Транзисторы и их изобретение

Возможно, самое важное изобретение прошлого века – открытие транзисторов часто цитируется как пример того, как научные исследования могут привести к глобальным коммерческим продуктам. Замена вакуумных ламп в 1950— х годах на транзисторы в конечном итоге породила интегральные схемы и микропроцессоры – сердце полупроводниковой промышленности, которая сейчас генерирует годовой объем продаж более 400 миллиардов долларов.

Эти твердотельные электронные устройства разрешили общаться друг с другом по компьютерным сетям по всему земному шару. Открытие транзисторов удачно назвали «нервной клеткой» информационной эпохи.

На самом деле история этого изобретения гораздо более запутана и интересна, чем дается этим линейным описанием, которое упускает из виду сложное взаимодействие научных, технологических, социальных и личных интересов и разработок.

Эти и многие другие факторы способствовали изобретению не одного, а двух совершенно разных типов транзисторов.

  • Первый тип точечного транзистора разработан американскими физиками Дж. Бардином и Уолтер Браттейном в декабре 1947 г..
  • Второй тип плоского или планарного транзистора также американцем Уильям Шокли месяц спустя методом выращивания из сплава.

Точечный транзистор с точечным контактом имел ограниченное производство и никогда не достигал коммерческого успеха. Вместо этого именно этот переходный тип транзистора сделал возможной современную полупроводниковую промышленность, внес решающий вклад в рост таких компаний, как Texas Instruments, SONY и Fairchild Semiconductor.
Учитывая огромное влияние транзистора, удивительно, как мало исследований было посвящено истории открытия транзисторов.

Теория твердого тела до открытия транзистора

Открытие транзисторов сыграло послевоенное понимание физики твердого тела.
Квантовая теория твердого тела была достаточно хорошо изучена к середине 1930-х годов, когда полупроводники стали представлять интерес для промышленных ученых, ищущих твердотельные альтернативы вакуумным ламповым усилителям и электромеханическим реле.

В середине 1930-х годов было широко признано, что поведение полупроводников обусловлено примесями в кристаллах, хотя это было скорее качественное, чем количественное понимание. В литературе можно найти двойственные различия между «избыточными» и «дефектными» полупроводниками. Считалось, что их различное поведение является результатом добавления электронов в зону проводимости или удаления из валентной зоны примесными атомами, находящимися в кристаллической решетке. Было несколько твердотельных электронных устройств в использовании к середине 1930-х годов, особенно медно-оксидный выпрямитель, над которым американский физик Браттейн много работал в лаборатории Белла. Изготовленные путем выращивания оксидного слоя на меди, эти выпрямители использовались в преобразователях переменного тока в постоянный, в фотометрах и в качестве ‘варисторов’ в телефонных схемах, изготовленных для системы Bell. Но
исследования полупроводников оставались скорее искусством, чем наукой, пока не вмешалась Вторая мировая война.

Во время войны полупроводниковые элементы кремний и германий применялись в кристаллических выпрямителях, которые могли бы работать на гигагерцовых частотах, необходимых для радиолокационных приемников.
Руководствуясь этим требованием, технология этих двух полупроводниковых материалов продвинулась вперед по широкому фронту.

Там, где до войны было трудно получить кремний с содержанием примесей менее одного процента, впоследствии компания DuPont выпускала 99,999 процента чистого кремния. Технология легирования кремния и германия элементами из третьего и пятого столбцов периодической таблицы (такими как бор и фосфор) для получения полупроводниковых материалов p-типа и n-типа стало хорошо понятным.
Кроме того, p-n—переход был открыт в 1940 году в лаборатории Bell Labs Расселом Олом, хотя его поведение не было хорошо изучено и не использовалось в устройствах к концу войны.

В Советском Союзе в тот же период также велись обширные исследования полупроводников, но это работа, по-видимому, не оказала большого влияния в остальной Европе и Соединенных Штатах. Конечно, вклад известных советских теоретиков, таких как Игорь Тамм (1895 -1971) о поверхностно связанных электронных уровнях и Якова Френкеля (1894-1952) о своей теории полупроводников опубликованные на немецком и английском языках были быстро включены в корпус общепринятых знаний.

Появление транзистора

И точечный и переходный транзистор появились из программы фундаментальных исследований по физике твердого тела, которую Мервин Келли, тогдашний исполнительный вице-президент Bell Labs, инициировал в 1945 году. Он признал, что великие достижения военного времени в области полупроводниковых технологий создали почву для электронных достижений, которые могли бы резко улучшить телефонную связь. В частности, он искал твердотельные устройства для замены вакуумных ламп и электромеханических реле, которые служили усилителями и переключателями в телефонной системе Bell.

открытие транзисторов

Изобретатель транзистора Джо Бартин

Американский физик Джо Бартин в своих первых испытаниях, сделанных 16 декабря 1947 года на поверхности германиевой пластины, создал первый работоспособный точечный транзистор. Он выполнял функцию как усиление напряжения, так и мощности на частотах до 1000 Гц. Транзистор наконец-то родился.

Через неделю после этого, 23 декабря 1947 года, устройство было официально продемонстрировано руководителям лаборатории Bell Labs в схеме, которая позволяла им слышать усиленную речь в наушниках.

Изобретатель транзистора Джо Бартин является самым титулованным ученым мира имеющим две Нобелевские премии по физике (1956 – за  открытие транзисторного эффекта, 1972 – за теорию сверхпроводимости).

Транзисторы – сейчас отличаются между собой размерами, формами, типами. Но принцип работы после открытия транзисторов практически одинаковый.

Предназначение транзистора

Данный элемент может выполнять такие основные функции:

  • усилитель сигнала;
  • переключатель. С его помощью запускаются в работу фонари, двигатели и другие устройства. Транзистор способен выключать лампочку накаливания;
  • инвертор. В данном режиме транзистор проводит ток, когда на затворе нет входного напряжения.

Это лишь несколько функций, но транзисторы имеют гораздо больше возможностей. Все зависит от типа изделия.типы транзисторов

Разновидности транзисторов

Выделяют несколько вариантов:

  • IGBT. Гибрид, который был получен благодаря соединению полевого и биполярного вида. Это позволило обеспечить устройству положительные качества от обоих компонентов. Подобное оборудование дает возможность переключать мощные нагрузки. Используются в сетях, где напряжение равняется до 6,5 кВ с целью гарантировать безопасность в приводах городского электротранспорта высокой мощности, сварочных устройствах, инверторах;
  • СВЧ. Такие транзисторы используют в разных областях: на станциях сотовой связи, для радаров разного назначения, ретрансляторов, радиовещательных передатчиков, а также телевизионных изделий. СВЧ-приборы отличаются более высокой мощностью на выходе, рабочей частотой;
  • биполярные. Часто встречаются в технике современного вида. С их помощью формируются электрические сигналы, преобразовываются и усиливаются. Как выглядят биполярные транзисторы? Это пластины, для изготовления которых используют германий и кремний, имеет 3 зоны, отличающихся разной электропроводностью;
  • германиевые. Их подключают к 3 слоям полупроводника, которые расположены в определенной последовательности. Вбирая транзистор, важно учитывать показатели входной проводимости, максимальные показатели допустимого тока, сопротивление на входе, тип коллектора и время, за которое происходит подключение;
  • полевые. Это полупроводниковые приборы, используемые для усиления. Имеют 3 контакта, где варьируется сопротивление под воздействием электрического поля. Подобного рода детали производят, как пластины, где предполагается металлическая прослойка. Ее называют “затвором”. Такие транзисторы отличаются стойкостью к температурным перепадам, небольшим потреблением мощности, лучшими частотными свойствами.