Tentang kontribusi ilmuwan Soviet dan Rusia untuk pengembangan transistor semikonduktor

Membuka Intel Developer Forum (IDF) musim gugur di San Francisco (www.pcweek.ru/themes/detail.php?ID=102444), Patrick Gelsinger, Wakil Presiden Senior dan Manajer Umum Grup Perusahaan Digital perusahaan, mencatat bahwa 2007- th menjadi yobel tidak hanya untuk Intel (yang merayakan ulang tahun kesepuluh IDF), tetapi untuk seluruh industri semikonduktor: seperti yang diakui oleh masyarakat internasional, 60 tahun yang lalu orang Amerika W. Shockley, W. Brattain dan J. Bardeen menemukan transistor pertama. Sementara itu, para ilmuwan dan insinyur Rusia memiliki banyak hal yang bisa dibanggakan di bidang ini.

Kapan dan di mana tepatnya "jalur menuju transistor" dimulai tidak mudah untuk dikatakan. Penciptaan spesifiknya didahului oleh periode penelitian yang panjang dan sangat kaya di bidang elektronik, eksperimen ilmiah, dan perkembangan di banyak negara. Tentu saja, Uni Soviet tidak terkecuali. Awal perkembangan domestik ke arah ini dapat dianggap sebagai karya fisikawan A. G. Stoletov di bidang efek fotolistrik dan A. S. Popov pada penciptaan perangkat transmisi radio pada akhir abad ke-19. Perkembangan elektronik di era Soviet dirangsang oleh kemajuan pesat teknik radio di tahun dua puluhan, peran penting yang dimainkan oleh pengembangan tabung radio tugas berat (untuk waktu itu), pemicu tabung, dan elemen lain yang dibuat oleh M.A. Bonch-Bruevich. Salah satu faktor yang menentukan pesatnya perkembangan daerah ini adalah kebangkitan umum ilmu pengetahuan dan pendidikan di negara ini.

Sejarawan sains tahu bahwa tingkat penelitian dan pengembangan Soviet di seluruh jajaran elektronik sering kali melebihi tingkat dunia dan tidak pernah jatuh di bawahnya. Ini disebabkan oleh sifat kemajuan ilmiah yang "meledak" di Uni Soviet dan fakta bahwa perkembangan sains di banyak negara Barat sangat terpengaruh secara negatif oleh periode depresi pasca-perang (1914-1918), dan kemudian oleh depresi parah. krisis ekonomi 1929-1934.

Salah satu masalah pertama yang menarik para peneliti adalah konduksi satu arah pada titik kontak antara pegas logam dan kristal semikonduktor: perlu untuk memahami penyebab fenomena ini.

Fisikawan radio Soviet O. V. Losev, yang bereksperimen pada tahun 1922 dengan peralatan arus rendah (beroperasi pada tegangan hingga 4 V), menemukan fenomena terjadinya osilasi elektromagnetik dan efek penguatannya dalam detektor kristal semikonduktor. Dia menemukan bagian jatuh dari karakteristik arus-tegangan kristal dan merupakan orang pertama yang membangun detektor pembangkit, yaitu, penerima detektor yang mampu memperkuat osilasi elektromagnetik. Losev mendasarkan perangkatnya pada sepasang kontak ujung logam dan kristal sengit (seng oksida), yang diberi tegangan kecil. Perangkat Losev memasuki sejarah elektronik semikonduktor sebagai "kristadin". Patut dicatat bahwa kelanjutan penelitian ke arah ini mengarah pada penciptaan dioda terowongan pada tahun 1958, yang diterapkan dalam teknologi komputer pada tahun 1960-an. Losev adalah orang pertama yang menemukan fenomena baru - cahaya kristal karborundum ketika arus melewati kontak titik. Ilmuwan menjelaskan fenomena ini dengan adanya kontak pendeteksi dari beberapa "lapisan aktif" (kemudian disebut persimpangan p-n, dari p - positif, n - negatif).

Pada tahun 1926, fisikawan Soviet Ya. I. Frenkel mengajukan hipotesis tentang cacat pada struktur kristal semikonduktor, yang disebut "tempat kosong", atau, lebih umum, "lubang", yang dapat bergerak melalui kristal. Pada 1930-an, Akademisi A.F. Ioffe memulai eksperimen dengan semikonduktor di Institut Fisika Teknik Leningrad.

Pada tahun 1938, akademisi Ukraina B. I. Davydov dan rekan-rekannya mengusulkan teori difusi penyearah arus bolak-balik melalui detektor kristal, yang menurutnya terjadi pada batas antara dua lapisan konduktor yang memiliki p- dan n- daya konduksi. Selanjutnya, teori ini dikonfirmasi dan dikembangkan dalam studi V. E. Lashkarev, yang dilakukan di Kyiv pada tahun 1939-1941. Dia menemukan bahwa di kedua sisi "lapisan penghalang" yang terletak sejajar dengan antarmuka tembaga-tembaga oksida, ada pembawa arus dari tanda yang berlawanan (fenomena p-n junction), dan bahwa masuknya pengotor ke dalam semikonduktor secara tajam meningkatkan kemampuannya untuk menghantarkan listrik. arus listrik. Lashkarev juga menemukan mekanisme injeksi (transfer pembawa arus) - sebuah fenomena yang menjadi dasar kerja dioda semikonduktor dan transistor.

Pekerjaannya terganggu oleh pecahnya perang, tetapi setelah itu berakhir, Lashkarev kembali ke Kyiv dan pada tahun 1946 melanjutkan penelitian. Dia segera menemukan difusi bipolar pembawa arus nonequilibrium dalam semikonduktor, dan pada awal 1950-an dia membuat transistor titik pertama di laboratorium. Fakta bahwa hasil operasi percobaan mereka menggembirakan dikonfirmasi oleh episode penasaran berikut.

Pelopor teknologi komputer Soviet, akademisi S. A. Lebedev, yang menciptakan MESM komputer Soviet pertama di Kyiv (1949-1951) dan mendirikan sekolah ilmiah di sana, datang ke Kyiv pada hari ulang tahunnya yang ke-50 (2 November 1952). Di sana dia mendengar tentang transistor Lashkarev dan, mengabaikan perayaan yang disiapkan untuk menghormatinya (dan Lebedev sama sekali tidak menyukai pejabat apa pun, dengan benar percaya itu akan membuang-buang waktu), langsung pergi ke laboratorium di Institut Fisika Akademi. Ilmu dari RSS Ukraina. Setelah berkenalan dengan Lashkarev dan perkembangannya, Lebedev menyarankan agar mahasiswa pascasarjana A. Kondalev yang menemaninya mulai merancang sejumlah perangkat komputer berbasis transistor dan dioda baru, yang ia lakukan setelah magang selama tiga bulan di Lashkarev. (Kasus ini diberitahukan kepada penulis oleh mahasiswa pascasarjana lain dari Lebedev, sekarang Akademisi Ukraina B.N. Malinovsky, yang juga hadir pada pertemuan tersebut dan kemudian bergabung dalam pekerjaan yang disebutkan.) Benar, informasi tentang pengembangan industri apa pun dari proyek ini - di setidaknya di bidang sipil - tidak ada, tetapi ini dapat dimengerti: produksi massal transistor pada tahun-tahun itu belum ada.

Penggunaan transistor secara luas di seluruh dunia dimulai kemudian. Namun demikian, jasa ilmiah Lashkarev dihargai: ia mengepalai Institut Semikonduktor baru dari Akademi Ilmu Pengetahuan Ukraina, yang dibuka pada tahun 1960.

Teori p-n-junction yang diajukan oleh Davydov kemudian dikembangkan oleh W. Shockley di Amerika Serikat. Pada tahun 1947, W. Brattain dan J. Bardeen, bekerja di bawah arahan Shockley, menemukan efek transistor dalam detektor berdasarkan kristal germanium. (Sangat mengherankan bahwa eksperimen mereka mirip dengan eksperimen pra-perang dari insinyur listrik Jerman R. V. Pohl, yang pada tahun 1937, bersama dengan R. Hilsch, menciptakan penguat berdasarkan kristal tunggal galium bromida.) Pada tahun 1948, hasil penelitian Shockley diterbitkan dan transistor germanium pertama diproduksi dengan kontak titik. Tentu saja, mereka jauh dari sempurna. Selain itu, desainnya masih memiliki fitur instalasi laboratorium (yang, bagaimanapun, adalah tipikal untuk periode awal penggunaan penemuan semacam itu). Karakteristik transistor pertama tidak stabil dan tidak dapat diprediksi, dan oleh karena itu aplikasi praktisnya yang sebenarnya sudah dimulai setelah tahun 1951, ketika Shockley menciptakan transistor yang lebih andal - transistor planar, yang terdiri dari tiga lapisan germanium tipe n-p-n dengan ketebalan total 1 cm Untuk penemuan di bidang semikonduktor dan penemuan transistor Shockley, Bardeen dan Brattain berbagi Hadiah Nobel Fisika pada tahun 1956 (yang menarik, Bardeen adalah satu-satunya fisikawan yang memenangkan Hadiah Nobel dua kali: kedua kalinya pada tahun 1972 untuk pengembangan teori superkonduktivitas).

Di Uni Soviet, pengerjaan transistor dilakukan dengan kecepatan yang hampir sama dengan di luar negeri. Sejalan dengan laboratorium Lashkarev di Kiev, kelompok riset insinyur Moskow A. V. Krasilov pada tahun 1948 menciptakan dioda germanium untuk stasiun radar. Pada bulan Februari 1949, Krasilov dan asistennya S. G. Madoyan (saat itu seorang mahasiswa di Institut Teknologi Kimia Moskow, yang sedang mengerjakan tesisnya dengan topik "Transistor titik") mengamati efek transistor untuk pertama kalinya. Benar, sampel laboratorium pertama bekerja tidak lebih dari satu jam, dan kemudian membutuhkan pengaturan baru. Pada saat yang sama, Krasilov dan Madoyan menerbitkan artikel pertama di Uni Soviet tentang transistor, yang disebut "Crystal Triode".

Pada waktu yang hampir bersamaan, transistor titik dikembangkan di laboratorium lain di negara ini. Jadi, pada tahun 1950, sampel eksperimental transistor germanium dibuat di Institut Fisik Akademi Ilmu Pengetahuan (B. M. Vul, A. V. Rzhanov, V. S. Vavilov, dll.) dan Institut Fisika dan Teknologi Leningrad (V. M. Tuchkevich, D.N. Nasledov).

Pada tahun 1953, lembaga semikonduktor pertama Uni Soviet diselenggarakan (sekarang Institut Penelitian Pulsar). Laboratorium Krasilov dipindahkan ke sana, di mana Madoyan mengembangkan transistor germanium paduan pertama. Perkembangannya dikaitkan dengan perluasan batas frekuensi dan peningkatan efisiensi transistor. Pekerjaan yang relevan dilakukan bersama dengan laboratorium Profesor S. G. Kalashnikov di TsNII-108 (sekarang GosTsNIRTI): periode baru dimulai, ditandai dengan kerja sama berbagai organisasi yang berspesialisasi dalam bidang semikonduktor. Pada akhir 1940-an, penemuan yang sama sering dibuat secara independen satu sama lain, dan penulisnya tidak memiliki informasi tentang pencapaian rekan-rekan mereka. Alasan untuk "paralelisme ilmiah" ini adalah kerahasiaan penelitian di bidang elektronik, yang memiliki signifikansi pertahanan. Gambaran serupa diamati selama pembuatan komputer elektronik pertama - konsumen transistor masa depan. Misalnya, S. A. Lebedev, mulai bekerja pada komputer pertamanya di Kyiv, tidak curiga bahwa pada saat yang sama di Moskow, Akademisi I. S. Bruk dan asistennya juga mengerjakan proyek komputer digital elektronik.

Namun, kerahasiaan sama sekali bukan “fitur Soviet”: perkembangan pertahanan diklasifikasikan di seluruh dunia. Penemuan transistor juga diklasifikasikan secara ketat oleh Bell (tempat Shockley bekerja pada waktu itu), dan laporan pertama tentang itu muncul di media cetak hanya pada 1 Juli 1948: dalam sebuah artikel kecil di The New York Times, yang, tanpa lebih lanjut Detailnya, dilaporkan tentang pembuatan unit perangkat elektronik solid-state Bell Telephone Laboratories yang menggantikan tabung vakum.

Dengan pembentukan jaringan organisasi penelitian khusus, pengembangan transistor terus meningkat. Pada awal 1950-an, di NII-160, F. A. Shchigol dan N. N. Spiro setiap hari memproduksi lusinan transistor titik tipe C1-C4, dan M. M. Samokhvalov mengembangkan solusi baru di NII-35 menggunakan teknologi grup, "fusi - difusi" untuk mendapatkan dasar tipis transistor RF. Pada tahun 1953, berdasarkan studi tentang sifat termoelektrik semikonduktor, A.F. Ioffe menciptakan serangkaian generator termoelektrik, dan transistor planar P1, P2, P3 diproduksi di NII-35. Segera, transistor germanium untuk frekuensi 1,0 - 1,5 MHz diperoleh di laboratorium S. G. Kalashnikov, dan F. A. Shchigol merancang transistor paduan silikon tipe P501-P503.

Pada tahun 1957, industri Soviet memproduksi 2,7 juta transistor. Awal penciptaan dan pengembangan teknologi roket dan luar angkasa, dan kemudian komputer, serta kebutuhan instrumentasi dan sektor ekonomi lainnya, sepenuhnya dipenuhi oleh transistor dan komponen elektronik lainnya dari produksi dalam negeri.

Transistor adalah prasyarat untuk semua mikroelektronika modern. Jika tabung sinar katoda digunakan sebagai pengganti transistor di ponsel biasa, perangkat itu akan berukuran sebesar Katedral Cologne.

resistor transfer

Pada Malam Natal 1947, Bell Telephone Laboratories William Shockley, Walter Brattain, dan John Bardeen mendemonstrasikan transistor pertama berdasarkan bahan semikonduktor germanium kepada staf perusahaan mereka. Sekitar waktu yang sama, ilmuwan Jerman Herbert Franz Mathare dan Heinrich Welker mengembangkan apa yang disebut "transistor Prancis" dan menerima paten untuk itu pada tahun 1848. Pada tahun yang sama, Robert Denk merancang penerima radio transistor pertama berdasarkan elektroda berlapis oksida. Denk tidak mematenkan penemuannya dan bahkan menghancurkan satu-satunya salinan penerima untuk menghindari penyalahgunaan.

silikon menang

Namun, para ilmuwan masih harus bekerja keras dalam pemilihan bahan sampai bagian semikonduktor mampu memenuhi persyaratan teknis. Sejak 1955, produksi massal transistor silikon dimulai, yang dengan cepat menggantikan tabung vakum dari berbagai perangkat. Keuntungan transistor adalah ukurannya jauh lebih kecil dan tidak terlalu panas. Sekarang menjadi mungkin untuk membangun komputer yang tidak menempati seluruh ruangan. Muncul pada tahun 1960-an. sirkuit terpadu membutuhkan pengembangan transistor yang lebih kecil, sehingga seiring waktu mereka menyusut seribu kali lipat dan menjadi lebih tipis dari rambut.

• 1925: Julius Edgar Lilienfeld menciptakan teori transistor, tetapi gagal mewujudkannya.
• 1934: Oscar Hale menciptakan FET.
• 1953: Transistor pertama dalam alat bantu dengar.
• 1971: Mikroprosesor pertama adalah Intel 4004.

Penemuan transistor, yang menjadi pencapaian terpenting abad ke-20, dikaitkan dengan nama banyak ilmuwan luar biasa. Tentang mereka yang menciptakan dan mengembangkan elektronik semikonduktor, dan akan dibahas dalam artikel ini.

Tepat 50 tahun yang lalu, orang Amerika John Bardeen, Walter Brattain dan William Shockley (Gbr. 1) dianugerahi Hadiah Nobel dalam Fisika "untuk penelitian di bidang semikonduktor dan penemuan transistor." Namun demikian, analisis sejarah ilmu pengetahuan dengan jelas menunjukkan bahwa penemuan transistor tidak hanya sukses yang layak untuk Bardeen, Brattain dan Shockley.

Beras. 1. Pemenang Hadiah Nobel Fisika tahun 1956

Pengalaman pertama

Kelahiran elektronik solid state dapat ditelusuri kembali ke tahun 1833. Saat itulah Michael Faraday (Gbr. 2), bereksperimen dengan perak sulfida, menemukan bahwa konduktivitas zat ini (dan itu, seperti yang sekarang kita sebut, semikonduktor) meningkat dengan meningkatnya suhu, berbeda dengan konduktivitas logam , yang dalam hal ini berkurang. Mengapa ini terjadi? Apa hubungannya? Faraday tidak bisa menjawab pertanyaan-pertanyaan ini.

Tonggak sejarah berikutnya dalam pengembangan elektronik solid-state adalah tahun 1874. Fisikawan Jerman Ferdinand Braun (Gbr. 3), penerima Nobel masa depan (pada tahun 1909 ia akan menerima penghargaan "Untuk kontribusinya yang luar biasa pada penciptaan telegrafi nirkabel") menerbitkan sebuah artikel di jurnal Analen der Physik und Chemie, di mana , menggunakan contoh "logam belerang alami dan buatan ” menjelaskan sifat terpenting semikonduktor - untuk menghantarkan arus listrik hanya dalam satu arah. Sifat penyearah dari kontak semikonduktor-logam bertentangan dengan hukum Ohm. Brown (Gbr. 4) mencoba menjelaskan fenomena yang diamati dan melakukan penelitian lebih lanjut, tetapi tidak berhasil. Fenomena itu ada, tidak ada penjelasan. Untuk alasan ini, orang sezaman Brown tidak tertarik dengan penemuannya, dan hanya lima dekade kemudian sifat penyearah semikonduktor digunakan dalam penerima detektor.

Beras. 3. Ferdinand Brown

Beras. 4. Ferdinand Braun di laboratoriumnya

Tahun 1906. Insinyur Amerika Greenleaf Witter Pickard (Gbr. 5) menerima paten untuk detektor kristal (Gbr. 6). Dalam aplikasi patennya, ia menulis: "Kontak antara konduktor logam tipis dan permukaan bahan kristal tertentu (silikon, galena, pirit, dll.) memperbaiki dan mendemodulasi arus bolak-balik frekuensi tinggi yang terjadi di antena saat menerima radio. ombak."

Beras. 5. Picard Daun Hijau

Beras. 6. Diagram skema detektor kristal Picard

Konduktor logam tipis, dengan bantuan yang membuat kontak dengan permukaan kristal, secara lahiriah sangat mirip dengan kumis kucing.

Detektor kristal Picard mulai disebut "kumis kucing".

Untuk "menghirup kehidupan" ke dalam detektor Picard dan membuatnya bekerja secara stabil, perlu untuk menemukan titik paling sensitif pada permukaan kristal. Ini tidak mudah dilakukan. Banyak desain "kumis kucing" yang cerdik (Gbr. 7) muncul, membuatnya lebih mudah untuk menemukan titik berharga, tetapi masuknya cepat ke garis depan teknik radio tabung vakum mengirim detektor Picard ke belakang layar untuk waktu yang lama .

Beras. 7. Opsi desain "kumis kucing"

Namun, "kumis kucing" jauh lebih sederhana dan lebih kecil daripada dioda vakum, dan jauh lebih efisien pada frekuensi tinggi. Tetapi bagaimana jika kita mengganti triode vakum, yang menjadi dasar semua elektronik radio pada waktu itu, (Gbr. 8) dengan semikonduktor? Apa itu mungkin? Pada awal abad ke-20, pertanyaan ini menghantui banyak ilmuwan.

Beras. 8. Triode vakum

kehilangan

Soviet Rusia. 1918 Atas perintah pribadi Lenin, sebuah laboratorium teknik radio sedang dibuat di Nizhny Novgorod (Gbr. 9). Pemerintah baru sangat membutuhkan komunikasi "telegraf nirkabel". Insinyur radio terbaik saat itu - M. A. Bonch-Bruevich, V. P. Vologdin, V. K. Lebedinsky, V. V. Tatarinov dan banyak lainnya terlibat dalam pekerjaan di laboratorium.

Beras. 9. Laboratorium radio Nizhny Novgorod

Tiba di Nizhny Novgorod dan Oleg Losev (Gbr. 10).

Beras. 10. Oleg Vladimirovich Losev

Setelah lulus dari sekolah nyata Tver pada tahun 1920 dan tidak berhasil memasuki Institut Komunikasi Moskow, Losev menyetujui pekerjaan apa pun, selama ia diterima di laboratorium. Mereka menganggapnya sebagai utusan. Asrama tidak seharusnya menjadi pembawa pesan.

Losev yang berusia 17 tahun siap untuk tinggal di laboratorium, di pendaratan di depan loteng, jika hanya untuk melakukan apa yang dia sukai.

Sejak usia dini, ia sangat menyukai komunikasi radio. Selama Perang Dunia Pertama, sebuah stasiun penerima radio dibangun di Tver. Tugasnya termasuk menerima pesan dari sekutu Rusia di Entente dan kemudian mengirimkannya melalui telegraf ke Petrograd. Losev sering mengunjungi stasiun radio, mengenal banyak karyawan, membantu mereka dan tidak dapat membayangkan kehidupan masa depannya tanpa teknik radio. Di Nizhny Novgorod, ia tidak memiliki keluarga atau kehidupan normal, tetapi yang utama adalah kesempatan untuk berkomunikasi dengan spesialis di bidang komunikasi radio, belajar dari pengalaman dan pengetahuan mereka. Setelah menyelesaikan pekerjaan yang diperlukan di laboratorium, ia diizinkan untuk melakukan eksperimen independen.

Pada saat itu praktis tidak ada minat pada detektor kristal. Di lab, tidak ada yang tertarik dengan topik ini. Prioritas dalam penelitian diberikan kepada tabung radio. Losev sangat ingin bekerja secara mandiri. Prospek mendapatkan area terbatas untuk bekerja "pada lampu" sama sekali tidak menginspirasinya. Mungkin inilah alasan mengapa ia memilih detektor kristal untuk penelitiannya. Tujuannya adalah untuk meningkatkan detektor, membuatnya lebih sensitif dan stabil dalam operasi. Memulai percobaan, Losev keliru berasumsi bahwa "karena fakta bahwa beberapa kontak antara logam dan kristal tidak mematuhi hukum Ohm, kemungkinan osilasi yang tidak teredam dapat terjadi dalam rangkaian osilasi yang terhubung ke kontak semacam itu." Pada saat itu, sudah diketahui bahwa untuk eksitasi diri dari nonlinier dari karakteristik tegangan arus saja tidak cukup, bagian jatuh harus ada. Setiap spesialis yang kompeten tidak akan mengharapkan amplifikasi dari detektor. Tapi anak sekolah kemarin tidak tahu apa-apa tentang ini. Dia mengubah kristal, bahan jarum, secara akurat memperbaiki hasil dan suatu hari menemukan titik aktif yang diinginkan dalam kristal, yang menyediakan pembangkitan sinyal frekuensi tinggi.

“Semua orang tahu sejak kecil bahwa ini dan itu tidak mungkin, tetapi selalu ada orang bodoh yang tidak tahu ini, dia yang membuat penemuan,” canda Einstein.

Losev melakukan studi pertamanya tentang kristal generator pada skema paling sederhana yang ditunjukkan pada Gambar. sebelas.

Beras. 11. Skema percobaan pertama Losev

Setelah menguji sejumlah besar detektor kristal, Losev menemukan bahwa kristal seng yang mengalami perlakuan khusus menghasilkan getaran yang terbaik. Untuk mendapatkan bahan berkualitas tinggi, ia mengembangkan teknologi pembuatan zincite dengan menggabungkan kristal alami dalam busur listrik. Dengan sepasang zincite - ujung karbon, ketika tegangan 10 V diterapkan, sinyal radio dengan panjang gelombang 68 m diperoleh. Dengan penurunan generasi, mode detektor penguatan diimplementasikan.

Perhatikan bahwa detektor "pembangkit" pertama kali didemonstrasikan pada tahun 1910 oleh fisikawan Inggris William Eccles (Gbr. 12).

Gambar 12. William Henry Eccles

Fenomena fisik baru tidak menarik perhatian spesialis, dan untuk beberapa waktu dilupakan. Eckles juga secara keliru menjelaskan mekanisme resistansi "negatif" atas dasar bahwa resistansi semikonduktor menurun dengan meningkatnya suhu karena efek termal yang terjadi pada antarmuka "logam-semikonduktor".

Pada tahun 1922, artikel pertama Losev tentang detektor penguat dan pembangkit muncul di halaman jurnal ilmiah Telegraphy and Telephony without Wires. Di dalamnya, ia menjelaskan dengan sangat rinci hasil eksperimennya, dan memberikan perhatian khusus pada keberadaan wajib bagian jatuh dari karakteristik tegangan arus kontak.

Pada tahun-tahun itu, Losev secara aktif terlibat dalam pendidikan mandiri. Atasan langsungnya, Profesor V. K. Lebedinsky, membantunya dalam studi radiofisika. Lebedinsky memahami bahwa rekan mudanya telah membuat penemuan nyata dan juga mencoba menjelaskan efek yang diamati, tetapi sia-sia. Ilmu dasar pada waktu itu belum mengetahui mekanika kuantum. Losev, pada gilirannya, mengajukan hipotesis bahwa pada arus tinggi di zona kontak, pelepasan listrik tertentu muncul seperti busur volta, tetapi hanya tanpa pemanasan. Pelepasan ini memperpendek resistansi kontak yang tinggi, memungkinkan pembangkitan.

Hanya tiga puluh tahun kemudian mereka dapat memahami apa yang sebenarnya telah ditemukan. Hari ini kita akan mengatakan bahwa perangkat Losev adalah perangkat dua kutub dengan karakteristik tegangan arus berbentuk N, atau dioda terowongan, di mana fisikawan Jepang Leo Isaki (Gbr. 13) menerima Hadiah Nobel pada tahun 1973.

Beras. 13. Leo Isaki

Pimpinan laboratorium Nizhny Novgorod memahami bahwa tidak mungkin mereproduksi efek secara seri. Setelah sedikit kerja, detektor praktis kehilangan sifat amplifikasi dan pembangkitannya. Tidak ada pertanyaan untuk meninggalkan lampu. Namun demikian, arti praktis dari penemuan Losev sangat besar.

Pada 1920-an, di seluruh dunia, termasuk di Uni Soviet, radio amatir menjadi epidemi. Amatir radio Soviet menggunakan penerima detektor paling sederhana yang dirakit sesuai dengan skema Shaposhnikov (Gbr. 14).

Beras. 14. Penerima detektor Shaposhnikov

Antena tinggi digunakan untuk meningkatkan volume dan jangkauan penerimaan. Di kota-kota, sulit untuk menggunakan antena seperti itu karena gangguan industri. Di area terbuka, di mana praktis tidak ada interferensi, penerimaan sinyal radio yang baik tidak selalu memungkinkan karena kualitas detektor yang buruk. Pengenalan resistansi negatif detektor dengan zincite ke dalam sirkuit antena penerima, diatur dalam mode yang dekat dengan eksitasi diri, secara signifikan memperkuat sinyal yang diterima. Amatir radio berhasil mendengar stasiun yang paling jauh. Ada peningkatan yang nyata dalam selektivitas. Dan ini tanpa menggunakan tabung vakum!

Lampu itu tidak murah, dan membutuhkan sumber daya khusus, dan detektor Losev dapat beroperasi dengan baterai biasa untuk senter.

Akibatnya, ternyata penerima sederhana yang dirancang oleh Shaposhnikov dengan kristal pembangkit memungkinkan untuk melakukan penerimaan heterodyne, yang pada saat itu merupakan kata terbaru dalam teknologi radio. Dalam artikel selanjutnya, Losev menjelaskan teknik untuk mencari titik aktif dengan cepat pada permukaan zincite dan mengganti ujung karbon dengan ujung logam. Dia memberikan rekomendasi tentang cara memproses kristal dan memberikan beberapa skema praktis untuk perakitan sendiri penerima radio (Gbr. 15).

Beras. 15. Diagram utama kristadin oleh O. V. Losev

Perangkat Losev memungkinkan tidak hanya untuk menerima sinyal jarak jauh, tetapi juga untuk mengirimkannya. Amatir radio secara massal, berdasarkan generator detektor, memproduksi pemancar radio yang menjaga komunikasi dalam radius beberapa kilometer. Pamflet Losev segera diterbitkan (Gbr. 16). Itu dijual dalam jutaan eksemplar. Amatir radio yang antusias menulis ke berbagai majalah sains populer bahwa "dengan bantuan detektor zincite di Tomsk, misalnya, seseorang dapat mendengar stasiun Moskow, Nizhny, dan bahkan asing."

Beras. 16. Pamflet Losev, edisi 1924

Untuk semua solusi teknisnya, Losev menerima paten, dimulai dengan "Detektor receiver-heterodyne", yang dideklarasikan pada Desember 1923.

Artikel Losev diterbitkan dalam jurnal seperti ZhETF, Doklady AN SSSR, Radio Revue, Philosophical Magazine, Physikalische Zeitschrift.

Losev menjadi selebriti, namun dia belum berusia dua puluh tahun!

Misalnya, kata pengantar editorial untuk artikel Losev "Kristal Berosilasi" di majalah Amerika The Wireless World and Radio Review bulan Oktober 1924 menyatakan: "Penulis artikel ini, Tuan Oleg Losev dari Rusia, dalam penemuan yang relatif singkat tentang sifat osilasi dalam beberapa kristal.

Majalah Amerika lainnya, Radio News, menerbitkan sebuah artikel pada waktu yang hampir bersamaan di bawah judul "Penemuan Sensasional", yang menyatakan: "Tidak perlu membuktikan bahwa ini adalah penemuan radio revolusioner. Kita akan segera berbicara tentang rangkaian dengan tiga atau enam kristal, seperti yang sekarang kita bicarakan tentang rangkaian dengan tiga atau enam tabung penguat. Ini akan memakan waktu beberapa tahun agar kristal pembangkit cukup ditingkatkan untuk menjadi lebih baik daripada tabung vakum, tetapi kami memperkirakan waktu itu akan tiba.”

Penulis artikel ini, Hugo Gernsbeck, menyebut penerima solid-state Losev sebagai kristadine (kristal + osilator lokal). Dan tidak hanya nama, tetapi juga dengan hati-hati mendaftarkan nama sebagai merek dagang (Gbr. 17). Permintaan cristadin sangat besar.

Beras. 17. Detektor kristal Losev. Diproduksi oleh Radio News Laboratories. Amerika Serikat, 1924

Sangat menarik bahwa ketika teknisi radio Jerman datang ke laboratorium Nizhny Novgorod untuk berkenalan secara pribadi dengan Losev, mereka tidak mempercayai mata mereka. Mereka kagum dengan bakat dan usia penemunya yang masih muda. Dalam surat-surat dari luar negeri, Losev disebut tidak lebih dari seorang profesor. Tidak ada yang bisa membayangkan bahwa profesor itu hanya mempelajari dasar-dasar sains. Namun, segera Losev akan menjadi fisikawan eksperimental yang brilian dan sekali lagi membuat dunia berbicara tentang dirinya sendiri.

Di laboratorium, dari posisi utusan, ia dipindahkan ke asisten laboratorium dan diberi tempat tinggal. Di Nizhny Novgorod, Losev menikah (namun, ternyata tidak berhasil, ternyata kemudian), melengkapi hidupnya dan terus berurusan dengan kristal.

Pada tahun 1928, dengan keputusan pemerintah, topik laboratorium radio Nizhny Novgorod, bersama dengan karyawan, dipindahkan ke Laboratorium Radio Pusat di Leningrad, yang, pada gilirannya, juga terus-menerus ditata ulang. Di lokasi baru, Losev terus mengerjakan semikonduktor, tetapi segera Laboratorium Radio Pusat diubah menjadi Institut Penerimaan Siaran dan Akustik. Lembaga baru memiliki program penelitian sendiri, ruang lingkup pekerjaan dipersempit. Asisten laboratorium Losev berhasil mendapatkan pekerjaan paruh waktu di Institut Fisika dan Teknologi Leningrad (LFTI), di mana ia memiliki kesempatan untuk melanjutkan penelitian tentang efek fisik baru dalam semikonduktor. Pada akhir 1920-an, Losev memiliki ide untuk membuat analog solid-state dari tabung radio vakum tiga elektroda.

Pada tahun 1929–1933, atas saran A.F. Ioffe, Losev melakukan penelitian pada perangkat semikonduktor yang sepenuhnya mengulangi desain transistor titik. Seperti yang Anda ketahui, prinsip pengoperasian alat ini adalah mengontrol arus yang mengalir di antara dua elektroda menggunakan elektroda tambahan. Losev benar-benar mengamati efek ini, tetapi, sayangnya, koefisien keseluruhan dari kontrol semacam itu tidak memungkinkan untuk memperoleh penguatan sinyal. Untuk tujuan ini, Losev hanya menggunakan kristal karborundum (SiC), dan bukan kristal sengit (ZnO), yang memiliki karakteristik yang jauh lebih baik dalam penguat kristal (Aneh! Seharusnya dia tidak tahu tentang sifat kristal ini.) Sampai baru-baru ini, diyakini bahwa setelah kepergian paksa Dari LPTI, Losev tidak kembali ke gagasan amplifier semikonduktor. Namun, ada dokumen yang agak aneh yang ditulis oleh Losev sendiri. Itu tertanggal 12 Juli 1939 dan saat ini disimpan di Museum Politeknik. Dokumen ini, berjudul "Biografi Oleg Vladimirovich Losev", berisi, selain fakta menarik tentang hidupnya, daftar hasil ilmiah. Baris berikut sangat menarik: “Telah ditetapkan bahwa sistem tiga elektroda dapat dibangun dengan semikonduktor, mirip dengan triode, seperti triode, memberikan karakteristik yang menunjukkan resistansi negatif. Karya-karya ini sedang saya persiapkan untuk diterbitkan…”.

Sayangnya, nasib karya-karya ini, yang sepenuhnya dapat mengubah gagasan tentang sejarah penemuan transistor, penemuan paling revolusioner abad ke-20, belum ditetapkan.

Berbicara tentang kontribusi luar biasa Oleg Vladimirovich Losev pada pengembangan elektronik modern, tidak mungkin untuk tidak menyebutkan penemuannya tentang dioda pemancar cahaya.

Skala penemuan ini belum dipahami. Tidak banyak waktu akan berlalu, dan di setiap rumah, alih-alih lampu pijar biasa, "generator lampu elektronik", seperti yang disebut Losev, akan menyala di setiap rumah.

Kembali pada tahun 1923, saat bereksperimen dengan kristadin, Losev menarik perhatian pada cahaya kristal ketika arus listrik melewati mereka. Detektor carborundum bersinar sangat terang. Pada 1920-an, di Barat, fenomena electroluminescence bahkan disebut "cahaya Losev" (Cahaya Losev, Lossew Licht). Losev mengambil studi dan penjelasan tentang electroluminescence yang diperoleh. Dia adalah orang pertama yang menghargai prospek besar sumber cahaya seperti itu, menekankan kecerahan dan kecepatannya yang tinggi. Losev menjadi pemilik paten pertama untuk penemuan perangkat relai cahaya dengan sumber cahaya electroluminescent.

Pada tahun 70-an abad kedua puluh, ketika LED mulai digunakan secara luas, sebuah artikel oleh orang Inggris Henry Round ditemukan di majalah Electronic World untuk tahun 1907, di mana penulis, sebagai karyawan laboratorium Marconi, melaporkan bahwa dia melihat cahaya dalam kontak detektor carborundum ketika menerapkannya medan listrik eksternal. Tidak ada pertimbangan yang menjelaskan fisika dari fenomena ini. Catatan ini tidak berdampak pada penelitian selanjutnya di bidang elektroluminesensi, namun, penulis artikel hari ini secara resmi dianggap sebagai penemu LED.

Losev secara independen menemukan fenomena electroluminescence dan melakukan sejumlah penelitian pada contoh kristal carborundum. Dia memilih dua fenomena fisik yang berbeda yang diamati pada polaritas tegangan yang berbeda pada kontak. Kelebihannya yang tidak diragukan lagi adalah penemuan efek electroluminescence pra-kerusakan, yang disebutnya "cahaya nomor satu", dan electroluminescence injeksi - "cahaya nomor dua". Saat ini, efek pendaran pra-kerusakan banyak digunakan dalam pembuatan tampilan elektroluminesen, dan elektroluminesensi injeksi adalah dasar dari LED dan laser semikonduktor. Losev berhasil membuat kemajuan signifikan dalam memahami fisika fenomena ini jauh sebelum penciptaan teori pita semikonduktor. Selanjutnya, pada tahun 1936, cahaya nomor satu ditemukan kembali oleh fisikawan Prancis Georges Destriaux. Dalam literatur ilmiah, ini dikenal sebagai "efek Destrio", meskipun Destrio sendiri memprioritaskan penemuan fenomena ini kepada Oleg Losev. Mungkin tidak adil untuk memperdebatkan prioritas Round dalam membuka LED. Namun kita tidak boleh lupa bahwa Marconi dan Popov dianggap sebagai penemu radio, meskipun semua orang tahu bahwa Hertz adalah yang pertama mengamati gelombang radio. Dan ada banyak contoh seperti itu dalam sejarah sains.

Dalam artikelnya Subhistory of Light Emitting Diode, ilmuwan elektroluminesensi Amerika yang terkenal Egon Lobner menulis tentang Losev: “Dengan penelitian perintisnya di bidang LED dan fotodetektor, ia berkontribusi pada kemajuan komunikasi optik di masa depan. Penelitiannya sangat tepat dan publikasinya begitu jelas sehingga orang dapat dengan mudah membayangkan sekarang apa yang terjadi di laboratoriumnya saat itu. Pilihan intuitif dan seni eksperimennya sungguh menakjubkan.”

Hari ini kita memahami bahwa tidak mungkin membayangkan perkembangan elektronika solid-state tanpa teori kuantum dari struktur semikonduktor. Karena itu, bakat Losev luar biasa. Sejak awal ia melihat kesatuan sifat fisik kristadin dan fenomena pendaran injeksi, dan dalam hal ini ia jauh lebih maju dari zamannya.

Setelah dia, penelitian tentang detektor dan elektroluminesensi dilakukan secara terpisah satu sama lain, sebagai area independen. Analisis hasil menunjukkan bahwa selama hampir dua puluh tahun setelah kemunculan karya Losev, tidak ada hal baru yang dilakukan dalam hal memahami fisika fenomena ini. Hanya pada tahun 1951, fisikawan Amerika Kurt Lehovetz (Gbr. 18) menetapkan bahwa deteksi dan elektroluminesensi memiliki sifat yang sama, terkait dengan perilaku pembawa arus pada sambungan p-n.

Beras. 18. Kurt Lechovec

Perlu dicatat bahwa dalam karyanya Lekhovets terutama mengutip karya Losev tentang electroluminescence.

Pada tahun 1930–31 Losev melakukan serangkaian eksperimen pada tingkat eksperimen tinggi dengan bagian miring yang meregangkan area yang diteliti dan sistem elektroda yang termasuk dalam rangkaian pengukuran kompensasi untuk mengukur potensi pada titik yang berbeda dari penampang struktur berlapis. Dengan menggerakkan "kumis kucing" logam melintasi bagian itu, ia menunjukkan, dengan akurasi hingga satu mikron, bahwa bagian dekat permukaan kristal memiliki struktur yang kompleks. Dia mengungkapkan lapisan aktif sekitar sepuluh mikron tebal di mana fenomena pendaran injeksi diamati. Berdasarkan hasil percobaan, Losev menyarankan bahwa penyebab konduktivitas unipolar adalah perbedaan kondisi gerak elektron di kedua sisi lapisan aktif (atau, seperti yang akan kita katakan hari ini, berbagai jenis konduktivitas). Selanjutnya, bereksperimen dengan tiga atau lebih probe elektroda yang terletak di area ini, dia benar-benar mengkonfirmasi asumsinya. Studi-studi ini merupakan pencapaian signifikan Losev sebagai fisikawan.

Pada tahun 1935, sebagai akibat dari reorganisasi lain dari lembaga penyiaran dan hubungan yang sulit dengan manajemen, Losev dibiarkan tanpa pekerjaan. Asisten laboratorium Losev diizinkan membuat penemuan, tetapi tidak berjemur di bawah sinar kemuliaan. Dan ini terlepas dari kenyataan bahwa namanya dikenal oleh penguasa dunia ini. Dalam sebuah surat tertanggal 16 Mei 1930, Akademisi A.F. Ioffe menulis kepada rekannya Paul Ehrenfest: “Secara ilmiah, saya memiliki sejumlah keberhasilan. Dengan demikian, Losev memperoleh cahaya di carborundum dan kristal lainnya di bawah aksi elektron 2-6 volt. Batas cahaya dalam spektrum terbatas ... ".

Losev sudah lama memiliki tempat kerja sendiri di LPTI, tetapi mereka tidak membawanya ke institut, dia orang yang terlalu mandiri. Semua pekerjaan dilakukan secara independen - tidak ada rekan penulis di antara mereka.

Dengan bantuan teman-temannya, Losev mendapat pekerjaan sebagai asisten di Departemen Fisika Institut Medis Pertama. Di tempat baru, jauh lebih sulit baginya untuk melakukan pekerjaan ilmiah, karena tidak ada peralatan yang diperlukan. Namun demikian, setelah menetapkan tujuan untuk memilih bahan untuk pembuatan fotosel dan fotoresistor, Losev terus mempelajari sifat fotolistrik kristal. Dia mempelajari lebih dari 90 zat dan menyoroti silikon dengan fotosensitifitasnya yang nyata.

Pada saat itu, tidak ada bahan murni yang cukup untuk mencapai reproduksi akurat dari hasil yang diperoleh, tetapi Losev (untuk kesekian kalinya!) secara intuitif memahami bahwa masa depan adalah milik bahan ini. Pada awal 1941, ia mulai mengerjakan topik baru - "Metode fotoresistor elektrolitik, fotosensitifitas beberapa paduan silikon." Ketika Perang Patriotik Hebat dimulai, Losev tidak pergi untuk evakuasi, ingin menyelesaikan sebuah artikel di mana ia mempresentasikan hasil penelitiannya tentang silikon. Rupanya, dia berhasil menyelesaikan pekerjaannya, karena artikel itu dikirim ke editor ZhETF. Pada saat itu, kantor redaksi sudah dievakuasi dari Leningrad. Sayangnya, setelah perang tidak ada jejak artikel ini yang dapat ditemukan, dan sekarang orang hanya bisa menebak isinya.

Pada 22 Januari 1942, Oleg Vladimirovich Losev meninggal karena kelaparan di Leningrad yang terkepung. Dia berusia 38 tahun.

Pada tahun 1942 yang sama, di AS, Sylvania dan Western Electric memulai produksi industri dioda titik silikon (dan beberapa saat kemudian, germanium), yang digunakan sebagai detektor mixer di radar. Kematian Losev bertepatan dengan lahirnya teknologi silikon.

batu loncatan militer

Pada tahun 1925, American Telephone and Telegraph Corporation (AT&T) membuka pusat penelitian dan pengembangan Bell Telephone Laboratories. Pada tahun 1936, direktur Bell Telephone Laboratories, Mervyn Kelly, memutuskan untuk membentuk sekelompok ilmuwan yang akan melakukan serangkaian penelitian yang bertujuan untuk mengganti amplifier tabung dengan semikonduktor. Kelompok ini dipimpin oleh Joseph Becker, yang membawa fisikawan teoretis William Shockley dan eksperimenter brilian Walter Brattain.

Setelah menyelesaikan gelar doktornya di Massachusetts Institute of Technology, MIT yang terkenal, dan bergabung dengan Bell Telephone Laboratories, Shockley, sebagai orang yang sangat ambisius dan ambisius, dengan penuh semangat terjun ke bisnis. Pada tahun 1938, dalam buku kerja Shockley yang berusia 26 tahun, sketsa pertama triode semikonduktor muncul. Idenya sederhana dan tidak orisinal: untuk membuat perangkat semirip mungkin dengan tabung vakum, dengan satu-satunya perbedaan bahwa elektron di dalamnya akan mengalir melalui semikonduktor berfilamen tipis, dan tidak terbang dalam ruang hampa antara katoda dan anoda. Untuk mengontrol arus semikonduktor, itu seharusnya memperkenalkan elektroda tambahan (analog dengan grid) - menerapkan tegangan polaritas yang berbeda untuk itu. Dengan demikian, dimungkinkan untuk mengurangi atau menambah jumlah elektron dalam filamen dan, karenanya, mengubah resistansi dan aliran arusnya. Semuanya seperti dalam tabung radio, hanya tanpa vakum, tanpa wadah kaca besar dan tanpa memanaskan katoda. Pengusiran elektron dari filamen atau alirannya seharusnya terjadi di bawah pengaruh medan listrik yang dibuat antara elektroda kontrol dan filamen, yaitu karena efek medan. Untuk melakukan ini, utasnya harus benar-benar semikonduktor. Ada terlalu banyak elektron dalam logam dan tidak ada medan yang dapat memaksanya keluar, tetapi praktis tidak ada elektron bebas dalam dielektrik. Shockley melanjutkan ke perhitungan teoretis, tetapi semua upaya untuk membangun penguat solid-state tidak menghasilkan apa-apa.

Pada saat yang sama, di Eropa, fisikawan Jerman Robert Pohl dan Rudolf Hilsch menciptakan penguat kristal tiga elektroda kontak yang bekerja berdasarkan kalium bromida. Namun, perangkat Jerman tidak mewakili nilai praktis apa pun. Itu memiliki frekuensi operasi yang sangat rendah. Ada bukti bahwa pada paruh pertama tahun 1930-an, amplifier semikonduktor tiga-elektroda “dirakit” oleh dua amatir radio, Larry Kaiser dari Kanada dan anak sekolah Robert Adams dari Selandia Baru. Adams, yang kemudian menjadi insinyur radio, menyadari bahwa tidak pernah terpikir olehnya untuk mengajukan paten atas sebuah penemuan, karena ia mendapatkan semua informasi untuk amplifiernya dari majalah radio amatir dan sumber terbuka lainnya.

Pada 1926–1930 termasuk karya Julius Lilienfeld (Gbr. 19), seorang profesor di Universitas Leipzig, yang mematenkan desain penguat semikonduktor, yang sekarang dikenal sebagai transistor efek medan (Gbr. 20).

Beras. 19. Julius Lilienfeld

Beras. 20. Paten Yu. Lilienfeld untuk transistor efek medan

Lilienfeld berasumsi bahwa ketika tegangan diterapkan pada bahan konduktif lemah, konduktivitasnya akan berubah dan, sebagai akibatnya, peningkatan osilasi listrik akan terjadi. Meski mendapatkan paten, Lilienfeld gagal membuat perangkat yang berfungsi. Alasannya adalah yang paling membosankan - di tahun 30-an abad kedua puluh, bahan yang diperlukan belum ditemukan, yang menjadi dasar transistor yang berfungsi dapat dibuat. Itulah sebabnya upaya sebagian besar ilmuwan saat itu diarahkan pada penemuan transistor bipolar yang lebih kompleks. Dengan demikian, mereka mencoba mengatasi kesulitan yang muncul dalam implementasi transistor efek medan.

Pengerjaan penguat solid state di Bell Telephone Laboratories terganggu oleh pecahnya Perang Dunia II. William Shockley dan banyak rekannya diperbantukan di Kementerian Pertahanan, tempat mereka bekerja hingga akhir 1945.

Elektronik solid-state tidak menarik bagi militer - pencapaiannya tampak meragukan bagi mereka. Dengan satu pengecualian. Detektor. Mereka kebetulan berada di pusat peristiwa sejarah.

Pertempuran epik untuk Inggris berlangsung di langit Selat Inggris, mencapai klimaksnya pada September 1940. Setelah pendudukan Eropa Barat, Inggris dibiarkan berhadap-hadapan dengan armada pengebom Jerman yang menghancurkan pertahanan pantai dan mempersiapkan pendaratan amfibi untuk merebut negara itu - Operasi Singa Laut. Sulit untuk mengatakan apa yang menyelamatkan Inggris - keajaiban, ketegasan Perdana Menteri Winston Churchill, atau stasiun radar. Radar yang muncul pada akhir 1930-an memungkinkan untuk mendeteksi pesawat musuh dengan cepat dan akurat dan mengatur tindakan balasan pada waktu yang tepat. Setelah kehilangan lebih dari seribu pesawat di langit di atas Inggris, Nazi Jerman kehilangan minat pada gagasan untuk merebut Inggris pada tahun 1940 dan mulai mempersiapkan serangan kilat di Timur.

Inggris membutuhkan radar, radar - detektor kristal, detektor - germanium dan silikon murni. Germanium muncul pertama kali, dan dalam jumlah yang signifikan, di pabrik dan laboratorium. Dengan silikon, karena suhu pemrosesan yang tinggi, pada awalnya ada beberapa kesulitan, tetapi masalahnya segera teratasi. Setelah itu, preferensi diberikan kepada silikon. Silikon lebih murah dibandingkan dengan germanium. Jadi, batu loncatan untuk melompat ke transistor hampir siap.

Perang Dunia Kedua adalah perang pertama di mana sains, dalam hal pentingnya untuk mengalahkan musuh, bertindak setara dengan teknologi senjata tertentu, dan dalam beberapa hal bahkan melampaui mereka. Ingat proyek nuklir dan roket. Daftar ini juga dapat mencakup proyek transistor, prasyarat yang sebagian besar ditetapkan oleh pengembangan radar militer.

Pembukaan

Pada tahun-tahun pascaperang, Bell Telephone Laboratories mulai mempercepat pekerjaan di bidang komunikasi global. Peralatan tahun 1940-an menggunakan dua elemen utama untuk memperkuat, mengubah, dan mengalihkan sinyal di sirkuit pelanggan: tabung vakum dan relai elektromekanis. Elemen-elemen ini besar, bekerja lambat, menghabiskan banyak energi dan tidak terlalu dapat diandalkan. Memperbaikinya berarti kembali ke gagasan menggunakan semikonduktor. Di Bell Telephone Laboratories, sebuah kelompok penelitian dibentuk kembali (Gbr. 21), dengan William Shockley, yang kembali "dari perang", menjadi direktur ilmiahnya. Tim tersebut termasuk Walter Brattain, John Bardeen, John Pearson, Bert Moore dan Robert Gibney.

Beras. 21. Murray Hill, New Jersey, AS, Bell Laboratories. Tempat lahir transistor.

Pada awalnya, tim membuat keputusan paling penting: mengarahkan upaya untuk mempelajari sifat-sifat hanya dua bahan - silikon dan germanium, sebagai yang paling menjanjikan untuk pelaksanaan tugas. Secara alami, kelompok tersebut mulai mengembangkan gagasan Shockley sebelum perang tentang penguat efek medan. Tetapi elektron di dalam semikonduktor dengan keras kepala mengabaikan setiap perubahan potensial pada elektroda gerbang. Dari tegangan dan arus tinggi, kristal meledak, tetapi tidak ingin mengubah resistansinya.

Ahli teori John Bardeen memikirkan hal ini. Shockley, karena tidak menerima hasil yang cepat, kehilangan minat pada topik dan tidak mengambil bagian aktif dalam pekerjaan. Bardeen menyarankan bahwa sebagian besar elektron sebenarnya tidak "berjalan" bebas di sekitar kristal, tetapi terjebak dalam semacam perangkap di permukaan semikonduktor. Muatan elektron yang "terjebak" ini melindungi medan yang diterapkan dari luar, yang tidak menembus sebagian besar kristal. Ini adalah bagaimana teori keadaan permukaan memasuki fisika keadaan padat pada tahun 1947. Sekarang penyebab kegagalan tampaknya telah ditemukan, kelompok tersebut mulai menerapkan gagasan efek medan dengan lebih bermakna. Tidak ada ide lain. Mereka mulai merawat permukaan germanium dengan berbagai cara, berharap untuk menghilangkan jebakan elektron. Kami mencoba segalanya - etsa kimia, pemolesan mekanis, menerapkan berbagai passivator ke permukaan. Kristal-kristal itu direndam dalam berbagai cairan, tetapi tidak ada hasil. Kemudian diputuskan untuk melokalisasi zona kontrol sebanyak mungkin, di mana salah satu konduktor dan elektroda kontrol dibuat dalam bentuk jarum pegas dengan jarak yang berdekatan. Eksperimen Brattain, yang memiliki pengalaman 15 tahun dengan berbagai semikonduktor, dapat memutar kenop osiloskop selama 25 jam sehari.

Ahli teori Bardeen selalu ada di sana, siap untuk menguji perhitungan teoretisnya siang dan malam. Kedua peneliti, seperti yang mereka katakan, menemukan satu sama lain. Mereka praktis tidak meninggalkan laboratorium, tetapi waktu berlalu, dan masih belum ada hasil yang signifikan.

Begitu Brattain, tersiksa oleh kegagalan, menggerakkan jarum hampir dekat, apalagi, dia secara tidak sengaja mencampuradukkan polaritas potensi yang diterapkan pada mereka. Ilmuwan itu tidak bisa mempercayai matanya. Dia terkejut, tetapi layar osiloskop dengan jelas menunjukkan penguatan sinyal. Ahli teori Bardeen bereaksi dengan kecepatan kilat dan jelas: tidak ada efek medan, dan ini bukan tentang dia. Amplifikasi sinyal terjadi karena alasan yang berbeda. Dalam semua perkiraan sebelumnya, hanya elektron yang dianggap sebagai pembawa arus utama dalam kristal germanium, dan "lubang", yang jutaan kali lebih kecil, secara alami diabaikan. Bardin menyadari bahwa itu adalah "lubang" yang penting. Pengenalan "lubang" melalui satu elektroda (proses ini disebut injeksi) menyebabkan arus yang jauh lebih besar di elektroda lainnya. Dan semua ini dengan latar belakang kekekalan keadaan sejumlah besar elektron.

Jadi, dengan cara yang tidak terduga, pada 19 Desember 1947, transistor titik lahir (Gbr. 22).

Pada awalnya, perangkat baru itu disebut triode germanium. Bardeen dan Brattain tidak menyukai nama itu. Itu tidak terdengar. Mereka ingin nama itu diakhiri dengan "thor", mirip dengan resistor atau termistor. Di sini mereka datang untuk membantu insinyur elektronik John Pierce, yang fasih berbahasa (ia kemudian menjadi seorang pempopuler sains terkenal dan penulis fiksi ilmiah dengan nama samaran J. J. Coupling). Pierce ingat bahwa salah satu parameter triode vakum adalah kecuraman karakteristik, dalam bahasa Inggris - transkonduktansi. Dia menyarankan untuk memanggil parameter serupa dari transresistansi penguat solid-state, dan penguat itu sendiri, dan kata ini hanya berputar di lidah, transistor. Semua orang menyukai nama itu.

Beberapa hari setelah penemuan yang luar biasa, pada Malam Natal, 23 Desember 1947, penyerahan transistor kepada manajemen Bell Telephone Laboratories berlangsung (Gbr. 23).

Beras. 23. Transistor titik Bardeen-Brattain

William Shockley, yang sedang berlibur di Eropa, segera kembali ke Amerika. Keberhasilan Bardeen dan Brattain yang tak terduga sangat melukai kesombongannya. Dia adalah orang pertama yang berpikir tentang penguat semikonduktor, memimpin grup, memilih arah penelitian, tetapi dia tidak dapat mengklaim rekan penulis dalam paten "bintang". Dengan latar belakang kegembiraan umum, gemerlap dan suara gelas sampanye, Shockley tampak kecewa dan muram. Dan kemudian sesuatu terjadi yang akan selalu tersembunyi dari kita oleh tabir waktu. Dalam satu minggu, yang kemudian disebut Shockley sebagai "minggu suci", ia menciptakan teori transistor dengan sambungan p-n yang menggantikan jarum eksotis, dan pada Malam Tahun Baru ia menemukan transistor bipolar planar. (Perhatikan bahwa transistor bipolar yang benar-benar berfungsi tidak dibuat sampai tahun 1950.)

Usulan diagram sirkuit untuk penguat solid-state yang lebih efisien dengan struktur berlapis menyamakan Shockley dalam penemuan efek transistor dengan Bardeen dan Brattain.

Enam bulan kemudian, pada 30 Juni 1948, di New York, di markas besar Bell Telephone Laboratories, setelah semua formalitas paten yang diperlukan diselesaikan, presentasi terbuka tentang transistor berlangsung. Pada saat itu, Perang Dingin antara Amerika Serikat dan Uni Soviet telah dimulai, sehingga inovasi teknis terutama dievaluasi oleh militer. Yang mengejutkan semua orang yang hadir, para ahli dari Pentagon tidak tertarik dengan transistor dan merekomendasikan penggunaannya dalam alat bantu dengar.

Beberapa tahun kemudian, perangkat baru menjadi komponen yang sangat diperlukan dalam sistem kontrol rudal militer, tetapi pada hari itulah miopia militer menyelamatkan transistor dari judul "sangat rahasia".

Wartawan juga bereaksi terhadap penemuan itu, tanpa banyak emosi. Pada halaman empat puluh enam, di bagian "Berita Radio" di New York Times, sebuah catatan singkat dicetak tentang penemuan perangkat radio baru. Hanya.

Bell Telephone Laboratories tidak mengharapkan perkembangan ini. Perintah militer dengan dana besar mereka tidak diramalkan bahkan di masa depan yang jauh. Keputusan mendesak dibuat untuk menjual lisensi transistor kepada semua orang. Jumlah transaksi adalah $25.000. Sebuah pusat pelatihan sedang didirikan dan seminar untuk spesialis sedang diadakan. Hasilnya tidak lama lagi (Gbr. 24).

Transistor dengan cepat menemukan aplikasi dalam berbagai aplikasi, dari peralatan militer dan komputer hingga elektronik konsumen. Menariknya, penerima radio portabel pertama disebut untuk waktu yang lama - transistor.

mitra Eropa

Pekerjaan pembuatan penguat semikonduktor tiga elektroda juga dilakukan di sisi lain lautan, tetapi lebih sedikit yang diketahui tentang mereka.

Baru-baru ini, sejarawan Belgia Armand Van Dormel dan profesor Universitas Stanford Michael Riordan menemukan bahwa "saudara laki-laki transistor" Bardeen-Brattain ditemukan dan bahkan dikomersialkan di Eropa pada akhir 1940-an.

Penemu transistor titik di Eropa adalah Herbert Franz Matare dan Heinrich Johann Welker (Gbr. 25). Matare adalah seorang fisikawan eksperimental yang bekerja untuk perusahaan Jerman Telefunken dan bekerja pada elektronika gelombang mikro dan radar. Welker lebih merupakan seorang ahli teori, mengajar untuk waktu yang lama di Universitas Munich, dan selama tahun-tahun perang ia bekerja untuk Luftwaffe.

Beras. 25. Penemu transitron Herbert Mathare dan Heinrich Welker

Mereka bertemu di Paris. Setelah kekalahan Jerman fasis, kedua fisikawan itu diundang ke cabang Eropa dari perusahaan Amerika Westinghouse.

Kembali pada tahun 1944, Matare, saat mengerjakan penyearah semikonduktor untuk radar, merancang perangkat yang ia sebut duodioda. Itu adalah sepasang penyearah titik paralel menggunakan pelat germanium yang sama. Dengan pemilihan parameter yang tepat, perangkat menekan kebisingan di unit penerima radar. Kemudian Matare menemukan bahwa fluktuasi tegangan pada satu elektroda dapat mengakibatkan perubahan kekuatan arus yang melewati elektroda kedua. Perhatikan bahwa deskripsi efek seperti itu terkandung dalam paten Lilienfeld, dan ada kemungkinan Matare mengetahuinya. Tetapi bagaimanapun juga, ia menjadi tertarik pada fenomena yang diamati dan melanjutkan penelitian.

Welker datang ke ide transistor dari sudut yang berbeda, melakukan fisika kuantum dan teori pita padatan. Pada awal tahun 1945, ia menciptakan rangkaian penguat solid-state, sangat mirip dengan perangkat Shockley. Pada bulan Maret, Welker berhasil merakit dan mengujinya, tetapi dia tidak lebih beruntung daripada orang Amerika. Perangkat tidak berfungsi.

Di Paris, Matarat dan Welker diinstruksikan untuk mengatur produksi industri penyearah semikonduktor untuk jaringan telepon Prancis. Pada akhir tahun 1947, penyearah diluncurkan menjadi seri, dan Matare dan Welker punya waktu untuk melanjutkan penelitian. Mereka melanjutkan ke eksperimen lebih lanjut dengan duodioda. Bersama-sama mereka membuat rekaman dari germanium yang jauh lebih murni dan mendapatkan efek amplifikasi yang stabil. Sudah pada awal Juni 1948, Matare dan Welker menciptakan transistor titik kerja yang stabil. Transistor Eropa muncul setengah tahun lebih lambat dari perangkat Bardeen dan Brattain, tetapi benar-benar terlepas darinya. Matare dan Welker tidak tahu apa-apa tentang pekerjaan orang Amerika. Penyebutan pertama di pers tentang "perangkat teknik radio baru" yang keluar dari Bell Laboratories tidak muncul sampai 1 Juli.

Nasib lebih lanjut dari penemuan Eropa itu menyedihkan. Matare dan Welker menyiapkan aplikasi paten untuk penemuan tersebut pada bulan Agustus, tetapi kantor paten Prancis mempelajari dokumen untuk waktu yang sangat lama. Hanya pada bulan Maret 1952 mereka menerima paten untuk penemuan transitron - ini adalah nama yang dipilih oleh fisikawan Jerman untuk penguat semikonduktor mereka. Pada saat itu, Westinghouse cabang Paris telah memulai produksi massal transitron. Pelanggan utamanya adalah Kementerian Pos. Banyak saluran telepon baru sedang dibangun di Prancis. Namun, usia transitron berumur pendek. Terlepas dari kenyataan bahwa mereka bekerja lebih baik dan lebih lama daripada "saudara" Amerika mereka (karena perakitan yang lebih hati-hati), transitron tidak dapat menaklukkan pasar dunia. Selanjutnya, otoritas Prancis umumnya menolak untuk mensubsidi penelitian di bidang elektronik semikonduktor, beralih ke proyek nuklir yang lebih besar. Laboratorium Matare dan Welker rusak. Para ilmuwan memutuskan untuk kembali ke tanah air mereka. Pada saat itu, kebangkitan sains dan industri teknologi tinggi dimulai di Jerman. Welker mendapat pekerjaan di laboratorium yang menjadi perhatian Siemens, yang kemudian dipimpinnya, dan Matare pindah ke Düsseldorf dan menjadi presiden perusahaan kecil, Intermetall, yang memproduksi perangkat semikonduktor.

kata penutup

Jika kita menelusuri nasib orang Amerika, maka John Bardeen meninggalkan Bell Telephone Laboratories pada tahun 1951, mengambil teori superkonduktivitas dan pada tahun 1972, bersama dua muridnya, dianugerahkan Hadiah Nobel "Untuk pengembangan teori superkonduktivitas ", sehingga menjadi satu-satunya ilmuwan sejarah, peraih Nobel dua kali.

Walter Brattain bekerja di Bell Telephone Laboratories sampai pensiun pada tahun 1967, ketika ia kembali ke kampung halamannya untuk mengajar fisika di universitas setempat.

Nasib William Shockley adalah sebagai berikut. Dia meninggalkan Bell Telephone Laboratories pada tahun 1955 dan, dengan bantuan keuangan dari Arnold Beckman, mendirikan Shockly Transistor Corporation, sebuah perusahaan manufaktur transistor. Banyak ilmuwan dan insinyur berbakat bekerja di perusahaan baru, tetapi setelah dua tahun kebanyakan dari mereka meninggalkan Shockley. Arogansi, arogansi, keengganan untuk mendengarkan pendapat rekan kerja dan obsesi untuk tidak mengulangi kesalahan yang dia buat dalam bekerja dengan Bardeen dan Brattain melakukan pekerjaan mereka. Perusahaan ini berantakan.

Mantan karyawannya, Gordon Moore dan Robert Noyce, dengan dukungan Beckman yang sama, mendirikan Fairchild Semiconductor, dan kemudian, pada 1968, menciptakan perusahaan mereka sendiri, Intel.

Impian Shockley untuk membangun kerajaan bisnis semikonduktor diwujudkan oleh orang lain (Gambar 26), dan dia kembali mendapat peran sebagai pengamat luar. Ironisnya, pada tahun 1952, Shockley-lah yang mengusulkan desain transistor efek medan berbasis silikon. Namun, Shockly Transistor Corporation tidak merilis FET apa pun. Saat ini, perangkat ini adalah dasar dari seluruh industri komputer.

Beras. 26. Evolusi transistor

Setelah gagal dalam bisnis, Shockley menjadi profesor di Universitas Stanford. Dia memberikan kuliah brilian tentang fisika, secara pribadi berurusan dengan mahasiswa pascasarjana, tetapi dia tidak memiliki kejayaan sebelumnya - semua yang orang Amerika sebut sebagai publisitas kata yang luas. Shockley termasuk dalam kehidupan publik dan mulai membuat presentasi tentang banyak masalah sosial dan demografis. Menawarkan solusi untuk masalah akut yang terkait dengan kelebihan populasi di negara-negara Asia dan perbedaan nasional, ia meluncur ke eugenika dan intoleransi rasial. Pers, televisi, jurnal ilmiah menuduhnya ekstremisme dan rasisme. Shockley "terkenal" lagi dan tampaknya menikmati semuanya. Reputasi dan karirnya sebagai ilmuwan akan segera berakhir. Dia pensiun, berhenti berkomunikasi dengan semua orang, bahkan dengan anak-anaknya sendiri, dan menjalani hidupnya sebagai pertapa.

Orang yang berbeda, takdir yang berbeda, tetapi semuanya disatukan oleh keterlibatan dalam penemuan yang secara radikal mengubah dunia kita.

Tanggal 19 Desember 1947 dapat dianggap sebagai hari lahir sebuah era baru. Hitung mundur waktu baru telah dimulai. Dunia telah memasuki era digital.

literatur

1. William F. Brinkman, Douglas E. Haggan, William W. Troutman. Sejarah Penemuan Transistor dan Kemana Ia Akan Membawa Kita // IEEE Journal of Solid-State Circuits. Vol.32, No.12. Desember 1997.
2. Hugo Gernsback. Penemuan Radio Sensasional // Berita Radio. September 1924
3. Novikov M.A. Oleg Vladimirovich Losev - pelopor elektronik semikonduktor // Fisika Keadaan Padat. 2004. Jilid 46, no. satu.
4. Ostroumov B., Shlyakhter I. Penemu kristadin O. V. Losev. // radio. 1952. Nomor 5.
5. Zhirnov V., Suetin N. Penemuan insinyur Losev // Pakar. 2004. Nomor 15.
6. Lee T.H., Sejarah Radio Nonlinier. Pers Universitas Cambridge. 1998.
7. Nosov Yu Paradoks transistor // Kvant. 2006. Nomor 1.
8. Andrew Emerson. Siapa sebenarnya yang menemukan Transistor? www.radiobygones.com
9. Michael Riordan. Bagaimana Eropa Melewatkan Transistor // Spektrum IEEE, Nov. 2005. www.spectrum.ieee.org

UNIVERSITAS TEKNOLOGI NEGARA PYATIGORSK

DEPARTEMEN MANAJEMEN DAN SISTEM INFORMASI

KARANGAN

"Sejarah Perkembangan Transistor"

Lengkap:

mahasiswa gr. UITS-b-101

Sergienko Victor

Pyatigorsk, 2010

pengantar

Transistor (dari bahasa Inggris transfer - transfer dan resistansi - resistansi atau transkonduktansi - konduktivitas interelektroda aktif dan varistor - resistansi variabel) - perangkat elektronik yang terbuat dari bahan semikonduktor, biasanya dengan tiga kabel, yang memungkinkan sinyal input untuk mengontrol arus dalam rangkaian listrik . Biasanya digunakan untuk memperkuat, menghasilkan dan mengubah sinyal listrik.

Arus pada rangkaian keluaran dikendalikan dengan mengubah tegangan atau arus masukan. Perubahan kecil pada nilai input dapat menyebabkan perubahan tegangan dan arus output yang jauh lebih besar. Sifat penguat transistor ini digunakan dalam teknologi analog (TV analog, radio, komunikasi, dll.).

Saat ini, teknologi analog didominasi oleh transistor bipolar (BT) (istilah internasional - BJT, transistor persimpangan bipolar). Cabang elektronik penting lainnya adalah teknologi digital (logika, memori, prosesor, komputer, komunikasi digital, dll.), Di mana, sebaliknya, transistor bipolar hampir sepenuhnya digantikan oleh transistor medan.

Semua teknologi digital modern dibangun terutama di transistor medan MOS (metal-oxide-semiconductor) (MOSFET), sebagai elemen yang lebih ekonomis dibandingkan dengan BT. Kadang-kadang mereka disebut MIS (metal-dielectric-semiconductor) - transistor. Istilah internasionalnya adalah MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor). Transistor diproduksi dalam kerangka teknologi terintegrasi pada satu kristal silikon (chip) dan merupakan "batu bata" dasar untuk membangun logika, memori, prosesor, dll. sirkuit mikro Ukuran MOSFET modern berkisar antara 90 hingga 32 nm. Satu chip modern (biasanya berukuran 1-2 cm²) menampung beberapa (sejauh ini hanya beberapa) miliar MOSFET. Selama 60 tahun telah terjadi penurunan ukuran (miniaturisasi) MOSFET dan peningkatan jumlah mereka pada satu chip (derajat integrasi), di tahun-tahun mendatang peningkatan lebih lanjut dalam tingkat integrasi transistor pada sebuah chip adalah diharapkan (lihat Hukum Moore). Mengurangi ukuran MOSFET juga menyebabkan peningkatan kecepatan prosesor, penurunan konsumsi daya, dan pembuangan panas.

Cerita

Paten pertama untuk prinsip pengoperasian transistor efek medan didaftarkan di Jerman pada tahun 1928 (di Kanada, 22 Oktober 1925) atas nama fisikawan Austro-Hungaria Julius Edgar Lilienfeld. Pada tahun 1934, fisikawan Jerman Oscar Heil mematenkan transistor efek medan. Transistor efek medan (khususnya, MOSFET) didasarkan pada efek medan elektrostatik sederhana, dalam fisika mereka jauh lebih sederhana daripada transistor bipolar, dan oleh karena itu mereka ditemukan dan dipatenkan jauh sebelum transistor bipolar. Namun, transistor MOS pertama, yang menjadi dasar industri komputer modern, dibuat lebih lambat dari transistor bipolar, pada tahun 1960. Baru pada tahun 1990-an teknologi MOS mulai mendominasi teknologi bipolar.

Pada tahun 1947, William Shockley, John Bardeen, dan Walter Brattain menciptakan transistor bipolar pertama yang bekerja di Bell Labs, didemonstrasikan pada 16 Desember. Pada 23 Desember, presentasi resmi penemuan berlangsung, dan tanggal ini dianggap sebagai hari penemuan transistor. Menurut teknologi manufaktur, itu termasuk dalam kelas transistor titik. Pada tahun 1956 mereka dianugerahi Hadiah Nobel dalam Fisika "untuk penelitian mereka tentang semikonduktor dan penemuan mereka tentang efek transistor". Menariknya, John Bardeen segera dianugerahi Hadiah Nobel untuk kedua kalinya atas kreasi teori superkonduktivitasnya.

Tabung vakum kemudian digantikan oleh transistor di sebagian besar perangkat elektronik, merevolusi desain sirkuit terpadu dan komputer.

Bell membutuhkan nama perangkat. Nama "semikonduktor triode" (semiconductor triode), "Solid Triode", "Surface States Triode", "crystal triode" (crystal triode) dan "Iotatron" diusulkan, tetapi kata "transistor" (transistor), diusulkan oleh John Pearce (John R. Pierce), memenangkan suara internal.

Awalnya, nama "transistor" mengacu pada resistor yang dikendalikan tegangan. Memang, transistor dapat dianggap sebagai semacam resistansi yang diatur oleh tegangan pada satu elektroda (dalam transistor efek medan - tegangan antara gerbang dan sumber, dalam transistor bipolar - tegangan antara basis dan emitor).

klasifikasi transistor

transistor bipolar- perangkat semikonduktor tiga elektroda, salah satu jenis transistor. Elektroda dihubungkan ke tiga lapisan semikonduktor yang berurutan dengan jenis konduksi pengotor bergantian. Menurut metode pergantian ini, transistor npn dan pnp dibedakan (n (negatif) - jenis elektronik konduktivitas pengotor, p (positif) - lubang). Dalam transistor bipolar, tidak seperti varietas lain, pembawa utama adalah elektron dan lubang (dari kata "bi" - "dua").

Elektroda yang terhubung ke lapisan tengah disebut basis, elektroda yang terhubung ke lapisan luar disebut kolektor dan emitor. Dalam rangkaian paling sederhana, perbedaan antara kolektor dan emitor tidak terlihat. Pada kenyataannya, perbedaan utama antara kolektor adalah area persimpangan p-n yang lebih besar. Selain itu, ketebalan dasar yang kecil mutlak diperlukan untuk pengoperasian transistor.

Transistor titik bipolar ditemukan pada tahun 1947, selama tahun-tahun berikutnya ia telah memantapkan dirinya sebagai elemen utama untuk pembuatan sirkuit terpadu menggunakan logika transistor-transistor, resistor-transistor dan dioda-transistor.

Transistor pertama dibuat berdasarkan germanium. Saat ini, mereka dibuat terutama dari silikon dan galium arsenida. Transistor terbaru digunakan dalam rangkaian penguat frekuensi tinggi. Transistor bipolar terdiri dari tiga zona semikonduktor yang didoping berbeda: emitor E, basis B dan kolektor C. Tergantung pada jenis konduktivitas zona ini, NPN (emitor - n-semikonduktor, basis - p-semikonduktor, kolektor - n-semikonduktor) dan PNP dibedakan.transistor. Kontak konduktif terhubung ke masing-masing zona. Basis terletak di antara emitor dan kolektor dan terbuat dari semikonduktor yang didoping ringan dengan resistansi tinggi. Area kontak basis-emitor total jauh lebih kecil daripada area kontak kolektor-basis, oleh karena itu, transistor bipolar umum adalah perangkat asimetris (tidak mungkin untuk menukar emitor dan kolektor dengan mengubah polaritas koneksi dan, sebagai hasilnya , dapatkan transistor bipolar yang benar-benar mirip dengan yang asli).

Dalam mode operasi aktif, transistor dihidupkan sehingga persimpangan emitornya bias maju (terbuka), dan persimpangan kolektor bias mundur. Untuk kepastian, pertimbangkan transistor npn, semua argumen diulang dengan cara yang persis sama untuk kasus transistor pnp, dengan kata "elektron" diganti dengan "lubang", dan sebaliknya, serta mengganti semua tegangan dengan tanda yang berlawanan . Dalam transistor npn, elektron, pembawa arus utama di emitor, melewati persimpangan basis emitor terbuka (disuntikkan) ke daerah basis. Beberapa elektron ini bergabung kembali dengan pembawa muatan mayoritas di dasar (lubang), beberapa berdifusi kembali ke emitor. Akan tetapi, karena basa dibuat sangat tipis dan didoping relatif ringan, sebagian besar elektron yang diinjeksikan dari emitor berdifusi ke daerah kolektor. Medan listrik yang kuat dari sambungan kolektor bias mundur menangkap elektron (ingat bahwa mereka adalah pembawa minoritas di basis, sehingga persimpangan terbuka untuk mereka) dan membawa mereka ke kolektor. Arus kolektor dengan demikian praktis sama dengan arus emitor, kecuali untuk kerugian rekombinasi kecil di basis, yang membentuk arus basis (Ie = Ib + Ik). Koefisien yang menghubungkan arus emitor dan arus kolektor (Ik = Ie) disebut koefisien transfer arus emitor. Nilai numerik dari koefisien 0,9 - 0,999. Semakin tinggi koefisien, semakin efisien transistor mentransfer arus. Koefisien ini sedikit bergantung pada tegangan kolektor-basis dan basis-emitor. Oleh karena itu, dalam berbagai tegangan operasi, arus kolektor sebanding dengan arus basis, koefisien proporsionalitasnya sama dengan = / (1 ) = (10..1000). Jadi, dengan mengubah arus basis rendah, arus kolektor yang jauh lebih tinggi dapat dikontrol. Tingkat elektron dan lubang kira-kira sama.

Transistor efek medan- perangkat semikonduktor di mana arus berubah sebagai akibat dari aksi arus tegak lurus medan listrik yang dibuat oleh sinyal input.

Aliran arus operasi dalam transistor efek medan disebabkan oleh pembawa muatan hanya satu tanda (elektron atau lubang), oleh karena itu, perangkat semacam itu sering termasuk dalam kelas yang lebih luas dari perangkat elektronik unipolar (berlawanan dengan yang bipolar).

Sejarah penciptaan transistor efek medan

Ide transistor efek medan gerbang terisolasi diusulkan oleh Lilienfeld pada tahun 1926-1928. Namun, kesulitan objektif dalam implementasi desain ini memungkinkan untuk membuat perangkat kerja pertama dari jenis ini hanya pada tahun 1960. Pada tahun 1953, Dakey dan Ross mengusulkan dan mengimplementasikan desain transistor efek medan lainnya - dengan kontrol p-n junction. Akhirnya, desain FET ketiga, FET penghalang Schottky, diusulkan dan diimplementasikan oleh Mead pada tahun 1966.

Sirkuit switching FET

Transistor efek medan dapat dihidupkan sesuai dengan salah satu dari tiga skema utama: dengan sumber umum (OI), saluran pembuangan umum (OS) dan gerbang umum (OZ).

Dalam prakteknya, rangkaian yang paling umum digunakan dengan OI, mirip dengan rangkaian pada transistor bipolar dengan OE. Kaskade sumber umum memberikan arus dan penguatan daya yang sangat besar. Rangkaian dengan OZ mirip dengan rangkaian dengan OB. Itu tidak memberikan amplifikasi arus, dan oleh karena itu penguatan daya di dalamnya berkali-kali lebih kecil daripada di sirkuit OI. Kaskade OZ memiliki impedansi input yang rendah, dan oleh karena itu aplikasi praktisnya terbatas.

Klasifikasi transistor efek medan

Menurut struktur fisik dan mekanisme operasi, transistor efek medan secara konvensional dibagi menjadi 2 kelompok. Yang pertama dibentuk oleh transistor dengan kontrol p-n junction atau persimpangan logam-semikonduktor (penghalang Schottky), yang kedua adalah transistor yang dikendalikan oleh elektroda terisolasi (gerbang), yang disebut. Transistor MIS (logam - dielektrik - semikonduktor).

Transistor dengan kontrol p-n junction

Transistor efek medan dengan sambungan p-n kontrol adalah transistor efek medan, gerbangnya diisolasi (yaitu, dipisahkan secara elektrik) dari saluran oleh sambungan p-n yang dibias mundur.

Transistor semacam itu memiliki dua kontak non-penyearah ke wilayah yang dilalui oleh arus terkontrol dari pembawa muatan utama, dan satu atau dua sambungan lubang-elektron kontrol dibiaskan dalam arah yang berlawanan (lihat Gambar 1). Ketika tegangan balik pada sambungan p-n berubah, ketebalannya berubah dan, akibatnya, ketebalan daerah yang dilalui arus terkontrol pembawa muatan utama. Area, ketebalan dan penampang yang dikendalikan oleh tegangan eksternal pada persimpangan p-n kontrol dan melalui mana arus terkontrol dari pembawa utama lewat, disebut saluran. Elektroda dari mana pembawa muatan utama memasuki saluran disebut sumber. Elektroda melalui mana pembawa muatan utama meninggalkan saluran disebut saluran pembuangan. Elektroda yang digunakan untuk mengatur penampang saluran disebut gerbang.

Konduktivitas listrik saluran dapat berupa tipe-n atau tipe-p. Oleh karena itu, menurut konduktivitas listrik saluran, transistor efek medan dengan saluran-n dan saluran-p dibedakan. Semua polaritas tegangan bias yang diterapkan pada elektroda transistor dengan saluran n dan p berlawanan.

Arus pembuangan, yaitu arus dari sumber daya eksternal yang relatif kuat di sirkuit beban, dikendalikan dengan mengubah tegangan balik di persimpangan p-n gerbang (atau pada dua persimpangan p-n pada saat yang sama). Karena kecilnya arus balik, daya yang diperlukan untuk mengontrol arus pembuangan dan dikonsumsi dari sumber sinyal di rangkaian gerbang ternyata dapat diabaikan. Oleh karena itu, transistor efek medan dapat memberikan penguatan osilasi elektromagnetik baik dalam daya maupun arus dan tegangan.

Jadi, transistor efek medan pada prinsipnya mirip dengan triode vakum. Sumber dalam transistor efek medan mirip dengan katoda dari trioda vakum, gerbangnya seperti kisi-kisi, dan saluran pembuangannya seperti anoda. Tetapi pada saat yang sama, transistor efek medan berbeda secara signifikan dari triode vakum. Pertama, pengoperasian transistor efek medan tidak memerlukan pemanasan katoda. Kedua, salah satu fungsi sumber dan saluran pembuangan dapat dilakukan oleh masing-masing elektroda ini. Ketiga, FET dapat dibuat dengan saluran-n dan saluran-p, yang memungkinkan untuk berhasil menggabungkan kedua jenis FET ini dalam rangkaian.

Transistor efek medan berbeda dari transistor bipolar, pertama, berdasarkan prinsip operasi: dalam transistor bipolar, sinyal output dikendalikan oleh arus input, dan dalam transistor efek medan, oleh tegangan input atau medan listrik. Kedua, transistor efek medan memiliki resistansi input yang jauh lebih tinggi, yang disebabkan oleh bias terbalik dari sambungan gerbang p-n pada jenis transistor efek medan yang dipertimbangkan. Ketiga, transistor efek medan dapat memiliki tingkat kebisingan yang rendah (terutama pada frekuensi rendah), karena transistor efek medan tidak menggunakan fenomena injeksi pembawa muatan minoritas dan saluran transistor efek medan dapat dipisahkan dari permukaan semikonduktor. kristal. Proses rekombinasi pembawa di persimpangan p-n dan di dasar transistor bipolar, serta proses rekombinasi generasi pada permukaan kristal semikonduktor, disertai dengan munculnya noise frekuensi rendah.

Transistor gerbang terisolasi (transistor MIS)

Transistor efek medan gerbang terisolasi adalah transistor efek medan yang gerbangnya dipisahkan secara elektrik dari saluran oleh lapisan dielektrik.

Dalam kristal semikonduktor dengan resistivitas yang relatif tinggi, yang disebut substrat, dua daerah yang didoping berat dibuat dengan jenis konduktivitas yang berlawanan dengan substrat. Area ini ditutupi dengan elektroda logam - sumber dan tiriskan. Jarak antara daerah sumber dan saluran pembuangan yang banyak diolah bisa kurang dari satu mikron. Permukaan kristal semikonduktor antara sumber dan saluran ditutupi dengan lapisan tipis (dengan orde 0,1 m) dielektrik. Karena semikonduktor awal untuk transistor efek medan biasanya silikon, lapisan silikon dioksida SiO2, yang tumbuh di permukaan kristal silikon dengan oksidasi suhu tinggi, digunakan sebagai dielektrik. Elektroda logam - gerbang - diendapkan pada lapisan dielektrik. Ternyata struktur yang terdiri dari logam, dielektrik dan semikonduktor. Oleh karena itu, transistor efek medan gerbang terisolasi sering disebut transistor MIS.

Resistansi input transistor MIS dapat mencapai 1010 ... 1014 ohm (untuk transistor efek medan dengan kontrol p-n junction 107 ... 109), yang merupakan keuntungan saat membangun perangkat presisi tinggi.

Ada dua jenis transistor MOS: dengan saluran induksi dan dengan saluran tertanam.

Dalam transistor MIS dengan saluran yang diinduksi, tidak ada saluran penghantar antara daerah sumber dan saluran yang banyak dikotori, dan, oleh karena itu, arus saluran yang terlihat hanya muncul pada polaritas tertentu dan pada nilai tertentu dari tegangan gerbang relatif terhadap sumber, yang disebut tegangan ambang (UZIthor).

Dalam transistor MIS dengan saluran bawaan, di dekat permukaan semikonduktor di bawah gerbang pada tegangan gerbang nol relatif terhadap sumbernya, ada lapisan terbalik - saluran yang menghubungkan sumber ke saluran pembuangan.

Oleh karena itu, daerah yang didoping berat di bawah sumber dan saluran pembuangan, serta saluran yang diinduksi dan terpasang, memiliki konduktivitas listrik tipe-p. Jika transistor serupa dibuat pada substrat dengan konduktivitas listrik tipe-p, maka salurannya akan memiliki konduktivitas listrik tipe-n.

Transistor MIS dengan saluran yang diinduksi

Ketika tegangan gerbang relatif terhadap sumber sama dengan nol, dan dengan adanya tegangan pada saluran pembuangan, arus saluran dapat diabaikan. Ini mewakili arus balik p-n junction antara substrat dan daerah drainase yang didoping berat. Pada potensial negatif di gerbang (untuk struktur yang ditunjukkan pada Gambar. 2, a), sebagai akibat dari penetrasi medan listrik melalui lapisan dielektrik ke dalam semikonduktor pada tegangan rendah di gerbang (U3 dan pori-pori lebih kecil), efek medan yang dikuras oleh pembawa utama dan daerah muncul di dekat permukaan semikonduktor di bawah muatan ruang gerbang, terdiri dari atom pengotor terionisasi yang tidak terkompensasi. Pada tegangan gerbang lebih besar dari U3 dan kemudian, lapisan terbalik muncul di dekat permukaan semikonduktor di bawah gerbang, yang merupakan saluran yang menghubungkan sumber ke saluran pembuangan. Ketebalan dan penampang saluran akan berubah dengan perubahan tegangan gerbang, dan arus pembuangan akan berubah sesuai, yaitu, arus dalam rangkaian beban dan sumber daya yang relatif kuat. Ini adalah bagaimana arus drain dikontrol dalam transistor efek medan gerbang terisolasi dengan saluran induksi.

Karena kenyataan bahwa gerbang dipisahkan dari substrat oleh lapisan dielektrik, arus di sirkuit gerbang dapat diabaikan, dan daya yang dikonsumsi dari sumber sinyal di sirkuit gerbang dan diperlukan untuk mengontrol arus pembuangan yang relatif besar juga kecil. . Dengan demikian, transistor MIS dengan saluran yang diinduksi dapat memperkuat osilasi elektromagnetik dalam tegangan dan daya.

Prinsip penguatan daya dalam transistor MOS dapat dipertimbangkan dari sudut pandang transfer energi medan listrik konstan (energi sumber daya dalam rangkaian keluaran) ke medan listrik bolak-balik oleh pembawa muatan. Dalam transistor MOS, sebelum saluran muncul, hampir semua tegangan catu daya di sirkuit pembuangan jatuh pada semikonduktor antara sumber dan saluran, menciptakan komponen konstan yang relatif besar dari kekuatan medan listrik. Di bawah aksi tegangan di gerbang, sebuah saluran muncul di semikonduktor di bawah gerbang, di mana pembawa muatan - lubang - bergerak dari sumber ke saluran pembuangan. Lubang, bergerak ke arah komponen konstan medan listrik, dipercepat oleh medan ini dan energinya meningkat karena energi sumber daya di sirkuit pembuangan. Bersamaan dengan munculnya saluran dan munculnya pembawa muatan seluler di dalamnya, tegangan saluran berkurang, yaitu, nilai sesaat dari komponen variabel medan listrik dalam saluran diarahkan berlawanan dengan komponen konstan. Oleh karena itu, lubang diperlambat oleh medan listrik bolak-balik, memberikannya sebagian dari energinya.

Struktur MIS untuk tujuan khusus

Dalam struktur jenis logam-nitrida-oksida-semikonduktor (MNOS), dielektrik di bawah gerbang terbuat dari dua lapisan: lapisan SiO2 oksida dan lapisan tebal Si3N4 nitrida. Perangkap elektron terbentuk di antara lapisan, yang, ketika tegangan positif (28..30 V) diterapkan ke gerbang struktur MNOS, menangkap elektron yang menembus lapisan tipis SiO2. Ion bermuatan negatif yang terbentuk meningkatkan tegangan ambang, dan muatannya dapat disimpan hingga beberapa tahun tanpa adanya daya, karena lapisan SiO2 mencegah kebocoran muatan. Ketika tegangan negatif besar (28…30 V) diterapkan ke gerbang, akumulasi muatan diserap, yang secara signifikan mengurangi tegangan ambang.

Struktur gerbang terapung metal-oksida-semikonduktor (MOS) dengan injeksi avalanche (LISMOS) memiliki gerbang yang terbuat dari silikon polikristalin yang diisolasi dari bagian lain dari struktur. Kerusakan longsoran p-n junction dari substrat dan saluran atau sumber, di mana tegangan tinggi diterapkan, memungkinkan elektron menembus lapisan oksida ke gerbang, akibatnya muatan negatif muncul di atasnya. Sifat isolasi dielektrik memungkinkan untuk mempertahankan muatan ini selama beberapa dekade. Penghapusan muatan listrik dari gerbang dilakukan dengan menggunakan iradiasi ultraviolet pengion dengan lampu kuarsa, sedangkan arus foto memungkinkan elektron untuk bergabung kembali dengan lubang.

Selanjutnya, struktur transistor efek medan penyimpanan dengan gerbang ganda dikembangkan. Gerbang yang dibangun ke dalam dielektrik digunakan untuk menyimpan muatan yang menentukan keadaan perangkat, dan gerbang eksternal (biasa), dikendalikan oleh pulsa bipolar, digunakan untuk menambah atau menghapus muatan pada gerbang (internal) built-in. Beginilah cara sel muncul, dan kemudian chip memori flash, yang telah mendapatkan popularitas besar akhir-akhir ini dan telah menjadi pesaing signifikan bagi hard drive di komputer.

Untuk menerapkan sirkuit terintegrasi yang sangat besar (VLSI), mikrotransistor efek medan ultraminiatur telah dibuat. Mereka dibuat menggunakan nanoteknologi dengan resolusi geometris kurang dari 100 nm. Dalam perangkat semacam itu, ketebalan dielektrik gerbang mencapai beberapa lapisan atom. Berbagai, termasuk struktur tiga gerbang yang digunakan. Perangkat beroperasi dalam mode daya mikro. Dalam mikroprosesor Intel modern, jumlah perangkat berkisar dari puluhan juta hingga 2 miliar. FET terbaru adalah silikon tegang, memiliki gerbang logam, dan menggunakan bahan dielektrik gerbang baru yang dipatenkan berdasarkan senyawa hafnium.

Dalam seperempat abad terakhir, transistor efek medan yang kuat, terutama dari jenis MOS, telah berkembang pesat. Mereka terdiri dari banyak struktur atau struktur berdaya rendah dengan konfigurasi gerbang bercabang. Perangkat RF dan gelombang mikro semacam itu pertama kali dibuat di Uni Soviet oleh spesialis Institut Penelitian Ilmiah Pulsar V. V. Bachurin (perangkat silikon) dan V. Ya. Vaksemburg (perangkat gallium arsenide). Dyakonova V. P. (cabang Smolensk dari MPEI). Ini membuka bidang pengembangan transistor efek medan kunci (pulsa) yang kuat dengan struktur khusus, yang memiliki tegangan dan arus operasi tinggi (secara terpisah hingga 500-1000 V dan 50-100 A). Perangkat tersebut sering dikendalikan oleh tegangan rendah (hingga 5 V), memiliki resistansi on-state yang rendah (hingga 0,01 ) untuk perangkat arus tinggi, kecuraman tinggi, dan waktu switching yang singkat (beberapa hingga puluhan ns). Mereka tidak memiliki fenomena akumulasi pembawa dalam struktur dan fenomena kejenuhan yang melekat pada transistor bipolar. Karena itu, transistor efek medan daya tinggi berhasil menggantikan transistor bipolar daya tinggi di bidang elektronika daya rendah dan menengah.

Selama beberapa dekade terakhir, teknologi transistor elektron mobilitas tinggi (HEM) telah berkembang pesat di luar negeri, yang banyak digunakan dalam komunikasi gelombang mikro dan perangkat pengawasan radio. Sirkuit terpadu gelombang mikro hibrida dan monolitik sedang dibuat berdasarkan HPE. Inti dari operasi HDET adalah kontrol saluran menggunakan gas elektron dua dimensi, area yang dibuat di bawah kontak gerbang karena penggunaan heterojunction dan lapisan dielektrik yang sangat tipis - spacer.

Aplikasi transistor efek medan

Bagian penting dari transistor efek medan yang diproduksi saat ini adalah bagian dari struktur CMOS, yang dibangun dari transistor efek medan dengan saluran jenis konduktivitas (p- dan n-) yang berbeda dan banyak digunakan dalam integrasi digital dan analog. sirkuit.

Karena transistor efek medan dikendalikan oleh medan (tegangan yang diterapkan ke gerbang), dan bukan oleh arus yang mengalir melalui basis (seperti pada transistor bipolar), transistor efek medan mengkonsumsi lebih sedikit energi, yaitu sangat penting dalam sirkuit perangkat menunggu dan pelacakan, serta dalam skema konsumsi rendah dan hemat energi (implementasi mode tidur).

Contoh yang menonjol dari perangkat transistor efek medan adalah jam tangan kuarsa dan remote control TV. Karena penggunaan struktur CMOS, perangkat ini dapat beroperasi hingga beberapa tahun, karena praktis tidak mengkonsumsi energi.

Bidang aplikasi untuk transistor efek medan daya tinggi berkembang dengan kecepatan yang luar biasa. Penggunaannya dalam perangkat transmisi radio memungkinkan untuk memperoleh peningkatan kemurnian spektrum sinyal radio yang dipancarkan, mengurangi tingkat gangguan dan meningkatkan keandalan pemancar radio. Dalam elektronika daya, transistor efek medan daya tinggi berhasil menggantikan dan menggantikan transistor bipolar daya tinggi. Dalam konverter daya, mereka memungkinkan untuk meningkatkan frekuensi konversi sebesar 1-2 kali lipat dan secara drastis mengurangi dimensi dan berat konverter energi. Perangkat berdaya tinggi menggunakan transistor bipolar yang dioperasikan lapangan (IGBT) untuk menggantikan thyristor dengan sukses. Dalam amplifier daya frekuensi audio HiFi dan HiEnd dari kelas tertinggi, transistor efek medan yang kuat berhasil menggantikan tabung vakum yang kuat dengan distorsi non-linier dan dinamis yang rendah.

Selain bahan semikonduktor utama, yang biasanya digunakan dalam bentuk kristal tunggal, transistor dalam desainnya mengandung aditif paduan untuk bahan dasar, logam timbal, elemen isolasi, dan bagian tubuh (plastik atau keramik). Terkadang nama gabungan digunakan yang menggambarkan sebagian bahan dari varietas tertentu (misalnya, "silikon pada safir" atau "semikonduktor oksida-logam"). Namun, yang utama adalah transistor:

germanium

silikon

Gallium arsenida

Bahan transistor lainnya belum digunakan sampai saat ini. Saat ini, ada transistor berdasarkan, misalnya, semikonduktor transparan untuk digunakan dalam matriks tampilan. Bahan yang menjanjikan untuk transistor adalah polimer semikonduktor. Ada juga laporan terisolasi dari transistor nanotube karbon.

Transistor gabungan

Transistor dengan resistor built-in (Resistor dilengkapi transistor (RETs)) adalah transistor bipolar dengan resistor dibangun menjadi satu paket.

Transistor Darlington- kombinasi dua transistor bipolar, beroperasi sebagai transistor bipolar dengan penguatan arus tinggi.

pada transistor satu polaritas

pada transistor dengan polaritas yang berbeda

Dioda lambda adalah dua kutub, kombinasi dari dua transistor efek medan, yang, seperti dioda terowongan, memiliki area yang signifikan dengan resistansi negatif.

Transistor bipolar gerbang terisolasi adalah perangkat elektronik daya yang dirancang terutama untuk mengontrol penggerak listrik.

Dengan kekuatan

Menurut daya yang dihamburkan dalam bentuk panas, mereka membedakan:

transistor daya rendah hingga 100 mW

transistor daya sedang dari 0,1 hingga 1 W

transistor kuat (lebih dari 1 W).

Dengan eksekusi

transistor diskrit

lambung kapal

Untuk pemasangan gratis

Untuk pemasangan pada radiator

Untuk sistem penyolderan otomatis

tanpa bingkai

transistor dalam sirkuit terpadu.

Menurut bahan dan desain kasingnya

kaca logam

plastik

keramik

Tipe yang lain

Transistor elektron tunggal mengandung titik kuantum (yang disebut "pulau") antara dua persimpangan terowongan. Arus tunneling dikendalikan oleh tegangan gerbang yang digabungkan secara kapasitif.

biotransistor

Seleksi berdasarkan beberapa karakteristik

Transistor BISS (Terobosan dalam Sinyal Kecil, secara harfiah - "terobosan dalam sinyal kecil") adalah transistor bipolar dengan parameter sinyal kecil yang ditingkatkan. Peningkatan signifikan dalam parameter transistor BISS dicapai dengan mengubah desain zona emitor. Perkembangan pertama dari kelas perangkat ini juga disebut "perangkat arus mikro".

Transistor dengan resistor bawaan RET (Transistor yang dilengkapi resistor) adalah transistor bipolar dengan resistor yang terpasang dalam satu rumahan. RET adalah transistor tujuan umum dengan built-in satu atau dua resistor. Desain transistor ini mengurangi jumlah komponen eksternal dan meminimalkan area pemasangan yang diperlukan. Transistor RET digunakan untuk mengontrol sinyal input sirkuit mikro atau untuk mengalihkan beban yang lebih ringan pada LED.

Penggunaan heterojunction memungkinkan pembuatan transistor efek medan berkecepatan tinggi dan frekuensi tinggi, seperti HEMT.

Aplikasi transistor

Transistor digunakan sebagai elemen aktif (penguat) dalam tahap penguatan dan pensaklaran.

Relay dan thyristor memiliki penguatan daya yang lebih tinggi daripada transistor, tetapi hanya beroperasi dalam mode kunci (switching).