Біполярний транзистор історія. Розробка перших транзисторів у СРСР

1941 року вчені Вільям Шоклі, Уолтер Браттейн та Джон Бардін оголосили про створення транзистора, А 1947 винахід було офіційне представлено публіці. Саме цю дату прийнято вважати днем ​​винаходу транзистора. Але великий похід у «країну Напівпровідників» розпочався ще 1833 року, коли Майкл Фарадей виявив, що електропровідність сульфіду срібла збільшується при нагріванні. І лише через 125 років в Америці на основі іншого напівпровідника, Німеччина, було створено мікросхему.

Новий винахід

Про першу демонстрацію транзисторагазета New York Times повідомила 1948 року на передостанній сторінці: «Вчора Bell Telephone Laboratories вперше продемонструвала винайдений нею прилад під назвою "транзистор", його в деяких випадках можна використовувати в галузі радіотехніки замість електронних ламп. Було також показано його використання у телефонній системі та телевізійному пристрої. У кожному з цих випадків транзисторпрацював як підсилювач, хоча фірма заявляє, що він може застосовуватися і як генератор, здатний створювати та передавати радіохвилі».

Новина, на думку редактора, не була схожа на сенсацію. Публіка не виявила спочатку інтересу до нового приладу і Bell намагалася просунути новинку, роздаючи ліцензії на використання. транзисторавсім охочим. А інвестори тим часом робили мільйонні вкладення в радіолампи, які після тридцяти років розвитку переживали бум – кінець йому покладе саме новий винахід.

Потіснена лампа

До середини ХХ століття здавалося, що електронна лампа назавжди зайняла місце у радіоелектроніці. Вона працювала скрізь: у радіоприймачах та телевізорах, магнітофонах та радарах. Радіоелектронна лампа сильно потіснила кристалічний детектор Брауна, залишивши йому місце лише у детекторних приймачах. Вдалося їй також скласти конкуренцію та кристадину Лосєва, – це був прообраз майбутніх напівпровідникових. транзисторів.

Але лампа мала великий недолік – обмежений термін служби. Необхідність створення нового елемента з необмеженим часом дії ставала в радіоелектроніці дедалі гострішою. Але, як не парадоксально, розробка напівпровідникових приладів гальмувалась, крім об'єктивних причин, ще й суб'єктивними – інерцією мислення самих вчених. Досить сказати, що лабораторію американської компанії Bell telefon, де проводилися дослідження з надчистим германієм, колеги зневажливо називали «хижиною непотрібних матеріалів».

Давні конкуренти

Експерти, вперше побачивши платівку германію з приєднаними до неї провідниками, заявили: "Такий примітив ніколи не зможе замінити лампу". І все ж таки, не звертаючи уваги на всі перепони, 1948 року компанія «Bell telefon» вперше публічно продемонструвала твердотільний підсилювач – точковий транзистор. Його роком раніше розробили співробітники Джон Бардін та Волтер Браттейн під керівництвом Вільяма Шоклі.

На запитання журналіста: "Як ви цього досягли?", Вільям Шоклі відповів: " Транзисторстворений внаслідок поєднання людських зусиль, потреб та обставин».

Назва "транзистор"походить від англійського слова TRANsferreSISTance, а закінчення слова - "OR" відповідає радіоелементам, що ранньо з'явилися - "термістор і варистор" і дав його Джон Пірс. В основі назви закладено той факт, що приладом можна керувати шляхом зміни його опору.

Бардін Шоклі та Браттейн в лабораторії Bell, 1948 рік

У 1956 році трьом американським вченим за це відкриття було присуджено Нобелівську премію в галузі фізики. Цікаво, що коли Джон Бардін спізнився на прес-конференцію з приводу присудження йому цієї премії, то увійшовши до зали, у своє виправдання сказав: «Прошу вибачити мене, але я не винен, бо не міг потрапити до гаража: відмовив транзисторв електронному замку».

Транзистори в музиці

Вільям Шоклі не зупинився на досягнутому та розробив ще кілька нових типів транзисторів. До цих праць свого співробітника експерти компанії виявили скепсис. Більш далекоглядними виявилися фахівці японської фірми «SONY», вона придбала ліцензію на ці транзистори.

Повністю витіснити радіолампу транзисторупоки що не вдалося. Можна, напевно, стверджувати, що напівпровідникові прилади та електронні лампи співіснуватимуть ще довго, не замінюючи один одного, а доповнюючи, і займатимуть те місце в радіоелектроніці, де вони дають найбільший ефект.

Не є винятком і музична індустрія, оскільки звучання транзисторіві лампи серйозно відрізняються один від одного. Очевидно, що й варіанти застосування техніки, побудованої на таких несхожих компонентах, повинні відрізнятися. Мабуть, у якихось випадках краще лампа, а в якихось – транзистор.

При сучасному розвитку електроніки можна зробити звук транзисторного приладу теплим, а лампового – достовірним. Така техніка існує, але коштує дуже дорого.

Все ж таки є надія, що в майбутньому лампа і транзисторбудуть жити дружно, доповнюючи один одного і радуючи споживачів. Відгуки ж про комбіновану апаратуру на сьогодні дуже обнадійливі.

Транзистор поновлено: Листопад 20, 2017 автором: Олена

П'ЯТИГІРСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА УПРАВЛІННЯ ТА ІНФОРМАТИКИ У ТЕХНІЧНИХ СИСТЕМАХ

РЕФЕРАТ

"Історія розвитку транзисторів"

Виконав:

Студент гр. УІТС-б-101

Сергієнко Віктор

П'ятигорськ, 2010

Вступ

Транзистор (від англ. transfer – переносити і resistance – опір або transconductance – активна міжелектродна провідність і varistor – змінний опір) – електронний прилад з напівпровідникового матеріалу, зазвичай з трьома висновками, що дозволяє вхідним сигналам керувати струмом в електричному ланцюзі. Зазвичай використовується для посилення, генерування та перетворення електричних сигналів.

Управління струмом у вихідний ланцюга здійснюється рахунок зміни вхідного напруги чи струму. Невелика зміна вхідних величин може призводити до істотно більшої зміни вихідної напруги та струму. Ця підсилювальна властивість транзисторів використовується в аналоговій техніці (аналогові ТБ, радіо, зв'язок тощо).

Нині аналогової техніки домінують біполярні транзистори (БТ) (міжнародний термін - BJT, bipolar junction transistor). Іншою найважливішою галуззю електроніки є цифрова техніка (логіка, пам'ять, процесори, комп'ютери, цифровий зв'язок тощо), де, навпаки, біполярні транзистори майже повністю витіснені польовими.

Вся сучасна цифрова техніка побудована, в основному, на польових МОП (метал-оксид-напівпровідник)-транзисторах (МОПТ), як економічніших, порівняно з БТ, елементах. Іноді їх називають МДП (метал-діелектрик-напівпровідник) – транзистори. Міжнародний термін - MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor). Транзистори виготовляються в рамках інтегральної технології на одному кремнієвому кристалі (чіпі) і складають елементарну «цеглину» для побудови мікросхем логіки, пам'яті, процесора тощо. Розміри сучасних МОПТ становлять від 90 до 32 нм. На одному сучасному чіпі (зазвичай розміром 1-2 см²) розміщуються кілька (поки що одиниці) мільярдів МОПТ. Протягом 60 років відбувається зменшення розмірів (мініатюризація) МОПТ та збільшення їх кількості на одному чіпі (ступінь інтеграції), найближчими роками очікується подальше збільшення ступеня інтеграції транзисторів на чіпі (див. Закон Мура). Зменшення розмірів МОПТ призводить також до підвищення швидкодії процесорів, зниження енергоспоживання та тепловиділення.

Історія

Перші патенти на принцип роботи польових транзисторів були зареєстровані в Німеччині в 1928 (у Канаді, 22 жовтня 1925) на ім'я австро-угорського фізика Юлія Едгара Лілієнфельда. 1934 року німецький фізик Оскар Хейл запатентував польовий транзистор. Польові транзистори (зокрема, МОП-транзистори) засновані на простому електростатичному ефекті поля, з фізики вони значно простіше біполярних транзисторів, і тому вони придумані і запатентовані задовго до біполярних транзистори. Проте перший МОП-транзистор, що становить основу сучасної комп'ютерної індустрії, був виготовлений пізніше біполярного транзистора, в 1960 році. Лише у 90-х роках XX століття МОП-технологія стала домінувати над біполярною.

У 1947 році Вільям Шоклі, Джон Бардін і Уолтер Браттейн у лабораторіях Bell Labs вперше створили діючий біполярний транзистор, продемонстрований 16 грудня. 23 грудня відбулося офіційне подання винаходу, і саме ця дата вважається днем ​​винаходу транзистора. За технологією виготовлення він ставився до класу точкових транзисторів. У 1956 році вони були нагороджені Нобелівською премією з фізики «за дослідження напівпровідників та відкриття транзисторного ефекту». Цікаво, що Джон Бардін незабаром отримав Нобелівську премію вдруге за створення теорії надпровідності.

Пізніше вакуумні лампи були замінені транзисторами у більшості електронних пристроїв, здійснивши революцію у створенні інтегральних схем та комп'ютерів.

Bell потребували назви пристрою. Пропонувалися назви "напівпровідниковий тріод" (semiconductor triode), "Solid Triode", "Surface States Triode", "кристалічний тріод" (crystal triode) і "Iotatron", але слово "транзистор" (transistor), запропоноване Джоном Пірсом (John R .Pierce), перемогло у внутрішньому голосуванні.

Спочатку назва «транзистор» належала до резистори, керованої напругою. Справді, транзистор можна як деякий опір, регульоване напругою однією електроді (у польових транзисторах - напругою між затвором і витоком, в біполярних транзисторах - напругою між базою і емітером).

Класифікація транзисторів

Біполярний транзистор- триелектродний напівпровідниковий прилад, один із типів транзистора. Електроди підключені до трьох послідовно розташованих шарів напівпровідника з типом домішної провідності, що чергується. За цим способом чергування розрізняють npn і pnp транзистори (n (negative) – електронний тип домішкової провідності, p (positive) – дірковий). У біполярному транзисторі, на відміну інших різновидів, основними носіями є і електрони, і дірки (від слова «бі» - «два»).

Електрод, підключений до центрального шару, називають базою, електроди, підключені до зовнішніх шарів, називають колектором та емітером. На простій схемі відмінності між колектором та емітером не видно. Насправді ж головна відмінність колектора - велика площа p-n-переходу. Крім того, для роботи транзистора необхідна мала товщина бази.

Біполярний точковий транзистор був винайдений у 1947 році, протягом наступних років він зарекомендував себе як основний елемент для виготовлення інтегральних мікросхем, які використовують транзисторно-транзисторну, резисторно-транзисторну та діодно-транзисторну логіку.

Перші транзистори були виготовлені з урахуванням германію. В даний час їх виготовляють в основному з кремнію та арсеніду галію. Останні транзистори використовують у схемах високочастотних підсилювачів. Біполярний транзистор складається з трьох різним чином легованих напівпровідникових зон: емітера E, бази B і колектора C. Залежно від типу провідності цих зон розрізняють NPN (емітер - n-напівпровідник, база - p-напівпровідник, колектор - n-напівпровідник) та PNP транзистори. До кожної із зон підведені провідні контакти. База розташована між емітером і колектором і виготовлена ​​із слаболегованого напівпровідника, що має великий опір. Загальна площа контакту база-емітер значно менша за площу контакту колектор-база, тому біполярний транзистор загального виду є несиметричним пристроєм (неможливо шляхом зміни полярності підключення поміняти місцями емітер і колектор і отримати в результаті абсолютно аналогічний вихідному біполярний транзистор).

В активному режимі роботи транзистор включений так, що його емітерний перехід зміщений у прямому напрямку (відкритий), а колекторний перехід зміщений у зворотному напрямку. Для певності розглянемо npn транзистор, всі міркування повторюються абсолютно аналогічно випадку pnp транзистора, із заміною слова «електрони» на «дірки», і навпаки, і навіть із заміною всіх напруг на протилежні за знаком. У транзисторі npn електрони, основні носії струму в емітері, проходять через відкритий перехід емітер-база (інжектуються) в область бази. Частина цих електронів рекомбінує з основними носіями заряду в базі (дірками), частина дифундує назад в емітер. Однак, через те, що базу роблять дуже тонкою і порівняно слабо легованою, більшість електронів, інжектованих з емітера, дифундує в область колектора. Сильне електричне поле назад зміщеного колекторного переходу захоплює електрони (нагадаємо, що вони - неосновні носії у базі, тому їм перехід відкритий), і проносить в колектор. Струм колектора, таким чином, практично дорівнює струму емітера, за винятком невеликої втрати на рекомбінацію в базі, яка і утворює струм бази (Iе = Iб + Iк). Коефіцієнт α, що зв'язує струм емітера та струм колектора (Iк = α Iе) називається коефіцієнтом передачі струму емітера. Чисельне значення коефіцієнта 0.9 - 0.999. Чим більший коефіцієнт, тим ефективніше транзистор передає струм. Цей коефіцієнт мало залежить від напруги колектор-база та база-емітер. Тому в широкому діапазоні робочих напруг струм колектора пропорційний струму бази, коефіцієнт пропорційності дорівнює β = α / (1 - α) = (10 ... 1000). Таким чином, змінюючи малий струм бази, можна керувати значно більшим струмом колектора. Рівні електронів та дірок приблизно рівні.

Польовий транзистор- напівпровідниковий прилад, у якому струм змінюється внаслідок дії перпендикулярного струму електричного поля, створюваного вхідним сигналом.

Протікання в польовому транзисторі робочого струму обумовлено носіями заряду тільки одного знака (електронами або дірками), тому такі прилади часто включають до ширшого класу уніполярних електронних приладів (на відміну від біполярних).

Історія створення польових транзисторів

Ідею польового транзистора з ізольованим затвором було запропоновано Лілієнфельдом у 1926-1928 роках. Проте об'єктивні труднощі у реалізації цієї конструкції дозволили створити перший працюючий прилад цього лише в 1960 року. У 1953 році Дейкі і Росс запропонували та реалізували іншу конструкцію польового транзистора - з керуючим p-n-переходом. Нарешті, третя конструкція польових транзисторів – польових транзисторів з бар'єром Шоттки – була запропонована та реалізована Мідом у 1966 році.

Схеми включення польових транзисторів

Польовий транзистор можна включати по одній із трьох основних схем: із загальним витоком (ОІ), загальним стоком (ОС) та загальним затвором (ОЗ).

Насправді найчастіше застосовується схема з ОІ, аналогічна схемою на біполярному транзисторі з ОЭ. Каскад із загальним витоком дає дуже велике посилення струму та потужності. Схема з ОЗ аналогічна схемою з ПРО. Вона не дає посилення струму, і тому посилення потужності в ній набагато менше, ніж у схемі ОІ. Каскад ОЗ має низький вхідний опір, у зв'язку з чим він має обмежене практичне застосування.

Класифікація польових транзисторів

За фізичною структурою та механізмом роботи польові транзистори умовно ділять на 2 групи. Першу утворюють транзистори з керуючим р-n переходом або переходом метал - напівпровідник (бар'єр Шоттки), другу - транзистори з керуванням за допомогою ізольованого електрода (затвора), т.з. транзистори МДП (метал – діелектрик – напівпровідник).

Транзистори з керуючим p-n переходом

Польовий транзистор з керуючим p-n переходом - це польовий транзистор, затвор якого ізольований (тобто відокремлений в електричному відношенні) від каналу p-n переходом, зміщеним у зворотному напрямку.

Такий транзистор має два контакти, що не випрямляють до області, по якій проходить керований струм основних носіїв заряду, і один або два керуючих електронно-дірочних переходу, зміщених у зворотному напрямку (див. рис. 1). При зміні зворотної напруги на p-n переході змінюється його товщина і, отже, товщина області, якою проходить керований струм основних носіїв заряду. Область, товщина і поперечний переріз якої управляється зовнішньою напругою на керуючому p-n переході і якою проходить керований струм основних носіїв, називають каналом. Електрод, з якого канал входять основні носії заряду, називають витоком. Електрод, через який із каналу йдуть основні носії заряду, називають стоком. Електрод, який служить для регулювання поперечного перерізу каналу, називають затвором.

Електропровідність каналу може бути як n-, так і p-типу. Тому електропровідності каналу розрізняють польові транзистори з n-каналом і р-каналом. Усі полярності напруг зсуву, що подаються на електроди транзисторів з n-і з p-каналом, протилежні.

Управління струмом стоку, тобто струмом від зовнішнього відносно потужного джерела живлення ланцюга навантаження, відбувається при зміні зворотної напруги на p-n переході затвора (або на двох p-n переходах одночасно). У зв'язку з дрібністю зворотних струмів потужність, необхідна для управління струмом стоку і споживана від джерела сигналу в ланцюзі затвора, виявляється мізерно малою. Тому польовий транзистор може забезпечити посилення електромагнітних коливань як за потужністю, так і струмом і напругою.

Таким чином, польовий транзистор за принципом дії аналогічний вакуумному тріоду. Виток у польовому транзисторі подібний до катода вакуумного тріода, затвор - сітці, стік - аноду. Але при цьому польовий транзистор суттєво відрізняється від вакуумного тріода. По-перше, для роботи польового транзистора не потрібно підігрів катода. По-друге, будь-яку з функцій витоку та стоку може виконувати кожен із цих електродів. По-третє, польові транзистори можуть бути зроблені як з n-каналом, так і з p-каналом, що дозволяє вдало поєднувати ці два типи польових транзисторів у схемах.

Від біполярного транзистора польовий транзистор відрізняється, по-перше, принципом дії: у біполярному транзисторі управління вихідним сигналом проводиться вхідним струмом, а польовому транзисторі - вхідним напругою чи електричним полем. По-друге, польові транзистори мають значно більші вхідні опори, що пов'язано зі зворотним зміщенням p-n-переходу затвора в типі польових транзисторів. По-третє, польові транзистори можуть мати низький рівень шуму (особливо на низьких частотах), так як у польових транзисторах не використовується явище інжекції неосновних носіїв заряду і канал польового транзистора може бути відокремлений від поверхні напівпровідникового кристала. Процеси рекомбінації носіїв у p-n переході й у основі біполярного транзистора, і навіть генераційно-рекомбінаційні процеси лежить на поверхні кристала напівпровідника супроводжуються виникненням низькочастотних шумів.

Транзистори із ізольованим затвором (МДП-транзистори)

Польовий транзистор із ізольованим затвором - це польовий транзистор, затвор якого відокремлений в електричному відношенні від каналу шаром діелектрика.

У кристалі напівпровідника з відносно високим питомим опором, який називають підкладкою, створено дві сильнолеговані області з протилежним щодо підкладки типом провідності. На ці області нанесені металеві електроди – витік та стік. Відстань між сильно легованими областями витоку та стоку може бути меншою за мікрон. Поверхня кристала напівпровідника між витоком і стоком покрита тонким шаром (близько 0,1 мкм) діелектрика. Оскільки вихідним напівпровідником для польових транзисторів зазвичай є кремній, як діелектрика використовується шар двоокису кремнію SiO2, вирощений лежить на поверхні кристала кремнію шляхом високотемпературного окислення. На шар діелектрика нанесено металевий електрод - затвор. Виходить структура, що складається з металу, діелектрика та напівпровідника. Тому польові транзистори із ізольованим затвором часто називають МДП-транзисторами.

Вхідний опір МДП-транзисторів може досягати 1010 ... 1014 Ом (у польових транзисторів з керуючим p-n-переходом 107 ... 109), що є перевагою при побудові високоточних пристроїв.

Існують два різновиди МДП-транзисторів: з індукованим каналом та з вбудованим каналом.

У МДП-транзисторах з індукованим каналом провідний канал між сильнолегованими областями витоку і стоку відсутня і, отже, помітний струм стоку з'являється лише за певної полярності і певному значенні напруги на затворі щодо витоку, яке називають пороговим напругою (UЗИпор).

У МДП-транзисторах із вбудованим каналом біля поверхні напівпровідника під затвором при нульовій напрузі на затворі щодо початку існує інверсний шар - канал, який з'єднує джерело зі стоком.

Тому сильнолеговані області під витоком та стоком, а також індукований та вбудований канал мають електропровідність p-типу. Якщо ж аналогічні транзистори створені на підкладці з електропровідністю p-типу, канал у них матиме електропровідність n-типу.

МДП-транзистори з індукованим каналом

При напрузі на затворі щодо витоку, що дорівнює нулю, і за наявності напруги на стоку, - струм стоку виявляється мізерно малим. Він є зворотним струмом p-n переходу між підкладкою і сильнолегированной областю стоку. При негативному потенціалі на затворі (для структури, показаної на рис. 2, а) в результаті проникнення електричного поля через діелектричний шар у напівпровідник при малих напругах на затворі (менших UЗІпор) у поверхні напівпровідника під затвором виникає збіднений основними носіями шар ефект поля і область об'ємного заряду, що складається з іонізованих некомпенсованих домішкових атомів. При напругах на затворі, великих UЗІпор, у поверхні напівпровідника під затвором виникає інверсний шар, який є каналом, що з'єднує виток зі стоком. Товщина та поперечний переріз каналу будуть змінюватися зі зміною напруги на затворі, відповідно змінюватиметься і струм стоку, тобто струм у ланцюгу навантаження та щодо потужного джерела живлення. Так відбувається керування струмом стоку в польовому транзисторі з ізольованим затвором та з індукованим каналом.

У зв'язку з тим, що затвор відокремлений від підкладки діелектричним шаром, струм в ланцюзі затвора мізерно малий, мала і потужність, що споживається від джерела сигналу в ланцюзі затвора і необхідна для управління відносно великим струмом стоку. Таким чином, МДП-транзистор з індукованим каналом може здійснювати посилення електромагнітних коливань за напругою та потужністю.

Принцип посилення потужності в МДП-транзисторах можна розглядати з погляду передачі носіями заряду енергії постійного електричного поля (енергії джерела живлення у вихідному ланцюзі) змінному електричному полю. У МДП-транзисторі до виникнення каналу майже вся напруга джерела живлення ланцюга стоку падало на напівпровіднику між витоком і стоком, створюючи відносно велику постійну складову напруженості електричного поля. Під впливом напруги на затворі в напівпровіднику під затвором виникає канал, яким від початку стоку рухаються носії заряду - дірки. Дірки, рухаючись у напрямку постійної складової електричного поля, розганяються цим полем і їхня енергія збільшується за рахунок енергії джерела живлення, в ланцюзі стоку. Одночасно з виникненням каналу та появою в ньому рухомих носіїв заряду зменшується напруга на стоку, тобто миттєве значення змінної складової електричного поля в каналі спрямоване протилежно до постійної складової. Тому дірки гальмуються змінним електричним полем, віддаючи йому частину своєї енергії.

МДП-структури спеціального призначення

У структурах типу метал-нітрид-оксид-напівпровідник (МНОП) діелектрик під затвором виконується двошаровим: шар оксиду SiO2 та товстий шар нітриду Si3N4. Між шарами утворюються пастки електронів, які при подачі на затвор МНОП-структури позитивної напруги (28..30) захоплюють тунелюючі через тонкий шар SiO2 електрони. Негативно заряджені іони, що утворюються, підвищують порогову напругу, причому їх заряд може зберігатися до декількох років за відсутності живлення, так як шар SiO2 запобігає витоку заряду. При подачі на затвор великої негативної напруги (28…30 В) накопичений заряд розсмоктується, що суттєво зменшує граничну напругу.

Структури типу метал-оксид-напівпровідник (МОП) з плаваючим затвором та лавинною інжекцією (ЛІЗМОП) мають затвор, виконаний з полікристалічного кремнію, ізольований з інших частин структури. Лавинний пробій p-n-переходу підкладки та стоку або витоку, на які подається висока напруга, дозволяє електронам проникнути через шар оксиду на затвор, внаслідок чого на ньому з'являється негативний заряд. Ізолювальні властивості діелектрика дозволяють зберігати цей заряд десятки років. Видалення електричного заряду із затвора здійснюється за допомогою іонізуючого ультрафіолетового опромінення кварцовими лампами, при цьому фотострум дозволяє електронам рекомбінувати з дірками.

Надалі були розроблені структури польових транзисторів, що запам'ятовують, з подвійним затвором. Вбудований діелектрик затвор використовується для зберігання заряду, що визначає стан приладу, а зовнішній (звичайний) затвор, керований різнополярними імпульсами для введення або видалення заряду на вбудованому (внутрішньому) затворі. Так з'явилися осередки, а потім і мікросхеми флеш-пам'яті, що здобули в наші дні велику популярність і склали помітну конкуренцію жорстким дискам у комп'ютерах.

Для реалізації надвеликих інтегральних схем (СВІС) були створені надмініатюрні польові мікротранзистори. Вони робляться із застосуванням нанотехнологій з геометричною роздільною здатністю менше 100 нм. У таких приладів товщина підзатворного діелектрика сягає кількох атомних шарів. Використовуються різні, у тому числі тризатворні структури. Прилади працюють у мікропотужному режимі. У сучасних процесорах корпорації Intel число приладів становить від десятків мільйонів до 2 мільярдів. Нові польові мікротранзистори виконуються на напруженому кремнії, мають металевий затвор і використовують новий запатентований матеріал для підзатворного діелектрика на основі гафнієвих сполук.

Останні чверть століття бурхливий розвиток отримали потужні польові транзистори, переважно МДП-типа. Вони складаються з безлічі малопотужних структур або структур з розгалуженою конфігурацією затвора. Такі ВЧ та НВЧ прилади вперше були створені в СРСР фахівцями НДІ «Пульсар» Бачуріним В. В. (кремнієві прилади) та Ваксембургом В. Я. (арсенід-галієві прилади) Дослідження їх імпульсних властивостей було виконано науковою школою проф. Дьяконова Ст П. (Смоленська філія МЕІ). Це відкрило область розробки потужних ключових (імпульсних) польових транзисторів зі спеціальними структурами, що мають високу робочу напругу і струми (окремо до 500-1000 В і 50-100 А). Такі прилади нерідко управляються малими (до 5 В) напругами, мають мале опір у відкритому стані (до 0,01 Ом) у сильноточних приладів, високу крутість і малі (в одиниці-десятки нс) часи перемикання. У них відсутнє явище накопичення носіїв у структурі та явище насичення, що присушує біполярним транзисторам. Завдяки цьому потужні польові транзистори успішно витісняють потужні біполярні транзистори в галузі силової електроніки малої та середньої потужності.

За кордоном в останні десятиліття стрімко розвивається технологія транзисторів на високорухомих електронах (ТВПЕ), які широко використовуються у НВЧ пристроях зв'язку та радіоспостереження. На основі ТВПЕ створюються як гібридні, так і монолітні мікрохвильові інтегральні схеми (англ.). В основі дії ТВПЕ лежить управління каналом за допомогою двовимірного електронного газу, область якого створюється під контактом затвора завдяки застосуванню гетеропереходу та дуже тонкого діелектричного шару - спейсера.

Області застосування польових транзисторів

Значна частина вироблених зараз польових транзисторів входить до складу КМОП-структур, які будуються з польових транзисторів з каналами різного (p- і n-) типу провідності та широко використовуються в цифрових та аналогових інтегральних схемах.

За рахунок того, що польові транзистори управляються полем (величиною напруги прикладеного до затвора), а не струмом, що протікає через базу (як у біполярних транзистори), польові транзистори споживають значно менше енергії, що особливо актуально в схемах пристроїв, що чекають і стежать, а також у схемах малого споживання та енергозбереження (реалізація сплячих режимів).

Видатні приклади пристроїв, побудованих на польових транзисторах, - наручний кварцовий годинник і пульт дистанційного керування для телевізора. За рахунок застосування КМОП-структур, ці пристрої можуть працювати до декількох років, тому що практично не споживають енергії.

Грандіозними темпами розвиваються сфери застосування потужних польових транзисторів. Їх застосування в радіопередаючих пристроях дозволяє отримати підвищену чистоту спектра радіосигналів, зменшити рівень перешкод і підвищити надійність радіопередавачів. У силовій електроніці ключові потужні польові транзистори успішно замінюють та витісняють потужні біполярні транзистори. У силових перетворювачах вони дозволяють на 1-2 порядки підвищити частоту перетворення і різко зменшити габарити та масу енергетичних перетворювачів. У пристроях великої потужності використовуються біполярні транзистори з польовим управлінням (IGBT) тиристори, що успішно витісняють. У підсилювачах потужності звукових частот вищого класу HiFi і HiEnd потужні польові транзистори успішно замінюють потужні електронні лампи, що мають малі нелінійні та динамічні спотворення.

Крім основного напівпровідникового матеріалу, що використовується зазвичай у вигляді монокристалу, транзистор містить у своїй конструкції легуючі добавки до основного матеріалу, метал висновків, ізолюючі елементи, частини корпусу (пластикові або керамічні). Іноді використовуються комбіновані найменування, що частково описують матеріали конкретного різновиду (наприклад, «кремній на сапфірі» або «Метал-окис-напівпровідник»). Проте основними є транзистори:

Германієві

Кремнієві

Арсенід-галієві

Інші матеріали транзисторів донедавна не використовувалися. В даний час є транзистори на основі, наприклад прозорих напівпровідників для використання в матрицях дисплеїв. Перспективний матеріал для транзисторів – напівпровідникові полімери. Також є окремі повідомлення про транзистори на основі вуглецевих нанотрубок.

Комбіновані транзистори

Транзистори з вбудованими резисторими (Resistor-equipped transistors (RETs)) - біполярні транзистори з вбудованими в один корпус резисторими.

Транзистор Дарлінгтон- Комбінація двох біполярних транзисторів, що працює як біполярний транзистор з високим коефіцієнтом посилення струму.

на транзисторах однієї полярності

на транзисторах різної полярності

Лямбда-діод - двополюсник, комбінація з двох польових транзисторів, що має, як і тунельний діод, значну ділянку з негативним опором.

Біполярний транзистор із ізольованим затвором - силовий електронний прилад, призначений в основному для керування електричними приводами.

За потужністю

По потужності, що розсіюється у вигляді тепла, розрізняють:

малопотужні транзистори до 100 мВт

транзистори середньої потужності від 0,1 до 1 Вт

потужні транзистори (більше 1 Вт).

По виконанню

дискретні транзистори

корпусні

Для вільного монтажу

Для встановлення на радіатор

Для автоматизованих систем паяння

безкорпусні

транзистори у складі інтегральних схем.

За матеріалом та конструкцією корпусу

метало-скляний

пластмасовий

керамічний

Інші типи

Одноелектронні транзистори містять квантову точку (т.зв. «острів») між двома тунельними переходами. Струм тунелювання керується напругою на затворі, пов'язаному з ним ємнісним зв'язком.

Біотранзистор

Виділення за деякими характеристиками

Транзистори BISS (Breakthrough in Small Signal, дослівно – «прорив у малому сигналі») – біполярні транзистори з покращеними малосигнальними параметрами. Істотне поліпшення параметрів транзисторів BISS досягнуто рахунок зміни конструкції зони емітера. Перші розробки цього класу пристроїв також мали назву «мікрострумові прилади».

Транзистори з вбудованими резисторими RET (Resistor-equipped transistors) - біполярні транзистори з вбудованими в один корпус резисторими. RET - транзистор загального призначення з вбудованим одним або двома резисторами. Така конструкція транзистора дозволяє скоротити кількість навісних компонентів та мінімізує необхідну площу монтажу. RET транзистори застосовуються для контролю вхідного сигналу мікросхем або перемикання меншого навантаження на світлодіоди.

Застосування гетеропереходу дозволяє створювати високошвидкісні та високочастотні польові транзистори, такі як HEMT.

Застосування транзисторів

Транзистори застосовуються як активні (підсилювальні) елементи в підсилювальних і перемикальних каскадах.

Реле та тиристори мають більший коефіцієнт посилення потужності, ніж транзистори, але працюють лише у ключовому (перемикальному) режимі.

Транзистор - причина всієї сучасної мікроелектроніки. Якби у звичайному мобільному телефоні замість транзисторів використовувалися катодно-променеві трубки, пристрій набув би розмірів Кельнського собору.

Transfer resistor

Напередодні Святвечора 1947 р. співробітники компанії "Белл Телефон Лабораторіз" Вільям Шоклі, Уолтер Браттейн і Джон Бардін продемонстрували колективу своєї фірми перший транзистор на основі напівпровідникового матеріалу германію. Приблизно у цей час німецькі вчені Герберт Франц Матаре і Генріх Велькер розробили так званий «французький транзистор» й у 1848 р. отримали патент. У тому року Роберт Денк сконструював перший транзисторний радіоприймач з урахуванням електрода з оксидним покриттям. Денк не став патентувати свій винахід і навіть знищив єдиний екземпляр приймача, щоб уникнути зловживань.

Перемогу забезпечив кремній

Проте вченим довелося ще багато попрацювати над підбором матеріалу, доки напівпровідникові деталі змогли задовольняти технічні вимоги. З 1955 р. розпочалося серійне виробництво кремнієвих транзисторів, що швидко витіснили вакуумні трубки з найрізноманітніших пристроїв. Перевага транзисторів у тому, що вони набагато менші і не так сильно нагріваються. Тепер стало можливим спорудження обчислювальних машин, які не займають цілу кімнату. З'явилися торік у 1960-ті гг. інтегральні мікросхеми вимагали розробки все більш мініатюрних транзисторів, так що згодом вони зменшилися в тисячу разів і стали тоншими за волосся.

• 1925 р.: Юліус Едгар Лілієнфельд створив теоретичне обґрунтування транзисторів, але не зумів втілити їх у реальність.
• 1934: Оскар Хейл винайшов польовий транзистор.
• 1953: перші транзистори в слухових апаратах.
• 1971: перший мікропроцесор - Інтел 4004.

Починаючи з 1947 р. в СРСР почалися інтенсивно вестися роботи в області напівпровідникових підсилювачів - в ЦНДІ-108 (лаб. С. Г. Калашнікова) та в НДІ-160 (НДІ «Исток», Фрязіно, лаб. А. В. Красилова) . 15 листопада 1948 року у журналі «Вісник інформації» А.В. Красилов опублікував статтю «Кристалічний тріод». Це була перша публікація в СРСР про транзисторів.

Отже, перший радянський транзистор у СРСР створили незалежно від роботи американських учених. Нагадаємо, що 16 грудня 1947 року в американській компанії Bell Labs був створений перший у світі транзистор, а в липні 1948 року, на 4 місяці раніше за радянську публікацію, інформація про цей винахід з'явилася в журналі «The Physical Review».

У серійне виробництво перші радянські германієві тріоди С1-С4 (термін «транзистор» в СРСР узвичаївся в 1960-і роки) були запущені лабораторією Красилова вже в 1949 р. У 1950 р. зразки германієвих тріодів були розроблені в ФІАН (Б.Б.). .Вул, А. В. Ржанов, В. С. Вавілов та ін), в ЛФТІ (В.М. Тучкевич, Д. Н. Спадкоємців) та в ІРЕ АН СРСР (С.Г. Калашніков, Н. А. А. В. А. В. Ржанов, В. С. Вавілов та ін.). Пенін та ін). На той момент радянські транзистори були нічим не гірші за імпортні транзистори.

Звісно, ​​транзистори з'явилися не так на порожньому місці – цьому передували роки досліджень.
У 1926 р. радянський фізик Я. І. Френкель висунув гіпотезу про дефекти кристалічної структури напівпровідників, названих "порожніми місцями", або, звичніше, "дірками", які могли переміщатися кристалом. У 1930-ті роки академік А. Ф. Іоффе розпочав експерименти з напівпровідниками в Ленінградському інституті інженерної фізики.
У 1938 р. український академік Б. І. Давидов та його співробітники запропонували дифузійну теорію випрямлення змінного струму за допомогою кристалічних детекторів, відповідно до якої воно має місце на кордоні між двома шарами провідників, які мають p-і n-провідністю. Далі ця теорія була підтверджена та розвинена у дослідженнях В.Є. Лашкарьова, проведених у Києві в 1939-1941 pp. Він встановив, що по обидві сторони "запірного шару", розташованого паралельно межі розділу мідь - оксид міді, знаходяться носії струму протилежних знаків (явище p-n-переходу), а також що введення в напівпровідники домішок різко підвищує їхню здатність проводити електричний струм. Лашкарьов відкрив і механізм інжекції (перенесення носіїв струму) - явища, що становить основу дії напівпровідникових діодів та транзисторів.
Ці дослідження було перервано війною. Однак війна ж гостро порушила питання необхідності розвитку радянської електронної промисловості. Зокрема, потрібно було розвивати радіолокацію.

До початку війни Ленінградський радіозавод встиг випустити всього 45 комплектів «радіоуловлювача літаків» РУС-1. Перші два військові роки радіолокаційні станції в СРСР більше не випускалися. 4 липня 1943 року Державним комітетом Оборони було прийнято ухвалу «Про радіолокацію».

ДЕРЖАВНИЙ КОМІТЕТ ОБОРОНИ
ПОСТАНОВКА № ГОКО-3683сс
4 липня 1943 року. Москва. Кремль

Про радіолокацію
Враховуючи виключно важливе значення радіолокації для підвищення боєздатності Червоної Армії та Військово-Морського Флоту, Державний Комітет Оборони ухвалює:
1. Створити при Державному Комітеті Оборони Раду з радіолокації
Покласти на Раду з радіолокації при ГЗКО наступні завдання:
а) підготовку проектів військово-технічних завдань ГОКО для конструкторів з питань системи озброєння засобами радіолокації Червоної Армії та Військово-Морського флоту;
б) всебічний розвиток радіолокаційної промисловості та техніки, забезпечення створення нових засобів радіолокації та удосконалення існуючих типів радіолокаторів, а також забезпечення серійного випуску промисловістю високоякісних радіолокаторів;
в) залучення до справи радіолокації найбільших наукових, конструкторських та інженерно-технічних сил, здатних рухати вперед радіолокаційну техніку;
г) систематизацію та узагальнення всіх досягнень науки та техніки в галузі радіолокації, як у СРСР, так і за кордоном, шляхом використання науково-технічної літератури та всіх джерел інформації;
д) підготовку пропозицій для ГЗКО з питань імпорту засобів радіолокації.
2. Затвердити Раду з радіолокації у такому складі: тт. Маленков (голова), Архіпов, Берг, Голованов, Горохів, Данилін, Кабанов, Калмиков, Кобзарєв, Стогов, Тереньтьєв, Угер, Шахурін, Щукін.
3. Поставити перед Радою з радіолокації як найближче завдання:
а) забезпечення поліпшення якості та збільшення серійного виробництва наступних радіолокаторів, що випускаються промисловістю, – встановлення виявлення, розпізнавання літаків та наведення на них винищувальної авіації в системі ППО – "Пегматит – 3" та "Редут" з висотною приставкою; станції гарматного наведення СОН для забезпечення стрільби зенітних дивізіонів у системі ППО; літакових установок радіолокації радіонаведення для двомоторних літаків "Гнейс – 2"; радіолокаційних приладів розпізнавання літаків та кораблів "свій – чужий".
б) Забезпечення створення та випробування дослідних зразків та підготовки серійного виробництва наступних радіолокаторів – встановлення наведення прожекторів для ведення загороджувального вогню зенітною артилерією у системі ППО; станції гарматного наведення СОН – 3 для забезпечення стрільби зенітним дивізіоном у системі ППО; радіолокаційної установки для наведення на ціль бомбардувальної авіації дальньої дії; радіолокаційної установки наведення для одномоторного винищувача; універсальної морської установки виявлення для всіх типів кораблів, включаючи підводні човни та торпедні катери; корабельної та берегової установки для виявлення та забезпечення стрілянини головним калібром надводних кораблів та берегових батарей у будь-яких умовах видимості.
4. З метою забезпечення нових розробок та серійного виробництва радіолокаторів сучасними високоякісними електровакуумними виробами, створити Електровакуумний інститут із дослідним заводом. .
Розмістити Електровакуумний інститут на площі заводу №747 НКЕП
Затвердити начальником електровакуумного інституту т. Векшинського С.А.
6. Для вирішення завдань комплексного проектування радіолокаційного обладнання об'єктів, розробки тактико-технічних завдань на радіолокаційні прилади та координації робіт відділів головних конструкторів заводів радіолокаційної промисловості організувати Проектно-Конструкторське Бюро з радіолокації.
Затвердити начальником Проектно-конструкторського бюро з радіолокації т. Попова Н.Л.
7. Організувати в Наркоматі електропромисловості Головне управління радіолокаційної промисловості у складі:
а) Всесоюзного науково-дослідного інституту радіолокації;
б) Електровакуумного інституту;
в) проектно-конструкторського бюро;
г) заводів Наркомелектропрому №№ 465, 747, 498, 208 та 830.
7. Затвердити т. Берг А.І. заступником наркома електропромисловості з питань радіолокації.
8. Відновити у Московському енергетичному інституті факультет радіотехніки.
9. Зобов'язати Головне управління трудових резервів при РНК СРСР (Т. Москатов і Зеленко) спільно з ЦК ВЛКСМ (Т. Михайлов) організувати 15 ремісничих училищ з контингентом учнів 10 тисяч осіб з метою підготовки в цих училищах кваліфікованих робочих кадрів для радіолокаційних заводів.
10. Встановити великих наукових, конструкторських і інженерно-технічних працівників з радіолокації 30 персональних окладів у вигляді до 5 000 рублів кожен і 70 окладів у вигляді до 3 000 рублей.
11. Дозволити голові Ради з радіолокації затвердити штати апарату Ради.
12. Зобов'язати Раду з радіолокації спільно з Держпланом при РНК СРСР (т. Вознесенський), Наркомелектропромом (т. Кабанів), Наркомавіапромом (т. Шахурін), Наркоммінозброєння (т. Паршин) Наркомсудпромом (т. Носенко), Наркомсередмашем (т. Носенко) ), Наркомозброєння (т. Устинов) та 15 липня ц.р. подати на затвердження Державного Комітету Оборони пропозиції щодо заходів щодо організації виробництва радіолокаційної апаратури.

Голова Державного Комітету Оборони І. Сталін

Створений згідно з цією постановою Всесоюзного науково-дослідного інституту радіолокації отримав назву ЦНДІ-108 (нині «ЦНДРТІ ім. академіка А.І. Берга»). Його керівником став А.І. Берг. Інститут займався створенням радіолокаторів та методів боротьби з ними. Співробітник цього НДІ, керівник лабораторії Сергій Григорович Калашніков надалі створив перший систематичний курс фізики напівпровідників в СРСР і читав лекції в університеті.

6 серпня того ж 1943 року було прийнято постанову про створення у місті Фрязіно на базі заводу «Радіолампа»(завод N747) НДІ-160 (надалі називався НДІ Електронної техніки, НДІ «Исток», НВО «Исток», ДНВП "Исток") . Перед цим НДІ поставили завдання створення електровакуумних приладів для радіолокаційних станцій.

Директором НДІ був призначений досвідчений інженер і винахідник Сергій Аркадійович Векшинський, колишній начальник Галузевої вакуумної лабораторії (ОВЛ), евакуйованої з Ленінграда до Новосибірська, і колишній головний інженер «Світлани», а з 1940 р. начальник Спецбюро з металографії, евакуйований потім у Новосибірськ. Менш за рік пробув він директором НДІ-160, але найціннішою його заслугою було залучення сюди низка працівників свого Спецбюро, а також найцінніших працівників ОВЛ на чолі з її начальником С.А. Зусмановським (він був призначений заступником Векшинського з наукової частини). Серед них були Ю. А. Юнак, В. І. Єгіазаров, Г. А. Шустін, С. А. Зусмановський, К. П. Шахов, А. В. Красілов, В. С. Лукошков, Т.Б. Фогельсон та ін. Разом із співробітниками «Світлани» ці ленінградці стали золотим фондом інституту.

Інститути НДІ-160 та ЦНДІ-108 активно співпрацювали, зокрема у вирішенні проблеми підвищення вихідної потужності та робочих частот транзисторів, і в результаті народилася ідея нового технологічного процесу "сплавлення-дифузії", на основі якої з'явилися серійні германієві транзистори П401-П04 , П411. Але в 1957 році А.І.Берг створив в Академії наук СРСР новий Інститут радіоелектроніки, який сам і очолив, співробітники, які займалися напівпровідниковими приладами, перейшли туди, і в ЦНДІ-108 цей напрямок було згорнуто.

У Радянському Союзі перша НДР транзисторами була поставлена ​​в НДІ-160 (надалі - НДІ «Исток») у грудні 1948 р. Робота була виконана Сусанною Мадоян - дипломницею Хіміко-технологічного інституту ім. Д.І. Менделєєва під керівництвом А.В. Красилів.

Олександр Вікторович Красилов вважається патріархом вітчизняної напівпровідникової електроніки. Народився 14 вересня 1910 р. Закінчив Київський політехнічний інститут. Розпочав трудову діяльність у 1932 році на заводі "Світлана" м. Ленінград.

Брав активну участь у розвитку вакуумної електроніки. У період Великої Вітчизняної війни брав участь у створенні радіолампового заводу Новосибірську. Був відряджений у США з метою замовлення обладнання для вакуумної промисловості, де знайомився з роботами провідних електронних фірм на той час: "Дженерал-Електрик", "Вестінгауз", "Ар-СІ-Ей", "Х'юлет-Паккард", "Вестон".

Під його керівництвом у НДІ "Исток" розроблено та впроваджено у виробництво кілька серій мікрохвильових кремнієвих детекторів сантиметрового та міліметрового діапазонів, що забезпечують потреби радіолокації, радіоприладобудування та НВЧ вимірювальної техніки. Одночасно розроблено комплекс апаратури для вимірювання всіх електричних параметрів детекторів, включаючи вимірювання на надвисоких частотах. За ці роботи А. В. Красилову у 1949 р. було присуджено Сталінську премію.

З серпня 1953 р. А. В. Красілов - начальник відділу НДІ-35 (НДІ "Пульсар"). За більш ніж 20-річний термін перебування на цій посаді керував розробкою, удосконаленням, дослідженням та впровадженням у виробництво на дослідному заводі НДІ та на дев'яти заводах у різних частинах країни сотень типів германієвих діодів, транзисторів, тунельних діодів. У процесі цих робіт було вивчено основні властивості германію, способи його обробки, принципи конструювання приладів, методи їх випробувань, шляхи досягнення необхідної герметичності та надійності, у тому числі для роботи в особливих умовах.

А. В. Красилов - автор ряду нових напрямків конструювання та виготовлення напівпровідникових приладів, таких як методи дифузії легуючих домішок у кристали германію та кремнію, метод епітаксійного нарощування, методи піролітичного розкладання сполук германію, кремнію та металів, методи травлення напівпровідникових приладів та багато інших методи технології.

Сусанна Гукасівна Мадоян. 1950 р.

Створення точкових транзисторів було початком її трудової діяльності, проте незабаром довелося переключитися на розробку і виготовлення діодів для обчислювальної техніки, що розвивається.

У 1953 року разом із А.В. Красиловим перейшла на роботу в напівпровідникової електроніки, що відкрився НДІ (НДІ-35, нині «Пульсар»). У тому року С.Г. Мадоян створила перший у Союзі досвідчений зразок площинного (за тодішньою термінологією - шаруватого) германієвого транзистора. Ця технологія стала основою серійних приладів типу П1, П2, П3 та його подальших модифікацій.
Наприкінці 1960 року С.Г. Мадоян захистила дисертацію на ступінь кандидата технічних наук і почала цикл нових робіт зі створення НВЧ приладів – тунельних діодів, заснованих не тільки на Німеччині, а й на нових напівпровідникових матеріалах, що з'явився на той час – арсеніді галію та антимоніді галію. Однак у 1969 р. залишила напівпровідникову промисловість та зайнялася викладанням – отримала посаду доцента кафедри «Напівпровідникові прилади» в Інституті сталі та сплавів. Там вела курс «Технологія напівпровідникових приладів» та написала низку навчальних посібників, з лекційного курсу, з курсового проектування та лабораторного практикуму. Керувала роботами аспірантів; дев'ять із них захистили кандидатські дисертації.

С.Г. Мадоян та А.В. Красилів

Після війни В.Є. Лошкарьов відновив дослідження та на початку 1950-х років виготовив перші точкові транзистори в лабораторних умовах. Наукові заслуги Лашкарьова були оцінені: він очолив новий Інститут напівпровідників АН України, відкритий у 1960 р.

Радянські транзистори П1А та П3А(з радіатором). 1957 р.

На початку 1950-х у НДІ-160 Ф. А. Щиголь (який також, як і С.Г. Мадоян, був дипломником у А.В. Красилова) та Н. Н. Спіро щодня випускали десятки точкових транзисторів типу С1-С4 , а М. М. Самохвалов розробляв у НДІ-35 нові рішення щодо групової технології, технології "вплавлення - дифузії" для отримання тонкої бази ВЧ-транзисторів. У 1953 р. на основі досліджень термоелектричних властивостей напівпровідників А. Ф. Іоффе створив серію термоелектрогенераторів, а в НДІ-35 були виготовлені планарні транзистори П1, П2, П3. Незабаром у лабораторії С. Г. Калашнікова було отримано германієвий транзистор для частот 1,0 - 1,5 МГц, а Ф. А. Щиголь сконструював сплавні кремнієві транзистори типу П501-П503.

Фелікс Анатолійович Щиголь став лауреатом Ленінської премії за розвиток напівпровідникової промисловості. Серед його заслуг – створення стандартного для галузі малопотужного універсального кремнієвого планарного транзистора 2Т312, який разом із безліччю своїх похідних виробляється досі.

Творець перших кремнієвих планарних транзисторів Фелікс Анатолійович Щиголь

1957 р. радянська промисловість випустила 2,7 млн. транзисторів. Розпочате створення та розвиток ракетної та космічної техніки, а потім і обчислювальних машин, а також потреби приладобудування та інших галузей економіки повністю задовольнялися транзисторами та іншими електронними компонентами вітчизняного виробництва.

Ось що С.Г. Мадоян говорить про створення радянської напівпровідникової промисловості:

Приблизно 1960-го року почалася передача робіт на нові заводи. Тоді виникло багато напівпровідникових заводів, але якимось дивним чином: у Таллінні напівпровідникове виробництво організували на колишній сірниковій фабриці, у Брянську – на базі старої макаронної фабрики – нову макаронну звели, а стару віддали під виробництво напівпровідникових приладів. У Ризі під завод напівпровідникових приладів відвели будівлю фізкультурного технікуму. Так що, початкові роботи скрізь були важкі, я пам'ятаю, що в першому відрядженні в Брянську я шукала макаронний завод і потрапила на нову макаронну фабрику, там мені пояснили, що є ще стара фабрика, і на старій фабриці я ледве ногу не зламала, оступившись у калюжі, причому на підлозі в коридорі, який вів до кабінету директора.
Тоді почалося виробництво наймасовішого виду приладів – малопотужних германієвих транзисторів й у Новгороді Великому, та був почали будувати нові заводи. Спочатку місця для розгортання виробництва вибиралися так, щоб була готова інфраструктура, у містах, в яких людям хотілося жити, туди можна було набирати працівників, а потім напівпровідникові заводи почали будувати, ну, наприклад, у Запоріжжі, бо ми використовували переважно жіночу працю. на всіх складальних ділянках, а у Запоріжжі було багато безробітних жінок. Ну, таким чином ми розширювалися і просувалися.

МІНІСТЕРСТВО ЗАГАЛЬНОЇ ТА ПРОФЕСІЙНОЇ ОСВІТИ

РОСТІВСЬКОЇ ОБЛАСТІ

ДЕРЖАВНИЙ ОСВІТНИЙ ЗАКЛАД СЕРЕДНЬОЇ ПРОФЕСІЙНОЇ ОСВІТИ «НОВОЧЕРКАСЬКИЙ МЕХАНІКО_ТЕХНОЛОГІЧНИЙ КОЛЕДЖ ІМ.А.Д. ЦЮРУПИ»

«ІСТОРІЯ ВИНАХОДУ ТРАНЗИСТОРА»

Вступ

1. Історія винаходу транзистора

2. Перший транзистор

3. Створення біполярного транзистора

4. «Холодна війна» та її вплив на електроніку

5. Перші радянські транзистори

6. Польові транзистори

7. Область застосування транзистора

ВСТУП

Важко знайти таку галузь науки і техніки, яка так само стрімко розвивалася і справила такий же величезний вплив на всі сторони життєдіяльності людини, кожного окремого і суспільства в цілому, як електроніка. Як самостійний напрямок науки і техніки електроніка сформувалася завдяки електронній лампі. Спочатку з'явилися радіозв'язок, радіомовлення, радіолокація, телебачення, потім електронні системи керування, обчислювальна техніка тощо. Але електронна лампа має непереборні недоліки: великі габарити, високе енергоспоживання, великий час входження у робочий режим, низьку надійність. В результаті через 2-3 десятки років існування лампова електроніка у багатьох застосуваннях підійшла до межі своїх можливостей. Електронній лампі була потрібна більш компактна, економічна та надійна заміна. І вона знайшлась у вигляді напівпровідникового транзистора. Його створення справедливо вважають одним із найбільших досягнень науково-технічної думки двадцятого століття, що докорінно змінило світ. Воно було відзначено Нобелівською премією з фізики, присудженою 1956 р. американцям Джону Бардіну, Уолтеру Браттейну та Вільяму Шоклі. Але у нобелівської трійки у різних країнах були попередники. І це зрозуміло. Поява транзисторів – результат багаторічної роботи багатьох видатних учених та фахівців, які протягом попередніх десятиліть розвивали науку про напівпровідників. Радянські вчені зробили цю загальну справу величезний внесок. Дуже багато було зроблено школою фізики напівпровідників академіка О.Ф. Іоффе – піонер світових досліджень з фізики напівпровідників. Ще 1931 року він опублікував статтю з пророчою назвою: «Напівпровідники – нові матеріали електроніки». Чималу нагороду вивчення напівпровідників внесли Б.В. Курчатов та В.П. Жузі. У своїй роботі – «До питання про електропровідність закису міді» в 1932 вони показали, що величина і тип електричної провідності визначається концентрацією і природою домішки. Радянський фізик Я.М. Френкель створив теорію збудження у напівпровідниках парних носіїв заряду: електронів та дірок. У 1931 р. англійцю Вілсон вдалося створити теоретичну модель напівпровідника, сформулювавши при цьому основи «зонної теорії напівпровідників». У 1938 р. Мотт в Англії, Б.Давидов у СРСР, Вальтер Шоттки у Німеччині незалежно друг від друга запропонували теорію випрямляючої дії контакту метал-напівпровідник. 1939 року Б.Давидов опублікував роботу «Дифузійна теорія випрямлення в напівпровідниках». У 1941 р. В. Є. Лашкарьов опублікував статтю «Дослідження замикаючих шарів методом термозонда» та у співавторстві з К. М. Косоноговою – статтю «Вплив домішок на вентильний фотоефект у закисі міді». Він описав фізику "запірного шару" на межі розділу "мідь - закис міді", згодом названого "p-n" переходом. У 1946 р. В. Лошкарьов відкрив біполярну дифузію нерівноважних носіїв струму в напівпровідниках. Їм же було розкрито механізм інжекції – найважливішого явища, основі якого діють напівпровідникові діоди і транзистори. Великий внесок у дослідження властивостей напівпровідників зробили І.В.Курчатов, Ю.М.Кушнір, Л.Д.Ландау, В.М.Тучкевича, Ж.І.Алферов та ін. Таким чином, до кінця сорокових років ХХ століття основи теоретичної Основи створення транзисторів були опрацьовані досить глибоко, щоб приступати до практичним роботам.

1. ІСТОРІЯ ВИНАХОДУ ТРАНЗИСТОРА

Першою відомою спробою створення кристалічного підсилювача в США зробив німецький фізик Юліус Лілієнфельд, який запатентував у 1930, 1932 та 1933 роках. три варіанти підсилювача на основі сульфіду міді. У 1935 р. німецький вчений Оскар Хейл отримав британський патент на підсилювач на основі п'ятиокису ванадію. У 1938 р. німецький фізик Поль створив зразок, що діє, кристалічного підсилювача на нагрітому кристалі броміду калію. У довоєнні роки у Німеччині та Англії було видано ще кілька аналогічних патентів. Ці підсилювачі вважатимуться прообразом сучасних польових транзисторів. Проте побудувати стійко діючі прилади вдавалося, т.к. на той час ще не було достатньо чистих матеріалів та технологій їх обробки. У першій половині тридцятих років точкові тріоди виготовили двоє радіоаматорів – канадець Ларрі Кайзер та тринадцятирічний новозеландський школяр Роберт Адамс. У червні 1948 р. (до оприлюднення транзистора) виготовили свій варіант точкового германієвого тріода, названий ними транзитроном, які тоді жили у Франції німецькі фізики Роберт Поль і Рудольф Хілш. На початку 1949 р. було організовано виробництво транзитронів, застосовувалися вони в телефонному устаткуванні, причому працювали краще і довше за американські транзистори. У Росії її у 20-ті роки у Нижньому Новгороді О.В.Лосев спостерігав транзисторний ефект у системі із трьох – чотирьох контактів лежить на поверхні кремнію і корборунда. У 1939 р. він писав: «…з напівпровідниками може бути побудована триелектродна система, аналогічна тріоду», але захопився відкритим їм світлодіодним ефектом і реалізував цю ідею. До транзистора вело багато доріг.

Вище описані приклади проектів і зразків транзисторів були результатами локальних сплесків думки талановитих чи щасливих людей, які не підкріплені достатньою економічною та організаційною підтримкою і не відіграли серйозної ролі у розвитку електроніки. Дж. Бардін, У. Браттейн та У. Шоклі опинилися в кращих умовах. Вони працювали за єдиною у світі цілеспрямованою довготривалою (понад 5 років) програмою з достатнім фінансовим та матеріальним забезпеченням у фірмі Bell Telephone Laboratories, тоді однією з найпотужніших і наукомістких у США. Їхні роботи були розпочаті ще в другій половині тридцятих років, роботу очолив Джозеф Бекер, який залучив до неї висококласного теоретика У. Шоклі та блискучого експериментатора У. Браттейна. У 1939 р. Шоклі висунув ідею змінювати провідність тонкої пластини напівпровідника (оксиду міді), впливаючи її у зовнішнім електричним полем. Це було щось, що нагадує і патент Ю. Лілієнфельда, і пізніше зроблений і став масовим польовий транзистор. У 1940 р. Шоклі та Браттейн прийняли вдале рішення обмежити дослідження лише простими елементами – германієм та кремнієм. Однак усі спроби побудувати твердотільний підсилювач ні до чого не привели, і після Пірл-Харбора (практичний початок Другої світової війни для США) було покладено довгий ящик. Шокклі та Браттейн були направлені в дослідницький центр, який працював над створенням радарів. У 1945 р. обидва повернулися до Bell Labs. Там під керівництвом Шоклі було створено сильну команду з фізиків, хіміків та інженерів для роботи над твердотілими приладами. До неї увійшли У. Браттейн та фізик-теоретик Дж. Бардін. Шоклі зорієнтував групу реалізацію своєї довоєнної ідеї. Але пристрій наполегливо відмовлялося працювати, і Шоклі, доручивши Бардіну і Браттейну довести його до пуття, сам практично усунувся від цієї теми. Два роки наполегливої ​​праці принесли лише негативні результати. Бардін припустив, що надмірні електрони міцно осідали в приповерхневих областях та екранували зовнішнє поле. Ця гіпотеза підказала подальші дії. Плоский управляючий електрод замінили вістрям, намагаючись локально вплинути на тонкий приповерхневий шар напівпровідника.

Одного разу Браттейн несподівано майже впритул зблизив два голчасті електроди на поверхні германію, та ще переплутав полярність напруги живлення, і раптом помітив вплив струму одного електрода на струм іншого. Бардін миттєво оцінив помилку. А 16 грудня 1947 р. у них запрацював твердотільний підсилювач, який вважають першим у світі транзистором. Влаштований він був дуже просто - на металевій підкладці-електроді лежала пластинка германію, в яку впиралися два близько розташованих (10-15 мкм) контакту. Оригінально було зроблено ці контакти. Трикутний пластмасовий ніж, обгорнутий золотою фольгою, розрізаною надвоє бритвою по вершині трикутника. Трикутник притискався до германієвої платівки спеціальною пружиною, виготовленою з вигнутої канцелярської скріпки. Через тиждень, 23 грудня 1947 р., прилад був продемонстрований керівництву фірми, цей день і вважається датою народження транзистора. Всі були раді результатом, окрім Шоклі: вийшло, що він, який раніше за всіх задумав напівпровідниковий підсилювач, керував групою фахівців, який читав їм лекції з квантової теорії напівпровідників – не брав участі в його створенні. Та й транзистор вийшов не такий, як Шоклі замислювався: біполярний, а не польовий. Отже, на співавторство в «зоряному» патенті він претендувати не міг. Прилад працював, але широкому загалу цю зовні безглузду конструкцію показувати було не можна. Виготовили кілька транзисторів у вигляді металевих циліндриків діаметром близько 13 мм. і зібрали на них "безламповий" радіоприймач. 30 червня 1948 р. у Нью-Йорку відбулася офіційна презентація нового приладу – транзистора (від англ. Transver Resistor – трансформатор опорів). Але фахівці не одразу оцінили його можливості. Експерти з Пентагону «засудили» транзистор до використання лише у слухових апаратах для стареньких. Так короткозорість військових урятувала транзистор від засекречування. Презентація залишилася майже непоміченою, лише пара абзаців про транзистор з'явилася в Нью-Йорк Таймі на 46 сторінці в розділі «Новини радіо». Таким було явище світу одного з найбільших відкриттів ХХ століття. Навіть виробники електронних ламп, що вклали багато мільйонів у свої заводи, появу транзистора загрози не побачили. Пізніше, в липні 1948 року, інформація про цей винахід з'явилася в журналі The Physical Review. Але тільки через деякий час фахівці зрозуміли, що відбулася грандіозна подія, що визначила подальший розвиток прогресу у світі. Bell Labs відразу оформила патент на цей революційний винахід, але з технологією було багато проблем. Перші транзистори, що надійшли в продаж у 1948 році, не вселяли оптимізму – варто їх потрясти, і коефіцієнт посилення змінювався в кілька разів, а при нагріванні вони взагалі переставали працювати. Але їм не було рівних у мініатюрності. Апарати для людей зі зниженим слухом можна було помістити в оправі окулярів! Зрозумівши, що навряд чи вона сама зможе впоратися з усіма технологічними проблемами, Bell Labs зважилася на незвичайний крок. На початку 1952 року вона оголосила, що повністю передасть права виготовлення транзистора всім компаніям, готовим викласти досить скромну суму 25 000 доларів замість регулярних виплат користування патентом, і запропонувала навчальні курси з транзисторної технології, допомагаючи поширенню технології у світі. Поступово зростала очевидність важливості цього мініатюрного пристрою. Транзистор виявився привабливим з таких причин: був дешевий, мініатюрний, міцний, споживав мало потужності і миттєво вмикався (лампи довго нагрівалися). У 1953 р. на ринку з'явився перший комерційний транзисторний виріб – слуховий апарат (піонером у цій справі виступив Джон Кілбі з ф. Centralab, який через кілька років зробить першу у світі напівпровідникову мікросхему), а у жовтні 1954 р. – перший транзисторний радіоприймач Regency TR1, в ньому використовувалося всього чотири германієві транзистори. Негайно почала освоювати нові прилади та індустрія обчислювальної техніки, першою була фірма IBM. Доступність технології дала свої плоди – світ почав швидко змінюватися.

3. СТВОРЕННЯ БІПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

У честолюбного У. Шоклі те, що трапилося, викликало вулканічний сплеск його творчої енергії. Хоча Дж. Бардін та У.Браттейн ненароком отримали не польовий транзистор, як планував Шоклі, а біполярний, він швидко розібрався у зробленому. Пізніше Шоклі згадував про свій «пристрасний тиждень», протягом якого він створив теорію інжекції, а в новорічну ніч винайшов площинний біполярний транзистор без екзотичних голочок. Щоб створити щось нове, Шоклі по-новому глянув на давно відоме – на точковий і площинний напівпровідникові діоди, на фізику роботи площинного «p - n» переходу, що легко піддається теоретичному аналізу. Оскільки точковий транзистор є двома дуже зближеними діодами, Шоклі провів теоретичне дослідження пари аналогічно зближених площинних діодів і створив основи теорії площинного біполярного транзистора в кристалі напівпровідника, що містить два «p - n» переходи. Площинні транзистори мають ряд переваг перед точковими: вони більш доступні теоретичному аналізу, мають нижчий рівень шумів, забезпечують більшу потужність і, головне, більш високі повторюваність параметрів і надійність. Але, мабуть, головною їх перевагою була технологія, що легко автоматизується, що виключає складні операції виготовлення, установки і позиціонування пружних голок, а також забезпечувала подальшу мініатюризацію приладів. 30 червня 1948 р. у нью-йоркському офісі Bell Labs винахід було вперше продемонстровано керівництву компанії. Але виявилося, що створити серійноздатний площинний транзистор набагато складніше, ніж точковий. Транзистор Браттейна та Бардіна – надзвичайно простий пристрій. Його єдиним напівпровідниковим компонентом був шматочок щодо чистого і цілком доступного германію. А ось техніка легування напівпровідників наприкінці сорокових років, необхідна для виготовлення площинного транзистора, ще знаходилася в дитинстві, тому виготовлення серійноздатного транзистора «по Шоклі» вдалося тільки в 1951 р. У 1954 Bell Labs розробила процеси окислення, фотолітографії, багато років стали основою виробництва напівпровідникових приладів.

Крапковий транзистор Бардіна та Браттейна – безумовно величезний прогрес у порівнянні з електронними лампами. Але не він став основою мікроелектроніки, вік його виявився коротким, близько 10 років. Шоклі швидко зрозумів зроблене колегами та створив площинний варіант біполярного транзистора, який живий і сьогодні і житиме, доки існує мікроелектроніка. Патент на нього він отримав у 1951 р. А в 1952 р. У. Шоклі створив і польовий транзистор, так само ним запатентований. Тож свою участь у Нобелівській премії він заробив чесно.

Число виробників транзисторів зростало як снігова куля. Bell Labs, Shockley Semiconductor, Fairchild Semiconductor, Western Electric, GSI (з грудня 1951 Texas Instruments), Motorola, Tokyo Cousin (З 1958 Sony), NEC та багато інших.

У 1950 р. фірма GSI розробила перший кремнієвий транзистор, а з 1954 р., перетворившись на Texas Instruments, розпочала його серійне виробництво.

4. «ХОЛОДНА ВІЙНА» І ЇЇ ВПЛИВ НА ЕЛЕКТРОНІКУ

Після закінчення Другої світової війни світ розколовся на два ворожі табори. У 1950-1953 pp. ця конфронтація вилилася у пряме військове зіткнення – Корейську війну. Фактично це була опосередкована війна між США та СРСР. У цей час США готувалися до пряму війну з СРСР. У 1949 р. у США було розроблено опублікований нині план «Останній постріл» (Operation Dropshot), фактично план Третьої світової війни, війни термоядерної. План передбачав прямий напад на СРСР 1 січня 1957 р. Протягом місяця передбачалося скинути на наші голови 300 50-кілотонних атомних та 200 000 звичайних бомб. Для цього план передбачав розробку спеціальних балістичних ракет, підводних атомних човнів, авіаносців та багато іншого. Так почалася розв'язана США безпрецедентна гонка озброєнь, що тривала всю другу половину минулого століття, що триває, не так демонстративно, і зараз. У цих умовах перед нашою країною, яка витримала безпрецедентну в моральному та економічному відношенні чотирирічну війну і перемогла ціну величезних зусиль і жертв, виникли нові гігантські проблеми щодо забезпечення власної та союзників безпеки. Довелося терміново, відриваючи ресурси від змученого війною і голодного народу, створювати нові види зброї, утримувати у постійній боєздатності величезну армію. Так були створені атомні та водневі бомби, міжконтинентальні ракети, система протиракетної оборони та багато іншого. Наші успіхи в галузі забезпечення обороноздатності країни та реальна можливість отримання нищівного удару у відповідь змусили США відмовитися від реалізації плану «Dropshot» та інших йому подібних. Одним із наслідків «холодної війни» була майже повна економічна та інформаційна ізоляція протилежних сторін. Економічні та наукові зв'язки були дуже слабкими, а в галузі стратегічно важливих галузей та нових технологій практично були відсутні. Важливі відкриття, винаходи, нові розробки будь-якої галузі знань, які могли бути використані у військовій техніці або сприяти економічному розвитку, засекречувалися. Постачання прогресивних технологій, обладнання, продукції заборонялося. У результаті радянська напівпровідникова наука та промисловість розвивалися в умовах майже повної ізоляції, фактичної блокади від усього того, що робилося в цій галузі в США, Західній Європі, а потім і Японії. Слід також відзначити, що радянська наука і промисловість у багатьох напрямках тоді займала лідируюче у світі становище. Наші винищувачі в корейській війні були кращими за американські, наші ракети були найпотужнішими, у космосі в ті роки ми були попереду планети всієї, перший у світі комп'ютер з продуктивністю вище 1 млн. оп/с був наш, водневу бомбу ми зробили раніше США, балістичну ракету першою збила наша система ПРО тощо. Відстати в електроніці означало потягнути назад інші галузі науки і техніки. Значення напівпровідникової техніки в СРСР розуміли чудово, але шляхи та методи її розвитку були іншими, ніж у США. Керівництво країни усвідомлювало, що протистояння у холодній війні можна забезпечити шляхом розвитку оборонних систем, керованих надійною, малогабаритною електронікою. У 1959 році були засновані такі заводи напівпровідникових приладів, як Олександрівський, Брянський, Воронезький, Ризький та ін. , Мінську, Єревані, Нальчику та інших містах. Причому базою для створення перших підприємств напівпровідникової промисловості стали зовсім не пристосовані для цього приміщення (будівлі комерційного технікуму в Ризі, Радпартшколи в Новгороді, макаронна фабрика в Брянську, швейна фабрика у Воронежі, ательє в Запоріжжі тощо). Але повернемось до витоків.

5. ПЕРШІ РАДЯНСЬКІ ТРАНЗИСТОРИ

У роки, що передували винаходу транзистора, в СРСР було досягнуто значних успіхів у створенні германієвих і кремнієвих детекторів. У цих роботах використовувалася оригінальна методика дослідження приконтактної області шляхом введення в неї додаткової голки, внаслідок чого створювалася конфігурація, яка точно повторює точковий транзистор. Іноді при вимірах виявлялися і транзисторні характеристики (вплив одного «p - n» переходу на інший близько розташований), але їх відкидали як випадкові та нецікаві аномалії. Мало в чому наші дослідники поступалися американським фахівцям, не було у них лише одного – націленості на транзистор, і велике відкриття вислизнуло з рук. Починаючи з 1947 р. інтенсивні роботи в області напівпровідникових підсилювачів велися в ЦНДІ-108 (лаб. С. Г. Калашнікова) та в НДІ-160 (НДІ «Исток», Фрязіно, лаб. А. В. Красилова). У 1948 р. група А. В. Красилова, яка розробляла германієві діоди для радіолокаційних станцій, також отримала транзисторний ефект і спробувала пояснити його. Про це в журналі «Вісник інформації» у грудні 1948 р. ними була опублікована стаття «Кристалічний тріод» - перша публікація в СРСР про транзисторів. Нагадаємо, що перша публікація про транзистора у США у журналі «The Physical Review» відбулася у липні 1948 р., тобто. результати робіт групи Красилова були незалежними і майже одночасними. Таким чином наукова та експериментальна база в СРСР була підготовлена ​​до створення напівпровідникового тріода (термін «транзистор» було введено в російську мову в середині 60-х років) і вже в 1949 р. лабораторією А. В. Красилова були розроблені та передані у серійне виробництво перші радянські точкові германієві тріоди С1 – С4. У 1950 р. зразки германієвих тріодів були розроблені у ФІАН (Б.М. Вул, А. В. Ржанов, В. С. Вавілов та ін), в ЛФТІ (В.М. Тучкевич, Д. Н. Спадкоєм) і в ІРЕ АН СРСР (С.Г. Калашніков, Н. А. Пенін та ін).

У травні 1953 р. було створено спеціалізований НДІ (НДІ-35, пізніше – НДІ «Пульсар»), засновано Міжвідомчу Раду з напівпровідників. У 1955 р. почалося промислове виробництво транзисторів на заводі «Світлана» у Ленінграді, а за заводу створено ОКБ із розробки напівпровідникових приладів. У 1956 р. московський НДІ-311 з дослідним заводом перейменований у НДІ «Сапфір» із заводом «Оптрон» та переорієнтований на розробку напівпровідникових діодів та тиристорів. Протягом 50-х років у країні було розроблено низку нових технологій виготовлення площинних транзисторів: сплавну, сплавно-дифузійну, меза-дифузійну. Напівпровідникова промисловість СРСР розвивалася досить швидко: 1955 р. було випущено 96 тисяч, 1957 р. – 2,7 млн, а 1966 р. – понад 11 млн. транзисторів. І це був лише початок.

6. ПОЛЬОВІ ТРАНЗИСТОРИ

Перший польовий транзистор був запатентований США 1926/30гг., 1928/32гг. та 1928/33гг. Лілієнфельд – автор цих потентів. Він народився 1882 року в Польщі. З 1910 до 1926 р. був професором Лейпцизького університету. У 1926 р. іммігрував до США і подав заявку на патент. Запропоновані Лілієнфельдом транзистори не були впроваджені у виробництво. Найбільш важлива особливість винаходу Лілієнфельда полягає в тому, що він розумів роботу транзистора на принципі модуляції провідності, виходячи з електростатики. В описі патенту формулюється, що провідність тонкої області напівпровідникового каналу модулюється вхідним сигналом, що надходить на затвор через вхідний трансформатор. 1935 року в Англії отримав патент на польовий транзистор німецький винахідник О.Хейл

Схема патенту представлена ​​на Рис. де:

Керуючий електрод (1) виконує роль затвора, електрод (3) виконує роль стоку, електрод (4) роль витоку. Подаючи змінний сигнал на затвор, розташований дуже близько до провідника, отримуємо зміну опору напівпровідника (2) між стоком та витоком. При низькій частоті можна спостерігати коливання стрілки амперметра (7). Даний винахід є прототипом польового транзистора із ізольованим затвором. Наступний період хвилі винаходів за транзисторами настав у 1939 році, коли після трирічних пошуків з твердотільного підсилювача у фірмі "BTL" (Bell Telephone Laboratories) Шоклі був запрошений включитися в дослідження Браттейна з медноокисного випрямляча. Роботу було перервано другою світовою війною, але вже перед від'їздом на фронт Шоклі запропонував два транзистори. Дослідження з транзисторів

Біполярні транзистори напівпровідникові прилади з великою кількістю шарів різного типу електропровідності, що розташовані в різному поєднанні. Розглянемо біполярний транзистор.

Принцип дії біполярного транзистора полягає в тому, що 2 р-п переходу розташовані настільки близько один до одного, що відбувається їх взаємний вплив, внаслідок чого вони посилюють електричні сигнали.

Отже, на рис. зображено три шари: з електронною електропровідністю, причому сильною, що позначає плюс - емітер, дірочною - база, і знову електронною, але слабкіше легованою (концентрація електронів найменша) - колектор. Товщина основи, тобто. відстань між двома р-п переходами, що дорівнює Lб, дуже мала. Вона повинна бути меншою за дифузійну довжину електронів у базі. Це від одиниць до десятка мкм. Товщина бази має бути не більше одиниць мкм. (Товщина людського волосся 20-50 мкм. Зазначимо також, що це близько до межі дозволу людського ока, тому що ми не можемо бачити нічого меншого, ніж довжина хвилі світла, тобто приблизно 0,5 мкм). Всі інші розміри транзистора трохи більше 1 мм.

До шарів прикладають зовнішню напругу так, що емітерний р-п перехід зміщений у прямому напрямку, і через нього протікає великий струм, а колекторний р-п перехід зміщений у протилежний бік, тому через нього не повинен протікати струм. Однак внаслідок того, що р-п переходи розташовані близько, вони впливають один на одного, і картина змінюється: струм електронів, що пройшов з емітерного р-п переходу, протікає далі, доходить до колекторного р-п переходу та електричним полем останнього електрони втягуються в колектор. В результаті у хороших транзисторів практично весь струм колектора дорівнює струму емітера. Втрати струму дуже незначні: відсотки та навіть частки відсотка.

Схема із загальною базою: Коефіцієнт посилення a<1

Ми бачимо, що до емітерного р-п переходу прикладено пряме усунення: плюс до базового контакту, а мінус до емітерного контакту. До колекторного р-п переходу додається зворотне усунення. І тут у хорошого транзистора колекторний струм лише трохи менше емітерного.

В цьому випадку в базу і в емітер подається напруга одного знака, але в базу подається не більше 0,7 В, а в колектор - 5 ... 15 В. Коефіцієнт посилення

7. ОБЛАСТЬ ЗАСТОСУВАННЯ ТРАНЗИСТОРА

Першими транзисторами випущеними вітчизняною промисловістю були точкові транзистори, які призначалися посилення і генерування коливань частотою до 5 МГц. У процесі виробництва перших у світі транзисторів було відпрацьовано окремі технологічні процеси та розроблено методи контролю параметрів. Накопичений досвід дозволив перейти до випуску досконаліших приладів, які могли працювати на частотах до 10 МГц. Надалі на зміну точковим транзисторам прийшли площинні, що мають більш високі електричні та експлуатаційні якості. Перші транзистори типу П1 і П2 призначалися посилення і генерування електричних коливань із частотою до 100 кГц.

Потім з'явилися потужніші низькочастотні транзистори П3 і П4 застосування яких у 2-х тактних підсилювачах дозволяло отримати вихідну потужність до декількох десятків ват. У міру розвитку напівпровідникової промисловості відбувалося освоєння нових типів транзисторів, у тому числі П5 і П6, які в порівнянні зі своїми попередниками мали покращені характеристики.

Минав час, освоювалися нові методи виготовлення транзисторів, і транзистори П1 – П6 не задовольняли чинним вимогам і було знято з виробництва. Замість них з'явилися транзистори типу П13 – П16, П201 – П203, які теж належали до низькочастотних не більше 100 кГц. Така низька частотна межа пояснюється способом виготовлення цих транзисторів, здійснюваним методом сплавлення.

Тому транзистори П1 – П6, П13 – П16, П201 – П203 називають сплавними. Транзистори здатні генерувати та посилювати електричні коливання з частотою в десятки та сотні МГц з'явилися значно пізніше – це були транзистори типу П401 – П403, які започаткували застосування нового дифузійного методу виготовлення напівпровідникових приладів. Такі транзистори називають дифузійними. Подальший розвиток йшов шляхом удосконалення як сплавних, так і дифузійних транзисторів, а також створення та освоєння нових методів їх виготовлення.

З появою біполярних польових транзисторів почали втілюватися ідеї розробки малогабаритних ЕОМ. На їх основі почали створювати бортові електронні системи для авіаційної та космічної техніки.

У схемі ОЕ вхідний сигнал подається на базу, а вихідний сигнал знімається з колектора. Схема та вихідні характеристики зображені на рис.1 Видно, що схема стала дуже складною. Однак головне, що тут є – це резистор Rк, який визначає коефіцієнт посилення за напругою, і який становить від одиниць ком до МОм (що більше цей резистор, тим більше посилення). Всі інші елементи більш менш умовні. Насамперед Rе необхідно для термостабілізації транзистора. Це здійснюється рахунок зворотного зв'язку по постійному струму, яку ми обговоримо пізніше.

Се - конденсатор, який шунтує цей резистор на робочих частотах, так що при змінному сигналі резистора немає. Цей конденсатор – кілька мкф. Зазвичай це електролітичний конденсатор.

Ср - розділові конденсатори, які відокремлюють постійну складову сигналу на вході та виході схеми від зовнішніх сигналів. Зазвичай це кілька мкф.

Rб2 – практично непотрібний резистор, він ставиться задля убезпечення транзистора від згоряння. Його значення має бути великим, тому що варто він паралельно до входу і може його закоротити. Зазвичай це 1 або кілька кілом, тому що вхідний опір транзистора мало.

Rн - опір навантаження, краще, якщо воно велике, так як воно підключене паралельно виходу транзистора, і якщо воно буде малим, вихідний сигнал впаде.

Uвх – сигнал входу транзистора. Як видно, на вході багато різних деталей – резисторів та конденсаторів. Але на робочих частотах опору конденсаторів малі, вони добре пропускають сигнали. А два паралельні резистори Rб1 і Rб2 досить великі в порівнянні з вхідним опором транзистора. Тому врахуємо тільки цей вхідний опір. Зазвичай, власне опори транзистора позначаються малими літерами.