S pravom se smatra jednim od značajnih izuma 20. veka. pronalazak tranzistora, koji je zamijenio vakuumske cijevi.

Lampe su dugo vremena bile jedina aktivna komponenta svih radioelektronskih uređaja, iako su imale mnoge nedostatke. Prije svega, to su velika potrošnja energije, velike dimenzije, kratak vijek trajanja i niska mehanička čvrstoća. Ovi nedostaci su se osjećali sve akutnije kako se elektronska oprema poboljšavala i postajala složenija.

Revolucionarna revolucija u radiotehnici dogodila se kada su zastarjele lampe zamijenjene poluvodičkim pojačavačkim uređajima - tranzistorima, lišenim svih navedenih nedostataka.

Prvi funkcionalni tranzistor rođen je 1947. godine, zahvaljujući naporima zaposlenika američke kompanije Bell Telephone Laboratories. Njihova imena su sada poznata širom svijeta. To su naučnici - fizičari W. Shockley, D. Bardeen i W. Brighten. Već 1956. sva trojica su za ovaj pronalazak dobili Nobelovu nagradu za fiziku.

Ali, kao i mnogi veliki izumi, tranzistor nije odmah primijećen. Samo je jedna od američkih novina spomenula da je Bell Telephone Laboratories demonstrirala uređaj koji je kreirala pod nazivom tranzistor. Tamo je takođe rečeno da se može koristiti u nekim oblastima elektrotehnike umesto vakuumskih cevi.

Prikazani tranzistor je bio u obliku malog metalnog cilindra dužine 13 mm i prikazan je u prijemniku koji nije imao vakuumske cijevi. Osim toga, kompanija je uvjerila da se uređaj može koristiti ne samo za pojačanje, već i za generiranje ili pretvaranje električnog signala.

Rice. 1. Prvi tranzistor

Rice. 2. John Bardeen, William Shockley i Walter Brattain. Podijelili su Nobelovu nagradu 1956. za njihovu saradnju u razvoju prvog operativnog tranzistora na svijetu 1948. godine.

Ali mogućnosti tranzistora, kao i mnoga druga velika otkrića, nisu odmah shvaćene i cijenjene. Da bi izazvao interesovanje za novi uređaj, Bell ga je intenzivno reklamirao na seminarima i u člancima, i svima davao licence za njegovu proizvodnju.

Proizvođači elektronskih cijevi tranzistor nisu doživljavali kao ozbiljnog konkurenta, jer je bilo nemoguće odmah, jednim potezom, odbaciti tridesetogodišnju povijest proizvodnje cijevi od nekoliko stotina dizajna, te višemilionska ulaganja u njihov razvoj i proizvodnja. Stoga tranzistor nije tako brzo ušao u elektroniku, jer je era vakuumskih cijevi još uvijek trajala.

Rice. 3. Tranzistor i vakuumska cijev

Prvi koraci ka poluprovodnicima

Od davnina, elektrotehnika je koristila uglavnom dvije vrste materijala - vodiče i dielektrike (izolatore). Metali, rastvori soli i neki gasovi imaju sposobnost da provode struju. Ova sposobnost je zbog prisustva slobodnih nosilaca naboja - elektrona - u provodnicima. U vodičima se elektroni prilično lako odvajaju od atoma, ali oni metali koji imaju mali otpor (bakar, aluminij, srebro, zlato) su najpogodniji za prijenos električne energije.

Izolatori su tvari velike otpornosti; njihovi elektroni su vrlo čvrsto vezani za atom. To su porculan, staklo, guma, keramika, plastika. Dakle, u ovim supstancama nema slobodnih naboja, što znači da nema električne struje.

Ovdje je prikladno podsjetiti se na formulaciju iz udžbenika fizike da je električna struja usmjereno kretanje električno nabijenih čestica pod utjecajem električnog polja. U izolatorima jednostavno nema ničega što bi se pomicalo pod utjecajem električnog polja.

Međutim, u procesu proučavanja električnih fenomena u različitim materijalima, neki istraživači su uspjeli “osjetiti” efekte poluvodiča. Na primjer, prvi kristalni detektor (dioda) stvorio je 1874. njemački fizičar Karl Ferdinand Braun na temelju kontakta olova i pirita. (Pirit je gvozdeni pirit; kada udari u stolicu, nastane iskra, zbog čega je i dobio ime po grčkom „pir” – vatra). Kasnije je ovaj detektor uspješno zamijenio koherer u prvim prijemnicima, što je značajno povećalo njihovu osjetljivost.

Godine 1907. Boeddeker je, proučavajući provodljivost bakarnog jodida, otkrio da se njegova provodljivost povećava 24 puta u prisustvu joda, iako sam jod nije provodnik. Ali sve su to bila nasumična otkrića koja nisu mogla biti naučno potkrijepljena. Sistematsko proučavanje poluprovodnika počelo je tek 1920-1930.

U ranim danima proizvodnje tranzistora, glavni poluprovodnik je bio germanijum (Ge). Što se tiče potrošnje energije, vrlo je ekonomičan, napon otključavanja njegovog pn spoja je samo 0,1 ... 0,3 V, ali su mnogi parametri nestabilni, pa ga je zamijenio silicij (Si).

Temperatura na kojoj rade germanijumski tranzistori nije veća od 60 stepeni, dok silicijumski tranzistori mogu nastaviti da rade na 150. Silicijum je, kao poluprovodnik, superiorniji od germanijuma po drugim svojstvima, prvenstveno po frekvenciji.

Osim toga, rezerve silicijuma (običnog pijeska na plaži) u prirodi su neograničene, a tehnologija za njegovo prečišćavanje i preradu je jednostavnija i jeftinija od elementa germanija, koji je rijedak u prirodi. Prvi silicijumski tranzistor pojavio se ubrzo nakon prvog germanijumskog tranzistora - 1954. godine. Ovaj događaj je čak doveo do novog naziva „silicijumsko doba“, ne treba ga brkati sa kamenim dobom!

Rice. 4. Evolucija tranzistora

Mikroprocesori i poluprovodnici. Propadanje "silicijumskog doba"

Da li ste se ikada zapitali zašto su skoro svi računari nedavno postali višejezgarni? Termini dual-core ili quad-core su svima na usnama. Činjenica je da je povećanje performansi mikroprocesora povećanjem frekvencije takta i povećanjem broja tranzistora u jednom paketu gotovo dostiglo granicu za silikonske strukture.

Povećanje broja poluprovodnika u jednom paketu postiže se smanjenjem njihovih fizičkih dimenzija. INTEL je 2011. godine već razvio procesnu tehnologiju od 32 nm, u kojoj je dužina kanala tranzistora samo 20 nm. Međutim, takvo smanjenje ne donosi primjetno povećanje frekvencije takta, kao što je to bio slučaj do 90 nm tehnologija. Apsolutno je jasno da je vrijeme da se krene na nešto suštinski novo.

1956 U koncertnoj dvorani u Štokholmu tri američka naučnika John Bardeen, William Shockley i Walter Brattain primaju Nobelovu nagradu „za svoja istraživanja poluvodiča i otkriće efekta tranzistora“ - pravi proboj u polju fizike. Od sada su njihova imena zauvijek upisana u svjetsku nauku. Ali više od 15 godina ranije, početkom 1941. godine, mladi ukrajinski naučnik Vadim Lashkarev eksperimentalno je otkrio i opisao u svom članku fizički fenomen, koji je, kako se ispostavilo, kasnije nazvan p-n spoj (p-pozitivan, n- negativan). U svom članku je otkrio i mehanizam ubrizgavanja - najvažniji fenomen na osnovu kojeg rade poluvodičke diode i tranzistori.

Službeno, povijest tranzistora ide ovako: prvi novinski izvještaj o pojavi poluvodičkog tranzistorskog pojačala pojavio se u američkoj štampi u julu 1948. Njegovi izumitelji su američki naučnici Bardeen i Brattain. Krenuli su putem stvaranja takozvanog tranzistora tačka-tačka zasnovanog na kristalu germanijuma n-tipa. Prvi ohrabrujući rezultat dobili su krajem 1947. Međutim, uređaj se ponašao nestabilno, njegove karakteristike su bile nepredvidive, pa stoga tranzistor tačka-tačka nije dobio praktičnu upotrebu.

Proboj se dogodio 1951. godine, kada je William Shockley kreirao svoj pouzdaniji planarni n-p-n tranzistor, koji se sastojao od tri sloja germanijuma n, p i n tipa, ukupne debljine 1 cm. U roku od nekoliko godina, značaj pronalaska Američki naučnici su postali očigledni i dobili su Nobelovu nagradu.

Mnogo prije toga, čak i prije početka Velikog domovinskog rata 1941. godine, Laškarev je proveo niz uspješnih eksperimenata i otkrio p-n spoj i otkrio mehanizam difuzije elektron-rupa, na osnovu čega je pod njegovim vodstvom u ranim 50-ih godina, u Ukrajini (tada dio SSSR-a) stvorene su prve poluvodičke triode - tranzistori.

U naučnom smislu, pn spoj je prostor prostora na spoju dva poluvodiča p- i n-tipa, u kojem dolazi do prijelaza s jedne vrste provodljivosti na drugu. Električna provodljivost materijala ovisi o tome koliko čvrsto jezgra njegovih atoma drže elektrone. Dakle, većina metala su dobri provodnici jer imaju ogroman broj elektrona slabo vezanih za atomsko jezgro, koji se lako privlače pozitivnim nabojima i odbijaju negativnim. Pokretni elektroni su nosioci električne struje. S druge strane, izolatori ne propuštaju struju, jer su elektroni u njima čvrsto vezani za atome i ne reagiraju na utjecaj vanjskog električnog polja.

Poluprovodnici se ponašaju drugačije. Atomi u poluvodičkim kristalima formiraju rešetku čiji su vanjski elektroni vezani kemijskim silama. U svom čistom obliku, poluvodiči su slični izolatorima: ili slabo provode struju ili uopće ne provode. Ali čim se mali broj atoma određenih elemenata (nečistoće) doda u kristalnu rešetku, njihovo ponašanje se dramatično mijenja.

U nekim slučajevima, atomi nečistoće se vežu za atome poluvodiča, stvarajući dodatne elektrone; višak slobodnih elektrona daje poluvodiču negativan naboj. U drugim slučajevima, atomi nečistoće stvaraju takozvane "rupe" koje mogu "apsorbirati" elektrone. Tako dolazi do nedostatka elektrona i poluvodič postaje pozitivno nabijen. Pod pravim uslovima, poluprovodnici mogu da provode električnu struju. Ali za razliku od metala, oni ga provode na dva načina. Negativno nabijeni poluvodič teži da se riješi viška elektrona; ovo je n-tip provodljivosti (od negativnih). Nosioci naboja u poluvodičima ovog tipa su elektroni. S druge strane, pozitivno nabijeni poluvodiči privlače elektrone, ispunjavajući "rupe". Ali kada se jedna "rupa" popuni, u blizini se pojavljuje druga - napuštena od strane elektrona. Dakle, "rupe" stvaraju tok pozitivnog naboja, koji je usmjeren u smjeru suprotnom kretanju elektrona. Ovo je p-tip provodljivosti (od pozitivno - pozitivno). U oba tipa poluvodiča, takozvani nevećinski nosioci naboja (elektroni u poluvodičima p-tipa i "rupe" u poluvodičima n-tipa) podržavaju struju u smjeru suprotnom kretanju većinskih nosilaca naboja.

Unošenjem nečistoća u kristale germanija ili silicija mogu se stvoriti poluvodički materijali sa željenim električnim svojstvima. Na primjer, uvođenje male količine fosfora stvara slobodne elektrone, a poluvodič stječe provodljivost n-tipa. Dodavanje atoma bora, s druge strane, stvara rupe i materijal postaje poluvodič p-tipa.

Kasnije se pokazalo da poluprovodnik u koji se unose nečistoće dobija svojstvo propuštanja električne struje, tj. ima provodljivost, čija vrijednost može, pod određenim utjecajem, varirati u širokim granicama.

Kada je u SAD pronađena metoda da se takav efekat izvede električnim putem, pojavio se tranzistor (od originalnog naziva transresistor). Činjenica da je Laškarev 1941. objavio rezultate svojih otkrića u člancima „Proučavanje slojeva barijere metodom termalne sonde“ i „Uticaj nečistoća na fotoelektrični efekat ventila u bakrovom oksidu“ (u koautorstvu sa kolegom K.M. Kosonogovom ) nije zbog ratnog vremena došao u fokus naučnog svijeta. Vjerovatno su izbijanje Hladnog rata i Gvozdena zavjesa koja se spustila na Sovjetski Savez odigrala ulogu u činjenici da Laškarev nikada nije postao nobelovac. Inače, Laškarev je, dok je bio u Sibiru tokom rata, razvio bakroks diode koje su se koristile u vojnim radio stanicama i ostvarile svoju industrijsku proizvodnju.

Pored prva dva rada, Laškarev je, u saradnji sa V. I. Ljašenkom, 1950. godine objavio članak „Elektronska stanja na površini poluprovodnika” u kojem je opisao rezultate istraživanja površinskih pojava u poluprovodnicima, koji su postali osnova za rad integrisanih kola baziranih na tranzistorima sa efektom polja.

U 50-im godinama, Lashkarev je također uspio riješiti problem masovnog odbacivanja monokristala germanija. Tehničke zahtjeve za ovaj element formulirao je na nov način, budući da su prethodni bili neopravdano precijenjeni. Temeljna istraživanja Laškareva i Miseluka na Institutu za fiziku Akademije nauka Ukrajinske SSR u Kijevu pokazala su da je već dostignuti nivo tehnologije monokristala germanijuma omogućio stvaranje tačkastih dioda i trioda sa potrebnim karakteristikama. To je omogućilo ubrzanje industrijske proizvodnje prvih germanijumskih dioda i tranzistora u bivšem SSSR-u.

Tako je pod vodstvom Lashkareva ranih 50-ih u SSSR-u organizirana proizvodnja prvih tranzistora s tačkom. Formirao V.E. Laškareva naučna škola u oblasti fizike poluprovodnika postaje jedna od vodećih u SSSR-u. Priznanje za izvanredne rezultate bilo je stvaranje 1960. Instituta za poluprovodnike Akademije nauka Ukrajinske SSR, koji je vodio V.E. Lashkarev.

„Doći će vreme kada će na ovaj kristal koji nam je pokazao Vadim Jevgenijevič biti moguće postaviti čitav kompjuter!“ , - predvidio je akademik Sergej Lebedev, koji je stvorio prvi kompjuter u kontinentalnoj Evropi - MESM. I tako se dogodilo. Ali to se dogodilo više od dvadeset godina kasnije, kada su se pojavila velika LSI integrisana kola koja su sadržavala desetine i stotine hiljada tranzistora na čipu, a kasnije i ultra velika VLSI integrisana kola sa mnogo miliona komponenti na čipu, što je otvorilo put. za čovjeka u informacijsku eru.

PYATIGORSK DRŽAVNI TEHNOLOŠKI UNIVERZITET

ODELJENJE ZA MENADŽMENT I INFORMACIJE U TEHNIČKIM SISTEMIMA

SAŽETAK

"Istorija razvoja tranzistora"

Završeno:

Student gr. UITS-b-101

Sergienko Victor

Pjatigorsk, 2010

Uvod

Tranzistor (od engleskog transfer - prijenos i otpor - otpor ili transconductance - aktivna međuelektrodna provodljivost i varistor - promjenjivi otpor) je elektronički uređaj napravljen od poluvodičkog materijala, obično s tri terminala, koji omogućava ulaznim signalima da kontroliraju struju u električnom kolu. Obično se koristi za pojačavanje, generiranje i pretvaranje električnih signala.

Struja u izlaznom kolu se kontrolira promjenom ulaznog napona ili struje. Mala promjena ulaznih veličina može dovesti do znatno veće promjene izlaznog napona i struje. Ovo svojstvo pojačanja tranzistora koristi se u analognoj tehnologiji (analogna TV, radio, komunikacije, itd.).

Trenutno, analognom tehnologijom dominiraju bipolarni tranzistori (BT) (međunarodni naziv je BJT, bipolarni spojni tranzistor). Druga važna grana elektronike je digitalna tehnologija (logika, memorija, procesori, računari, digitalne komunikacije itd.), gdje su, naprotiv, bipolarni tranzistori gotovo u potpunosti zamijenjeni tranzistorima s efektom polja.

Sva moderna digitalna tehnologija izgrađena je uglavnom na MOS (metal-oksid-semiconductor) tranzistorima (MOSFET) sa efektom polja, jer su oni ekonomičniji elementi u odnosu na BT. Ponekad se nazivaju MIS (metal-dielektrik-poluvodič) tranzistori. Međunarodni termin je MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect tranzistor). Tranzistori se proizvode integrisanom tehnologijom na jednom silicijumskom kristalu (čipu) i čine elementarni „građevinski blok“ za konstruisanje čipova logike, memorije, procesora itd. Dimenzije modernih MOSFET-ova kreću se od 90 do 32 nm. Jedan moderni čip (obično veličine 1-2 cm²) može da primi nekoliko (još uvek samo nekoliko) milijardi MOSFET-ova. Tokom 60 godina došlo je do smanjenja veličine (minijaturizacije) MOSFET-a i povećanja njihovog broja na jednom čipu (stepen integracije); u narednim godinama, dalji porast stepena integracije tranzistora na čipu se očekuje (vidi Mooreov zakon). Smanjenje veličine MOPT-a također dovodi do povećanja brzine procesora, smanjene potrošnje energije i rasipanje topline.

Priča

Prvi patenti o principu rada tranzistora sa efektom polja registrovani su u Njemačkoj 1928. godine (u Kanadi, 22. oktobra 1925.) na ime austrougarskog fizičara Julija Edgara Lilienfelda. Godine 1934. njemački fizičar Oskar Heil patentirao je tranzistor sa efektom polja. Tranzistori sa efektom polja (posebno MOS tranzistori) zasnovani su na jednostavnom efektu elektrostatičkog polja; u fizici su znatno jednostavniji od bipolarnih tranzistora, pa su stoga izumljeni i patentirani mnogo prije bipolarnih tranzistora. Međutim, prvi MOSFET, koji čini osnovu moderne kompjuterske industrije, proizveden je kasnije od bipolarnog tranzistora, 1960. godine. Tek 90-ih godina 20. veka MOS tehnologija je počela da dominira nad bipolarnom tehnologijom.

Godine 1947. William Shockley, John Bardeen i Walter Brattain u Bell Labs-u prvi su stvorili radni bipolarni tranzistor, demonstriran 16. decembra. Dana 23. decembra održana je zvanična prezentacija pronalaska i ovaj datum se smatra danom pronalaska tranzistora. Po tehnologiji proizvodnje pripadao je klasi tranzistora tačka-tačka. Godine 1956. dobili su Nobelovu nagradu za fiziku "za svoja istraživanja poluprovodnika i otkriće tranzistorskog efekta". Zanimljivo je da je John Bardeen ubrzo po drugi put dobio Nobelovu nagradu za stvaranje teorije supravodljivosti.

Vakumske cijevi su kasnije zamijenjene tranzistorima u većini elektronskih uređaja, revolucionirajući stvaranje integriranih kola i kompjutera.

Bellu je trebalo ime za uređaj. Predloženi su nazivi "poluprovodnička trioda", "čvrsta trioda", "trioda površinskih stanja", "kristalna trioda" i "jotatron", ali je reč "tranzistor", koju je predložio Džon R. Pirs, pobedila na internom glasanju.

Naziv "tranzistor" prvobitno se odnosio na otpornike kontrolirane naponom. Zapravo, tranzistor se može smatrati vrstom otpora reguliranog naponom na jednoj elektrodi (kod tranzistora s efektom polja, naponom između kapije i izvora, u bipolarnim tranzistorima, naponom između baze i emitera ).

Klasifikacija tranzistora

Bipolarni tranzistor- troelektrodni poluvodički uređaj, jedna od vrsta tranzistora. Elektrode su spojene na tri sukcesivno raspoređena poluprovodnička sloja s naizmjeničnim vrstama provodljivosti nečistoća. Prema ovoj metodi alternacije razlikuju se npn i pnp tranzistori (n (negativni) - elektronski tip nečistoće provodljivosti, p (pozitivan) - tip rupe). U bipolarnom tranzistoru, za razliku od drugih varijanti, glavni nosioci su i elektroni i rupe (od riječi "bi" - "dva").

Elektroda spojena na središnji sloj naziva se baza, a elektrode povezane sa vanjskim slojevima nazivaju se kolektor i emiter. U najjednostavnijem dijagramu razlike između kolektora i emitera nisu vidljive. U stvarnosti, glavna razlika između kolektora je veća površina p-n spoja. Osim toga, tanka debljina baze je apsolutno neophodna za rad tranzistora.

Tranzistor sa bipolarnom tačkom izumljen je 1947. godine, a tokom narednih godina etablirao se kao temeljni element za proizvodnju integriranih kola korištenjem logike tranzistor-tranzistor, otpornik-tranzistor i dioda-tranzistor.

Prvi tranzistori su napravljeni na bazi germanijuma. Trenutno se proizvode uglavnom od silicijuma i galijum arsenida. Potonji tranzistori se koriste u krugovima pojačala visoke frekvencije. Bipolarni tranzistor se sastoji od tri različito dopirane poluprovodničke zone: emitera E, baze B i kolektora C. U zavisnosti od vrste provodljivosti ovih zona, NPN (emiter - n-poluprovodnik, baza - p-poluprovodnik, kolektor - n-poluprovodnik) i PNP se razlikuju.tranzistori. Konduktivni kontakti su povezani na svaku od zona. Baza se nalazi između emitera i kolektora i napravljena je od lagano dopiranog poluprovodnika visokog otpora. Ukupna površina kontakta baza-emiter je znatno manja od kontaktne površine kolektor-baza, tako da je opći bipolarni tranzistor asimetričan uređaj (nemoguće je zamijeniti emiter i kolektor promjenom polariteta veze i rezultirati bipolarnim tranzistorom apsolutno sličnim na originalni).

U aktivnom režimu rada, tranzistor je uključen tako da je njegov emiterski spoj pristrasan u smjeru naprijed (otvoren), a kolektorski spoj je pristrasan u suprotnom smjeru. Radi određenosti, razmotrimo npn tranzistor; sva razmišljanja se ponavljaju na potpuno isti način za slučaj pnp tranzistora, pri čemu je riječ "elektroni" zamijenjena "rupama", i obrnuto, kao i sa svim naponima zamijenjenim sa suprotnih znakova. U NPN tranzistoru, elektroni, glavni nosioci struje u emiteru, prolaze kroz otvoreni spoj emiter-baza (injektirani) u bazu baze. Neki od ovih elektrona se rekombinuju sa glavnim nosiocima naboja u bazi (rupama), dok se neki difunduju nazad u emiter. Međutim, budući da je baza napravljena vrlo tanko i relativno lagano dopirana, većina elektrona ubrizganih iz emitera difundira u područje kolektora. Snažno električno polje reverzno pristrasnog kolektorskog spoja hvata elektrone (zapamtite da su oni manjinski nosioci u bazi, pa je spoj za njih otvoren) i nosi ih u kolektor. Struja kolektora je tako praktično jednaka struji emitera, sa izuzetkom malog rekombinacionog gubitka u bazi, koja formira struju baze (Ie = Ib + Ik). Koeficijent α koji povezuje struju emitera i struju kolektora (Ik = α Ie) naziva se koeficijent prijenosa struje emitera. Numerička vrijednost koeficijenta α je 0,9 - 0,999. Što je veći koeficijent, to efikasnije tranzistor prenosi struju. Ovaj koeficijent malo zavisi od napona kolektor-baza i baza-emiter. Dakle, u širokom rasponu radnih napona, struja kolektora je proporcionalna struji baze, koeficijent proporcionalnosti je jednak β = α / (1 − α) = (10..1000). Tako, variranjem male bazne struje, može se kontrolisati mnogo veća struja kolektora. Nivoi elektrona i rupa su približno jednaki.

Tranzistor sa efektom polja- poluvodički uređaj u kojem se struja mijenja kao rezultat djelovanja okomite struje u električnom polju stvorenom ulaznim signalom.

Protok radne struje u tranzistoru sa efektom polja uzrokovan je nosiocima naboja samo jednog predznaka (elektroni ili rupe), pa se takvi uređaji često svrstavaju u širu klasu unipolarnih elektronskih uređaja (za razliku od bipolarnih).

Istorija stvaranja tranzistora sa efektom polja

Ideju o izolovanom tranzistoru sa efektom polja je predložio Lilienfeld 1926-1928. Međutim, objektivne poteškoće u implementaciji ovog dizajna omogućile su stvaranje prvog radnog uređaja ovog tipa tek 1960. godine. Godine 1953. Dakey i Ross su predložili i implementirali drugi dizajn tranzistora sa efektom polja - sa kontrolnim p-n spojem. Konačno, treći dizajn FET-a, FET sa Schottky barijerom, predložio je i implementirao Mead 1966. godine.

Tranzistorska kola sa efektom polja

Tranzistor sa efektom polja može se povezati u jedno od tri glavna kola: sa zajedničkim izvorom (CS), zajedničkim odvodom (OC) i zajedničkim gejtom (G).

U praksi se najčešće koristi kolo sa OE, slično kolu sa bipolarnim tranzistorom sa OE. Uobičajena kaskada izvora daje vrlo veliku struju i pojačanje snage. Šema sa OZ je slična šemi sa OB. Ne pruža strujno pojačanje, pa je stoga pojačanje snage u njemu mnogo puta manje nego u OI krugu. OZ kaskada ima nisku ulaznu impedanciju i stoga ima ograničenu praktičnu upotrebu.

Klasifikacija tranzistora sa efektom polja

Na osnovu svoje fizičke strukture i mehanizma rada, tranzistori sa efektom polja se konvencionalno dijele u 2 grupe. Prvu čine tranzistori sa kontrolnim p-n spojem ili spoj metal-poluprovodnik (Schottky barijera), drugi čine tranzistori sa kontrolom kroz izoliranu elektrodu (gejt), tzv. MIS tranzistori (metal - dielektrik - poluprovodnik).

Tranzistori sa kontrolnim p-n spojem

Tranzistor sa efektom polja sa kontrolnim p-n spojem je tranzistor sa efektom polja čija je kapija izolirana (odnosno, električno odvojena) od kanala p-n spojem koji je predodređen u suprotnom smjeru.

Takav tranzistor ima dva neispravljajuća kontakta za područje kroz koje prolazi kontrolisana struja glavnih nosilaca naboja i jedan ili dva kontrolna elektron-rupa spoja koji su predrasli u suprotnom smjeru (vidi sliku 1). Kada se obrnuti napon promijeni na p-n spoju, mijenja se njegova debljina, a samim tim i debljina područja kroz koje prolazi kontrolirana struja glavnih nosilaca naboja. Područje čija se debljina i poprečni presjek kontrolira vanjskim naponom na kontrolnom p-n spoju i kroz koje prolazi kontrolirana struja glavnih nosilaca naziva se kanal. Elektroda sa koje glavni nosioci naboja ulaze u kanal naziva se izvor. Elektroda kroz koju glavni nosioci naboja napuštaju kanal naziva se drena. Elektroda koja se koristi za regulaciju poprečnog presjeka kanala naziva se kapija.

Električna provodljivost kanala može biti n- ili p-tipa. Stoga se na osnovu električne provodljivosti kanala razlikuju tranzistori s efektom polja s n-kanalom i p-kanalom. Svi polariteti prednapona primijenjenih na elektrode n- i p-kanalnih tranzistora su suprotni.

Kontrola struje odvoda, odnosno struje iz vanjskog relativno snažnog izvora napajanja u krugu opterećenja, događa se kada se obrnuti napon promijeni na p-n spoju kapije (ili na dva p-n spoja istovremeno). Zbog male reverzne struje, snaga potrebna za kontrolu struje odvoda i potrošena iz izvora signala u krugu gejta ispada zanemarljivo mala. Stoga tranzistor sa efektom polja može osigurati pojačanje elektromagnetskih oscilacija kako u snazi ​​tako iu struji i naponu.

Dakle, tranzistor sa efektom polja je u principu sličan vakuum triodi. Izvor u tranzistoru s efektom polja sličan je katodi vakuumske triode, kapija je poput mreže, a drejn je kao anoda. Ali u isto vrijeme, tranzistor s efektom polja značajno se razlikuje od vakuumske triode. Prvo, tranzistor sa efektom polja ne zahtijeva zagrijavanje katode za rad. Drugo, svaka od ovih elektroda može obavljati bilo koju od funkcija izvora i drena. Treće, tranzistori sa efektom polja mogu se napraviti i sa n-kanalom i sa p-kanalom, što omogućava da se ova dva tipa tranzistora sa efektom polja uspešno kombinuju u kolima.

Tranzistor s efektom polja razlikuje se od bipolarnog tranzistora, prije svega, po principu rada: kod bipolarnog tranzistora izlazni signal kontrolira ulazna struja, a kod tranzistora s efektom polja ulazni napon ili električno polje. Drugo, tranzistori sa efektom polja imaju značajno veće ulazne otpore, što je povezano sa obrnutim pristrasnošću p-n spoja kapije u tipu tranzistora sa efektom polja koji se razmatra. Treće, tranzistori sa efektom polja mogu imati nizak nivo šuma (posebno na niskim frekvencijama), budući da tranzistori sa efektom polja ne koriste fenomen ubrizgavanja manjinskih nosilaca naboja i kanal tranzistora sa efektom polja može biti odvojen od površine tranzistora sa efektom polja. poluprovodnički kristal. Procesi rekombinacije nosioca u p-n spoju i bazi bipolarnog tranzistora, kao i procesi generacije-rekombinacije na površini poluvodičkog kristala, praćeni su pojavom niskofrekventnog šuma.

Tranzistori sa izolovanim kapima (MIS tranzistori)

Tranzistor sa efektom polja sa izolovanim gejtom je tranzistor sa efektom polja čija je kapija električno odvojena od kanala dielektričnim slojem.

U poluvodičkom kristalu s relativno visokom otpornošću, koji se naziva supstrat, stvaraju se dva jako dopirana područja sa suprotnim tipom provodljivosti u odnosu na supstrat. Metalne elektrode se nanose na ova područja - izvor i odvod. Udaljenost između jako dopiranog izvora i područja drena može biti manja od mikrona. Površina poluvodičkog kristala između izvora i drena prekrivena je tankim slojem (oko 0,1 μm) dielektrika. Budući da je početni poluvodič za tranzistore sa efektom polja obično silicijum, kao dielektrik se koristi sloj silicijum dioksida SiO2 koji je narastao na površini silicijumskog kristala visokotemperaturnom oksidacijom. Metalna elektroda - kapija - nanosi se na dielektrični sloj. Rezultat je struktura koja se sastoji od metala, dielektrika i poluvodiča. Stoga se tranzistori sa efektom polja sa izolovanim gejtom često nazivaju MOS tranzistori.

Ulazni otpor MOS tranzistora može dostići 1010...1014 Ohma (za tranzistore sa efektom polja sa kontrolnim p-n spojem 107...109), što je prednost pri izgradnji uređaja visoke preciznosti.

Postoje dvije vrste MOS tranzistora: sa induciranim kanalom i sa ugrađenim kanalom.

U MOS tranzistorima s induciranim kanalom ne postoji provodni kanal između jako dopiranog izvora i područja odvoda i stoga se primjetna struja odvoda pojavljuje samo na određenom polaritetu i na određenoj vrijednosti napona gejta u odnosu na izvor, što je naziva se granični napon (UTV).

U MOS tranzistorima sa ugrađenim kanalom, blizu površine poluvodiča ispod kapije, pri nultom naponu na kapiji u odnosu na izvor, postoji inverzni sloj - kanal koji povezuje izvor sa odvodom.

Stoga, jako dopirana područja ispod izvora i drena, kao i inducirani i ugrađeni kanali, imaju p-tip provodljivosti. Ako se slični tranzistori kreiraju na podlozi sa p-tipom električne provodljivosti, tada će njihov kanal imati električnu vodljivost n-tipa.

MOS tranzistori sa indukovanim kanalom

Kada je napon gejta u odnosu na izvor nula, i kada postoji napon na drenažu, struja drena se ispostavlja zanemarljivom. Predstavlja obrnutu struju pn spoja između podloge i jako dopirane drenažne regije. Pri negativnom potencijalu na kapiji (za strukturu prikazanu na slici 2, a), kao rezultat prodora električnog polja kroz dielektrični sloj u poluvodič pri niskim naponima na kapiji (manje UGpore), polje efektni sloj i oblast osiromašena većinskim nosiocima pojavljuje se na površini poluprovodnika ispod kapije.prostorni naboj, koji se sastoji od jonizovanih nekompenzovanih atoma nečistoća. Pri naponu gejta većem od UGpore, pojavljuje se inverzni sloj blizu površine poluvodiča ispod kapije, što je kanal koji povezuje izvor sa drenažom. Debljina i poprečni presjek kanala mijenjat će se s promjenama napona na vratima, a u skladu s tim će se mijenjati i struja odvoda, odnosno struja u strujnom krugu i relativno snažnom izvoru napajanja. Ovako se kontroliše struja odvoda u tranzistoru sa efektom polja sa izolovanim gejtom i indukovanim kanalom.

Zbog činjenice da je kapija odvojena od podloge dielektričnim slojem, struja u krugu gejta je zanemarljiva, a snaga koja se troši iz izvora signala u krugu gejta i potrebna za kontrolu relativno velike struje odvoda je također mala. . Dakle, MOS tranzistor sa induciranim kanalom može proizvesti pojačanje elektromagnetnih oscilacija napona i snage.

Princip pojačanja snage u MOS tranzistorima može se posmatrati sa stanovišta nosilaca naboja koji prenose energiju konstantnog električnog polja (energija izvora energije u izlaznom kolu) u naizmenično električno polje. U MOS tranzistoru, prije nego što se kanal pojavio, gotovo sav napon napajanja u strujnom kolu pao je preko poluvodiča između izvora i odvoda, stvarajući relativno veliku konstantnu komponentu jakosti električnog polja. Pod utjecajem napona na kapiji, u poluvodiču ispod kapije se pojavljuje kanal, duž kojeg se nosioci naboja - rupe - kreću od izvora do odvoda. Rupe, koje se kreću u smjeru konstantne komponente električnog polja, ubrzavaju se ovim poljem i njihova energija raste zbog energije izvora napajanja u odvodnom krugu. Istovremeno sa nastankom kanala i pojavom mobilnih nosilaca naboja u njemu, napon na drenažu opada, odnosno trenutna vrijednost promjenljive komponente električnog polja u kanalu je usmjerena suprotno od konstantne komponente. Stoga su rupe inhibirane naizmjeničnim električnim poljem, dajući mu dio svoje energije.

TIR konstrukcije za posebne namjene

U strukturama metal-nitrid-oksid-poluprovodnik (MNOS), dielektrik ispod kapije je napravljen od dva sloja: sloja SiO2 oksida i debelog sloja Si3N4 nitrida. Između slojeva se formiraju zamke elektrona koje, kada se na kapiju MNOS strukture dovede pozitivan napon (28..30 V), hvataju elektrone koji tuneliraju kroz tanak sloj SiO2. Rezultirajući negativno nabijeni ioni povećavaju granični napon, a njihov naboj se može pohraniti i do nekoliko godina u nedostatku struje, budući da sloj SiO2 sprječava curenje naboja. Kada se veliki negativni napon (28...30 V) dovede na kapiju, akumulirani naboj se rastvara, što značajno smanjuje granični napon.

Strukture metal-oksid-poluprovodnika (MOS) s plivajućim vratima imaju kapiju napravljenu od polikristalnog silicijuma koja je izolirana od ostalih dijelova strukture. Lavini slom p-n spoja supstrata i drena ili izvora, na koji se primjenjuje visoki napon, omogućava elektronima da prodru kroz oksidni sloj do kapije, uslijed čega se na njoj pojavljuje negativan naboj. Izolaciona svojstva dielektrika omogućavaju da se ovaj naboj zadrži decenijama. Uklanjanje električnog naboja sa kapije se postiže jonizujućim ultraljubičastim zračenjem kvarcnim lampama, dok fotostruja omogućava rekombinaciju elektrona sa rupama.

Nakon toga su razvijene tranzistorske strukture sa efektom polja memorije sa dvostrukim vratima. Gejt ugrađen u dielektrik koristi se za pohranjivanje naboja koji određuje stanje uređaja, a vanjski (običan) gejt, kontroliran impulsima suprotnog polariteta, koristi se za uvođenje ili uklanjanje naboja na ugrađenom (unutrašnjem) kapija. Tako su se pojavile ćelije, a potom i čipovi fleš memorije, koji su ovih dana postali veoma popularni i postali značajna konkurencija čvrstim diskovima u računarima.

Za implementaciju veoma velikih integrisanih kola (VLSI), stvoreni su subminijaturni mikrotranzistori sa efektom polja. Izrađuju se pomoću nanotehnologije s geometrijskom rezolucijom manjom od 100 nm. U takvim uređajima, debljina dielektrika kapije doseže nekoliko atomskih slojeva. Koriste se različite strukture, uključujući strukture sa tri kapije. Uređaji rade u režimu mikronapajanja. U modernim Intel mikroprocesorima, broj uređaja se kreće od desetina miliona do 2 milijarde. Najnoviji tranzistori sa efektom mikropolja napravljeni su od napregnutog silicijuma, imaju metalnu kapiju i koriste novi patentirani dielektrični materijal za zatvaranje baziran na spojevima hafnija.

U posljednjih četvrt stoljeća, snažni tranzistori sa efektom polja, uglavnom tipa MIS, doživjeli su brzi razvoj. Sastoje se od više struktura male snage ili struktura sa razgranatom konfiguracijom kapije. Takve VF i mikrotalasne uređaje prvi su stvorili u SSSR-u stručnjaci sa Instituta za istraživanje Pulsar V.V. Bachurin (silicijumski uređaji) i V. Ya. Vaxemburg (uređaji od galij-arsenida). Proučavanje njihovih pulsnih svojstava provela je naučna škola prof. Dyakonova V. P. (Smolenska podružnica MPEI). Ovo je otvorilo polje razvoja moćnih komutacionih (impulsnih) tranzistora sa efektom polja sa posebnim strukturama koje imaju visoke radne napone i struje (posebno do 500-1000 V i 50-100 A). Takvi uređaji se često upravljaju niskim (do 5 V) naponom, imaju nizak otvoreni otpor (do 0,01 Ohm) za visokostrujne uređaje, visoku transkonduktivnost i kratka (nekoliko do desetina ns) vremena uključivanja. Nemaju fenomen nakupljanja nosača u strukturi i fenomen zasićenja svojstven bipolarnim tranzistorima. Zahvaljujući tome, tranzistori s efektom polja velike snage uspješno zamjenjuju bipolarne tranzistori velike snage u oblasti energetske elektronike male i srednje snage.

U inostranstvu se poslednjih decenija ubrzano razvija tehnologija visoko pokretnih elektronskih tranzistora (HMET), koji se široko koriste u mikrotalasnim komunikacijskim i radio-nadzornim uređajima. Na osnovu TVPE kreiraju se i hibridna i monolitna mikrotalasna integrisana kola. Rad TVPE temelji se na kontroli kanala pomoću dvodimenzionalnog elektronskog plina, čija se oblast stvara ispod kontakta gejta zbog upotrebe heterospojnice i vrlo tankog dielektričnog sloja - odstojnika.

Područja primjene tranzistora sa efektom polja

Značajan dio trenutno proizvedenih tranzistora sa efektom polja dio je CMOS struktura, koje su izgrađene od tranzistora sa efektom polja sa kanalima različitih (p- i n-) tipova provodljivosti i koji se široko koriste u digitalnim i analognim integriranim kolima.

Zbog činjenice da tranzistori s efektom polja upravljaju poljem (naponom koji se primjenjuje na gejt), a ne strujom koja teče kroz bazu (kao kod bipolarnih tranzistori), tranzistori s efektom polja troše znatno manje energije, što je posebno važno u krugovima uređaja za čekanje i praćenje, kao i u shemama niske potrošnje i uštede energije (implementacija režima mirovanja).

Izvanredni primjeri uređaja baziranih na tranzistorima sa efektom polja su kvarcni ručni satovi i daljinski upravljači za TV. Zbog upotrebe CMOS struktura, ovi uređaji mogu raditi i do nekoliko godina jer praktično ne troše energiju.

Područja primjene tranzistora s efektom polja velike snage razvijaju se ogromnom brzinom. Njihova upotreba u radio predajnicima omogućava povećanje čistoće spektra emitovanih radio signala, smanjenje nivoa smetnji i povećanje pouzdanosti radio predajnika. U energetskoj elektronici ključni tranzistori velike snage s efektom polja uspješno zamjenjuju i istiskuju bipolarne tranzistori velike snage. U energetskim pretvaračima omogućavaju povećanje frekvencije konverzije za 1-2 reda veličine i oštro smanjenje dimenzija i težine energetskih pretvarača. Uređaji velike snage koriste polje kontrolirane bipolarne tranzistore (IGBT) kako bi uspješno istisnuli tiristore. U vrhunskim HiFi i HiEnd audio pojačalima, moćni tranzistori sa efektom polja uspješno zamjenjuju moćne vakuumske cijevi s niskim nelinearnim i dinamičkim izobličenjima.

Osim glavnog poluvodičkog materijala, koji se obično koristi u obliku jednog kristala, tranzistor u svojoj konstrukciji sadrži legirajuće aditive glavnom materijalu, metalu olova, izolacijskim elementima i dijelovima kućišta (plastičnim ili keramičkim). Ponekad se koriste kombinovani nazivi koji djelimično opisuju materijale određene vrste (na primjer, "silicijum na safiru" ili "metal-oksid-poluprovodnik"). Međutim, glavni su tranzistori:

Germanicaceae

Silicijum

Galijum arsenid

Do nedavno se nisu koristili drugi materijali tranzistora. Trenutno su tranzistori zasnovani na, na primjer, prozirnim poluvodičima dostupni za upotrebu u matricama prikaza. Materijal koji obećava za tranzistore su poluvodički polimeri. Postoje i izolirani izvještaji o tranzistorima baziranim na ugljičnim nanocijevima.

Kombinovani tranzistori

Tranzistori opremljeni otpornicima (RET) su bipolarni tranzistori sa otpornicima ugrađenim u jedno kućište.

Darlington tranzistor- kombinacija dva bipolarna tranzistora, koji rade kao bipolarni tranzistor sa visokim strujnim pojačanjem.

na tranzistorima istog polariteta

na tranzistorima različitih polariteta

Lambda dioda je uređaj s dva terminala, kombinacija dva tranzistora s efektom polja, koji, poput tunelske diode, ima značajan dio s negativnim otporom.

Bipolarni tranzistor sa izolovanim vratima je energetski elektronski uređaj dizajniran prvenstveno za upravljanje električnim pogonima.

Po snazi

Na osnovu snage raspršene u obliku topline razlikuju se:

tranzistori male snage do 100 mW

tranzistori srednje snage od 0,1 do 1 W

snažni tranzistori (više od 1 W).

Po izvršenju

diskretni tranzistori

na osnovu slučaja

Za besplatnu instalaciju

Za ugradnju na radijator

Za automatizovane sisteme lemljenja

bez okvira

tranzistori u integrisanim kolima.

Prema materijalu i dizajnu kućišta

metal-staklo

plastika

keramika

Druge vrste

Jednoelektronski tranzistori sadrže kvantnu tačku (tzv. “ostrvo”) između dva tunelska spoja. Tunelska struja je kontrolirana naponom na kapiji, koja je kapacitivno spojena na nju.

Biotransistor

Izbor na osnovu nekih karakteristika

BISS (Breakthrough in Small Signal) tranzistori su bipolarni tranzistori sa poboljšanim parametrima malog signala. Značajno poboljšanje parametara BISS tranzistora postignuto je promjenom dizajna zone emitera. Prvi razvoji ove klase uređaja nazivani su i „mikrostrujni uređaji“.

Tranzistori sa ugrađenim otpornicima RET (Resistor-equipped tranzistori) - bipolarni tranzistori sa otpornicima ugrađenim u jedno kućište. RET je tranzistor opće namjene sa ugrađenim jednim ili dva otpornika. Ovaj dizajn tranzistora omogućava smanjenje broja spojenih komponenti i minimiziranje potrebne površine za instalaciju. RET tranzistori se koriste za kontrolu ulaznog signala mikrokola ili za prebacivanje manjih opterećenja na LED diode.

Upotreba heterospojnice omogućava stvaranje brzih i visokofrekventnih tranzistora sa efektom polja kao što je HEMT.

Primjena tranzistora

Tranzistori se koriste kao aktivni (pojačavajući) elementi u stepenu pojačanja i prebacivanja.

Releji i tiristori imaju veće pojačanje snage od tranzistori, ali rade samo u prekidačkom načinu rada.

Prvi poznati pokušaj stvaranja kristalnog pojačala u Sjedinjenim Državama napravio je njemački fizičar Julius Lilienfeld, koji ga je patentirao 1930., 1932. i 1933. godine. tri opcije pojačala na bazi bakarnog sulfida. Godine 1935. njemački naučnik Oskar Heil dobio je britanski patent za pojačalo na bazi vanadijum pentoksida. Godine 1938. njemački fizičar Pohl stvorio je radni primjer kristalnog pojačala na bazi zagrijanog kristala kalijum bromida. U predratnim godinama izdato je još nekoliko sličnih patenata u Njemačkoj i Engleskoj. Ova pojačala se mogu smatrati prototipom modernih tranzistora sa efektom polja. Međutim, nije bilo moguće izgraditi stabilne radne uređaje, jer tada još nije bilo dovoljno čistih materijala i tehnologija za njihovu preradu. U prvoj polovini tridesetih, triode za tačke napravila su dva radio-amatera - Kanađanin Larry Kaiser i trinaestogodišnji novozelandski školarac Robert Adams. U junu 1948. (prije nego što je tranzistor otkriven), njemački fizičari Robert Pohl i Rudolf Hilsch, koji su tada živjeli u Francuskoj, napravili su vlastitu verziju germanijumske triode točkaste, koju su nazvali tranzitron. Početkom 1949. godine organizirana je proizvodnja tranzitrona, korišteni su u telefonskoj opremi, a radili su bolje i duže od američkih tranzistora. U Rusiji 20-ih godina u Nižnjem Novgorodu, O.V. Losev je uočio efekat tranzistora u sistemu od tri do četiri kontakta na površini silicijuma i korborunda. Sredinom 1939. napisao je: "...sa poluprovodnicima se može izgraditi sistem od tri elektrode sličan triodi", ali ga je zanio LED efekat koji je otkrio i nije implementirao ovu ideju. Mnogi putevi su vodili do tranzistora.

PRVI TRANSISTOR

Gore opisani primjeri tranzistorskih projekata i uzoraka bili su rezultati lokalnih naleta talentovanih ili sretnih ljudi, koji nisu bili podržani dovoljnom ekonomskom i organizacijskom podrškom i nisu imali ozbiljnu ulogu u razvoju elektronike. J. Bardeen, W. Brattain i W. Shockley našli su se u boljim uslovima. Radili su na jedinom svrsishodnom dugotrajnom (više od 5 godina) programu u svijetu uz dovoljnu finansijsku i materijalnu podršku u Bell Telephone Laboratories, tada jednoj od najmoćnijih i najzahtjevnijih u SAD-u. Njihov rad je započeo u drugoj polovini tridesetih godina, a rad je vodio Joseph Becker, koji je privukao visokokvalifikovanog teoretičara W. Shockleya i briljantnog eksperimentatora W. Brattaina. 1939. Shockley je iznio ideju o promjeni provodljivosti tanke poluvodičke pločice (bakrenog oksida) primjenom vanjskog električnog polja na nju. Bilo je to nešto što je podsjećalo i na patent Yu. Lilienfelda i na tranzistor s efektom polja koji je kasnije napravljen i postao široko rasprostranjen. 1940. Shockley i Brattain su donijeli sretnu odluku da ograniče svoja istraživanja na jednostavne elemente germanij i silicijum. Međutim, svi pokušaji da se napravi solid-state pojačalo su bili uzaludni, a nakon Pearl Harbora (praktični početak Drugog svjetskog rata za Sjedinjene Države) oni su odloženi. Shockley i Brattain su poslani u istraživački centar koji radi na radaru. 1945. oboje su se vratili u Bell Labs. Tamo je, pod Šoklijevim vođstvom, stvoren jak tim fizičara, hemičara i inženjera za rad na čvrstim uređajima. Uključivao je W. Brattaina i teorijskog fizičara J. Bardeena. Šokli je grupu orijentisao na implementaciju njihove predratne ideje. Ali uređaj je tvrdoglavo odbijao raditi, a Shockley je, nakon što je naložio Bardeenu i Brattainu da ga ostvare, praktički sam izbjegao ovu temu. Dvije godine napornog rada donijele su samo negativne rezultate. Bardeen je sugerirao da je višak elektrona čvrsto deponiran u područjima blizu površine i da je ekranizirao vanjsko polje. Ova hipoteza je podstakla dalje akcije. Ravna kontrolna elektroda zamijenjena je vrhom, pokušavajući lokalno utjecati na tanki površinski sloj poluvodiča.

Jednog dana, Brattain je slučajno spojio dvije igličaste elektrode na površini germanija gotovo usko zajedno, a također je pomiješao polaritet napona napajanja i odjednom primijetio utjecaj struje jedne elektrode na struju druge. Bardin je odmah shvatio grešku. A 16. decembra 1947. lansirali su poluprovodničko pojačalo, koje se smatra prvim tranzistorom na svijetu. Dizajniran je vrlo jednostavno - germanijumska ploča je ležala na metalnoj podlozi-elektrodi, na koju su naslonjena dva blisko razmaknuta (10-15 mikrona) kontakta. Ovi kontakti su prvobitno uspostavljeni. Trokutasti plastični nož umotan u zlatnu foliju, prepolovljen britvom na vrhu trokuta. Trougao je bio pritisnut na germanijumsku ploču specijalnom oprugom napravljenom od zakrivljene spajalice. Sedmicu kasnije, 23. decembra 1947., uređaj je demonstriran upravi kompanije, ovaj dan se smatra datumom rođenja tranzistora. Svi su bili zadovoljni rezultatom, osim Shockleyja: pokazalo se da on, koji je prvi osmislio poluvodičko pojačalo, predvodio je grupu stručnjaka i držao im predavanja o kvantnoj teoriji poluvodiča, nije sudjelovao u njegovom stvaranju. I tranzistor nije ispao onako kako je Šokli nameravao: bipolarni, a ne sa efektom polja. Stoga nije mogao tražiti koautorstvo u patentu "zvijezda". Uređaj je radio, ali ovaj naizgled nespretan dizajn nije mogao biti prikazan široj javnosti. Napravili smo nekoliko tranzistora u obliku metalnih cilindara prečnika oko 13 mm. i na njima sastavio radio prijemnik bez cijevi. Dana 30. juna 1948. u Njujorku je održana zvanična prezentacija novog uređaja - tranzistora (od engleskog Transver Resistor - otporni transformator). Ali stručnjaci nisu odmah procijenili njegove mogućnosti. Stručnjaci iz Pentagona "osudili" su tranzistor da se koristi samo u slušnim aparatima za starije osobe. Dakle, miopija vojske spasila je tranzistor od povjerljivosti. Prezentacija je prošla gotovo nezapaženo; samo nekoliko pasusa o tranzistoru pojavilo se u New York Timesu na 46. stranici u rubrici “Radio News”. Ovo je bila pojava jednog od najvećih otkrića 20. veka u svetu. Čak ni proizvođači vakumskih cijevi, koji su uložili mnogo miliona u svoje fabrike, nisu vidjeli prijetnju u izgledu tranzistora. Kasnije, u julu 1948. godine, informacije o ovom izumu su se pojavile u The Physical Review. Ali tek nakon nekog vremena stručnjaci su shvatili da se dogodio grandiozan događaj koji je odredio dalji razvoj napretka u svijetu. Bell Labs je odmah prijavio patent za ovaj revolucionarni izum, ali je bilo dosta problema s tehnologijom. Prvi tranzistori, koji su pušteni u prodaju 1948. godine, nisu ulivali optimizam - čim ste ih protresli, pojačanje se promijenilo nekoliko puta, a kada su se zagrijali, potpuno su prestali raditi. Ali nisu imali ravnog u minijaturnoj veličini. U okvire naočara mogli bi se staviti uređaji za osobe sa oštećenim sluhom! Shvativši da je malo vjerovatno da će se samostalno nositi sa svim tehnološkim problemima, Bell Labs se odlučio na neobičan korak. Početkom 1952. objavila je da će u potpunosti licencirati prava na proizvodnju tranzistora svakoj kompaniji koja je spremna platiti skromnu sumu od 25.000 dolara umjesto redovnih naknada za patente, a ponudila je i kurseve obuke o tranzistorskoj tehnologiji, pomažući u širenju tehnologije širom svijeta. svijet. Važnost ovog minijaturnog uređaja postepeno je postajala sve jasnija. Tranzistor se pokazao atraktivnim iz sljedećih razloga: bio je jeftin, minijaturan, izdržljiv, trošio je malo energije i odmah se uključio (lampama je trebalo dugo da se zagrijavaju). Godine 1953. na tržištu se pojavio prvi komercijalni tranzistorski proizvod - slušni aparat (pionir u ovom poslu bio je John Kilby iz Centralab-a, koji će nekoliko godina kasnije napraviti prvi poluprovodnički čip na svijetu), a u oktobru 1954. prvi tranzistor radio, Regency TR1, koristio je samo četiri germanijumska tranzistora. Industrija kompjuterske tehnologije odmah je počela da ovladava novim uređajima, a prvi je bio IBM. Dostupnost tehnologije je urodila plodom - svijet se počeo brzo mijenjati.

Inventori Uloge: William Shockley, John Bardeen i Walter Brattain
Zemlja: SAD
Vrijeme izuma: 1948

Pronalazak tranzistora kasnih 1940-ih bio je jedan od najvećih prekretnica u istoriji elektronike. , koji je do tada bio neizostavan i najvažniji element svih radio i elektronskih uređaja dugo vremena, imao je mnogo nedostataka.

Kako je radio oprema postajala sve složenija i opći zahtjevi za njom rasli, ovi nedostaci su se osjećali sve oštrije. To uključuje, prije svega, mehaničku krhkost svjetiljki, njihov kratak vijek trajanja, velike dimenzije i nisku efikasnost zbog velikih gubitaka topline na anodi.

Stoga, kada su vakuumske cijevi u drugoj polovini 20. stoljeća zamijenjene poluvodičkim elementima koji nisu imali nijednu od navedenih mana, dogodila se prava revolucija u radiotehnici i elektronici.

Mora se reći da poluprovodnici nisu odmah otkrili ljudima svoja izuzetna svojstva. Dugo vremena elektrotehnika je koristila isključivo vodiče i dielektrike. Velika grupa materijala koji su zauzimali srednju poziciju između njih nije našla nikakvu primjenu, a samo je nekoliko istraživača, proučavajući prirodu elektriciteta, s vremena na vrijeme pokazivalo zanimanje za njihova električna svojstva.

Tako je 1874. Karl Ferdinand Braun otkrio fenomen ispravljanja struje na mjestu kontakta između olova i pirita i stvorio prvi kristalni detektor. Drugi istraživači su otkrili da nečistoće koje sadrže imaju značajan uticaj na provodljivost poluprovodnika. Na primjer, Boeddecker je 1907. otkrio da se provodljivost bakarnog jodida povećava 24 puta u prisustvu primjesa joda, koji sam po sebi nije provodnik.

Šta objašnjava svojstva poluprovodnika i zašto su oni postali toliko važni u elektronici? Uzmimo tipičan poluprovodnik kao što je germanijum. U normalnim uslovima, ima otpornost 30 miliona puta veću od bakra i 1.000.000 miliona puta manju od bakra. Zbog toga je po svojim svojstvima ipak nešto bliži provodnicima nego dielektricima. Kao što je poznato, sposobnost tvari da provodi ili ne provodi električnu struju ovisi o prisutnosti ili odsustvu slobodnih nabijenih čestica u njoj.

Njemačka nije izuzetak u tom smislu. Svaki od njegovih atoma je četverovalentan i mora se formirati sa susjedni atomi imaju četiri elektronske veze. Ali zbog toplinskih efekata, neki od elektrona napuštaju svoje atome i počinju se slobodno kretati između čvorova kristalne rešetke. To je oko 2 elektrona na svakih 10 milijardi atoma.

Jedan gram germanijuma sadrži oko 10 hiljada milijardi atoma, odnosno ima oko 2 hiljade milijardi slobodnih elektrona. To je milione puta manje nego, na primjer, u bakru ili srebru, ali ipak dovoljno da germanij propušta malu struju kroz sebe. Međutim, kao što je već spomenuto, vodljivost germanija može se značajno povećati ako se u njegovu rešetku uvedu nečistoće, na primjer, petovalentni atom arsena ili antimona.

Tada četiri elektrona arsena formiraju valentne veze sa atomima germanija, ali će peti ostati slobodan. Bit će slabo vezan za atom, tako mali napon primijenjen na kristal bit će dovoljan da se on odvoji i pretvori u slobodni elektron (jasno je da atomi arsena postaju pozitivno nabijeni joni). Sve to značajno mijenja električna svojstva germanija.

Drugačija slika će se pojaviti kada se trovalentna nečistoća (na primjer, aluminijum, galijum ili indijum) unese u kristal germanijuma. Svaki atom nečistoće stvara veze sa samo tri atoma germanija, a na mjestu četvrte veze postojat će slobodan prostor - rupa koju lako može popuniti bilo koji elektron (u ovom slučaju atom nečistoće je negativno ioniziran).

Ako ovaj elektron ode do nečistoće iz susjednog atoma germanija, tada će rupa, zauzvrat, biti na posljednji. Primjenom napona na takav kristal dobijamo efekat koji se može nazvati "kretanjem rupa". Zaista, neka elektron ispuni rupu trovalentnog atoma na strani gdje se nalazi negativni pol vanjskog izvora. Posljedično, elektron će se kretati bliže pozitivnom polu, dok se u susjednom atomu koji se nalazi bliže negativnom polu stvara nova rupa.

Tada se isti fenomen javlja i sa drugim atomom. Nova rupa će se, zauzvrat, napuniti elektronom, približavajući se tako pozitivnom polu, a nastala rupa će se približiti negativnom polu. A kada, kao rezultat takvog kretanja, elektron dođe do pozitivnog pola, odakle ide do izvora struje, rupa će doći do negativnog pola, gdje će se ispuniti elektronom koji dolazi iz izvora struje. Rupa se pomera kao da je čestica s pozitivnim nabojem, a možemo reći da ovdje električnu struju stvaraju pozitivni naboji. Takav poluvodič se naziva poluvodič p-tipa (od pozitivno - pozitivan).

Sam po sebi, fenomen provodljivosti nečistoća još nije od velike važnosti, ali kada se povežu dva poluprovodnika - jedan sa n-provodljivošću, a drugi sa p-provodljivošću (na primer, kada se n-provodljivost stvara u germanijumskom kristalu na jednom strane, a p s druge strane) -provodljivost) - javljaju se vrlo zanimljive pojave.

Negativno jonizovani atomi u regionu p će odbiti slobodne elektrone u regionu n od prelaza, a pozitivno ionizovani atomi u regionu n će odbiti rupe u regionu p od prelaza. Odnosno, pn spoj će se pretvoriti u neku vrstu barijere između dva područja. Zahvaljujući tome, kristal će dobiti izraženu jednosmjernu provodljivost: za neke struje će se ponašati kao provodnik, a za druge kao izolator.

Zapravo, ako se na kristal primijeni napon veći od “stop” napona p-n spoja, i to na način da je pozitivna elektroda spojena na p-područje, a negativna elektroda na n-područje, tada će u kristalu teći električna struja, formirana od elektrona i rupa koje se kreću jedna prema drugoj.

Ako se potencijali vanjskog izvora promijene na suprotan način, struja će prestati (tačnije, bit će vrlo beznačajna) - dogodit će se samo otjecanje elektrona i rupa sa granice između dva područja, kao rezultat što će potencijalna barijera između njih povećati.

U ovom slučaju, poluvodički kristal će se ponašati baš kao dioda vakuumske cijevi, pa se uređaji zasnovani na ovom principu nazivaju poluvodičke diode. Kao i cijevne diode, mogu poslužiti kao detektori, odnosno ispravljači struje.

Još zanimljiviji fenomen može se uočiti u slučaju kada se formira poluvodički kristal ne jedan, već dva p-n spoja. Ovaj poluvodički element naziva se tranzistor. Jedan od njegovih vanjskih područja naziva se emiter, drugi se zove kolektor, a srednji dio (koji je obično vrlo tanak) naziva se baza.

Ako dovedemo napon na emiter i kolektor tranzistora, struja neće teći, bez obzira na to kako promijenimo polaritet. Ali ako stvorite malu potencijalnu razliku između emitera i baze, tada će slobodni elektroni iz emitera, nakon što prevladaju p-n spoj, ući u bazu. A pošto je baza veoma tanka, samo mali broj ovih elektrona je dovoljan da popuni rupe koje se nalaze u p regionu. Stoga će većina njih proći u kolektor, prevladavajući prepreku blokiranja drugog spoja - u tranzistoru će nastati električna struja.

Ovaj fenomen je tim značajniji jer je struja u krugu emiter-baza obično desetine puta manja od te teče u krugu emiter-kolektor.Iz ovoga je jasno da se po svom djelovanju tranzistor može, u određenom smislu, smatrati analogom troelektrodne lampe (iako su fizički procesi u njima potpuno različiti), a baza ovdje igra ulogu mreže postavljene između anode i katode.

Baš kao u lampi, mala promjena potencijala mreže uzrokuje veliku promjenu struje ploče, u tranzistoru male promjene u osnovnom kolu uzrokuju velike promjene struje kolektora. Stoga se tranzistor može koristiti kao pojačalo i generator električnog signala.

Poluvodički elementi počeli su postepeno zamjenjivati ​​vakuumske cijevi od ranih 40-ih godina. Od 1940. godine, točkaste germanijumske diode se široko koriste u radarskim uređajima. Općenito, radar je poslužio kao poticaj za brzi razvoj elektronike za moćne izvore energije visoke frekvencije. Povećano je interesovanje za decimetarske i centimetarske talase, za stvaranje elektronskih uređaja sposobnih za rad u ovim opsezima.

U međuvremenu, vakuumske cijevi, kada se koriste na visokim i ultravisokim frekvencijama, ponašale su se nezadovoljavajuće, jer je njihova vlastita buka značajno ograničavala njihovu osjetljivost. Upotreba točkastih germanijumskih dioda na ulazima radio prijemnika omogućila je naglo smanjenje vlastite buke i povećanje osjetljivosti i raspona detekcije objekata.

Međutim, prava era poluprovodnika počela je nakon Drugog svjetskog rata, kada je izumljen tranzistor točka-tačka.

Stvorili su ga nakon brojnih eksperimenata 1948. godine zaposlenici američke kompanije Bell, William Shockley, John Bardeen i Walter Brattain. Postavljanjem dva tačkasta kontakta na germanijumski kristal, na maloj udaljenosti jedan od drugog, i primjenom prednjeg nagiba na jedan od njih, a obrnutog nagiba na drugi, mogli su koristiti struju koja prolazi kroz prvi kontakt za kontrolu struja kroz drugi. Ovaj prvi tranzistor je imao pojačanje od oko 100.

Novi izum brzo je postao široko rasprostranjen. Prvi tranzistori tačka-tačka sastojali su se od kristal germanija s n-provodljivošću, koji je služio kao osnova na kojoj su počivala dva tanka bronzana vrha, smještena vrlo blizu jedan drugom - na udaljenosti od nekoliko mikrona.

Jedan od njih (obično berilij) služio je kao emiter, a drugi (fosforna bronca) je služio kao kolektor. Prilikom izrade tranzistora, struja od približno jednog ampera prošla je kroz vrhove. U ovom slučaju, germanijum se otopio, kao i vrhovi šiljaka. Bakar i nečistoće prisutne u njemu prešli su u germanijum i formirali slojeve sa provodljivošću rupa u neposrednoj blizini tačkastih kontakata.

Ovi tranzistori nisu bili pouzdani zbog nesavršenosti njihovog dizajna. Bili su nestabilni i nisu mogli raditi velikom snagom. Njihova cijena je bila velika. Međutim, bile su mnogo pouzdanije od vakuumskih cijevi, nisu se bojale vlage i trošile su energiju stotine puta manje od sličnih vakuumskih cijevi.

U isto vrijeme, bili su izuzetno ekonomični, jer im je za napajanje bilo potrebno vrlo malo struje. oko 0,5-1 V i nije bila potrebna posebna baterija. Njihova efikasnost je dostizala 70%, dok je efikasnost lampe retko prelazila 10%. Budući da tranzistori nisu zahtijevali grijanje, počeli su raditi odmah nakon što je na njih doveden napon. Osim toga, imali su vrlo nizak nivo vlastite buke, pa se stoga oprema sastavljena s tranzistorima pokazala osjetljivijom.

Postepeno je novi uređaj poboljšan. 1952. godine pojavili su se prvi planarni tranzistori sa primesama germanijuma. Njihova proizvodnja bila je složen tehnološki proces. Prvo je germanijum pročišćen od nečistoća, a zatim je formiran monokristal. Običan komad germanijuma sastoji se od velikog broja kristala spojenih u neredu. Za poluvodičke uređaje ova struktura materijala nije prikladna - ovdje vam je potrebna isključivo ispravna kristalna rešetka, ujednačena za cijeli komad. Da bi se to postiglo, rastopljen je germanij i u njega je ubačeno sjeme - mali kristal s pravilno orijentiranom rešetkom.

Rotirajući sjeme oko svoje ose, polako se podizalo. Kao rezultat toga, atomi oko sjemena su se postrojili u pravilnu kristalnu rešetku. Poluprovodnički materijal se učvrstio i obavio seme. Rezultat je bio monokristalni štap. Istovremeno je u talinu dodata primesa p ili n tipa. Zatim je monokristal izrezan na male ploče, koje su služile kao osnova.

Emiter i kolektor su kreirani na različite načine. Najjednostavniji metod je bio da se mali komadići indija postave na obe strane germanijumske ploče i da se brzo zagreju na 600 stepeni. U ovom slučaju, indijum je fuzionisan sa osnovnim germanijumom. Nakon hlađenja, regije zasićene indijem poprimile su p-tip provodljivosti. Kristal je zatim stavljen u kućište i spojeni vodovi.

Kompanija Bell Systems je 1955. godine stvorila difuzioni germanijumski tranzistor. Metoda difuzije sastojala se od postavljanja poluprovodničkih pločica u atmosferu plina koja sadrži pare nečistoća koje bi formirale emiter i kolektor, te zagrijavanje pločica na temperaturu blizu tačke topljenja. Atomi nečistoće postepeno su prodirali u poluvodič.