Tranzistoriaus istorija

Nagrinėjamas vienas reikšmingų XX amžiaus išradimų tranzistoriaus išradimaskurie atėjo pakeisti elektronines lempas.

Ilgą laiką lempos buvo vienintelis aktyvus visų elektroninių prietaisų komponentas, nors jie turėjo daug trūkumų. Visų pirma, tai yra didelis energijos suvartojimas, dideli matmenys, trumpas tarnavimo laikas ir mažas mechaninis stiprumas. Šie trūkumai buvo pastebimi vis ryškiau tobulinant ir tobulinant elektroninę įrangą.

Radijo inžinerijos revoliucija įvyko tada, kai pasenusios lempos buvo pakeistos puslaidininkių stiprinimo įtaisais - tranzistoriais, neturinčiais visų paminėtų trūkumų.

Pirmasis operacinis tranzistorius gimė 1947 m., Amerikos kompanijos „Bell Telephone Laboratories“ darbuotojų pastangų dėka. Jų vardai dabar žinomi visame pasaulyje. Tai mokslininkai - fizikai W. Shockley, D. Bardin ir W. Brighten. Jau 1956 m. Visi trys buvo apdovanoti Nobelio fizikos premija už šį išradimą.

Tačiau, kaip ir daugelis puikių išradimų, tranzistorius nebuvo iškart pastebėtas. Tik viename iš Amerikos laikraščių buvo paminėta, kad „Bell Telephone Laboratories“ pademonstravo savo prietaisą, vadinamą tranzistoriumi. Taip pat buvo pasakyta, kad jis gali būti naudojamas kai kuriose elektrotechnikos srityse vietoj elektronų vamzdžių.

Parodytas tranzistorius buvo mažo 13 mm ilgio metalinio cilindro pavidalo ir buvo parodytas imtuve, kuriame nebuvo elektroninių vamzdelių. Visa kita, bendrovė teigė, kad įrenginį galima naudoti ne tik stiprinimui, bet ir elektros signalo generavimui ar konvertavimui.

Fig. 1. Pirmasis tranzistorius

Fig. 2. Johnas Bardinas, Williamas Shockley ir Walteris Brattainas. Už bendradarbiavimą kuriant pirmąjį pasaulyje tranzistorių 1948 m. Jie pasidalijo 1956 m. Nobelio premija.

Tačiau tranzistoriaus, kaip ir daugelio kitų nuostabių atradimų, galimybės nebuvo iš karto suprantamos ir įvertintos. Norėdamas paskatinti susidomėjimą naujuoju prietaisu, „Bell“ aktyviai jį reklamuodavo seminaruose ir straipsniuose bei suteikdavo licencijas visiems jį gaminti.

Elektroninių lempų gamintojai tranzistoriuje nemato rimto konkurento, nes iš karto, per vieną kritimą, buvo neįmanoma atimti kelių šimtų dizaino lempų gamybos trisdešimties metų istorijos ir daugybės milijardų dolerių investicijų į jų plėtrą ir gamybą. Todėl tranzistorius į elektroniką pateko ne taip greitai, nes elektronų vamzdžių era vis dar tęsėsi.

Fig. 3. Tranzistorius ir elektroninė lempa

Pirmieji žingsniai į puslaidininkius

Nuo senų senovės elektrotechnikoje daugiausia buvo naudojamos dviejų tipų medžiagos - laidininkai ir dielektrikai (izoliatoriai). Metalai, druskos tirpalai ir kai kurios dujos turi savybę laidoti srovę. Šis gebėjimas atsiranda dėl to, kad laidininkuose yra laisvų krūvio nešėjų - elektronų. Laidininkuose elektronai gana lengvai atsiskiria nuo atomo, tačiau elektros energijai perduoti labiausiai tinka tie metalai, kurie turi mažą varžą (varis, aliuminis, sidabras, auksas).

Izoliatoriai apima medžiagas, turinčias didelį pasipriešinimą, jų elektronai yra labai sandariai sujungti su atomu. Tai yra porcelianas, stiklas, guma, keramika, plastikas. Todėl šiose medžiagose nėra nemokamų krūvių, todėl nėra elektros srovės.

Tikslinga prisiminti iš fizikos vadovėlių formuluotę, kad elektros srovė yra kryptinis elektriškai įkrautų dalelių judėjimas veikiant elektriniam laukui. Izoliatoriuose tiesiog nėra ko judėti veikiant elektriniam laukui.

Tačiau tirdami elektrinius reiškinius įvairiose medžiagose, kai kurie tyrinėtojai sugebėjo „pajusti“ puslaidininkių efektus.Pavyzdžiui, pirmąjį kristalų detektorių (diodą) 1874 m. Sukūrė vokiečių fizikas Karlas Ferdinandas Brownas, remdamasis švino ir pirito kontaktu. (Piritas yra geležies piritas; kai jis atsitrenkia į kėdę, užsidega kibirkštis, todėl ji gavo pavadinimą iš graikų kalbos „šventė“ - ugnis). Vėliau šis detektorius sėkmingai pakeitė pirmuosiuose imtuvuose esančią koderę, o tai žymiai padidino jų jautrumą.

1907 m. Beddeckeris, tirdamas jodo vario laidumą, nustatė, kad esant jodo priemaišai jo laidumas padidėja 24 kartus, nors pats jodas nėra laidininkas. Bet visa tai buvo atsitiktiniai atradimai, kuriems negalėjo būti pateiktas mokslinis pagrindimas. Sistemingas puslaidininkių tyrimas pradėtas tik 1920 m - 1930 metai.

Didelį indėlį į puslaidininkių tyrimą padarė sovietų mokslininkas garsiojoje Nižnij Novgorodo radijo laboratorijoje O.V. Losevas. Jis pasitraukė į istoriją pirmiausia kaip cristadino (osciliatoriaus ir stiprintuvo, paremto diodu) bei LED šviesos išradėjas. Sužinokite daugiau apie tai čia: Šviesos diodų istorija. Losevo švytėjimas.

Tranzistoriaus gamybos pradžioje pagrindinis puslaidininkis buvo germanis (Ge). Kalbant apie energijos suvartojimą, jis yra labai ekonomiškas, jo pn jungties atrakinimo įtampa yra tik 0,1 ... 0,3 V, tačiau daugelis parametrų yra nestabilūs, todėl jį pakeisti pakeitė silicis (Si).

Temperatūra, kurioje veikia germanio tranzistoriai, yra ne aukštesnė kaip 60 laipsnių, o silicio tranzistoriai gali toliau veikti esant 150 ° C. Silicis, kaip puslaidininkis, pralenkia germaniumą kitomis savybėmis, visų pirma dažniu.

Be to, silicio (paprasto smėlio paplūdimyje) atsargos gamtoje yra neribotos, o jo valymo ir apdorojimo technologija yra paprastesnė ir pigesnė nei reto gamtoje esančio germanio elementas. Pirmasis silicio tranzistorius pasirodė netrukus po pirmojo germanio tranzistoriaus - 1954 m. Šis įvykis netgi sukėlė naują pavadinimą „silicio amžius“, nereikia painioti su akmeniu!

Fig. 4. Tranzistorių raida

Mikroprocesoriai ir puslaidininkiai. Silicio amžiaus saulėlydis

Ar kada susimąstėte, kodėl pastaruoju metu beveik visi kompiuteriai tapo daugiagysliais? Dviejų ir keturių branduolių terminai yra bendri visiems. Faktas yra tas, kad padidėjus mikroprocesoriaus našumui, padidinus laikrodžio dažnį ir padidinant tranzistorių skaičių vienoje pakuotėje, silicio struktūroms, beveik artima riba.

Puslaidininkių skaičiaus padidėjimas viename korpuse pasiekiamas sumažinus jų fizinius matmenis. 2011 m. INTEL jau sukūrė 32 nm proceso technologiją, kurioje tranzistoriaus kanalo ilgis yra tik 20 nm. Tačiau toks sumažėjimas neatneša pastebimo laikrodžio dažnio padidėjimo, nes tai buvo iki 90 nm technologija. Akivaizdu, kad laikas pereiti prie kažko iš esmės naujo.

Fig. 5. Tranzistorių istorija

Grafenas - ateities puslaidininkis

2004 m. Fizikai atrado naują puslaidininkių medžiagą. grafenas. Šis pagrindinis kandidatas pakeisti silicį taip pat yra anglies grupės medžiaga. Jos pagrindu sukuriamas tranzistorius, veikiantis trimis skirtingais režimais.

Fig. 6. Grafenas

Fig. 7. Lauko grafeno tranzistoriaus, gauto naudojant skenavimo elektronų mikroskopą, vaizdas

Palyginti su esamomis technologijomis, tai leis tranzistorių skaičių vienu atveju sumažinti tiksliai tris kartus. Be to, mokslininkų teigimu, naujos puslaidininkinės medžiagos veikimo dažnis gali siekti iki 1000 GHz. Parametrai, be abejo, labai viliojantys, tačiau kol kas naujasis puslaidininkis yra kūrimo ir studijų stadijoje, o silicis vis dar yra darbo arklys. Jo amžius dar nesibaigė.

Borisas Aladyshkinas