Transistorhistoria

En av de betydande uppfinningarna från XX-talet beaktas transistor uppfinningensom kom för att byta ut de elektroniska lamporna.

Under lång tid var lampor den enda aktiva komponenten i alla elektroniska enheter, även om de hade många brister. Först och främst är det en stor strömförbrukning, stora dimensioner, kort livslängd och låg mekanisk styrka. Dessa brister kändes mer och mer skarpt med förbättringen och sofistikeringen av elektronisk utrustning.

En revolutionerande revolution inom radioteknik ägde rum när föråldrade lampor ersattes av halvledarförstärkande enheter - transistorer, saknade alla nämnda nackdelar.

Den första operationella transistorn föddes 1947, tack vare ansträngningarna från anställda i det amerikanska företaget Bell Telefon Laboratories. Deras namn är nu kända över hela världen. Dessa är forskare - fysiker W. Shockley, D. Bardin och W. Brighten. Redan 1956 tilldelades alla tre Nobelpriset i fysik för denna uppfinning.

Men, liksom många stora uppfinningar, märktes inte transistorn omedelbart. Endast i en av de amerikanska tidningarna nämndes att Bell Phone Laboratories demonstrerade sin enhet som kallas en transistor. Det sades också att det kan användas inom vissa områden inom elektroteknik istället för elektronrör.

Den visade transistorn var i form av en liten metallcylinder 13 mm lång och demonstrerades i en mottagare som inte hade elektronrör. Dessutom hävdade företaget att enheten inte bara kan användas för förstärkning utan också för att generera eller omvandla en elektrisk signal.

Fig. 1. Den första transistorn

Fig. 2. John Bardin, William Shockley och Walter Brattain. För sitt samarbete för att utveckla världens första operativa transistor 1948 delade de Nobelpriset 1956.

Men transistorns kapacitet, som faktiskt många andra stora upptäckter, förstods inte och uppskattades omedelbart. För att väcka intresse för den nya enheten, marknadsförde Bell det på seminarier och artiklar och gav alla tillstånd att tillverka den.

Tillverkare av elektroniska lampor såg inte en seriös konkurrent i transistorn, eftersom det var omöjligt på en gång, i ett fall, att nedsätta den trettioåriga historien för produktion av lampor med flera hundra mönster och investeringar i miljarder dollar i deras utveckling och produktion. Därför kom transistorn in i elektroniken inte så snabbt, eftersom elektronrörens era fortfarande pågår.

Fig. 3. Transistor och elektronisk lampa

Första steg till halvledare

Sedan antiken har två typer av material använts i elektroteknik främst - ledare och dielektrik (isolatorer). Metaller, saltlösningar och vissa gaser har förmågan att leda ström. Denna förmåga beror på närvaron i ledarna för gratis laddningsbärare - elektroner. I ledare lossnar elektroner ganska enkelt från atomen, men de metaller som har lågt motstånd (koppar, aluminium, silver, guld) är bäst lämpade för överföring av elektrisk energi.

Isolatorer inkluderar ämnen med hög resistens, deras elektroner är mycket tätt bundna till atomen. Detta är porslin, glas, gummi, keramik, plast. Därför finns det inga fria avgifter i dessa ämnen, vilket innebär att det inte finns någon elektrisk ström heller.

Det är lämpligt att komma ihåg ordalydelsen från fysikens läroböcker att elektrisk ström är riktningen av elektriskt laddade partiklar under påverkan av ett elektriskt fält. I isolatorer finns det helt enkelt inget att röra sig under påverkan av ett elektriskt fält.

I processen att studera elektriska fenomen i olika material kunde emellertid vissa forskare "känna" för halvledareffekter.Till exempel skapades den första kristallina detektorn (dioden) 1874 av den tyska fysikern Karl Ferdinand Brown baserat på kontakten mellan bly och pyrit. (Pyrite är en järnpyrit; när den träffar en stol klipps ut en gnista, varför den fick namnet från den grekiska "festen" - eld). Senare ersatte denna detektor framgångsrikt koheraren i de första mottagarna, vilket avsevärt ökade deras känslighet.

1907 fann Beddecker, som studerade konduktiviteten för jodkoppar, att dess konduktivitet ökar 24 gånger i närvaro av en jodföroreningar, även om jod i sig inte är en ledare. Men alla dessa var slumpmässiga upptäckter som inte kunde ges en vetenskaplig motivering. En systematisk studie av halvledare började först 1920 - 1930 år.

Ett stort bidrag till studiet av halvledare gavs av en sovjetisk forskare vid det berömda Nizhny Novgorod radiolaboratorium O.V. Losev. Han gick ner i historien främst som uppfinnaren av cristadin (en oscillator och förstärkare baserad på en diod) och en LED. Se mer om detta här: Historik för lysdioder. Glow of Losev.

I början av transistorproduktionen var den huvudsakliga halvledaren germanium (Ge). När det gäller energiförbrukning är det mycket ekonomiskt, spänningen för att låsa upp sin pn-korsning är bara 0,1 ... 0,3V, men många parametrar är instabila, så det ersatte kisel (Si).

Temperaturen vid vilken germium-transistorer kan fungera är inte mer än 60 grader, medan kiseltransistorer kan fortsätta att arbeta vid 150. Kisel, som halvledare, överträffar germanium i andra egenskaper, främst i frekvens.

Dessutom är reserverna av kisel (vanlig sand på stranden) i naturen obegränsade och tekniken för rengöring och bearbetning av den är enklare och billigare än det sällsynta i naturelementet i germanium. Den första kiseltransistorn dök upp strax efter den första germaniumtransistorn - 1954. Denna händelse innebar till och med ett nytt namn "kiselålder", för att inte förväxlas med stenen!

Fig. 4. Transistorernas utveckling

Mikroprocessorer och halvledare. Silicon Age Sunset

Har du någonsin undrat varför nästan alla datorer har blivit flerkärniga? Termen dual-core eller quad-core är vanliga för alla. Faktum är att ökningen i mikroprocessorprestanda genom att öka klockfrekvensen och öka antalet transistorer i ett paket för kiselstrukturer är nästan nära gränsen.

En ökning av antalet halvledare i ett hus uppnås genom att minska deras fysiska dimensioner. 2011 utvecklade INTEL redan en processteknologi på 32 nm där transistorkanalens längd endast är 20 nm. En sådan minskning medför dock inte en märkbar ökning av klockfrekvensen, eftersom det var upp till 90 nm teknik. Det är uppenbart att det är dags att gå vidare till något grundläggande nytt.

Fig. 5. Transistors historia

Grafen - framtidens halvledare

2004 upptäckte fysiker ett nytt halvledarmaterial. grafen. Denna stora kandidat för kiselersättning är också ett kolgruppsmaterial. På grundval av detta skapas en transistor som fungerar i tre olika lägen.

Fig. 6. Grafen

Fig. 7. Bild av en fältgrafentransistor som erhållits med hjälp av ett skanningselektronmikroskop

Jämfört med befintlig teknik kommer detta att möjliggöra minskning av antalet transistorer i ett fall med exakt tre gånger. Dessutom, enligt forskare, kan driftsfrekvenserna för det nya halvledarmaterialet uppgå till 1000 GHz. Parametrarna är naturligtvis mycket frestande, men hittills är den nya halvledaren på utvecklings- och studiestadiet, och kisel är fortfarande en arbetshäst. Hans ålder har ännu inte upphört.

Boris Aladyshkin