С право се смята за едно от най-значимите изобретения на 20 век. изобретение на транзистора, който замени вакуумните тръби.

Дълго време лампите бяха единственият активен компонент на всички радиоелектронни устройства, въпреки че имаха много недостатъци. На първо място, това са висока консумация на енергия, големи размери, кратък експлоатационен живот и ниска механична якост. Тези недостатъци се усещаха все по-остро с подобряването и усложняването на електронното оборудване.

Революционна революция в радиотехниката настъпи, когато остарелите лампи бяха заменени от полупроводникови усилвателни устройства - транзистори, лишени от всички споменати недостатъци.

Първият функционален транзистор е роден през 1947 г., благодарение на усилията на служителите на американската компания Bell Telephone Laboratories. Сега имената им са известни по целия свят. Това са учени – физиците У. Шокли, Д. Бардийн и У. Брайтън. Още през 1956 г. и тримата са удостоени с Нобелова награда по физика за това изобретение.

Но, подобно на много велики изобретения, транзисторът не беше забелязан веднага. Само един от американските вестници спомена, че Bell Telephone Laboratories демонстрират създадено от тях устройство, наречено транзистор. Там също беше казано, че може да се използва в някои области на електротехниката вместо вакуумни тръби.

Показаният транзистор беше под формата на малък метален цилиндър с дължина 13 mm и беше демонстриран в приемник, който нямаше вакуумни тръби. Освен това компанията увери, че устройството може да се използва не само за усилване, но и за генериране или преобразуване на електрически сигнал.

Ориз. 1. Първи транзистор

Ориз. 2. Джон Бардийн, Уилям Шокли и Уолтър Братейн. Те си поделиха Нобеловата награда за 1956 г. за сътрудничеството си при разработването на първия работещ транзистор в света през 1948 г.

Но възможностите на транзистора, подобно на много други велики открития, не бяха разбрани и оценени веднага. За да предизвика интерес към новото устройство, Бел го рекламира усилено на семинари и в статии и предоставя лицензи за производството му на всички.

Производителите на електронни тръби не виждаха транзистора като сериозен конкурент, защото беше невъзможно веднага, с един замах, да се отхвърли тридесетгодишната история на производство на тръби от няколкостотин дизайна и многомилионни инвестиции в тяхното развитие и производство. Следователно транзисторът не навлиза толкова бързо в електрониката, тъй като ерата на вакуумните тръби все още продължава.

Ориз. 3. Транзистор и вакуумна тръба

Първи стъпки към полупроводниците

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

Изолаторите са вещества с високо съпротивление; техните електрони са много здраво свързани с атома. Това са порцелан, стъкло, гума, керамика, пластмаса. Следователно в тези вещества няма свободни заряди, което означава, че няма електрически ток.

Тук е уместно да си припомним формулировката от учебниците по физика, че електрическият ток е насочено 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 „почувстват“ 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 се удари в стола, се образува искра, поради което е получил името си от гръцкото "пир" - огън). По-късно този детектор успешно замени кохерера в първите приемници, което значително увеличи тяхната чувствителност.

През 1907 г. Boeddeker, докато изучавал проводимостта на меден йодид, открил, че неговата проводимост се увеличава 24 пъти в присъствието на йод, въпреки че самият йод не е проводник. Но всичко това са случайни открития, които не могат да бъдат научно обосновани. Систематичното изучаване на полупроводниците започва едва през 1920-1930 г.

В ранните дни на производството на транзистори основният полупроводник беше германий (Ge). По отношение на консумацията на енергия, той е много икономичен, напрежението на отключване на неговия pn преход е само 0,1 ... 0,3 V, но много параметри са нестабилни, така че силицийът (Si) дойде да го замени.

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

Освен това запасите от силиций (обикновен пясък на плажа) в природата са неограничени, а технологията за неговото пречистване и обработка е по-проста и евтина от рядко срещания в природата елемент германий. Първият силициев транзистор се появява малко след първия германиев транзистор – през 1954г. Това събитие дори даде началото на новото име „силиконова ера“, да не се бърка с каменната ера!

Ориз. 4. Еволюция на транзисторите

Микропроцесори и полупроводници. Упадъкът на „Силиконовата епоха“

Замисляли ли сте се защо напоследък почти всички компютри са станали многоядрени? Термините двуядрен или четириядрен са на устните на всички. Факт е, че увеличаването на производителността на микропроцесорите чрез увеличаване на тактовата честота и увеличаване на броя на транзисторите в един пакет почти достигна границата за силициевите структури.

Увеличаването на броя на полупроводниците в една опаковка се постига чрез намаляване на техните физически размери. През 2011 г. INTEL вече разработи 32 nm технологичен процес, при който дължината на транзисторния канал е само 20 nm. Подобно намаление обаче не води до забележимо увеличение на тактовата честота, както беше при технологиите до 90 nm. Абсолютно ясно е, че е време да преминем към нещо фундаментално ново.

1956 г В концертната зала в Стокхолм трима американски учени Джон Бардийн, Уилям Шокли и Уолтър Братейн получават Нобелова награда „за изследването си на полупроводници и откриването на транзисторния ефект“ - истински пробив в областта на физиката. Отсега нататък имената им са завинаги вписани в световната наука. Но повече от 15 години по-рано, в началото на 1941 г., млад украински учен Вадим Лашкарев експериментално открива и описва в статията си физическо явление, което, както се оказа, впоследствие се нарича p-n преход (p-положителен, n- отрицателен). В статията си той разкрива и инжекционния механизъм - най-важното явление, на основата на което работят полупроводниковите диоди и транзистори.

Официално историята на транзистора е следната: първото съобщение за появата на полупроводников транзисторен усилвател се появява в американската преса през юли 1948 г. Неговите изобретатели са американските учени Бардийн и Братейн. Те поеха по пътя на създаването на така наречения точков транзистор, базиран на n-тип германиев кристал. Те получават първия си обнадеждаващ резултат в края на 1947 г. Устройството обаче се държи нестабилно, характеристиките му са непредсказуеми и следователно транзисторът точка-точка не получава практическа употреба.

Пробив настъпва през 1951 г., когато Уилям Шокли създава своя по-надежден планарен n-p-n транзистор, който се състои от три слоя от n, p и n тип германий с обща дебелина 1 см. В рамките на няколко години значението на изобретението на Американските учени станаха очевидни и получиха Нобелова награда.

Много преди това, още преди началото на Великата отечествена война през 1941 г., Лашкарев провежда серия от успешни експерименти и открива p-n прехода и разкрива механизма на електронно-дупкова дифузия, въз основа на който под негово ръководство в началото на 50-те години, първите са създадени в Украйна (тогава част от СССР) полупроводникови триоди - транзистори.

От научна гледна точка pn преходът е област от пространството на кръстовището на два p- и n-тип полупроводника, в която се извършва преход от един тип проводимост към друг. Електрическата проводимост на материала зависи от това колко плътно ядрата на неговите атоми държат електрони. По този начин повечето метали са добри проводници, защото имат огромен брой електрони, слабо свързани с атомното ядро, които лесно се привличат от положителни заряди и отблъскват от отрицателни. Движещите се електрони са носители на електрически ток. От друга страна, изолаторите не позволяват преминаването на ток, тъй като електроните в тях са здраво свързани с атомите и не реагират на влиянието на външно електрическо поле.

Полупроводниците се държат различно. Атомите в полупроводниковите кристали образуват решетка, чиито външни електрони са свързани от химични сили. В чистата си форма полупроводниците са подобни на изолаторите: те или провеждат ток слабо, или изобщо не провеждат. Но веднага щом малък брой атоми на определени елементи (примеси) се добавят към кристалната решетка, тяхното поведение се променя драстично.

В някои случаи атомите на примесите се свързват с атомите на полупроводника, образувайки допълнителни електрони; излишните свободни електрони дават на полупроводника отрицателен заряд. В други случаи примесните атоми създават така наречените „дупки“, които могат да „абсорбират“ електрони. Така възниква недостиг на електрони и полупроводникът става положително зареден. При подходящи условия полупроводниците могат да провеждат електрически ток. Но за разлика от металите, те го провеждат по два начина. Отрицателно зареденият полупроводник има тенденция да се отърве от излишните електрони; това е n-тип проводимост (от отрицателна). Носителите на заряд в полупроводниците от този тип са електрони. От друга страна, положително заредените полупроводници привличат електрони, запълвайки „дупките“. Но когато една „дупка“ се запълни, наблизо се появява друга - изоставена от електрона. Така „дупките“ създават поток от положителен заряд, който е насочен в посока, обратна на движението на електроните. Това е p-тип проводимост (от positive - положителен). И в двата типа полупроводници така наречените не-мажорни носители на заряд (електрони в p-тип полупроводници и „дупки“ в n-тип полупроводници) поддържат тока в посока, обратна на движението на основните носители на заряд.

Чрез въвеждане на примеси в кристали на германий или силиций могат да бъдат създадени полупроводникови материали с желани електрически свойства. Например, въвеждането на малко количество фосфор генерира свободни електрони и полупроводникът придобива n-тип проводимост. Добавянето на борни атоми, от друга страна, създава дупки и материалът става p-тип полупроводник.

По-късно се оказа, че полупроводник, в който се въвеждат примеси, придобива свойството да пропуска електрически ток, т.е. има проводимост, чиято стойност може при определено влияние да варира в широки граници.

Когато в САЩ беше открит метод за осъществяване на такъв ефект електрически, се появи транзисторът (от оригиналното име transresistor). Фактът, че през 1941 г. Лашкарев публикува резултатите от своите открития в статиите „Изследване на бариерни слоеве с помощта на метода на термичната сонда“ и „Влиянието на примесите върху фотоелектричния ефект на вентила в медния оксид“ (в съавторство с колегата му К. М. Косоногова ) не се дължи на военно време, привлече вниманието на научния свят. Предполага се, че избухването на Студената война и желязната завеса, която се спусна над Съветския съюз, изиграха роля за това Лашкарев така и да не стане Нобелов лауреат. Между другото, Лашкарев, докато е в Сибир по време на войната, разработва купроксови диоди, които се използват във военните радиостанции и постига промишленото им производство.

В допълнение към първите две произведения Лашкарев, в сътрудничество с В. И. Ляшенко, публикува през 1950 г. статията „Електронни състояния на повърхността на полупроводник“, в която са описани резултатите от изследванията на повърхностните явления в полупроводниците, които станаха основа за работа на интегрални схеми на базата на полеви транзистори.

През 50-те години Лашкарев също успя да реши проблема с масовото отхвърляне на монокристалите на германия. Той формулира техническите изисквания за този елемент по нов начин, тъй като предишните бяха неоправдано завишени. Задълбочените изследвания, проведени от Лашкарев и Миселюк в Института по физика на Академията на науките на Украинската ССР в Киев, показаха, че вече постигнатото ниво на германиевата монокристална технология позволява създаването на точкови диоди и триоди с необходимите характеристики. Това позволи да се ускори индустриалното производство на първите германиеви диоди и транзистори в бившия СССР.

Така под ръководството на Лашкарев в началото на 50-те години в СССР е организирано производството на първите транзистори тип точка-точка. Създаден от V.E. Научната школа на Лашкарев в областта на физиката на полупроводниците става една от водещите в СССР. Признание за изключителни резултати беше създаването през 1960 г. на Института по полупроводници на Академията на науките на Украинската ССР, който беше ръководен от V.E. Лашкарев.

„Ще дойде време, когато върху този кристал, който Вадим Евгениевич ни показа, ще бъде възможно да поставим цял компютър! , - прогнозира академик Сергей Лебедев, който създаде първия компютър в континентална Европа - MESM. Така и стана. Но това се случи повече от двадесет години по-късно, когато се появиха големи LSI интегрални схеми, съдържащи десетки и стотици хиляди транзистори на чип, а по-късно и свръхголеми VLSI интегрални схеми с много милиони компоненти на чип, което отвори пътя за човека до информационната ера.

ПЯТИГОРСКИ ДЪРЖАВЕН ТЕХНОЛОГИЧЕН УНИВЕРСИТЕТ

ОТДЕЛ УПРАВЛЕНИЕ И ИНФОРМАЦИЯ В ТЕХНИЧЕСКИ СИСТЕМИ

РЕЗЮМЕ

"История на развитието на транзисторите"

Завършено:

Студент гр. УИТС-б-101

Сергиенко Виктор

Пятигорск, 2010 г

Въведение

Транзисторът (от англ. transfer - прехвърляне и Resistance - съпротивление или transconductance - активна междуелектродна проводимост и varistor - променливо съпротивление) е електронно устройство, изработено от полупроводников материал, обикновено с три извода, позволяващи входни сигнали за управление на тока в електрическа верига. Обикновено се използва за усилване, генериране и преобразуване на електрически сигнали.

Токът в изходната верига се контролира чрез промяна на входното напрежение или ток. Малка промяна във входните величини може да доведе до значително по-голяма промяна в изходното напрежение и ток. Това усилващо свойство на транзисторите се използва в аналоговата технология (аналогова телевизия, радио, комуникации и др.).

В момента аналоговата технология е доминирана от биполярни транзистори (BT) (международният термин е BJT, bipolar junction transistor). Друг важен клон на електрониката е цифровата технология (логика, памет, процесори, компютри, цифрови комуникации и др.), където, напротив, биполярните транзистори са почти напълно заменени с полеви.

Цялата съвременна цифрова технология е изградена основно върху полеви MOS (метал-оксид-полупроводникови) транзистори (MOSFET), тъй като те са по-икономични елементи в сравнение с BT. Понякога те се наричат ​​транзистори MIS (метал-диелектрик-полупроводник). Международният термин е MOSFET (метал-оксид-полупроводников полеви транзистор). Транзисторите се произвеждат по интегрирана технология върху единичен силициев кристал (чип) и образуват елементарен „градивен елемент“ за конструиране на логически чипове, памет, процесор и др.. Размерите на съвременните MOSFET транзистори варират от 90 до 32 nm. Един модерен чип (обикновено с размер 1-2 cm²) побира няколко (все още само няколко) милиарда MOSFETs. В течение на 60 години се наблюдава намаляване на размера (миниатюризация) на MOSFET транзисторите и увеличаване на техния брой на един чип (степен на интеграция); през следващите години се наблюдава допълнително увеличаване на степента на интеграция на транзисторите на чип се очаква (вижте закона на Мур). Намаляването на размера на MOPT също води до повишена скорост на процесора, намалена консумация на енергия и разсейване на топлината.

История

Първите патенти за принципа на действие на полеви транзистори са регистрирани в Германия през 1928 г. (в Канада, 22 октомври 1925 г.) на името на австро-унгарския физик Юлиус Едгар Лилиенфелд. През 1934 г. немският физик Оскар Хайл патентова транзистора с полеви ефекти. Полевите транзистори (по-специално MOS транзисторите) се основават на прост ефект на електростатичното поле; във физиката те са значително по-прости от биполярните транзистори и следователно са изобретени и патентовани много преди биполярните транзистори. Въпреки това, първият MOSFET, който формира основата на съвременната компютърна индустрия, е произведен по-късно от биполярния транзистор, през 1960 г. Едва през 90-те години на 20 век MOS технологията започва да доминира над биполярната технология.

През 1947 г. Уилям Шокли, Джон Бардийн и Уолтър Братейн от Bell Labs за първи път създават работещ биполярен транзистор, демонстриран на 16 декември. На 23 декември се състоя официалното представяне на изобретението и тази дата се счита за деня на изобретяването на транзистора. Според технологията на производство той принадлежи към класа на транзисторите точка-точка. През 1956 г. те са удостоени с Нобелова награда по физика „за изследването им на полупроводници и откриването на транзисторния ефект“. Интересното е, че Джон Бардийн скоро получава Нобелова награда за втори път за създаването на теорията за свръхпроводимостта.

Вакуумните тръби по-късно бяха заменени от транзистори в повечето електронни устройства, революционизирайки създаването на интегрални схеми и компютри.

Бел имаше нужда от име за устройството. Бяха предложени имената „полупроводников триод“, „твърд триод“, „триод на повърхностни състояния“, „кристален триод“ и „йотатрон“, но думата „транзистор“, предложена от Джон Р. Пиърс), спечели вътрешното гласуване.

Името "транзистор" първоначално се отнася до резистори с контролирано напрежение. Всъщност транзисторът може да се разглежда като вид съпротивление, регулирано от напрежението на един електрод (в транзисторите с полеви ефекти, от напрежението между порта и източника, в биполярните транзистори, от напрежението между базата и емитера ).

Класификация на транзисторите

Биполярен транзистор- триелектродно полупроводниково устройство, един от видовете транзистори. Електродите са свързани с три последователно разположени полупроводникови слоя с редуващи се видове примесна проводимост. Според този метод на редуване се разграничават npn и pnp транзистори (n (отрицателен) - електронен тип проводимост на примеси, p (положителен) - тип дупка). В биполярен транзистор, за разлика от други разновидности, основните носители са както електрони, така и дупки (от думата "bi" - "две").

Електродът, свързан към централния слой, се нарича основа, електродите, свързани към външните слоеве, се наричат ​​колектор и емитер. В най-простата диаграма разликите между колектор и емитер не се виждат. В действителност основната разлика между колектора е по-голямата площ на p-n прехода. В допълнение, тънката дебелина на основата е абсолютно необходима, за да работи транзисторът.

Транзисторът с биполярна точка е изобретен през 1947 г. и през следващите години се утвърждава като основен елемент за производството на интегрални схеми, използващи логика транзистор-транзистор, резистор-транзистор и диод-транзистор.

Първите транзистори са направени на базата на германий. В момента те се изработват основно от силиций и галиев арсенид. Последните транзистори се използват във високочестотни усилвателни схеми. Биполярният транзистор се състои от три различно легирани полупроводникови зони: емитер E, база B и колектор C. В зависимост от вида на проводимостта на тези зони, NPN (емитер - n-полупроводник, база - p-полупроводник, колектор - n-полупроводник) и PNP се отличават.транзистори. Към всяка от зоните са свързани проводими контакти. Основата е разположена между емитер и колектор и е направена от леко легиран полупроводник с високо съпротивление. Общата контактна площ база-емитер е значително по-малка от контактната площ колектор-база, така че общият биполярен транзистор е асиметрично устройство (невъзможно е да се сменят емитерът и колекторът чрез промяна на полярността на връзката и да се получи абсолютно подобен биполярен транзистор към оригиналния).

В активен режим на работа транзисторът е включен така, че неговият емитерен преход е предубеден в посока напред (отворен), а колекторният преход е предубеден в обратна посока. За категоричност, нека разгледаме npn транзистор; всички разсъждения се повтарят по абсолютно същия начин за случая на pnp транзистор, като думата „електрони“ се заменя с „дупки“ и обратно, както и с всички напрежения, заменени с противоположни знаци. В NPN транзистор, електроните, основните носители на ток в емитера, преминават през отворения преход емитер-база (инжектирани) в базовата област. Някои от тези електрони се рекомбинират с повечето носители на заряд в основата (дупки), докато някои дифундират обратно в емитера. Въпреки това, тъй като основата е направена много тънка и сравнително леко легирана, повечето от електроните, инжектирани от емитера, дифундират в областта на колектора. Силното електрическо поле на колекторния преход с обратно отклонение улавя електрони (не забравяйте, че те са малцинствени носители в основата, така че преходът е отворен за тях) и ги пренася в колектора. По този начин колекторният ток е практически равен на емитерния ток, с изключение на малка рекомбинационна загуба в основата, която формира базовия ток (Ie = Ib + Ik). Коефициентът α, свързващ емитерния ток и колекторния ток (Iк = α Iе), се нарича коефициент на предаване на емитерния ток. Числената стойност на коефициента α е 0,9 - 0,999. Колкото по-висок е коефициентът, толкова по-ефективно транзисторът предава ток. Този коефициент зависи малко от напреженията колектор-база и база-емитер. Следователно, в широк диапазон от работни напрежения, колекторният ток е пропорционален на базовия ток, коефициентът на пропорционалност е равен на β = α / (1 − α) = (10..1000). По този начин, чрез промяна на малък базов ток, може да се контролира много по-голям колекторен ток. Нивата на електрони и дупки са приблизително еднакви.

Транзистор с полеви ефекти- полупроводниково устройство, в което токът се променя в резултат на действието на перпендикулярен ток в електрическото поле, създадено от входния сигнал.

Потокът от работен ток в транзистор с полеви ефекти се причинява от носители на заряд само с един знак (електрони или дупки), поради което такива устройства често се включват в по-широкия клас еднополярни електронни устройства (за разлика от биполярни).

История на създаването на полеви транзистори

Идеята за транзистор с полеви ефект на изолирана врата е предложена от Лилиенфелд през 1926-1928 г. Обективните трудности при прилагането на този дизайн обаче направиха възможно създаването на първото работещо устройство от този тип едва през 1960 г. През 1953 г. Дейки и Рос предлагат и реализират друга конструкция на полеви транзистор - с управляващ p-n преход. И накрая, трета конструкция на БНТ, бариерата на Шотки, беше предложена и внедрена от Мийд през 1966 г.

Схеми на полеви транзистори

Транзисторът с полеви ефекти може да бъде свързан в една от трите основни вериги: с общ източник (CS), общ дрейн (OC) и общ порт (G).

В практиката най-често се използва схема с ОЕ, подобно на схема с биполярен транзистор с ОЕ. Общата каскада на източника дава много голям ток и усилване на мощността. Схемата с ОЗ е подобна на схемата с ОВ. Той не осигурява усилване на тока и следователно усилването на мощността в него е многократно по-малко, отколкото в OI веригата. Каскадата OZ има нисък входен импеданс и следователно има ограничена практическа употреба.

Класификация на полеви транзистори

Въз основа на тяхната физическа структура и механизъм на действие, полеви транзистори условно се разделят на 2 групи. Първият се формира от транзистори с управляващ p-n преход или преход метал-полупроводник (бариера на Шотки), вторият се формира от транзистори с управление чрез изолиран електрод (gate), т.нар. MIS транзистори (метал - диелектрик - полупроводник).

Транзистори с управляващ p-n преход

Полевият транзистор с контролен p-n преход е полеви транзистор, чийто затвор е изолиран (т.е. електрически отделен) от канала чрез p-n преход, наклонен в обратна посока.

Такъв транзистор има два неизправящи контакта към областта, през която преминава контролираният ток на основните носители на заряд, и един или два контролни електрон-дупкови прехода, предубедени в обратна посока (виж фиг. 1). Когато обратното напрежение се промени в p-n прехода, неговата дебелина и следователно дебелината на областта, през която преминава контролираният ток на основните носители на заряд, се променя. Областта, чиято дебелина и напречно сечение се контролира от външно напрежение на контролния p-n преход и през която преминава контролиран ток на основните носители, се нарича канал. Електродът, от който основните носители на заряд влизат в канала, се нарича източник. Електродът, през който основните носители на заряд напускат канала, се нарича дренаж. Електродът, използван за регулиране на напречното сечение на канала, се нарича порта.

Електрическата проводимост на канала може да бъде n- или p-тип. Следователно, въз основа на електрическата проводимост на канала, се разграничават полеви транзистори с n-канал и p-канал. Всички полярности на преднапреженията, приложени към електродите на n- и p-каналните транзистори, са противоположни.

Контролът на изтичащия ток, т.е. токът от външен относително мощен източник на захранване в веригата на натоварване, възниква, когато обратното напрежение се промени в p-n прехода на портата (или при две p-n преходи едновременно). Поради малкия размер на обратните токове, мощността, необходима за управление на тока на изтичане и консумирана от източника на сигнала в затворната верига, се оказва пренебрежимо малка. Следователно транзисторът с полеви ефекти може да осигури усилване на електромагнитни трептения както в мощността, така и в тока и напрежението.

По този начин транзисторът с полеви ефекти е подобен по принцип на вакуумен триод. Източникът в транзистора с полеви ефекти е подобен на катода на вакуумен триод, портата е като решетка, а дренажът е като анод. Но в същото време транзисторът с полеви ефекти се различава значително от вакуумния триод. Първо, транзисторът с полеви ефекти не изисква нагряване на катода, за да работи. Второ, всяка от функциите на източник и изтичане може да се изпълнява от всеки от тези електроди. Трето, транзисторите с полеви ефекти могат да бъдат направени както с n-канал, така и с p-канал, което прави възможно успешното комбиниране на тези два вида транзистори с полеви ефекти в схеми.

Транзисторът с полеви ефекти се различава от биполярен транзистор, първо, по своя принцип на работа: в биполярен транзистор изходният сигнал се управлява от входния ток, а в полевия транзистор - от входното напрежение или електрическото поле. Второ, транзисторите с полеви ефекти имат значително по-високи входни съпротивления, което е свързано с обратното отклонение на p-n прехода на портата в разглеждания тип полеви транзистори. Трето, транзисторите с полеви ефекти могат да имат ниско ниво на шум (особено при ниски честоти), тъй като транзисторите с полеви ефекти не използват феномена на инжектиране на малцинствени носители на заряд и каналът на полевия транзистор може да бъде отделен от повърхността на полупроводников кристал. Процесите на рекомбинация на носители в p-n прехода и в основата на биполярния транзистор, както и процесите на генериране-рекомбинация на повърхността на полупроводниковия кристал, са придружени от появата на нискочестотен шум.

Транзистори с изолиран затвор (MIS транзистори)

Полевият транзистор с изолиран затвор е транзистор с полеви ефекти, чийто затвор е електрически отделен от канала чрез диелектричен слой.

В полупроводников кристал с относително високо съпротивление, който се нарича субстрат, се създават две силно легирани области с противоположен тип проводимост спрямо субстрата. В тези зони се прилагат метални електроди - източник и дренаж. Разстоянието между силно легираните области на източника и дренажа може да бъде по-малко от микрон. Повърхността на полупроводниковия кристал между източника и дренажа е покрита с тънък слой (около 0,1 μm) диелектрик. Тъй като първоначалният полупроводник за полеви транзистори обикновено е силиций, като диелектрик се използва слой от силициев диоксид SiO2, израснал върху повърхността на силициев кристал чрез високотемпературно окисление. Върху диелектричния слой се нанася метален електрод - порта. Резултатът е структура, състояща се от метал, диелектрик и полупроводник. Следователно полеви транзистори с изолиран затвор често се наричат ​​MOS транзистори.

Входното съпротивление на MOS транзисторите може да достигне 1010...1014 ома (за полеви транзистори с контролен p-n преход 107...109), което е предимство при изграждането на високоточни устройства.

Има два вида MOS транзистори: с индуциран канал и с вграден канал.

В MOS транзисторите с индуциран канал няма проводящ канал между силно легирания източник и областите на изтичане и следователно забележим ток на изтичане се появява само при определена полярност и при определена стойност на напрежението на затвора спрямо източника, което е наречено прагово напрежение (UTV).

В MOS транзисторите с вграден канал, близо до повърхността на полупроводника под портата, при нулево напрежение на портата спрямо източника, има обратен слой - канал, който свързва източника към изтичането.

Следователно, силно легираните области под източника и дренажа, както и индуцираните и вградените канали, имат p-тип проводимост. Ако подобни транзистори са създадени върху субстрат с p-тип електрическа проводимост, тогава техният канал ще има n-тип електрическа проводимост.

MOS транзистори с индуциран канал

Когато напрежението на затвора спрямо източника е нула и когато има напрежение в изтичането, изтичащият ток се оказва незначителен. Той представлява обратния ток на pn прехода между субстрата и силно легираната дренажна област. При отрицателен потенциал на вратата (за структурата, показана на фиг. 2, а), в резултат на проникването на електрическото поле през диелектричния слой в полупроводника при ниски напрежения на вратата (по-малки UGпори), поле на повърхността на полупроводника под затвора се появява ефектен слой и област, изчерпана от основните носители.пространствен заряд, състоящ се от йонизирани некомпенсирани примесни атоми. При напрежения на затвора, по-големи от UGpore, се появява обратен слой близо до повърхността на полупроводника под затвора, който е каналът, свързващ източника с изтичането. Дебелината и напречното сечение на канала ще се променят с промените в напрежението на затвора и токът на изтичане, тоест токът в веригата на натоварване и относително мощен източник на енергия, ще се променят съответно. Ето как се управлява токът на изтичане в транзистор с полеви ефекти с изолиран затвор и индуциран канал.

Поради факта, че гейтът е отделен от субстрата чрез диелектричен слой, токът в гейт веригата е незначителен и мощността, консумирана от източника на сигнала в гейт веригата и необходима за контролиране на относително големия ток на изтичане, също е малка . По този начин MOS транзистор с индуциран канал може да предизвика усилване на електромагнитни трептения в напрежението и мощността.

Принципът на усилване на мощността в MOS транзисторите може да се разглежда от гледна точка на носители на заряд, пренасящи енергията на постоянно електрическо поле (енергията на източника на енергия в изходната верига) към променливо електрическо поле. В MOS транзистор, преди да се появи каналът, почти цялото захранващо напрежение в дренажната верига пада през полупроводника между сорс и дрейн, създавайки относително голям постоянен компонент на силата на електрическото поле. Под въздействието на напрежението върху портата в полупроводника под портата се появява канал, по който носителите на заряд - дупките - се движат от източник към изтичане. Дупките, движещи се в посока на постоянната компонента на електрическото поле, се ускоряват от това поле и тяхната енергия се увеличава поради енергията на източника на енергия в дренажната верига. Едновременно с появата на канала и появата на подвижни носители на заряд в него напрежението на изтичане намалява, т.е. моментната стойност на променливата компонента на електрическото поле в канала е насочена срещу постоянната компонента. Следователно дупките се възпрепятстват от променливо електрическо поле, което му отдава част от тяхната енергия.

ТИР съоръжения със специално предназначение

В структурите метал-нитрид-оксид-полупроводник (MNOS) диелектрикът под затвора е направен от два слоя: слой от SiO2 оксид и дебел слой от Si3N4 нитрид. Между слоевете се образуват електронни капани, които, когато положително напрежение (28..30 V) се приложи към вратата на MNOS структурата, улавят електрони, тунелиращи през тънък слой SiO2. Получените отрицателно заредени йони повишават праговото напрежение и техният заряд може да се съхранява до няколко години при липса на захранване, тъй като слоят SiO2 предотвратява изтичането на заряд. Когато към затвора се приложи голямо отрицателно напрежение (28...30 V), натрупаният заряд се разтваря, което значително намалява праговото напрежение.

Структурите на лавинообразно инжектиране на метал-оксид-полупроводник (MOS) с плаваща врата имат врата, направена от поликристален силиций, който е изолиран от други части на структурата. Лавинно разрушаване на p-n прехода на субстрата и изтичането или източника, към който се прилага високо напрежение, позволява на електроните да проникнат през оксидния слой към портата, в резултат на което върху него се появява отрицателен заряд. Изолационните свойства на диелектрика позволяват този заряд да се запази в продължение на десетилетия. Отстраняването на електрическия заряд от портата се осъществява чрез йонизиращо ултравиолетово облъчване с кварцови лампи, докато фототокът позволява на електроните да се рекомбинират с дупки.

Впоследствие бяха разработени полеви транзисторни структури с двойна врата на паметта. Гейт, вграден в диелектрика, се използва за съхраняване на заряд, който определя състоянието на устройството, а външен (обикновен) гейт, управляван от импулси с противоположна полярност, се използва за въвеждане или премахване на заряд на вградения (вътрешен) порта. Така се появиха клетките, а след това и чиповете с флаш памет, които днес станаха много популярни и се превърнаха в сериозен конкурент на твърдите дискове в компютрите.

За реализиране на много големи интегрални схеми (VLSI) бяха създадени субминиатюрни микротранзистори с полеви ефекти. Изработени са по нанотехнология с геометрична разделителна способност под 100 nm. В такива устройства дебелината на диелектрика на затвора достига няколко атомни слоя. Използват се различни структури, включително структури с три врати. Уредите работят в режим на микро мощност. В съвременните микропроцесори на Intel броят на устройствата варира от десетки милиони до 2 милиарда. Най-новите транзистори с ефект на микрополето са направени върху напрегнат силиций, имат метален затвор и използват нов патентован диелектричен материал на затвора на базата на хафниеви съединения.

През последния четвърт век мощните полеви транзистори, главно от типа MIS, претърпяха бурно развитие. Те се състоят от множество структури с ниска мощност или структури с разклонена конфигурация на портата. Такива високочестотни и микровълнови устройства са създадени за първи път в СССР от специалисти от Института за изследване на пулсарите В. В. Бачурин (силициеви устройства) и В. Я. Ваксембург (устройства с галиев арсенид).Изследването на импулсните им свойства е извършено от научната школа на проф. Дяконова В. П. (Смоленски клон на MPEI). Това отвори полето за разработване на мощни комутационни (импулсни) полеви транзистори със специални структури с високи работни напрежения и токове (отделно до 500-1000 V и 50-100 A). Такива устройства често се управляват от ниски (до 5 V) напрежения, имат ниско отворено съпротивление (до 0,01 Ohm) за устройства с голям ток, висока транскондуктивност и кратки (няколко до десетки ns) времена на превключване. Те нямат явлението натрупване на носители в структурата и явлението насищане, присъщо на биполярните транзистори. Благодарение на това мощните полеви транзистори успешно заменят мощните биполярни транзистори в областта на електрониката с ниска и средна мощност.

В чужбина през последните десетилетия бързо се развива технологията на електронните транзистори с висока мобилност (HMET), които се използват широко в устройства за микровълнова комуникация и радионаблюдение. На базата на TVPE се създават както хибридни, така и монолитни микровълнови интегрални схеми. Работата на TVPE се основава на управление на канала с помощта на двуизмерен електронен газ, чиято област се създава под контакта на затвора поради използването на хетеропреход и много тънък диелектричен слой - разделител.

Области на приложение на полеви транзистори

Значителна част от произвежданите в момента полеви транзистори са част от CMOS структури, които са изградени от полеви транзистори с канали с различни (p- и n-) типове проводимост и се използват широко в цифрови и аналогови интегрални схеми.

Поради факта, че полевите транзистори се управляват от полето (напрежението, приложено към портата), а не от тока, протичащ през основата (както в биполярните транзистори), полевите транзистори консумират значително по-малко енергия, което е особено важно във вериги на изчакващи и проследяващи устройства, както и в схеми с ниска консумация и енергоспестяване (прилагане на режими на заспиване).

Изключителни примери за устройства, базирани на транзистори с полеви ефекти, са кварцови ръчни часовници и дистанционни управления за телевизори. Благодарение на използването на CMOS структури, тези устройства могат да работят до няколко години, тъй като те не консумират почти никаква енергия.

Областите на приложение на мощните полеви транзистори се развиват с огромни темпове. Използването им в радиопредавателни устройства позволява да се получи повишена чистота на спектъра на излъчваните радиосигнали, да се намали нивото на смущения и да се повиши надеждността на радиопредавателите. В силовата електроника ключовите полеви транзистори с висока мощност успешно заменят и изместват мощните биполярни транзистори. В преобразувателите на мощност те позволяват да се увеличи честотата на преобразуване с 1-2 порядъка и рязко да се намалят размерите и теглото на преобразувателите на мощност. Устройствата с висока мощност използват биполярни транзистори с полево управление (IGBT) за успешно изместване на тиристори. В HiFi и HiEnd аудио усилватели от висок клас, мощните полеви транзистори успешно заместват мощните вакуумни тръби с ниски нелинейни и динамични изкривявания.

В допълнение към основния полупроводников материал, обикновено използван под формата на монокристал, транзисторът съдържа в конструкцията си легиращи добавки към основния материал, оловен метал, изолационни елементи и части на корпуса (пластмаса или керамика). Понякога се използват комбинирани имена, които частично описват материали от определен сорт (например „силиций върху сапфир“ или „метал-оксид-полупроводник“). Основните обаче са транзистори:

Germanicaceae

Силиций

Галиев арсенид

Доскоро други транзисторни материали не бяха използвани. Понастоящем транзистори, базирани например на прозрачни полупроводници, са достъпни за използване в дисплейни матрици. Обещаващ материал за транзистори са полупроводниковите полимери. Има и отделни съобщения за транзистори, базирани на въглеродни нанотръби.

Комбинирани транзистори

Транзисторите с резистор (RET) са биполярни транзистори с резистори, вградени в един корпус.

Транзистор Дарлингтън- комбинация от два биполярни транзистора, работещи като биполярен транзистор с голямо усилване на тока.

на транзистори със същия поляритет

на транзистори с различна полярност

Ламбда диодът е двуизводно устройство, комбинация от два полеви транзистора, което подобно на тунелен диод има значителна част с отрицателно съпротивление.

Биполярен транзистор с изолиран затвор е мощно електронно устройство, предназначено основно за управление на електрически задвижвания.

По мощност

Въз основа на разсейваната мощност под формата на топлина се разграничават:

маломощни транзистори до 100 mW

транзистори със средна мощност от 0,1 до 1 W

мощни транзистори (повече от 1 W).

Чрез изпълнение

дискретни транзистори

базиран на казус

За безплатен монтаж

За монтаж на радиатор

За автоматизирани системи за запояване

без рамка

транзистори в интегрални схеми.

Според материала и дизайна на корпуса

метал-стъкло

пластмаса

керамични

Други видове

Едноелектронните транзистори съдържат квантова точка (т.нар. „остров“) между две тунелни връзки. Тунелният ток се контролира от напрежението през портата, което е капацитивно свързано с него.

Биотранзистор

Избор въз основа на някои характеристики

Транзисторите BISS (Breakthrough in Small Signal) са биполярни транзистори с подобрени параметри за малък сигнал. Значително подобрение на параметрите на транзисторите BISS беше постигнато чрез промяна на дизайна на емитерната зона. Първите разработки на този клас устройства също бяха наречени "микротокови устройства".

Транзистори с вградени резистори RET (Resistor-equipped transistors) - биполярни транзистори с резистори, вградени в един корпус. RET е транзистор с общо предназначение с вградени един или два резистора. Този дизайн на транзистора позволява да се намали броят на прикрепените компоненти и да се сведе до минимум необходимата площ за монтаж. RET транзисторите се използват за управление на входния сигнал на микросхеми или за превключване на по-малки товари към светодиоди.

Използването на хетеропреход позволява създаването на високоскоростни и високочестотни транзистори с полеви ефекти като HEMT.

Приложение на транзисторите

Транзисторите се използват като активни (усилващи) елементи в усилвателни и превключващи стъпала.

Релетата и тиристорите имат по-голямо усилване на мощността от транзисторите, но работят само в режим на превключване.

Първият известен опит за създаване на кристален усилвател в Съединените щати е направен от немския физик Юлиус Лилиенфелд, който го патентова през 1930, 1932 и 1933 г. три варианта на усилвател на базата на меден сулфид. През 1935 г. немският учен Оскар Хайл получава британски патент за усилвател на основата на ванадиев пентоксид. През 1938 г. немският физик Пол създава работещ пример за кристален усилвател, базиран на нагрят кристал от калиев бромид. В предвоенните години са издадени още няколко подобни патента в Германия и Англия. Тези усилватели могат да се считат за прототип на съвременни полеви транзистори. Въпреки това не беше възможно да се изградят стабилни работещи устройства, т.к по това време не е имало достатъчно чисти материали и технологии за тяхната обработка. През първата половина на тридесетте години точковите триоди са направени от двама радиолюбители - канадецът Лари Кайзер и тринадесетгодишният новозеландски ученик Робърт Адамс. През юни 1948 г. (преди да бъде представен транзисторът), немските физици Робърт Пол и Рудолф Хилш, които тогава са живели във Франция, правят своя собствена версия на точков тип германиев триод, който те наричат ​​транзитрон. В началото на 1949 г. е организирано производството на транзитрони, които се използват в телефонната техника и работят по-добре и по-дълго от американските транзистори. В Русия през 20-те години в Нижни Новгород О. В. Лосев наблюдава транзисторен ефект в система от три до четири контакта на повърхността на силиций и корборунд. В средата на 1939 г. той пише: „...с полупроводници може да се изгради триелектродна система, подобна на триод“, но той е увлечен от открития от него LED ефект и не прилага тази идея. Много пътища водеха към транзистора.

ПЪРВИ ТРАНЗИСТОР

Примерите за транзисторни проекти и образци, описани по-горе, бяха резултат от местни изблици на мисъл от талантливи или щастливи хора, които не бяха подкрепени от достатъчна икономическа и организационна подкрепа и не играят сериозна роля в развитието на електрониката. J. Bardeen, W. Brattain и W. Shockley се оказаха в по-добри условия. Те работиха по единствената целенасочена дългосрочна (повече от 5 години) програма в света с достатъчна финансова и материална подкрепа в Bell Telephone Laboratories, тогава една от най-мощните и интензивни на знания в САЩ. Тяхната работа започва през втората половина на тридесетте години, работата се ръководи от Джоузеф Бекер, който привлича към нея висококвалифицирания теоретик У. Шокли и блестящия експериментатор У. Братейн. През 1939 г. Шокли излага идеята за промяна на проводимостта на тънка пластина от полупроводник (меден оксид) чрез прилагане на външно електрическо поле към нея. Това беше нещо, което напомняше както на патента на Ю. Лилиенфелд, така и на полевия транзистор, който по-късно беше направен и стана широко разпространен. През 1940 г. Шокли и Братейн взеха щастливото решение да ограничат своите изследвания до простите елементи германий и силиций. Въпреки това, всички опити за изграждане на твърдотелен усилвател се провалиха и след Пърл Харбър (практическото начало на Втората световна война за Съединените щати) те бяха отложени. Шокли и Братейн бяха изпратени в изследователски център, работещ върху радар. През 1945 г. и двамата се завръщат в Bell Labs. Там под ръководството на Шокли е създаден силен екип от физици, химици и инженери, които да работят върху твърдотелни устройства. Той включва У. Братейн и теоретичния физик Дж. Бардийн. Шокли ориентира групата към осъществяването на предвоенната им идея. Но устройството упорито отказваше да работи и Шокли, след като инструктира Бардийн и Братейн да го осъществят, на практика сам избягваше темата. Две години упорита работа донесоха само отрицателни резултати. Бардийн предположи, че излишните електрони са стабилно отложени в областите близо до повърхността и екранират външното поле. Тази хипотеза предизвика по-нататъшни действия. Плоският контролен електрод беше заменен с връх, опитвайки се да повлияе локално върху тънкия повърхностен слой на полупроводника.

Един ден Братейн случайно доближи два игловидни електрода върху повърхността на германий почти близо един до друг, а също така смеси полярността на захранващите напрежения и внезапно забеляза влиянието на тока на единия електрод върху тока на другия. Бардин веднага оцени грешката. И на 16 декември 1947 г. те пуснаха твърдотелен усилвател, който се смята за първия транзистор в света. Той е проектиран много просто - германиева плоча лежи върху метална подложка-електрод, срещу която лежат два близко разположени (10-15 микрона) контакта. Тези контакти са първоначално направени. Триъгълен пластмасов нож, увит в златно фолио, разполовен с бръснач на върха на триъгълника. Триъгълникът беше притиснат към германиевата плоча със специална пружина, направена от извит кламер. Седмица по-късно, на 23 декември 1947 г., устройството е демонстрирано на ръководството на компанията, този ден се счита за датата на раждане на транзистора. Всички бяха доволни от резултата, с изключение на Шокли: оказа се, че той, който пръв измисли полупроводников усилвател, ръководи група специалисти и им изнесе лекции по квантовата теория на полупроводниците, не участва в създаването му. И транзисторът не се оказа така, както Шокли възнамеряваше: биполярен, а не с полеви ефекти. Следователно той не може да претендира за съавторство в патента „звезда“. Устройството работеше, но този на пръв поглед неудобен дизайн не можеше да бъде показан на широката публика. Направихме няколко транзистора под формата на метални цилиндри с диаметър около 13 mm. и сглобиха "безкамерен" радиоприемник върху тях. На 30 юни 1948 г. в Ню Йорк се състоя официалното представяне на ново устройство - транзистор (от английски Transver Resistor - съпротивителен трансформатор). Но експертите не оцениха веднага възможностите му. Експерти от Пентагона "осъдиха" транзистора да се използва само в слухови апарати за възрастни хора. Така късогледството на военните спаси транзистора от класифициране. Презентацията остана почти незабелязана; само няколко абзаца за транзистора се появиха в New York Times на страница 46 в секцията „Радио новини“. Това беше появата на едно от най-големите открития на 20-ти век пред света. Дори производителите на вакуумни тръби, които са инвестирали много милиони в заводите си, не виждат заплаха в появата на транзистора. По-късно, през юли 1948 г., информация за това изобретение се появява в The Physical Review. Но едва след известно време експертите разбраха, че се е случило грандиозно събитие, което определи по-нататъшното развитие на прогреса в света. Bell Labs веднага подадоха патент за това революционно изобретение, но имаше много проблеми с технологията. Първите транзистори, пуснати в продажба през 1948 г., не вдъхват оптимизъм - веднага щом ги разклатите, коефициентът на усилване се променя няколко пъти и при нагряване те спират да работят напълно. Но те нямаха равни по миниатюрен размер. В рамки на очила могат да се поставят устройства за хора с увреден слух! Осъзнавайки, че е малко вероятно да успее да се справи сам с всички технологични проблеми, Bell Labs реши да предприеме необичайна стъпка. В началото на 1952 г. тя обяви, че напълно ще прехвърли правата за производство на транзистора на всяка компания, която желае да плати скромната сума от $25 000 вместо редовни патентни такси, и предложи курсове за обучение по транзисторна технология, помагайки за разпространението на технологията навсякъде Светът. Постепенно значението на това миниатюрно устройство става все по-ясно. Транзисторът се оказа привлекателен поради следните причини: беше евтин, миниатюрен, издръжлив, консумираше малко енергия и се включваше моментално (на лампите им трябваше много време, за да се нагреят). През 1953 г. на пазара се появява първият комерсиален транзисторизиран продукт – слухов апарат (пионер в този бизнес е Джон Килби от Centralab, който няколко години по-късно ще направи първия в света полупроводников чип), а през октомври 1954 г. първият транзистор радио, Regency TR1, то използва само четири германиеви транзистора. Индустрията на компютърните технологии веднага започна да овладява нови устройства, като първото беше IBM. Наличието на технологии даде плод - светът започна да се променя бързо.

ИзобретателиЗвезди: Уилям Шокли, Джон Бардийн и Уолтър Братейн
Страна: САЩ
Време на изобретение: 1948 г

Изобретяването на транзистора в края на 40-те години на миналия век е един от най-големите етапи в историята на електрониката. , който дотогава беше незаменим и най-важен елемент от всички радио и електронни устройства за дълго време, имаше много недостатъци.

С усложняването на радиооборудването и нарастването на общите изисквания към него тези недостатъци се усещаха все по-остро. Те включват на първо място механичната крехкост на лампите, краткия им експлоатационен живот, големите размери и ниската ефективност поради големите топлинни загуби на анода.

Ето защо, когато през втората половина на 20-ти век вакуумните тръби бяха заменени от полупроводникови елементи, които нямаха нито един от изброените недостатъци, настъпи истинска революция в радиотехниката и електрониката.

Трябва да се каже, че полупроводниците не разкриват веднага своите забележителни свойства на хората. Дълго време електротехниката използваше изключително проводници и диелектрици. Голяма група материали, които заемаха междинна позиция между тях, не намериха приложение и само няколко изследователи, изучаващи природата на електричеството, от време на време проявяваха интерес към техните електрически свойства.

Така през 1874 г. Карл Фердинанд Браун открива феномена на токова корекция в точката на контакт между олово и пирит и създава първия кристален детектор. Други изследователи са установили, че съдържащите се в тях примеси оказват значително влияние върху проводимостта на полупроводниците. Например Boeddecker открива през 1907 г., че проводимостта на медния йодид се увеличава 24 пъти в присъствието на примес от йод, който сам по себе си не е проводник.

Какво обяснява свойствата на полупроводниците и защо те са станали толкова важни в електрониката? Да вземем типичен полупроводник като германий. При нормални условия то има съпротивление 30 милиона пъти по-голямо от това на медта и 1 000 000 милиона пъти по-малко от това на медта. Следователно по своите свойства той все още е малко по-близо до проводниците, отколкото до диелектриците. Както е известно, способността на дадено вещество да провежда или да не провежда електрически ток зависи от наличието или отсъствието на свободни заредени частици в него.

Германия не прави изключение в този смисъл. Всеки от неговите атоми е четиривалентен и трябва да образува с съседните атоми имат четири електронни връзки. Но поради топлинни ефекти част от електроните напускат своите атоми и започват да се движат свободно между възлите на кристалната решетка. Това са около 2 електрона на всеки 10 милиарда атома.

Един грам германий съдържа около 10 хиляди милиарда атома, тоест има около 2 хиляди милиарда свободни електрона. Това е милиони пъти по-малко, отколкото например в медта или среброто, но все пак е достатъчно, за да може германият да пропусне малък ток през себе си. Въпреки това, както вече беше споменато, проводимостта на германия може да бъде значително увеличена, ако в неговата решетка се въведат примеси, например петвалентен атом на арсен или антимон.

Тогава четири електрона на арсен образуват валентни връзки с германиеви атоми, но петият ще остане свободен. То ще бъде слабо свързано с атома, толкова малко напрежението, приложено към кристала, ще бъде достатъчно, за да се отдели и да се превърне в свободен електрон (ясно е, че атомите на арсена стават положително заредени йони). Всичко това значително променя електрическите свойства на германия.

Ще се получи различна картина, когато тривалентен примес (например алуминий, галий или индий) се въведе в кристал на германий. Всеки примесен атом образува връзки само с три германиеви атома, а на мястото на четвъртата връзка ще има свободно пространство - дупка, която лесно може да бъде запълнена от всеки електрон (в този случай примесният атом е отрицателно йонизиран).

Ако този електрон отиде до примес от съседен германиев атом, тогава дупката от своя страна ще бъде на последният. Прилагайки напрежение към такъв кристал, получаваме ефект, който може да се нарече „движение на дупки“. Наистина, нека електрон запълни дупката на тривалентен атом от страната, където се намира отрицателният полюс на външния източник. Следователно електронът ще се приближи до положителния полюс, докато в съседния атом, разположен по-близо до отрицателния полюс, се създава нова дупка.

Тогава същото явление се случва с друг атом. Новата дупка от своя страна ще се запълни с електрон, като по този начин ще се приближи до положителния полюс, а получената дупка ще се приближи до отрицателния полюс. И когато в резултат на такова движение електронът достигне положителния полюс, откъдето отива към източника на ток, дупката ще достигне отрицателния полюс, където ще се запълни с електрон, идващ от източника на ток. Дупката се движи като че ли е частица с положителен заряд и можем да кажем, че тук електрическият ток се създава от положителни заряди. Такъв полупроводник се нарича p-тип полупроводник (от positiv - положителен).

Само по себе си явлението примесна проводимост все още не е от голямо значение, но когато се свържат два полупроводника - единият с n-проводимост, а другият с p-проводимост (например, когато се създаде n-проводимост в германиев кристал на един страна, а p от другата) -проводимост) - възникват много интересни явления.

Отрицателно йонизираните атоми в регион p ще отблъснат свободните електрони в регион n от прехода, а положително йонизираните атоми в регион n ще отблъснат дупките в регион p от прехода. Тоест pn преходът ще се превърне в своеобразна бариера между двете зони. Благодарение на това кристалът ще придобие изразена еднопосочна проводимост: за някои токове той ще се държи като проводник, а за други като изолатор.

Всъщност, ако към кристала се приложи напрежение, по-голямо от "стоп" напрежението на p-n прехода и по такъв начин, че положителният електрод да е свързан към p-областта, а отрицателният електрод към n-областта, тогава в кристала ще тече електрически ток, образуван от електрони и дупки, движещи се един към друг.

Ако потенциалите на външния източник се променят по обратния начин, токът ще спре (или по-скоро ще бъде много незначителен) - ще се получи само изтичане на електрони и дупки от границата между двете области, в резултат на което ще увеличи потенциалната бариера между тях.

В този случай полупроводниковият кристал ще се държи точно като диод с вакуумна тръба, така че устройствата, базирани на този принцип, се наричат ​​полупроводникови диоди. Подобно на тръбните диоди, те могат да служат като детектори, тоест токоизправители.

Още по-интересно явление може да се наблюдава в случая, когато се образува полупроводников кристал не един, а два p-n прехода. Този полупроводников елемент се нарича транзистор. Една от външните му области се нарича емитер, другата се нарича колектор, а средната област (която обикновено се прави много тънка) се нарича основа.

Ако подадем напрежение към емитера и колектора на транзистора, няма да тече ток, независимо как сменим поляритета. Но ако създадете малка потенциална разлика между емитера и основата, тогава свободните електрони от емитера, след като преодолеят p-n прехода, ще влязат в основата. И тъй като основата е много тънка, само малък брой от тези електрони са достатъчни, за да запълнят дупките, разположени в областта p. Следователно повечето от тях ще преминат в колектора, преодолявайки блокиращата бариера на второто кръстовище - в транзистора ще възникне електрически ток.

Това явление е още по-забележително, тъй като токът във веригата емитер-база обикновено е десетки пъти по-малък от този тече във веригата емитер-колектор , От това става ясно, че по своето действие транзисторът може в известен смисъл да се счита за аналог на триелектродна лампа (въпреки че физическите процеси в тях са напълно различни), а основата тук играе ролята на решетка, поставена между анода и катода.

Точно както в лампата, малка промяна в потенциала на решетката причинява голяма промяна в тока на пластината, в транзистора малки промени в основната верига причиняват големи промени в тока на колектора. Следователно транзисторът може да се използва като усилвател и генератор на електрически сигнали.

Полупроводниковите елементи започнаха постепенно да заменят вакуумните тръби от началото на 40-те години. От 1940 г. точковите германиеви диоди се използват широко в радарните устройства. Като цяло радарът послужи като стимул за бързото развитие на електрониката за мощни източници на високочестотна енергия. Проявява се нарастващ интерес към дециметровите и сантиметровите вълни, към създаването на електронни устройства, способни да работят в тези диапазони.

Междувременно вакуумните тръби, когато се използват във високи и свръхвисоки честоти, се държат незадоволително, тъй като собственият им шум значително ограничава чувствителността им. Използването на точкови германиеви диоди на входовете на радиоприемниците позволи рязко намаляване на собствения им шум и увеличаване на чувствителността и обхвата на откриване на обекти.

Истинската ера на полупроводниците обаче започва след Втората световна война, когато е изобретен транзисторът точка-точка.

Създаден е след множество експерименти през 1948 г. от служители на американската компания Bell, William Shockley, John Bardeen и Walter Brattain. Чрез поставяне на два точкови контакта върху германиев кристал, на кратко разстояние един от друг, и прилагане на предно отклонение към единия от тях и обратно отклонение към другия, те успяха да използват тока, преминаващ през първия контакт, за да контролират тока през втория. Този първи транзистор имаше печалба от около 100.

Новото изобретение бързо стана широко разпространено. Първите транзистори точка-точка се състоят от кристал от германий с n-проводимост, послужил за основа, върху която лежат два тънки бронзови върха, разположени много близо един до друг - на разстояние няколко микрона.

Единият от тях (обикновено берилий) служи като емитер, а другият (фосфорен бронз) служи като колектор. При направата на транзистора през накрайниците е пропускан ток от приблизително един ампер. В този случай германият се е разтопил, както и върховете на върховете. Медта и присъстващите в нея примеси преминават в германий и образуват слоеве с дупкова проводимост в непосредствена близост до точковите контакти.

Тези транзистори не бяха надеждни поради несъвършенството на техния дизайн. Те бяха нестабилни и не можеха да работят на висока мощност. Цената им беше голяма. Те обаче бяха много по-надеждни от вакуумните тръби, не се страхуваха от влага и консумираха енергия стотици пъти по-малко от подобни вакуумни тръби.

В същото време те бяха изключително икономични, тъй като изискваха много малко ток за захранване. около 0,5-1 V и не изискваше отделна батерия. Тяхната ефективност достига 70%, докато тази на лампата рядко надвишава 10%. Тъй като транзисторите не изискват нагряване, те започват да работят веднага след подаване на напрежение към тях. Освен това те имаха много ниско ниво на собствен шум и следователно оборудването, сглобено с транзистори, се оказа по-чувствително.

Постепенно новото устройство беше подобрено. През 1952 г. се появяват първите планарни германиеви транзистори с примеси. Производството им беше сложен технологичен процес. Първо, германият се пречиства от примеси и след това се образува единичен кристал. Едно обикновено парче германий се състои от голям брой кристали, слети заедно в безпорядък. За полупроводникови устройства тази структура на материала не е подходяща - тук се нуждаете от изключително правилна кристална решетка, еднаква за цялото парче. За да направите това, германият беше разтопен и в него беше пуснато семе - малък кристал с правилно ориентирана решетка.

Чрез въртене на семето около оста си, то бавно се повдигаше. В резултат на това атомите около семето се подреждат в правилна кристална решетка. Полупроводниковият материал се втвърди и обви семето. Резултатът беше монокристален прът. В същото време към стопилката се добавя примес от p или n тип. След това монокристалът беше нарязан на малки пластини, които послужиха за основа.

Емитерът и колекторът са създадени по различни начини. Най-простият метод беше да се поставят малки парчета индий от двете страни на германиева плоча и бързо да се нагреят до 600 градуса. В този случай индият е слят с основния германий. При охлаждане, наситените с индий области придобиват p-тип проводимост. След това кристалът беше поставен в корпуса и проводниците бяха свързани.

През 1955 г. компанията Bell Systems създава дифузионен германиев транзистор. Методът на дифузия се състои в поставяне на полупроводникови пластини в газова атмосфера, съдържаща примесни пари, които биха образували емитер и колектор, и нагряване на пластините до температура, близка до точката на топене. Примесните атоми постепенно проникват в полупроводника.