Sejarah transistor

Salah satu ciptaan penting abad ke-XX adalah dipertimbangkan rekaan transistoryang datang untuk menggantikan lampu elektronik.

Untuk masa yang lama, lampu merupakan satu-satunya komponen aktif dari semua peranti elektronik, walaupun mereka mempunyai banyak kelemahan. Pertama sekali, ia adalah penggunaan kuasa yang besar, dimensi besar, kehidupan pendek dan kekuatan mekanikal yang rendah. Kekurangan ini dirasakan dengan lebih mendalam dengan peningkatan dan kecanggihan peralatan elektronik.

Revolusi revolusi dalam bidang kejuruteraan radio berlaku apabila lampu yang sudah lapuk digantikan oleh alat penguat semikonduktor - transistor, tanpa semua keburukan yang disebutkan.

Transistor operasi pertama dilahirkan pada tahun 1947, berkat usaha para pekerja syarikat Amerika Syarikat Bell Telephone Laboratories. Nama mereka sekarang dikenali di seluruh dunia. Ini adalah saintis - ahli fizik W. Shockley, D. Bardin dan W. Brighten. Sudah pada tahun 1956, ketiga-tiga telah dianugerahkan Hadiah Nobel dalam Fizik untuk ciptaan ini.

Tetapi, seperti banyak ciptaan yang hebat, transistor tidak dapat dilihat dengan segera. Hanya di salah satu surat khabar Amerika yang menyebut bahawa Bell Telephone Laboratories menunjukkan perantinya yang disebut transistor. Ia juga dikatakan boleh digunakan di beberapa bidang kejuruteraan elektrik dan bukannya tiub elektron.

Transistor yang ditunjukkan adalah dalam bentuk silinder logam kecil 13 mm panjang dan ditunjukkan dalam penerima yang tidak mempunyai tiub elektron. Untuk semua yang lain, syarikat itu mendakwa bahawa peranti itu boleh digunakan bukan sahaja untuk penguatan, tetapi juga untuk penjanaan atau penukaran isyarat elektrik.

Rajah. 1. Transistor pertama

Rajah. 2. John Bardin, William Shockley dan Walter Brattain. Untuk kerjasama mereka dalam membangunkan transistor operasi pertama di dunia pada tahun 1948, mereka berkongsi Hadiah Nobel 1956.

Tetapi keupayaan transistor, seperti, sesungguhnya, banyak penemuan hebat lainnya, tidak dapat difahami dan dihargai dengan segera. Untuk membangkitkan minat dalam peranti baru, Bell dengan tegas mengiklankannya di seminar dan artikel, dan memberikan semua orang dengan lesen untuk mengeluarkannya.

Pengilang lampu elektronik tidak melihat pesaing yang serius dalam transistor, kerana tidak mustahil sekaligus, dalam satu kejatuhan jatuh, untuk mengurangkan sejarah tiga puluh tahun pengeluaran lampu beberapa ratus reka bentuk, dan pelaburan berjuta-juta dolar dalam pembangunan dan pengeluaran mereka. Oleh itu, transistor memasuki elektronik tidak begitu pantas, sejak era tiub elektron masih berterusan.

Rajah. 3. Transistor dan lampu elektronik

Langkah Pertama Semikonduktor

Sejak zaman purba, dua jenis bahan digunakan terutamanya dalam kejuruteraan elektrik - konduktor dan dielektrik (penebat). Logam, penyelesaian garam, dan beberapa gas mempunyai keupayaan untuk menjalankan arus. Keupayaan ini disebabkan oleh kehadiran di konduktor pembawa caj percuma - elektron. Dalam konduktor, elektron agak mudah terlepas dari atom, tetapi logam-logam yang mempunyai rintangan rendah (tembaga, aluminium, perak, emas) paling sesuai untuk memindahkan tenaga elektrik.

Penebat termasuk bahan dengan rintangan yang tinggi, elektron mereka sangat terikat kepada atom. Ini adalah porselin, kaca, getah, seramik, plastik. Oleh itu, tiada caj percuma dalam bahan-bahan ini, dan oleh itu tidak ada arus elektrik.

Adalah sesuai untuk mengingatkan kata-kata dari buku teks fizik bahawa arus elektrik adalah pergerakan arah zarah bertenaga elektrik di bawah pengaruh medan elektrik. Dalam penebat, hanya ada apa-apa untuk bergerak di bawah pengaruh medan elektrik.

Walau bagaimanapun, dalam proses mengkaji fenomena elektrik dalam pelbagai bahan, beberapa penyelidik dapat "merasa" untuk kesan semikonduktor.Sebagai contoh, pengesan kristal pertama (diod) telah dibuat pada tahun 1874 oleh ahli fizik Jerman, Karl Ferdinand Brown berdasarkan hubungan timbal dan pirit. (Pyrite adalah pirit besi; apabila ia memasuki kerusi, percikan dipotong, itulah sebabnya ia mendapat nama dari "pesta" Yunani - api). Kemudian, pengesan ini berjaya menggantikan pengarah di penerima pertama, yang meningkatkan sensitiviti mereka dengan ketara.

Pada tahun 1907, Beddecker, semasa mengkaji kekonduksian tembaga iodin, mendapati kekonduksiannya meningkat 24 kali ganda dengan kehadiran kekotoran yodium, walaupun yodium itu sendiri bukan konduktor. Tetapi semua ini adalah penemuan rawak yang tidak dapat diberikan justifikasi saintifik. Kajian sistematik semikonduktor hanya bermula pada tahun 1920 - 1930 tahun.

Sumbangan besar terhadap kajian semikonduktor dibuat oleh ahli sains Soviet di makmal radio Nizhny Novgorod yang terkenal O.V. Losev. Dia turun dalam sejarah terutamanya sebagai pencipta cristadine (pengayun dan penguat berdasarkan diod) dan LED. Lihat lebih lanjut mengenai ini di sini: Sejarah LED. Glow of Losev.

Pada permulaan pengeluaran transistor, semikonduktor utama ialah germanium (Ge). Dari segi penggunaan tenaga, ia sangat menjimatkan, voltan untuk mengunci persimpangan pn hanya 0.1 ... 0.3V, tetapi banyak parameter tidak stabil, jadi ia menggantikan silikon (Si).

Suhu di mana transistor germanium beroperasi tidak lebih daripada 60 darjah, manakala transistor silikon boleh terus beroperasi pada 150. Silikon, sebagai semikonduktor, melepasi germanium dalam sifat-sifat lain, terutamanya dalam kekerapan.

Di samping itu, rizab silikon (pasir biasa di pantai) adalah tidak terhad, dan teknologi untuk pembersihan dan pemprosesannya lebih mudah dan lebih murah daripada elemen alam semulajadi germanium yang jarang berlaku. Transistor silikon pertama muncul sejurus selepas transistor germanium pertama - pada tahun 1954. Acara ini walaupun melibatkan nama baru "umur silikon", tidak boleh dikelirukan dengan batu!

Rajah. 4. Evolusi transistor

Mikropemproses dan semikonduktor. Silicon Age Sunset

Pernahkah anda tertanya-tanya mengapa baru-baru ini hampir semua komputer telah menjadi multi-core? Istilah dwi-teras atau quad-core adalah perkara biasa bagi semua orang. Faktanya ialah peningkatan prestasi mikropemproses dengan meningkatkan kekerapan jam, dan meningkatkan jumlah transistor dalam satu pakej, untuk struktur silikon hampir hampir dengan had.

Peningkatan bilangan semikonduktor dalam satu perumahan dicapai dengan mengurangkan dimensi fizikal mereka. Pada tahun 2011, INTEL telah mengembangkan teknologi proses 32 nm di mana panjang saluran transistor hanya 20 nm. Walau bagaimanapun, penurunan itu tidak membawa peningkatan yang ketara dalam kekerapan jam, kerana ia adalah sehingga 90 nm teknologi. Sudah jelas bahawa sudah tiba masanya untuk meneruskan sesuatu yang baru.

Rajah. 5. Sejarah transistor

Graphene - semikonduktor masa depan

Pada tahun 2004, ahli fizik telah menemui bahan semikonduktor baru. graphene. Calon utama untuk penggantian silikon juga merupakan bahan kumpulan karbon. Atas dasarnya, transistor dicipta yang beroperasi dalam tiga mod yang berbeza.

Rajah. 6. Graphene

Rajah. 7. Gambar transistor graphene medan yang diperoleh menggunakan mikroskop elektron imbasan

Berbanding dengan teknologi sedia ada, ini akan membolehkan mengurangkan bilangan transistor dalam satu kes dengan tepat tiga kali. Di samping itu, menurut saintis, kekerapan operasi bahan semikonduktor baru boleh mencapai sehingga 1000 GHz. Parameter, tentu saja, sangat menggoda, tetapi setakat ini semikonduktor baru berada di peringkat pembangunan dan kajian, dan silikon masih merupakan workhorse. Usianya masih belum berakhir.

Boris Aladyshkin