпки към полупроводници

От древни времена в електротехниката се използват главно два вида материали - проводници и диелектрици (изолатори). Металите, солевите разтвори и някои газове имат способността да провеждат ток. Тази способност се дължи на наличието в проводниците на носители на свободен заряд - електрони. В проводниците електроните се отделят доста лесно от атома, но онези метали, които имат ниско съпротивление (мед, алуминий, сребро, злато) са най-подходящи за пренос на електрическа енергия.

Изолаторите включват вещества с висока устойчивост, техните електрони са много плътно свързани с атома. Това е порцелан, стъкло, гума, керамика, пластмаса. Следователно в тези вещества няма свободни заряди и следователно няма електрически ток.

Подходящо е да се припомни формулировката от учебниците по физика, че електрическият ток е посоката на движение на електрически заредени частици под въздействието на електрическо поле. В изолаторите просто няма какво да се движи под въздействието на електрическо поле.

Въпреки това, в процеса на изучаване на електрически явления в различни материали, някои изследователи успяха да се „почувстват“ за полупроводникови ефекти.Например, първият кристален детектор (диод) е създаден през 1874 г. от немския физик Карл Фердинанд Браун въз основа на контакта на олово и пирит. (Пиритът е железен пирит; когато удари на стол, се издълбава искра, поради което получи името от гръцкия „празник” - огън). По-късно този детектор успешно замени кохерера в първите приемници, което значително повишава тяхната чувствителност.

През 1907 г. Beddecker, докато изучава проводимостта на йодната мед, установява, че нейната проводимост се увеличава 24 пъти при наличие на йодно примес, въпреки че самият йод не е проводник. Но всичко това бяха случайни открития, на които не можеше да се даде научна обосновка. Систематично проучване на полупроводници започва едва през 1920 година - 1930г.

Голям принос за изучаването на полупроводници направи съветски учен в известната радиочестова лаборатория Нижни Новгород O.V. Лосев, Той влезе в историята предимно като изобретател на кристадин (осцилатор и усилвател, базиран на диод) и светодиод. Вижте повече за това тук: История на светодиодите. Блясък на Лосев.

В зората на производството на транзистори основният полупроводник беше германий (Ge). По отношение на консумацията на енергия, тя е много икономична, напрежението за отключване на нейното pn съединение е само 0,1 ... 0,3V, но много параметри са нестабилни, така че силицийът (Si) дойде да го замести.

Температурата, при която германиевите транзистори работят, е не повече от 60 градуса, докато силициевите транзистори могат да продължат да работят при 150. Силиконът като полупроводник превъзхожда германия по други свойства, главно по честота.

В допълнение, запасите на силиций (обикновен пясък на плажа) в природата са неограничени, а технологията за почистването и преработката му е по-проста и по-евтина от рядката в природата елемент от германий. Първият силициев транзистор се появява малко след първия германиев транзистор - през 1954г. Това събитие дори доведе до ново име „силиконова епоха“, да не се бърка с камъка!

Фиг. 4. Еволюцията на транзисторите

Микропроцесори и полупроводници. Силиконова ера залез

Замисляли ли сте се защо напоследък почти всички компютри са станали многоядрени? Термините двуядрени или четириядрени са общи за всички. Факт е, че увеличаването на производителността на микропроцесорите чрез увеличаване на тактовата честота и увеличаване на броя на транзисторите в един пакет за силиконовите структури е почти близо до границата.

Увеличение на броя на полупроводниците в един корпус се постига чрез намаляване на техните физически размери. През 2011 г. INTEL вече разработи 32 nm технологична технология, при която дължината на транзисторния канал е само 20 nm. Подобно намаление обаче не носи забележимо увеличение на тактовата честота, тъй като беше до 90 nm технология. Очевидно е, че е време да преминем към нещо коренно ново.

Фиг. 5. История на транзисторите

Графен - полупроводникът на бъдещето

През 2004 г. физиците откриват нов полупроводников материал. графен, Този основен кандидат за заместване на силиций е също материал от въглеродна група. На негова основа се създава транзистор, който работи в три различни режима.

Фиг. 6. Графен

Фиг. 7. Изображение на полев графенов транзистор, получен чрез сканиращ електронен микроскоп

В сравнение със съществуващите технологии, това ще позволи да се намали броят на транзисторите в един случай точно три пъти. Освен това, според учените, работните честоти на новия полупроводников материал могат да достигнат до 1000 GHz. Параметрите, разбира се, са много примамливи, но засега новият полупроводник е в етап на разработване и проучване, а силицийът все още е работен кон. Неговата възраст все още не е приключила.

Борис Аладишкин