Transistorin historia

Yksi XX luvun merkittävistä keksinnöistä pidetään transistori keksintöjoka tuli korvaamaan elektroniset lamput.

Kauan aikaa lamput olivat kaikkien elektronisten laitteiden ainoa aktiivinen komponentti, vaikka niissä oli paljon puutteita. Ensinnäkin se on suuri virrankulutus, suuret mitat, lyhyt käyttöikä ja matala mekaaninen lujuus. Nämä puutteet tuntuivat yhä selvemmin elektroniikkalaitteiden parantamisen ja hienostuneisuuden myötä.

Radiotekniikan vallankumouksellinen vallankumous tapahtui, kun vanhentuneet lamput korvattiin puolijohdevahvistimilla - transistoreilla, joilla ei ollut kaikkia mainittuja haittoja.

Ensimmäinen toimiva transistori syntyi vuonna 1947 amerikkalaisen Bell Telephone Laboratories -yrityksen työntekijöiden ponnistelujen ansiosta. Heidän nimensä tunnetaan nyt kaikkialla maailmassa. Nämä ovat tutkijoita - fyysikot W. Shockley, D. Bardin ja W. Brighten. Jo vuonna 1956 kaikki kolme saivat Nobelin fysiikan palkinnon keksinnöstä.

Mutta kuten monia suuria keksintöjä, transistoria ei havaittu heti. Vain yhdessä amerikkalaisessa sanomalehdessä mainittiin, että Bell Telephone Laboratories osoitti laitteensa nimeltään transistori. Sanottiin myös, että sitä voidaan käyttää joillakin sähkötekniikan alueilla elektroniputkien sijasta.

Esitetty transistori oli pienen, 13 mm pitkä metallisylinterin muodossa, ja se esitettiin vastaanottimessa, jossa ei ollut elektroniputkia. Kaikelle muulle yritykselle väitettiin, että laitetta voidaan käyttää paitsi vahvistumiseen myös sähköisen signaalin tuottamiseen tai muuntamiseen.

Kuva 1. Ensimmäinen transistori

Kuva 2. John Bardin, William Shockley ja Walter Brattain. He jakoivat vuoden 1956 Nobel-palkinnon yhteistyöstä maailman ensimmäisen operatiivisen transistorin kehittämisessä vuonna 1948.

Mutta transistorin kykyjä, kuten tosiasiassa monia muita suuria löytöjä, ei heti ymmärretty ja arvostettu. Kiinnostaakseen uutta laitetta Bell mainosti sitä tiukasti seminaareissa ja artikkeleissa ja myönsi kaikille lisenssin sen valmistamiseksi.

Elektroniikkalamppujen valmistajat eivät nähneet vakavaa kilpailijaa transistorissa, koska oli mahdotonta heti alentaa kolmen vuoden historiaa useiden satojen mallien lamppujen tuotannosta ja miljoonan dollarin investoinneista niiden kehittämiseen ja tuotantoon. Siksi transistori tuli elektroniikkaan ei niin nopeasti, koska elektroniputkien aikakausi oli vielä kesken.

Kuva 3. Transistori ja elektroninen lamppu

Ensimmäiset vaiheet puolijohteisiin

Muinaisista ajoista lähtien sähkötekniikassa käytettiin pääasiassa kahta tyyppisiä materiaaleja - johtimia ja dielektrikoja (eristeitä). Metallit, suolaliuokset ja jotkut kaasut kykenevät johtamaan virtaa. Tämä kyky johtuu siitä, että johtimissa on vapaiden varauksen kantajien - elektroneja. Johtimissa elektronit ovat melko helposti irrotettavissa atomista, mutta ne metallit, joilla on alhainen vastus (kupari, alumiini, hopea, kulta), sopivat parhaiten sähköenergian siirtoon.

Eristeet sisältävät aineita, joilla on korkea vastus, niiden elektronit ovat erittäin tiukasti sitoutuneita atomiin. Näitä ovat posliini, lasi, kumi, keramiikka, muovi. Siksi näissä aineissa ei ole ilmaisia ​​varauksia ja siksi ei ole sähkövirtaa.

On aiheellista palauttaa mieleen fysiikan oppikirjojen sanamuoto, jonka mukaan sähkövirta on sähköisesti varautuneiden hiukkasten suuntainen liike sähkökentän vaikutuksesta. Eristeissä ei yksinkertaisesti ole mitään, mikä liikkuu sähkökentän vaikutuksesta.

Jotkut tutkijat kykenivät "tuntemaan" puolijohdetehosteita tutkiessaan erilaisia ​​materiaaleja koskevia sähköisiä ilmiöitä.Esimerkiksi ensimmäisen kiteisen ilmaisimen (diodin) loi saksalainen fyysikko Karl Ferdinand Brown vuonna 1874 lyijyn ja pyriten kosketukseen perustuen. (Pyrite on rautapyriitti; kun se osuu tuoliin, veistetään kipinä, minkä vuoksi se sai nimen kreikkalaisesta ”juhlasta” - tuli). Myöhemmin tämä ilmaisin korvasi onnistuneesti ensimmäisten vastaanottimien kooderin, mikä lisäsi merkittävästi niiden herkkyyttä.

Vuonna 1907 Beddecker, tutkiessaan jodikuparin johtavuutta, havaitsi, että sen johtavuus kasvaa 24-kertaisesti, kun läsnä on jodi-epäpuhtauksia, vaikka jodi itsessään ei ole johdin. Mutta kaikki nämä olivat satunnaisia ​​löytöjä, joita ei voitu perustella tieteellisesti. Puolijohteiden systemaattinen tutkimus aloitettiin vasta vuonna 1920 - 1930 vuotta.

Neuvostoliiton tutkija OV antoi suuren panoksen puolijohteiden tutkimukseen. Losev. Hän meni historiaan pääasiassa keksijänä kristadiinia (oskillaattori ja vahvistin perustuu diodi) ja LED. Katso lisää tästä: LEDien historia. Losevin hehku.

Transistorien tuotannon alkaessa pääpuolijohde oli germanium (Ge). Energiankulutuksen suhteen se on erittäin taloudellinen, jännite pn-liitoksen avaamiseksi on vain 0,1 ... 0,3 V, mutta monet parametrit ovat epävakaita, joten pii (Si) tuli korvaamaan sen.

Lämpötila, jossa germaniumtransistoreita voidaan käyttää, on korkeintaan 60 astetta, kun taas piitransistorit voivat toimia edelleen 150 ° C: ssa. Pii puolijohteena ylittää germaniumin muilla ominaisuuksilla, pääasiassa taajuudella.

Lisäksi piin (tavallisen hiekan rannalla) varannot luonnossa ovat rajattomat, ja sen puhdistamiseen ja käsittelyyn tarvittava tekniikka on yksinkertaisempaa ja halvempaa kuin germaniumin harvinaisluonteinen elementti. Ensimmäinen piitransistori ilmestyi pian ensimmäisen germaniumtransistorin jälkeen - vuonna 1954. Tämä tapahtuma edellytti jopa uutta nimeä ”piikaja”, jota ei pidä sekoittaa kiviin!

Kuva 4. Transistorien kehitys

Mikroprosessorit ja puolijohteet. Pii Age Age Sunset

Oletko koskaan miettinyt, miksi melkein kaikista tietokoneista on viime aikoina tullut moniytimisiä? Termit dual-core tai quad-core ovat yleisiä kaikille. Tosiasia on, että mikroprosessorin suorituskyvyn lisääminen lisäämällä kellotaajuutta ja lisäämällä transistorien lukumäärää yhdessä paketissa piirakenteisiin on melkein lähellä rajaa.

Puolijohteiden lukumäärän kasvu yhdessä kotelossa saavutetaan vähentämällä niiden fysikaalisia mittoja. Vuonna 2011 INTEL kehitti jo 32 nm: n prosessitekniikan, jossa transistorin kanavan pituus on vain 20 nm. Tällainen lasku ei kuitenkaan tuo kellotaajuuden huomattavaa nousua, koska se oli jopa 90 nm: n tekniikka. On selvää, että on aika siirtyä eteenpäin jotain täysin uutta.

Kuva 5. Transistorien historia

Grafeeni - tulevaisuuden puolijohde

Vuonna 2004 fyysikot löysivät uuden puolijohdemateriaalin. grafeeni. Tämä merkittävä ehdokas piin korvaamiseksi on myös hiiliryhmän materiaali. Sen perusteella luodaan transistori, joka toimii kolmessa eri tilassa.

Kuva 6. Grafeeni

Kuva 7. Kuva kenttägrafeenitransistorista, joka on saatu pyyhkäisyelektronimikroskoopilla

Nykyisiin tekniikoihin verrattuna tämä mahdollistaa transistorien määrän vähentämisen yhdessä tapauksessa tarkalleen kolme kertaa. Lisäksi tutkijoiden mukaan uuden puolijohdemateriaalin toimintataajuudet voivat olla jopa 1000 GHz. Parametrit ovat tietysti erittäin houkuttelevia, mutta toistaiseksi uusi puolijohde on kehitys- ja tutkimusvaiheessa ja pii on edelleen työhevonen. Hänen ikä ei ole vielä päättynyt.

Boris Aladyshkin