Tranzisztor története

A XX. Század egyik jelentős találmányát jogosan tekintik tranzisztor találmányaki az elektronikus lámpák cseréjére jött.

Hosszú ideig a lámpák voltak az összes elektronikus eszköz egyetlen aktív alkotóeleme, bár sok hiányosságuk volt. Mindenekelőtt nagy energiafogyasztás, nagy méretek, rövid élettartam és alacsony mechanikai szilárdság. Ezeket a hiányosságokat egyre élesebben éreztem az elektronikus berendezések fejlesztésével és kifinomulásával.

Forradalmi forradalom történt a rádiótechnikában, amikor az elavult lámpákat félvezető erősítő eszközökkel cserélték - tranzisztorokra, amelyek nem tartalmazzák az összes említett hátrányt.

Az első működési tranzisztor 1947-ben született, a Bell Telephone Laboratories amerikai cég alkalmazottai erőfeszítéseinek köszönhetően. A nevük ma az egész világon ismert. Ezek tudósok - W. Shockley, D. Bardin és W. Brighten fizikusok. Már 1956-ban mindháromnak fizikai Nobel-díjat kapott a találmányért.

De a sok nagyszerű találmányhoz hasonlóan a tranzisztort nem észrevették azonnal. Csak az egyik amerikai újságban megemlítették, hogy a Bell Telephone Laboratories bemutatta tranzisztornak nevezett eszközét. Azt is mondták, hogy az elektroncsövek helyett az elektrotechnika bizonyos területein is használható.

A bemutatott tranzisztor kicsi, 13 mm hosszú fém henger alakjában volt, és olyan vevőben mutatták be, amely nem tartalmaz elektroncsöveket. A társaság minden egyébként kijelentette, hogy az eszköz nemcsak erősítésére, hanem elektromos jel generálására vagy átalakítására is felhasználható.

Ábra. 1. Az első tranzisztor

Ábra. 2. John Bardin, William Shockley és Walter Brattain. A világ első működési tranzisztorának 1948-ban történő kifejlesztésében való együttműködésük miatt megosztották az 1956. évi Nobel-díjat.

De a tranzisztor képességeit, mint sok más nagy felfedezésben, nem azonnal értették meg és értékelték. Az új eszköz iránti érdeklődés felkeltése érdekében Bell határozottan reklámozta azt szemináriumokon és cikkekben, és mindenki számára kiadott engedélyt annak gyártására.

Az elektronikus lámpák gyártói nem láttak komoly versenytársat a tranzisztorban, mivel egyszerre lehetetlen volt leszámolni a több száz mintájú lámpák gyártásának harmincéves történetét és a több millió dolláros befektetést fejlesztésükbe és gyártásukba. Ezért a tranzisztor nem olyan gyorsan lépett be az elektronikába, mivel az elektroncsövek kora még mindig folyamatban volt.

Ábra. 3. Tranzisztor és elektronikus lámpa

A félvezetők első lépései

Az ókor óta kétféle anyagot használtak főként az elektrotechnikában - vezetőket és dielektrikákat (szigetelőket). A fémek, sóoldatok és egyes gázok képesek áramot vezetni. Ez a képesség annak köszönhető, hogy a vezetékekben jelen vannak a szabad töltéshordozók - elektronok. A vezetőkben az elektronok meglehetősen könnyen leválaszthatók az atomtól, de az alacsony ellenállású fémek (réz, alumínium, ezüst, arany) a legmegfelelőbbek az elektromos energia továbbítására.

A szigetelők nagy ellenállású anyagokat tartalmaznak, elektronuk nagyon szorosan kapcsolódik az atomhoz. Ezek porcelán, üveg, gumi, kerámia, műanyag. Ezért ezekben az anyagokban nincsenek ingyenes töltések, ezért nincs áram.

Helyénvaló felidézni a fizikai tankönyvekben szereplő megfogalmazást, miszerint az elektromos áram az elektromosan töltött részecskék irányított mozgása egy elektromos mező hatására. A szigetelőkben egyszerűen nem mozoghat egy elektromos mező hatása alatt.

A különböző anyagok elektromos jelenségeinek tanulmányozása során azonban néhány kutató képes volt "érezni" a félvezető hatásait.Például az első kristálydetektorot (diódát) 1874-ben, a német fizikus, Karl Ferdinand Brown hozta létre az ólom és a pirit érintkezése alapján. (A pirit egy vaspirit; amikor egy székre üt, szikra keletkezik, ezért kapta a nevét a görög „ünnep” - tűz). Később ez az érzékelő az első vevőkben sikeresen kicserélte a cohert, ami jelentősen növelte érzékenységüket.

1907-ben Beddecker, a jódréz vezetőképességét vizsgálva, megállapította, hogy a vezetőképessége jódszennyeződés jelenléte esetén 24-szeresére növekszik, bár maga a jód nem vezető. De ezek mind véletlenszerű felfedezések voltak, amelyeket tudományos indoklással nem lehetett megindokolni. A félvezetők szisztematikus tanulmányozása csak 1920-ban kezdődött - 1930 év.

Nagyon hozzájárult a félvezetők tanulmányozásához egy szovjet tudós, a híres Nyizsnyij Novgorodi rádiólaboratórium, O.V. Losev. A történelemben elsősorban a cristadine (egy diódán alapuló oszcillátor és erősítő) és egy LED feltalálójaként ment le. Erről bővebben itt olvashat: A LED-ek története Losev ragyogása.

A tranzisztor előállításának hajnalán a fő félvezető germánium (Ge) volt. Az energiafogyasztás szempontjából nagyon gazdaságos, pn csatlakozásának felszabadításához szükséges feszültség csak 0,1 ... 0,3 V, de sok paraméter instabil, ezért a szilíciumot (Si) váltotta fel.

A germánium-tranzisztorok működési hőmérséklete nem haladja meg a 60 fokot, miközben a szilícium-tranzisztorok továbbra is 150 ° C-on működhetnek. A szilícium félvezetőként más tulajdonságokkal, elsősorban frekvenciájukkal meghaladja a germániumot.

Ezenkívül a szilikon (a tengerparton szokásos homok) tartalékai korlátlanok, a tisztításra és feldolgozásra szolgáló technológia egyszerűbb és olcsóbb, mint a germánium ritka természetű eleme. Az első szilícium-tranzisztor röviddel az első germánium-tranzisztor után - 1954-ben - jelent meg. Ez az esemény új „szilíciumkor” elnevezést von maga után, nem szabad összetéveszteni a kővel!

Ábra. 4. A tranzisztorok fejlődése

Mikroprocesszorok és félvezetők. Szilícium kor naplemente

Gondolkozott már azon azon, hogy az utóbbi időben szinte az összes számítógép többmagossá vált? A kétmagos vagy négymagos kifejezések mindenkinek közös. A tény az, hogy a szilikonszerkezeteknél a mikroprocesszor teljesítményének növekedése az órafrekvencia növelésével és az egy csomagban lévő tranzisztorok számának növelésével majdnem közel van a határértékhez.

Az egyik házban a félvezetők számának növekedése a fizikai méretek csökkentésével érhető el. 2011-ben az INTEL már kifejlesztett egy 32 nm-es technológiát, amelyben a tranzisztorcsatorna hossza mindössze 20 nm. Ez a csökkenés azonban nem hoz észrevehető növekedést az órafrekvenciában, mivel 90 nm-ig volt technológia. Nyilvánvaló, hogy itt az ideje, hogy továbblépjünk valami alapvetően új dologra.

Ábra. 5. A tranzisztorok története

Grafén - a jövő félvezetője

2004-ben a fizikusok új félvezető anyagot fedeztek fel. grafén. A szilícium helyettesítésének ez a fő jelöltje szintén széncsoport anyag. Ennek alapján létrejön egy tranzisztor, amely három különböző üzemmódban működik.

Ábra. 6. Grafén

Ábra. 7. A pásztázó elektronmikroszkóppal nyert grafenén tranzisztor képe

A meglévő technológiákhoz viszonyítva ez lehetővé teszi, hogy egy esetben a tranzisztorok számát háromszor csökkentsék. Ezen kívül, a tudósok szerint az új félvezető anyag működési frekvenciája akár 1000 GHz-ig is elérheti. A paraméterek természetesen nagyon csábítóak, de az új félvezető eddig a fejlesztési és tanulmányi szakaszban van, a szilícium azonban még mindig munka ló. Korában még nem ért véget.

Boris Aladyshkin