تاريخ الترانزستور

يعتبر أحد الاختراعات المهمة في القرن العشرين اختراع الترانزستورالذي جاء ليحل محل المصابيح الإلكترونية.

لفترة طويلة ، كانت المصابيح هي العنصر الوحيد النشط في جميع الأجهزة الإلكترونية ، على الرغم من وجود العديد من أوجه القصور فيها. بادئ ذي بدء ، إنه استهلاك كبير للطاقة وأبعاد كبيرة وعمر قصير وقوة ميكانيكية منخفضة. تم الشعور بأوجه القصور هذه بشكل أكثر وضوحا مع تحسين وتطور المعدات الإلكترونية.

حدثت ثورة في هندسة الراديو عندما تم استبدال المصابيح التي عفا عليها الزمن بأجهزة تضخيم أشباه الموصلات - الترانزستورات ، خالية من جميع العيوب المذكورة.

ولد أول الترانزستور التشغيلي في عام 1947 ، وذلك بفضل جهود موظفي شركة Bell Telephone Laboratories الأمريكية. أسماءهم معروفة الآن في جميع أنحاء العالم. هؤلاء هم العلماء - علماء الفيزياء دبليو. شوكلي ، د. باردين و دبليو برايتن. بالفعل في عام 1956 ، تم منح الثلاثة جائزة نوبل في الفيزياء لهذا الاختراع.

ولكن ، مثل العديد من الاختراعات العظيمة ، لم يلاحظ الترانزستور على الفور. فقط في واحدة من الصحف الأمريكية التي ذكرت أن مختبرات بيل الهاتف أظهرت جهازها يسمى الترانزستور. وقيل أيضًا إنه يمكن استخدامه في بعض مجالات الهندسة الكهربائية بدلاً من أنابيب الإلكترون.

كان الترانزستور الظاهر على شكل أسطوانة معدنية صغيرة طولها 13 مم ، وقد ظهر في جهاز استقبال لا يحتوي على أنابيب إلكترونية. إلى كل شيء آخر ، ادعت الشركة أنه يمكن استخدام الجهاز ليس فقط للتضخيم ، ولكن أيضًا لتوليد أو تحويل إشارة كهربائية.

التين. 1. الترانزستور الأول

التين. 2. جون باردين وويليام شوكلي ووالتر براتين. لتعاونهم في تطوير أول الترانزستور التشغيلي في العالم في عام 1948 ، تقاسموا جائزة نوبل لعام 1956.

لكن قدرات الترانزستور ، كما هو الحال بالنسبة لكثير من الاكتشافات العظيمة الأخرى ، لم يتم فهمها وتقديرها على الفور. لإثارة الاهتمام بالجهاز الجديد ، قامت بيل بالإعلان عنه بحزم في الندوات والمقالات ، ومنحت الجميع ترخيصًا لتصنيعه.

لم ير مصنعو المصابيح الإلكترونية منافسًا جادًا في الترانزستور ، لأنه كان من المستحيل دفعة واحدة ، في دفعة واحدة ، خصم تاريخ ثلاثين عامًا من إنتاج مصابيح بمئات التصاميم ، واستثمارات بملايين الدولارات في تطويرها وإنتاجها. لذلك ، دخل الترانزستور في الإلكترونيات بسرعة كبيرة ، لأن عصر أنابيب الإلكترون كان لا يزال مستمراً.

التين. 3. الترانزستور والمصباح الإلكتروني

الخطوات الأولى لأشباه الموصلات

منذ العصور القديمة ، تم استخدام نوعين من المواد بشكل رئيسي في الهندسة الكهربائية - الموصلات والعزل الكهربائي (العوازل). المعادن ، حلول الملح ، وبعض الغازات لديها القدرة على إجراء التيار. هذه القدرة ناتجة عن وجود ناقلات شحنة مجانية - الإلكترونات في الموصلات. في الموصلات ، يتم فصل الإلكترونات بسهولة عن الذرة ، ولكن تلك المعادن ذات المقاومة المنخفضة (النحاس والألومنيوم والفضة والذهب) هي الأكثر ملاءمة لنقل الطاقة الكهربائية.

تشمل المواد العازلة مواد ذات مقاومة عالية ، وإلكتروناتها مرتبطة بإحكام جدًا بالذرة. هذه هي الخزف والزجاج والمطاط والسيراميك والبلاستيك. لذلك ، لا توجد رسوم مجانية في هذه المواد ، وبالتالي لا يوجد تيار كهربائي.

من المناسب أن نتذكر صياغة كتب الفيزياء أن التيار الكهربائي هو الحركة الموجهة للجزيئات المشحونة كهربائياً تحت تأثير المجال الكهربائي. في العوازل ، لا يوجد شيء يتحرك ببساطة تحت تأثير المجال الكهربائي.

ومع ذلك ، في عملية دراسة الظواهر الكهربائية في مواد مختلفة ، تمكن بعض الباحثين من "الشعور" بتأثيرات أشباه الموصلات.على سبيل المثال ، تم إنشاء أول كاشف بلوري (الصمام الثنائي) في عام 1874 بواسطة الفيزيائي الألماني كارل فرديناند براون استنادًا إلى ملامسة الرصاص والبايرايت. (البايرايت هو بيريت حديدي ؛ عندما يضرب الكرسي ، تنحت شرارة ، وهذا هو السبب في أنها حصلت على اسم من "العيد" اليوناني - النار). فيما بعد ، استبدل هذا الكاشف بنجاح جهاز التماسك في المستقبلات الأولى ، مما زاد من حساسيتهم بشكل كبير.

في عام 1907 ، وجد Beddecker ، أثناء دراسته لموصلية نحاس اليود ، أن الموصلية تزيد 24 ضعفًا في وجود شوائب اليود ، على الرغم من أن اليود نفسه ليس موصلًا. لكن كل هذه كانت اكتشافات عشوائية لا يمكن منحها مبررات علمية. بدأت دراسة منهجية لأشباه الموصلات فقط في عام 1920 - 1930 سنة.

قدم عالم سوفياتي في مختبر نيجني نوفغورود الإذاعي الشهير مساهمة كبيرة في دراسة أشباه الموصلات. Losev. لقد ذهب إلى التاريخ في المقام الأول باعتباره مخترع cristadine (مذبذب ومكبر للصوت على أساس الصمام الثنائي) ومصباح. انظر المزيد عن هذا هنا: تاريخ المصابيح. توهج لوسيف.

في فجر إنتاج الترانزستور ، كان أشباه الموصلات الرئيسية الجرمانيوم (جنرال الكتريك). فيما يتعلق باستهلاك الطاقة ، فهي اقتصادية للغاية ، والجهد اللازم لإلغاء تأمين مفترق pn الخاص به هو 0.1 ... 0.3 فولت فقط ، ولكن هناك العديد من المعلمات غير مستقرة ، لذلك جاء السيليكون (Si) ليحل محله.

لا تزيد درجة الحرارة التي يمكن عندها تشغيل الترانزستورات الجرمانيوم عن 60 درجة ، في حين أن ترانزستورات السيليكون يمكن أن تستمر في العمل عند 150. ويتجاوز السيليكون ، كأشباه الموصلات ، الجرمانيوم في خصائص أخرى ، في التردد بشكل أساسي.

بالإضافة إلى ذلك ، فإن احتياطيات السيليكون (الرمال العادية على الشاطئ) بطبيعتها غير محدودة ، وتكنولوجيا التنظيف والمعالجة أبسط وأرخص من عنصر الطبيعة النادرة في الجرمانيوم. ظهر ترانزستور السيليكون الأول بعد وقت قصير من أول ترانزستور جرمانيوم - في عام 1954. استلزم هذا الحدث حتى اسمًا جديدًا "عصر السيليكون" ، وليس الخلط بينه وبين الحجر!

التين. 4. تطور الترانزستورات

المعالجات الدقيقة وأشباه الموصلات. السيليكون عصر الغروب

هل تساءلت يوما لماذا أصبحت جميع أجهزة الكمبيوتر في الآونة الأخيرة تقريبا متعددة النوى؟ تعتبر المصطلحات ثنائية النواة أو رباعية النوى مشتركة بين الجميع. الحقيقة هي أن الزيادة في أداء المعالج الصغري عن طريق زيادة وتيرة الساعة ، وزيادة عدد الترانزستورات في حزمة واحدة ، لهياكل السيليكون قريبة تقريبا من الحد.

يتم تحقيق زيادة في عدد أشباه الموصلات في سكن واحد عن طريق تقليل أبعادها المادية. في عام 2011 ، طورت شركة INTEL بالفعل تقنية معالجة تبلغ 32 نانومتر حيث يبلغ طول قناة الترانزستور 20 نانومتر فقط. ومع ذلك ، فإن هذا النقص لا يجلب زيادة ملحوظة في تردد الساعة ، حيث كان يصل إلى 90 نانومتر تقنية. من الواضح أن الوقت قد حان للانتقال إلى شيء جديد بشكل أساسي.

التين. 5. تاريخ الترانزستورات

الجرافين - أشباه الموصلات في المستقبل

في عام 2004 ، اكتشف علماء الفيزياء مادة أشباه الموصلات جديدة. الجرافين. هذا المرشح الرئيسي لاستبدال السيليكون هو أيضا مادة مجموعة الكربون. على أساسها ، يتم إنشاء الترانزستور الذي يعمل في ثلاثة أوضاع مختلفة.

التين. 6. الجرافين

التين. 7. صورة الترانزستور الجرافين الحقل التي تم الحصول عليها باستخدام المجهر الإلكتروني المسح

مقارنة بالتقنيات الحالية ، سيسمح ذلك بتقليل عدد الترانزستورات في حالة واحدة بثلاثة أضعاف بالضبط. بالإضافة إلى ذلك ، وفقًا للعلماء ، يمكن أن تصل ترددات تشغيل مادة أشباه الموصلات الجديدة إلى 1000 جيجاهرتز. المعلمات ، بطبيعة الحال ، مغرية للغاية ، ولكن حتى الآن لا يزال أشباه الموصلات الجديدة في مرحلة التطوير والدراسة ، ولا يزال السيليكون هو العمود الفقري. عمره لم ينته بعد.

بوريس الأديشين