Sobre a contribuição dos cientistas soviéticos e russos para o desenvolvimento de transistores semicondutores

Abrindo o Intel Developer Forum (IDF) de outono em São Francisco (www.pcweek.ru/themes/detail.php?ID=102444), o vice-presidente sênior e gerente geral do Digital Enterprise Group da corporação, Patrick Gelsinger, observou que 2007- Tornou-se um aniversário não só para a Intel (que comemorou o décimo aniversário do IDF), mas também para toda a indústria de semicondutores: como reconhecido pela comunidade internacional, há 60 anos, os americanos W. Shockley, W. Brattain e J. Bardeen inventaram o primeiro transistor. Enquanto isso, os cientistas e engenheiros russos têm motivos de orgulho nesta área.

Não é fácil dizer quando e onde exatamente começou o “caminho para o transistor”. A sua criação específica foi precedida por um longo e intenso período de investigação na área da electrónica, experiências científicas e desenvolvimento em vários países. É claro que a URSS não foi exceção. Os trabalhos do físico AG Stoletov na área do efeito fotoelétrico e de AS Popov na criação de dispositivos transmissores de rádio no final do século XIX podem ser considerados o início do desenvolvimento nacional nessa direção. O desenvolvimento da eletrônica nos tempos soviéticos foi estimulado pelo rápido progresso da tecnologia de rádio nos anos 20, um papel significativo no qual foi desempenhado pelo desenvolvimento de tubos de rádio superpoderosos (para a época), gatilhos de tubo e outros elementos realizados por MA Bonch-Bruevich. Um dos fatores que determinaram o rápido desenvolvimento desta área foi a ascensão geral da ciência e da educação no país.

Os historiadores da ciência sabem que o nível de investigação e desenvolvimento soviético em toda a gama de questões electrónicas excedeu frequentemente o nível mundial e nunca caiu abaixo dele. Isto deveu-se à natureza “explosiva” do progresso científico na URSS e ao facto de o desenvolvimento da ciência em muitos países ocidentais ter sido afectado de forma muito negativa pelo período da depressão do pós-guerra (1914-1918) e, mais tarde, pela grave crise econômica de 1929-1934.

Um dos primeiros problemas que interessou aos experimentadores foi a condutividade unidirecional no ponto de contato entre uma mola metálica e cristais semicondutores: era preciso entender as razões desse fenômeno.

O engenheiro radiofísico soviético O. V. Losev, que fez experiências em 1922 com equipamentos de baixa corrente (operando em tensões de até 4 V), descobriu o fenômeno da ocorrência de oscilações eletromagnéticas e o efeito de sua amplificação em um detector de cristal semicondutor. Ele descobriu uma seção descendente da característica corrente-tensão do cristal e foi o primeiro a construir um detector gerador, ou seja, um receptor detector capaz de amplificar as oscilações eletromagnéticas. Losev baseou seu dispositivo em um par de contato composto por uma ponta de metal e um cristal de zincita (óxido de zinco), ao qual foi aplicada uma pequena voltagem. O dispositivo de Losev entrou para a história da eletrônica de semicondutores como “cristadina”. Vale ressaltar que a continuidade das pesquisas nesse sentido levou à criação, em 1958, dos diodos túnel, que encontraram aplicação na tecnologia da informática na década de 60 do século XX. Losev foi o primeiro a descobrir um novo fenômeno - o brilho dos cristais de carborundo quando a corrente passa por um contato pontual. O cientista explicou esse fenômeno pela existência de uma certa “camada ativa” no contato detector (mais tarde chamada de junção p-n, de p - positivo, n - negativo).

Em 1926, o físico soviético Ya. I. Frenkel apresentou uma hipótese sobre defeitos na estrutura cristalina dos semicondutores, chamados de “espaços vazios”, ou, mais comumente, “buracos”, que poderiam se mover ao redor do cristal. Na década de 1930, o acadêmico A.F. Ioffe iniciou experimentos com semicondutores no Instituto de Engenharia Física de Leningrado.

Em 1938, o acadêmico ucraniano BI Davydov e seus colaboradores propuseram uma teoria de difusão de retificação de corrente alternada usando detectores de cristal, segundo a qual ocorre na fronteira entre duas camadas de condutores com p- E n- condutividade. Esta teoria foi posteriormente confirmada e desenvolvida na pesquisa de V. E. Lashkarev, conduzida em Kiev em 1939-1941. Ele descobriu que em ambos os lados da “camada de barreira” localizada paralelamente à interface cobre-óxido de cobre, existem portadores de corrente de sinais opostos (o fenômeno da junção pn), e também que a introdução de impurezas em semicondutores aumenta acentuadamente sua capacidade de conduzir corrente elétrica. Lashkarev também descobriu o mecanismo de injeção (transferência de portadores de corrente) - fenômeno que forma a base do funcionamento de diodos e transistores semicondutores.

Seu trabalho foi interrompido pela eclosão da guerra, mas depois que ela terminou, Lashkarev retornou a Kiev e retomou suas pesquisas em 1946. Ele logo descobriu a difusão bipolar de portadores de corrente fora do equilíbrio em semicondutores e, no início da década de 1950, produziu os primeiros transistores ponto-ponto em laboratório. O facto de os resultados da sua operação experimental terem sido encorajadores é confirmado pelo curioso episódio que se segue.

O pioneiro da tecnologia de computação soviética, o acadêmico S. A. Lebedev, que criou o primeiro computador soviético MESM em Kiev (1949-1951) e fundou uma escola científica lá, veio a Kiev no dia de seu 50º aniversário (2 de novembro de 1952). Lá ele ouviu falar dos transistores de Lashkarev e, ignorando as celebrações preparadas em sua homenagem (e Lebedev geralmente não gostava de nenhum funcionalismo, considerando com razão uma perda de tempo), foi direto para o laboratório do Instituto de Física da Academia de Ciências de a RSS ucraniana. Tendo conhecido Lashkarev e seus desenvolvimentos, Lebedev convidou o estudante de pós-graduação A. Kondalev, que o acompanhou, para começar a projetar uma série de dispositivos de computador baseados em novos transistores e diodos, o que ele fez após um estágio de três meses com Lashkarev. (O autor foi informado sobre este caso por outro estudante de pós-graduação de Lebedev - agora Acadêmico da Ucrânia B. N. Malinovsky, que também esteve presente na reunião e posteriormente se envolveu no trabalho mencionado.) É verdade, informações sobre qualquer desenvolvimento industrial deste projeto - pelo menos no campo civil - estão ausentes, mas isso é compreensível: a produção em massa de transistores ainda não existia naquela época.

O uso generalizado de transistores em todo o mundo começou mais tarde. No entanto, os méritos científicos de Lashkarev foram apreciados: ele chefiou o novo Instituto de Semicondutores da Academia de Ciências da Ucrânia, inaugurado em 1960.

A teoria da junção pn proposta por Davydov foi posteriormente desenvolvida por W. Shockley nos EUA. Em 1947, W. Brattain e J. Bardeen, trabalhando sob a direção de Shockley, descobriram o efeito transistor em detectores baseados em cristais de germânio. (É curioso que seus experimentos fossem semelhantes aos experimentos pré-guerra do engenheiro elétrico alemão R. W. Pohl, que em 1937, junto com R. Hilsch, criou um amplificador baseado em um único cristal de brometo de gálio.) Em 1948, o os resultados da pesquisa de Shockley foram publicados e os primeiros transistores de germânio foram fabricados com contato pontual. Claro, eles estavam muito longe de serem perfeitos. Além disso, seu projeto ainda apresentava as características de uma instalação de laboratório (o que, no entanto, é típico do período inicial de utilização de qualquer invenção desse tipo). As características dos primeiros transistores eram instáveis ​​​​e imprevisíveis e, portanto, seu real uso prático começou a partir de 1951, quando Shockley criou um transistor mais confiável - o planar, composto por três camadas de germânio n-p-n com espessura total de 1 cm. Para descobertas no campo dos semicondutores e a invenção do transistor Shockley, Bardeen e Brattain compartilharam o Prêmio Nobel de Física de 1956 (curiosamente, Bardeen é o único físico a receber o Prêmio Nobel duas vezes, a segunda vez em 1972 por seu desenvolvimento da teoria da supercondutividade).

Na URSS, o trabalho com transistores foi realizado quase no mesmo ritmo que no exterior. Paralelamente ao laboratório de Lashkarev em Kiev, o grupo de pesquisa do engenheiro moscovita A.V. Krasilov criou diodos de germânio para estações de radar em 1948. Em fevereiro de 1949, Krasilov e seu assistente S.G. Madoyan (na época estudante do Instituto de Tecnologia Química de Moscou, fazendo sua tese sobre o tema “Transistor de Ponto”) observaram pela primeira vez o efeito do transistor. É verdade que a primeira amostra de laboratório não funcionou por mais de uma hora e depois exigiu novas configurações. Ao mesmo tempo, Krasilov e Madoyan publicaram o primeiro artigo sobre transistores na União Soviética, chamado “Triodo Cristalino”.

Na mesma época, transistores ponto-ponto foram desenvolvidos em outros laboratórios do país. Assim, em 1950, amostras experimentais de transistores de germânio foram criadas no Instituto de Física da Academia de Ciências (B. M. Vul, A. V. Rzhanov, V. S. Vavilov, etc.) e no Instituto de Física e Tecnologia de Leningrado (V. M. Tuchkevich, D. N. Nasledov).

Em 1953, foi organizado o primeiro instituto de semicondutores da URSS (hoje Instituto de Pesquisa Pulsar). O laboratório de Krasilov foi transferido para lá, onde Madoyan desenvolveu os primeiros transistores de liga de germânio. Seu desenvolvimento está associado à expansão do limite de frequência e ao aumento da eficiência do transistor. O trabalho correspondente foi realizado em conjunto com o laboratório do Professor S. G. Kalashnikov em TsNII-108 (hoje GosTSNIRTI): iniciou-se um novo período, caracterizado pela cooperação de diversas organizações especializadas na área de semicondutores. No final da década de 1940, descobertas idênticas eram muitas vezes feitas de forma independente umas das outras, e os seus autores não tinham informações sobre as realizações dos seus colegas. A razão desse “paralelismo científico” era o sigilo das pesquisas na área de eletrônica, que era de importância para a defesa. Quadro semelhante foi observado durante a criação dos primeiros computadores eletrônicos - futuros consumidores de transistores. Por exemplo, S. A. Lebedev, começando a trabalhar em seu primeiro computador em Kiev, não suspeitou que, ao mesmo tempo, em Moscou, o acadêmico I. S. Bruk e seus assistentes também estavam trabalhando em um projeto para um computador eletrônico digital.

No entanto, o sigilo não era de forma alguma uma espécie de “característica soviética”: os desenvolvimentos da defesa são classificados em todo o mundo. A invenção do transistor também foi estritamente classificada por Bell (onde Shockley trabalhava na época), e a primeira reportagem sobre ele apareceu impressa apenas em 1º de julho de 1948: em um pequeno artigo no The New York Times, que sem detalhes desnecessários relatou a criação da divisão de dispositivos eletrônicos de estado sólido da Bell Telephone Laboratories que substituiu o tubo de vácuo.

Com a formação de uma rede de organizações de pesquisa especiais, o desenvolvimento de transistores acelerou constantemente. No início da década de 1950, no NII-160, F. A. Shchigol e N. N. Spiro produziam diariamente dezenas de transistores ponto-ponto do tipo C1-C4, e M. M. Samokhvalov desenvolveu novas soluções no NII-35 usando tecnologia de grupo, tecnologia de “fusão” - difusão” para obter uma base fina de transistores de RF. Em 1953, com base em estudos das propriedades termoelétricas de semicondutores, A.F. Ioffe criou uma série de geradores termoelétricos, e os transistores planares P1, P2, P3 foram fabricados no NII-35. Logo, no laboratório de S. G. Kalashnikov, um transistor de germânio foi obtido para frequências de 1,0 - 1,5 MHz, e F. A. Shchigol projetou transistores de liga de silício do tipo P501-P503.

Em 1957, a indústria soviética produziu 2,7 milhões de transistores. O início da criação e desenvolvimento da tecnologia espacial e de foguetes, e depois dos computadores, bem como as necessidades da fabricação de instrumentos e de outros setores da economia, foram plenamente atendidas pelos transistores e outros componentes eletrônicos produzidos internamente.

O transistor é o pré-requisito para toda a microeletrônica moderna. Se um telefone celular comum usasse tubos de raios catódicos em vez de transistores, o dispositivo seria do tamanho da Catedral de Colônia.

Resistor de transferência

Na véspera da véspera de Natal de 1947, os funcionários da Bell Telephone Laboratories, William Shockley, Walter Brattain e John Bardeen, demonstraram à sua empresa o primeiro transistor baseado no material semicondutor germânio. Na mesma época, os cientistas alemães Herbert Franz Mathare e Heinrich Welker desenvolveram o chamado “transistor francês” e receberam uma patente para ele em 1848. No mesmo ano, Robert Denk projetou o primeiro rádio transistorizado usando um eletrodo revestido de óxido. Denk não patenteou sua invenção e até destruiu a única cópia do receptor para evitar abusos.

Silício garantiu a vitória

No entanto, os cientistas ainda tiveram que trabalhar duro para selecionar o material até que as peças semicondutoras pudessem atender aos requisitos técnicos. Desde 1955, a produção em massa de transistores de silício começou, substituindo rapidamente os tubos de vácuo de uma ampla variedade de dispositivos. A vantagem dos transistores é que eles são muito menores e não esquentam tanto. Agora é possível construir computadores que não ocupem uma sala inteira. Apareceu na década de 1960. os circuitos integrados exigiram o desenvolvimento de transistores cada vez mais em miniatura, de modo que, com o tempo, eles encolheram mil vezes e se tornaram mais finos que um fio de cabelo.

• 1925: Julius Edgar Lilienfeld criou a base teórica para os transistores, mas não conseguiu torná-los realidade.
• 1934: Oscar Hale inventou o transistor de efeito de campo.
• 1953: Primeiros transistores em aparelhos auditivos.
• 1971: Primeiro microprocessador – Intel 4004.

A invenção do transistor, que se tornou a conquista mais importante do século XX, está associada aos nomes de muitos cientistas notáveis. Aqueles que criaram e desenvolveram eletrônicos semicondutores serão discutidos neste artigo.

Há exatos 50 anos, os americanos John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley (Fig. 1) receberam o Prêmio Nobel de Física “pelas pesquisas na área de semicondutores e pela descoberta do transistor”. No entanto, uma análise da história da ciência mostra claramente que a descoberta do transistor não é apenas um sucesso merecido de Bardeen, Brattain e Shockley.

Arroz. 1. Laureados com o Prêmio Nobel de Física em 1956

Primeiras experiências

O nascimento da eletrônica de estado sólido pode ser datado de 1833. Foi então que Michael Faraday (Fig. 2), fazendo experiências com sulfeto de prata, descobriu que a condutividade dessa substância (e era, como agora a chamamos, um semicondutor) aumenta com o aumento da temperatura, em contraste com a condutividade dos metais , que neste caso diminui. Por que isso está acontecendo? Com o que isso está relacionado? Faraday não conseguiu responder a essas perguntas.

O próximo marco no desenvolvimento da eletrônica de estado sólido ocorreu em 1874. O físico alemão Ferdinand Braun (Fig. 3), futuro ganhador do Nobel (em 1909 receberá o prêmio “Por sua notável contribuição para a criação da telegrafia sem fio”), publica um artigo na revista Analen der Physik und Chemie, no qual , usando o exemplo de “metais de enxofre naturais e artificiais” descreve a propriedade mais importante dos semicondutores - eles conduzem corrente elétrica em apenas uma direção. A propriedade retificadora do contato semicondutor-metal contradiz a lei de Ohm. Brown (Fig. 4) tenta explicar o fenômeno observado e conduz pesquisas adicionais, mas sem sucesso. O fenômeno existe, mas não há explicação. Por esta razão, os contemporâneos de Brown não se interessaram por sua descoberta, e apenas cinco décadas depois as propriedades retificadoras dos semicondutores foram utilizadas em receptores detectores.

Arroz. 3. Fernando Brown

Arroz. 4. Ferdinand Braun em seu laboratório

O ano é 1906. O engenheiro americano Greenleaf Witter Picard (Fig. 5) recebe a patente de um detector de cristal (Fig. 6). Em seu pedido de patente, ele escreve: “O contato entre um condutor metálico fino e a superfície de certos materiais cristalinos (silício, galena, pirita, etc.) retifica e desmodula a corrente alternada de alta frequência gerada na antena ao receber ondas de rádio. ”

Arroz. 5. Folha Verde Picard

Arroz. 6. Diagrama esquemático do detector de cristal Picard

O fino condutor de metal usado para fazer contato com a superfície do cristal parecia muito com um bigode de gato.

O detector de cristal Picard ficou conhecido como “bigode de gato”.

Para “dar vida” ao detector Picard e fazê-lo funcionar de forma estável, foi necessário encontrar o ponto mais sensível da superfície do cristal. Isso não foi fácil de fazer. Muitos designs engenhosos de “bigodes de gato” estão surgindo (Fig. 7), tornando mais fácil encontrar o ponto cobiçado, mas o rápido surgimento de tubos eletrônicos na vanguarda da tecnologia de rádio envia o detector Picard para os bastidores por um longo tempo. .

Arroz. 7. Variante do design “bigode de gato”

No entanto, o “bigode de gato” é muito mais simples e menor que os diodos de vácuo, e também muito mais eficiente em altas frequências. E se substituirmos o triodo de vácuo, no qual se baseavam todos os rádios eletrônicos da época, (Fig. 8) por um semicondutor? É possível? No início do século XX, uma questão semelhante assombrava muitos cientistas.

Arroz. 8. Triodo de vácuo

Losev

Rússia soviética. 1918 Por ordem pessoal de Lenin, um laboratório de engenharia de rádio foi criado em Nizhny Novgorod (Fig. 9). O novo governo necessita urgentemente de comunicações “telegráficas sem fios”. Os melhores engenheiros de rádio da época estiveram envolvidos no trabalho de laboratório - M. A. Bonch-Bruevich, V. P. Vologdin, V. K. Lebedinsky, V. V. Tatarinov e muitos outros.

Arroz. 9. Laboratório de rádio de Nizhny Novgorod

Oleg Losev também vem para Nizhny Novgorod (Fig. 10).

Arroz. 10. Oleg Vladimirovich Losev

Depois de se formar na Escola Tver Real em 1920 e ingressar sem sucesso no Instituto de Comunicações de Moscou, Losev concordou com qualquer trabalho, desde que fosse aceito no laboratório. Ele é contratado como mensageiro. Os mensageiros não estão autorizados a permanecer no albergue.

Losev, de 17 anos, está pronto para morar no laboratório, no patamar em frente ao sótão, só para fazer o que ama.

Desde cedo ele foi apaixonado por radiocomunicações. Durante a Primeira Guerra Mundial, uma estação receptora de rádio foi construída em Tver. As suas tarefas eram receber mensagens dos aliados da Rússia na Entente e depois transmiti-las por telégrafo para Petrogrado. Losev visitava frequentemente a estação de rádio, conhecia muitos funcionários, ajudava-os e não conseguia imaginar sua vida futura sem equipamento de rádio. Em Nizhny Novgorod não tinha família nem vida normal, mas o principal era a oportunidade de comunicar com especialistas na área das radiocomunicações, de adoptar a sua experiência e conhecimentos. Depois de concluir o trabalho necessário no laboratório, ele foi autorizado a realizar experiências independentes.

Naquela época, praticamente não havia interesse em detectores de cristal. Ninguém no laboratório estava particularmente interessado neste tópico. A prioridade na pesquisa foi dada aos tubos de rádio. Losev realmente queria trabalhar de forma independente. A perspectiva de conseguir uma área limitada de trabalho “em lâmpadas” não o inspira em nada. Talvez seja por isso que ele escolheu um detector de cristal para suas pesquisas. Seu objetivo é melhorar o detector, torná-lo mais sensível e estável em operação. Ao iniciar os experimentos, Losev assumiu erroneamente que “devido ao fato de alguns contatos entre o metal e o cristal não obedecerem à lei de Ohm, é bastante provável que oscilações não amortecidas possam ocorrer em um circuito oscilatório conectado a tal contato”. Naquela época, já se sabia que para a autoexcitação, a não linearidade da característica corrente-tensão por si só não é suficiente; uma seção descendente deve estar presente. Qualquer especialista competente não esperaria amplificação do detector. Mas o estudante de ontem não sabe nada disso. Ele troca os cristais e o material das agulhas, registra cuidadosamente os resultados obtidos e um dia descobre os pontos ativos desejados nos cristais, que garantem a geração de sinais de alta frequência.

“Todo mundo sabe desde a infância que isso e aquilo é impossível, mas sempre há um ignorante que não sabe disso, e é ele quem faz a descoberta”, brincou Einstein.

Losev realizou seus primeiros estudos de cristais geradores usando o circuito mais simples mostrado na Fig. onze.

Arroz. 11. Esquema das primeiras experiências de Losev

Depois de testar um grande número de detectores de cristal, Losev descobriu que os cristais de zincita submetidos a tratamento especial geram melhor vibrações. Para obter materiais de alta qualidade, ele está desenvolvendo uma tecnologia de preparação de zincita por meio da fusão de cristais naturais em arco elétrico. Com um par de ponta zincita - carbono, ao aplicar uma tensão de 10 V, foi obtido um sinal de rádio com comprimento de onda de 68 M. Com a diminuição da geração, é implementado o modo de amplificação do detector.

Observe que o detector “gerador” foi demonstrado pela primeira vez em 1910 pelo físico inglês William Eccles (Fig. 12).

Figura 12. William Henry Iccles

Um novo fenômeno físico não atrai a atenção dos especialistas e fica esquecido por algum tempo. Eccles também explicou erroneamente o mecanismo de resistência “negativa” com base no fato de que a resistência de um semicondutor diminui com o aumento da temperatura devido aos efeitos térmicos que ocorrem na interface metal-semicondutor.

Em 1922, o primeiro artigo de Losev sobre um detector amplificador e gerador apareceu nas páginas da revista científica “Telegraphy and Telephony Without Wires”. Nele, ele descreve detalhadamente os resultados de seus experimentos, prestando especial atenção à presença obrigatória de uma seção descendente da característica corrente-tensão do contato.

Naqueles anos, Losev estava ativamente engajado na autoeducação. Seu supervisor imediato, Professor VK Lebedinsky, o auxilia no estudo da radiofísica. Lebedinsky entende que seu jovem funcionário fez uma verdadeira descoberta e também tenta explicar o efeito observado, mas em vão. A ciência fundamental da época ainda não conhecia a mecânica quântica. Losev, por sua vez, levanta a hipótese de que com uma grande corrente na zona de contato, uma certa descarga elétrica aparece como um arco voltaico, mas apenas sem aquecimento. Esta descarga curto-circuita a alta resistência do contato, permitindo a geração.

Somente trinta anos depois eles conseguiram entender o que realmente havia sido descoberto. Hoje diríamos que o dispositivo de Losev é um dispositivo de dois terminais com uma característica corrente-tensão em forma de N, ou um diodo túnel, pelo qual o físico japonês Leo Isaki recebeu o Prêmio Nobel em 1973 (Fig. 13).

Arroz. 13. Leo Isaki

A direção do laboratório de Nizhny Novgorod entendeu que não seria possível reproduzir o efeito em série. Depois de trabalhar um pouco, os detectores praticamente perderam as propriedades de amplificação e geração. Não havia dúvida de abandonar as lâmpadas. No entanto, o significado prático da descoberta de Losev foi enorme.

Na década de 1920, em todo o mundo, inclusive na União Soviética, o rádio amador tornou-se epidêmico. Os rádios amadores soviéticos usam os receptores detectores mais simples, montados de acordo com o esquema Shaposhnikov (Fig. 14).

Arroz. 14. Receptor detector Shaposhnikov

Para aumentar o volume e o alcance de recepção, são utilizadas antenas altas. Era difícil usar essas antenas nas cidades devido à interferência industrial. Em áreas abertas, onde praticamente não há interferências, nem sempre foi possível uma boa recepção dos sinais de rádio devido à má qualidade dos detectores. A introdução de um detector de resistência negativa com zincita no circuito da antena do receptor, ajustado em um modo próximo à autoexcitação, melhorou significativamente os sinais recebidos. Os rádios amadores conseguiram ouvir as estações mais distantes. A seletividade da recepção aumentou visivelmente. E isso sem o uso de tubos a vácuo!

As lâmpadas não eram baratas e exigiam uma fonte de energia especial, e o detector de Losev podia funcionar com baterias comuns de lanterna.

Como resultado, descobriu-se que receptores simples projetados por Shaposhnikov com geração de cristais oferecem a oportunidade de realizar recepção heteródina, que na época era a última palavra em tecnologia de recepção de rádio. Em artigos subsequentes, Losev descreve uma técnica para procurar rapidamente pontos ativos na superfície da zincita e substituir a ponta de carbono por uma de metal. Ele dá recomendações sobre como os cristais devem ser processados ​​e fornece vários diagramas práticos para automontagem de rádios (Fig. 15).

Arroz. 15. Diagrama esquemático de Christadin O. V. Losev

O dispositivo de Losev permite não apenas receber sinais a longas distâncias, mas também transmiti-los. Os rádios amadores em massa, baseados em geradores-detectores, produzem transmissores de rádio que mantêm comunicação em um raio de vários quilômetros. A brochura de Losev será publicada em breve (Fig. 16). Vende milhões de cópias. Radioamadores entusiasmados escreveram em várias revistas científicas populares que “com a ajuda de um detector de zincita em Tomsk, por exemplo, você pode ouvir Moscou, Nizhny e até estações estrangeiras”.

Arroz. 16. Folheto de Losev, edição de 1924

Losev recebeu patentes para todas as suas soluções técnicas, começando com o “Heterodyne Detector Receiver”, declarado em dezembro de 1923.

Os artigos de Losev são publicados em revistas como JETP, Relatórios da Academia de Ciências da URSS, Radio Revue, Philosophical Magazine, Physikalische Zeitschrift.

Losev está se tornando uma celebridade, mas ainda não completou vinte anos!

Por exemplo, o prefácio editorial do artigo de Losev “Oscillating Crystals” na revista americana The Wireless World and Radio Review de outubro de 1924 afirma: “O autor deste artigo, Sr. Oleg Losev da Rússia, em um período de tempo relativamente curto adquiriu fama mundial em conexão com sua descoberta de propriedades oscilatórias em alguns cristais.”

Outra revista americana, Radio News, publicou um artigo mais ou menos na mesma época intitulado “Invenção Sensacional”, que observava: “Não há necessidade de provar que esta é uma invenção revolucionária do rádio. Em breve estaremos falando de um circuito com três ou seis cristais, assim como estamos falando agora de um circuito com três ou seis válvulas amplificadoras. Levará vários anos para que o cristal gerador melhore o suficiente para ser melhor que um tubo de vácuo, mas prevemos que esse tempo chegará."

O autor deste artigo, Hugo Gernsbeck, chama o receptor de estado sólido de Losev de cristadina (cristal + oscilador local). Além disso, não apenas nomeia, mas também registra prudentemente o nome como marca (Fig. 17). A demanda por cristadinas é enorme.

Arroz. 17. Detector de cristal Losev. Fabricado pelos Laboratórios Radio News. EUA, 1924

É interessante que, quando técnicos de rádio alemães vão ao laboratório de Nizhny Novgorod para conhecer pessoalmente Losev, eles não conseguem acreditar no que veem. Eles ficam surpresos com o talento e a pouca idade do inventor. Em cartas do exterior, Losev era chamado nada menos que professor. Ninguém poderia imaginar que o professor ainda estava aprendendo o básico da ciência. No entanto, muito em breve Losev se tornará um brilhante físico experimental e mais uma vez fará o mundo falar sobre si mesmo.

No laboratório, ele é transferido do cargo de entregador para auxiliar de laboratório e recebe moradia. Em Nizhny Novgorod, Losev se casa (embora sem sucesso, como se descobriu mais tarde), organiza sua vida e continua a trabalhar com cristais.

Em 1928, por decisão do governo, os temas do laboratório de rádio de Nizhny Novgorod, juntamente com seus funcionários, foram transferidos para o Laboratório Central de Rádio de Leningrado, que, por sua vez, também estava em constante reorganização. No novo local, Losev continua trabalhando com semicondutores, mas logo o Laboratório Central de Rádio é transformado no Instituto de Recepção e Acústica de Radiodifusão. O novo instituto tem seu próprio programa de pesquisa, os temas de trabalho são reduzidos. O assistente de laboratório Losev consegue um emprego de meio período no Instituto de Física e Tecnologia de Leningrado (LPTI), onde tem a oportunidade de continuar pesquisas sobre novos efeitos físicos em semicondutores. No final da década de 1920, Losev teve a ideia de criar um análogo de estado sólido de um tubo de rádio a vácuo de três eletrodos.

Em 1929-1933, por sugestão de A.F. Ioffe, Losev conduziu pesquisas em um dispositivo semicondutor que replicava completamente o projeto de um transistor ponto-ponto. Como você sabe, o princípio de funcionamento deste dispositivo é controlar a corrente que flui entre dois eletrodos por meio de um eletrodo adicional. Losev realmente observou esse efeito, mas, infelizmente, o coeficiente geral desse controle não permitiu a obtenção da amplificação do sinal. Para tanto, Losev utilizou apenas um cristal de carborundum (SiC), e não um cristal de zincita (ZnO), que apresentava características significativamente melhores em um amplificador de cristal (Que estranho! Ele não deveria saber das propriedades deste cristal.) Até recentemente, acreditava-se que após saída forçada Do LPTI Losev não voltou à ideia de amplificadores semicondutores. No entanto, existe um documento bastante interessante escrito pelo próprio Losev. Está datado de 12 de julho de 1939 e atualmente se encontra no Museu Politécnico. Este documento, intitulado “Biografia de Oleg Vladimirovich Losev”, além de fatos interessantes sobre sua vida, também contém uma lista de resultados científicos. De particular interesse são as seguintes linhas: “Foi estabelecido que com semicondutores pode ser construído um sistema de três eletrodos, semelhante a um triodo, como um triodo, dando características de resistência negativa. Esses trabalhos estão sendo preparados por mim para publicação...”

Infelizmente, o destino dessas obras, que poderiam mudar completamente a compreensão da história da descoberta do transistor - a invenção mais revolucionária do século XX, ainda não foi estabelecido.

Ao falar sobre a notável contribuição de Oleg Vladimirovich Losev para o desenvolvimento da eletrônica moderna, é simplesmente impossível não mencionar a descoberta do diodo emissor de luz.

Ainda não entendemos a escala desta descoberta. Não passará muito tempo e em cada casa, em vez da lâmpada incandescente usual, serão acesos “geradores eletrônicos de luz”, como Losev chamava de LEDs.

Em 1923, enquanto fazia experiências com cristais, Losev notou o brilho dos cristais quando uma corrente elétrica passava por eles. Os detectores de carborundum brilharam especialmente. Na década de 1920, no Ocidente, o fenômeno da eletroluminescência já foi chamado de “luz de Losev” (Lossew Licht). Losev começou a estudar e explicar a eletroluminescência resultante. Ele foi o primeiro a apreciar as enormes perspectivas de tais fontes de luz, enfatizando especialmente seu alto brilho e velocidade. Losev tornou-se o proprietário da primeira patente para a invenção de um dispositivo relé de luz com fonte de luz eletroluminescente.

Na década de 70 do século XX, quando os LEDs começaram a ser amplamente utilizados, foi descoberto na revista Electronic World de 1907 um artigo do inglês Henry Round, no qual o autor, sendo funcionário do laboratório Marconi, relatava que viu um brilho no contato de um detector de carborundum quando aplicado a ele um campo elétrico externo. Nenhuma consideração foi dada para explicar a física desse fenômeno. Esta nota não teve impacto nas pesquisas posteriores na área de eletroluminescência, porém, o autor do artigo é hoje oficialmente considerado o descobridor do LED.

Losev descobriu independentemente o fenômeno da eletroluminescência e conduziu uma série de estudos usando o exemplo de um cristal de carborundo. Ele identificou dois fenômenos fisicamente diferentes que são observados em diferentes polaridades de tensão nos contatos. Seu mérito indiscutível é a descoberta do efeito da eletroluminescência pré-quebra, que ele chamou de “brilho número um”, e da eletroluminescência de injeção, “brilho número dois”. Hoje em dia, o efeito da luminescência pré-quebra é amplamente utilizado na criação de displays eletroluminescentes, e a eletroluminescência por injeção é a base dos LEDs e lasers semicondutores. Losev conseguiu fazer progressos significativos na compreensão da física desses fenômenos muito antes da criação da teoria das bandas dos semicondutores. Posteriormente, em 1936, o brilho número um foi redescoberto pelo físico francês Georges Destriot. Na literatura científica é conhecido como “efeito Destrio”, embora o próprio Destrio tenha dado prioridade na descoberta deste fenômeno a Oleg Losev. Provavelmente seria injusto contestar a prioridade de Round na descoberta do LED. E, no entanto, não devemos esquecer que Marconi e Popov são legitimamente considerados os inventores do rádio, embora todos saibam que Hertz foi o primeiro a observar as ondas de rádio. E há muitos exemplos desse tipo na história da ciência.

Em seu artigo Subhistória do Diodo Emissor de Luz, o famoso cientista americano na área de eletroluminescência, Egon Lobner, escreve sobre Losev: “Com sua pesquisa pioneira na área de LEDs e fotodetectores, ele contribuiu para o progresso futuro das comunicações ópticas. Sua pesquisa foi tão precisa e suas publicações tão claras que podemos facilmente imaginar o que estava acontecendo em seu laboratório naquela época. Suas escolhas intuitivas e habilidades experimentais são simplesmente incríveis.”

Hoje entendemos que sem a teoria quântica da estrutura dos semicondutores é impossível imaginar o desenvolvimento da eletrônica de estado sólido. Portanto, o talento de Losev é incrível. Desde o início, ele viu a natureza física unificada da cristadina e o fenômeno da luminescência por injeção e nisso estava significativamente à frente de seu tempo.

Depois dele, os estudos de detectores e eletroluminescência foram realizados separadamente, como direções independentes. A análise dos resultados mostra que durante quase vinte anos após o aparecimento do trabalho de Losev, nada de novo foi feito em termos de compreensão da física deste fenômeno. Somente em 1951, o físico americano Kurt Lehovec (Fig. 18) estabeleceu que a detecção e a eletroluminescência têm uma natureza comum associada ao comportamento dos portadores de corrente nas junções p-n.

Arroz. 18. Kurt Lechovec

Deve-se notar que em seu trabalho Lekhovets fornece principalmente referências ao trabalho de Losev sobre eletroluminescência.

Em 1930-31 Losev realizou uma série de experimentos de alto nível experimental com seções oblíquas estendendo a área em estudo e um sistema de eletrodos incluído em um circuito de medição de compensação para medir potenciais em diferentes pontos da seção transversal da estrutura em camadas. Ao mover um “bigode de gato” de metal através de uma seção fina, ele mostrou com precisão de mícron que a parte próxima à superfície do cristal tem uma estrutura complexa. Ele revelou uma camada ativa de aproximadamente dez mícrons de espessura, na qual foi observado o fenômeno da luminescência por injeção. Com base nos resultados dos experimentos, Losev assumiu que a razão para a condutividade unipolar é a diferença nas condições de movimento dos elétrons em ambos os lados da camada ativa (ou, como diríamos hoje, diferentes tipos de condutividade). Posteriormente, experimentando três ou mais sondas de eletrodos localizadas nessas áreas, ele realmente confirmou sua suposição. Esses estudos são outra conquista significativa de Losev como físico.

Em 1935, como resultado de outra reorganização do Broadcasting Institute e das difíceis relações com a administração, Losev ficou sem emprego. O assistente de laboratório Losev teve permissão para fazer descobertas, mas não se deleitou com a glória. E isso apesar de seu nome ser bem conhecido dos poderes constituídos. Numa carta datada de 16 de maio de 1930, o Acadêmico A.F. Ioffe escreve ao seu colega Paul Ehrenfest: “Cientificamente, tenho vários sucessos. Assim, Losev obteve um brilho no carborundo e em outros cristais sob a influência de elétrons de 2 a 6 volts. O limite de luminescência no espectro é limitado...”

Losev teve seu próprio local de trabalho no LFTI por muito tempo, mas não o levaram para o instituto, ele é uma pessoa muito independente. Todos os trabalhos foram realizados de forma independente – não há coautores em nenhum deles.

Com a ajuda de amigos, Losev consegue um emprego como assistente no departamento de física do First Medical Institute. Em seu novo local é muito mais difícil para ele realizar trabalhos científicos, pois não possui os equipamentos necessários. Mesmo assim, tendo como objetivo escolher um material para a fabricação de fotocélulas e fotorresistores, Losev continua estudando as propriedades fotoelétricas dos cristais. Ele estuda mais de 90 substâncias e destaca particularmente o silício com sua notável fotossensibilidade.

Naquela época, não existiam materiais puros suficientes para conseguir uma reprodução precisa dos resultados obtidos, mas Losev (mais uma vez!) entende de forma puramente intuitiva que este material pertence ao futuro. No início de 1941, ele começou a trabalhar em um novo tema - “Método de fotorresistência eletrolítica, fotossensibilidade de algumas ligas de silício”. Quando começou a Grande Guerra Patriótica, Losev não partiu para evacuação, querendo terminar o artigo em que apresentava os resultados de suas pesquisas sobre o silício. Aparentemente, ele conseguiu finalizar o trabalho, já que o artigo foi enviado aos editores do ZhETF. Naquela época, a redação já havia sido evacuada de Leningrado. Infelizmente, depois da guerra não foi possível encontrar vestígios deste artigo e agora só podemos adivinhar o seu conteúdo.

Em 22 de janeiro de 1942, Oleg Vladimirovich Losev morreu de fome na sitiada Leningrado. Ele tinha 38 anos.

Também em 1942, nos EUA, a Sylvania e a Western Electric iniciaram a produção industrial de diodos pontuais de silício (e um pouco mais tarde de germânio), que eram usados ​​​​como detectores misturadores em radares. A morte de Losev coincidiu com o nascimento das tecnologias de silício.

Trampolim militar

Em 1925, a American Telephone and Telegraph Corporation (AT&T) abriu o centro de pesquisa e desenvolvimento Bell Telephone Laboratories. Em 1936, o diretor do Bell Telephone Laboratories, Mervyn Kelly, decidiu formar um grupo de cientistas que conduziria uma série de estudos com o objetivo de substituir amplificadores valvulados por semicondutores. O grupo foi liderado por Joseph Becker, que recrutou o físico teórico William Shockley e o brilhante experimentalista Walter Brattain.

Depois de concluir seus estudos de doutorado no Massachusetts Institute of Technology, o famoso MIT, e ir trabalhar no Bell Telephone Laboratories, Shockley, sendo uma pessoa extremamente ambiciosa e ambiciosa, iniciou seu trabalho com energia. Em 1938, o primeiro esboço de um triodo semicondutor apareceu na apostila de Shockley, de 26 anos. A ideia é simples e não particularmente original: fazer um dispositivo que seja o mais semelhante possível a um tubo de vácuo, com a única diferença de que os elétrons nele contidos fluirão através de um semicondutor filamentar fino, em vez de voar no vácuo entre o cátodo e o ânodo. Para controlar a corrente do semicondutor, deveria introduzir um eletrodo adicional (um análogo de uma grade) aplicando-lhe uma tensão de polaridade diferente. Assim, será possível reduzir ou aumentar o número de elétrons no filamento e, consequentemente, alterar sua resistência e a corrente que flui. Tudo é como um tubo de rádio, só que sem vácuo, sem recipiente de vidro volumoso e sem aquecimento do cátodo. O deslocamento dos elétrons do fio ou seu influxo deveria ter ocorrido sob a influência do campo elétrico criado entre o eletrodo de controle e o fio, ou seja, devido ao efeito de campo. Para fazer isso, o thread deve ser um semicondutor. Existem muitos elétrons em um metal e nenhum campo pode deslocá-los, mas em um dielétrico praticamente não há elétrons livres. Shockley inicia cálculos teóricos, mas todas as tentativas de construir um amplificador de estado sólido não levam a lugar nenhum.

Ao mesmo tempo, na Europa, os físicos alemães Robert Pohl e Rudolf Hilsch criaram um amplificador de cristal de três eletrodos de contato funcional baseado em brometo de potássio. No entanto, o dispositivo alemão não tinha valor prático. Tinha uma frequência operacional muito baixa. Há informações de que na primeira metade da década de 1930, amplificadores semicondutores de três eletrodos foram “montados” por dois rádios amadores, o canadense Larry Kaiser e o estudante neozelandês Robert Adams. Adams, que mais tarde se tornou engenheiro de rádio, observou que nunca lhe ocorreu registrar uma patente para a invenção, pois obteve todas as informações sobre seu amplificador em revistas de rádio amador e outras fontes abertas.

Por 1926-1930 incluem o trabalho de Julius Lilienfeld (Fig. 19), professor da Universidade de Leipzig, que patenteou o projeto de um amplificador semicondutor, agora conhecido como transistor de efeito de campo (Fig. 20).

Arroz. 19. Júlio Lilienfeld

Arroz. 20. Patente de Yu. Lilienfeld para um transistor de efeito de campo

Lilienfeld assumiu que quando a tensão é aplicada a um material fracamente condutor, sua condutividade mudará e, em conexão com isso, ocorrerá um aumento nas oscilações elétricas. Apesar de receber uma patente, Lilienfeld não conseguiu criar um dispositivo funcional. O motivo foi o mais prosaico - na década de 30 do século XX, ainda não havia sido encontrado o material necessário com base no qual um transistor funcional pudesse ser feito. É por isso que os esforços da maioria dos cientistas da época visavam inventar um transistor bipolar mais complexo. Assim, tentaram contornar as dificuldades que surgiram durante a implementação do transistor de efeito de campo.

O trabalho em um amplificador de estado sólido nos Laboratórios Bell Telephone foi interrompido pela eclosão da Segunda Guerra Mundial. William Shockley e muitos de seus colegas foram destacados para o Departamento de Defesa, onde trabalharam até o final de 1945.

A eletrônica de estado sólido não interessava aos militares; suas conquistas pareciam duvidosas. Com uma exceção. Detectores. Eles estiveram precisamente no centro dos acontecimentos históricos.

A grande Batalha da Grã-Bretanha desenrolou-se nos céus do Canal da Mancha, atingindo o seu clímax em setembro de 1940. Após a ocupação da Europa Ocidental, a Inglaterra ficou sozinha com uma armada de bombardeiros alemães destruindo as defesas costeiras e preparando um desembarque anfíbio para capturar o país - Operação Leão Marinho. É difícil dizer o que salvou a Inglaterra - um milagre, a determinação do primeiro-ministro Winston Churchill ou de estações de radar. Os radares que surgiram no final dos anos 30 tornaram possível detectar com rapidez e precisão aeronaves inimigas e organizar contra-medidas em tempo hábil. Tendo perdido mais de mil aeronaves nos céus da Grã-Bretanha, a Alemanha nazista esfriou bastante a ideia de capturar a Inglaterra em 1940 e começou a preparar uma blitzkrieg no Leste.

A Inglaterra precisava de radares, os radares precisavam de detectores de cristal, os detectores precisavam de germânio e silício puros. O germânio foi o primeiro a aparecer em quantidades significativas nas fábricas e laboratórios. Com o silício, devido à alta temperatura de seu processamento, surgiram algumas dificuldades no início, mas o problema logo foi resolvido. Depois disso, foi dada preferência ao silício. O silício era barato comparado ao germânio. Então, o trampolim para saltar para o transistor estava quase pronto.

A Segunda Guerra Mundial foi a primeira guerra em que a ciência, em termos da sua importância para derrotar o inimigo, ficou em pé de igualdade com tecnologias de armas específicas e, em alguns aspectos, esteve à frente delas. Vamos relembrar os projetos atômicos e de mísseis. Esta lista também pode incluir o projeto do transistor, cujos pré-requisitos foram em grande parte estabelecidos pelo desenvolvimento do radar militar.

Abertura

Nos anos do pós-guerra, os Bell Telephone Laboratories começaram a acelerar o trabalho no campo das comunicações globais. Os equipamentos da década de 1940 utilizavam dois elementos principais para amplificar, converter e comutar sinais em circuitos de assinantes: um tubo de vácuo e um relé eletromecânico. Esses elementos eram volumosos, funcionavam lentamente, consumiam muita energia e não eram muito confiáveis. Melhorá-los significou retornar à ideia de usar semicondutores. Um grupo de pesquisa está sendo novamente criado nos Bell Telephone Laboratories (Fig. 21), cujo diretor científico é William Shockley, que retornou “da guerra”. A equipe inclui Walter Brattain, John Bardeen, John Pearson, Bert Moore e Robert Gibney.

Arroz. 21. Murray Hill, Nova Jersey, EUA, Bell Laboratories. O berço do transistor.

Logo no início, a equipe toma a decisão mais importante: direcionar esforços para estudar as propriedades de apenas dois materiais - silício e germânio, como os mais promissores para a implementação da tarefa. Naturalmente, o grupo começou a desenvolver a ideia pré-guerra de Shockley de um amplificador de efeito de campo. Mas os elétrons dentro do semicondutor ignoraram teimosamente quaisquer mudanças no potencial no eletrodo de controle. Os cristais explodiram devido a altas tensões e correntes, mas não queriam alterar sua resistência.

O teórico John Bardeen ponderou sobre isso. Shockley, não tendo obtido um resultado rápido, perdeu o interesse pelo tema e não participou ativamente do trabalho. Bardeen sugeriu que uma parte significativa dos elétrons não “caminha” livremente ao redor do cristal, mas fica presa em algum tipo de armadilha perto da superfície do semicondutor. A carga desses elétrons “presos” protege o campo aplicado externamente, que não penetra na maior parte do cristal. Foi assim que a teoria dos estados superficiais entrou na física do estado sólido em 1947. Agora que parecia que o motivo das falhas havia sido encontrado, o grupo começou a implementar de forma mais significativa a ideia do efeito de campo. Simplesmente não havia outras ideias. Eles começaram a tratar a superfície do germânio de várias maneiras, na esperança de eliminar as armadilhas de elétrons. Tentamos de tudo - ataque químico, polimento mecânico, aplicação de vários passivadores na superfície. Os cristais foram imersos em vários líquidos, mas não houve resultado. Então eles decidiram localizar o máximo possível a zona de controle, para a qual um dos condutores e o eletrodo de controle foram feitos na forma de agulhas com mola bem espaçadas. O experimentador Brattain, que tinha 15 anos de experiência trabalhando com vários semicondutores, conseguia girar os botões de um osciloscópio 25 horas por dia.

O teórico Bardeen estava sempre por perto, pronto para testar seus cálculos teóricos 24 horas por dia. Ambos os pesquisadores, como dizem, se encontraram. Praticamente não saíram do laboratório, mas o tempo passou e ainda não houve resultados significativos.

Um dia, Brattain, atormentado por falhas, moveu as agulhas quase de perto, além disso, acidentalmente confundiu as polaridades dos potenciais aplicados a elas. O cientista não conseguia acreditar no que via. Ele ficou surpreso, mas o aumento do sinal era claramente visível na tela do osciloscópio. O teórico Bardeen reagiu com a velocidade da luz e de forma inequívoca: não há efeito de campo e não se trata disso. A amplificação do sinal ocorre por outro motivo. Em todas as estimativas anteriores, apenas os eletrões foram considerados como os principais portadores de corrente num cristal de germânio, e os “buracos”, que eram milhões de vezes mais pequenos, foram naturalmente ignorados. Bardin percebeu que o problema eram os “buracos”. A introdução de “buracos” através de um eletrodo (este processo é chamado de injeção) provoca uma corrente imensamente maior no outro eletrodo. E tudo isso tendo como pano de fundo o estado inalterado de um grande número de elétrons.

E assim, de forma imprevisível, em 19 de dezembro de 1947, nasceu um transistor ponto-ponto (Fig. 22).

No início, o novo dispositivo foi chamado de triodo de germânio. Bardeen e Brattain não gostaram do nome. Não soou. Eles queriam que o nome terminasse com “tor”, semelhante a um resistor ou termistor. Aqui, o engenheiro eletrônico John Pierce, que tinha um excelente domínio das palavras, vem em seu auxílio (mais tarde ele se tornará um famoso divulgador da ciência e escritor de ficção científica sob o pseudônimo de J. J. Coupling). Pierce lembrou que um dos parâmetros de um triodo de vácuo é a inclinação da característica, em inglês - transcondutância. Ele sugeriu chamar um parâmetro semelhante de transresistência de um amplificador de estado sólido e o próprio amplificador, e essa palavra estava apenas na ponta da língua, um transistor. Todos gostaram do nome.

Poucos dias após a notável descoberta, na véspera de Natal, 23 de dezembro de 1947, o transistor foi apresentado à administração da Bell Telephone Laboratories (Fig. 23).

Arroz. 23. Transistor de ponto Bardeen-Brattain

William Shockley, que estava de férias na Europa, voltou com urgência para a América. O sucesso inesperado de Bardin e Brattain fere profundamente seu orgulho. Ele pensou em um amplificador semicondutor antes dos outros, liderou o grupo, escolheu o rumo da pesquisa, mas não pôde reivindicar a coautoria na patente “estrela”. Em meio à alegria geral, brilho e tilintar de taças de champanhe, Shockley parecia desapontado e sombrio. E então acontece algo que sempre estará escondido de nós pelo véu do tempo. Numa semana, que Shockley mais tarde chamaria de “semana santa”, ele criou a teoria de um transistor com junções pn que substituíram agulhas exóticas e, na véspera de Ano Novo, inventou um transistor bipolar planar. (Observe que um transistor bipolar realmente funcional não foi fabricado até 1950.)

Propor um diagrama de circuito para um amplificador de estado sólido mais eficiente com uma estrutura em camadas colocou Shockley em pé de igualdade com Bardeen e Brattain na descoberta do efeito transistor.

Seis meses depois, em 30 de junho de 1948, em Nova York, na sede da Bell Telephone Laboratories, depois de resolvidas todas as formalidades de patente necessárias, ocorreu uma apresentação aberta do transistor. Nessa altura, a Guerra Fria já tinha começado entre os Estados Unidos e a União Soviética, pelo que as inovações técnicas eram avaliadas principalmente pelos militares. Para surpresa de todos os presentes, especialistas do Pentágono não se interessaram pelo transistor e recomendaram seu uso em aparelhos auditivos.

Alguns anos depois, o novo dispositivo tornou-se um componente indispensável no sistema de controle de mísseis de combate, mas foi nesse dia que a miopia dos militares salvou o transistor de ser classificado como “ultrassecreto”.

Os jornalistas também reagiram à invenção sem muita emoção. Na página quarenta e seis da seção “Notícias de Rádio” do New York Times, foi publicado um breve aviso sobre a invenção de um novo dispositivo de rádio. Se apenas.

Os Bell Telephone Laboratories não esperavam tal desenvolvimento de eventos. As ordens militares, com seu financiamento generoso, não eram esperadas nem num futuro distante. É tomada uma decisão urgente de vender licenças do transistor para todos. O valor da transação é de US$ 25 mil. Está sendo organizado um centro de treinamento e realizados seminários para especialistas. Os resultados não tardam a chegar (Fig. 24).

O transistor está rapidamente encontrando uso em uma variedade de dispositivos - desde equipamentos militares e de informática até eletrônicos de consumo. É interessante que o primeiro receptor de rádio portátil tenha sido chamado assim por muito tempo - um transistor.

Equivalente europeu

O trabalho na criação de um amplificador semicondutor de três eletrodos também foi realizado do outro lado do oceano, mas se sabe muito menos sobre eles.

Mais recentemente, o historiador belga Armand Van Dormel e o professor da Universidade de Stanford, Michael Riordan, descobriram que, no final da década de 1940, um “irmão do transistor Bardeen-Brattain” foi inventado e até colocado em produção na Europa.

Os inventores europeus do transistor ponto-ponto foram Herbert Franz Mathare e Heinrich Johann Welker (Fig. 25). Mathare foi um físico experimental que trabalhou para a empresa alemã Telefunken e trabalhou com eletrônica de microondas e radar. Welker era mais um teórico: lecionou por muito tempo na Universidade de Munique e durante os anos de guerra trabalhou para a Luftwaffe.

Arroz. 25. Inventores do transitron Herbert Mathare e Heinrich Welker

Eles se conheceram em Paris. Após a derrota da Alemanha nazista, os dois físicos foram convidados para a filial europeia da corporação americana Westinghouse.

Em 1944, Mathare, enquanto trabalhava em retificadores semicondutores para radares, projetou um dispositivo que chamou de duodiodo. Era um par de retificadores pontuais operando em paralelo, utilizando a mesma placa de germânio. Com a seleção correta dos parâmetros, o dispositivo suprimiu o ruído na unidade receptora do radar. Então Mathare descobriu que as flutuações de tensão em um eletrodo podem resultar em uma mudança na corrente que passa pelo segundo eletrodo. Observe que uma descrição de um efeito semelhante estava contida na patente de Lilienfeld, e é possível que Mathare soubesse disso. Mas seja como for, ele se interessou pelo fenômeno observado e continuou suas pesquisas.

Welker teve a ideia do transistor de uma direção diferente, trabalhando em física quântica e teoria de bandas de sólidos. No início de 1945, ele criou um circuito amplificador de estado sólido muito semelhante ao dispositivo de Shockley. Em março, Welker conseguiu montá-lo e testá-lo, mas não teve mais sorte que os americanos. O dispositivo não está funcionando.

Em Paris, Mathare e Welker têm a tarefa de organizar a produção industrial de retificadores semicondutores para a rede telefônica francesa. No final de 1947, os retificadores foram colocados em produção e Mathare e Welker tiveram tempo para retomar as pesquisas. Eles iniciam novos experimentos com o duodiodo. Juntos, eles fazem registros de germânio muito mais puro e obtêm um efeito de amplificação estável. Já no início de junho de 1948, Mathare e Welker criaram um transistor ponto-ponto operando de forma estável. O transistor europeu aparece seis meses depois do dispositivo Bardeen e Brattain, mas é completamente independente dele. Mathare e Welker nada podiam saber sobre o trabalho dos americanos. A primeira menção na imprensa de um “novo dispositivo de rádio” vindo dos Laboratórios Bell apareceu apenas em 1º de julho.

O futuro destino da invenção europeia foi triste. Mathare e Welker prepararam um pedido de patente para a invenção em agosto, mas o escritório de patentes francês demorou muito para estudar os documentos. Somente em março de 1952 eles receberam a patente para a invenção do transitron - esse é o nome que os físicos alemães escolheram para seu amplificador semicondutor. Naquela época, a filial parisiense da Westinghouse já havia iniciado a produção em massa de transitrons. O principal cliente era o Ministério dos Correios. Muitas novas linhas telefônicas estavam sendo construídas na França. No entanto, a era dos transitrons durou pouco. Apesar de terem funcionado melhor e por mais tempo que seu “irmão” americano (devido à montagem mais cuidadosa), os transitrons não conseguiram conquistar o mercado mundial. Posteriormente, as autoridades francesas recusaram-se geralmente a subsidiar a investigação no domínio da electrónica de semicondutores, mudando para projectos nucleares de maior escala. O laboratório de Mathare e Welker fica em mau estado. Os cientistas decidem retornar à sua terra natal. Naquela época, um renascimento da ciência e da indústria de alta tecnologia começou na Alemanha. Welker consegue um emprego em um laboratório da Siemens, que mais tarde chefiará, e Mathare muda-se para Dusseldorf e torna-se presidente de uma pequena empresa, a Intermetall, que produz dispositivos semicondutores.

Posfácio

Se traçarmos o destino dos americanos, então John Bardeen deixou o Bell Telephone Laboratories em 1951, assumiu a teoria da supercondutividade e, em 1972, junto com dois de seus alunos, recebeu o Prêmio Nobel pelo desenvolvimento da teoria da supercondutividade, assim tornando-se o único cientista da história, duas vezes ganhador do Nobel.

Walter Brattain trabalhou no Bell Telephone Laboratories até se aposentar em 1967, quando retornou à sua cidade natal e começou a lecionar física em uma universidade local.

O destino de William Shockley foi o seguinte. Ele deixou a Bell Telephone Laboratories em 1955 e, com a ajuda financeira de Arnold Beckman, fundou a empresa de fabricação de transistores Shockly Transistor Corporation. Muitos cientistas e engenheiros talentosos vão trabalhar para a nova empresa, mas depois de dois anos a maioria deles deixa Shockley. A arrogância, a arrogância, a falta de vontade de ouvir as opiniões dos colegas e a obsessão de não repetir o erro que cometeu ao trabalhar com Bardeen e Brattain estão cobrando seu preço. A empresa está desmoronando.

Seus ex-funcionários Gordon Moore e Robert Noyce, com o apoio do mesmo Beckman, fundaram a Fairchild Semiconductor, e então, em 1968, criaram sua própria empresa - a Intel.

O sonho de Shockley de construir um império comercial de semicondutores foi realizado por outros (Figura 26), e ele novamente assumiu o papel de observador externo. A ironia é que, em 1952, foi Shockley quem propôs o projeto do transistor de efeito de campo baseado em silício. No entanto, a Shockly Transistor Corporation não lançou um único transistor de efeito de campo. Hoje este dispositivo é a base de toda a indústria de informática.

Arroz. 26. Evolução do transistor

Após o fracasso empresarial, Shockley torna-se professor na Universidade de Stanford. Ele dá palestras brilhantes sobre física, orienta pessoalmente alunos de pós-graduação, mas carece de sua antiga glória - tudo o que os americanos chamam de ampla palavra publicidade. Shockley envolveu-se na vida pública e começou a fazer apresentações sobre muitas questões sociais e demográficas. Propondo soluções para os problemas prementes associados à superpopulação asiática e às diferenças nacionais, ele desliza para a eugenia e a intolerância racial. A imprensa, a televisão, as revistas científicas acusam-no de extremismo e racismo. Shockley está “famoso” novamente e parece estar gostando de tudo. Sua reputação e carreira como cientista chegam ao fim. Ele se aposenta, para de se comunicar com todos, até mesmo com seus próprios filhos, e vive recluso.

Pessoas diferentes, destinos diferentes, mas todos unidos pelo seu envolvimento numa descoberta que mudou radicalmente o nosso mundo.

A data de 19 de dezembro de 1947 pode ser considerada, com razão, o aniversário de uma nova era. A contagem regressiva do novo tempo começou. O mundo entrou na era da tecnologia digital.

Literatura

1. William F. Brinkman, Douglas E. Haggan, William W. Troutman. Uma história da invenção do transistor e aonde ele nos levará // IEEE Journal of Solid-State Circuits. Vol.32, No.12. Dezembro de 1997.
2. Hugo Gernsback. Uma invenção sensacional do rádio // Notícias de rádio. Setembro de 1924.
3. Novikov M.A. Oleg Vladimirovich Losev - pioneiro da eletrônica de semicondutores // Física do Estado Sólido. 2004. Volume 46, edição. 1.
4. Ostroumov B., Shlyakhter I. Inventor da cristadina O. V. Losev. // Rádio. 1952. Nº 5.
5. Zhirnov V., Suetin N. Invenção do engenheiro Losev // Expert. 2004. Nº 15.
6. Lee T. H., Uma História Não Linear do Rádio. Cambridge University Press. 1998.
7. Nosov Yu. Paradoxos do transistor // Quantum. 2006. Nº 1.
8. André Emerson. Quem realmente inventou o transistor? radiobygones.com
9. Michael Riordan. Como a Europa perdeu o transistor // IEEE Spectrum, novembro. 2005. www.spectrum.ieee.org

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA DO ESTADO DE PYATIGORSK

DEPARTAMENTO DE GESTÃO E INFORMAÇÃO EM SISTEMAS TÉCNICOS

ABSTRATO

"História do desenvolvimento dos transistores"

Concluído:

Estudante gr. UITS-b-101

Sergienko Victor

Piatigorsk, 2010

Introdução

Transistor (do inglês transfer - transferência e resistência - resistência ou transcondutância - condutividade intereletrodo ativa e varistor - resistência variável) é um dispositivo eletrônico feito de material semicondutor, geralmente com três terminais, permitindo que sinais de entrada controlem a corrente em um circuito elétrico. Normalmente usado para amplificar, gerar e converter sinais elétricos.

A corrente no circuito de saída é controlada alterando a tensão ou corrente de entrada. Uma pequena alteração nas grandezas de entrada pode levar a uma alteração significativamente maior na tensão e corrente de saída. Esta propriedade amplificadora dos transistores é usada na tecnologia analógica (TV analógica, rádio, comunicações, etc.).

Atualmente, a tecnologia analógica é dominada por transistores bipolares (BT) (o termo internacional é BJT, transistor de junção bipolar). Outro ramo importante da eletrônica é a tecnologia digital (lógica, memória, processadores, computadores, comunicações digitais, etc.), onde, ao contrário, os transistores bipolares são quase totalmente substituídos pelos de efeito de campo.

Toda a tecnologia digital moderna é construída principalmente em transistores MOS (semicondutores de óxido metálico) de efeito de campo (MOSFETs), pois são elementos mais econômicos em comparação com BT. Às vezes eles são chamados de transistores MIS (semicondutores dielétricos de metal). O termo internacional é MOSFET (transistor de efeito de campo semicondutor de óxido metálico). Os transistores são fabricados usando tecnologia integrada em um único cristal de silício (chip) e formam um “bloco de construção” elementar para a construção de chips lógicos, de memória, de processador, etc.. As dimensões dos MOSFETs modernos variam de 90 a 32 nm. Um chip moderno (geralmente de 1 a 2 cm² de tamanho) acomoda vários (ainda apenas alguns) bilhões de MOSFETs. Ao longo de 60 anos, houve uma diminuição no tamanho (miniaturização) dos MOSFETs e um aumento no seu número em um chip (grau de integração); nos próximos anos, um novo aumento no grau de integração dos transistores em um chip é esperado (veja a Lei de Moore). A redução do tamanho do MOPT também leva ao aumento da velocidade do processador, redução do consumo de energia e da dissipação de calor.

História

As primeiras patentes sobre o princípio de funcionamento dos transistores de efeito de campo foram registradas na Alemanha em 1928 (no Canadá, 22 de outubro de 1925) em nome do físico austro-húngaro Julius Edgar Lilienfeld. Em 1934, o físico alemão Oskar Heil patenteou o transistor de efeito de campo. Os transistores de efeito de campo (em particular, os transistores MOS) são baseados em um simples efeito de campo eletrostático; em física, eles são significativamente mais simples que os transistores bipolares e, portanto, foram inventados e patenteados muito antes dos transistores bipolares. No entanto, o primeiro MOSFET, que constitui a base da indústria moderna de computadores, foi fabricado depois do transistor bipolar, em 1960. Somente na década de 90 do século 20 a tecnologia MOS começou a dominar a tecnologia bipolar.

Em 1947, William Shockley, John Bardeen e Walter Brattain, do Bell Labs, criaram pela primeira vez um transistor bipolar funcional, demonstrado em 16 de dezembro. No dia 23 de dezembro ocorreu a apresentação oficial da invenção e esta data é considerada o dia da invenção do transistor. De acordo com a tecnologia de fabricação, pertencia à classe dos transistores ponto-ponto. Em 1956, eles receberam o Prêmio Nobel de Física “pelas pesquisas em semicondutores e pela descoberta do efeito transistor”. Curiosamente, John Bardeen logo recebeu o Prêmio Nobel pela segunda vez por criar a teoria da supercondutividade.

Os tubos de vácuo foram posteriormente substituídos por transistores na maioria dos dispositivos eletrônicos, revolucionando a criação de circuitos integrados e computadores.

Bell precisava de um nome para o dispositivo. Os nomes "triodo semicondutor", "Triodo Sólido", "Triodo de Estados de Superfície", "triodo de cristal" e "Iotatron" foram sugeridos, mas a palavra "transistor", proposta por John R. Pierce), ganhou a votação interna.

O nome "transistor" originalmente se referia a resistores controlados por tensão. Na verdade, um transistor pode ser pensado como um tipo de resistência regulada pela tensão em um eletrodo (nos transistores de efeito de campo, pela tensão entre a porta e a fonte, nos transistores bipolares, pela tensão entre a base e o emissor). ).

Classificação de transistores

Transistor bipolar- um dispositivo semicondutor de três eletrodos, um dos tipos de transistor. Os eletrodos são conectados a três camadas semicondutoras dispostas sucessivamente com tipos alternados de condutividade de impurezas. De acordo com este método de alternância, os transistores npn e pnp são diferenciados (n (negativo) - tipo eletrônico de condutividade de impureza, p (positivo) - tipo furo). Em um transistor bipolar, ao contrário de outras variedades, os principais portadores são elétrons e lacunas (da palavra “bi” - “dois”).

O eletrodo conectado à camada central é chamado de base, os eletrodos conectados às camadas externas são chamados de coletor e emissor. No diagrama mais simples, as diferenças entre coletor e emissor não são visíveis. Na realidade, a principal diferença entre o coletor é a maior área da junção p-n. Além disso, uma espessura de base fina é absolutamente necessária para o funcionamento do transistor.

O transistor pontual bipolar foi inventado em 1947 e, nos anos seguintes, consolidou-se como elemento fundamental para a fabricação de circuitos integrados utilizando lógica transistor-transistor, resistor-transistor e diodo-transistor.

Os primeiros transistores foram feitos à base de germânio. Atualmente, eles são feitos principalmente de silício e arsenieto de gálio. Os últimos transistores são usados ​​​​em circuitos amplificadores de alta frequência. Um transistor bipolar consiste em três zonas semicondutoras dopadas diferentemente: emissor E, base B e coletor C. Dependendo do tipo de condutividade dessas zonas, NPN (emissor - n-semicondutor, base - p-semicondutor, coletor - n-semicondutor) e PNP são diferenciados. Contatos condutores são conectados a cada uma das zonas. A base está localizada entre o emissor e o coletor e é feita de um semicondutor levemente dopado e de alta resistência. A área total de contato base-emissor é significativamente menor que a área de contato coletor-base, então um transistor bipolar geral é um dispositivo assimétrico (é impossível trocar o emissor e o coletor alterando a polaridade da conexão e resultando em um transistor bipolar absolutamente semelhante ao original).

No modo de operação ativo, o transistor é ligado de modo que sua junção emissora seja polarizada na direção direta (aberta) e a junção coletora seja polarizada na direção oposta. Para maior definição, vamos considerar um transistor npn; todo o raciocínio é repetido exatamente da mesma maneira para o caso de um transistor pnp, com a palavra “elétrons” substituída por “buracos” e vice-versa, bem como com todas as tensões substituídas por sinais opostos. Em um transistor NPN, os elétrons, os principais portadores de corrente no emissor, passam através da junção emissor-base aberta (injetados) na região da base. Alguns desses elétrons recombinam-se com os portadores de carga majoritários na base (buracos), enquanto alguns se difundem de volta para o emissor. No entanto, como a base é muito fina e relativamente levemente dopada, a maioria dos elétrons injetados pelo emissor se difundem na região do coletor. O forte campo elétrico da junção do coletor com polarização reversa captura elétrons (lembre-se de que eles são portadores minoritários na base, portanto a junção está aberta para eles) e os transporta para o coletor. A corrente do coletor é assim praticamente igual à corrente do emissor, com exceção de uma pequena perda de recombinação na base, que forma a corrente de base (Ie = Ib + Ik). O coeficiente α que conecta a corrente do emissor e a corrente do coletor (Iк = α Iе) é chamado de coeficiente de transferência de corrente do emissor. O valor numérico do coeficiente α é 0,9 - 0,999. Quanto maior o coeficiente, mais eficientemente o transistor transmite a corrente. Este coeficiente depende pouco das tensões coletor-base e base-emissor. Portanto, em uma ampla faixa de tensões de operação, a corrente do coletor é proporcional à corrente de base, o coeficiente de proporcionalidade é igual a β = α / (1 − α) = (10..1000). Assim, variando uma pequena corrente de base, uma corrente de coletor muito maior pode ser controlada. Os níveis de elétrons e buracos são aproximadamente iguais.

Transistor de efeito de campo- um dispositivo semicondutor no qual a corrente muda como resultado da ação de uma corrente perpendicular no campo elétrico criado pelo sinal de entrada.

O fluxo de corrente operacional em um transistor de efeito de campo é causado por portadores de carga de apenas um sinal (elétrons ou buracos), portanto, tais dispositivos são frequentemente incluídos na classe mais ampla de dispositivos eletrônicos unipolares (em oposição aos bipolares).

História da criação de transistores de efeito de campo

A ideia de um transistor de efeito de campo de porta isolado foi proposta por Lilienfeld em 1926-1928. No entanto, dificuldades objetivas na implementação deste projeto permitiram a criação do primeiro dispositivo funcional deste tipo apenas em 1960. Em 1953, Dakey e Ross propuseram e implementaram outro projeto de transistor de efeito de campo - com uma junção p-n de controle. Finalmente, um terceiro projeto de FET, o FET de barreira Schottky, foi proposto e implementado por Mead em 1966.

Circuitos de transistor de efeito de campo

Um transistor de efeito de campo pode ser conectado em um dos três circuitos principais: com fonte comum (CS), dreno comum (OC) e porta comum (G).

Na prática, um circuito com OE é mais frequentemente usado, semelhante a um circuito com transistor bipolar com OE. Uma cascata de fonte comum fornece uma amplificação de corrente e potência muito grande. O esquema com OZ é semelhante ao esquema com OB. Ele não fornece amplificação de corrente e, portanto, a amplificação de potência nele é muitas vezes menor do que no circuito OI. A cascata OZ tem baixa impedância de entrada e, portanto, tem uso prático limitado.

Classificação de transistores de efeito de campo

Com base em sua estrutura física e mecanismo operacional, os transistores de efeito de campo são convencionalmente divididos em 2 grupos. O primeiro é formado por transistores com junção p-n de controle ou junção metal-semicondutor (barreira Schottky), o segundo é formado por transistores com controle através de um eletrodo isolado (gate), o chamado. Transistores MIS (metal - dielétrico - semicondutor).

Transistores com junção pn de controle

Um transistor de efeito de campo com uma junção pn de controle é um transistor de efeito de campo cuja porta é isolada (isto é, eletricamente separada) do canal por uma junção pn polarizada na direção oposta.

Tal transistor tem dois contatos não retificadores para a região através da qual passa a corrente controlada dos portadores de carga principais, e uma ou duas junções elétron-buraco de controle polarizadas na direção oposta (ver Fig. 1). Quando a tensão reversa muda na junção p-n, sua espessura e, conseqüentemente, a espessura da região por onde passa a corrente controlada dos principais portadores de carga muda. A região cuja espessura e seção transversal são controladas por uma tensão externa na junção p-n de controle e através da qual passa uma corrente controlada das portadoras principais é chamada de canal. O eletrodo a partir do qual os principais portadores de carga entram no canal é chamado de fonte. O eletrodo através do qual os principais portadores de carga saem do canal é chamado de dreno. O eletrodo usado para regular a seção transversal do canal é chamado de portão.

A condutividade elétrica do canal pode ser do tipo n ou p. Portanto, com base na condutividade elétrica do canal, os transistores de efeito de campo com canal n e canal p são diferenciados. Todas as polaridades das tensões de polarização aplicadas aos eletrodos dos transistores dos canais n e p são opostas.

O controle da corrente de dreno, ou seja, a corrente de uma fonte de energia externa relativamente poderosa no circuito de carga, ocorre quando a tensão reversa muda na junção pn da porta (ou em duas junções pn simultaneamente). Devido à pequenez das correntes reversas, a potência necessária para controlar a corrente de dreno e consumida da fonte de sinal no circuito de porta acaba sendo insignificantemente pequena. Portanto, um transistor de efeito de campo pode fornecer amplificação de oscilações eletromagnéticas tanto em potência quanto em corrente e tensão.

Assim, o transistor de efeito de campo é semelhante em princípio a um triodo de vácuo. A fonte em um transistor de efeito de campo é semelhante ao cátodo de um triodo de vácuo, a porta é como uma grade e o dreno é como um ânodo. Mas, ao mesmo tempo, um transistor de efeito de campo difere significativamente de um triodo a vácuo. Em primeiro lugar, o transistor de efeito de campo não requer aquecimento do cátodo para funcionar. Em segundo lugar, qualquer uma das funções de fonte e dreno pode ser executada por cada um destes eletrodos. Em terceiro lugar, os transistores de efeito de campo podem ser fabricados com canal n e canal p, o que torna possível combinar com sucesso esses dois tipos de transistores de efeito de campo em circuitos.

Um transistor de efeito de campo difere de um transistor bipolar, em primeiro lugar, em seu princípio de funcionamento: em um transistor bipolar, o sinal de saída é controlado pela corrente de entrada, e em um transistor de efeito de campo, pela tensão de entrada ou campo elétrico. Em segundo lugar, os transistores de efeito de campo têm resistências de entrada significativamente mais altas, o que está associado à polarização reversa da junção pn da porta no tipo de transistores de efeito de campo em consideração. Em terceiro lugar, os transistores de efeito de campo podem ter um baixo nível de ruído (especialmente em baixas frequências), uma vez que os transistores de efeito de campo não utilizam o fenômeno de injeção de portadores de carga minoritários e o canal do transistor de efeito de campo pode ser separado da superfície do cristal semicondutor. Os processos de recombinação de portadores na junção pn e na base do transistor bipolar, bem como os processos de recombinação de geração na superfície do cristal semicondutor, são acompanhados pelo aparecimento de ruído de baixa frequência.

Transistores de porta isolados (transistores MIS)

Um transistor de efeito de campo de porta isolada é um transistor de efeito de campo cuja porta é eletricamente separada do canal por uma camada dielétrica.

Em um cristal semicondutor com resistividade relativamente alta, chamado substrato, são criadas duas regiões fortemente dopadas com o tipo oposto de condutividade em relação ao substrato. Eletrodos metálicos são aplicados nessas áreas - fonte e dreno. A distância entre a fonte fortemente dopada e as regiões de drenagem pode ser inferior a um mícron. A superfície do cristal semicondutor entre a fonte e o dreno é coberta por uma fina camada (cerca de 0,1 μm) de dielétrico. Como o semicondutor inicial para transistores de efeito de campo é geralmente o silício, uma camada de dióxido de silício SiO2 cultivada na superfície de um cristal de silício por oxidação em alta temperatura é usada como dielétrico. Um eletrodo de metal - um portão - é aplicado à camada dielétrica. O resultado é uma estrutura composta por um metal, um dielétrico e um semicondutor. Portanto, os transistores de efeito de campo com porta isolada são freqüentemente chamados de transistores MOS.

A resistência de entrada dos transistores MOS pode atingir 1010...1014 Ohms (para transistores de efeito de campo com junção pn de controle 107...109), o que é uma vantagem na construção de dispositivos de alta precisão.

Existem dois tipos de transistores MOS: com canal induzido e com canal integrado.

Nos transistores MOS de canal induzido, não há canal condutor entre a fonte fortemente dopada e as regiões de dreno e, portanto, uma corrente de dreno perceptível aparece apenas em uma certa polaridade e em um certo valor da tensão de porta em relação à fonte, que é chamada de tensão limite (UTV).

Nos transistores MOS com canal embutido, próximo à superfície do semicondutor sob a porta, em tensão zero na porta em relação à fonte, existe uma camada inversa - um canal que conecta a fonte ao dreno.

Portanto, as regiões fortemente dopadas sob a fonte e o dreno, bem como os canais induzidos e embutidos, possuem condutividade do tipo p. Se transistores semelhantes forem criados em um substrato com condutividade elétrica do tipo p, então seu canal terá condutividade elétrica do tipo n.

Transistores MOS com canal induzido

Quando a tensão da porta em relação à fonte é zero e quando há tensão no dreno, a corrente de dreno torna-se insignificante. Representa a corrente reversa da junção pn entre o substrato e a região de drenagem fortemente dopada. Com um potencial negativo na porta (para a estrutura mostrada na Fig. 2, a), como resultado da penetração do campo elétrico através da camada dielétrica no semicondutor em baixas tensões na porta (UGporos menores), um campo camada de efeito e região esgotada dos portadores majoritários aparece na superfície do semicondutor sob a porta carga espacial, consistindo de átomos de impureza ionizados e não compensados. Em tensões de porta maiores que UGpore, uma camada inversa aparece próxima à superfície do semicondutor sob a porta, que é o canal que conecta a fonte ao dreno. A espessura e a seção transversal do canal mudarão com as mudanças na tensão da porta, e a corrente de dreno, ou seja, a corrente no circuito de carga e uma fonte de energia relativamente poderosa, mudará de acordo. É assim que a corrente de dreno é controlada em um transistor de efeito de campo com porta isolada e canal induzido.

Devido ao fato de a porta ser separada do substrato por uma camada dielétrica, a corrente no circuito da porta é insignificante e a energia consumida da fonte de sinal no circuito da porta e necessária para controlar a corrente de dreno relativamente grande também é pequena . Assim, um transistor MOS de canal induzido pode produzir amplificação de oscilações eletromagnéticas de tensão e potência.

O princípio da amplificação de potência nos transistores MOS pode ser considerado do ponto de vista dos portadores de carga transferindo a energia de um campo elétrico constante (a energia da fonte de energia no circuito de saída) para um campo elétrico alternado. Em um transistor MOS, antes do canal aparecer, quase toda a tensão da fonte de alimentação no circuito de dreno caía através do semicondutor entre a fonte e o dreno, criando um componente constante relativamente grande da intensidade do campo elétrico. Sob a influência da tensão no portão, um canal aparece no semicondutor sob o portão, ao longo do qual os portadores de carga - buracos - se movem da fonte para o dreno. Os furos, movendo-se na direção da componente constante do campo elétrico, são acelerados por este campo e sua energia aumenta devido à energia da fonte de energia no circuito dreno. Simultaneamente ao surgimento do canal e ao aparecimento de portadores de carga móveis nele, a tensão no dreno diminui, ou seja, o valor instantâneo da componente variável do campo elétrico no canal é direcionado de forma oposta à componente constante. Portanto, os buracos são inibidos por um campo elétrico alternado, dando-lhe parte de sua energia.

Estruturas TIR para fins especiais

Em estruturas semicondutoras de óxido de nitreto metálico (MNOS), o dielétrico sob a porta é feito de duas camadas: uma camada de óxido de SiO2 e uma camada espessa de nitreto de Si3N4. Armadilhas de elétrons são formadas entre as camadas, que, quando uma tensão positiva (28 a 30 V) é aplicada à porta da estrutura MNOS, capturam elétrons tunelando através de uma fina camada de SiO2. Os íons carregados negativamente resultantes aumentam a tensão limite e sua carga pode ser armazenada por vários anos na ausência de energia, uma vez que a camada de SiO2 evita vazamento de carga. Quando uma grande tensão negativa (28...30 V) é aplicada ao portão, a carga acumulada é dissolvida, o que reduz significativamente a tensão limite.

As estruturas de semicondutor de óxido metálico (MOS) de injeção de avalanche de porta flutuante têm uma porta feita de silício policristalino que é isolada de outras partes da estrutura. A quebra em avalanche da junção p-n do substrato e do dreno ou fonte, à qual uma alta tensão é aplicada, permite que os elétrons penetrem através da camada de óxido até a porta, como resultado do aparecimento de uma carga negativa nela. As propriedades isolantes do dielétrico permitem que esta carga seja retida por décadas. A remoção da carga elétrica da porta é realizada pela irradiação ultravioleta ionizante com lâmpadas de quartzo, enquanto a fotocorrente permite que os elétrons se recombinem com os buracos.

Posteriormente, foram desenvolvidas estruturas de transistores de efeito de campo com memória de porta dupla. Uma porta embutida no dielétrico é usada para armazenar uma carga que determina o estado do dispositivo, e uma porta externa (comum), controlada por pulsos de polaridade oposta, é usada para introduzir ou remover carga no embutido (interno) portão. Foi assim que surgiram as células e depois os chips de memória flash, que se tornaram muito populares hoje em dia e se tornaram um concorrente significativo dos discos rígidos dos computadores.

Para implementar circuitos integrados de grande escala (VLSI), foram criados microtransistores de efeito de campo subminiatura. Eles são feitos com nanotecnologia com resolução geométrica inferior a 100 nm. Nesses dispositivos, a espessura do dielétrico da porta atinge várias camadas atômicas. Várias estruturas são utilizadas, incluindo estruturas de três portas. Os dispositivos operam no modo micro-energia. Nos modernos microprocessadores Intel, o número de dispositivos varia de dezenas de milhões a 2 bilhões. Os mais recentes transistores de efeito de microcampo são feitos de silício tenso, possuem uma porta de metal e usam um novo material dielétrico de porta patenteado baseado em compostos de háfnio.

No último quarto de século, poderosos transistores de efeito de campo, principalmente do tipo MIS, passaram por um rápido desenvolvimento. Eles consistem em múltiplas estruturas de baixa potência ou estruturas com configuração de porta ramificada. Esses dispositivos de HF e microondas foram criados pela primeira vez na URSS por especialistas do Pulsar Research Institute VV Bachurin (dispositivos de silício) e V. Ya. Vaxemburg (dispositivos de arsenieto de gálio).O estudo de suas propriedades de pulso foi realizado pela escola científica de prof. Dyakonova V. P. (filial de Smolensk do MPEI). Isso abriu o campo de desenvolvimento de poderosos transistores de efeito de campo de comutação (pulso) com estruturas especiais com altas tensões e correntes operacionais (separadamente até 500-1000 V e 50-100 A). Tais dispositivos são frequentemente controlados por tensões baixas (até 5 V), têm baixa resistência aberta (até 0,01 Ohm) para dispositivos de alta corrente, alta transcondutância e tempos de comutação curtos (vários a dezenas de ns). Eles não possuem o fenômeno de acúmulo de portadoras na estrutura e o fenômeno de saturação inerente aos transistores bipolares. Graças a isso, os transistores de efeito de campo de alta potência estão substituindo com sucesso os transistores bipolares de alta potência no campo da eletrônica de potência de baixa e média potência.

No exterior, nas últimas décadas, vem se desenvolvendo rapidamente a tecnologia de transistores eletrônicos de alta mobilidade (HMETs), amplamente utilizados em comunicações por microondas e dispositivos de vigilância por rádio. Com base no TVPE, são criados circuitos integrados de microondas híbridos e monolíticos. O funcionamento do TVPE é baseado no controle do canal por meio de um gás de elétrons bidimensional, cuja região é criada sob o contato da porta devido ao uso de uma heterojunção e de uma camada dielétrica muito fina - um espaçador.

Áreas de aplicação de transistores de efeito de campo

Uma parte significativa dos transistores de efeito de campo produzidos atualmente faz parte de estruturas CMOS, que são construídas a partir de transistores de efeito de campo com canais de diferentes tipos de condutividade (p- e n-) e são amplamente utilizadas em circuitos integrados digitais e analógicos.

Devido ao fato de os transistores de efeito de campo serem controlados pelo campo (a tensão aplicada à porta), e não pela corrente que flui através da base (como nos transistores bipolares), os transistores de efeito de campo consomem significativamente menos energia, o que é especialmente importante em circuitos de dispositivos de espera e seguimento, bem como em esquemas de baixo consumo e poupança de energia (implementação de modos sleep).

Exemplos notáveis ​​de dispositivos baseados em transistores de efeito de campo são relógios de pulso de quartzo e controles remotos de TV. Devido ao uso de estruturas CMOS, esses dispositivos podem operar por vários anos porque praticamente não consomem energia.

As áreas de aplicação de transistores de efeito de campo de alta potência estão se desenvolvendo em um ritmo tremendo. A sua utilização em dispositivos de transmissão de rádio permite obter maior pureza do espectro dos sinais de rádio emitidos, reduzir o nível de interferência e aumentar a fiabilidade dos transmissores de rádio. Na eletrônica de potência, os principais transistores de efeito de campo de alta potência estão substituindo e substituindo com sucesso os transistores bipolares de alta potência. Nos conversores de potência, eles permitem aumentar a frequência de conversão em 1-2 ordens de grandeza e reduzir drasticamente as dimensões e o peso dos conversores de potência. Dispositivos de alta potência usam transistores bipolares controlados em campo (IGBTs) para substituir tiristores com sucesso. Em amplificadores de potência de áudio HiFi e HiEnd de última geração, poderosos transistores de efeito de campo substituem com sucesso tubos de vácuo potentes com baixas distorções não lineares e dinâmicas.

Além do material semicondutor principal, geralmente utilizado na forma de um único cristal, o transistor contém em seu projeto aditivos de liga ao material principal, metal chumbo, elementos isolantes e peças da carcaça (plástico ou cerâmica). Às vezes, são usados ​​​​nomes combinados que descrevem parcialmente materiais de uma variedade específica (por exemplo, “silício sobre safira” ou “semicondutor de óxido metálico”). Porém, os principais são os transistores:

Germanicáceas

Silício

Arsenieto de gálio

Até recentemente, outros materiais de transistor não eram usados. Atualmente, transistores baseados, por exemplo, em semicondutores transparentes estão disponíveis para uso em matrizes de exibição. Um material promissor para transistores são os polímeros semicondutores. Há também relatos isolados de transistores baseados em nanotubos de carbono.

Transistores combinados

Transistores equipados com resistores (RETs) são transistores bipolares com resistores embutidos em um invólucro.

Transistor Darlington- uma combinação de dois transistores bipolares, operando como um transistor bipolar com alto ganho de corrente.

em transistores da mesma polaridade

em transistores de polaridades diferentes

Um diodo lambda é um dispositivo de dois terminais, uma combinação de dois transistores de efeito de campo, que, como um diodo túnel, possui uma seção significativa com resistência negativa.

Um transistor bipolar de porta isolada é um dispositivo eletrônico de potência projetado principalmente para controlar acionamentos elétricos.

Pelo poder

Com base na potência dissipada na forma de calor, distinguem-se:

transistores de baixa potência até 100 mW

transistores de média potência de 0,1 a 1 W

transistores potentes (mais de 1 W).

Por execução

transistores discretos

baseado em caso

Para instalação gratuita

Para instalação em um radiador

Para sistemas de soldagem automatizados

sem moldura

transistores em circuitos integrados.

De acordo com o material e design da caixa

metal-vidro

plástico

cerâmica

Outros tipos

Os transistores de elétron único contêm um ponto quântico (chamado de “ilha”) entre duas junções de túnel. A corrente de tunelamento é controlada pela tensão através da porta, que está acoplada capacitivamente a ela.

Biotransistor

Seleção baseada em algumas características

Os transistores BISS (Breakthrough in Small Signal) são transistores bipolares com parâmetros aprimorados de pequenos sinais. Uma melhoria significativa nos parâmetros dos transistores BISS foi alcançada alterando o design da zona emissora. Os primeiros desenvolvimentos desta classe de dispositivos também foram chamados de “dispositivos de microcorrente”.

Transistores com resistores integrados RET (transistores equipados com resistores) - transistores bipolares com resistores integrados em um invólucro. RET é um transistor de uso geral com um ou dois resistores integrados. Este design do transistor permite reduzir o número de componentes conectados e minimizar a área de instalação necessária. Os transistores RET são usados ​​para controlar o sinal de entrada de microcircuitos ou para comutar cargas menores para LEDs.

O uso de heterojunção permite a criação de transistores de efeito de campo de alta velocidade e alta frequência, como o HEMT.

Aplicação de transistores

Os transistores são usados ​​​​como elementos ativos (amplificadores) nos estágios de amplificação e comutação.

Relés e tiristores têm maior ganho de potência que os transistores, mas operam apenas no modo chaveado.