Despre contribuția oamenilor de știință sovietici și ruși la dezvoltarea tranzistoarelor semiconductoare

În deschiderea forumului pentru dezvoltatori Intel (IDF) din toamnă din San Francisco (www.pcweek.ru/themes/detail.php?ID=102444), Patrick Gelsinger, vicepreședinte senior și director general al Digital Enterprise Group al corporației, a menționat că 2007-a devenit un jubileu nu numai pentru Intel (care a sărbătorit cea de-a zecea aniversare a IDF), ci și pentru întreaga industrie a semiconductoarelor: după cum a recunoscut comunitatea internațională, în urmă cu 60 de ani americanii W. Shockley, W. Brattain și J. Bardeen a inventat primul tranzistor. Între timp, oamenii de știință și inginerii ruși au multe de ce să fie mândri în acest domeniu.

Când și unde a început exact „calea către tranzistor” nu este ușor de spus. Crearea sa specifică a fost precedată de o perioadă lungă și foarte bogată de cercetări în domeniul electronicii, experimente științifice și dezvoltări în multe țări. Desigur, URSS nu a făcut excepție. Lucrările fizicianului A. G. Stoletov în domeniul efectului fotoelectric și A. S. Popov privind crearea dispozitivelor de transmisie radio la sfârșitul secolului al XIX-lea poate fi considerată începutul dezvoltărilor interne în această direcție. Dezvoltarea electronicii în epoca sovietică a fost stimulată de progresul rapid al ingineriei radio în anii douăzeci, un rol semnificativ în care a fost jucat de dezvoltarea tuburilor radio de mare capacitate (pentru acea vreme), a tuburilor de declanșare și a altor elemente realizate de M. A. Bonch-Bruevici. Unul dintre factorii care au determinat dezvoltarea rapidă a acestei zone a fost ascensiunea generală a științei și a educației în țară.

Istoricii științei știu că nivelul cercetării și dezvoltării sovietice asupra întregii game de electronice a depășit adesea nivelul mondial și nu a scăzut niciodată sub acesta. Acest lucru s-a datorat naturii „explozive” a progresului științific din URSS și faptului că perioada de depresie postbelică (1914-1918) și, ulterior, criza economică severă din 1929-1934, au avut un impact foarte negativ asupra dezvoltarea științei în multe țări occidentale.

Una dintre primele probleme care i-a interesat pe experimentatori a fost conducerea unidirecțională la punctul de contact dintre un arc metalic și cristale semiconductoare: a fost necesar să se înțeleagă cauzele acestui fenomen.

Radiofizicianul sovietic O. V. Losev, care a experimentat în 1922 cu echipamente de curent scăzut (funcționând la tensiuni de până la 4 V), a descoperit fenomenul apariției oscilațiilor electromagnetice și efectul amplificării acestora într-un detector cu cristal semiconductor. El a descoperit o secțiune în cădere a caracteristicii curent-tensiune a unui cristal și a fost primul care a construit un detector generator, adică un receptor detector capabil să amplifice oscilațiile electromagnetice. Losev și-a bazat dispozitivul pe o pereche de contact a unui vârf de metal și a unui cristal de zincit (oxid de zinc), căruia i s-a aplicat o tensiune mică. Dispozitivul lui Losev a intrat în istoria electronicii semiconductoare ca „kristadin”. Este de remarcat faptul că continuarea cercetărilor în această direcție a dus la crearea în 1958 a diodelor tunel, care și-au găsit aplicație în tehnologia computerelor în anii 1960. Losev a fost primul care a descoperit un nou fenomen - strălucirea cristalelor de carborundum atunci când un curent trece printr-un punct de contact. Omul de știință a explicat acest fenomen prin existența în contactul de detectare a unui „strat activ” (numit mai târziu joncțiunea p-n, de la p - pozitiv, n - negativ).

În 1926, fizicianul sovietic Ya. I. Frenkel a prezentat o ipoteză despre defectele structurii cristaline a semiconductorilor, numite „locuri goale” sau, mai frecvent, „găuri”, care s-ar putea deplasa în jurul cristalului. În anii 1930, academicianul A.F. Ioffe a început experimente cu semiconductori la Institutul de Inginerie Fizică din Leningrad.

În 1938, academicianul ucrainean B. I. Davydov și colaboratorii săi au propus o teorie de difuzie a redresării curentului alternativ prin intermediul detectoarelor cu cristale, conform căreia aceasta are loc la limita dintre două straturi de conductori având p-și n- conductivitate. În plus, această teorie a fost confirmată și dezvoltată în studiile lui V. E. Lashkarev, efectuate la Kiev în 1939-1941. El a descoperit că pe ambele părți ale „stratului de barieră” situat paralel cu interfața cupru-oxid de cupru, există purtători de curent de semne opuse (fenomenul de joncțiune p-n) și că introducerea de impurități în semiconductori crește brusc capacitatea acestora de a conduce. curent electric. Lashkarev a descoperit și mecanismul de injecție (transferul purtătorilor de curent) - un fenomen care stă la baza acțiunii diodelor și tranzistoarelor semiconductoare.

Activitatea sa a fost întreruptă de izbucnirea războiului, dar după ce acesta s-a încheiat, Lashkarev s-a întors la Kiev și în 1946 a reluat cercetările. El a descoperit curând difuzia bipolară a purtătorilor de curent neechilibrați în semiconductori, iar la începutul anilor 1950 a realizat primele tranzistoare punctuale în laborator. Faptul că rezultatele operațiunii lor de probă au fost încurajatoare este confirmat de următorul episod curios.

Pionierul tehnologiei informatice sovietice, academicianul S. A. Lebedev, care a creat primul computer sovietic MESM la Kiev (1949-1951) și a fondat acolo o școală științifică, a venit la Kiev la împlinirea a 50 de ani (2 noiembrie 1952). Acolo a auzit de tranzistorii lui Lashkarev și, ignorând sărbătorile pregătite în cinstea lui (și lui Lebedev nu-i plăcea deloc nicio oficialitate, crezând pe bună dreptate că este o pierdere de timp), a mers direct la laboratorul de la Institutul de Fizică al Academiei. de Științe ale RSS Ucrainene. După ce a făcut cunoștință cu Lashkarev și evoluțiile sale, Lebedev a sugerat ca studentul absolvent A. Kondalev, care l-a însoțit, să înceapă să proiecteze o serie de dispozitive computerizate bazate pe noi tranzistori și diode, pe care le-a făcut după un stagiu de trei luni cu Lashkarev. (Acest caz i-a fost spus autorului de un alt student postuniversitar al lui Lebedev, acum academician al Ucrainei B.N. Malinovsky, care a fost prezent și el la întâlnire și ulterior s-a alăturat lucrării menționate.) Adevărat, informații despre orice dezvoltare industrială a acestui proiect - la cel puțin în domeniul civil - absent, dar acest lucru este de înțeles: producția de masă de tranzistori în acei ani nu exista încă.

Utilizarea pe scară largă a tranzistorilor în întreaga lume a început mai târziu. Cu toate acestea, meritele științifice ale lui Lashkarev au fost apreciate: a condus noul Institut de Semiconductori al Academiei de Științe a Ucrainei, care a fost deschis în 1960.

Teoria joncțiunii p-n propusă de Davydov a fost dezvoltată ulterior de W. Shockley în SUA. În 1947, W. Brattain și J. Bardeen, lucrând sub conducerea lui Shockley, au descoperit efectul tranzistorului în detectoare bazate pe cristale de germaniu. (Este curios că experimentele lor au fost similare cu experimentele de dinainte de război ale inginerului electric german R. V. Pohl, care în 1937, împreună cu R. Hilsch, au creat un amplificator bazat pe un singur cristal de bromură de galiu.) În 1948, rezultatele cercetărilor lui Shockley au fost publicate și primele tranzistoare cu germaniu au fost fabricate cu punct de contact. Desigur, erau departe de a fi perfecte. În plus, designul lor încă purta caracteristicile unei instalații de laborator (care, totuși, este tipic pentru perioada inițială de utilizare a oricărei astfel de invenții). Caracteristicile primelor tranzistoare au fost instabile și imprevizibile și, prin urmare, aplicarea lor practică reală a început deja după 1951, când Shockley a creat un tranzistor mai fiabil - unul planar, format din trei straturi de germaniu de tip n-p-n cu o grosime totală de 1. cm. Pentru descoperiri în domeniul semiconductorilor și invenția tranzistorului Shockley, Bardeen și Brattain au împărțit Premiul Nobel pentru Fizică în 1956 (interesant, Bardeen este singurul fizician care a câștigat Premiul Nobel de două ori: a doua oară în 1972 pentru dezvoltarea teoria supraconductivităţii).

În URSS, lucrările la tranzistori au fost efectuate aproape în același ritm ca în străinătate. În paralel cu laboratorul de la Kiev de la Lashkarev, grupul de cercetare al inginerului de la Moscova A. V. Krasilov a creat în 1948 diode cu germaniu pentru stațiile radar. În februarie 1949, Krasilov și asistentul său S. G. Madoyan (la acea vreme student la Institutul de Tehnologie Chimică din Moscova, care își făcea teza pe tema „Tranzistor punctual”) au observat pentru prima dată efectul tranzistorului. Adevărat, prima probă de laborator a funcționat nu mai mult de o oră și apoi a necesitat o nouă setare. În același timp, Krasilov și Madoyan au publicat primul articol în Uniunea Sovietică despre tranzistori, numit „Crystal Triode”.

Cam in acelasi timp, tranzistoarele punctuale au fost dezvoltate si in alte laboratoare din tara. Deci, în 1950, au fost create mostre experimentale de tranzistoare cu germaniu la Institutul de Fizică al Academiei de Științe (B. M. Vul, A. V. Rzhanov, V. S. Vavilov etc.) și Institutul de Fizică și Tehnologie Leningrad (V. M. Tuchkevich, D.N. Nasledov).

În 1953, a fost organizat primul institut de semiconductori al URSS (acum Institutul de Cercetare Pulsar). Laboratorul lui Krasilov a fost transferat acolo, în care Madoyan a dezvoltat primele tranzistoare de germaniu din aliaj. Dezvoltarea lor este asociată cu extinderea limitei de frecvență și cu o creștere a eficienței tranzistorului. Lucrări relevante au fost efectuate împreună cu laboratorul profesorului S. G. Kalashnikov de la TsNII-108 (acum GosTsNIRTI): a început o nouă perioadă, caracterizată prin cooperarea diferitelor organizații specializate în domeniul semiconductorilor. La sfârșitul anilor 1940, aceleași descoperiri au fost adesea făcute independent una de cealaltă, iar autorii lor nu aveau informații despre realizările colegilor lor. Motivul acestui „paralelism științific” a fost secretul cercetării în domeniul electronicii, care avea semnificație de apărare. O imagine similară a fost observată în timpul creării primelor calculatoare electronice - viitorii consumatori de tranzistori. De exemplu, S. A. Lebedev, care a început să lucreze la primul său computer la Kiev, nu a bănuit că, în același timp, la Moscova, academicianul I. S. Bruk și asistenții săi lucrau și la un proiect de computer digital electronic.

Cu toate acestea, secretul nu a fost în niciun caz o „trăsătură sovietică”: evoluțiile apărării sunt clasificate în întreaga lume. Invenția tranzistorului a fost, de asemenea, strict clasificată de Bell (unde lucra Shockley la acea vreme), iar primul raport despre el a apărut tipărit abia la 1 iulie 1948: într-un mic articol din The New York Times, care, fără mai multe detalii, a raportat cu privire la crearea unei unități Bell Telephone Laboratories dispozitiv electronic cu stare solidă care a înlocuit tubul vidat.

Odată cu formarea unei rețele de organizații speciale de cercetare, dezvoltarea tranzistoarelor s-a accelerat în mod constant. La începutul anilor 1950, la NII-160, F. A. Shchigol și N. N. Spiro au produs zilnic zeci de tranzistoare punctiforme de tip C1-C4, iar M. M. Samokhvalov a dezvoltat la NII-35 noi soluții pentru tehnologia de grup, „fuziune - difuzie” pentru a obține o bază subțire de tranzistori RF. În 1953, pe baza studiilor asupra proprietăților termoelectrice ale semiconductorilor, A.F. Ioffe a creat o serie de generatoare termoelectrice, iar tranzistoarele plane P1, P2, P3 au fost fabricate la NII-35. În curând, în laboratorul lui S. G. Kalashnikov a fost obținut un tranzistor cu germaniu pentru frecvențe de 1,0 - 1,5 MHz, iar F. A. Shchigol a proiectat tranzistoare din aliaj de siliciu de tip P501-P503.

În 1957, industria sovietică a produs 2,7 milioane de tranzistori. Începutul creării și dezvoltării tehnologiei rachetelor și spațiale, apoi computerele, precum și nevoile de instrumentare și alte sectoare ale economiei, au fost complet satisfăcute de tranzistori și alte componente electronice ale producției interne.

Tranzistorul este condiția prealabilă pentru toate microelectronicele moderne. Dacă s-ar folosi tuburi cu raze catodice în loc de tranzistori într-un telefon mobil obișnuit, dispozitivul ar lua dimensiunea Catedralei din Köln.

rezistență de transfer

În Ajunul Crăciunului 1947, Bell Telephone Laboratories William Shockley, Walter Brattain și John Bardeen au demonstrat personalului firmei lor primul tranzistor bazat pe material semiconductor de germaniu. Cam în același timp, oamenii de știință germani Herbert Franz Mathare și Heinrich Welker au dezvoltat așa-numitul „tranzistor francez” și au primit un brevet pentru acesta în 1848. În același an, Robert Denk a proiectat primul receptor radio cu tranzistori bazat pe un electrod acoperit cu oxid. Denk nu și-a brevetat invenția și chiar a distrus singura copie a receptorului pentru a evita abuzul.

Silicon a câștigat

Cu toate acestea, oamenii de știință au fost încă nevoiți să lucreze din greu la selecția materialului până când piesele semiconductoare au fost capabile să îndeplinească cerințele tehnice. Din 1955, a început producția de masă de tranzistori de siliciu, care au înlocuit rapid tuburile cu vid dintr-o varietate de dispozitive. Avantajul tranzistorilor este că sunt mult mai mici și nu se încălzesc atât de mult. Acum a devenit posibil să se construiască computere care nu ocupă o încăpere întreagă. A apărut în anii 1960. circuitele integrate au necesitat dezvoltarea unor tranzistori din ce în ce mai mici, astfel încât în ​​timp s-au micșorat de o mie de ori și au devenit mai subțiri decât un fir de păr.

• 1925: Julius Edgar Lilienfeld a creat teoria pentru tranzistori, dar nu a reușit să le transforme în realitate.
• 1934: Oscar Hale inventează FET-ul.
• 1953: Primii tranzistori în aparatele auditive.
• 1971: Primul microprocesor este Intel 4004.

Invenția tranzistorului, care a devenit cea mai importantă realizare a secolului al XX-lea, este asociată cu numele multor oameni de știință remarcabili. Despre cei care au creat și dezvoltat electronica semiconductoare și vor fi discutate în acest articol.

În urmă cu exact 50 de ani, americanii John Bardeen, Walter Brattain și William Shockley (Fig. 1) au primit Premiul Nobel pentru Fizică „pentru cercetarea în domeniul semiconductorilor și descoperirea tranzistorului”. Cu toate acestea, o analiză a istoriei științei arată clar că descoperirea tranzistorului nu este doar un succes binemeritat pentru Bardeen, Brattain și Shockley.

Orez. 1. Câștigători ai Premiului Nobel pentru Fizică pentru 1956

Primele experiențe

Nașterea electronicii cu stare solidă poate fi urmărită încă din 1833. Atunci Michael Faraday (Fig. 2), experimentând cu sulfura de argint, a descoperit că conductivitatea acestei substanțe (și era, așa cum o numim acum, un semiconductor) crește odată cu creșterea temperaturii, spre deosebire de conductivitatea metalelor. , care în acest caz scade. De ce se întâmplă asta? Cu ce ​​este legat? Faraday nu a putut răspunde la aceste întrebări.

Următoarea piatră de hotar în dezvoltarea electronicii cu stare solidă a fost 1874. Fizicianul german Ferdinand Braun (Fig. 3), viitorul laureat Nobel (în 1909 va primi premiul „Pentru contribuția remarcabilă la crearea telegrafiei fără fir”) publică un articol în revista Analen der Physik und Chemie, în care , folosind exemplul „metalelor naturale și artificiale cu sulf” descrie cea mai importantă proprietate a semiconductorilor - de a conduce curentul electric într-o singură direcție. Proprietatea de rectificare a unui contact semiconductor-metal a contrazis legea lui Ohm. Brown (Fig. 4) încearcă să explice fenomenul observat și efectuează cercetări suplimentare, dar fără rezultat. Fenomenul este acolo, nu există nicio explicație. Din acest motiv, contemporanii lui Brown nu au fost interesați de descoperirea sa și doar cinci decenii mai târziu, proprietățile de redresare ale semiconductorilor au fost folosite în receptorii detectorului.

Orez. 3. Ferdinand Brown

Orez. 4. Ferdinand Braun în laboratorul său

Anul 1906. Inginerul american Greenleaf Witter Pickard (Fig. 5) primește un brevet pentru un detector cu cristale (Fig. 6). În cererea sa de brevet, el scrie: „Contactul dintre un conductor subțire de metal și suprafața unor materiale cristaline (siliciu, galenă, pirita etc.) redresează și demodulează curentul alternativ de înaltă frecvență care apare în antenă la recepția radio. valuri."

Orez. 5. Greenleaf Picard

Orez. 6. Schema schematică a detectorului de cristale al lui Picard

Un conductor subțire de metal, cu ajutorul căruia s-a făcut contact cu suprafața cristalului, în exterior semăna foarte mult cu mustața unei pisici.

Detectorul cu cristale al lui Picard a început să se numească „mustă de pisică”.

Pentru a „insufla viață” detectorului Picard și a-l face să funcționeze stabil, a fost necesar să se găsească punctul cel mai sensibil de pe suprafața cristalului. Acest lucru nu a fost ușor de făcut. Se nasc o mulțime de modele ingenioase de „mustă de pisică” (Fig. 7), facilitând căutarea punctului prețuit, dar intrarea rapidă în fruntea ingineriei radio cu tuburi vid trimite detectorul Picard în culise pentru o lungă perioadă de timp.

Orez. 7. Opțiunea de proiectare „mustă de pisică”

Totuși, „mustața pisicii” este mult mai simplă și mai mică decât diodele de vid și mult mai eficientă la frecvențe înalte. Dar ce se întâmplă dacă înlocuim trioda cu vid, pe care se baza toată electronica radio din acea vreme, (Fig. 8) cu un semiconductor? Este posibil? La începutul secolului al XX-lea, această întrebare bântuia mulți oameni de știință.

Orez. 8. Triodă de vid

Losev

Rusia Sovietica. 1918 Din ordinul personal al lui Lenin, la Nijni Novgorod este creat un laborator de inginerie radio (Fig. 9). Noul guvern are mare nevoie de comunicații „telegraf fără fir”. Cei mai buni ingineri radio din acea vreme - M. A. Bonch-Bruevich, V. P. Vologdin, V. K. Lebedinsky, V. V. Tatarinov și mulți alții sunt implicați în lucrările din laborator.

Orez. 9. Laboratorul radio Nijni Novgorod

Ajunge la Nijni Novgorod și Oleg Losev (Fig. 10).

Orez. 10. Oleg Vladimirovici Losev

După ce a absolvit școala reală din Tver în 1920 și a intrat fără succes la Institutul de Comunicații din Moscova, Losev a fost de acord cu orice loc de muncă, atâta timp cât a fost acceptat în laborator. Îl iau drept mesager. Pensiunile nu trebuie să fie mesageri.

Losev, în vârstă de 17 ani, este gata să locuiască în laborator, pe palierul din fața podului, fie și doar pentru a face ceea ce îi place.

De mic a fost pasionat de comunicarea radio. În timpul Primului Război Mondial, la Tver a fost construită o stație de recepție radio. Sarcinile sale includeau primirea mesajelor de la aliații Rusiei din Antanta și apoi transmiterea lor prin telegraf către Petrograd. Losev a vizitat adesea postul de radio, a cunoscut mulți angajați, i-a ajutat și nu și-a putut imagina viața viitoare fără inginerie radio. În Nijni Novgorod, nu a avut nici o familie, nici o viață normală, dar principalul lucru a fost oportunitatea de a comunica cu specialiști în domeniul comunicațiilor radio, de a învăța din experiența și cunoștințele lor. După finalizarea lucrărilor necesare în laborator, i s-a permis să se angajeze în experimente independente.

La acea vreme practic nu exista niciun interes pentru detectoarele cu cristale. În laborator, nimeni nu a fost deosebit de interesat de acest subiect. Prioritatea în cercetare a fost acordată tuburilor radio. Losev își dorea foarte mult să lucreze independent. Perspectiva de a obține o zonă limitată de lucru „pe lămpi” nu-l inspiră în niciun fel. Poate acesta este motivul pentru care alege un detector de cristale pentru cercetarea sa. Scopul lui este de a îmbunătăți detectorul, de a-l face mai sensibil și mai stabil în funcționare. Începând experimentele, Losev a presupus în mod eronat că „datorită faptului că unele contacte dintre metal și cristal nu se supun legii lui Ohm, este probabil să apară oscilații neamortizate într-un circuit oscilator conectat la un astfel de contact”. La acea vreme, se știa deja că pentru autoexcitarea neliniarității caracteristicii curent-tensiune nu este suficientă, trebuie să fie neapărat prezentă o secțiune de cădere. Orice specialist competent nu s-ar aștepta la amplificare de la detector. Dar școlarul de ieri nu știe nimic despre asta. El schimbă cristalele, materialul acului, fixează cu precizie rezultatele și într-o bună zi găsește punctele active dorite în cristale, care asigură generarea de semnale de înaltă frecvență.

„Toată lumea știe din copilărie că asta și asta este imposibil, dar întotdeauna există un ignorant care nu știe asta, el este cel care face descoperirea”, a glumit Einstein.

Losev a efectuat primele studii ale cristalelor generatoare pe cea mai simplă schemă prezentată în Fig. unsprezece.

Orez. 11. Schema primelor experimente ale lui Losev

După ce a testat un număr mare de detectoare cu cristale, Losev a descoperit că cristalele de zincit supuse unui tratament special generează cel mai bine vibrații. Pentru a obține materiale de înaltă calitate, el dezvoltă o tehnologie de preparare a zincitei prin topirea cristalelor naturale într-un arc electric. Cu o pereche de zincit - varf de carbon, la aplicarea unei tensiuni de 10 V, s-a obtinut un semnal radio cu o lungime de unda de 68 m. Cu scaderea generatiei, se implementeaza un mod de detector de amplificare.

Rețineți că detectorul „generator” a fost demonstrat pentru prima dată în 1910 de către fizicianul englez William Eccles (Fig. 12).

Figura 12. William Henry Eccles

Un nou fenomen fizic nu atrage atenția specialiștilor, iar de ceva timp este uitat. De asemenea, Eccles a explicat în mod eronat mecanismul rezistenței „negative” pe baza faptului că rezistența unui semiconductor scade odată cu creșterea temperaturii din cauza efectelor termice care apar la interfața „metal-semiconductor”.

În 1922, primul articol al lui Losev despre un detector de amplificare și generare a apărut pe paginile revistei științifice Telegraphy and Telephony without Wires. În ea, el descrie în detaliu rezultatele experimentelor sale și acordă o atenție deosebită prezenței obligatorii a unei secțiuni de cădere a caracteristicii curent-tensiune a contactului.

În acei ani, Losev s-a implicat activ în autoeducație. Supraveghetorul său imediat, profesorul V. K. Lebedinsky, îl ajută în studiul radiofizicii. Lebedinsky înțelege că tânărul său coleg a făcut o adevărată descoperire și încearcă, de asemenea, să explice efectul observat, dar în zadar. Știința fundamentală din acea vreme nu cunoștea încă mecanica cuantică. Losev, la rândul său, propune ipoteza că la un curent mare în zona de contact, o anumită descărcare electrică apare ca un arc voltaic, dar numai fără încălzire. Această descărcare scurtează rezistența ridicată a contactului, permițând generarea.

Doar treizeci de ani mai târziu au reușit să înțeleagă ceea ce fusese de fapt descoperit. Astăzi am spune că dispozitivul lui Losev este un dispozitiv cu două terminale cu o caracteristică curent-tensiune în formă de N, sau o diodă tunel, pentru care fizicianul japonez Leo Isaki (Fig. 13) a primit Premiul Nobel în 1973.

Orez. 13. Leo Isaki

Conducerea laboratorului Nijni Novgorod a înțeles că nu va fi posibilă reproducerea efectului în serie. După puțină muncă, detectoarele și-au pierdut practic proprietățile de amplificare și generare. Nu se punea problema de a abandona lămpile. Cu toate acestea, semnificația practică a descoperirii lui Losev a fost enormă.

În anii 1920, în întreaga lume, inclusiv în Uniunea Sovietică, radioamatorii a devenit o epidemie. Radioamatorii sovietici folosesc cele mai simple receptoare detectoare asamblate conform schemei Shaposhnikov (Fig. 14).

Orez. 14. Receptor detector Shaposhnikov

Se folosesc antene înalte pentru a crește volumul și gama de recepție. În orașe, a fost dificil să se folosească astfel de antene din cauza interferențelor industriale. În zonele deschise, unde practic nu există interferențe, recepția bună a semnalelor radio nu a fost întotdeauna posibilă din cauza calității proaste a detectorilor. Introducerea rezistenței negative a unui detector cu zincit în circuitul de antenă al receptorului, setat într-un mod apropiat de autoexcitare, a amplificat semnificativ semnalele primite. Radioamatorii au reușit să audă cele mai îndepărtate posturi. A existat o creștere semnificativă a selectivității. Și asta fără utilizarea tuburilor cu vid!

Lămpile nu erau ieftine și necesitau o sursă de alimentare specială, iar detectorul Losev putea funcționa cu baterii obișnuite pentru o lanternă.

Drept urmare, s-a dovedit că receptoarele simple proiectate de Shaposhnikov cu generatoare de cristale fac posibilă efectuarea recepției heterodine, care la acea vreme era cel mai recent cuvânt în tehnologia radio. În articolele ulterioare, Losev descrie o tehnică de căutare rapidă a punctelor active de pe suprafața zincitei și înlocuiește vârful de carbon cu unul metalic. El oferă recomandări cu privire la modul de prelucrare a cristalelor și oferă mai multe scheme practice de autoasamblare a receptoarelor radio (Fig. 15).

Orez. 15. Diagrama principală a kristadinului de O. V. Losev

Dispozitivul lui Losev permite nu numai să primească semnale pe distanțe lungi, ci și să le transmită. Radioamatorii în masă, pe baza generatoare-detectoare, fabrică transmițătoare radio care mențin comunicarea pe o rază de câțiva kilometri. Pamfletul lui Losev a fost publicat în curând (Fig. 16). Este vândut în milioane de exemplare. Radioamatori entuziaști au scris la diferite reviste de știință de popularitate că „cu ajutorul unui detector de zincit în Tomsk, de exemplu, se aude posturile din Moscova, Nijni și chiar străine”.

Orez. 16. Pamfletul lui Losev, ediția 1924

Losev primește brevete pentru toate soluțiile sale tehnice, începând cu „Detectorul receptor-heterodin”, declarat în decembrie 1923.

Articolele lui Losev sunt publicate în reviste precum ZhETF, Doklady AN SSSR, Radio Revue, Philosophical Magazine, Physikalische Zeitschrift.

Losev devine o celebritate și totuși nu are încă douăzeci de ani!

De exemplu, prefața editorială la articolul lui Losev „Oscillating Crystals” din revista americană The Wireless World and Radio Review din octombrie 1924 afirmă: „Autorul acestui articol, domnul Oleg Losev din Rusia, într-o descoperire relativ scurtă a proprietăților oscilatorii. în unele cristale.

O altă revistă americană, Radio News, publică cam în aceeași perioadă un articol la rubrica „Invenție senzațională”, care notează: „Nu este nevoie să demonstrăm că aceasta este o invenție radio revoluționară. În curând vom vorbi despre un circuit cu trei sau șase cristale, deoarece acum vorbim despre un circuit cu trei sau șase tuburi amplificatoare. Va dura câțiva ani pentru ca cristalul generator să fie suficient de îmbunătățit pentru a deveni mai bun decât un tub cu vid, dar preconizăm că va veni timpul.”

Autorul acestui articol, Hugo Gernsbeck, numește receptorul cu stare solidă al lui Losev o kristadină (cristal + oscilator local). Și nu numai nume, ci și înregistrează prudent numele ca marcă înregistrată (Fig. 17). Cererea de cristadine este mare.

Orez. 17. Detectorul de cristale al lui Losev. Fabricat de Radio News Laboratories. SUA, 1924

Este interesant faptul că, atunci când tehnicienii radio germani vin la laboratorul Nijni Novgorod pentru a se familiariza personal cu Losev, ei nu își cred ochilor. Sunt uimiți de talentul și vârsta fragedă a inventatorului. În scrisorile din străinătate, Losev nu era numit altceva decât profesor. Nimeni nu și-ar fi putut imagina că profesorul tocmai învață elementele de bază ale științei. Cu toate acestea, foarte curând Losev va deveni un fizician experimental strălucit și va face din nou lumea să vorbească despre sine.

În laborator, din postura de mesager, este transferat la asistenți de laborator și i se asigură locuință. În Nijni Novgorod, Losev se căsătorește (cu toate acestea, fără succes, după cum sa dovedit mai târziu), își echipează viața și continuă să se ocupe de cristale.

În 1928, prin decizia guvernului, subiectele laboratorului de radio Nijni Novgorod, împreună cu angajații, au fost transferate la Laboratorul central de radio din Leningrad, care, la rândul său, a fost de asemenea reorganizat constant. La noua locație, Losev a continuat să lucreze la semiconductori, dar în curând Laboratorul Central Radio a fost transformat în Institutul de Recepție și Acustica Broadcast. Noul institut are propriul program de cercetare, sfera de activitate este restrânsă. Asistent de laborator Losev reușește să obțină un loc de muncă part-time la Institutul de Fizică și Tehnologie Leningrad (LFTI), unde are ocazia să continue cercetările asupra noilor efecte fizice în semiconductori. La sfârșitul anilor 1920, Losev a avut ideea de a crea un analog în stare solidă al unui tub radio cu vid cu trei electrozi.

În 1929–1933, la sugestia lui A.F. Ioffe, Losev a efectuat cercetări asupra unui dispozitiv semiconductor care a repetat complet proiectarea unui tranzistor punctual. După cum știți, principiul de funcționare al acestui dispozitiv este controlul curentului care curge între doi electrozi folosind un electrod suplimentar. Losev a observat de fapt acest efect, dar, din păcate, coeficientul general al unui astfel de control nu a permis obținerea amplificării semnalului. În acest scop, Losev a folosit doar un cristal de carborundum (SiC), și nu un cristal de zincit (ZnO), care avea caracteristici semnificativ mai bune într-un amplificator cu cristal (Ce este ciudat! Ar trebui să nu știe despre proprietățile acestui cristal.) Până la recent, se credea că, după plecarea forțată de la LPTI, Losev nu a revenit la ideea amplificatoarelor cu semiconductor. Cu toate acestea, există un document destul de curios scris de Losev însuși. Este datată 12 iulie 1939 și se păstrează în prezent la Muzeul Politehnic. Acest document, intitulat „Biografia lui Oleg Vladimirovici Losev”, conține, pe lângă fapte interesante despre viața sa, o listă de rezultate științifice. Următoarele rânduri prezintă un interes deosebit: „S-a stabilit că un sistem cu trei electrozi poate fi construit cu semiconductori, similar unei triode, ca o triodă, dând caracteristici care prezintă rezistență negativă. Aceste lucrări sunt în prezent pregătite de mine pentru publicare…”.

Din păcate, soarta acestor lucrări, care ar putea schimba complet ideea istoriei descoperirii tranzistorului, cea mai revoluționară invenție a secolului al XX-lea, nu a fost încă stabilită.

Vorbind despre contribuția remarcabilă a lui Oleg Vladimirovici Losev la dezvoltarea electronicii moderne, este pur și simplu imposibil să nu menționăm descoperirea sa a diodei emițătoare de lumină.

Amploarea acestei descoperiri rămâne încă de înțeles. Nu va trece mult timp și în fiecare casă, în loc de obișnuita lampă cu incandescență, vor arde „generatoare electronice de lumină”, așa cum a numit Losev LED-uri.

În 1923, în timp ce experimenta cu kristadine, Losev a atras atenția asupra strălucirii cristalelor atunci când trecea un curent electric prin ele. Detectoarele de carborundum au strălucit deosebit de puternic. În anii 1920, în Occident, fenomenul electroluminiscenței a fost la un moment dat chiar numit „lumina Losev” (lumina Losev, Lossew Licht). Losev a preluat studiul și explicația electroluminiscenței obținute. El a fost primul care a apreciat perspectivele enorme ale unor astfel de surse de lumină, subliniind luminozitatea și viteza lor ridicate. Losev a devenit proprietarul primului brevet pentru invenția unui dispozitiv releu de lumină cu o sursă de lumină electroluminiscentă.

În anii 70 ai secolului XX, când LED-urile au început să fie utilizate pe scară largă, în revista Electronic World a fost găsit un articol al englezului Henry Round pentru 1907, în care autorul, fiind angajat al laboratorului Marconi, relata că a văzut o strălucire în contactul unui detector de carborundum atunci când i se aplică un câmp electric extern. Nu au fost date considerații care să explice fizica acestui fenomen. Această notă nu a avut niciun impact asupra cercetărilor ulterioare în domeniul electroluminiscenței, cu toate acestea, autorul articolului este astăzi considerat oficial descoperitorul LED-ului.

Losev a descoperit în mod independent fenomenul electroluminiscenței și a efectuat o serie de studii pe exemplul unui cristal de carborundum. El a evidențiat două fenomene fizic diferite care sunt observate la polarități de tensiune diferite pe contacte. Meritul său neîndoielnic este descoperirea efectului electroluminiscenței pre-defalcare, pe care a numit-o „strălucire numărul unu”, și electroluminiscența prin injecție - „strălucire numărul doi”. Astăzi, efectul luminiscenței pre-defalcare este utilizat pe scară largă în crearea de afișaje electroluminiscente, iar electroluminiscența prin injecție este baza LED-urilor și laserelor semiconductoare. Losev a reușit să facă progrese semnificative în înțelegerea fizicii acestor fenomene cu mult înainte de crearea teoriei benzilor a semiconductorilor. Ulterior, în 1936, strălucirea numărul unu a fost redescoperită de fizicianul francez Georges Destriaux. În literatura științifică, este cunoscut sub numele de „efectul Destrio”, deși Destrio însuși a acordat prioritate descoperirii acestui fenomen lui Oleg Losev. Probabil că ar fi nedrept să contestam prioritatea Rundei în deschiderea LED-ului. Și totuși nu trebuie să uităm că Marconi și Popov sunt considerați pe bună dreptate inventatorii radioului, deși toată lumea știe că Hertz a fost primul care a observat undele radio. Și există multe astfel de exemple în istoria științei.

În articolul său Subhistory of Light Emitting Diode, celebrul om de știință american în electroluminiscență Egon Lobner scrie despre Losev: „Prin cercetările sale de pionierat în domeniul LED-urilor și fotodetectorilor, el a contribuit la progresul viitor al comunicației optice. Cercetările sale au fost atât de precise, iar publicațiile sale atât de clare, încât acum se poate imagina cu ușurință ce se petrecea atunci în laboratorul său. Alegerea sa intuitivă și arta experimentării sunt pur și simplu uimitoare.”

Astăzi înțelegem că este imposibil să ne imaginăm dezvoltarea electronicii cu stare solidă fără teoria cuantică a structurii semiconductorilor. Prin urmare, talentul lui Losev este uimitor. Încă de la început a văzut natura fizică unificată a Kristadinului și fenomenul de luminescență prin injecție, iar în acest sens a fost cu mult înaintea timpului său.

După el, cercetările asupra detectoarelor și electroluminiscenței s-au desfășurat separat unele de altele, ca zone independente. O analiză a rezultatelor arată că timp de aproape douăzeci de ani de la apariția lucrării lui Losev, nu s-a făcut nimic nou în ceea ce privește înțelegerea fizicii acestui fenomen. Abia în 1951, fizicianul american Kurt Lehovetz (Fig. 18) a stabilit că detecția și electroluminiscența sunt de aceeași natură, asociate cu comportamentul purtătorilor de curent în joncțiunile p-n.

Orez. 18. Kurt Lechovec

Trebuie remarcat faptul că, în lucrarea sa, Lekhovets citează în primul rând lucrarea lui Losev despre electroluminiscență.

În 1930–31 Losev a efectuat o serie de experimente la nivel experimental înalt cu secțiuni oblice care întind zona studiată și un sistem de electrozi incluși în circuitul de măsurare de compensare pentru măsurarea potențialelor în diferite puncte ale secțiunii transversale a structurii stratificate. Prin deplasarea unei „mustăți de pisică” de metal de-a lungul secțiunii, el a arătat, cu o precizie de până la un micron, că partea de aproape de suprafață a cristalului are o structură complexă. El a dezvăluit un strat activ de aproximativ zece microni grosime în care s-a observat fenomenul de luminiscență prin injecție. Pe baza rezultatelor experimentelor, Losev a făcut ipoteza că cauza conductivității unipolare este diferența dintre condițiile de mișcare a electronilor de pe ambele părți ale stratului activ (sau, așa cum am spune astăzi, diferite tipuri de conductivitate). Ulterior, experimentând cu trei sau mai multe sonde cu electrozi situate în aceste zone, el și-a confirmat cu adevărat presupunerea. Aceste studii sunt o altă realizare semnificativă a lui Losev ca fizician.

În 1935, ca urmare a unei noi reorganizări a institutului de radiodifuziune și a relațiilor dificile cu conducerea, Losev a rămas fără loc de muncă. Asistentului de laborator Losev i sa permis să facă descoperiri, dar să nu se bucure de razele gloriei. Și asta în ciuda faptului că numele lui era bine cunoscut de puternicii acestei lumi. Într-o scrisoare din 16 mai 1930, academicianul A.F.Ioffe îi scrie colegului său Paul Ehrenfest: „Din punct de vedere științific, am o serie de succese. Astfel, Losev a obținut o strălucire în carborundum și alte cristale sub acțiunea electronilor de 2-6 volți. Limita strălucirii în spectru este limitată...”.

Multă vreme, Losev a avut propriul loc de muncă la LPTI, dar nu-l duc la institut, este o persoană prea independentă. Toate lucrările au fost realizate independent - nu există co-autori în niciunul dintre ele.

Cu ajutorul prietenilor, Losev obține un loc de muncă ca asistent la Departamentul de Fizică al Primului Institut Medical. Într-un loc nou, îi este mult mai dificil să facă lucrări științifice, deoarece nu există echipamentul necesar. Cu toate acestea, ținându-și scopul de a alege un material pentru fabricarea de fotocelule și fotorezistoare, Losev continuă să studieze proprietățile fotoelectrice ale cristalelor. El studiază peste 90 de substanțe și evidențiază siliciul cu fotosensibilitatea sa vizibilă.

La acea vreme nu existau suficiente materiale pure pentru a realiza o reproducere fidelă a rezultatelor obținute, dar Losev (pentru a eneasima oară!) înțelege intuitiv că viitorul aparține acestui material. La începutul anului 1941, a început să lucreze la un nou subiect - „Metoda fotorezistoarelor electrolitice, fotosensibilitatea unor aliaje de siliciu”. Când a început Marele Război Patriotic, Losev nu a plecat la evacuare, dorind să completeze un articol în care a prezentat rezultatele cercetărilor sale asupra siliciului. Se pare că a reușit să termine lucrarea, deoarece articolul a fost trimis editorilor ZhETF. Până atunci, redacția fusese deja evacuată din Leningrad. Din păcate, după război nu au putut fi găsite urme ale acestui articol, iar acum se poate doar ghici despre conținutul său.

La 22 ianuarie 1942, Oleg Vladimirovici Losev a murit de foame în Leningradul asediat. Avea 38 de ani.

În același 1942, în SUA, Sylvania și Western Electric au început producția industrială de diode punctiforme de siliciu (și puțin mai târziu, germaniu), care au fost folosite ca detectoare mixer în radare. Moartea lui Losev a coincis cu nașterea tehnologiei cu siliciu.

trambulină militară

În 1925, American Telephone and Telegraph Corporation (AT&T) deschide centrul de cercetare și dezvoltare Bell Telephone Laboratories. În 1936, directorul Bell Telephone Laboratories, Mervyn Kelly, decide să formeze un grup de oameni de știință care să efectueze o serie de studii menite să înlocuiască amplificatoarele cu tub cu cele semiconductoare. Grupul a fost condus de Joseph Becker, care i-a adus pe fizicianul teoretician William Shockley și pe genialul experimentator Walter Brattain.

După ce și-a terminat doctoratul la Massachusetts Institute of Technology, celebrul MIT, și s-a alăturat Bell Telephone Laboratories, Shockley, fiind o persoană excepțional de ambițioasă și ambițioasă, se pune energic la treabă. În 1938, în registrul de lucru al tânărului Shockley, în vârstă de 26 de ani, apare prima schiță a unei triode semiconductoare. Ideea este simplă și nu originală: să faci un dispozitiv cât mai asemănător cu un tub vidat, cu singura diferență că electronii din el vor curge printr-un semiconductor filamentos subțire, și nu vor zbura în vid între catod și anod. Pentru a controla curentul semiconductorului, trebuia să se introducă un electrod suplimentar (analog cu rețeaua) - aplicându-i o tensiune de polaritate diferită. Astfel, va fi posibil fie scăderea, fie creșterea numărului de electroni din filament și, în consecință, modificarea rezistenței și a fluxului de curent. Totul este ca intr-un tub radio, doar fara vid, fara recipient de sticla voluminos si fara incalzire a catodului. Expulzarea electronilor din filament sau afluxul lor ar fi trebuit să se producă sub influența câmpului electric creat între electrodul de control și filament, adică datorită efectului de câmp. Pentru a face acest lucru, firul trebuie să fie precis semiconductor. Există prea mulți electroni într-un metal și niciun câmp nu îi poate forța să iasă, dar practic nu există electroni liberi într-un dielectric. Shockley trece la calcule teoretice, dar toate încercările de a construi un amplificator cu stare solidă nu duc la nimic.

În același timp, în Europa, fizicienii germani Robert Pohl și Rudolf Hilsch au creat un amplificator cu cristal de contact de lucru cu trei electrozi pe bază de bromură de potasiu. Dispozitivul german nu a reprezentat însă nicio valoare practică. Avea o frecvență de operare foarte scăzută. Există dovezi că, în prima jumătate a anilor 1930, amplificatoarele semiconductoare cu trei electrozi au fost „asamblate” de doi radioamatori, canadianul Larry Kaiser și școlarul neozeelandez Robert Adams. Adams, care mai târziu a devenit inginer radio, a observat că nu i-a trecut niciodată prin cap să depună un brevet pentru o invenție, deoarece a obținut toate informațiile pentru amplificatorul său din reviste de radio amatori și din alte surse deschise.

Prin 1926–1930 includ lucrările lui Julius Lilienfeld (Fig. 19), profesor la Universitatea din Leipzig, care a brevetat proiectarea unui amplificator cu semiconductor, cunoscut acum ca un tranzistor cu efect de câmp (Fig. 20).

Orez. 19. Julius Lilienfeld

Orez. 20. Brevetul lui Yu. Lilienfeld pentru un tranzistor cu efect de câmp

Lilienfeld a presupus că atunci când o tensiune este aplicată unui material slab conductiv, conductivitatea acestuia se va modifica și, ca urmare, va avea loc o creștere a oscilațiilor electrice. În ciuda obținerii unui brevet, Lilienfeld nu a reușit să creeze un dispozitiv funcțional. Motivul a fost cel mai prozaic - în anii 30 ai secolului al XX-lea nu a fost încă găsit materialul necesar, pe baza căruia să poată fi realizat un tranzistor funcțional. De aceea, eforturile majorității oamenilor de știință din acea vreme au fost îndreptate către inventarea unui tranzistor bipolar mai complex. Astfel, au încercat să ocolească dificultățile apărute în implementarea tranzistorului cu efect de câmp.

Lucrările la amplificatorul cu stare solidă de la Bell Telephone Laboratories au fost întrerupte de izbucnirea celui de-al Doilea Război Mondial. William Shockley și mulți dintre colegii săi sunt detașați la Ministerul Apărării, unde lucrează până la sfârșitul anului 1945.

Electronica cu stare solidă nu era de interes pentru armată - realizările li s-au părut dubioase. Cu o singură excepție. Detectoare. S-a întâmplat să fie în centrul evenimentelor istorice.

O bătălie epică pentru Marea Britanie a avut loc pe cerul de deasupra Canalului Mânecii, atingând punctul culminant în septembrie 1940. După ocuparea Europei de Vest, Anglia a fost lăsată față în față cu o armată de bombardiere germane care distrugeau apărarea de coastă și pregăteau o aterizare amfibie pentru a captura țara - Operațiunea Sea Lion. Este greu de spus ce a salvat Anglia - un miracol, hotărârea primului ministru Winston Churchill sau stații radar. Radarele apărute la sfârșitul anilor 1930 au făcut posibilă detectarea rapidă și precisă a aeronavelor inamice și organizarea de contramăsuri în timp util. După ce a pierdut peste o mie de avioane pe cerul de deasupra Marii Britanii, Germania nazistă și-a pierdut interesul pentru ideea de a captura Anglia în 1940 și a început să pregătească un blitzkrieg în Est.

Anglia avea nevoie de radare, radare - detectoare cu cristale, detectoare - germaniu pur și siliciu. Germaniul a apărut primul, și în cantități semnificative, în fabrici și laboratoare. Cu siliciul, din cauza temperaturii ridicate a procesării sale, la început au apărut unele dificultăți, dar problema a fost rezolvată în curând. După aceea, s-a dat preferință siliciului. Siliciul era ieftin în comparație cu germaniul. Deci, rampa de lansare pentru a sări la tranzistor era aproape gata.

Al Doilea Război Mondial a fost primul război în care știința, în ceea ce privește importanța ei pentru înfrângerea inamicului, a acționat pe picior de egalitate cu tehnologiile specifice de arme și, într-un fel, chiar le-a depășit. Amintiți-vă de proiectele nucleare și de rachete. Această listă poate include și un proiect de tranzistori, ale cărui premise au fost în mare parte stabilite de dezvoltarea radarului militar.

Deschidere

În anii postbelici, Bell Telephone Laboratories a început să accelereze activitatea în domeniul comunicațiilor globale. Echipamentul anilor 1940 folosea două elemente principale pentru amplificarea, conversia și comutarea semnalelor în circuitele de abonat: un tub de vid și un releu electromecanic. Aceste elemente erau voluminoase, lucrau încet, consumau multă energie și nu erau foarte fiabile. A le îmbunătăți înseamnă a reveni la ideea de a folosi semiconductori. La Bell Telephone Laboratories este reînființat un grup de cercetare (Fig. 21), cu William Shockley, care s-a întors „din război”, devenind directorul științific al acestuia. Echipa include Walter Brattain, John Bardeen, John Pearson, Bert Moore și Robert Gibney.

Orez. 21. Murray Hill, New Jersey, SUA, Bell Laboratories. Locul nașterii tranzistorului.

La început, echipa ia cea mai importantă decizie: să se concentreze pe studierea proprietăților doar a două materiale - siliciu și germaniu, ca fiind cele mai promițătoare pentru implementarea sarcinii. Desigur, grupul a început să dezvolte ideea antebelică a lui Shockley a unui amplificator cu efect de câmp. Dar electronii din interiorul semiconductorului au ignorat cu încăpățânare orice modificări potențiale la electrodul de poartă. De la tensiuni și curenți mari, cristalele au explodat, dar nu au vrut să-și schimbe rezistența.

Teoreticianul John Bardeen s-a gândit la asta. Shockley, care nu a primit un rezultat rapid, și-a pierdut interesul pentru subiect și nu a luat parte activ la lucru. Bardeen a sugerat că o parte semnificativă a electronilor, de fapt, nu „rătăcesc” liber în jurul cristalului, ci se blochează într-un fel de capcane de la suprafața semiconductorului. Sarcina acestor electroni „blocați” protejează câmpul aplicat din exterior, care nu pătrunde în cea mai mare parte a cristalului. Așa a intrat teoria stărilor de suprafață în fizica stării solide în 1947. Acum că cauza eșecurilor părea să fie găsită, grupul a început să implementeze mai semnificativ ideea efectului de câmp. Pur și simplu nu existau alte idei. Au început să trateze suprafața germaniului în diferite moduri, sperând să elimine capcanele de electroni. Am încercat totul - gravare chimică, lustruire mecanică, aplicarea diferitelor pasivatoare pe suprafață. Cristalele au fost scufundate în diverse lichide, dar nu a avut niciun rezultat. Apoi s-a decis localizarea cât mai mult posibil a zonei de control, pentru care unul dintre conductori și electrodul de comandă au fost realizate sub formă de ace cu arc scurt distanțate. Experimentatorul Brattain, care avea 15 ani de experiență cu diverși semiconductori, putea să rotească butoanele unui osciloscop timp de 25 de ore pe zi.

Teoreticianul Bardeen a fost mereu acolo, gata să-și testeze calculele teoretice zi și noapte. Ambii cercetători, după cum se spune, s-au găsit. Practic nu au părăsit laboratorul, dar timpul a trecut și încă nu au existat rezultate semnificative.

Odată ce Brattain, chinuit de eșecuri, a mutat acele aproape aproape, mai mult, a amestecat accidental polaritățile potențialelor aplicate acestora. Omul de știință nu-i venea să-și creadă ochilor. A tresărit, dar ecranul osciloscopului arăta clar amplificarea semnalului. Teoreticianul Bardeen a reacționat cu viteza fulgerului și inconfundabil: nu există efect de câmp și nu este vorba despre el. Amplificarea semnalului are loc dintr-un motiv diferit. În toate estimările anterioare, numai electronii au fost considerați principalii purtători de curent într-un cristal de germaniu, iar „găurile”, care erau de milioane de ori mai mici, au fost în mod natural ignorate. Bardin și-a dat seama că „găurile” erau cele care contau. Introducerea „găurilor” printr-un electrod (acest proces se numește injecție) determină un curent nemăsurat mai mare în celălalt electrod. Și toate acestea pe fondul imuabilității stării unui număr imens de electroni.

Așadar, într-un mod imprevizibil, pe 19 decembrie 1947 s-a născut un tranzistor punctual (Fig. 22).

La început, noul dispozitiv a fost numit triodă cu germaniu. Lui Bardeen și Brattain nu le-a plăcut numele. Nu a sunat. Au vrut ca numele să se termine în „thor”, asemănător unui rezistor sau termistor. Aici ei vin în ajutorul inginerului electronic John Pierce, care cunoștea fluent cuvintele (mai târziu avea să devină un cunoscut divulgator științific și scriitor de ficțiune științifico-fantastică sub pseudonimul J. J. Coupling). Pierce și-a amintit că unul dintre parametrii unei triode în vid este abruptul caracteristicii, în engleză - transconductance. El a sugerat să numească un parametru similar al transrezistenței unui amplificator cu stare solidă și a amplificatorului în sine, iar acest cuvânt doar se învârtea pe limbă, un tranzistor. Tuturor le-a plăcut numele.

La câteva zile după descoperirea remarcabilă, în Ajunul Crăciunului, 23 decembrie 1947, a avut loc prezentarea tranzistorului către conducerea Laboratoarelor Bell Telephone (Fig. 23).

Orez. 23. Tranzistor punct Bardeen-Brattain

William Shockley, aflat în vacanță în Europa, s-a întors de urgență în America. Succesul neașteptat al lui Bardeen și Brattain îi rănește profund vanitatea. El a fost primul care s-a gândit la un amplificator cu semiconductor, a condus grupul, a ales direcția cercetării, dar nu a putut pretinde co-autor în brevetul „stea”. Pe fondul jubilării generale, strălucirii și sunetului paharelor de șampanie, Shockley părea dezamăgit și posomorât. Și atunci se întâmplă ceva care ne va fi mereu ascuns de vălul timpului. Într-o săptămână, pe care Shockley avea să o numească mai târziu „săptămâna sa sfântă”, el a creat teoria unui tranzistor cu joncțiuni p-n care înlocuiau acele exotice, iar în noaptea de Revelion a inventat un tranzistor bipolar plan. (Rețineți că un tranzistor bipolar care funcționează real nu a fost fabricat până în 1950.)

Propunerea unei scheme de circuit pentru un amplificator cu stare solidă mai eficient cu o structură stratificată l-a egalat pe Shockley în descoperirea efectului de tranzistor cu Bardeen și Brattain.

Șase luni mai târziu, pe 30 iunie 1948, la New York, la sediul Bell Telephone Laboratories, după soluționarea tuturor formalităților de brevetare necesare, a avut loc o prezentare deschisă a tranzistorului. La acea vreme, Războiul Rece dintre Statele Unite și Uniunea Sovietică începuse deja, așa că inovațiile tehnice erau evaluate în primul rând de armată. Spre surprinderea tuturor celor prezenți, experții de la Pentagon nu au fost interesați de tranzistor și au recomandat utilizarea lui în aparatele auditive.

Câțiva ani mai târziu, noul dispozitiv a devenit o componentă indispensabilă în sistemul de control al rachetelor militare, dar în acea zi miopia armatei a salvat tranzistorul de la rubrica „top secret”.

Jurnaliştii au reacţionat şi ei la invenţie, fără prea multă emoţie. La pagina patruzeci și șase, în secțiunea „Radio News” din New York Times, era o scurtă notă despre inventarea unui nou dispozitiv radio. Doar daca.

Laboratoarele Bell Telephone nu se așteptau la această evoluție. Ordinele militare cu finanţarea lor generoasă nu au fost prevăzute nici în viitorul îndepărtat. Se ia o decizie urgentă de a vinde tuturor licențe pentru tranzistor. Valoarea tranzacției este de 25 000 de dolari, se înființează un centru de instruire și se organizează seminarii pentru specialiști. Rezultatele nu întârzie să apară (Fig. 24).

Tranzistorul găsește rapid aplicații într-o mare varietate de aplicații, de la echipamente militare și computerizate până la electronice de larg consum. Interesant, primul receptor radio portabil a fost numit așa de multă vreme - un tranzistor.

analog european

Lucrările la crearea unui amplificator semiconductor cu trei electrozi au fost efectuate și pe cealaltă parte a oceanului, dar se cunosc mult mai puține despre ele.

Mai recent, istoricul belgian Armand Van Dormel și profesorul de la Universitatea Stanford Michael Riordan au descoperit că „fratele fratelui tranzistorului” al lui Bardeen-Brattain a fost inventat și chiar comercializat în Europa la sfârșitul anilor 1940.

Inventatorii europeni ai tranzistorului punctual au fost Herbert Franz Matare și Heinrich Johann Welker (Fig. 25). Matare a fost un fizician experimental care a lucrat pentru firma germană Telefunken și a lucrat la electronica cu microunde și la radar. Welker a fost mai mult un teoretician, a predat multă vreme la Universitatea din München, iar în anii de război a lucrat pentru Luftwaffe.

Orez. 25. Inventatorii transitronului Herbert Mathare și Heinrich Welker

S-au întâlnit la Paris. După înfrângerea Germaniei fasciste, ambii fizicieni au fost invitați în filiala europeană a corporației americane Westinghouse.

În 1944, Matare, în timp ce lucra la redresoare cu semiconductori pentru radare, a proiectat un dispozitiv pe care l-a numit duodiodă. Era o pereche de redresoare cu puncte paralele care foloseau aceeași placă de germaniu. Cu selectarea corectă a parametrilor, dispozitivul a suprimat zgomotul în unitatea de recepție a radarului. Apoi, Matare a descoperit că fluctuațiile de tensiune pe un electrod pot duce la o schimbare a puterii curentului care trece prin al doilea electrod. Rețineți că descrierea unui astfel de efect a fost conținută în brevetul lui Lilienfeld și este posibil ca Matare să fi știut despre asta. Dar oricum ar fi, a devenit interesat de fenomenul observat și a continuat cercetările.

Welker a venit la ideea tranzistorului dintr-un unghi diferit, făcând fizică cuantică și teoria benzilor solidelor. La începutul anului 1945, el creează un circuit amplificator cu stare solidă, foarte asemănător cu dispozitivul lui Shockley. În martie, Welker reușește să-l monteze și să-l testeze, dar nu a fost mai norocos decât americanii. Dispozitivul nu funcționează.

La Paris, Matarat și Welker sunt instruiți să organizeze producția industrială de redresoare cu semiconductori pentru rețeaua de telefonie franceză. La sfârșitul anului 1947, redresoarele sunt lansate într-o serie, iar Matare și Welker au timp să reia cercetările. Ei trec la experimente suplimentare cu duodioda. Împreună fac înregistrări din germaniu mult mai pur și obțin un efect de amplificare stabil. Deja la începutul lunii iunie 1948, Matare și Welker au creat un tranzistor de punct de lucru stabil. Tranzistorul european apare cu o jumătate de an mai târziu decât dispozitivul lui Bardeen și Brattain, dar absolut independent de acesta. Matare și Welker nu puteau ști nimic despre munca americanilor. Prima mențiune în presă despre „noul dispozitiv de inginerie radio” care a ieșit de la Laboratoarele Bell a apărut abia pe 1 iulie.

Soarta ulterioară a invenției europene a fost tristă. Matare și Welker au pregătit o cerere de brevet pentru invenție în august, dar biroul francez de brevete a studiat documentele foarte mult timp. Abia în martie 1952 au primit un brevet pentru invenția transitronului - acesta este numele ales de fizicienii germani pentru amplificatorul lor cu semiconductor. Până atunci, filiala din Paris a Westinghouse a început deja producția de masă de transitron. Clientul principal a fost Ministerul Poștal. În Franța se construiau multe linii telefonice noi. Cu toate acestea, epoca transitronilor a fost de scurtă durată. În ciuda faptului că au lucrat mai bine și mai mult decât „colegul” lor american (datorită asamblarii mai atente), transitron-urile nu au putut cuceri piața mondială. Ulterior, autoritățile franceze au refuzat în general să subvenționeze cercetarea în domeniul electronicii semiconductoare, trecând la proiecte nucleare mai mari. Laboratorul lui Matare și Welker cade în paragină. Oamenii de știință decid să se întoarcă în patria lor. În acel moment, renașterea științei și a industriei de înaltă tehnologie a început în Germania. Welker se angajează în laboratorul concernului Siemens, pe care ulterior îl conduce, iar Matare se mută la Düsseldorf și devine președinte al unei mici companii, Intermetall, care produce dispozitive semiconductoare.

Postfaţă

Dacă urmărim soarta americanilor, atunci John Bardeen a părăsit Bell Telephone Laboratories în 1951, a preluat teoria supraconductivității și în 1972, împreună cu doi dintre studenții săi, a primit Premiul Nobel „Pentru dezvoltarea teoriei supraconductivității. „, devenind astfel singurul om de știință din istorie, de două ori laureat al Premiului Nobel.

Walter Brattain a lucrat la Bell Telephone Laboratories până la pensionare în 1967, când s-a întors în orașul natal pentru a preda fizica la universitatea locală.

Soarta lui William Shockley a fost următoarea. A părăsit Bell Telephone Laboratories în 1955 și, cu ajutorul financiar de la Arnold Beckman, a fondat Shockly Transistor Corporation, o companie producătoare de tranzistori. Mulți oameni de știință și ingineri talentați merg să lucreze în noua companie, dar după doi ani cei mai mulți dintre ei părăsesc Shockley. Aroganța, aroganța, lipsa de dorință de a asculta părerea colegilor și obsesia de a nu repeta greșeala pe care a făcut-o lucrând cu Bardeen și Brattain își fac treaba. Compania se destramă.

Foștii săi angajați Gordon Moore și Robert Noyce, cu sprijinul aceluiași Beckman, au fondat Fairchild Semiconductor, iar apoi, în 1968, și-au creat propria companie, Intel.

Visul lui Shockley de a construi un imperiu al afacerilor cu semiconductori a fost realizat de alții (Figura 26) și a primit din nou rolul unui observator extern. Ironia este că în 1952, Shockley a fost cel care a propus proiectarea unui tranzistor cu efect de câmp pe bază de siliciu. Cu toate acestea, Shockly Transistor Corporation nu a lansat niciun FET. Astăzi, acest dispozitiv stă la baza întregii industriei informatice.

Orez. 26. Evolutia tranzistorului

După ce a eșuat în afaceri, Shockley devine profesor la Universitatea Stanford. El ține prelegeri strălucitoare despre fizică, se ocupă personal cu studenții absolvenți, dar îi lipsește gloria de odinioară - tot ceea ce americanii numesc cuvântul spațios publicitate. Shockley este inclus în viața publică și începe să facă prezentări pe multe probleme sociale și demografice. Oferind soluții la problemele acute asociate cu suprapopularea în țările asiatice și diferențele naționale, el alunecă spre eugenie și intoleranță rasială. Presa, televiziunea, reviste științifice îl acuză de extremism și rasism. Shockley este din nou „famos” și pare să se bucure de toată treaba. Reputația și cariera sa de om de știință se apropie de sfârșit. Se pensionează, încetează să mai comunice cu toată lumea, chiar și cu proprii copii și își trăiește viața ca un reclus.

Oameni diferiți, destine diferite, dar toți sunt uniți prin implicarea într-o descoperire care ne-a schimbat radical lumea.

Data de 19 decembrie 1947 poate fi considerată pe bună dreptate ziua de naștere a unei noi ere. Numărătoarea inversă a unui nou timp a început. Lumea a intrat în era digitală.

Literatură

1. William F. Brinkman, Douglas E. Haggan, William W. Troutman. O istorie a invenției tranzistorului și unde ne va conduce // IEEE Journal of Solid-State Circuits. Vol.32, Nr.12. decembrie 1997.
2. Hugo Gernsback. O invenție radiofonică senzațională // Radio News. septembrie 1924
3. Novikov M.A. Oleg Vladimirovich Losev - un pionier al electronicii semiconductoare // Fizica stării solide. 2004. Volumul 46, nr. unu.
4. Ostroumov B., Shlyakhter I. Inventatorul lui Kristadin O. V. Losev. // Radio. 1952. nr 5.
5. Zhirnov V., Suetin N. Invenția inginerului Losev // Expert. 2004. Nr. 15.
6. Lee T.H., O istorie neliniară a radioului. Cambridge University Press. 1998.
7. Nosov Yu. Paradoxurile tranzistorilor // Kvant. 2006. Nr. 1.
8. Andrew Emerson. Cine a inventat cu adevărat tranzistorul? www.radiobygones.com
9. Michael Riordan. Cum a ratat Europa tranzistorul // Spectrul IEEE, nov. 2005. www.spectrum.ieee.org

UNIVERSITATEA TEHNOLOGICĂ DE STAT PYATIGORSK

DEPARTAMENTUL GESTIUNE ŞI INFORMARE ÎN SISTEME TEHNICE

ESEU

„Istoria dezvoltării tranzistorilor”

Efectuat:

Student gr. UITS-b-101

Sergienko Victor

Pyatigorsk, 2010

Introducere

Tranzistor (din limba engleză transfer - transfer și rezistență - rezistență sau transconductanță - conductivitate interelectrodă activă și varistor - rezistență variabilă) - un dispozitiv electronic realizat din material semiconductor, de obicei cu trei fire, care permite semnalelor de intrare să controleze curentul într-un circuit electric . Utilizat de obicei pentru a amplifica, genera și converti semnale electrice.

Curentul din circuitul de ieșire este controlat prin modificarea tensiunii sau curentului de intrare. O mică modificare a valorilor de intrare poate duce la o schimbare mult mai mare a tensiunii și curentului de ieșire. Această proprietate de amplificare a tranzistorilor este utilizată în tehnologia analogică (TV analogic, radio, comunicații etc.).

În prezent, tehnologia analogică este dominată de tranzistoarele bipolare (BT) (termen internațional - BJT, tranzistor de joncțiune bipolară). O altă ramură importantă a electronicii este tehnologia digitală (logică, memorie, procesoare, calculatoare, comunicații digitale etc.), unde, dimpotrivă, tranzistoarele bipolare sunt aproape complet înlocuite cu cele de câmp.

Toată tehnologia digitală modernă este construită în principal pe tranzistoare de câmp MOS (metal-oxide-semiconductor) (MOSFET), ca elemente mai economice în comparație cu BT. Uneori se numesc MIS (metal-dielectric-semiconductor) - tranzistoare. Termenul internațional este MOSFET (tranzistor cu efect de câmp metal-oxid-semiconductor). Tranzistoarele sunt fabricate folosind tehnologia integrată pe un singur cip de siliciu (cip) și alcătuiesc o „cărămidă” elementară pentru construirea de microcircuite logice, memorie, procesor etc.. Dimensiunile MOSFET-urilor moderne variază de la 90 la 32 nm. Pe un cip modern (de obicei 1-2 cm² în dimensiune) există câteva (până acum doar câteva) miliarde de MOSFET. De 60 de ani, s-a înregistrat o scădere a dimensiunii (miniaturizarea) MOSFET-urilor și o creștere a numărului acestora pe un singur cip (grad de integrare), în următorii ani o nouă creștere a gradului de integrare a tranzistorilor pe un cip. este de așteptat (vezi Legea lui Moore). Reducerea dimensiunii MOSFET duce, de asemenea, la o creștere a vitezei procesoarelor, la o scădere a consumului de energie și la disiparea căldurii.

Poveste

Primele brevete pentru principiul de funcționare a tranzistoarelor cu efect de câmp au fost înregistrate în Germania în 1928 (în Canada, 22 octombrie 1925) pe numele fizicianului austro-ungar Julius Edgar Lilienfeld. În 1934, fizicianul german Oscar Heil a brevetat tranzistorul cu efect de câmp. Tranzistoarele cu efect de câmp (în special, tranzistoarele MOS) se bazează pe un simplu efect de câmp electrostatic, în fizică sunt mult mai simple decât tranzistoarele bipolare și, prin urmare, au fost inventate și patentate cu mult înaintea tranzistorilor bipolari. Cu toate acestea, primul tranzistor MOS, care formează baza industriei moderne de calculatoare, a fost realizat mai târziu decât tranzistorul bipolar, în 1960. Abia în anii 1990 tehnologia MOS a început să domine asupra tehnologiei bipolare.

În 1947, William Shockley, John Bardeen și Walter Brattain au creat primul tranzistor bipolar funcțional la Bell Labs, demonstrat pe 16 decembrie. Pe 23 decembrie a avut loc prezentarea oficială a invenției, iar această dată este considerată ziua inventării tranzistorului. Conform tehnologiei de fabricație, a aparținut clasei de tranzistoare punctiforme. În 1956 au primit Premiul Nobel pentru Fizică „pentru cercetările lor asupra semiconductorilor și descoperirea efectului tranzistorului”. Interesant este că John Bardeen a primit în curând Premiul Nobel pentru a doua oară pentru crearea sa a teoriei supraconductivității.

Tuburile cu vid au fost ulterior înlocuite cu tranzistori în majoritatea dispozitivelor electronice, revoluționând proiectarea circuitelor integrate și a calculatoarelor.

Bell avea nevoie de un nume de dispozitiv. Au fost propuse denumirile „semiconductor triode” (semiconductor triode), „Solid Triode”, „Surface States Triode”, „crystal triode” (crystal triode) și „Iotatron”, dar cuvântul „tranzistor” (tranzistor), propus de John Pearce (John R. Pierce), a câștigat votul intern.

Inițial, numele „tranzistor” se referea la rezistențe controlate de tensiune. Într-adevăr, un tranzistor poate fi gândit ca un fel de rezistență reglată de tensiunea de pe un electrod (în tranzistoarele cu efect de câmp - tensiunea dintre poartă și sursă, în tranzistoarele bipolare - tensiunea dintre bază și emițător).

clasificarea tranzistorilor

tranzistor bipolar- un dispozitiv semiconductor cu trei electrozi, unul dintre tipurile de tranzistor. Electrozii sunt conectați la trei straturi consecutive ale unui semiconductor cu un tip alternativ de conducție a impurităților. Conform acestei metode de alternanță, se disting tranzistoarele npn și pnp (n (negativ) - tip electronic de conductivitate a impurităților, p (pozitiv) - gaură). Într-un tranzistor bipolar, spre deosebire de alte soiuri, purtătorii principali sunt atât electronii, cât și găurile (de la cuvântul „bi” - „două”).

Electrodul conectat la stratul central se numește bază, electrozii conectați la straturile exterioare se numesc colector și emițător. În cel mai simplu circuit, diferențele dintre colector și emițător nu sunt vizibile. În realitate, principala diferență între colector este suprafața mai mare a joncțiunii p-n. În plus, o grosime mică a bazei este absolut necesară pentru funcționarea tranzistorului.

Tranzistorul punct bipolar a fost inventat în 1947, în anii următori s-a impus ca element principal pentru fabricarea circuitelor integrate folosind logica tranzistor-tranzistor, rezistor-tranzistor și diodă-tranzistor.

Primele tranzistoare au fost fabricate pe baza de germaniu. În prezent, sunt fabricate în principal din siliciu și arseniură de galiu. Cele mai recente tranzistoare sunt utilizate în circuitele amplificatoare de înaltă frecvență. Un tranzistor bipolar este format din trei zone semiconductoare dopate diferit: emițătorul E, baza B și colectorul C. În funcție de tipul de conductivitate al acestor zone, NPN (emițător - n-semiconductor, bază - p-semiconductor, colector - n-semiconductor) se disting si PNP.tranzistoare. Contactele conductoare sunt conectate la fiecare dintre zone. Baza este situată între emițător și colector și este realizată dintr-un semiconductor ușor dopat cu rezistență ridicată. Suprafața totală de contact bază-emițător este mult mai mică decât aria de contact colector-bază, prin urmare, un tranzistor bipolar general este un dispozitiv asimetric (este imposibil să schimbați emițătorul și colectorul prin schimbarea polarității conexiunii și, ca urmare, , obțineți un tranzistor bipolar absolut identic).

În modul activ de funcționare, tranzistorul este pornit astfel încât joncțiunea emițătorului este polarizată înainte (deschisă), iar joncțiunea colectorului este polarizată invers. Pentru certitudine, luați în considerare un tranzistor npn, toate argumentele sunt repetate exact în același mod pentru cazul unui tranzistor pnp, cu cuvântul „electroni” înlocuit cu „găuri”, și invers, precum și înlocuirea tuturor tensiunilor cu semne opuse . Într-un tranzistor npn, electronii, principalii purtători de curent din emițător, trec printr-o joncțiune deschisă emițător-bază (sunt injectați) în regiunea de bază. Unii dintre acești electroni se recombină cu cei mai mulți purtători de sarcină din bază (găuri), unii difuzează înapoi în emițător. Cu toate acestea, deoarece baza este foarte subțire și relativ ușor dopată, majoritatea electronilor injectați din emițător difuzează în regiunea colectorului. Câmpul electric puternic al joncțiunii colectorului cu polarizare inversă captează electroni (amintim că aceștia sunt purtători minoritari în bază, deci joncțiunea este deschisă pentru ei) și îi transportă în colector. Curentul colectorului este astfel practic egal cu curentul emițătorului, cu excepția unei mici pierderi de recombinare în bază, care formează curentul de bază (Ie = Ib + Ik). Coeficientul α care leagă curentul emițătorului și curentul colectorului (Ik = α Ie) se numește coeficient de transfer al curentului emițătorului. Valoarea numerică a coeficientului α 0,9 - 0,999. Cu cât coeficientul este mai mare, cu atât tranzistorul transferă curentul mai eficient. Acest coeficient depinde puțin de tensiunile colector-bază și bază-emițător. Prin urmare, într-o gamă largă de tensiuni de funcționare, curentul colectorului este proporțional cu curentul de bază, coeficientul de proporționalitate este egal cu β = α / (1 − α) = (10..1000). Astfel, prin schimbarea curentului de bază scăzut, poate fi controlat un curent de colector mult mai mare. Nivelurile electronilor și ale găurilor sunt aproximativ egale.

Tranzistor cu efect de câmp- un dispozitiv semiconductor în care curentul se modifică ca urmare a acțiunii curentului perpendicular al câmpului electric creat de semnalul de intrare.

Fluxul curentului de funcționare într-un tranzistor cu efect de câmp se datorează purtătorilor de sarcină de un singur semn (electroni sau găuri), prin urmare, astfel de dispozitive sunt adesea incluse într-o clasă mai largă de dispozitive electronice unipolare (spre deosebire de cele bipolare).

Istoria creării tranzistoarelor cu efect de câmp

Ideea unui tranzistor cu efect de câmp cu poartă izolată a fost propusă de Lilienfeld în 1926-1928. Cu toate acestea, dificultățile obiective în implementarea acestui design au făcut posibilă crearea primului dispozitiv de lucru de acest tip abia în 1960. În 1953, Dakey și Ross au propus și implementat un alt design de tranzistor cu efect de câmp - cu o joncțiune p-n de control. În cele din urmă, un al treilea design FET, bariera Schottky FET, a fost propus și implementat de Mead în 1966.

Circuite de comutare FET

Tranzistorul cu efect de câmp poate fi pornit conform uneia dintre cele trei scheme principale: cu o sursă comună (OI), un dren comun (OS) și o poartă comună (OZ).

În practică, cel mai des folosit circuit cu OI, similar cu circuitul de pe un tranzistor bipolar cu OE. Cascada cu sursă comună oferă o amplificare foarte mare a curentului și a puterii. Circuitul cu OZ este similar cu circuitul cu OB. Nu asigură amplificarea curentului și, prin urmare, amplificarea puterii în acesta este de multe ori mai mică decât în ​​circuitul OI. Cascada OZ are o impedanță de intrare scăzută și, prin urmare, are o aplicație practică limitată.

Clasificarea tranzistoarelor cu efect de câmp

În funcție de structura fizică și mecanismul de funcționare, tranzistoarele cu efect de câmp sunt împărțite în mod convențional în 2 grupuri. Primul este format din tranzistori cu o joncțiune p-n de control sau o joncțiune metal-semiconductor (barieră Schottky), al doilea este tranzistori controlați de un electrod izolat (poartă), așa-numitul. Tranzistoare MIS (metal - dielectric - semiconductor).

Tranzistoare cu joncțiune p-n de control

Un tranzistor cu efect de câmp cu o joncțiune p-n de control este un tranzistor cu efect de câmp, a cărui poartă este izolată (adică, separată electric) de canal printr-o joncțiune p-n polarizată invers.

Un astfel de tranzistor are două contacte neredresoare către regiunea prin care trece curentul controlat al purtătorilor de sarcină principale și una sau două joncțiuni de control electron-gaură polarizate în direcția opusă (vezi Fig. 1). Când tensiunea inversă se modifică la joncțiunea p-n, grosimea acesteia se modifică și, în consecință, grosimea regiunii prin care trece curentul controlat al purtătorilor de sarcină principali. Zona, a cărei grosime și secțiune transversală este controlată de o tensiune externă la joncțiunea p-n de control și prin care trece curentul controlat al purtătorilor principali, se numește canal. Electrodul de la care purtătorii principali de sarcină intră în canal se numește sursă. Electrodul prin care purtătorii principali de sarcină părăsesc canalul se numește dren. Electrodul folosit pentru reglarea secțiunii transversale a canalului se numește poartă.

Conductivitatea electrică a canalului poate fi de tip n sau p. Prin urmare, în funcție de conductibilitatea electrică a canalului, se disting tranzistoarele cu efect de câmp cu un canal n și un canal p. Toate polaritățile tensiunilor de polarizare aplicate electrozilor tranzistorilor cu canale n și p sunt opuse.

Controlul curentului de scurgere, adică curentul de la o sursă externă de putere relativ puternică în circuitul de sarcină, are loc atunci când tensiunea inversă se modifică la joncțiunea p-n a porții (sau la două joncțiuni p-n în același timp). Datorită dimensiunii mici a curenților inversi, puterea necesară pentru a controla curentul de scurgere și consumată de la sursa de semnal din circuitul porții se dovedește a fi neglijabilă. Prin urmare, un tranzistor cu efect de câmp poate asigura amplificarea oscilațiilor electromagnetice atât în ​​putere, cât și în curent și tensiune.

Astfel, tranzistorul cu efect de câmp este similar în principiu cu trioda cu vid. Sursa dintr-un tranzistor cu efect de câmp este similară cu catodul unei triode cu vid, poarta este ca o grilă, iar drenul este ca un anod. Dar, în același timp, un tranzistor cu efect de câmp diferă semnificativ de o triodă cu vid. În primul rând, funcționarea unui tranzistor cu efect de câmp nu necesită încălzirea catodului. În al doilea rând, oricare dintre funcțiile sursei și scurgerii poate fi îndeplinită de fiecare dintre acești electrozi. În al treilea rând, tranzistoarele cu efect de câmp pot fi realizate atât cu canal n, cât și cu canal p, ceea ce face posibilă combinarea cu succes a acestor două tipuri de tranzistoare cu efect de câmp în circuite.

Un tranzistor cu efect de câmp diferă de un tranzistor bipolar, în primul rând, prin principiul de funcționare: într-un tranzistor bipolar, semnalul de ieșire este controlat de curentul de intrare, iar într-un tranzistor cu efect de câmp, de tensiunea de intrare sau câmpul electric. În al doilea rând, tranzistoarele cu efect de câmp au rezistențe de intrare semnificativ mai mari, ceea ce se datorează polarizării inverse a joncțiunii porții p-n în tipul considerat de tranzistoare cu efect de câmp. În al treilea rând, tranzistoarele cu efect de câmp pot avea un nivel scăzut de zgomot (în special la frecvențe joase), deoarece tranzistoarele cu efect de câmp nu folosesc fenomenul de injecție minoră a purtătorului de sarcină, iar canalul tranzistorului cu efect de câmp poate fi separat de suprafața unui semiconductor. cristal. Procesele de recombinare a purtătorilor în joncțiunea p-n și în baza unui tranzistor bipolar, precum și procesele de generare-recombinare pe suprafața unui cristal semiconductor, sunt însoțite de apariția zgomotului de joasă frecvență.

Tranzistoare cu poartă izolată (tranzistoare MIS)

Un tranzistor cu efect de câmp cu poartă izolată este un tranzistor cu efect de câmp a cărui poartă este separată electric de canal printr-un strat dielectric.

Într-un cristal semiconductor cu o rezistivitate relativ mare, care se numește substrat, sunt create două regiuni puternic dopate cu tipul de conductivitate opus celui al substratului. Aceste zone sunt acoperite cu electrozi metalici - sursă și scurgere. Distanța dintre sursa puternic dopată și regiunile de scurgere poate fi mai mică de un micron. Suprafața unui cristal semiconductor între sursă și scurgere este acoperită cu un strat subțire (de ordinul a 0,1 µm) de dielectric. Deoarece siliciul este de obicei semiconductorul inițial pentru tranzistoarele cu efect de câmp, un strat de dioxid de siliciu SiO2, crescut pe suprafața unui cristal de siliciu prin oxidare la temperatură înaltă, este utilizat ca dielectric. Un electrod metalic - o poartă - este depus pe stratul dielectric. Se dovedește o structură formată dintr-un metal, un dielectric și un semiconductor. Prin urmare, tranzistoarele cu efect de câmp de poartă izolată sunt adesea numite tranzistoare MIS.

Rezistența de intrare a tranzistoarelor MIS poate ajunge la 1010 ... 1014 ohmi (pentru tranzistoarele cu efect de câmp cu o joncțiune p-n de control 107 ... 109), ceea ce reprezintă un avantaj la construirea dispozitivelor de înaltă precizie.

Există două tipuri de tranzistoare MOS: cu un canal indus și cu un canal încorporat.

În tranzistoarele MIS cu un canal indus, nu există un canal conducător între regiunile puternic dopate ale sursei și drenului și, prin urmare, un curent de drenaj vizibil apare numai la o anumită polaritate și la o anumită valoare a tensiunii de poartă în raport cu sursă, care se numește tensiune de prag (UZIthor).

În tranzistoarele MIS cu un canal încorporat, în apropierea suprafeței semiconductorului de sub poartă la tensiunea de poartă zero față de sursă, există un strat invers - un canal care conectează sursa la dren.

Prin urmare, regiunile puternic dopate de sub sursă și dren, precum și canalele induse și încorporate, au conductivitate electrică de tip p. Dacă tranzistoare similare sunt create pe un substrat cu conductivitate electrică de tip p, atunci canalul lor va avea conductivitate electrică de tip n.

Tranzistoare MIS cu canal indus

Când tensiunea de poartă relativă la sursă este egală cu zero și în prezența unei tensiuni pe dren, curentul de dren este neglijabil. Reprezintă curentul invers al joncțiunii p-n dintre substrat și regiunea de drenaj puternic dopată. La un potențial negativ la poartă (pentru structura prezentată în Fig. 2, a), ca urmare a pătrunderii câmpului electric prin stratul dielectric în semiconductor la tensiuni joase pe poartă (U3 și pori mai mici), un efect de câmp epuizat în purtătorii principali și regiunea apare în apropierea suprafeței semiconductoare de sub poartă.sarcină spațială, constând din atomi de impurități ionizați necompensați. La tensiuni de poartă mai mari decât U3 și apoi, un strat invers apare lângă suprafața semiconductorului de sub poartă, care este canalul care conectează sursa la dren. Grosimea și secțiunea transversală a canalului se vor schimba odată cu modificarea tensiunii porții, iar curentul de scurgere se va schimba în consecință, adică curentul din circuitul de sarcină și o sursă de energie relativ puternică. Acesta este modul în care curentul de scurgere este controlat într-un tranzistor cu efect de câmp de poartă izolată cu un canal indus.

Datorită faptului că poarta este separată de substrat printr-un strat dielectric, curentul din circuitul de poartă este neglijabil, iar puterea consumată de la sursa de semnal în circuitul de poartă și necesară pentru a controla curentul de scurgere relativ mare este, de asemenea, mică. . Astfel, un tranzistor MIS cu un canal indus poate amplifica oscilațiile electromagnetice în tensiune și putere.

Principiul amplificării puterii în tranzistoarele MIS poate fi luat în considerare din punctul de vedere al transferului energiei unui câmp electric constant (energia sursei de putere din circuitul de ieșire) către un câmp electric alternativ de către purtătorii de sarcină. În tranzistorul MIS, înainte de apariția canalului, aproape toată tensiunea sursei de alimentare din circuitul de scurgere a căzut pe semiconductorul dintre sursă și dren, creând o componentă constantă relativ mare a intensității câmpului electric. Sub acțiunea tensiunii porții, în semiconductorul de sub poartă apare un canal, de-a lungul căruia purtătorii de sarcină - găuri - se deplasează de la sursă la scurgere. Găurile, care se deplasează în direcția componentei constante a câmpului electric, sunt accelerate de acest câmp, iar energia lor crește datorită energiei sursei de alimentare din circuitul de scurgere. Concomitent cu apariția canalului și apariția purtătorilor de sarcină mobili în acesta, tensiunea de scurgere scade, adică valoarea instantanee a componentei variabile a câmpului electric din canal este direcționată opus componentului constant. Prin urmare, găurile sunt decelerate de un câmp electric alternativ, dându-i o parte din energia lor.

Structuri MIS pentru scopuri speciale

În structurile de tip metal-nitrură-oxid-semiconductor (MNOS), dielectricul de sub poartă este format din două straturi: un strat de oxid de SiO2 și un strat gros de nitrură de Si3N4. Între straturi se formează capcane de electroni, care, atunci când o tensiune pozitivă (28..30 V) este aplicată pe poarta structurii MNOS, captează electronii tunelați printr-un strat subțire de SiO2. Ionii încărcați negativ care se formează cresc tensiunea de prag, iar încărcarea lor poate fi stocată până la câțiva ani în absența energiei, deoarece stratul de SiO2 previne scurgerea sarcinii. Când o tensiune negativă mare (28…30 V) este aplicată pe poartă, sarcina acumulată este absorbită, ceea ce reduce semnificativ tensiunea de prag.

Structurile MOS (metal-oxide-semiconductor) cu poartă flotantă cu injecție de avalanșă (LISMOS) au o poartă din siliciu policristalin izolată de alte părți ale structurii. Defalcarea prin avalanșă a joncțiunii p-n a substratului și a drenului sau sursei, la care se aplică o tensiune înaltă, permite electronilor să pătrundă în stratul de oxid până la poartă, în urma căreia apare o sarcină negativă pe acesta. Proprietățile izolatoare ale dielectricului fac posibilă păstrarea acestei sarcini timp de zeci de ani. Îndepărtarea sarcinii electrice de pe poartă se realizează folosind iradierea ultravioletă ionizantă cu lămpi de cuarț, în timp ce fotocurent permite electronilor să se recombine cu găuri.

Ulterior, au fost dezvoltate structurile tranzistoarelor cu efect de câmp de stocare cu poartă dublă. Poarta încorporată în dielectric este folosită pentru a stoca sarcina care determină starea dispozitivului, iar poarta externă (obișnuită), controlată de impulsuri bipolare, este utilizată pentru a adăuga sau elimina sarcina de pe poarta încorporată (internă). Așa au apărut celulele și apoi cipurile de memorie flash, care au câștigat o mare popularitate în aceste zile și au devenit un concurent semnificativ pentru hard disk-urile din computere.

Pentru a implementa circuite integrate foarte mari (VLSI), au fost create microtranzistoare ultraminiaturale cu efect de câmp. Sunt realizate folosind nanotehnologie cu o rezoluție geometrică mai mică de 100 nm. În astfel de dispozitive, grosimea dielectricului de poartă atinge mai multe straturi atomice. Sunt utilizate diverse, inclusiv structuri cu trei porți. Dispozitivele funcționează în modul micropower. În microprocesoarele Intel moderne, numărul de dispozitive variază de la zeci de milioane la 2 miliarde. Cele mai recente FET-uri sunt siliciu tensionat, au o poartă metalică și folosesc un nou material dielectric de poartă patentat pe baza de compuși de hafniu.

În ultimul sfert de secol, tranzistoare puternice cu efect de câmp, în principal de tip MOS, au fost dezvoltate rapid. Ele constau din multe structuri de putere redusă sau structuri cu o configurație de poartă ramificată. Astfel de dispozitive de înaltă frecvență și microunde au fost create pentru prima dată în URSS de V. V. Bachurin (dispozitive de siliciu) și V. Ya. Vaksembourg (dispozitive cu arseniură de galiu). Dyakonova V. P. (filiala Smolensk a MPEI). Acest lucru a deschis câmpul pentru dezvoltarea tranzistoarelor puternice cu efect de câmp cu cheie (puls) cu structuri speciale, având tensiuni și curenți de funcționare mari (separat până la 500-1000 V și 50-100 A). Astfel de dispozitive sunt adesea controlate de tensiuni joase (până la 5 V), au rezistență scăzută la starea de pornire (până la 0,01 Ω) pentru dispozitivele cu curent ridicat, abruptitate mare și timpi de comutare scurti (de la câteva până la zeci de ns). Nu au fenomenul de acumulare a purtătorilor în structură și fenomenul de saturație inerent tranzistoarelor bipolare. Datorită acestui fapt, tranzistoarele cu efect de câmp de mare putere înlocuiesc cu succes tranzistoarele bipolare de mare putere în domeniul electronicii de putere mică și medie.

În ultimele decenii, tehnologia tranzistoarelor electronice de înaltă mobilitate (HEM) s-a dezvoltat rapid în străinătate, care sunt utilizate pe scară largă în comunicațiile cu microunde și dispozitivele de supraveghere radio. Atât circuitele hibride, cât și cele monolitice integrate cu microunde sunt create pe baza HPE. În centrul funcționării HDET se află controlul canalului folosind un gaz de electroni bidimensional, a cărui zonă este creată sub contactul porții datorită utilizării unei heterojoncțiuni și a unui strat dielectric foarte subțire - un distanțier.

Aplicații ale tranzistoarelor cu efect de câmp

O parte semnificativă a tranzistorilor cu efect de câmp produși în acest moment face parte din structurile CMOS, care sunt construite din tranzistoare cu efect de câmp cu canale de diferite tipuri (p- și n-) de conductivitate și sunt utilizate pe scară largă în integrate digitale și analogice. circuite.

Datorită faptului că tranzistoarele cu efect de câmp sunt controlate de câmp (tensiunea aplicată la poartă) și nu de curentul care curge prin bază (ca în cazul tranzistorilor bipolari), tranzistoarele cu efect de câmp consumă mult mai puțină energie, ceea ce este deosebit de important în circuitele dispozitivelor de așteptare și urmărire, precum și în schemele de consum redus și de economisire a energiei (implementarea modurilor de repaus).

Exemple proeminente de dispozitive cu tranzistori cu efect de câmp sunt ceasul de mână cu cuarț și telecomanda televizorului. Datorită utilizării structurilor CMOS, aceste dispozitive pot funcționa până la câțiva ani, deoarece practic nu consumă energie.

Domeniile de aplicare pentru tranzistoarele cu efect de câmp de mare putere se dezvoltă într-un ritm grandios. Utilizarea lor în dispozitivele de transmisie radio face posibilă obținerea unei purități sporite a spectrului de semnale radio emise, reducerea nivelului de interferență și creșterea fiabilității emițătorilor radio. În electronica de putere, tranzistoarele cheie cu efect de câmp de mare putere înlocuiesc și înlocuiesc cu succes tranzistoarele bipolare de mare putere. În convertoarele de putere, acestea fac posibilă creșterea frecvenței de conversie cu 1-2 ordine de mărime și reducerea drastică a dimensiunilor și greutății convertoarelor de energie. Dispozitivele de mare putere folosesc tranzistoare bipolare operate de câmp (IGBT) pentru a deplasa cu succes tiristoarele. În amplificatoarele de putere cu frecvență audio HiFi și HiEnd de cea mai înaltă clasă, tranzistoarele puternice cu efect de câmp înlocuiesc cu succes tuburile de vid puternice cu distorsiuni neliniare și dinamice scăzute.

În plus față de materialul semiconductor principal, care este de obicei folosit sub formă de un singur cristal, tranzistorul conține în proiectare aditivi de aliere pentru materialul de bază, plumb metal, elemente izolatoare și părți ale corpului (plastic sau ceramică). Uneori sunt folosite nume combinate care descriu parțial materiale dintr-o anumită varietate (de exemplu, „siliciu pe safir” sau „semiconductor de oxid de metal”). Cu toate acestea, principalele sunt tranzistoarele:

germaniu

Siliciu

Arseniura de galiu

Alte materiale pentru tranzistori nu au fost folosite până de curând. În prezent, există tranzistori bazați, de exemplu, pe semiconductori transparenți pentru utilizare în matrice de afișare. Un material promițător pentru tranzistoare sunt polimerii semiconductori. Există, de asemenea, rapoarte izolate ale tranzistorilor cu nanotuburi de carbon.

Tranzistoare combinate

Tranzistoarele cu rezistențe încorporate (Resistor-equipped tranzistors (RETs)) sunt tranzistoare bipolare cu rezistențe încorporate într-un singur pachet.

tranzistor Darlington- o combinație de două tranzistoare bipolare, care funcționează ca un tranzistor bipolar cu un câștig mare de curent.

pe tranzistori de o polaritate

pe tranzistoare de polaritate diferită

O diodă lambda este o combinație cu doi poli, a doi tranzistori cu efect de câmp, care, ca o diodă tunel, are o secțiune semnificativă cu rezistență negativă.

Un tranzistor bipolar cu poartă izolată este un dispozitiv electronic de putere conceput în primul rând pentru a controla unitățile electrice.

Prin putere

În funcție de puterea disipată sub formă de căldură, se disting:

tranzistoare de putere mică de până la 100 mW

tranzistoare de putere medie de la 0,1 la 1 W

tranzistoare puternice (mai mult de 1 W).

Prin executare

tranzistoare discrete

carenă

Pentru montaj gratuit

Pentru instalare pe un radiator

Pentru sisteme automate de lipit

neîncadrat

tranzistoare în circuite integrate.

După materialul și designul carcasei

metal-sticlă

plastic

ceramică

Alte tipuri

Tranzistoarele cu un singur electron conțin un punct cuantic (așa-numita „insula”) între două joncțiuni tunel. Curentul de tunel este controlat de tensiunea de poartă cuplată capacitiv la acesta.

biotranzistor

Selecția după unele caracteristici

Tranzistoarele BISS (Breakthrough in Small Signal, literalmente - „breakthrough in a small signal”) sunt tranzistoare bipolare cu parametri de semnal mic îmbunătățiți. O îmbunătățire semnificativă a parametrilor tranzistoarelor BISS a fost obținută prin schimbarea designului zonei emițătorului. Primele dezvoltări ale acestei clase de dispozitive au fost numite și „dispozitive cu microcurent”.

Tranzistoarele cu rezistențe încorporate RET (Resistor-equipped transistors) sunt tranzistoare bipolare cu rezistențe încorporate într-o singură carcasă. RET este un tranzistor de uz general cu unul sau două rezistențe încorporate. Acest design al tranzistorului reduce numărul de componente externe și minimizează zona de montare necesară. Tranzistoarele RET sunt folosite pentru a controla semnalul de intrare al microcircuitelor sau pentru a comuta o sarcină mai ușoară pe LED-uri.

Utilizarea unei heterojoncțiuni permite crearea de tranzistori cu efect de câmp de mare viteză și de înaltă frecvență, cum ar fi HEMT.

Aplicarea tranzistoarelor

Tranzistoarele sunt utilizate ca elemente active (amplificatoare) în etapele de amplificare și comutare.

Releele și tiristoarele au un câștig de putere mai mare decât tranzistoarele, dar funcționează numai în modul cheie (de comutare).