Transistorgeschichte

Eine der bedeutenden Erfindungen des 20. Jahrhunderts wird betrachtet Transistor Erfindungwer kam, um die elektronischen Lampen zu ersetzen.

Lampen waren lange Zeit die einzige aktive Komponente aller elektronischen Geräte, obwohl sie viele Mängel aufwiesen. Erstens ist es ein großer Stromverbrauch, große Abmessungen, kurze Lebensdauer und geringe mechanische Festigkeit. Diese Mängel wurden durch die Verbesserung und Weiterentwicklung elektronischer Geräte immer deutlicher.

Eine revolutionäre Revolution in der Funktechnik fand statt, als veraltete Lampen durch Halbleiterverstärker ersetzt wurden - Transistoren ohne alle genannten Nachteile.

Der erste betriebsbereite Transistor wurde 1947 dank der Bemühungen der Mitarbeiter der amerikanischen Firma Bell Telephone Laboratories geboren. Ihre Namen sind heute auf der ganzen Welt bekannt. Dies sind Wissenschaftler - Physiker W. Shockley, D. Bardin und W. Brighten. Bereits 1956 erhielten alle drei für diese Erfindung den Nobelpreis für Physik.

Aber wie viele große Erfindungen wurde der Transistor nicht sofort bemerkt. Nur in einer der amerikanischen Zeitungen wurde erwähnt, dass die Bell Telephone Laboratories ihr Gerät namens Transistor vorführten. Es wurde auch gesagt, dass es in einigen Bereichen der Elektrotechnik anstelle von Elektronenröhren verwendet werden kann.

Der gezeigte Transistor hatte die Form eines kleinen Metallzylinders mit einer Länge von 13 mm und wurde in einem Empfänger ohne Elektronenröhren demonstriert. Für alles andere behauptete das Unternehmen, dass das Gerät nicht nur zur Verstärkung, sondern auch zur Erzeugung oder Umwandlung eines elektrischen Signals verwendet werden kann.

Abb. 1. Der erste Transistor

Abb. 2. John Bardin, William Shockley und Walter Brattain. Für ihre Zusammenarbeit bei der Entwicklung des weltweit ersten betriebsbereiten Transistors im Jahr 1948 erhielten sie 1956 den Nobelpreis.

Aber die Fähigkeiten des Transistors, wie auch vieler anderer großer Entdeckungen, wurden nicht sofort verstanden und geschätzt. Um das Interesse an dem neuen Gerät zu wecken, bewarb Bell es fest auf Seminaren und Artikeln und erteilte jedem eine Lizenz zur Herstellung.

Die Hersteller elektronischer Lampen sahen keinen ernsthaften Konkurrenten im Transistor, da es unmöglich war, auf einen Schlag die dreißigjährige Geschichte der Herstellung von Lampen mit mehreren hundert Designs und Investitionen in Höhe von mehreren Millionen Dollar in ihre Entwicklung und Produktion zu ignorieren. Daher trat der Transistor nicht so schnell in die Elektronik ein, da die Ära der Elektronenröhren noch andauerte.

Abb. 3. Transistor und elektronische Lampe

Erste Schritte zu Halbleitern

Seit der Antike wurden in der Elektrotechnik hauptsächlich zwei Arten von Materialien verwendet - Leiter und Dielektrika (Isolatoren). Metalle, Salzlösungen und einige Gase können Strom leiten. Diese Fähigkeit beruht auf dem Vorhandensein von freien Ladungsträgern - Elektronen - in den Leitern. In Leitern lösen sich Elektronen leicht vom Atom ab, aber diejenigen Metalle mit niedrigem Widerstand (Kupfer, Aluminium, Silber, Gold) eignen sich am besten zur Übertragung elektrischer Energie.

Isolatoren umfassen Substanzen mit hohem Widerstand, deren Elektronen sehr eng an das Atom gebunden sind. Dies sind Porzellan, Glas, Gummi, Keramik, Kunststoff. Daher gibt es in diesen Substanzen keine freien Ladungen und daher keinen elektrischen Strom.

Es ist angebracht, an den Wortlaut aus Physiklehrbüchern zu erinnern, dass elektrischer Strom die Richtungsbewegung elektrisch geladener Teilchen unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes ist. In Isolatoren gibt es unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes einfach nichts zu bewegen.

Bei der Untersuchung elektrischer Phänomene in verschiedenen Materialien konnten einige Forscher jedoch Halbleitereffekte "fühlen".Der erste kristalline Detektor (Diode) wurde beispielsweise 1874 vom deutschen Physiker Karl Ferdinand Brown auf der Grundlage des Kontakts von Blei und Pyrit hergestellt. (Pyrit ist ein Eisenpyrit; wenn es auf einen Stuhl trifft, wird ein Funke herausgeschnitten, weshalb es den Namen vom griechischen „Fest“ - Feuer - erhielt.) Später ersetzte dieser Detektor erfolgreich den Kohärenten in den ersten Empfängern, was ihre Empfindlichkeit signifikant erhöhte.

Im Jahr 1907 stellte Beddecker bei der Untersuchung der Leitfähigkeit von Jodkupfer fest, dass seine Leitfähigkeit in Gegenwart einer Jodverunreinigung um das 24-fache zunimmt, obwohl Jod selbst kein Leiter ist. Aber all dies waren zufällige Entdeckungen, die nicht wissenschaftlich begründet werden konnten. Eine systematische Untersuchung von Halbleitern begann erst 1920 - 1930 Jahre.

Einen großen Beitrag zur Erforschung von Halbleitern leistete ein sowjetischer Wissenschaftler im berühmten Radiolabor O.V. von Nischni Nowgorod. Losev. Er ging vor allem als Erfinder von Cristadin (einem Oszillator und Verstärker auf Basis einer Diode) und einer LED in die Geschichte ein. Mehr dazu hier: Geschichte der LEDs. Glühen von Losev.

Zu Beginn der Transistorproduktion war Germanium (Ge) der Haupthalbleiter. In Bezug auf den Energieverbrauch ist es sehr wirtschaftlich, die Spannung zum Entsperren seines pn-Übergangs beträgt nur 0,1 ... 0,3 V, aber viele Parameter sind instabil, so dass es Silizium (Si) ersetzt.

Die Temperatur, bei der Germaniumtransistoren betrieben werden können, beträgt nicht mehr als 60 Grad, während Siliziumtransistoren bei 150 Grad weiterarbeiten können. Silizium als Halbleiter übertrifft Germanium in anderen Eigenschaften, hauptsächlich in der Frequenz.

Darüber hinaus sind die Reserven an Silizium (gewöhnlicher Sand am Strand) in der Natur unbegrenzt, und die Technologie zur Reinigung und Verarbeitung ist einfacher und billiger als das seltene Element von Germanium. Der erste Siliziumtransistor erschien kurz nach dem ersten Germaniumtransistor - 1954. Dieses Ereignis brachte sogar einen neuen Namen "Siliziumzeitalter" mit sich, nicht zu verwechseln mit dem Stein!

Abb. 4. Die Entwicklung der Transistoren

Mikroprozessoren und Halbleiter. Silicon Age Sunset

Haben Sie sich jemals gefragt, warum in letzter Zeit fast alle Computer zu Multi-Core-Computern geworden sind? Die Begriffe Dual-Core oder Quad-Core sind allen gemeinsam. Tatsache ist, dass die Erhöhung der Mikroprozessorleistung durch Erhöhen der Taktfrequenz und Erhöhen der Anzahl von Transistoren in einem Gehäuse für Siliziumstrukturen nahezu nahe an der Grenze liegt.

Eine Erhöhung der Anzahl der Halbleiter in einem Gehäuse wird durch Reduzierung ihrer physikalischen Abmessungen erreicht. INTEL hat bereits 2011 eine 32-nm-Prozesstechnologie entwickelt, bei der die Transistorkanallänge nur 20 nm beträgt. Eine solche Abnahme führt jedoch nicht zu einer merklichen Zunahme der Taktfrequenz, da es sich um eine bis zu 90-nm-Technologie handelte. Es ist offensichtlich, dass es Zeit ist, zu etwas grundlegend Neuem überzugehen.

Abb. 5. Geschichte der Transistoren

Graphen - der Halbleiter der Zukunft

Im Jahr 2004 entdeckten Physiker ein neues Halbleitermaterial. Graphen. Dieser Hauptkandidat für den Siliziumersatz ist auch ein Kohlenstoffgruppenmaterial. Auf seiner Basis wird ein Transistor erzeugt, der in drei verschiedenen Modi arbeitet.

Abb. 6. Graphen

Abb. 7. Bild eines Feldgraphen-Transistors, der unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops erhalten wurde

Im Vergleich zu bestehenden Technologien kann so die Anzahl der Transistoren in einem Fall um genau das Dreifache reduziert werden. Darüber hinaus können laut Wissenschaftlern die Betriebsfrequenzen des neuen Halbleitermaterials bis zu 1000 GHz erreichen. Die Parameter sind natürlich sehr verlockend, aber bisher befindet sich der neue Halbleiter in der Entwicklungs- und Studienphase, und Silizium ist immer noch ein Arbeitstier. Sein Alter ist noch nicht beendet.

Boris Aladyshkin