Povijest tranzistora

Razmatra se jedan od značajnih izuma XX stoljeća izum tranzistorakoji su došli zamijeniti elektronske svjetiljke.

Dugo vremena su lampe bile jedina aktivna komponenta svih elektroničkih uređaja, iako su imale brojne nedostatke. Prije svega, to je velika potrošnja energije, velike dimenzije, kratak vijek trajanja i niska mehanička čvrstoća. Ti su se nedostaci sve oštrije osjećali poboljšavanjem i sofisticiranošću elektroničke opreme.

Revolucionarna revolucija u radiotehnici dogodila se kada su zastarjele svjetiljke zamijenjene poluvodičkim pojačavačima - tranzistorima, lišen svih spomenutih nedostataka.

Prvi operativni tranzistor rođen je 1947, zahvaljujući naporima zaposlenika američke tvrtke Bell Telephone Laboratories. Njihova imena su sada poznata širom svijeta. To su znanstvenici - fizičari W. Shockley, D. Bardin i W. Brighten. Već 1956., sva trojica su za ovaj izum dobila Nobelovu nagradu za fiziku.

Ali, kao i mnogi veliki izumi, tranzistor nije odmah primijećen. Samo je u jednom od američkih novina spomenuto da je Bell Telephone Laboratories demonstrirao svoj uređaj nazvan tranzistor. Također je rečeno da se može koristiti u nekim područjima elektrotehnike umjesto elektronskih cijevi.

Prikazani tranzistor bio je u obliku malog metalnog cilindra duljine 13 mm, a prikazan je na prijemniku koji nije imao cijevi elektrona. U svemu drugom, tvrtka je tvrdila da se uređaj može koristiti ne samo za pojačanje, već i za stvaranje ili pretvorbu električnog signala.

Sl. 1. Prvi tranzistor

Sl. 2. John Bardin, William Shockley i Walter Brattain. Za suradnju u razvoju prvog svjetskog operativnog tranzistora 1948. dijelili su Nobelovu nagradu 1956. godine.

Ali mogućnosti tranzistora, kao i mnoga druga velika otkrića, nisu odmah shvaćene i uvažene. Kako bi pobudio interes za novi uređaj, Bell ga je odlučno oglašavao na seminarima i člancima i svima dao dozvolu za njegovu izradu.

Proizvođači elektroničkih svjetiljki nisu vidjeli ozbiljnog konkurenta u tranzistoru, jer je odjednom bilo nemoguće odustati od tridesetogodišnje povijesti izrade svjetiljki od nekoliko stotina dizajna i višemilijunskih ulaganja u njihov razvoj i proizvodnju. Stoga je tranzistor ušao u elektroniku ne tako brzo, budući da je doba elektronskih cijevi još uvijek trajala.

Sl. 3. Tranzistor i elektronička svjetiljka

Prvi koraci do poluvodiča

Od davnina su se u elektrotehnici uglavnom koristile dvije vrste materijala - vodiči i dielektričari (izolatori). Metali, otopine soli i neki plinovi imaju mogućnost provođenja struje. Ova sposobnost je zbog prisutnosti u vodičima slobodnih nosača naboja - elektrona. U vodičima se elektroni vrlo lako odvajaju od atoma, ali oni metali koji imaju mali otpor (bakar, aluminij, srebro, zlato) su najprikladniji za prijenos električne energije.

Izolatori uključuju tvari visokog otpora, njihovi elektroni su vrlo čvrsto vezani na atom. To su porculan, staklo, guma, keramika, plastika. Stoga u tim tvarima nema slobodnih naboja, što znači da nema ni električne struje.

Prikladno je podsjetiti se na izraze iz udžbenika fizike da je električna struja usmjereno kretanje električno nabijenih čestica pod utjecajem električnog polja. U izolatorima se jednostavno ne može kretati pod utjecajem električnog polja.

Međutim, u procesu proučavanja električnih pojava u raznim materijalima, neki istraživači bili su u stanju "osjetiti" efekte poluvodiča.Primjerice, prvi kristalni detektor (dioda) stvorio je 1874. godine njemački fizičar Karl Ferdinand Brown na temelju kontakta olova i pirita. (Pirit je željezni pirit; kad udari u stolicu, iskra se iskra, zbog čega je i dobila ime po grčkoj „gozbi“ - vatra). Kasnije je ovaj detektor uspješno zamijenio koherator u prvim prijemnicima, što je značajno povećalo njihovu osjetljivost.

Godine 1907, Beddecker je, proučavajući provodljivost jodnog bakra, ustanovio da se njegova vodljivost povećava 24 puta u prisutnosti nečistoće joda, iako jod sam po sebi nije vodič. Ali sve su to bila slučajna otkrića kojima se nije moglo dati znanstveno opravdanje. Sustavno proučavanje poluvodiča započelo je tek 1920. godine - 1930 godina.

Veliki doprinos u proučavanju poluvodiča dao je sovjetski znanstvenik u čuvenoj radioteleviziji Nižnji Novgorod O.V. Losev, Ušao je u povijest prvenstveno kao izumitelj kristadina (oscilator i pojačalo na temelju diode) i LED. Više o ovome pogledajte ovdje: Povijest LED-ova. Sjaj Loseva.

U zoru proizvodnje tranzistora, glavni poluvodič bio je germanij (Ge). U pogledu potrošnje energije vrlo je ekonomičan, napon za otključavanje njegovog pn spoja je samo 0,1 ... 0,3V, ali mnogi su parametri nestabilni, pa je zamijenio silicij (Si).

Temperatura na kojoj djeluju germanijevi tranzistori nije veća od 60 stupnjeva, dok silicijski tranzistori mogu nastaviti raditi sa 150. Silicij, kao poluvodič, nadmašuje germanij u ostalim svojstvima, prvenstveno u frekvenciji.

Osim toga, rezerve silicija (običnog pijeska na plaži) u prirodi su neograničene, a tehnologija čišćenja i prerade jednostavnija je i jeftinija od rijetkog u prirodi elementa germanija. Prvi tranzistor silicijuma pojavio se ubrzo nakon prvog tranzistora germanija - 1954. godine. Ovaj je događaj čak uključivao novo ime „silicijsko doba“, a ne da se brkati sa kamenom!

Sl. 4. Razvoj tranzistora

Mikroprocesori i poluvodiči. Silikonsko doba zalazak sunca

Jeste li se ikad zapitali zašto su u posljednje vrijeme gotovo sva računala postala višejezgrena? Pojmovi dual-core ili quad-core zajednički su svima. Činjenica je da je porast performansi mikroprocesora povećanjem takt frekvencije i povećanjem broja tranzistora u jednom paketu za silicijske strukture gotovo blizu granice.

Povećanje broja poluvodiča u jednom kućištu postiže se smanjenjem njihovih fizičkih dimenzija. U 2011. godini INTEL je već razvio tehnologiju procesa od 32 nm u kojoj je dužina kanala tranzistora samo 20 nm. Međutim, takav pad ne donosi vidljivo povećanje frekvencije takta, kao što je to bio slučaj i do 90 nm tehnologije. Očito je da je vrijeme da se krene na nešto bitno novo.

Sl. 5. Povijest tranzistora

Grafen - poluvodič budućnosti

Godine 2004. fizičari su otkrili novi materijal za poluvodiče. grafen, Ovaj glavni kandidat za zamjenu silicija također je materijal ugljične skupine. Na njegovoj osnovi stvara se tranzistor koji djeluje u tri različita načina.

Sl. 6. Grafen

Sl. 7. Slika poljskog grafenskog tranzistora dobivenog skenirajućim elektronskim mikroskopom

U usporedbi s postojećim tehnologijama, to će omogućiti smanjenje broja tranzistora u jednom slučaju za točno tri puta. Uz to, prema znanstvenicima, radne frekvencije novog poluvodičkog materijala mogu doseći i do 1000 GHz. Parametri su, naravno, vrlo primamljivi, ali zasad je novi poluvodič u fazi razvoja i proučavanja, a silicij je još uvijek radni konj. Njegova godina još nije završila.

Boris Aladyskin