Транзистор

Транзистор

Транзистор - начало эры компьютеров.

Изобретение в конце 40-х годов XX века транзистора стало одной из крупнейших вех в истории электроники. Электронные лампы, которые до этого в течение долгого времени были непременным и главнейшим элементом всех радио- и электронных устройств, имели много недостатков. По мере усложнения радиоаппаратуры и повышения общих требований к ней, эти недостатки ощущались все острее. К ним нужно отнести, прежде всего, механическую непрочность ламп, малый срок их службы, большие габариты, невысокий КПД из-за больших тепловых потерь на аноде. Поэтому, когда на смену вакуумным лампам во второй половине XX века пришли полупроводниковые элементы, не обладавшие ни одним из перечисленных изъянов, в радиотехнике и электронике произошел настоящий переворот.

В 1874 году Браун обнаружил явление выпрямления тока в месте контакта свинца и пирита, и создал первый кристаллический детектор. Беддекер в 1907 году обнаружил, что проводимость йодистой меди возрастает в 24 раза при наличии примеси йода, который сам по себе не является проводником.

CatWhisker

Типичный полупроводник – германий. В обычных условиях он имеет удельное сопротивление в 30 миллионов раз больше, чем у меди, и в 1000000 миллионов раз меньше, чем у стекла. Но его проводимость можно значительно повысить, если ввести в состав его решетки примеси, например, пятивалентный атом мышьяка или сурьмы. Такой полупроводник принято называть полупроводником n-типа (от negative — отрицательный).

В случае, когда в кристалл германия вводится трехвалентная примесь (например, алюминий, галлий или индий) и прикладывается к такому кристаллу напряжение, получим эффект, при котором электрический ток создается положительными зарядами. Такой полупроводник называют полупроводником p-типа (от positiv — положительный).

Само по себе явление примесной проводимости еще не имеет большого значения, но при соединении двух полупроводников — с n-проводимостью и p-проводимостью — образуется p-n переход, своего рода барьер между двумя областями. Благодаря этому кристалл приобретет ярко выраженную одностороннюю проводимость.

Еще более интересное явление можно наблюдать в том случае, когда в полупроводниковом кристалле образован не один, а два p-n перехода. Такой полупроводниковый элемент получил название транзистора. Одну из его внешних областей именуют эмиттером, другую — коллектором, а среднюю область (которую обычно делают очень тонкой) — базой.

Если приложить напряжение к эмиттеру и коллектору транзистора, ток не будет проходить. Но если создать небольшую разность потенциалов между эмиттером и базой, то свободные электроны из эмиттера, преодолев p-n переход, попадут в базу. А так как база очень тонкая, то лишь небольшого количества этих электронов хватит для заполнения дырок, находящихся в области p. Поэтому большая часть их пройдет в коллектор, преодолев запирающий барьер второго перехода — в транзисторе возникнет электрический ток. Ток в цепи эмиттер-база обычно в десятки раз меньше того, который протекает в цепи эмиттер-коллектор. Из этого видно, что по своему действию транзистор можно в известном смысле считать аналогом трехэлектродной лампы (хотя физические процессы в них совершенно различны). Точно так же, как в лампе, небольшое изменение потенциала сетки вызывает значительное изменение анодного тока, в транзисторе слабые изменения в цепи базы вызывают значительные изменения тока коллектора. Следовательно, транзистор может использоваться в качестве усилителя и генератора электрических сигналов.

С 1940 года широкое применение в радиолокационных устройствах получил точечный германиевый диод. Его применение на входах радиоприемников резко снизило собственные шумы, повысило чувствительность и дальность обнаружения объектов.

Replica of first transistor

Копия первого работающего трнзистора

После Второй мировой войны был изобретен точечный транзистор. Его создали в 1948 году сотрудники американской фирмы «Белл» Шокли, Бардин и Браттейн. Расположив на германиевом кристалле, на небольшом расстоянии друг от друга, два точечных контакта и подав на один из них прямое смещение, а на другой — обратное, они получили возможность с помощью тока, проходившего через первый контакт, управлять током через второй. Этот первый транзистор имел коэффициент усиления порядка 100, был экономичным и его КПД достигал 70%. Транзисторы не требовали накала и начинали работать немедленно после подачи на них напряжения.

В 1952 году появились первые плоские примесные германиевые транзисторы. База изготавливалась из монокристалла из очищенного от примесей германия с добавлением в расплав примесей p или n типа. Эмиттер и коллектор создавали различными способами.

В 1955 году фирмой «Белл систем» был создан диффузионный германиевый транзистор. Метод диффузии состоял в том, что пластинки полупроводника помещали в атмосферу газа, содержащего пары примеси, которая должна была образовать эмиттер и коллектор, и нагревали пластинки до температуры, близкой к точке плавления. Атомы примесей при этом постепенно проникали в полупроводник.