História tranzistorov

Jeden z významných vynálezov XX storočia je považovaný tranzistorový vynálezktorí prišli vymeniť elektronické žiarovky.

Po dlhú dobu boli svietidlá jedinou aktívnou súčasťou všetkých elektronických zariadení, hoci mali veľa nedostatkov. Predovšetkým je to veľká spotreba energie, veľké rozmery, krátka životnosť a nízka mechanická pevnosť. Tieto nedostatky sa pociťovali čoraz ostrejšie pri zdokonaľovaní a sofistikovaní elektronických zariadení.

Revolučná revolúcia v rádiovom inžinierstve sa uskutočnila, keď boli zastarané žiarovky nahradené polovodičovými zosilňovačmi - tranzistory, zbavenými všetkých uvedených nevýhod.

Prvý operatívny tranzistor sa narodil v roku 1947 vďaka úsiliu zamestnancov americkej spoločnosti Bell Telephone Laboratories. Ich mená sú známe po celom svete. Sú to vedci - fyzici W. Shockley, D. Bardin a W. Brighten. Už v roku 1956 boli všetky tri ocenené za tento vynález Nobelovu cenu za fyziku.

Ale, ako mnoho veľkých vynálezov, tranzistor nebol okamžite spozorovaný. Iba v jednej z amerických novín bolo uvedené, že spoločnosť Bell Telephone Laboratories preukázala svoje zariadenie nazývané tranzistor. Bolo tiež povedané, že môže byť použitý v niektorých oblastiach elektrotechniky namiesto elektrónok.

Uvedený tranzistor bol vo forme malého kovového valca dlhého 13 mm a bol demonštrovaný v prijímači, ktorý nemal elektrónové elektrónky. Pokiaľ ide o všetko ostatné, spoločnosť tvrdila, že zariadenie sa môže použiť nielen na zosilnenie, ale aj na generovanie alebo konverziu elektrického signálu.

Obr. 1. Prvý tranzistor

Obr. 2. John Bardin, William Shockley a Walter Brattain. Za spoluprácu pri vývoji prvého operačného tranzistora na svete v roku 1948 zdieľali Nobelovu cenu za rok 1956.

Schopnosti tranzistora, ako aj mnohých ďalších veľkých objavov, však neboli okamžite pochopené a ocenené. Aby vzbudil záujem o nové zariadenie, Bell ho pevne inzeroval na seminároch a článkoch a každému udelil licenciu na jeho výrobu.

Výrobcovia elektronických žiaroviek v tranzistore nevideli seriózneho konkurenta, pretože naraz nebolo možné naraziť na tridsaťročnú históriu výroby žiaroviek s niekoľkými stovkami vzorov a investícií do ich vývoja a výroby v hodnote niekoľkých miliónov dolárov. Tranzistor preto vstúpil do elektroniky nie tak rýchlo, pretože éra elektrónok stále pokračovala.

Obr. 3. Tranzistor a elektronická žiarovka

Prvé kroky k polovodičom

Od staroveku sa v elektrotechnike používajú najmä dva druhy materiálov - vodiče a dielektrika (izolátory). Kovy, soľné roztoky a niektoré plyny majú schopnosť viesť prúd. Táto schopnosť je spôsobená prítomnosťou vo vodičoch bezplatných nosičov náboja - elektrónov. Vo vodičoch sú elektróny pomerne ľahko oddeliteľné od atómu, ale tie kovy, ktoré majú nízky odpor (meď, hliník, striebro, zlato), sú najvhodnejšie na prenos elektrickej energie.

Izolátory zahŕňajú látky s vysokou rezistenciou, ich elektróny sú veľmi pevne viazané k atómu. Sú to porcelán, sklo, guma, keramika, plast. Preto tieto látky neobsahujú žiadne bezplatné poplatky, a preto neexistuje žiadny elektrický prúd.

Je vhodné pripomenúť znenie z učebníc fyziky, že elektrický prúd je smerový pohyb elektricky nabitých častíc pod vplyvom elektrického poľa. V izolátoroch sa jednoducho nemôže nič pohybovať pod vplyvom elektrického poľa.

Avšak v procese štúdia elektrických javov v rôznych materiáloch boli niektorí vedci schopní „cítiť“ polovodičové efekty.Napríklad prvý kryštalický detektor (diódu) vytvoril v roku 1874 nemecký fyzik Karl Ferdinand Brown na základe kontaktu olova a pyritu. (Pyrit je pyrit železa; keď narazí na stoličku, vyreže sa iskra, a preto dostal meno od gréckeho „sviatku“ - ohňa). Neskôr tento detektor úspešne nahradil koherent v prvých prijímačoch, čo významne zvýšilo ich citlivosť.

V roku 1907 Beddecker pri štúdiu vodivosti jódovej medi zistil, že jej vodivosť sa zvyšuje 24-násobne v prítomnosti jódovej nečistoty, hoci jód sám o sebe nie je vodičom. To všetko však boli náhodné objavy, ktoré nebolo možné vedecky odôvodniť. Systematická štúdia polovodičov sa začala až v roku 1920 - 1930 rokov.

Veľkým prínosom pre štúdium polovodičov bol sovietsky vedec v známom rádiovom laboratóriu O. Nižného Novgorodu. Losev, V histórii klesol predovšetkým ako vynálezca cristadinu (oscilátor a zosilňovač založený na dióde) a LED. Viac informácií nájdete tu: História LED diód. Žiar z Loseva.

Na začiatku výroby tranzistorov bolo hlavným polovodičom germánium (Ge). Pokiaľ ide o spotrebu energie, je to veľmi ekonomické, napätie na odblokovanie jej pn križovatky je iba 0,1 ... 0,3 V, ale mnoho parametrov je nestabilných, takže kremík (Si) ho nahradil.

Teplota, pri ktorej sú germániové tranzistory použiteľné, nie je vyššia ako 60 stupňov, zatiaľ čo kremíkové tranzistory môžu ďalej pracovať pri 150 ° C. Kremík ako polovodič prekračuje germánium v ​​iných vlastnostiach, predovšetkým vo frekvencii.

Navyše zásoby kremíka (obyčajný piesok na pláži) v prírode sú neobmedzené a technológia čistenia a spracovania je jednoduchšia a lacnejšia ako vzácny prírodný prvok germánia. Prvý kremíkový tranzistor sa objavil krátko po prvom tranzistore s germániom - v roku 1954. Táto udalosť znamenala aj nový názov „vek kremíka“, ktorý si nemožno zamieňať s kameňom!

Obr. 4. Vývoj tranzistorov

Mikroprocesory a polovodiče. Západ slnka kremíka

Premýšľali ste niekedy nad tým, prečo sa v poslednej dobe takmer všetky počítače stali viacjadrovými? Termíny dual-core alebo quad-core sú spoločné pre všetkých. Faktom je, že zvýšenie výkonu mikroprocesorov zvýšením frekvencie hodín a zvýšením počtu tranzistorov v jednom balení pre kremíkové štruktúry je takmer blízko limitu.

Zvýšenie počtu polovodičov v jednom kryte sa dosiahne znížením ich fyzických rozmerov. V roku 2011 spoločnosť INTEL už vyvinula procesnú technológiu 32 nm, pri ktorej je dĺžka tranzistického kanála iba 20 nm. Takéto zníženie však neprináša zreteľné zvýšenie frekvencie hodín, pretože to bolo až do technológie 90 nm. Je zrejmé, že je čas prejsť na niečo zásadne nové.

Obr. 5. História tranzistorov

Graphene - polovodič budúcnosti

V roku 2004 fyzici objavili nový polovodičový materiál. grafén, Tento hlavný kandidát na náhradu kremíka je tiež materiál z uhlíkových skupín. Na jeho základe je vytvorený tranzistor, ktorý pracuje v troch rôznych režimoch.

Obr. 6. Grafén

Obr. 7. Obrázok tranzistora poľného grafénu získaný pomocou skenovacieho elektrónového mikroskopu

V porovnaní s existujúcimi technológiami to umožní zníženie počtu tranzistorov v jednom prípade presne trikrát. Okrem toho podľa vedcov môžu prevádzkové frekvencie nového polovodičového materiálu dosiahnuť až 1 000 GHz. Parametre sú samozrejme veľmi lákavé, ale nový polovodič je zatiaľ vo fáze vývoja a štúdia a kremík je stále pracovným koňom. Jeho vek sa ešte neskončil.

Boris Aladyshkin 

Comments

[#1]

Avšak vo zvukovej technológii dochádza k návratu k lampám, pretože zvuk trubicového zosilňovača nemožno porovnávať so zvukom tranzistora.

[#2]

Volfram, Pokiaľ ide o návrat k technológii žiaroviek, urobili ste príliš kontroverzné vyhlásenie. Existujú jednoducho ľudia, ktorí si subjektívne myslia, že lampy sú lepšie, to je všetko. O tom, že „nejde o žiadne porovnanie“, by som nepovedal. Toto je len zvyk.

[#3 vlad]

Napriek tomu je zvuk lampy lepší ako tranzistory. A to nie je „subjektívne“, ale skutočný fakt. Teraz sa oživil aj starý koníček - dizajn trubicových zosilňovačov. Píšu sa najrôznejšie nové knihy o tejto téme, veľa ľudí sedí na fórach až k šialenstvu. Každý chce dokonalý zvuk. Lampy v tomto odbore sú presne to, čo potrebujete!

[#4 Alexander Molokov]

Vlad, uveďte odkaz alebo názov niektorej z týchto kníh. Iba to, že išlo o seriózne publikácie, a nie o pokusy „roztrhať obaly“ a povedať, ako je to „v skutočnosti“. Takže teoretické zdôvodnenie je: „tak a tak sú lampy lepšie, pretože ...“

[#5 Vadim]

„Poslucháči, podriadení bezprecedentnej čistote zvuku polovodičových systémov, si však všimli negatívne aspekty. Dalo by sa naraziť na niektoré také úsudky.“ Zvuk zariadenia na výrobu žiaroviek sa javí ako mäkký, zamatový, tranzistorovo ostrý, nepríjemný. “„ Zvuk prijímača žiarovky voľne prúdi, tranzistor „Je to, akoby som prelomil prekážku.“ „Chcem počúvať a počúvať elektrónky, tranzistory rýchlo pneumatík.“ Samozrejme, záležitosť sa netýkala zvláštneho „znejúceho“ samotného tranzistora. Zistenia boli objasnené, spočívajú v špecifickosti činnosti obvodov s hlbokou negatívnou spätnou väzbou (a bez takého pripojenia polovodičové zosilňovače nemôžu fungovať prijateľné, jedná sa najmä o charakteristiky tranzistorov.) Mimochodom, z tohto dôvodu sú možné tranzistorové sondy a čisto trubicové obvody. opatrenia na boj s „tranzistorovým zvukom“. Audiofili sú presvedčení, že negatívne vlastnosti zvuku nemožno úplne odstrániť, a sofistikované ucho poskytuje nespornú výhodu zvuku zosilňovačov trubíc, ktoré nemajú spätnú väzbu. . “ (Gavrilov S. A. „Umenie techniky obvodov svietidiel“ 2012).

[#6 Alexander Molokov]

Zvuk „prelomenie bariéry“ je „tvrdý a nepríjemný“. Trubica - „mäkká a zamatová“. A sú to objektívne rozdiely? Audiofily - sú a ani to nehovoria.

Je to ako obchody s potravinami, pre ktoré je jedlo rituálom, v ktorom záleží na každej maličkosti. Takže svetlo by malo byť slabé, riad biely, nôž by mal ležať napravo a vidlica naľavo (alebo naopak? - pes ho pozná). Jedlo je však rovnaké. A so zvukovým zariadením rovnaké problémy. Negatívne spojenia zjavne nefungujú.

[#7 vlad]

Súhlasím s tým, že text, ktorý poskytol Vadim, nepreukazuje výhodu elektrónkových zosilňovačov oproti tranzistorovým. Sám som sa pozrel na niekoľko ďalších zdrojov (knihy G. S. Gendina, Jonesa Morgana). Nikde nie sú k dispozícii žiadne údaje o skutočnom výskume. Ak však hodnotíte svetelnú módu globálne, hlavným trikom je, že trubicové zosilňovače sú ako umenie, elitný predmet, ručne vyrobené umenie, ktoré vyžaduje jemné doladenie a nastavenie, na rozdiel od monotónnych a pochmúrnych tranzistorových zariadení vyrobených na veľkom čínskom dopravníku. ... Ohniví fanúšikovia technológie žiaroviek dokonca nepoužívajú kremíkové diódy - iba žiarovky! To znamená, že ide skôr o ideológiu, ale ideológiu pre vyvolených a porozumenie v drahých ručne robených veciach. V živote by malo byť miesto pre veci, ktoré nie sú predmetom času! Zvuk lampy dáva samozrejme rádovo väčšiu veľkosť ako tranzistory

[#8 Alexander Molokov]

Tu to je. „Úhľadnosť“ zvuku, prítomnosť duše v ňom a ďalšie podobné veci nemožno zmerať žiadnym nástrojom. Nie je možné ich určiť s presnosťou, čo znamená, že ide o ideológiu. Možno aj náboženstvo. Ale ideológia a náboženstvo sú subjektívne veci. Nemôžu byť potvrdené ani vyvrátené. Rovnako ako existencia boha.

[#9]

V energeticky úsporných žiarivkách som stretol tranzistor D13009, ale na ňom nenájdem dátový štít. Aký je to tranzistor, kde a v akej kvalite ho možno stále používať? Odpovedzte e-mailom.