Ιστορικό τρανζίστορ

Μία από τις σημαντικές εφευρέσεις του ΧΧ αιώνα θεωρείται τρανζίστορ εφεύρεσηπου ήρθε να αντικαταστήσει τους ηλεκτρονικούς λαμπτήρες.

Για μεγάλο χρονικό διάστημα, οι λαμπτήρες ήταν το μόνο ενεργό συστατικό όλων των ηλεκτρονικών συσκευών, αν και είχαν πολλές αδυναμίες. Πρώτα απ 'όλα, είναι μια μεγάλη κατανάλωση ενέργειας, μεγάλες διαστάσεις, μικρή διάρκεια ζωής και χαμηλή μηχανική αντοχή. Αυτές οι αδυναμίες έγιναν όλο και πιο έντονες με τη βελτίωση και την περιπλοκή του ηλεκτρονικού εξοπλισμού.

Μια επαναστατική επανάσταση στον τομέα της ραδιοεξοπλισμού έλαβε χώρα όταν οι ξεπερασμένοι λαμπτήρες αντικαταστάθηκαν από συσκευές ενίσχυσης ημιαγωγών - τρανζίστορ, χωρίς όλα τα προαναφερθέντα μειονεκτήματα.

Το πρώτο λειτουργικό τρανζίστορ γεννήθηκε το 1947, χάρη στις προσπάθειες των εργαζομένων της αμερικανικής εταιρείας Bell Telephone Laboratories. Τα ονόματά τους είναι τώρα γνωστά σε όλο τον κόσμο. Αυτοί είναι επιστήμονες - οι φυσικοί W. Shockley, D. Bardin και W. Brighten. Ήδη το 1956 και οι τρεις έλαβαν το βραβείο Νόμπελ στη Φυσική για αυτή την εφεύρεση.

Αλλά, όπως και πολλές μεγάλες εφευρέσεις, το τρανζίστορ δεν παρατηρήθηκε αμέσως. Μόνο σε μία από τις αμερικανικές εφημερίδες αναφέρθηκε ότι Bell Telephone Laboratories απέδειξε τη συσκευή της που ονομάζεται τρανζίστορ. Λέγεται επίσης ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ορισμένους τομείς της ηλεκτρολόγων μηχανικών, αντί των σωλήνων ηλεκτρονίων.

Το παρουσιαζόμενο τρανζίστορ είχε τη μορφή μικρού μεταλλικού κυλίνδρου μήκους 13 mm και αποδείχθηκε σε δέκτη που δεν είχε σωλήνες ηλεκτρονίων. Σε όλα τα άλλα, η εταιρεία ισχυρίστηκε ότι η συσκευή μπορεί να χρησιμοποιηθεί όχι μόνο για την ενίσχυση, αλλά και για τη δημιουργία ή τη μετατροπή ενός ηλεκτρικού σήματος.

Το Σχ. 1. Το πρώτο τρανζίστορ

Το Σχ. 2. John Bardin, William Shockley και Walter Brattain. Για συνεργασία στην ανάπτυξη του πρώτου λειτουργικού τρανζίστορ του κόσμου το 1948, μοιράστηκαν το βραβείο Νόμπελ του 1956.

Αλλά οι δυνατότητες του τρανζίστορ, όπως μάλιστα και πολλών άλλων μεγάλων ανακαλύψεων, δεν κατανοήθηκαν αμέσως και εκτιμήθηκαν. Για να προκαλέσει ενδιαφέρον για τη νέα συσκευή, η Bell το προώθησε σθεναρά σε σεμινάρια και άρθρα και έδωσε σε όλους άδεια χρήσης για να την κατασκευάσουν.

Οι κατασκευαστές ηλεκτρονικών λαμπτήρων δεν είδαν έναν σοβαρό ανταγωνιστή στο τρανζίστορ, διότι ήταν αδύνατο αμέσως, σε μια συρρίκνωση, να αποκλείσει την τριάντα χρόνια ιστορίας της παραγωγής λαμπτήρων αρκετών εκατοντάδων σχεδίων και επενδύσεων πολλών εκατομμυρίων δολαρίων στην ανάπτυξη και την παραγωγή τους. Ως εκ τούτου, το τρανζίστορ εισήλθε στα ηλεκτρονικά δεν τόσο γρήγορα, δεδομένου ότι η εποχή των σωλήνων ηλεκτρονίων ήταν ακόμα σε εξέλιξη.

Το Σχ. 3. Τρανζίστορ και ηλεκτρονικός λαμπτήρας

Πρώτα βήματα για τους ημιαγωγούς

Από την αρχαιότητα, δύο είδη υλικών χρησιμοποιήθηκαν κυρίως στην ηλεκτροτεχνία - αγωγοί και διηλεκτρικά (μονωτήρες). Τα μέταλλα, τα διαλύματα αλατιού και κάποια αέρια έχουν τη δυνατότητα να διεξάγουν ρεύμα. Αυτή η ικανότητα οφείλεται στην παρουσία στους αγωγούς των φορέων ελεύθερου φορτίου - ηλεκτρόνια. Σε αγωγούς, τα ηλεκτρόνια απομακρύνονται εύκολα από το άτομο, αλλά τα μέταλλα που έχουν χαμηλή αντίσταση (χαλκός, αλουμίνιο, ασήμι, χρυσός) είναι τα πλέον κατάλληλα για τη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας.

Οι μονωτήρες περιλαμβάνουν ουσίες με υψηλή αντίσταση, τα ηλεκτρόνια τους είναι πολύ στενά συνδεδεμένα με το άτομο. Πρόκειται για πορσελάνη, γυαλί, καουτσούκ, κεραμικά, πλαστικό. Ως εκ τούτου, δεν υπάρχουν δωρεάν τέλη σε αυτές τις ουσίες, και ως εκ τούτου δεν υπάρχει ηλεκτρικό ρεύμα.

Είναι σκόπιμο να υπενθυμίσουμε τη διατύπωση από τα εγχειρίδια της φυσικής ότι το ηλεκτρικό ρεύμα είναι η κατευθυνόμενη κίνηση των ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων υπό την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου. Στα μονωτικά, δεν υπάρχει τίποτα να κινείται κάτω από την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου.

Ωστόσο, κατά τη μελέτη των ηλεκτρικών φαινομένων σε διάφορα υλικά, μερικοί ερευνητές μπόρεσαν να «αισθάνονται» για τα ημιαγωγικά φαινόμενα.Για παράδειγμα, ο πρώτος κρυσταλλικός ανιχνευτής (δίοδος) δημιουργήθηκε το 1874 από το Γερμανό φυσικό Karl Ferdinand Brown με βάση την επαφή του μολύβδου και του πυρίτη. (Το πυρίτη είναι πυρίτης σιδήρου · όταν χτυπά μια καρέκλα, σκαλισμένη είναι μια σπίθα, γι 'αυτό πήρε το όνομα από την ελληνική «γιορτή» - φωτιά). Αργότερα, αυτός ο ανιχνευτής αντικατέστησε επιτυχώς τον συνεργατή στους πρώτους δέκτες, γεγονός που αύξησε σημαντικά την ευαισθησία τους.

Το 1907, ο Beddecker, μελετώντας την αγωγιμότητα του χαλκού ιωδίου, διαπίστωσε ότι η αγωγιμότητά του αυξάνεται 24 φορές με την παρουσία πρόσμειξης ιωδίου, αν και το ίδιο το ιώδιο δεν είναι αγωγός. Αλλά όλα αυτά ήταν τυχαίες ανακαλύψεις που δεν μπορούσαν να δοθούν επιστημονικές δικαιολογίες. Μια συστηματική μελέτη των ημιαγωγών άρχισε μόλις το 1920 - 1930 χρόνια.

Μια μεγάλη συμβολή στη μελέτη των ημιαγωγών έγινε από έναν σοβιετικό επιστήμονα στο διάσημο ραδιοεργαστήριο Nizny Novgorod O.V. Losev. Πήγε στην ιστορία κυρίως ως εφευρέτης της κρυσταλίνης (ένας ταλαντωτής και ενισχυτής που βασίζεται σε μια δίοδο) και ένα LED. Δείτε περισσότερα για αυτό εδώ: Ιστορία των λυχνιών LED. Λάμψη του Λοζέφ.

Κατά την αυγή της παραγωγής τρανζίστορ, ο κύριος ημιαγωγός ήταν το γερμάνιο (Ge). Όσον αφορά την κατανάλωση ενέργειας, είναι πολύ οικονομικό, η τάση για την απελευθέρωση της διασταύρωσης pn είναι μόνο 0.1 ... 0.3V, αλλά πολλές παράμετροι είναι ασταθείς, οπότε αντικατέστησε το πυρίτιο (Si).

Η θερμοκρασία στην οποία λειτουργούν τα τρανζίστορ γερμανίου δεν υπερβαίνει τους 60 βαθμούς, ενώ τα τρανζίστορ πυριτίου μπορούν να συνεχίσουν να λειτουργούν με 150. Το πυρίτιο, ως ημιαγωγός, ξεπερνά το γερμάνιο σε άλλες ιδιότητες, κυρίως στη συχνότητα.

Επιπλέον, τα αποθέματα πυριτίου στη φύση είναι απεριόριστα και η τεχνολογία καθαρισμού και επεξεργασίας είναι απλούστερη και φθηνότερη από το σπάνιο χαρακτήρα του γερμανίου. Το πρώτο τρανζίστορ πυριτίου εμφανίστηκε λίγο μετά το πρώτο τρανζίστορ γερμανίου - το 1954. Αυτό το γεγονός έφερε ακόμη και ένα νέο όνομα "age of silicon", που δεν πρέπει να συγχέεται με την πέτρα!

Το Σχ. 4. Η εξέλιξη των τρανζίστορ

Μικροεπεξεργαστές και ημιαγωγοί. Ηλιοβασίλεμα της εποχής του πυριτίου

Έχετε αναρωτηθεί ποτέ γιατί πρόσφατα σχεδόν όλοι οι υπολογιστές έχουν γίνει multi-core; Οι όροι dual-core ή quad-core είναι κοινά για όλους. Το γεγονός είναι ότι η αύξηση της απόδοσης του μικροεπεξεργαστή αυξάνοντας τη συχνότητα του ρολογιού και αυξάνοντας τον αριθμό των τρανζίστορ σε μια συσκευασία, για δομές πυριτίου είναι σχεδόν κοντά στο όριο.

Η αύξηση του αριθμού των ημιαγωγών σε μια θήκη επιτυγχάνεται μειώνοντας τις φυσικές τους διαστάσεις. Το 2011, η INTEL έχει ήδη αναπτύξει μια τεχνολογία διεργασίας 32 nm στην οποία το μήκος του διαύλου τρανζίστορ είναι μόνο 20 nm. Ωστόσο, μια τέτοια μείωση δεν επιφέρει αισθητή αύξηση της συχνότητας ρολογιού, καθώς ήταν τεχνολογία μέχρι 90 nm. Είναι προφανές ότι είναι καιρός να προχωρήσουμε σε κάτι εντελώς νέο.

Το Σχ. 5. Ιστορία των τρανζίστορ

Graphene - το ημιαγωγό του μέλλοντος

Το 2004, οι φυσικοί ανακάλυψαν ένα νέο υλικό ημιαγωγών. graφένιο. Αυτός ο σημαντικός υποψήφιος για την αντικατάσταση του πυριτίου είναι επίσης ένα υλικό ομάδας άνθρακα. Στη βάση του, δημιουργείται ένα τρανζίστορ που λειτουργεί σε τρεις διαφορετικούς τρόπους.

Το Σχ. 6. Graphene

Το Σχ. 7. Εικόνα ενός τρανζίστορ πεδίου graphene που αποκτήθηκε χρησιμοποιώντας ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης

Σε σύγκριση με τις υπάρχουσες τεχνολογίες, αυτό θα επιτρέψει τη μείωση του αριθμού των τρανζίστορ σε μία περίπτωση ακριβώς τρεις φορές. Επιπλέον, σύμφωνα με τους επιστήμονες, οι συχνότητες λειτουργίας του νέου υλικού ημιαγωγών μπορούν να φθάσουν τα 1000 GHz. Οι παράμετροι, φυσικά, είναι πολύ δελεαστικές, αλλά μέχρι στιγμής το νέο ημιαγωγό βρίσκεται στο στάδιο ανάπτυξης και μελέτης και το πυρίτιο εξακολουθεί να είναι ένας άξονας εργασίας. Η ηλικία του δεν έχει ακόμη τελειώσει.

Μπόρις Αλαντίσκιν