Sie gilt zu Recht als eine der bedeutendsten Erfindungen des 20. Jahrhunderts. Erfindung des Transistors, die Vakuumröhren ersetzte.

Lampen waren lange Zeit der einzige aktive Bestandteil aller funkelektronischen Geräte, obwohl sie viele Nachteile hatten. Dies sind vor allem hoher Stromverbrauch, große Abmessungen, kurze Lebensdauer und geringe mechanische Festigkeit. Diese Mängel machten sich immer deutlicher bemerkbar, je besser und komplexer die elektronische Ausrüstung wurde.

Eine revolutionäre Revolution in der Funktechnik kam es, als veraltete Lampen durch Halbleiter-Verstärkergeräte – Transistoren – ersetzt wurden, die alle genannten Nachteile aufwiesen.

Der erste funktionsfähige Transistor wurde 1947 dank der Bemühungen von Mitarbeitern des amerikanischen Unternehmens Bell Telephone Laboratories geboren. Ihre Namen sind mittlerweile auf der ganzen Welt bekannt. Dies sind Wissenschaftler – die Physiker W. Shockley, D. Bardeen und W. Brighten. Bereits 1956 erhielten alle drei für diese Erfindung den Nobelpreis für Physik.

Aber wie viele große Erfindungen wurde der Transistor nicht sofort bemerkt. Nur eine der amerikanischen Zeitungen erwähnte, dass die Bell Telephone Laboratories ein von ihnen entwickeltes Gerät namens Transistor vorführten. Dort hieß es auch, dass es in einigen Bereichen der Elektrotechnik anstelle von Vakuumröhren eingesetzt werden könne.

Der gezeigte Transistor hatte die Form eines kleinen Metallzylinders von 13 mm Länge und wurde in einem Empfänger ohne Vakuumröhren demonstriert. Darüber hinaus versicherte das Unternehmen, dass das Gerät nicht nur zur Verstärkung, sondern auch zur Erzeugung oder Umwandlung eines elektrischen Signals eingesetzt werden könne.

Reis. 1. Erster Transistor

Reis. 2. John Bardeen, William Shockley und Walter Brattain. Sie erhielten 1956 gemeinsam den Nobelpreis für ihre Zusammenarbeit bei der Entwicklung des weltweit ersten funktionsfähigen Transistors im Jahr 1948.

Aber die Fähigkeiten des Transistors wurden, wie viele andere große Entdeckungen auch, nicht sofort verstanden und gewürdigt. Um Interesse an dem neuen Gerät zu wecken, bewarb Bell es intensiv auf Seminaren und in Artikeln und vergab Lizenzen für die Produktion an alle.

Hersteller elektronischer Röhren sahen den Transistor nicht als ernstzunehmenden Konkurrenten, da es unmöglich war, die dreißigjährige Geschichte der Herstellung von Röhren mit mehreren hundert Designs und die Investitionen in Höhe von mehreren Millionen Dollar in ihre Entwicklung auf einen Schlag außer Acht zu lassen Produktion. Daher gelangte der Transistor nicht so schnell in die Elektronik, da die Ära der Vakuumröhren noch im Gange war.

Reis. 3. Transistor und Vakuumröhre

Erste Schritte zu Halbleitern

Seit der Antike werden in der Elektrotechnik hauptsächlich zwei Arten von Materialien verwendet: Leiter und Dielektrika (Isolatoren). Metalle, Salzlösungen und einige Gase haben die Fähigkeit, Strom zu leiten. Diese Fähigkeit ist auf das Vorhandensein freier Ladungsträger – Elektronen – in Leitern zurückzuführen. In Leitern lassen sich Elektronen recht leicht vom Atom trennen, für die Übertragung elektrischer Energie eignen sich jedoch Metalle mit geringem Widerstand (Kupfer, Aluminium, Silber, Gold).

Isolatoren sind Stoffe mit hohem Widerstand; ihre Elektronen sind sehr fest an das Atom gebunden. Dies sind Porzellan, Glas, Gummi, Keramik, Kunststoff. Daher gibt es in diesen Stoffen keine freien Ladungen, was bedeutet, dass kein elektrischer Strom vorhanden ist.

Hier ist es angebracht, sich an die Formulierung aus Physiklehrbüchern zu erinnern, dass elektrischer Strom die gerichtete Bewegung elektrisch geladener Teilchen unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes ist. In Isolatoren bewegt sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes einfach nichts.

Bei der Untersuchung elektrischer Phänomene in verschiedenen Materialien gelang es einigen Forschern jedoch, Halbleitereffekte zu „fühlen“. Beispielsweise wurde der erste Kristalldetektor (Diode) 1874 vom deutschen Physiker Karl Ferdinand Braun auf der Grundlage des Kontakts von Blei und Pyrit entwickelt. (Pyrit ist Eisenpyrit; wenn es auf den Stuhl trifft, entsteht ein Funke, weshalb es seinen Namen vom griechischen „pir“ – Feuer) hat. Später ersetzte dieser Detektor erfolgreich den Kohärenter in den ersten Empfängern, was deren Empfindlichkeit deutlich erhöhte.

Im Jahr 1907 entdeckte Boeddeker bei der Untersuchung der Leitfähigkeit von Kupferjodid, dass sich seine Leitfähigkeit in Gegenwart von Jod um das 24-fache erhöht, obwohl Jod selbst kein Leiter ist. Doch all das waren Zufallsentdeckungen, die sich wissenschaftlich nicht belegen ließen. Die systematische Untersuchung von Halbleitern begann erst in den 1920er bis 1930er Jahren.

In den Anfängen der Transistorproduktion war Germanium (Ge) der Haupthalbleiter. Im Hinblick auf den Energieverbrauch ist es sehr sparsam, die Entriegelungsspannung seines pn-Übergangs beträgt nur 0,1 ... 0,3 V, aber viele Parameter sind instabil, weshalb Silizium (Si) an seine Stelle kam.

Die Temperatur, bei der Germaniumtransistoren arbeiten, beträgt nicht mehr als 60 Grad, während Siliziumtransistoren bei 150 Grad weiter betrieben werden können. Silizium ist als Halbleiter Germanium in anderen Eigenschaften überlegen, vor allem in der Frequenz.

Darüber hinaus sind die Vorräte an Silizium (normaler Strandsand) in der Natur grenzenlos und die Technologie zu seiner Reinigung und Verarbeitung ist einfacher und billiger als das in der Natur seltene Element Germanium. Der erste Siliziumtransistor erschien kurz nach dem ersten Germaniumtransistor – im Jahr 1954. Aus diesem Ereignis entstand sogar der neue Name „Siliziumzeitalter“, nicht zu verwechseln mit der Steinzeit!

Reis. 4. Entwicklung der Transistoren

Mikroprozessoren und Halbleiter. Niedergang des „Siliziumzeitalters“

Haben Sie sich jemals gefragt, warum in letzter Zeit fast alle Computer Multi-Core-Computer sind? Die Begriffe Dual-Core oder Quad-Core sind in aller Munde. Tatsache ist, dass die Steigerung der Leistung von Mikroprozessoren durch Erhöhung der Taktfrequenz und Erhöhung der Anzahl der Transistoren in einem Gehäuse für Siliziumstrukturen fast die Grenze erreicht hat.

Eine Erhöhung der Anzahl von Halbleitern in einem Gehäuse wird durch die Reduzierung ihrer physikalischen Abmessungen erreicht. Bereits 2011 entwickelte INTEL eine 32-nm-Prozesstechnologie, bei der die Transistorkanallänge nur 20 nm beträgt. Eine solche Reduzierung bringt jedoch keine spürbare Erhöhung der Taktfrequenz mit sich, wie dies bei Technologien bis zu 90 nm der Fall war. Es ist völlig klar, dass es an der Zeit ist, zu etwas grundlegend Neuem überzugehen.

1956 Im Stockholmer Konzertsaal erhalten die drei amerikanischen Wissenschaftler John Bardeen, William Shockley und Walter Brattain den Nobelpreis „für ihre Forschung zu Halbleitern und die Entdeckung des Transistoreffekts“ – ein echter Durchbruch auf dem Gebiet der Physik. Von nun an sind ihre Namen für immer in der Weltwissenschaft verankert. Doch mehr als 15 Jahre zuvor, Anfang 1941, entdeckte und beschrieb ein junger ukrainischer Wissenschaftler Vadim Lashkarev experimentell ein physikalisches Phänomen, das, wie sich herausstellte, später pn-Übergang (p-positiv, n-) genannt wurde. Negativ). In seinem Artikel enthüllte er auch den Injektionsmechanismus – das wichtigste Phänomen, auf dessen Grundlage Halbleiterdioden und Transistoren funktionieren.

Offiziell sieht die Geschichte des Transistors so aus: Der erste Pressebericht über das Erscheinen eines Halbleitertransistorverstärkers erschien im Juli 1948 in der amerikanischen Presse. Seine Erfinder sind die amerikanischen Wissenschaftler Bardeen und Brattain. Sie gingen den Weg, einen sogenannten Punkt-Punkt-Transistor auf Basis eines Germaniumkristalls vom n-Typ zu entwickeln. Ihr erstes ermutigendes Ergebnis erzielten sie Ende 1947. Das Gerät verhielt sich jedoch instabil, seine Eigenschaften waren unvorhersehbar und daher fand der Punkt-Punkt-Transistor keine praktische Anwendung.

Ein Durchbruch gelang 1951, als William Shockley seinen zuverlässigeren planaren NPN-Transistor entwickelte, der aus drei Schichten n-, p- und n-Typ-Germanium mit einer Gesamtdicke von 1 cm bestand. Innerhalb weniger Jahre erlangte die Erfindung Bedeutung Amerikanische Wissenschaftler wurden bekannt und erhielten den Nobelpreis.

Lange zuvor, noch vor Beginn des Großen Vaterländischen Krieges im Jahr 1941, führte Lashkarev unter seiner Führung in den frühen Jahren eine Reihe erfolgreicher Experimente durch, entdeckte den pn-Übergang und enthüllte den Mechanismus der Elektron-Loch-Diffusion In den 50er Jahren wurden in der Ukraine (damals Teil der UdSSR) die ersten Halbleitertrioden - Transistoren - hergestellt.

Wissenschaftlich gesehen ist ein pn-Übergang ein Raumbereich am Übergang zweier Halbleiter vom p- und n-Typ, in dem ein Übergang von einem Leitfähigkeitstyp zu einem anderen stattfindet. Die elektrische Leitfähigkeit eines Materials hängt davon ab, wie fest die Kerne seiner Atome Elektronen halten. Daher sind die meisten Metalle gute Leiter, da sie über eine große Anzahl schwach an den Atomkern gebundener Elektronen verfügen, die von positiven Ladungen leicht angezogen und von negativen abgestoßen werden. Bewegte Elektronen sind die Träger des elektrischen Stroms. Andererseits lassen Isolatoren keinen Strom durch, da die Elektronen in ihnen fest an die Atome gebunden sind und nicht auf den Einfluss eines externen elektrischen Feldes reagieren.

Halbleiter verhalten sich anders. Atome in Halbleiterkristallen bilden ein Gitter, dessen äußere Elektronen durch chemische Kräfte gebunden sind. In ihrer reinen Form ähneln Halbleiter Isolatoren: Sie leiten den Strom entweder schlecht oder gar nicht. Doch sobald dem Kristallgitter eine kleine Anzahl von Atomen bestimmter Elemente (Verunreinigungen) hinzugefügt wird, ändert sich deren Verhalten dramatisch.

In manchen Fällen verbinden sich Verunreinigungsatome mit Halbleiteratomen und bilden zusätzliche Elektronen; die überschüssigen freien Elektronen verleihen dem Halbleiter eine negative Ladung. In anderen Fällen erzeugen Verunreinigungsatome sogenannte „Löcher“, die Elektronen „absorbieren“ können. Dadurch kommt es zu einem Elektronenmangel und der Halbleiter wird positiv geladen. Unter den richtigen Bedingungen können Halbleiter elektrischen Strom leiten. Aber im Gegensatz zu Metallen leiten sie es auf zwei Arten. Ein negativ geladener Halbleiter neigt dazu, überschüssige Elektronen abzugeben; dies ist die n-Leitfähigkeit (von negativ). Die Ladungsträger in Halbleitern dieser Art sind Elektronen. Andererseits ziehen positiv geladene Halbleiter Elektronen an und füllen so die „Löcher“. Aber wenn ein „Loch“ gefüllt ist, erscheint in der Nähe ein anderes – verlassen vom Elektron. Somit erzeugen die „Löcher“ einen Fluss positiver Ladung, der in die entgegengesetzte Richtung zur Bewegung der Elektronen gerichtet ist. Dies ist die Leitfähigkeit vom p-Typ (von positiv zu positiv). In beiden Halbleitertypen unterstützen sogenannte Nicht-Mehrheitsladungsträger (Elektronen in Halbleitern vom p-Typ und „Löcher“ in Halbleitern vom n-Typ) den Strom in der entgegengesetzten Richtung zur Bewegung der Mehrheitsladungsträger.

Durch das Einbringen von Verunreinigungen in Germanium- oder Siliziumkristalle können Halbleitermaterialien mit gewünschten elektrischen Eigenschaften erzeugt werden. Beispielsweise erzeugt die Einführung einer kleinen Menge Phosphor freie Elektronen und der Halbleiter erhält eine n-Leitfähigkeit. Durch die Zugabe von Boratomen entstehen hingegen Löcher und das Material wird zu einem Halbleiter vom p-Typ.

Später stellte sich heraus, dass ein Halbleiter, in den Verunreinigungen eingebracht werden, die Eigenschaft erhält, elektrischen Strom durchzulassen, d.h. besitzt eine Leitfähigkeit, deren Wert unter einem bestimmten Einfluss in weiten Grenzen schwanken kann.

Als in den USA eine Methode gefunden wurde, einen solchen Effekt elektrisch auszuführen, entstand der Transistor (abgeleitet von der ursprünglichen Bezeichnung Transresistor). Die Tatsache, dass Lashkarev 1941 die Ergebnisse seiner Entdeckungen in den Artikeln „Untersuchung von Barriereschichten mit der thermischen Sondenmethode“ und „Der Einfluss von Verunreinigungen auf den photoelektrischen Ventileffekt in Kupferoxid“ (gemeinsam mit seinem Kollegen K. M. Kosonogova verfasst) veröffentlichte ) war aufgrund der Kriegszeit nicht in die Aufmerksamkeit der wissenschaftlichen Welt gelangt. Vermutlich trugen der Ausbruch des Kalten Krieges und der Fall des Eisernen Vorhangs über die Sowjetunion dazu bei, dass Laschkarew nie Nobelpreisträger wurde. Übrigens entwickelte Lashkarev während seines Aufenthalts in Sibirien während des Krieges Cuprox-Dioden, die in Armeeradiosendern eingesetzt wurden, und erreichte deren industrielle Produktion.

Zusätzlich zu den ersten beiden Werken veröffentlichte Lashkarev 1950 in Zusammenarbeit mit V. I. Lyashenko den Artikel „Elektronische Zustände auf der Oberfläche eines Halbleiters“, in dem die Ergebnisse von Studien zu Oberflächenphänomenen in Halbleitern beschrieben wurden, die die Grundlage für die Arbeit bildeten Betrieb integrierter Schaltkreise auf Basis von Feldeffekttransistoren.

In den 50er Jahren gelang es Lashkarev auch, das Problem des Massenausschusses von Germanium-Einkristallen zu lösen. Er formulierte die technischen Anforderungen an dieses Element neu, da die vorherigen ungerechtfertigt überbewertet waren. Gründliche Untersuchungen von Lashkarev und Miseluk am Institut für Physik der Akademie der Wissenschaften der Ukrainischen SSR in Kiew zeigten, dass das bereits erreichte Niveau der Germanium-Einkristalltechnologie die Herstellung von Punktdioden und Trioden mit den erforderlichen Eigenschaften ermöglichte. Dadurch konnte die industrielle Produktion der ersten Germaniumdioden und -transistoren in der ehemaligen UdSSR beschleunigt werden.

So wurde unter der Führung von Lashkarev Anfang der 50er Jahre die Produktion der ersten Punkt-Punkt-Transistoren in der UdSSR organisiert. Gegründet von V.E. Lashkarevs wissenschaftliche Schule auf dem Gebiet der Halbleiterphysik wird zu einer der führenden in der UdSSR. Eine Anerkennung herausragender Ergebnisse war die Gründung des Instituts für Halbleiter der Akademie der Wissenschaften der Ukrainischen SSR im Jahr 1960 unter der Leitung von V.E. Laschkarew.

„Es wird die Zeit kommen, in der es möglich sein wird, auf diesem Kristall, den Vadim Evgenievich uns gezeigt hat, einen ganzen Computer zu platzieren!“ , - prognostizierte der Akademiker Sergei Lebedev, der den ersten Computer in Kontinentaleuropa entwickelte - MESM. Und so geschah es. Dies geschah jedoch mehr als zwanzig Jahre später, als große integrierte LSI-Schaltkreise auf den Markt kamen, die Zehn- und Hunderttausende Transistoren auf einem Chip enthielten, und später ultragroße integrierte VLSI-Schaltkreise mit vielen Millionen Komponenten auf einem Chip, die den Weg ebneten für den Menschen ins Informationszeitalter.

STAATLICHE TECHNOLOGISCHE UNIVERSITÄT PJATIGORSK

ABTEILUNG FÜR MANAGEMENT UND INFORMATION IN TECHNISCHEN SYSTEMEN

ABSTRAKT

„Geschichte der Entwicklung von Transistoren“

Vollendet:

Studentengr. UITS-b-101

Sergejenko Viktor

Pjatigorsk, 2010

Einführung

Transistor (von englisch transfer – transfer and Resistance – Widerstand oder Transkonduktanz – aktive Leitfähigkeit zwischen den Elektroden und Varistor – variabler Widerstand) ist ein elektronisches Gerät aus Halbleitermaterial, normalerweise mit drei Anschlüssen, das es Eingangssignalen ermöglicht, den Strom in einem Stromkreis zu steuern. Wird typischerweise zum Verstärken, Erzeugen und Umwandeln elektrischer Signale verwendet.

Der Strom im Ausgangskreis wird durch Änderung der Eingangsspannung oder des Eingangsstroms gesteuert. Eine kleine Änderung der Eingangsgrößen kann zu einer deutlich größeren Änderung der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms führen. Diese verstärkende Eigenschaft von Transistoren wird in der Analogtechnik (analoges Fernsehen, Radio, Kommunikation usw.) genutzt.

Derzeit wird die Analogtechnik von Bipolartransistoren (BT) dominiert (die internationale Bezeichnung lautet BJT, Bipolar Junction Transistor). Ein weiterer wichtiger Zweig der Elektronik ist die Digitaltechnik (Logik, Speicher, Prozessoren, Computer, digitale Kommunikation usw.), wo im Gegenteil Bipolartransistoren fast vollständig durch Feldeffekttransistoren ersetzt werden.

Die gesamte moderne Digitaltechnik basiert hauptsächlich auf Feldeffekt-MOS-Transistoren (Metall-Oxid-Halbleiter-Transistoren) (MOSFETs), da es sich dabei im Vergleich zu BT um wirtschaftlichere Elemente handelt. Manchmal werden sie auch MIS-Transistoren (Metall-Dielektrikum-Halbleiter) genannt. Der internationale Begriff lautet MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor). Transistoren werden in integrierter Technologie auf einem einzigen Siliziumkristall (Chip) hergestellt und bilden einen elementaren „Baustein“ für den Aufbau von Logik-, Speicher-, Prozessor- usw. Chips. Die Abmessungen moderner MOSFETs reichen von 90 bis 32 nm. Ein moderner Chip (meist 1-2 cm² groß) beherbergt mehrere (immer noch nur wenige) Milliarden MOSFETs. Im Laufe von 60 Jahren kam es zu einer Verringerung der Größe (Miniaturisierung) von MOSFETs und einer Zunahme ihrer Anzahl auf einem Chip (Integrationsgrad); in den kommenden Jahren kam es zu einer weiteren Steigerung des Integrationsgrads von Transistoren auf einem Chip wird erwartet (siehe Moores Gesetz). Die Reduzierung der Größe des MOPT führt auch zu einer höheren Prozessorgeschwindigkeit, einem geringeren Stromverbrauch und einer geringeren Wärmeableitung.

Geschichte

Die ersten Patente auf das Funktionsprinzip von Feldeffekttransistoren wurden 1928 in Deutschland (in Kanada am 22. Oktober 1925) auf den Namen des österreichisch-ungarischen Physikers Julius Edgar Lilienfeld angemeldet. 1934 patentierte der deutsche Physiker Oskar Heil den Feldeffekttransistor. Feldeffekttransistoren (insbesondere MOS-Transistoren) basieren auf einem einfachen elektrostatischen Feldeffekt; in der Physik sind sie wesentlich einfacher als Bipolartransistoren und wurden daher lange vor Bipolartransistoren erfunden und patentiert. Der erste MOSFET, der die Grundlage der modernen Computerindustrie bildet, wurde jedoch später als der Bipolartransistor hergestellt, und zwar im Jahr 1960. Erst in den 90er Jahren des 20. Jahrhunderts begann sich die MOS-Technologie gegenüber der Bipolartechnologie durchzusetzen.

Im Jahr 1947 entwickelten William Shockley, John Bardeen und Walter Brattain in den Bell Labs erstmals einen funktionierenden Bipolartransistor, der am 16. Dezember demonstriert wurde. Am 23. Dezember fand die offizielle Präsentation der Erfindung statt und dieses Datum gilt als Tag der Erfindung des Transistors. Fertigungstechnisch gehörte er zur Klasse der Punkt-Punkt-Transistoren. 1956 erhielten sie den Nobelpreis für Physik „für ihre Forschungen zu Halbleitern und ihre Entdeckung des Transistoreffekts“. Interessanterweise wurde John Bardeen bald zum zweiten Mal für die Entwicklung der Theorie der Supraleitung mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

Später wurden Vakuumröhren in den meisten elektronischen Geräten durch Transistoren ersetzt, was die Entwicklung integrierter Schaltkreise und Computer revolutionierte.

Bell brauchte einen Namen für das Gerät. Die Namen „Semiconductor Triode“, „Solid Triode“, „Surface States Triode“, „Crystal Triode“ und „Iotatron“ wurden vorgeschlagen, aber das von John R. Pierce vorgeschlagene Wort „Transistor“ gewann die interne Abstimmung.

Der Name „Transistor“ bezog sich ursprünglich auf spannungsgesteuerte Widerstände. Tatsächlich kann man sich einen Transistor als eine Art Widerstand vorstellen, der durch die Spannung an einer Elektrode reguliert wird (bei Feldeffekttransistoren durch die Spannung zwischen Gate und Source, bei Bipolartransistoren durch die Spannung zwischen Basis und Emitter). ).

Klassifizierung von Transistoren

Bipolartransistor- ein Drei-Elektroden-Halbleiterbauelement, einer der Transistortypen. Die Elektroden sind mit drei hintereinander angeordneten Halbleiterschichten mit abwechselnder Verunreinigungsleitfähigkeit verbunden. Nach dieser Wechselmethode werden npn- und pnp-Transistoren unterschieden (n (negativ) – elektronischer Verunreinigungsleitfähigkeitstyp, p (positiv) – Lochtyp). Im Gegensatz zu anderen Varianten sind in einem Bipolartransistor die Hauptträger sowohl Elektronen als auch Löcher (vom Wort „bi“ – „zwei“).

Die mit der zentralen Schicht verbundenen Elektroden werden als Basis bezeichnet, die mit den äußeren Schichten verbundenen Elektroden als Kollektor und Emitter. Im einfachsten Diagramm sind die Unterschiede zwischen Kollektor und Emitter nicht sichtbar. In Wirklichkeit besteht der Hauptunterschied zwischen dem Kollektor in der größeren Fläche des pn-Übergangs. Darüber hinaus ist eine dünne Basisdicke für den Betrieb des Transistors unbedingt erforderlich.

Der bipolare Punkttransistor wurde 1947 erfunden und etablierte sich in den folgenden Jahren als grundlegendes Element für die Herstellung integrierter Schaltkreise mit Transistor-Transistor-, Widerstand-Transistor- und Dioden-Transistor-Logik.

Die ersten Transistoren wurden auf Basis von Germanium hergestellt. Derzeit werden sie hauptsächlich aus Silizium und Galliumarsenid hergestellt. Letztere Transistoren werden in Hochfrequenzverstärkerschaltungen eingesetzt. Ein Bipolartransistor besteht aus drei unterschiedlich dotierten Halbleiterzonen: Emitter E, Basis B und Kollektor C. Abhängig von der Art der Leitfähigkeit dieser Zonen beträgt NPN (Emitter – n-Halbleiter, Basis – p-Halbleiter, Kollektor – n-Halbleiter). und PNP werden unterschieden. Transistoren. An jede der Zonen sind leitende Kontakte angeschlossen. Die Basis liegt zwischen Emitter und Kollektor und besteht aus einem leicht dotierten Halbleiter mit hohem Widerstand. Die gesamte Kontaktfläche zwischen Basis und Emitter ist deutlich kleiner als die Kontaktfläche zwischen Kollektor und Basis, sodass ein allgemeiner Bipolartransistor ein asymmetrisches Gerät ist (es ist unmöglich, Emitter und Kollektor durch Ändern der Anschlusspolarität zu vertauschen, was zu einem absolut ähnlichen Bipolartransistor führt). zum Original).

Im aktiven Betriebsmodus ist der Transistor eingeschaltet, sodass sein Emitterübergang in Durchlassrichtung (offen) und der Kollektorübergang in die entgegengesetzte Richtung vorgespannt ist. Der Bestimmtheit halber betrachten wir einen NPN-Transistor; alle Überlegungen werden für den Fall eines PNP-Transistors auf die gleiche Weise wiederholt, wobei das Wort „Elektronen“ durch „Löcher“ ersetzt wird und umgekehrt, und wobei alle Spannungen durch ersetzt werden entgegengesetzte Vorzeichen. In einem NPN-Transistor gelangen Elektronen, die Hauptstromträger im Emitter, durch den offenen Emitter-Basis-Übergang (injiziert) in den Basisbereich. Einige dieser Elektronen rekombinieren mit den Mehrheitsladungsträgern in der Basis (Löcher), während andere zurück in den Emitter diffundieren. Da die Basis jedoch sehr dünn und relativ schwach dotiert ist, diffundieren die meisten vom Emitter injizierten Elektronen in den Kollektorbereich. Das starke elektrische Feld des in Sperrichtung vorgespannten Kollektorübergangs fängt Elektronen ein (denken Sie daran, dass es sich um Minoritätsträger in der Basis handelt, sodass der Übergang für sie offen ist) und transportiert sie in den Kollektor. Der Kollektorstrom ist somit praktisch gleich dem Emitterstrom, mit Ausnahme eines kleinen Rekombinationsverlusts in der Basis, der den Basisstrom bildet (Ie = Ib + Ik). Der Koeffizient α, der den Emitterstrom und den Kollektorstrom verbindet (Iк = α Iе), wird als Emitterstromübertragungskoeffizient bezeichnet. Der Zahlenwert des Koeffizienten α beträgt 0,9 - 0,999. Je höher der Koeffizient, desto effizienter überträgt der Transistor den Strom. Dieser Koeffizient hängt wenig von den Kollektor-Basis- und Basis-Emitter-Spannungen ab. Daher ist der Kollektorstrom über einen weiten Bereich von Betriebsspannungen proportional zum Basisstrom, der Proportionalitätskoeffizient ist gleich β = α / (1 − α) = (10..1000). Somit kann durch Variation eines kleinen Basisstroms ein viel größerer Kollektorstrom gesteuert werden. Die Niveaus von Elektronen und Löchern sind ungefähr gleich.

Feldeffekttransistor- ein Halbleiterbauelement, bei dem sich der Strom durch die Wirkung eines senkrechten Stroms im durch das Eingangssignal erzeugten elektrischen Feld ändert.

Der Betriebsstromfluss in einem Feldeffekttransistor wird durch Ladungsträger mit nur einem Vorzeichen (Elektronen oder Löcher) verursacht. Daher werden solche Geräte oft in die breitere Klasse der unipolaren elektronischen Geräte (im Gegensatz zu bipolaren) eingeordnet.

Geschichte der Entwicklung von Feldeffekttransistoren

Die Idee eines Feldeffekttransistors mit isoliertem Gate wurde 1926-1928 von Lilienfeld vorgeschlagen. Objektive Schwierigkeiten bei der Umsetzung dieses Entwurfs ermöglichten jedoch erst 1960 die Schaffung des ersten funktionierenden Geräts dieser Art. Im Jahr 1953 schlugen Dakey und Ross ein anderes Design eines Feldeffekttransistors vor und implementierten es – mit einem Steuer-pn-Übergang. Schließlich wurde 1966 von Mead ein drittes FET-Design vorgeschlagen und implementiert, der Schottky-Barriere-FET.

Feldeffekttransistorschaltungen

Ein Feldeffekttransistor kann in einem von drei Hauptschaltkreisen angeschlossen werden: mit einer gemeinsamen Source (CS), einem gemeinsamen Drain (OC) und einem gemeinsamen Gate (G).

In der Praxis wird am häufigsten eine Schaltung mit einem OE verwendet, ähnlich einer Schaltung mit einem Bipolartransistor mit einem OE. Eine Common-Source-Kaskade sorgt für eine sehr große Strom- und Leistungsverstärkung. Das Schema mit OZ ähnelt dem Schema mit OB. Es bietet keine Stromverstärkung und daher ist die Leistungsverstärkung darin um ein Vielfaches geringer als in der OI-Schaltung. Die OZ-Kaskade hat eine niedrige Eingangsimpedanz und ist daher nur begrenzt praktisch einsetzbar.

Klassifizierung von Feldeffekttransistoren

Aufgrund ihrer physikalischen Struktur und ihres Funktionsmechanismus werden Feldeffekttransistoren herkömmlicherweise in zwei Gruppen eingeteilt. Der erste besteht aus Transistoren mit Steuer-pn-Übergang oder Metall-Halbleiter-Übergang (Schottky-Barriere), der zweite aus Transistoren mit Steuerung über eine isolierte Elektrode (Gate), die sogenannte. MIS-Transistoren (Metall – Dielektrikum – Halbleiter).

Transistoren mit Steuer-pn-Übergang

Ein Feldeffekttransistor mit einem Steuer-pn-Übergang ist ein Feldeffekttransistor, dessen Gate vom Kanal durch einen in die entgegengesetzte Richtung vorgespannten pn-Übergang isoliert (d. h. elektrisch getrennt) ist.

Ein solcher Transistor verfügt über zwei nicht gleichrichtende Kontakte zu dem Bereich, durch den der kontrollierte Strom der Hauptladungsträger fließt, und einen oder zwei gesteuerte Elektron-Loch-Übergänge, die in die entgegengesetzte Richtung vorgespannt sind (siehe Abb. 1). Wenn sich die Sperrspannung am pn-Übergang ändert, ändert sich seine Dicke und damit die Dicke des Bereichs, durch den der gesteuerte Strom der Hauptladungsträger fließt. Der Bereich, dessen Dicke und Querschnitt durch eine externe Spannung am Steuer-pn-Übergang gesteuert werden und durch den ein kontrollierter Strom der Hauptträger fließt, wird als Kanal bezeichnet. Die Elektrode, von der aus die Hauptladungsträger in den Kanal gelangen, wird Quelle genannt. Die Elektrode, durch die die Hauptladungsträger den Kanal verlassen, wird Drain genannt. Die zur Regulierung des Kanalquerschnitts verwendete Elektrode wird Gate genannt.

Die elektrische Leitfähigkeit des Kanals kann entweder n- oder p-leitend sein. Basierend auf der elektrischen Leitfähigkeit des Kanals werden daher Feldeffekttransistoren mit einem n-Kanal und einem p-Kanal unterschieden. Alle Polaritäten der an den Elektroden der n- und p-Kanal-Transistoren angelegten Vorspannungen sind entgegengesetzt.

Die Steuerung des Drain-Stroms, also des Stroms von einer externen relativ leistungsstarken Stromquelle im Lastkreis, erfolgt, wenn sich die Sperrspannung am pn-Übergang des Gates (oder an zwei pn-Übergängen gleichzeitig) ändert. Aufgrund der geringen Rückströme erweist sich die zur Steuerung des Drain-Stroms erforderliche und von der Signalquelle in der Gate-Schaltung verbrauchte Leistung als vernachlässigbar gering. Daher kann ein Feldeffekttransistor elektromagnetische Schwingungen sowohl in der Leistung als auch in Strom und Spannung verstärken.

Somit ähnelt der Feldeffekttransistor im Prinzip einer Vakuumtriode. Die Source in einem Feldeffekttransistor ähnelt der Kathode einer Vakuumtriode, das Gate ist wie ein Gitter und der Drain ist wie eine Anode. Gleichzeitig unterscheidet sich ein Feldeffekttransistor jedoch erheblich von einer Vakuumtriode. Erstens erfordert der Feldeffekttransistor zum Betrieb keine Erwärmung der Kathode. Zweitens kann jede dieser Elektroden jede der Funktionen von Source und Drain ausführen. Drittens können Feldeffekttransistoren sowohl mit einem n-Kanal als auch mit einem p-Kanal hergestellt werden, was eine erfolgreiche Kombination dieser beiden Arten von Feldeffekttransistoren in Schaltkreisen ermöglicht.

Ein Feldeffekttransistor unterscheidet sich von einem Bipolartransistor zum einen durch sein Funktionsprinzip: Bei einem Bipolartransistor wird das Ausgangssignal durch den Eingangsstrom und bei einem Feldeffekttransistor durch die Eingangsspannung oder das elektrische Feld gesteuert. Zweitens haben Feldeffekttransistoren deutlich höhere Eingangswiderstände, was mit der Sperrvorspannung des pn-Übergangs des Gates bei der betrachteten Art von Feldeffekttransistoren zusammenhängt. Drittens können Feldeffekttransistoren einen niedrigen Rauschpegel aufweisen (insbesondere bei niedrigen Frequenzen), da Feldeffekttransistoren nicht das Phänomen der Injektion von Minoritätsladungsträgern nutzen und der Feldeffekttransistorkanal von der Oberfläche des Feldeffekttransistors getrennt werden kann Halbleiterkristall. Die Prozesse der Trägerrekombination im pn-Übergang und in der Basis des Bipolartransistors sowie Generations-Rekombinationsprozesse auf der Oberfläche des Halbleiterkristalls gehen mit dem Auftreten von niederfrequentem Rauschen einher.

Insulated-Gate-Transistoren (MIS-Transistoren)

Ein Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate ist ein Feldeffekttransistor, dessen Gate durch eine dielektrische Schicht elektrisch vom Kanal getrennt ist.

In einem Halbleiterkristall mit einem relativ hohen spezifischen Widerstand, der als Substrat bezeichnet wird, entstehen zwei stark dotierte Bereiche mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp im Vergleich zum Substrat. An diesen Bereichen – Source und Drain – werden Metallelektroden angebracht. Der Abstand zwischen den stark dotierten Source- und Drain-Bereichen kann weniger als einen Mikrometer betragen. Die Oberfläche des Halbleiterkristalls zwischen Source und Drain ist mit einer dünnen Schicht (ca. 0,1 μm) Dielektrikum bedeckt. Da der Ausgangshalbleiter für Feldeffekttransistoren üblicherweise Silizium ist, wird als Dielektrikum eine durch Hochtemperaturoxidation auf der Oberfläche eines Siliziumkristalls gewachsene Schicht aus Siliziumdioxid SiO2 verwendet. Auf der dielektrischen Schicht wird eine Metallelektrode – ein Gate – aufgebracht. Es entsteht eine Struktur bestehend aus einem Metall, einem Dielektrikum und einem Halbleiter. Daher werden Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate oft als MOS-Transistoren bezeichnet.

Der Eingangswiderstand von MOS-Transistoren kann 1010...1014 Ohm erreichen (für Feldeffekttransistoren mit einem Steuer-pn-Übergang 107...109), was beim Bau hochpräziser Geräte von Vorteil ist.

Es gibt zwei Arten von MOS-Transistoren: mit induziertem Kanal und mit eingebautem Kanal.

In MOS-Transistoren mit induziertem Kanal gibt es keinen leitenden Kanal zwischen den stark dotierten Source- und Drain-Bereichen und daher tritt ein merklicher Drain-Strom nur bei einer bestimmten Polarität und bei einem bestimmten Wert der Gate-Spannung relativ zur Source auf, d. h wird Schwellenspannung (UTV) genannt.

Bei MOS-Transistoren mit eingebautem Kanal befindet sich in der Nähe der Oberfläche des Halbleiters unter dem Gate, bei einer Spannung von Null am Gate relativ zur Source, eine inverse Schicht – ein Kanal, der die Source mit dem Drain verbindet.

Daher weisen die stark dotierten Bereiche unter Source und Drain sowie die induzierten und eingebetteten Kanäle p-Leitfähigkeit auf. Wenn ähnliche Transistoren auf einem Substrat mit elektrischer Leitfähigkeit vom p-Typ erstellt werden, weist ihr Kanal eine elektrische Leitfähigkeit vom n-Typ auf.

MOS-Transistoren mit induziertem Kanal

Wenn die Gate-Spannung relativ zur Source Null ist und am Drain eine Spannung anliegt, ist der Drain-Strom vernachlässigbar. Er stellt den Sperrstrom des pn-Übergangs zwischen dem Substrat und dem stark dotierten Drain-Bereich dar. Bei negativem Potential am Gate (für die in Abb. 2, a dargestellte Struktur) entsteht infolge des Eindringens des elektrischen Feldes durch die dielektrische Schicht in den Halbleiter bei niedrigen Spannungen am Gate (kleinere UG-Poren) ein Feld Auf der Oberfläche des Halbleiters unter dem Gate erscheint eine Effektschicht und ein an Majoritätsträgern verarmter Bereich. Raumladung, bestehend aus ionisierten, nicht kompensierten Verunreinigungsatomen. Bei Gate-Spannungen größer als UGpore erscheint eine inverse Schicht nahe der Oberfläche des Halbleiters unter dem Gate, dem Kanal, der die Source mit dem Drain verbindet. Die Dicke und der Querschnitt des Kanals ändern sich mit Änderungen der Gate-Spannung, und der Drain-Strom, also der Strom im Lastkreis und einer relativ leistungsstarken Stromquelle, ändert sich entsprechend. Auf diese Weise wird der Drainstrom in einem Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate und induziertem Kanal gesteuert.

Aufgrund der Tatsache, dass das Gate durch eine dielektrische Schicht vom Substrat getrennt ist, ist der Strom im Gate-Schaltkreis vernachlässigbar und der von der Signalquelle im Gate-Schaltkreis verbrauchte Strom, der zur Steuerung des relativ großen Drain-Stroms erforderlich ist, ist ebenfalls gering . Somit kann ein MOS-Transistor mit induziertem Kanal eine Verstärkung elektromagnetischer Schwingungen in Spannung und Leistung erzeugen.

Das Prinzip der Leistungsverstärkung in MOS-Transistoren kann unter dem Gesichtspunkt betrachtet werden, dass Ladungsträger die Energie eines konstanten elektrischen Feldes (die Energie der Stromquelle im Ausgangskreis) in ein elektrisches Wechselfeld übertragen. Bei einem MOS-Transistor fiel vor dem Erscheinen des Kanals fast die gesamte Versorgungsspannung im Drain-Kreis über den Halbleiter zwischen Source und Drain ab, wodurch eine relativ große konstante Komponente der elektrischen Feldstärke entstand. Unter dem Einfluss der Spannung am Gate entsteht im Halbleiter unter dem Gate ein Kanal, entlang dem sich Ladungsträger – Löcher – von der Source zum Drain bewegen. Die Löcher, die sich in Richtung der konstanten Komponente des elektrischen Feldes bewegen, werden durch dieses Feld beschleunigt und ihre Energie erhöht sich aufgrund der Energie der Stromquelle im Drain-Kreis. Gleichzeitig mit der Entstehung des Kanals und dem Auftreten beweglicher Ladungsträger darin nimmt die Spannung am Drain ab, d. h. der Momentanwert der variablen Komponente des elektrischen Feldes im Kanal ist der konstanten Komponente entgegengesetzt. Daher werden Löcher durch ein elektrisches Wechselfeld gehemmt und geben ihm einen Teil ihrer Energie.

TIR-Konstruktionen für besondere Zwecke

In Metall-Nitrid-Oxid-Halbleiterstrukturen (MNOS) besteht das Dielektrikum unter dem Gate aus zwei Schichten: einer Schicht aus SiO2-Oxid und einer dicken Schicht aus Si3N4-Nitrid. Zwischen den Schichten bilden sich Elektronenfallen, die beim Anlegen einer positiven Spannung (28..30 V) an das Gate der MNOS-Struktur Elektronen einfangen, die durch eine dünne SiO2-Schicht tunneln. Die resultierenden negativ geladenen Ionen erhöhen die Schwellenspannung und ihre Ladung kann bei Stromausfall bis zu mehreren Jahren gespeichert werden, da die SiO2-Schicht einen Ladungsverlust verhindert. Wenn eine große negative Spannung (28...30 V) an das Gate angelegt wird, wird die angesammelte Ladung aufgelöst, was die Schwellenspannung deutlich reduziert.

Floating-Gate-Avalanche-Injection-Metalloxid-Halbleiterstrukturen (MOS) verfügen über ein Gate aus polykristallinem Silizium, das von anderen Teilen der Struktur isoliert ist. Durch den Lawinendurchbruch des pn-Übergangs des Substrats und des Drains oder der Source, an den eine Hochspannung angelegt wird, können Elektronen durch die Oxidschicht zum Gate eindringen, wodurch darauf eine negative Ladung entsteht. Durch die isolierenden Eigenschaften des Dielektrikums bleibt diese Ladung über Jahrzehnte erhalten. Die Entfernung der elektrischen Ladung vom Gate erfolgt durch ionisierende ultraviolette Strahlung mit Quarzlampen, während der Photostrom die Rekombination von Elektronen mit Löchern ermöglicht.

Anschließend wurden Doppelgate-Speicher-Feldeffekttransistorstrukturen entwickelt. Ein in das Dielektrikum eingebautes Gate dient zum Speichern einer Ladung, die den Zustand des Geräts bestimmt, und ein externes (normales) Gate, das durch Impulse entgegengesetzter Polarität gesteuert wird, dient zum Einführen oder Entfernen von Ladung in das eingebaute (interne) Gate. Tor. So entstanden Zellen und dann Flash-Speicherchips, die sich heutzutage großer Beliebtheit erfreuen und zu einer bedeutenden Konkurrenz zu Festplatten in Computern geworden sind.

Zur Implementierung sehr hochintegrierter Schaltkreise (VLSI) wurden Subminiatur-Feldeffekt-Mikrotransistoren entwickelt. Sie werden mithilfe der Nanotechnologie mit einer geometrischen Auflösung von weniger als 100 nm hergestellt. In solchen Geräten erreicht die Dicke des Gate-Dielektrikums mehrere Atomschichten. Es werden verschiedene Strukturen verwendet, darunter auch Drei-Tor-Strukturen. Die Geräte arbeiten im Micro-Power-Modus. In modernen Intel-Mikroprozessoren liegt die Anzahl der Geräte zwischen mehreren zehn Millionen und 2 Milliarden. Die neuesten Mikrofeldeffekttransistoren bestehen aus verspanntem Silizium, verfügen über ein Metall-Gate und verwenden ein neues patentiertes Gate-Dielektrikumsmaterial auf Basis von Hafniumverbindungen.

Im letzten Vierteljahrhundert haben Hochleistungs-Feldeffekttransistoren, hauptsächlich vom Typ MIS, eine rasante Entwicklung erfahren. Sie bestehen aus mehreren Low-Power-Strukturen oder Strukturen mit einer verzweigten Gate-Konfiguration. Solche HF- und Mikrowellengeräte wurden erstmals in der UdSSR von Spezialisten des Pulsarforschungsinstituts V. V. Bachurin (Siliziumgeräte) und V. Ya. Vaxemburg (Galliumarsenidgeräte) entwickelt. Die Untersuchung ihrer Pulseigenschaften wurde von der wissenschaftlichen Schule von durchgeführt Prof. Dyakonova V. P. (Smolensker Zweigstelle des MPEI). Dies eröffnete das Feld für die Entwicklung leistungsstarker schaltender (Impuls-)Feldeffekttransistoren mit speziellen Strukturen mit hohen Betriebsspannungen und -strömen (einzeln bis zu 500–1000 V und 50–100 A). Solche Geräte werden häufig durch niedrige Spannungen (bis zu 5 V) gesteuert, haben einen niedrigen Leerlaufwiderstand (bis zu 0,01 Ohm) für Hochstromgeräte, eine hohe Transkonduktanz und kurze Schaltzeiten (einige bis mehrere zehn ns). Sie weisen nicht das Phänomen der Ladungsträgerakkumulation in der Struktur und das Sättigungsphänomen auf, das Bipolartransistoren innewohnt. Dadurch ersetzen Hochleistungs-Feldeffekttransistoren erfolgreich Hochleistungs-Bipolartransistoren im Bereich der Leistungselektronik niedriger und mittlerer Leistung.

Im Ausland hat sich in den letzten Jahrzehnten die Technologie hochmobiler Elektronentransistoren (HMETs) rasant weiterentwickelt, die in Mikrowellenkommunikations- und Funküberwachungsgeräten weit verbreitet sind. Basierend auf TVPE werden sowohl hybride als auch monolithische integrierte Mikrowellenschaltkreise erstellt. Der Betrieb von TVPE basiert auf der Kanalsteuerung mithilfe eines zweidimensionalen Elektronengases, dessen Bereich unter dem Gate-Kontakt durch die Verwendung eines Heteroübergangs und einer sehr dünnen dielektrischen Schicht – einem Abstandshalter – entsteht.

Anwendungsgebiete von Feldeffekttransistoren

Ein erheblicher Teil der derzeit produzierten Feldeffekttransistoren sind Teil von CMOS-Strukturen, die aus Feldeffekttransistoren mit Kanälen unterschiedlicher (p- und n-)Leitfähigkeitstypen aufgebaut sind und in digitalen und analogen integrierten Schaltkreisen weit verbreitet sind.

Aufgrund der Tatsache, dass Feldeffekttransistoren durch das Feld (die an das Gate angelegte Spannung) und nicht durch den durch die Basis fließenden Strom (wie bei Bipolartransistoren) gesteuert werden, verbrauchen Feldeffekttransistoren deutlich weniger Energie Besonders wichtig in Schaltkreisen von Warte- und Ortungsgeräten sowie in Systemen mit geringem Verbrauch und Energieeinsparung (Implementierung von Schlafmodi).

Herausragende Beispiele für Geräte auf Basis von Feldeffekttransistoren sind Quarzarmbanduhren und TV-Fernbedienungen. Aufgrund der Verwendung von CMOS-Strukturen können diese Geräte bis zu mehreren Jahren betrieben werden, da sie nahezu keinen Strom verbrauchen.

Die Einsatzgebiete von Hochleistungs-Feldeffekttransistoren entwickeln sich rasant weiter. Ihr Einsatz in Funkübertragungsgeräten ermöglicht es, eine höhere Reinheit des Spektrums der ausgesendeten Funksignale zu erreichen, den Grad der Interferenz zu reduzieren und die Zuverlässigkeit von Funksendern zu erhöhen. In der Leistungselektronik ersetzen und verdrängen wichtige Hochleistungs-Feldeffekttransistoren erfolgreich Hochleistungs-Bipolartransistoren. In Stromrichtern ermöglichen sie eine Erhöhung der Wandlungsfrequenz um 1–2 Größenordnungen und eine deutliche Reduzierung der Abmessungen und des Gewichts von Stromrichtern. Hochleistungsgeräte verwenden feldgesteuerte Bipolartransistoren (IGBTs), um Thyristoren erfolgreich zu ersetzen. In High-End-HiFi- und HiEnd-Audio-Leistungsverstärkern ersetzen leistungsstarke Feldeffekttransistoren erfolgreich leistungsstarke Vakuumröhren mit geringen nichtlinearen und dynamischen Verzerrungen.

Neben dem Haupthalbleitermaterial, das üblicherweise in Form eines Einkristalls verwendet wird, enthält der Transistor in seiner Konstruktion Legierungszusätze zum Hauptmaterial, Bleimetall, Isolierelementen und Gehäuseteilen (Kunststoff oder Keramik). Manchmal werden kombinierte Namen verwendet, die teilweise Materialien einer bestimmten Art beschreiben (z. B. „Silizium auf Saphir“ oder „Metalloxid-Halbleiter“). Die wichtigsten sind jedoch Transistoren:

Germanicaceae

Silizium

Galliumarsenid

Bis vor Kurzem wurden keine anderen Transistormaterialien verwendet. Derzeit stehen Transistoren, die beispielsweise auf transparenten Halbleitern basieren, für den Einsatz in Anzeigematrizen zur Verfügung. Ein vielversprechendes Material für Transistoren sind Halbleiterpolymere. Es gibt auch vereinzelte Berichte über Transistoren auf Basis von Kohlenstoffnanoröhren.

Kombinierte Transistoren

Widerstandsbestückte Transistoren (RETs) sind Bipolartransistoren mit in einem Gehäuse eingebauten Widerständen.

Darlington-Transistor- eine Kombination aus zwei Bipolartransistoren, die als Bipolartransistor mit hoher Stromverstärkung arbeiten.

auf Transistoren gleicher Polarität

auf Transistoren unterschiedlicher Polarität

Eine Lambda-Diode ist ein Gerät mit zwei Anschlüssen, eine Kombination aus zwei Feldeffekttransistoren, die wie eine Tunneldiode einen erheblichen Abschnitt mit negativem Widerstand aufweist.

Ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate ist ein leistungselektronisches Gerät, das hauptsächlich zur Steuerung elektrischer Antriebe entwickelt wurde.

Durch Macht

Anhand der in Form von Wärme abgegebenen Leistung unterscheidet man:

Low-Power-Transistoren bis 100 mW

Transistoren mittlerer Leistung von 0,1 bis 1 W

leistungsstarke Transistoren (mehr als 1 W).

Durch Hinrichtung

diskrete Transistoren

fallbezogen

Zur kostenlosen Installation

Zur Montage an einem Heizkörper

Für automatisierte Lötanlagen

ungerahmt

Transistoren in integrierten Schaltkreisen.

Je nach Material und Design des Gehäuses

Metall-Glas

Plastik

Keramik

Andere Arten

Einzelelektronentransistoren enthalten einen Quantenpunkt (sog. „Insel“) zwischen zwei Tunnelübergängen. Der Tunnelstrom wird durch die Spannung am Gate gesteuert, das kapazitiv mit ihm gekoppelt ist.

Biotransistor

Auswahl anhand einiger Merkmale

BISS-Transistoren (Breakthrough in Small Signal) sind Bipolartransistoren mit verbesserten Kleinsignalparametern. Eine deutliche Verbesserung der Parameter von BISS-Transistoren wurde durch eine Änderung des Designs der Emitterzone erreicht. Die ersten Entwicklungen dieser Geräteklasse wurden auch „Mikrostromgeräte“ genannt.

Transistoren mit eingebauten Widerständen RET (Resistor-rüstete Transistoren) – Bipolartransistoren mit in einem Gehäuse eingebauten Widerständen. RET ist ein Allzwecktransistor mit einem oder zwei eingebauten Widerständen. Durch diese Gestaltung des Transistors ist es möglich, die Anzahl der angeschlossenen Bauteile zu reduzieren und die benötigte Einbaufläche zu minimieren. RET-Transistoren werden verwendet, um das Eingangssignal von Mikroschaltungen zu steuern oder kleinere Lasten auf LEDs umzuschalten.

Die Verwendung von Heterojunction ermöglicht die Herstellung von Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenz-Feldeffekttransistoren wie HEMT.

Anwendung von Transistoren

Transistoren werden als aktive (verstärkende) Elemente in Verstärker- und Schaltstufen verwendet.

Relais und Thyristoren haben eine höhere Leistungsverstärkung als Transistoren, arbeiten aber nur im Schaltbetrieb.

Der erste bekannte Versuch, in den Vereinigten Staaten einen Kristallverstärker zu entwickeln, wurde vom deutschen Physiker Julius Lilienfeld unternommen, der ihn 1930, 1932 und 1933 patentieren ließ. drei Verstärkeroptionen auf Basis von Kupfersulfid. 1935 erhielt der deutsche Wissenschaftler Oskar Heil ein britisches Patent für einen Verstärker auf Basis von Vanadiumpentoxid. Im Jahr 1938 schuf der deutsche Physiker Pohl ein funktionierendes Beispiel eines Kristallverstärkers auf Basis eines erhitzten Kaliumbromidkristalls. In den Vorkriegsjahren wurden in Deutschland und England mehrere weitere ähnliche Patente erteilt. Diese Verstärker können als Prototyp moderner Feldeffekttransistoren angesehen werden. Es war jedoch nicht möglich, stabile Betriebsgeräte zu bauen, weil Damals gab es nicht genügend reine Materialien und Technologien für deren Verarbeitung. In der ersten Hälfte der dreißiger Jahre wurden Punkttrioden von zwei Funkamateuren hergestellt – dem Kanadier Larry Kaiser und dem dreizehnjährigen neuseeländischen Schüler Robert Adams. Im Juni 1948 (bevor der Transistor vorgestellt wurde) stellten die deutschen Physiker Robert Pohl und Rudolf Hilsch, die damals in Frankreich lebten, ihre eigene Version einer punktförmigen Germaniumtriode her, die sie Transitron nannten. Anfang 1949 wurde die Produktion von Transitrons organisiert, die in Telefonanlagen eingesetzt wurden und besser und länger arbeiteten als amerikanische Transistoren. In Russland beobachtete O. V. Losev in den 20er Jahren in Nischni Nowgorod einen Transistoreffekt in einem System von drei bis vier Kontakten auf der Oberfläche von Silizium und Korborund. Mitte 1939 schrieb er: „...mit Halbleitern lässt sich ein Drei-Elektroden-System ähnlich einer Triode aufbauen“, doch er ließ sich von dem von ihm entdeckten LED-Effekt mitreißen und setzte diese Idee nicht um. Viele Wege führten zum Transistor.

ERSTER TRANSISTOR

Die oben beschriebenen Beispiele für Transistorprojekte und -muster waren das Ergebnis lokaler Gedankenausbrüche talentierter oder glücklicher Menschen, die nicht durch ausreichende wirtschaftliche und organisatorische Unterstützung unterstützt wurden und bei der Entwicklung der Elektronik keine ernsthafte Rolle spielten. J. Bardeen, W. Brattain und W. Shockley befanden sich in besseren Bedingungen. Sie arbeiteten an dem einzigen zielgerichteten Langzeitprogramm (mehr als fünf Jahre) der Welt mit ausreichender finanzieller und materieller Unterstützung bei den Bell Telephone Laboratories, damals eines der leistungsstärksten und wissensintensivsten in den USA. Ihre Arbeit begann in der zweiten Hälfte der dreißiger Jahre, die Arbeit wurde von Joseph Becker geleitet, der den hochqualifizierten Theoretiker W. Shockley und den brillanten Experimentator W. Brattain anzog. Im Jahr 1939 brachte Shockley die Idee vor, die Leitfähigkeit einer dünnen Halbleiterscheibe (Kupferoxid) durch Anlegen eines externen elektrischen Feldes zu ändern. Es erinnerte in gewisser Weise sowohl an das Patent von Yu. Lilienfeld als auch an den später hergestellten und weit verbreiteten Feldeffekttransistor. 1940 trafen Shockley und Brattain die glückliche Entscheidung, ihre Forschung auf die einfachen Elemente Germanium und Silizium zu beschränken. Alle Versuche, einen Festkörperverstärker zu bauen, scheiterten jedoch und wurden nach Pearl Harbor (dem praktischen Beginn des Zweiten Weltkriegs für die Vereinigten Staaten) auf Eis gelegt. Shockley und Brattain wurden zu einem Forschungszentrum geschickt, das an Radar arbeitet. 1945 kehrten beide zu den Bell Labs zurück. Dort wurde unter Shockleys Führung ein starkes Team aus Physikern, Chemikern und Ingenieuren zusammengestellt, um an Festkörpergeräten zu arbeiten. Darunter waren W. Brattain und der theoretische Physiker J. Bardeen. Shockley orientierte die Gruppe an der Umsetzung ihrer Vorkriegsidee. Aber das Gerät weigerte sich hartnäckig zu funktionieren, und Shockley wich dem Thema praktisch aus, nachdem er Bardeen und Brattain angewiesen hatte, es in die Tat umzusetzen. Zwei Jahre harter Arbeit brachten nur negative Ergebnisse. Bardeen vermutete, dass sich überschüssige Elektronen fest in den oberflächennahen Bereichen ablagerten und das äußere Feld abschirmten. Diese Hypothese veranlasste weitere Maßnahmen. Die flache Steuerelektrode wurde durch eine Spitze ersetzt und versuchte, die dünne Oberflächenschicht des Halbleiters lokal zu beeinflussen.

Eines Tages brachte Brattain versehentlich zwei nadelförmige Elektroden auf der Oberfläche von Germanium fast dicht zusammen, vertauschte auch die Polarität der Versorgungsspannungen und bemerkte plötzlich den Einfluss des Stroms einer Elektrode auf den Strom der anderen. Bardin war sich des Fehlers sofort bewusst. Und am 16. Dezember 1947 brachten sie einen Festkörperverstärker auf den Markt, der als der erste Transistor der Welt gilt. Das Design war sehr einfach: Auf einer Metallsubstratelektrode lag eine Germaniumplatte, auf der zwei eng beieinander liegende (10–15 Mikrometer) Kontakte ruhten. Diese Kontakte wurden ursprünglich hergestellt. Ein dreieckiges Plastikmesser, in Goldfolie eingewickelt, an der Spitze des Dreiecks mit einem Rasiermesser in zwei Hälften geschnitten. Das Dreieck wurde mit einer speziellen Feder aus einer gebogenen Büroklammer gegen die Germaniumplatte gedrückt. Eine Woche später, am 23. Dezember 1947, wurde das Gerät der Firmenleitung vorgeführt, dieser Tag gilt als Geburtsdatum des Transistors. Alle waren mit dem Ergebnis zufrieden, außer Shockley: Es stellte sich heraus, dass er, der als erster einen Halbleiterverstärker konzipierte, eine Gruppe von Spezialisten leitete und ihnen Vorträge über die Quantentheorie der Halbleiter hielt, an seiner Entwicklung nicht beteiligt war. Und der Transistor ist nicht so geworden, wie Shockley es beabsichtigt hatte: bipolar, nicht Feldeffekt. Daher konnte er keine Miturheberschaft am „Star“-Patent beanspruchen. Das Gerät funktionierte, aber dieses scheinbar unhandliche Design konnte der breiten Öffentlichkeit nicht gezeigt werden. Wir haben mehrere Transistoren in Form von Metallzylindern mit einem Durchmesser von etwa 13 mm hergestellt. und baute darauf einen „schlauchlosen“ Funkempfänger zusammen. Am 30. Juni 1948 fand in New York die offizielle Präsentation eines neuen Geräts statt – eines Transistors (vom englischen Transver Resistor – Widerstandstransformator). Experten erkannten seine Fähigkeiten jedoch nicht sofort. Experten des Pentagons „verurteilten“ den Transistor nur zur Verwendung in Hörgeräten für alte Menschen. Die Kurzsichtigkeit des Militärs bewahrte den Transistor also vor der Geheimhaltung. Die Präsentation blieb fast unbeachtet; nur ein paar Absätze über den Transistor erschienen in der New York Times auf Seite 46 in der Rubrik „Radio News“. Dies war der Beginn einer der größten Entdeckungen des 20. Jahrhunderts für die Welt. Selbst Hersteller von Vakuumröhren, die viele Millionen in ihre Fabriken investiert hatten, sahen im Erscheinen des Transistors keine Bedrohung. Später, im Juli 1948, erschienen Informationen über diese Erfindung in The Physical Review. Doch erst nach einiger Zeit erkannten Experten, dass ein grandioses Ereignis stattgefunden hatte, das die weitere Entwicklung des Fortschritts in der Welt bestimmte. Bell Labs meldete diese revolutionäre Erfindung sofort zum Patent an, doch es gab viele Probleme mit der Technologie. Die ersten Transistoren, die 1948 auf den Markt kamen, lösten keinen Optimismus aus – sobald man sie schüttelte, änderte sich die Verstärkung mehrmals, und beim Erhitzen hörten sie ganz auf zu funktionieren. Aber in der Miniaturgröße waren sie unübertroffen. Geräte für Menschen mit eingeschränktem Hörvermögen könnten in Brillengestellen untergebracht werden! Bell Labs erkannte, dass es wahrscheinlich nicht in der Lage sein würde, alle technologischen Probleme alleine zu bewältigen, und entschied sich für einen ungewöhnlichen Schritt. Anfang 1952 gab das Unternehmen bekannt, dass es die Rechte zur Herstellung des Transistors vollständig an jedes Unternehmen übertragen würde, das bereit wäre, die bescheidene Summe von 25.000 US-Dollar anstelle der regulären Patentgebühren zu zahlen, und bot Schulungskurse in Transistortechnologie an, um zur weltweiten Verbreitung der Technologie beizutragen die Welt. Die Bedeutung dieses Miniaturgeräts wurde nach und nach klarer. Der Transistor erwies sich aus folgenden Gründen als attraktiv: Er war billig, klein, langlebig, verbrauchte wenig Strom und schaltete sich sofort ein (das Aufheizen der Lampen dauerte lange). 1953 kam das erste kommerzielle Transistorprodukt auf den Markt – ein Hörgerät (ein Pionier in diesem Geschäft war John Kilby von Centralab, der einige Jahre später den weltweit ersten Halbleiterchip herstellte) und im Oktober 1954 der erste Transistor Radio, Regency TR1, es wurden nur vier Germaniumtransistoren verwendet. Die Computertechnologieindustrie begann sofort, neue Geräte zu beherrschen, das erste war IBM. Die Verfügbarkeit der Technologie hat Früchte getragen – die Welt begann sich rasant zu verändern.

Erfinder Darsteller: William Shockley, John Bardeen und Walter Brattain
Ein Land: USA
Zeit der Erfindung: 1948

Die Erfindung des Transistors Ende der 1940er Jahre war einer der größten Meilensteine ​​in der Geschichte der Elektronik. , das bis dahin lange Zeit ein unverzichtbarer und wichtigster Bestandteil aller Radio- und Elektronikgeräte war, wies viele Mängel auf.

Mit zunehmender Komplexität der Funkausrüstung und steigenden allgemeinen Anforderungen an sie wurden diese Mängel immer deutlicher spürbar. Dazu zählen vor allem die mechanische Zerbrechlichkeit der Lampen, ihre kurze Lebensdauer, ihre großen Abmessungen und ihr geringer Wirkungsgrad aufgrund großer Wärmeverluste an der Anode.

Als daher in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts Vakuumröhren durch Halbleiterelemente ersetzt wurden, die keine der aufgeführten Mängel aufwiesen, kam es zu einer echten Revolution in der Funktechnik und Elektronik.

Es muss gesagt werden, dass Halbleiter ihre bemerkenswerten Eigenschaften dem Menschen nicht sofort offenbarten. Lange Zeit wurden in der Elektrotechnik ausschließlich Leiter und Dielektrika eingesetzt. Eine große Gruppe von Materialien, die eine Zwischenstellung zwischen ihnen einnahmen, fand keine Anwendung, und nur wenige Forscher, die die Natur der Elektrizität untersuchten, zeigten von Zeit zu Zeit Interesse an ihren elektrischen Eigenschaften.

So entdeckte Karl Ferdinand Braun 1874 das Phänomen der Stromgleichrichtung an der Kontaktstelle zwischen Blei und Pyrit und schuf den ersten Kristalldetektor. Andere Forscher haben herausgefunden, dass die darin enthaltenen Verunreinigungen einen erheblichen Einfluss auf die Leitfähigkeit von Halbleitern haben. Beispielsweise entdeckte Boeddecker 1907, dass sich die Leitfähigkeit von Kupferjodid in Gegenwart einer Beimischung von Jod, das selbst kein Leiter ist, um das 24-fache erhöht.

Was erklärt die Eigenschaften von Halbleitern und warum sind sie in der Elektronik so wichtig geworden? Nehmen wir einen typischen Halbleiter wie Germanium. Unter normalen Bedingungen hat es einen Widerstand, der 30 Millionen Mal so hoch ist wie der von Kupfer und 1.000.000 Millionen Mal kleiner als der von Kupfer. Folglich ist es in seinen Eigenschaften immer noch etwas näher an Leitern als an Dielektrika. Wie bekannt ist, hängt die Fähigkeit eines Stoffes, elektrischen Strom zu leiten oder nicht, von der Anwesenheit oder Abwesenheit freier geladener Teilchen in ihm ab.

Deutschland bildet in diesem Sinne keine Ausnahme. Jedes seiner Atome ist vierwertig und muss mit gebildet werden Benachbarte Atome haben vier elektronische Bindungen. Aufgrund thermischer Effekte verlassen einige der Elektronen jedoch ihre Atome und beginnen, sich frei zwischen den Knotenpunkten des Kristallgitters zu bewegen. Das sind etwa 2 Elektronen pro 10 Milliarden Atome.

Ein Gramm Germanium enthält etwa 10 Milliarden Atome, das heißt, es verfügt über etwa 2 Milliarden freie Elektronen. Das ist millionenfach weniger als beispielsweise bei Kupfer oder Silber, reicht aber immer noch aus, damit Germanium einen kleinen Strom durch sich selbst leiten kann. Wie bereits erwähnt, kann die Leitfähigkeit von Germanium jedoch deutlich erhöht werden, wenn Verunreinigungen in sein Gitter eingebracht werden, beispielsweise ein fünfwertiges Atom Arsen oder Antimon.

Dann bilden vier Arsenelektronen Valenzbindungen mit Germaniumatomen, das fünfte bleibt jedoch frei. Es wird schwach an das Atom gebunden sein, also klein Die an den Kristall angelegte Spannung reicht aus, um ihn zu lösen und in ein freies Elektron umzuwandeln (es ist klar, dass die Arsenatome zu positiv geladenen Ionen werden). All dies verändert die elektrischen Eigenschaften von Germanium merklich.

Ein anderes Bild ergibt sich, wenn eine dreiwertige Verunreinigung (z. B. Aluminium, Gallium oder Indium) in einen Germaniumkristall eingebracht wird. Jedes Verunreinigungsatom geht Bindungen mit nur drei Germaniumatomen ein, und anstelle der vierten Bindung entsteht ein freier Raum – ein Loch, das leicht von jedem Elektron gefüllt werden kann (in diesem Fall ist das Verunreinigungsatom negativ ionisiert).

Wenn dieses Elektron zu einer Verunreinigung eines benachbarten Germaniumatoms gelangt, befindet sich wiederum das Loch der Letzte. Durch Anlegen einer Spannung an einen solchen Kristall erzielen wir einen Effekt, den man „Lochbewegung“ nennen kann. Angenommen, ein Elektron füllt das Loch eines dreiwertigen Atoms auf der Seite, auf der sich der negative Pol der externen Quelle befindet. Dadurch rückt das Elektron näher an den Pluspol heran, während im benachbarten Atom, das sich näher am Minuspol befindet, ein neues Loch entsteht.

Dann tritt das gleiche Phänomen bei einem anderen Atom auf. Das neue Loch wiederum wird mit einem Elektron gefüllt und nähert sich so dem Pluspol, und das resultierende Loch nähert sich dem Minuspol. Und wenn das Elektron infolge einer solchen Bewegung den positiven Pol erreicht, von wo es zur Stromquelle gelangt, erreicht das Loch den negativen Pol, wo es mit einem Elektron gefüllt wird, das von der Stromquelle kommt. Das Loch bewegt sich als wäre es ein Teilchen mit einer positiven Ladung, und wir können sagen, dass hier der elektrische Strom durch positive Ladungen erzeugt wird. Ein solcher Halbleiter wird p-Typ-Halbleiter (von positiv – positiv) genannt.

An sich ist das Phänomen der Verunreinigungsleitfähigkeit noch nicht von großer Bedeutung, aber wenn zwei Halbleiter verbunden werden – einer mit n-Leitfähigkeit und der andere mit p-Leitfähigkeit (z. B. wenn in einem Germaniumkristall auf einem n-Leitfähigkeit erzeugt wird). Seite und p auf der anderen) -Leitfähigkeit) - treten sehr interessante Phänomene auf.

Negativ ionisierte Atome in der Region p stoßen freie Elektronen in der Region n vom Übergang ab, und positiv ionisierte Atome in der Region n stoßen Löcher in der Region p vom Übergang ab. Das heißt, der pn-Übergang wird zu einer Art Barriere zwischen den beiden Bereichen. Dadurch erhält der Kristall eine ausgeprägte Einwegleitfähigkeit: Für einige Ströme verhält er sich wie ein Leiter, für andere wie ein Isolator.

Wenn an den Kristall nämlich eine Spannung angelegt wird, die größer als die „Stopp“-Spannung des pn-Übergangs ist, und zwar so, dass die positive Elektrode mit dem p-Bereich und die negative Elektrode mit dem n-Bereich verbunden ist, Dann fließt im Kristall ein elektrischer Strom, der durch die Bewegung von Elektronen und Löchern zueinander entsteht.

Wenn die Potentiale der externen Quelle in die entgegengesetzte Richtung geändert werden, stoppt der Strom (oder vielmehr ist er sehr unbedeutend) – es kommt nur zum Abfluss von Elektronen und Löchern aus der Grenze zwischen den beiden Regionen wodurch die potenzielle Barriere zwischen ihnen zunehmen wird.

In diesem Fall verhält sich der Halbleiterkristall genau wie eine Vakuumröhrendiode, daher werden Geräte, die auf diesem Prinzip basieren, Halbleiterdioden genannt. Sie können wie Röhrendioden als Detektoren, also Stromgleichrichter, dienen.

Ein noch interessanteres Phänomen kann bei der Bildung eines Halbleiterkristalls beobachtet werden nicht einer, sondern zwei pn-Übergänge. Dieses Halbleiterelement wird Transistor genannt. Einer seiner äußeren Bereiche wird Emitter genannt, der andere wird Kollektor genannt und der mittlere Bereich (der normalerweise sehr dünn ausgeführt ist) wird Basis genannt.

Wenn wir an Emitter und Kollektor eines Transistors eine Spannung anlegen, fließt kein Strom, egal wie wir die Polarität ändern. Wenn Sie jedoch eine kleine Potentialdifferenz zwischen Emitter und Basis erzeugen, gelangen freie Elektronen vom Emitter, nachdem sie den pn-Übergang überwunden haben, in die Basis. Und da die Basis sehr dünn ist, reichen nur wenige dieser Elektronen aus, um die Löcher im p-Bereich zu füllen. Daher gelangen die meisten von ihnen in den Kollektor und überwinden die Sperrbarriere des zweiten Übergangs – im Transistor entsteht ein elektrischer Strom.

Dieses Phänomen ist umso bemerkenswerter, als der Strom im Emitter-Basis-Kreis normalerweise um das Zehnfache geringer ist fließt im Emitter-Kollektor-Kreis. Daraus wird deutlich, dass der Transistor in seiner Wirkung in gewissem Sinne als Analogon einer Drei-Elektroden-Lampe betrachtet werden kann (obwohl die physikalischen Prozesse in ihnen völlig unterschiedlich sind), und die Die Basis spielt hier die Rolle eines Gitters, das zwischen der Anode und der Kathode platziert ist.

So wie bei einer Lampe eine kleine Änderung des Gitterpotentials eine große Änderung des Anodenstroms verursacht, führen bei einem Transistor kleine Änderungen im Basisstromkreis zu großen Änderungen des Kollektorstroms. Daher kann der Transistor als Verstärker und elektrischer Signalgenerator verwendet werden.

Ab den frühen 40er Jahren begannen Halbleiterelemente nach und nach die Vakuumröhren zu ersetzen. Seit 1940 werden Punkt-Germanium-Dioden häufig in Radargeräten eingesetzt. Im Allgemeinen diente Radar als Impulsgeber für die rasante Entwicklung der Elektronik für leistungsstarke Hochfrequenzenergiequellen. Dezimeter- und Zentimeterwellen zeigten zunehmendes Interesse an der Entwicklung elektronischer Geräte, die in diesen Bereichen arbeiten können.

Unterdessen verhielten sich Vakuumröhren, wenn sie im Hoch- und Ultrahochfrequenzbereich eingesetzt wurden unbefriedigend, da das Eigengeräusch die Empfindlichkeit deutlich einschränkte. Durch den Einsatz von Punkt-Germanium-Dioden an den Eingängen von Funkempfängern konnte das Eigenrauschen deutlich reduziert und die Empfindlichkeit und Erkennungsreichweite von Objekten erhöht werden.

Die eigentliche Ära der Halbleiter begann jedoch nach dem Zweiten Weltkrieg, als der Punkt-Punkt-Transistor erfunden wurde.

Es wurde nach vielen Experimenten im Jahr 1948 von Mitarbeitern der amerikanischen Firma Bell, William Shockley, John Bardeen und Walter Brattain, entwickelt. Indem sie zwei Punktkontakte in geringem Abstand voneinander auf einem Germaniumkristall platzierten und an einen von ihnen eine Durchlassvorspannung und an den anderen eine Rückwärtsvorspannung anlegten, konnten sie den durch den ersten Kontakt fließenden Strom zur Steuerung nutzen der Strom durch die Sekunde. Dieser erste Transistor hatte eine Verstärkung von etwa 100.

Die neue Erfindung verbreitete sich schnell. Die ersten Punkt-Punkt-Transistoren bestanden aus ein Germaniumkristall mit n-Leitfähigkeit, der als Basis diente, auf dem zwei dünne Bronzespitzen ruhten, die sehr nahe beieinander lagen – im Abstand von mehreren Mikrometern.

Einer von ihnen (normalerweise Beryllium) diente als Emitter und der andere (Phosphorbronze) diente als Kollektor. Bei der Herstellung des Transistors wurde ein Strom von etwa einem Ampere durch die Spitzen geleitet. In diesem Fall schmolz das Germanium, ebenso wie die Spitzen der Spitzen. Kupfer und die darin enthaltenen Verunreinigungen gingen in Germanium über und bildeten in unmittelbarer Nähe von Punktkontakten Schichten mit Lochleitfähigkeit.

Diese Transistoren waren aufgrund der Unvollkommenheit ihres Designs nicht zuverlässig. Sie waren instabil und konnten nicht mit hoher Leistung betrieben werden. Ihre Kosten waren großartig. Allerdings waren sie viel zuverlässiger als Vakuumröhren, hatten keine Angst vor Feuchtigkeit und verbrauchten hunderte Male weniger Strom als ähnliche Vakuumröhren.

Gleichzeitig waren sie äußerst sparsam, da sie für ihren Antrieb nur sehr wenig Strom benötigten. ca. 0,5-1 V und erforderte keine separate Batterie. Ihr Wirkungsgrad erreichte 70 %, während der der Lampe selten über 10 % lag. Da die Transistoren nicht beheizt werden mussten, begannen sie sofort nach dem Anlegen der Spannung zu arbeiten. Darüber hinaus hatten sie ein sehr geringes Eigenrauschen, weshalb sich mit Transistoren bestückte Geräte als empfindlicher erwiesen.

Nach und nach wurde das neue Gerät verbessert. Im Jahr 1952 erschienen die ersten planaren Germanium-Fremdstofftransistoren. Ihre Herstellung war ein komplexer technologischer Prozess. Zuerst wurde Germanium von Verunreinigungen gereinigt und dann wurde ein Einkristall gebildet. Ein gewöhnliches Stück Germanium besteht aus einer großen Anzahl ungeordnet miteinander verschmolzener Kristalle. Für Halbleiterbauelemente ist dieser Materialaufbau nicht geeignet – hier benötigt man ein ausschließlich korrektes Kristallgitter, das für das gesamte Stück einheitlich ist. Dazu wurde Germanium geschmolzen und ein Keim hineingeworfen – ein kleiner Kristall mit einem korrekt ausgerichteten Gitter.

Durch Drehen des Samens um seine Achse wurde dieser langsam angehoben. Dadurch richteten sich die Atome um den Samen herum auf in ein regelmäßiges Kristallgitter. Das Halbleitermaterial verfestigte sich und umhüllte den Samen. Das Ergebnis war ein monokristalliner Stab. Gleichzeitig wurde der Schmelze eine Verunreinigung vom p- oder n-Typ zugesetzt. Dann wurde der Einkristall in kleine Plättchen geschnitten, die als Basis dienten.

Emitter und Kollektor wurden auf verschiedene Weise hergestellt. Die einfachste Methode bestand darin, kleine Indiumstücke auf beide Seiten einer Germaniumplatte zu legen und diese schnell auf 600 Grad zu erhitzen. In diesem Fall wurde Indium mit dem darunter liegenden Germanium verschmolzen. Beim Abkühlen erlangten die mit Indium gesättigten Bereiche p-Leitfähigkeit. Anschließend wurde der Kristall in das Gehäuse eingesetzt und die Leitungen angeschlossen.

Im Jahr 1955 entwickelte das Unternehmen Bell Systems einen Diffusions-Germanium-Transistor. Die Diffusionsmethode bestand darin, Halbleiterwafer in eine Gasatmosphäre mit Verunreinigungsdämpfen zu bringen, die den Emitter und den Kollektor bilden würden, und die Wafer auf eine Temperatur nahe dem Schmelzpunkt zu erhitzen. Nach und nach drangen Verunreinigungsatome in den Halbleiter ein.