|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ІСТОРІЯ ТЕХНІКИ, ТЕХНОЛОГІЇ, ПРЕДМЕТІВ НАВКОЛО НАС
транзистор. Історія винаходу та виробництва
Довідник / Історія техніки, технології, предметів довкола нас Транзистор, напівпровідниковий тріод - радіоелектронний компонент напівпровідникового матеріалу, зазвичай з трьома висновками, що дозволяє вхідним сигналом керувати струмом в електричному ланцюзі. Зазвичай використовується для посилення, генерації та перетворення електричних сигналів. У загальному випадку транзистором називають будь-який пристрій, який імітує головну властивість транзистора - зміни сигналу між двома різними станами при зміні сигналу на електроді, що управляє.
Винахід наприкінці 40-х років XX століття транзистора став однією з найбільших віх в історії електроніки. Електронні лампи, які раніше тривалий час були неодмінним і найголовнішим елементом всіх радіо - і електронних пристроїв, мали багато недоліків. У міру ускладнення радіоапаратури та підвищення загальних вимог до неї ці недоліки відчувалися все гостріше. До них потрібно віднести насамперед механічну неміцність ламп, малий термін їхньої служби, великі габарити, невисокий ККД через великі теплові втрати на аноді. Тому, коли на зміну вакуумним лампам у другій половині XX століття прийшли напівпровідникові елементи, які не мали жодного з перелічених вад, у радіотехніці та електроніці стався справжній переворот. Треба сказати, що напівпровідники далеко не одразу відкрили перед людиною свої чудові властивості. Довгий час в електротехніці використовувалися виключно провідники та діелектрики. Велика група матеріалів, що займали проміжне положення між ними, не знаходила жодного застосування, і лише окремі дослідники, вивчаючи природу електрики, іноді виявляли інтерес до їх електричних властивостей. Так, в 1874 Браун виявив явище випрямлення струму в місці контакту свинцю і піриту і створив перший кристалічний детектор. Іншими дослідниками було встановлено, що істотний вплив на провідність напівпровідників надають домішки, що містяться в них. Наприклад, Беддекер у 1907 році виявив, що провідність йодистої міді зростає у 24 рази за наявності домішки йоду, який сам по собі не є провідником. Чим же пояснюються властивості напівпровідників і чому вони набули такого важливого значення в електроніці? Візьмемо такий типовий напівпровідник, як Німеччина. У звичайних умовах він має питомий опір у 30 мільйонів разів більше, ніж у міді, і в 1000000 мільйонів разів менше, ніж у скла. Отже, за своїми властивостями він все ж таки дещо ближче до провідників, ніж до діелектриків. Як відомо, здатність тієї чи іншої речовини проводити або проводити електричний струм залежить від наявності або відсутності в ньому вільних заряджених частинок.
Німеччина в цьому сенсі не є винятком. Кожен його атом чотиривалентний і повинен утворювати із сусідніми атомами чотири електронні зв'язки. Але завдяки тепловому впливу деяка частина електронів залишає свої атоми і починає вільно переміщатися між вузлами кристалічних ґрат. Це приблизно 2 електрони на кожні 10 мільярдів атомів. В одному грамі германію міститься близько 10 тисяч мільярдів атомів, тобто в ньому є близько 2 тисяч мільярдів вільних електронів. Це в мільйони разів менше, ніж, наприклад, у міді або сріблі, але все ж таки достатньо для того, щоб германій міг пропускати через себе невеликий струм.
Однак, як уже говорилося, провідність германію можна значно підвищити, якщо ввести до складу його решітки домішки, наприклад, пятивалентний атом миш'яку або сурми. Тоді чотири електрони миш'яку утворюють валентні зв'язки з атомами германію, але п'ятий залишиться вільним. Він буде слабко пов'язаний з атомом, так що невеликої напруги, прикладеної до кристала, буде достатньо, щоб він відірвався і перетворився на вільний електрон (зрозуміло, що атоми миш'яку при цьому стають позитивно зарядженими іонами). Усе це помітно змінює електричні властивості германію. Хоча вміст домішки у ньому невелика - всього 1 атом на 10 мільйонів атомів германію, завдяки її присутності кількість вільних негативно заряджених частинок (електронів) у кристалі германію багаторазово зростає. Такий напівпровідник прийнято називати напівпровідником n-типу (від negative – негативний).
Інша картина буде в тому випадку, коли кристал германію вводиться тривалентна домішка (наприклад, алюміній, галій або індій). Кожен атом домішки утворює зв'язку лише з трьома атомами германію, але в місці четвертого зв'язку залишиться вільне місце - дірка, яку може заповнити будь-який електрон (у своїй атом домішки іонізується негативно). Якщо цей електрон перейде до домішки від сусіднього атома германію, то дірка буде своєю чергою в останнього. Приклавши до такого кристалу напругу, отримаємо ефект, який можна назвати "переміщенням дірок". Дійсно, нехай із того боку, де знаходиться негативний полюс зовнішнього джерела, електрон заповнить дірку тривалентного атома. Отже, електрон наблизиться до позитивного полюса, тоді як нова дірка утворюється в сусідньому атомі, розташованому ближче до негативного полюса. Потім відбувається це явище з іншим атомом. Нова дірка у свою чергу заповниться електроном, що наближається таким чином до позитивного полюса, а дірка, що утворилася за цей рахунок, наблизиться до негативного полюса. І коли в результаті такого руху електрон досягне позитивного полюса, звідки він попрямує в джерело струму, дірка досягне негативного полюса, де заповниться електроном, що надходить з джерела струму. Дірка переміщається так, наче це частка з позитивним зарядом, і можна говорити, що електричний струм тут створюється позитивними зарядами. Такий напівпровідник називають напівпровідником p-типу (від positiv – позитивний). Саме собою явище домішкової провідності ще немає великого значення, але при з'єднанні двох напівпровідників - одного з n-провідністю, а іншого з p-провідністю (наприклад, коли в кристалі германію з одного боку створена n-провідність, а з іншого - p -Провідність) - відбуваються дуже цікаві явища. Негативно іонізовані атоми області p відштовхнуть від переходу вільні електрони області n, а позитивно іонізовані атоми області відштовхнуть від переходу дірки області p. Тобто pn перехід перетвориться на свого роду бар'єр між двома областями. Завдяки цьому кристал набуде яскраво вираженої односторонньої провідності: для одних струмів він поводитиметься як провідник, а для інших - як ізолятор. Справді, якщо докласти до кристала напруга більша за величиною, ніж "запірна" напруга pn переходу, причому таким чином, що позитивний електрод буде з'єднаний з p-областю, а негативний - з n-областю, то в кристалі протікатиме електричний струм , утворений електронами та дірками, що переміщуються назустріч один одному. Якщо ж потенціали зовнішнього джерела змінити протилежним чином, струм припиниться (вірніше, він буде дуже незначним) - відбудеться лише відтік електронів та дірок від межі поділу двох областей, унаслідок чого потенційний бар'єр між ними збільшиться. У цьому випадку напівпровідниковий кристал поводитиметься так само, як вакуумна лампа-діод, тому прилади, засновані на цьому принципі, назвали напівпровідниковими діодами. Як і лампові діоди, вони можуть бути детекторами, тобто випрямлячами струму. Ще більш цікаве явище можна спостерігати у тому випадку, коли у напівпровідниковому кристалі утворений не один, а два pn переходи. Такий напівпровідниковий елемент отримав назву транзистора. Одну з його зовнішніх областей називають емітером, іншу - колектором, а середню область (яку зазвичай роблять дуже тонкою) - основою. Якщо прикласти напругу до емітера та колектора транзистора, струм не проходитиме, як би ми не змінювали полярність.
Але якщо створити невелику різницю потенціалів між емітером та базою, то вільні електрони з емітера, подолавши pn перехід, потраплять у базу. Оскільки база дуже тонка, лише невеликої кількості цих електронів вистачить заповнення дірок, що у області p. Тому більшість їх пройде в колектор, подолавши замикаючий бар'єр другого переходу - в транзисторі виникне електричний струм. Це тим більше чудово, що струм в ланцюзі емітер-база зазвичай у десятки разів менше від того, який протікає в ланцюзі емітер-колектор. З цього видно, що за своєю дією транзистор можна у сенсі вважати аналогом трехэлектродной лампи (хоча фізичні процеси у яких зовсім різні), причому база грає тут роль сітки, що міститься між анодом і катодом. Так само, як у лампі, невелика зміна потенціалу сітки викликає значну зміну анодного струму, в транзисторі слабкі зміни в ланцюгу бази викликають значні зміни колекторного струму. Отже, транзистор може використовуватися як підсилювач і генератор електричних сигналів. Напівпровідникові елементи почали поступово витісняти електронні лампи початку 40-х. З 1940 року широке застосування радіолокаційних пристроях отримав точковий германієвий діод. Радіолокація взагалі стала стимулом для швидкого розвитку електроніки потужних джерел високочастотної енергії. Все більший інтерес проявлявся до дециметрових і сантиметрових хвиль, створення електронних приладів, здатних працювати в цих діапазонах. Тим часом електронні лампи при використанні їх в області високих і надвисоких частот поводилися незадовільно, оскільки власні шуми суттєво обмежували їхню чутливість. Застосування на входах радіоприймачів точкових германієвих діодів дозволило різко знизити власні шуми, підвищити чутливість та дальність виявлення об'єктів.
Однак справжня ера напівпровідників почалася вже після Другої світової війни, коли було винайдено точковий транзистор. Його створили після багатьох дослідів у 1948 році співробітники американської фірми "Белл" Шоклі, Бардін та Браттейн. Розташувавши на германієвому кристалі, на невеликій відстані один від одного, два точкові контакти і подавши на один з них пряме зміщення, а на інший - зворотне, вони отримали можливість за допомогою струму, що проходив через перший контакт, керувати струмом через другий. Цей перший транзистор мав коефіцієнт посилення 100. Новий винахід швидко набув широкого поширення. Перші точкові транзистори складалися з германієвого кристала з n-провідністю, що служив базою, на яку спиралися два тонкі бронзові вістря, розташовані дуже близько один до одного - на відстані кількох мікрон. Одне (звичайно берилієва бронза) служило емітером, а інше (з фосфорної бронзи) - колектором. При виготовленні транзистора через вістря пропускався струм силою приблизно один ампер. Німеччина у своїй розплавлявся, як і кінчики вістрів. Мідь і домішки, що є в ній, переходили в германій і утворювали в безпосередній близькості від точкових контактів шари з дірковою провідністю. Ці транзистори не відрізнялися надійністю через недосконалість своєї конструкції. Вони були нестабільні і не могли працювати за великих потужностей. Вартість їхня була велика. Однак вони були набагато надійнішими за вакуумні лампи, не боялися вогкості і споживали потужності в сотні разів менші, ніж аналогічні їм електронні лампи. Разом з тим вони були надзвичайно економічні, тому що вимагали для свого живлення дуже маленького струму близько 0,5-1 В і не потребували окремої батареї. Їхній ККД досягав 70%, тоді як у лампи він рідко перевищував 10%. Оскільки транзистори не вимагали напруження, вони починали працювати негайно після подачі напруги. До того ж вони мали дуже низький рівень власних шумів, тому апаратура, зібрана на транзисторах, виявлялася більш чутливою.
Поступово новий пристрій удосконалювався. У 1952 році з'явилися перші плоскі домішкові германієві транзистори. Їхнє виготовлення було складним технологічним процесом. Спочатку германій очищали від домішок, а потім утворювали монокристал. (Звичайний шматок германія складається з великої кількості зрощених безладно кристалів; для напівпровідникових приладів така структура матеріалу не годиться - тут потрібна виключно правильна, єдина для всього шматка кристалічна решітка.) Для цього германій розплавляли і опускали в нього затравку - маленький кристал з правильно ґратами. Обертаючи затравку навколо осі, її повільно піднімали. Внаслідок цього атоми навколо затравки вишиковувалися в правильні кристалічні грати. Напівпровідниковий матеріал твердів і обволікав затравку. В результаті виходив монокристалічний стрижень. Одночасно до розплаву додавали домішка p або n типу. Потім монокристал різали на маленькі платівки, які були базою. Емітер і колектор створювали у різний спосіб. Найбільш простий метод полягав у тому, що на обидві сторони платівки германію накладали маленькі шматочки індію та швидко нагрівали їх до 600 градусів. При цій температурі індій сплавлявся з німецьким, що під ним. При охолодженні насичені індієм області набували провідності p-типу. Потім кристал поміщали корпус і приєднували висновки. У 1955 році фірмою "Белл систем" було створено дифузійний германієвий транзистор. Метод дифузії полягав у тому, що пластинки напівпровідника поміщали в атмосферу газу, що містить пари домішки, яка мала утворити емітер і колектор, і нагрівали пластинки до температури, близької до точки плавлення. Атоми домішок у своїй поступово проникали в напівпровідник. Автор: Рижов К.В.
Машина для проріджування квітів у садах
02.05.2024 Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону
02.05.2024 Пастка для комах
01.05.2024
▪ Електроскутер для купальників ▪ Гнучка пам'ять, що перезаписується ▪ Пристрій для потокового відеомовлення Razer Ripsaw HD ▪ Відеомагнітофон фільтрує рекламу ▪ Кардіогодини повідомлять про напад
▪ І тут з'явився винахідник (ТРВЗ). Добірка статей ▪ стаття Логіка. Конспект лекцій ▪ стаття Скільки музикантів та композиторів походить із родини Бахів? Детальна відповідь ▪ стаття Абрикос маньчжурський. Легенди, вирощування, способи застосування ▪ стаття Асфальтові маси. Прості рецепти та поради
Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт
www.diagram.com.ua |
Рекомендуємо цікаві статті розділу 
Дивіться інші статті розділу 
Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:
All languages of this page