Istoric tranzistor

Una dintre invențiile semnificative ale secolului XX este considerată invenție tranzistorcare a venit să înlocuiască lămpile electronice.

Multă vreme, lămpile au fost singura componentă activă a tuturor dispozitivelor electronice, deși au avut multe deficiențe. În primul rând, este un consum mare de energie, dimensiuni mari, durată de viață scurtă și rezistență mecanică scăzută. Aceste deficiențe au fost resimțite din ce în ce mai accentuat odată cu îmbunătățirea și sofisticarea echipamentelor electronice.

O revoluție revoluționară în domeniul ingineriei radio a avut loc atunci când lămpile învechite au fost înlocuite cu dispozitive de amplificare cu semiconductor - tranzistoare, lipsite de dezavantajele menționate.

Primul tranzistor operațional s-a născut în 1947, datorită eforturilor angajaților companiei americane Bell Telephone Laboratories. Numele lor sunt acum cunoscute în întreaga lume. Este vorba de oameni de știință - fizicieni W. Shockley, D. Bardin și W. Brighten. Deja în 1956, toți trei au primit premiul Nobel pentru fizică pentru această invenție.

Dar, ca multe invenții mari, tranzistorul nu a fost observat imediat. Numai într-unul din ziarele americane s-a menționat că Bell Telephone Laboratories și-a demonstrat dispozitivul numit tranzistor. S-a spus, de asemenea, că poate fi folosit în unele domenii ale ingineriei electrice în loc de tuburi cu electroni.

Tranzistorul prezentat avea forma unui cilindru metalic lung de 13 mm și a fost demonstrat într-un receptor care nu avea tuburi de electroni. Pentru orice altceva, compania a susținut că dispozitivul poate fi folosit nu numai pentru amplificare, ci și pentru generarea sau conversia unui semnal electric.

Fig. 1. Primul tranzistor

Fig. 2. John Bardin, William Shockley și Walter Brattain. Pentru colaborarea lor în dezvoltarea primului tranzistor operațional din lume în 1948, au împărțit premiul Nobel din 1956.

Dar capacitățile tranzistorului, precum, într-adevăr, ale multor alte mari descoperiri, nu au fost imediat înțelese și apreciate. Pentru a stârni interesul pentru noul dispozitiv, Bell a făcut publicitate fermă la seminarii și articole și a acordat tuturor permisiunea de a-l fabrica.

Producătorii de lămpi electronice nu au văzut un concurent serios în tranzistor, deoarece era imposibil dintr-o dată, într-o singură cădere, să reducă istoria de treizeci de ani a producției de lămpi de câteva sute de proiecte și investiții multimilionare în dezvoltarea și producția lor. Prin urmare, tranzistorul a intrat în electronica nu atât de rapid, deoarece epoca tuburilor de electroni era încă în desfășurare.

Fig. 3. Tranzistor și lampă electronică

Primii pași către semiconductori

Încă din cele mai vechi timpuri, două tipuri de materiale erau utilizate în principal în inginerie electrică - conductoare și dielectrice (izolatoare). Metalele, soluțiile de sare și unele gaze au capacitatea de a conduce curent. Această abilitate se datorează prezenței în conductoarele purtătorilor de sarcină liberă - electroni. În conductoare, electronii se detașează destul de ușor de atom, dar acele metale cu rezistență scăzută (cupru, aluminiu, argint, aur) sunt cele mai potrivite pentru transferul de energie electrică.

Izolatorii includ substanțe cu rezistență ridicată, electronii lor fiind foarte strâns legați de atom. Acestea sunt porțelan, sticlă, cauciuc, ceramică, plastic. Prin urmare, nu există sarcini gratuite în aceste substanțe și, prin urmare, nu există curent electric.

Este necesar să reamintim formularea din manualele de fizică că curentul electric este mișcarea direcțională a particulelor încărcate electric sub influența unui câmp electric. În izolatori, nu există pur și simplu nimic care să se miște sub influența unui câmp electric.

Cu toate acestea, în procesul studierii fenomenelor electrice în diferite materiale, unii cercetători au putut să se „simtă” pentru efecte semiconductoare.De exemplu, primul detector de cristal (dioda) a fost creat în 1874 de fizicianul german Karl Ferdinand Brown pe baza contactului cu plumb și pirită. (Piritul este un pirit de fier; atunci când lovește un scaun, se decupează o scânteie, motiv pentru care a primit numele de la „sărbătoarea” greacă - foc). Ulterior, acest detector a înlocuit cu succes coerentul în primii receptori, ceea ce le-a crescut semnificativ sensibilitatea.

În 1907, Beddecker, studiind conductivitatea cuprului de iod, a descoperit că conductivitatea acestuia crește de 24 de ori în prezența unei impurități de iod, deși iodul în sine nu este un conductor. Însă toate acestea au fost descoperiri aleatorii care nu au putut fi justificate științific. Un studiu sistematic al semiconductorilor a început abia în 1920 - 1930 ani.

O mare contribuție la studiul semiconductorilor a avut un om de știință sovietic la celebrul laborator de radio Nizhny Novgorod O.V. Losev. El a intrat în istorie în primul rând ca inventatorul cristadinei (un oscilator și amplificator bazat pe o diodă) și un LED. Vezi mai multe despre asta aici: Istoricul LED-urilor. Strălucirea lui Losev.

În zorii producției tranzistorului, principalul semiconductor a fost germaniul (Ge). În ceea ce privește consumul de energie, este foarte economic, tensiunea de deblocare a joncțiunii sale pn este de doar 0,1 ... 0,3 V, dar mulți parametri sunt instabili, astfel că a înlocuit siliconul (Si).

Temperatura la care funcționează tranzistorii germaniu nu este mai mare de 60 de grade, în timp ce tranzistoarele de siliciu pot continua să funcționeze la 150. Siliciul, ca semiconductor, depășește germaniul în alte proprietăți, în primul rând în frecvență.

În plus, rezervele de siliciu (nisip obișnuit de pe plajă) în natură sunt nelimitate, iar tehnologia de curățare și prelucrare este mai simplă și mai ieftină decât elementul de natură rară din germaniu. Primul tranzistor de siliciu a apărut la scurt timp după primul tranzistor de germaniu - în 1954. Acest eveniment a dus chiar la un nou nume „epoca siliciului”, care nu trebuie confundat cu piatra!

Fig. 4. Evoluția tranzistoarelor

Microprocesoare și semiconductoare. Apus de soare Silicon Age

V-ați gândit vreodată de ce recent toate computerele au devenit multi-core? Termenii dual-core sau quad-core sunt comune tuturor. Cert este că creșterea performanței microprocesorului prin creșterea frecvenței ceasului și creșterea numărului de tranzistoare într-un singur pachet, pentru structurile de siliciu este aproape aproape de limită.

O creștere a numărului de semiconductori într-o carcasă se realizează prin reducerea dimensiunilor lor fizice. În 2011, INTEL a dezvoltat deja o tehnologie de proces de 32 nm în care lungimea canalului tranzistorului este de doar 20 nm. Cu toate acestea, o astfel de scădere nu aduce o creștere vizibilă a frecvenței ceasului, deoarece a fost până la tehnologia de 90 nm. Este evident că este timpul să treci la ceva fundamental nou.

Fig. 5. Istoricul tranzistorilor

Grafenul - semiconductorul viitorului

În 2004, fizicienii au descoperit un nou material semiconductor. Grafenul. Acest candidat major pentru înlocuirea siliciului este, de asemenea, un material din grupa de carbon. Pe baza sa, este creat un tranzistor care funcționează în trei moduri diferite.

Fig. 6. Grafen

Fig. 7. Imaginea unui tranzistor grafen de câmp obținut folosind un microscop electronic de scanare

În comparație cu tehnologiile existente, acest lucru va permite reducerea numărului de tranzistoare într-un caz de exact trei ori. În plus, potrivit oamenilor de știință, frecvențele de funcționare ale noului material semiconductor pot ajunge până la 1000 GHz. Parametrii, desigur, sunt foarte ispititori, dar până acum noul semiconductor se află în stadiul de dezvoltare și studiu, iar siliciul este încă un pas de lucru. Vârsta lui nu s-a încheiat încă.

Boris Aladyshkin