Физика Полупроводниковый диод. Транзистор

Материалы к уроку

Конспект урока

Свойство p-n- перехода используют для создания полупроводниковых диодов, которые применяют для выпрямления переменного тока. Диод — полупроводниковый прибор, пропускающий электрический ток только одного направления и имеющий два вывода для включения в электрическую цепь. Полупроводниковый диод — полупроводниковый прибор с p-n- переходом.  Рассмотрим работу диода, состоящего из германия.
Кристалл германия обладает проводимостью n–типа за счёт небольшой добавки донорной примеси. Для создания в нём p-n-переходов в одну из его поверхностей вплавляют индий. Вследствие диффузии атомов индия вглубь монокристалла германия у поверхности германия образуется область р-типа. Остальная часть германия по-прежнему остаётся n- типа. Между этими двумя областями возникает р-n-переход. Для предотвращения вредных воздействий воздуха и света кристалл германия помещают в герметический корпус. 
Достоинствами полупроводниковых диодов являются их прочность, малые размеры и масса, длительный срок службы, высокая механическая прочность; недостатком — зависимость их параметров от температуры: они могут работать в ограниченном интервале температур (от – 70ºС до + 125ºС). 

Свойства p-n-перехода можно использовать для создания усилителя электрических колебаний, называемого транзистором. Транзисторы стали применять в науке в начале 50-х годов ХХ века. Они в отличие от диодов содержат в себе два р-n- перехода. Наиболее массовый транзистор представляет собой пластинку германия, кремния или другого полупроводника, обладающего электронной или дырочной проводимостью, в объеме которой искусственно созданы две области, противоположные по электрической проводимости. Пластинка полупроводника и две области в ней образуют два р-n- перехода, каждый из которых обладает такими же электрическими свойствами, как и полупроводниковый диод.

Независимо от структуры транзистора пластинку полупроводника называют базой Б, область меньшего объема – эмиттером Э, а область большего объема – коллектором К.
Транзисторы, в которых база обладает дырочной проводимостью, называют транзисторами p-n-p перехода. Для приведения в действие транзистора p-n-p- типа на коллектор подают напряжение отрицательной полярности относительно эмиттера. Напряжение на базе при этом может быть, как положительным, так и отрицательным. Т.к. дырок больше, то основной ток через переход будет составлять диффузионный поток дырок из р-области. Если на эмиттер подать небольшое прямое напряжение, то через него потечет дырочный ток, диффундирующих из р-области в n-область (базу). Но т.к. база узкая, то дырки пролетают через нее, ускоряясь полем, в коллектор. Транзистор способен распределять ток, тем самым его усиливая. Отношение изменения тока в цепи коллектора к изменению тока в цепи базы при прочих равных условиях величина постоянная, называемая интегральным коэффициентом передачи базового тока бетта. Следовательно, изменяя ток в цепи базы, возможно получить изменения в токе цепи коллектора.
Условное обозначение транзистора: Б база, К коллектор, Э эмиттер, направление стрелки показывает направление тока. На   рисунках представлены p-n-p- транзисторы.
Устройство биполярного транзистора.
Основные применения: элемент усилителя тока, напряжения или мощности; электронный ключ (например, в генераторе электромагнитных колебаний).
Переход эмиттер — база включается в прямом направлении, а база — коллектор — в обратном. Какое подключение называется прямым, а какое обратным?
Через эмиттерный переход идет большое количество основных носителей заряда. Так как база очень тонкая, концентрация основных носителей заряда в базе небольшая, следовательно и рекомбинация электронов и дырок также  невелика. Ток базы маленький. Заряды, пришедшие из эмиттера, по отношению к базе являются неосновными, поэтому они свободно проходят через коллекторный переход. До 95% дырок, попадающих из эмиттера в базу, проходят в коллектор. Т.е. силы тока на коллекторе и эмиттере приблизительно равны.
При изменении силы тока эмиттера с помощью источника переменного напря¬жения одновременно почти во столько же раз изменяется сила тока коллектора.  Т.к. сопротивление коллекторного перехода во много раз превышает сопротивление эмиттерного, то при практически равных токах, напряжение на эмиттере много меньше напряжения на коллекторе.
Микросхемы и микропроцессоры в современных электронных устройствах не могут обойтись без транзисторов. Транзистор — это основная часть любой микросхемы. В компьютере, без которого мы сейчас не можем себе представить жизнь, микропроцессор также состоит из большого числа транзисторов. Транзисторы широко применяются в современной технике. Они также заменяют электронные лампы в электрических цепях различной аппаратуры как промышленной, так и научной. По сравнению с электронными лампами транзисторы обладают рядом преимуществ:

1.    они не накаливаются,
2.    потребляют значительно меньше энергии,
3.     работают при низком напряжении,
4.    компактны, имеют малые размеры и массу,
5.    не требуют времени для нагревания.
Однако у них есть недостатки – транзисторы чувствительны к повышению температуры и к электрическим перегрузкам. 

Остались вопросы по теме? Наши репетиторы готовы помочь!

• Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам

• Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки

• Повысим успеваемость по школьным предметам

• Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ

Выбрать репетитораОставить заявку на подбор

История создания первого точечного транзистора

Александр Микеров,
д. т. н., проф. каф.
систем автоматического управления
СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

В 1930-х гг. повсюду господствовали электровакуумные приборы, недостатки которых, такие как громоздкость, нагрев, высокие потребление и время готовности, а также недолговечность, уже начали мешать развитию аппаратуры [1, 2, 3, 4].

Кристаллические диоды имели явные преимущества, поэтому идея создания твердотельных триодов была вполне оправданной.

Рис. 1. Установка Пола и Хилша

Первый трехэлектродный полупроводниковый прибор предложили профессор Гёттингенского университета Роберт Поль (Robert Pohl) и его ученик Рудольф Хилш (Rudolf Hilsch) в 1938 г. (рис. 1) [3, 5, 6, 7]. Это был кристалл бромида калия, имеющий два электрода, катод (К) и анод (А), подключенные к анодной батарее (БА), а также управляющий стержень (аналог сетки) (С) с батареей (БС). Эффект оценивался по гальванометрам (ГС) и (ГА), а также путем визуализации движения электронов в кристалле.

Для повышения электронной эмиссии катода кристалл сильно нагревался, при этом можно было достичь 100-кратного усиления сигнала. Однако рабочая частота не превышала 1 Гц, поскольку скорость движения электронов в проводнике составляла около 2 мм/с, что в миллиард раз меньше, чем в электронной лампе. Таким образом, установка прекрасно подходила для учебного процесса, но никак не могла конкурировать с ламповым триодом, тем более что профессор Поль не желал прилагать никаких усилий для ее патентования и внедрения.

Другой путь управления полупроводником — внешним электростатическим полем — запатентовали в 1930 г. профессор Лейпцигского университета Юлий Лилиенфелд (Julius Lilienfeld), родившийся во Львове, а в 1935 г. другой физик, Оскар Хейл (Oskar Heil), выпускник Гёттингенского университета (рис. 2).

Рис. 2. Транзистор Хейла

Они предложили, если использовать современную терминологию, полевой транзистор в виде полупроводниковой пластины (1) с электродами (2) и (3), соединенными с батареей (4) через гальванометр (5). Сопротивление пластины изменяется посредством напряжения на управляющем электроде (6), прижатом к ней через изолирующий слой [3, 4, 6, 8]. Однако неоднократные попытки построить действующий макет подобного устройства были неудачными.

Всеобщая телефонизация на электромеханических реле и электронных лампах в 1930-х гг. поглощала столь много электро­энергии, что ведущая американская телефонная компания AT&T поставила перед своей лабораторией Bell Labs задачу создания миниатюрных переключателей и усилителей [3, 4, 8, 9, 10]. В 1936 г. с этой целью был нанят физик-теоретик Уильям Шокли (William Shockley), только что защитивший докторскую диссертацию в Массачусетском технологическом институте (рис. 3).

Рис. 3. Шокли, Браттейн и Бардин

Вместе с ним работал умелый физик-экспериментатор Уолтер Браттейн (Walter Brattain), получивший докторскую степень в университете штата Миннесота [6, 8, 9]. Исследования, проводившиеся с наиболее известным тогда полупроводником — закисью меди, были прерваны войной, когда оба физика переключились на другие проекты. После войны исследователи перешли на германий, однако и он не позволил оживить полевой усилитель, поскольку влияние поля оказалось на три порядка слабее расчетного [3, 8, 9]. Для выяснения причин неудачи Шокли в 1945 г. привлек к исследованиям физика-теоретика Джона Бардина (John Bardeen), защитившего докторскую диссертацию по математической физике в Принстонском университете. Через шесть месяцев Бардин объяснил слабое влияние поля гипотезой поверхностного состояния полупроводника (рис.

4) [3, 6, 8, 9, 10, 11].

Шокли предполагал (рис. 4а), что в полупроводнике n-типа, с которым они работали, наряду с нейтральными атомами +⁻ есть еще и свободные электроны. Под действием электрического поля положительного потенциала на управляющем электроде (У) часть свободных электронов соберется вблизи границы полупровод­ника, образуя электронный канал (ЭК). Тогда приложение положительного потенциала к правому электроду, аналогу анода (А), относительно левого, аналога катода (К), вызовет движение электродов к аноду, т. е. создаст анодный ток. Однако Бардин утверждал, что на самом деле электроны собираются на поверхности материала, лишаются подвижности и создают экранирующий приложенное поле поверхностный заряд (ПЗ), предотвращая его проникновение внутрь материала (рис. 4б). Удовлетворенный таким научным объяснением, Шокли переключился на другие задачи, оставив своим сотрудникам самим искать какой-то выход. И Бардин с Браттейном продолжили упорно экспериментировать с германием [3, 4, 9, 10, 11].

Рис. 4. Гипотеза Бардина:
а) теория;
б) практика

Рис. 5. Первый транзистор

Изначально управляющий электрод был выполнен в виде острой иглы, «протыкающей» поверхностный заряд, который был нейтрализован вокруг иглы каплей электролита, и анод был сделан также в виде иглы, приближенной к управляющему электроду. 16 декабря 1947 г. полупроводниковый усилитель заработал безо всякого электролита после того, как иглы заменили листочками золотой фольги, анодное напряжение переключили с положительного на отрицательное, а поверхность германия анодировали. Был зафиксирован коэффициент усиления по напряжению 15, а по мощности 1,3 [9]. Бардин сразу понял, что здесь носителями электрического тока являются не электроны, а дырки (т. е. атомы, лишенные электрона), которые формируются в базе катодом, названным впоследствии эмиттером, и собираются анодом-коллектором [2]. Именно этот день и считается датой рождения первого трехэлектродного полупроводника — точечного транзистора, название которого в Bell Labs образовали от двух слов, transconductance (переходная проводимость) и varistor [3, 6].

До сих пор не существует теории, достаточно полно описывающей работу как испытанного устройства, так и точечного транзистора вообще, тем более сам макет утрачен и состав примесей германия базы тоже не сохранился [6, 8]. Однако качественно эксперимент может быть объяснен следующим образом (рис. 5, 6) [3, 7, 8, 9, 10, 11].

Пластина (1) германия n-типа на металлическом основании (2) базы была анодирована с образованием поверхностного слоя (3) p-типа, имеющего избыточное количество дырок, т. е. атомов, лишенных одного электрона [2]. К нему был поджат с помощью винта (4) и пружины (5) пластмассовый треугольник (6), оклеенный разрезанной бритвой золотой фольгой, образующей эмиттер (7) и коллектор (8), разделенные промежутком всего в 50 микрон.

На рис. 6 эмиттер (Э) соединен с базой (Б) через генератор входного сигнала (Г) и эмиттерную батарею (БЭ), а коллектор (К) запитан от коллекторной батареи (БК) через сопротивление нагрузки R_н. Эмиттер, имеющий положительный потенциал, вытягивает электроны базы, непрерывно создавая в поверхностном слое новые дырки. Говорят, что эмиттер «инжектирует» дырки в базу, часть которых рекомбинирует с электронами базы, создавая базовый ток, а часть мигрирует к коллектору, имеющему отрицательный потенциал, рекомбинируется с его электронами и образует коллекторный ток [8, 10]. Ток коллектора меньше тока эмиттера за счет тока базы. Следовательно, данная схема не усиливает ток, а усиление напряжения объясняется тем, что выбрано существенно большее сопротивление нагрузки R_н, чем сопротивление эмиттер-база. Это и подтверждается коэффициентами усиления, измеренными Бардином и Браттейном и указанными выше.

Рис. 6. Схема включения

В канун Рождества 1947 г. макет был продемонстрирован руководству Bell Labs в виде звукового усилителя с наушниками, после чего было принято решение его засекретить, срочно запатентовать и коммерчески использовать [3, 4, 8, 9, 10, 11]. Шокли настаивал на заявке усилителя с управляемым полем, однако патентоведы компании категорически возражали, опасаясь патента Лилиенфелда, и, кроме того, рекомендовали не включать в состав авторов самого Шокли, известного своими ранними публикациями по полупроводникам. С учетом и того, что Шокли не принимал активного участия в исследовании на решающем этапе, в патенте на точечный транзистор с приоритетом от 26 февраля 1948 г. были указаны только два автора — Бардин и Браттейн. Это, конечно, внесло разлад в группу Шокли, которая вскоре распалась. Противоречия были отчасти сглажены после того, как в 1956 г. Шокли, Бардину и Браттейну была присуждена Нобелевская премия за открытие транзисторного эффекта, что отражало ключевую роль Шокли в изобретении другого транзистора — биполярного, о чем будет подробнее рассказано в следующей статье. Бардин перешел в университет Иллинойса, начал заниматься сверхпроводимостью и стал первым физиком, получившим две Нобелевские премии [4].

Параллельно с Bell Labs точечный транзистор при поддержке французского правительства в парижском филиале компании Westinghouse создали немецкие физики Герберт Матаре (Herbert Mataré) и Генрих Велкер (Heinrich Welker) — под названием транзистрона (рис. 7), содержащего германиевый кристалл базы (Б) с контактами эмиттера (Э) и коллектора (К) в керамической трубке (1) с окном (2) [3, 4, 6].

Рис. 7. Транзистрон

Патент на это устройство был оформлен на шесть месяцев позже Бардина и Браттейна, однако немецкие ученые работали вполне самостоятельно, поскольку все материалы Bell Labs были еще засекречены. Мелкосерийное производство транзистронов для телефонной связи началось в 1949 г. Точечные транзисторы были также независимо созданы в Праге в 1949 г. из немецких кристаллов германия [7].

В СССР полупроводниковые приборы начали развиваться после войны, прежде всего для нужд радиолокации, однако германий здесь не производился, и первый точечный транзистор был создан в 1949 г. в НИИ «Исток» из пластины германия от немецкого прибора. Работа проводилась под руководством Александра Викторовича Красилова в рамках дипломного проекта Сусанны Гукасовны Мадоян [3]. Оба они сыграли видную роль в становлении отечественной электроники.

Рис. 8. Первый серийный транзистор

Компания AT&T начала серийное производство точечных транзисторов типа А в 1951 г. , однако для этого потребовалось разработать совсем другую конструкцию в корпусе диаметром 6 мм (рис. 8) с контактами из бронзы с присадками фосфора, поскольку макет Браттейна и Бардина не давал повторяемости характеристик [3, 4, 6, 9].

Учитывая малогабаритность, экономичность и надежность транзистора, компания рассчитывала на массовое военное применение и организовала в июне 1948 г. публичную демонстрацию нового элемента [3, 6, 8, 10]. Однако представители Пентагона не проявили никакого интереса к кристаллу с торчащими проволочками и порекомендовали применить его в слуховых аппаратах. Неожиданно это сыграло важную роль в коммерческом успехе транзистора, поскольку гриф секретности был снят, что позволило Bell Labs опубликовать описание транзистора в научных журналах и начать широкую рекламную кампанию. Однако по антимонопольному законодательству компанию обязали продавать лицензию на производство нового прибора любому предприятию без взимания платы (роялти) за патенты Bell Labs. Эту лицензию по цене $25 тыс. приобрели сорок ведущих американских и иностранных компаний [3, 9].

Точечные транзисторы в первую очередь стали применять в бытовой аппаратуре: в слуховых аппаратах и электронных наручных часах (1952 г.), медицинских приборах (1957 г.), а также в телефонии и, с начала 1960-х гг., в радиовзрывателях [3, 4, 10]. В 1954 г. компания Texas Instruments выпустила первый радиоприемник Regency на основе трех транзисторов. Однако годом раньше Валкер и Матаре разработали аналогичный приемник на транзистронах. В разразившейся тогда холодной войне транзисторные приемники сразу стали весьма популярны как средство предупреждения о возможной атомной бомбардировке [4]. Такие приемники также пользовались бешеным успехом у молодежи в связи с расцветом рок-н-ролла. В СССР производство транзисторов началось в 1953 г., и предназначались они только для военной аппаратуры [3].

Однако выпуск точечных транзисторов сопровождался большим браком и продолжался не более 10 лет. На смену им пришли биполярные транзисторы, изобретенные Шокли и имеющие гораздо более хорошие характеристики [9].

Транзисторы — основные элементы управления современной цивилизации. Уже к концу ХХ в., по оценке Гордона Мура, их ежегодно производилось больше, чем насчитывала вся популяция муравьев на планете [7]. Причем если первый точечный транзистор, продемонстрированный Bell Labs, был длиной около 2 см, то нынешний — 10 нм, что позволяет размещать 100 млн транзисторов на пластине в 1 кв. мм [12]. Однако это уже совсем другие транзисторы.

---

• Первая попытка Поля и Хирша создать твердотельный триод в виде копии электронной лампы была безуспешной в связи с низкой скоростью движения электронов в полупроводнике.
• Подход, предложенный Лилиенфелдом и Хейлом по управлению электронами внешним электрическим полем, был реализован лишь во второй половине ХХ в. в полевом транзисторе.
• Многолетние усилия американских физиков во главе с Шокли привели к изобретению Бардином и Браттейном в 1948 г. точечного транзистора, действующего на другом принципе — дырочной проводимости в полупроводнике.
• Аналогичный транзистор (транзистрон) был независимо от американцев создан немецкими физиками Велкером и Матаре, однако массовое производство и коммерческое внедрение развернулось прежде всего в США.
• Выпуск и применение точечных транзисторов преимущественно для бытовой техники продолжались не более десяти лет в связи с появлением более совершенных биполярных транзисторов.

Литература

1. Микеров А. Г. Появление электронных усилителей // Control Engineering Россия. 2020. № 1 (85).
2. Микеров А. Г. Первые полупроводниковые приборы // Control Engineering Россия. 2020. № 5 (89).
3. Быховский М. А. Развитие телекоммуникаций: на пути к информационному обществу. История развития электроники в XX столетии. М.: Либроком, 2012.
4. Guarnieri M. Seventy years of getting transistorized // IEEE Industrial Electronics Magazine. Dec. 2017.
5. Eckert M., Schubert H. Crystals, electrons, transistors. N.Y.: American Institute of Physics, 1990.
6. Рождественские истории. День рождения транзистора.
7. Lee T. H. The (Pre-) History of the Integrated Circuit: A Random Walk. IEEE Portal, Solid State Circuits Society, Spring 2007.
8. Riordan M., Hoddeson L., Herring C. The invention of the transistor // Reviews of Modern Physics. V. 71. No 2. Centenary 1999.
9. Lojek B. History of Semiconductor Engineering. N.Y.: Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2007.
10. Носов Ю. Транзистор — наше все. К истории великого открытия // Электроника НТБ. 2008. №2.
11. Łukasiak L., Jakubowski A. History of Semiconductors // Journal of Telecommunications and information Technology. 2010. No 1.
12. https://spectrum.ieee.org/nanoclast/semiconductors/processors/intel-now-packs-100-million-transistors-in-each-square-millimeter.

Semiconductor Transistor — History-Computer

Конструкция полупроводникового транзистора

4 Факты о полупроводниковом транзисторе

• Полупроводниковый транзистор — это устройство, используемое для усиления или переключения электрических импульсов.
• Транзистор является основным компонентом современной электроники и содержит три контакта для подключения к электрической цепи.
• В 1956 году Нобелевская премия по физике была присуждена за создание транзистора, который был признан одним из самых важных изобретений двадцатого века.
• Транзистор был изобретен Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли из Bell Labs.

Бардин, Шокли и Браттейн – изобретатели полупроводникового транзистора

История полупроводниковых транзисторов

Алессандро Вольта был первым, кто использовал «полупроводник» в 1782 году. В 1833 году Майкл Фарадей первым заметил полупроводниковый эффект.

Майкл Фарадей первым заметил эффект полупроводника.

Электрическое сопротивление сульфида серебра уменьшается с температурой по Фарадею. Карл Браун обнаружил и описал первый эффект полупроводникового диода в 1874 году. Браун обнаружил, что ток свободно течет только в одном направлении на контакте между металлическим острием и кристаллом галенита.

Краткие факты

Созданы

16 декабря 1947 г.

Создатель

Уильям Шокли, Джон Бардин, Уолтер Брэттейн

Оригинальный Использование

на усиление или переключение Электронных сигналов

70028

$. сегодня

Следующим значительным вкладом в области полупроводников является французский физик-экспериментатор Эдмон Беккерель. В 1839 году он сообщил об обнаружении фотонапряжения в платиновых электродах, покрытых хлоридом серебра. В его эксперименте платиновый электрод, покрытый AgCl, был погружен в водный раствор электролита азотной кислоты. Освещение электрода генерировало фотонапряжение, которое изменяло ЭДС, создаваемое ячейкой, фактически оно создавало восстановительный (катодный) фототок на электроде, покрытом AgCl; это было первое известное фотоэлектрическое устройство. Фотоэдс создавался на контакте металл-полупроводник Ag/AgCl.

Уиллоуби Смит обнаружил, что сопротивление на самом деле зависит от интенсивности падающего света.

В 1873 году английский инженер-электрик Уиллоуби Смит (1828-1891) (см. портрет рядом) пришел к открытию фотопроводимости селена. Первоначально он работал с подводными кабелями. Он начал эксперименты с селеном из-за его высокого сопротивления, которое оказалось подходящим для его подводной телеграфии. Различные экспериментаторы измеряли сопротивление селеновых стержней, но сопротивления, измеренные ими в разных условиях, совершенно не совпадали. Затем Смит обнаружил, что сопротивление на самом деле зависит от интенсивности падающего света. Когда селеновые стержни были помещены в коробку с закрытой скользящей крышкой, сопротивление было самым высоким. Когда на пути света помещались стекла разных цветов, сопротивление менялось в зависимости от количества света, проходящего через стекло. Но когда крышку сняли, проводимость увеличилась. Он также обнаружил, что эффект не был связан с изменением температуры.

Фердинанд Браун открыл эффект выпрямления в точке контакта между металлами и некоторыми кристаллическими материалами.

В 1874 году немецкий физик Фердинанд Браун (см. портрет рядом), 24-летний выпускник Берлинского университета, изучал в Вюрцбургском университете характеристики электролитов и кристаллов, проводящих электричество. Когда он исследовал кристалл галенита (сульфид свинца) острием тонкой металлической проволоки, Браун заметил, что ток свободно течет только в одном направлении. Он открыл эффект выпрямления в точке контакта между металлами и некоторыми кристаллическими материалами.

Браун продемонстрировал это полупроводниковое устройство аудитории в Лейпциге 14 ноября 1876 года, но оно не нашло полезного применения до появления радио в начале 1900-х годов, когда оно использовалось в качестве детектора сигнала в «кристаллическом радиоприемнике». Общее описательное название детектора «кошачий ус» происходит от тонкого металлического зонда, используемого для установления электрического контакта с поверхностью кристалла. Браун более известен своей разработкой осциллографа с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) в 1897 году, известного как «трубка Брауна» (Braunsche Röhre на немецком языке). Он поделился 1909 Нобелевская премия вместе с Гульельмо Маркони за вклад в развитие беспроводной телеграфии , главным образом за разработку настраиваемых схем для радиоприемников.

Greenleaf Уиттьер Пикард протестировал тысячи образцов минералов, чтобы оценить их ректифицирующие свойства.

Между 1902 и 1906 годами инженер-электрик Гринлиф Уиттиер Пикард (1877–1956) (см. рядом) провел испытания тысяч образцов минералов, чтобы оценить их ректифицирующие свойства. Кристаллы кремния от Westinghouse дали одни из лучших результатов. 20 августа 1906, он подал патент США на «Средства для получения интеллектуальной связи с помощью электрических волн» для кремниевого детектора с точечным контактом (диод), и он был выдан в ноябре того же года (см. патент США 836531 Пикарда). Вместе с двумя партнерами Пикард основал компанию Wireless Specialty Apparatus Company для продажи кристаллических радиодетекторов «кошачий ус». Вероятно, это была первая компания, которая производила и продавала кремниевые полупроводниковые устройства. Другой американский изобретатель Генри Данвуди получил патент на систему с точечным контактным детектором из карборунда (карбида кремния) всего через несколько недель после Пикарда.

В 1915 году американский физик Мэнсон Бенедикс обнаружил, что кристалл германия можно использовать для преобразования переменного тока (переменного тока) в постоянный (постоянный ток), т.е. выпрямительные свойства кристаллов германия. Таким образом, германий был добавлен в список полупроводников. До этого это был краткий список, состоящий из кремния, селена и теллура.

В 1927 году американцы Л.О. Грондаль и П.Х. Гейгер изобрел выпрямитель на основе оксида меди. Патент США 1640335 был выдан 23 августа 19 г.27, в Грондаль.

Юлий Эдгар Лилиенфельд широко известен как выдающийся человек в области физики и электроники.

В 1925 году известный изобретатель Юлиус Лилиенфельд (см. фото рядом) подал заявку на патент в Канаде, в следующем году в США, описывая устройство, очень похожее на MESFET-транзистор, которое он назвал тогда Метод и устройство для управления электрическими токами. (см. патент США 1745175 Lilienfeld).

Юлиус Эдгар Лилиенфельд (1882–1819 гг.)63) был замечательным человеком в области физики и электроники. Австрийский еврей Лилиенфельд родился в Лемберге в Австро-Венгрии (ныне Львов на Украине). Он получил образование (кандидатская степень по физике) и жил в Германии до середины 1920-х годов, когда решил эмигрировать в США. Помимо вышеупомянутого патента на первый транзистор, он был обладателем нескольких других патентов в этой области — патент США 18 «Устройство для управления электрическим током» от 1928 г. на тонкопленочный MOSFET-транзистор; Патент США 1877140 «Усилитель электрического тока» от 1928, для твердотельного устройства, где поток тока контролируется пористым металлическим слоем, твердотельная версия вакуумной трубки; Патент США 2013564 «Электролитический конденсатор» от 1931 г. на первый электролитический конденсатор. Когда Браттейн, Бардин и Шокли пытались получить патент на свой транзистор, большинство их требований было отклонено именно из-за патентов Лилиенфельда.

Патент Хайля 1935

В 1934 году другой немецкий ученый — Оскар Хайль (1908–1994), инженер-электрик и изобретатель, подал заявку на немецкий патент на раннее транзистороподобное устройство, описывающее возможность управления сопротивлением в полупроводниковом материале с помощью электрическое поле, которое он назвал Усовершенствования или относящиеся к электрическим усилителям и другим устройствам и устройствам управления . В 1935 году Хейл получил британский (см. рядом рисунок из британского патента), бельгийский и французский патенты на свое устройство.

Первый транзистор 1947

Первое полупроводниковое устройство, получившее название «кошачьи усы», было изобретено в 1901 году Джагадисом Чандрой Бозе. «Кошачьи усы» представляли собой детектор радиоволн, в котором использовался полупроводниковый выпрямитель с точечным контактом.

Джагадис Чандра Бозе, изобретатель первого полупроводникового устройства

Транзистор представляет собой устройство на основе полупроводникового материала. В 1947 году Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли изобрели транзистор.

Джон Бардин был инженером и физиком из США. Он единственный человек, дважды получивший Нобелевскую премию по физике. Уолтер Хаузер Браттейн работал физиком в Bell Labs. Браттейн провел большую часть своего времени, изучая поверхностные состояния. В 1970-х Уолтер был активным членом загородного клуба Уолла Уолла, пока не умер в 19 лет.87. Уильям Брэдфорд Шокли-младший был американским физиком и изобретателем. Он был менеджером исследовательской группы Bell Labs.

Джон Бардин и Уолтер Браттейн из Bell Labs компании AT&T в Мюррей-Хилл, штат Нью-Джерси, проводили эксперименты с 17 ноября 1947 года по 23 декабря 1947 года. производится с выходной мощностью большей, чем входная. Уильям Шокли, глава группы по физике твердого тела, увидел потенциал и провел следующие несколько месяцев, работая над тем, чтобы резко расширить знания в области полупроводников. В результате Джон Р. Пирс изобрел название «транзистор», чтобы сократить словосочетание «транс-сопротивление».

Уильям Брэдфорд Шокли, Джон Бардин и Уолтер Хаузер Браттейн разделили Нобелевскую премию по физике в 1956 году за «исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта».

Уильям Брэдфорд Шокли получил Нобелевскую премию по физике в 1956 году за «исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта».

Полупроводниковый транзистор: как это работало

Транзистор может управлять значительно большим сигналом на другой паре клемм с небольшим сигналом, подаваемым между одним набором клемм. Усиление — это имя для этого свойства. Он может действовать как усилитель, создавая более надежный выходной сигнал, такой как напряжение или ток, пропорциональный более слабому входному сигналу. В качестве альтернативы транзистор может быть переключателем с электрическим управлением для включения или выключения тока в цепи. Величина тока определяется другими частями цепи.

Транзистор состоит из двух P-N переходов, расположенных друг над другом. Один смещен в прямом направлении, а именно переход база-эмиттер, тогда как другой смещен в обратном направлении, а именно переход база-коллектор. Несмотря на то, что линия база-коллектор смещена в обратном направлении, обнаружено, что, когда ток вынужден протекать в переходе база-эмиттер, в цепи коллектора протекает более значительный ток.

Транзистор NPN используется в качестве примера для пояснения. В устройстве PNP применяется тот же принцип, только вместо электронов основными носителями являются дырки. Электроны покидают эмиттер и попадают в базу, когда ток проходит через переход база-эмиттер. Однако легирование в этой области сведено к минимуму, и рекомбинационных щелей немного.

В результате, большинство электронов могут проходить мимо области базы и в зону коллектора, притягиваемые положительным потенциалом. Лишь небольшой процент электронов эмиттера соединяется с дырками в области базы, что приводит к возникновению тока в цепи база-эмиттер. В результате ток коллектора значительно выше.

Компания Bell Telephone Laboratories изобрела транзистор в 1948 году. Изобретение транзистора стало важным моментом в истории электроники, поскольку оно ознаменовало начало современной эры в электронной промышленности.

Транзистор произвел революцию в электронной промышленности, позволив разработать практически все современные электронные устройства, от телефонов до компьютеров, и открыв век информации. Известно, что полупроводники являются мозгом современной электроники. Полупроводники являются жизненно важным компонентом электронного оборудования, позволяющим добиться прогресса в области связи, компьютеров, здравоохранения, военных систем, транспорта, экологически чистой энергии и многих других областях.

Полупроводниковые транзисторы имеют такое большое значение из-за их широкого применения. Некоторые из важных применений заключаются в следующем.

Электронные переключатели состоят из транзисторов. Они могут включать и выключать токи со скоростью миллиарды раз в секунду. Транзисторы являются основным механизмом хранения и передачи данных в цифровых компьютерах. Кроме того, транзисторы можно использовать в качестве усилителей, если они правильно настроены. Это свойство используется в подавляющем большинстве усилителей звука и других сигналов.

Up Next…

• Компьютерная мышь: полная история Компьютерная мышь имеет интересную историю от коробочного прототипа до элегантного современного беспроводного дизайна, используемого сегодня.
• 15 крупнейших компаний в области кибербезопасности в мире и чем они занимаются Кибербезопасность никогда не была более важной, чем сегодня. Узнайте о 15 самых влиятельных компаниях в области кибербезопасности в мире.
• Что такое Steam Deck? Хороший вопрос. Узнайте все, что вы когда-либо хотели знать о Steam Deck, из этого познавательного чтения.

Часто задаваемые вопросы о полупроводниковых транзисторах (часто задаваемые вопросы) 

Что такое полупроводниковый транзистор?

Полупроводниковый транзистор — это устройство, используемое для усиления или переключения электрических импульсов. Транзистор является фундаментальным компонентом современной электроники. Транзистор может усиливать сигнал, потому что регулируемая (выходная) мощность может быть выше, чем управляющая (входная) мощность.

Кто изобрел полупроводниковый транзистор?

Три американских физика, Джон Бардин, Уолтер Х. Браттейн и Уильям Б. Шокли, разработали транзистор в Bell Laboratories Американской телефонной и телеграфной компании в 1947–1948 годах.

Является ли транзистор полупроводником?

Да, транзистор — это полупроводник. Транзисторы представляют собой полупроводники, состоящие из трех частей: базы, коллектора и эмиттера. Среди прочего они коммутируют, усиливают и стабилизируют напряжение.

Как был открыт полупроводник?

В 1782 году Алессандро Вольта ввел термин «полупроводник». В 1833 году Фарадей первым заметил полупроводниковый эффект. Согласно Фарадею, электрическое сопротивление сульфида серебра уменьшается с повышением температуры.

Карл Браун открыл эффект первого полупроводникового диода в 1874 году. Браун обнаружил, что ток свободно течет только в одном направлении при контакте между металлическим острием и кристаллом галенита. Первое полупроводниковое устройство, получившее название «кошачьи усы», было запатентовано в 1901. Cat Whiskers — детектор радиоволн, в котором использовался точечный полупроводниковый выпрямитель. Транзистор также является полупроводниковым устройством. В 1947 году Bell Labs вместе с Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли изобрели транзистор.

В каком году был изобретен полупроводниковый транзистор?

Полупроводниковый транзистор был изобретен в 1947 году.

Первые производители, часть 2 – EEJournal

8 февраля 2023 г.

Стивен Лейбсон

В части 1 этой статьи обсуждалась искра, которая зажгла коммерческую полупроводниковую промышленность. Это был симпозиум по транзисторам 1952 года, проведенный Bell Telephone Laboratories (BTL). В книге под названием A History of Engineering and Science in the Bell System: Electronics Technology (1925-1975) , опубликованной BTL, говорится, что симпозиум посетили двадцать шесть отечественных и четырнадцать иностранных лицензиатов транзисторов BTL. Всего 40 лицензиатов. Однако книга Бо Лойека под названием History of Semiconductor Engineering перечислил только 34 присутствующих компании:

1.       Arnold Engineering
2.       Автоматический электрический
3.       Автоматическая телефонная и электрическая компания
4.       Компания Болдуина
5.       Боузер
6.       Британская компания Томпсон-Хьюстон
7.       Часовая компания «Булова»
8.       Крановая компания
9.       Английская электрическая компания
10.   Фельтен и Гийом Карлсверк
11. Компания Дженерал Электрик (США)
12.   Глобус-Юнион
13.   Химическая и производственная компания Хановия
14.  Hughes Tool Company (Hughes Aircraft)
15.  корпорация IBM
16.   IT&T Corp
17. Ленкуртская электрическая компания
18.   ЛМ Эрикссон
19.   Т. Р. Мэллори
20.  
Компания Microwaves Associates
21.   Миннеаполис Honeywell
22.   Национальная кассовая компания
23.   Национальные промышленные ткани
24.   НВ Филипс
25.   Пай
26.  Корпорация по разработке и исследованию радио
27.   Радиоприемная компания
28.   Raytheon Производство
29.   Сименс и Хальске
30.   Электрическая компания Sprague
31.   Telefunken Gesellschaft
32.  Техас Инструментс
33.   Транзисторная продукция
34.   Тунг-Сол Электрик

 

Некоторые из компаний в этом списке, возможно, приобрели лицензии на транзисторы, но никогда не производили детали. Например, компания National Fabricated Fabrics указана в списке 1956 под названием Electronic Industries и Tele-Tech в качестве производителя разъемов в Чикаго. Я не нахожу никаких указаний на то, что компания когда-либо производила транзисторы. Однако National Fabricated Products, также в Чикаго, и производитель электронных компонентов, производивший розетки, вилки и клеммные колодки — весьма вероятно, одна и та же компания — основали полупроводниковое подразделение под названием National Semiconductor Products в Эванстоне, штат Иллинойс (не путать с National Semiconductor Products). Semiconductor, основанная в 1959). Однако оказывается, что National Semiconductor Products производила только полупроводниковые диоды, а не транзисторы.

Ленкурт и Automatic Electric были основными поставщиками оборудования для Bell System и не производили транзисторы. Эти компании, вероятно, посетили второй транзисторный симпозиум BTL с намерением научиться использовать транзисторы в конструкции своего оборудования. Например, Ленкурт активно участвовал в разработке микроволнового оборудования для телефонной связи в начале 19 века.50-х годов и представил конструкции схем применения транзисторов на последующих симпозиумах по транзисторам, таких как IRE Transistor Circuits Conference 1956 года.

Я не нашел компании начала 1950-х годов под названием «Арнольд Инжиниринг», но это название вполне может относиться к Центру инженерных разработок Арнольда (AEDC) ВВС США на базе ВВС Арнольд в Теннесси. AEDC была создана в 1949 году как главный центр разработки реактивных и ракетных двигателей для ВВС. Эта военная операция была бы совершенно новой во время транзисторных симпозиумов 1951 и 1952, и я вполне могу себе представить, что AEDC захочет изучить транзисторы для своей относительно новой миссии: аэрокосмических испытаний и моделирования. В двух симпозиумах по транзисторам BTL активно участвовали военные США.

Bowser, вероятно, относится к Техническому холодильному подразделению Bowser, Inc. Эта компания часто рекламировалась в журнале Electronics в начале 1950-х годов и производила высотные испытательные камеры, используемые для испытаний авиационных приборов и другого оборудования, которое работало на больших высотах. . В испытательных камерах компании контролировались температура, влажность и давление воздуха. Они также могут внести песок и пыль в окружающую среду. Нет никаких признаков того, что какая-либо компания под названием Bowser когда-либо производила транзисторы, но подразделение технического охлаждения Bowser вполне могло быть заинтересовано во внедрении этой новой технологии в свое довольно сложное испытательное оборудование.

Согласно списку Лойека, Национальный кассовый аппарат (NCR) участвовал в симпозиуме по транзисторам 1952 года, но компания не создавала свою первую лабораторию микроэлектроники, расположенную в Колорадо-Спрингс, до 1963 года. чем их делать. Компания представила свой первый большой компьютер, транзисторный NCR 304, в 1957 году. NCR начала поставлять этот компьютер в 1959 году.

Аналогичным образом, Bulova Watch Company никогда не производила транзисторы, но была первой часовой компанией, включившей транзисторы в наручные часы. Швейцарский инженер Макс Хетцель присоединился к Bulova в 19 году.48. К 1952 году он активно работал над дизайном электронных часов, в которых в качестве точного эталона времени использовался механический камертон. В его конструкции использовалась резонансная электронная схема для привода механического камертона с частотой 360 Гц. Он запатентовал дизайн часов в 1953 году и приобрел несколько транзисторов Raytheon CK722, чтобы в том же году приступить к созданию прототипов часов. К 1955 году Hetzel построила прототипы. Bulova представила наручные часы Accutron на транзисторах в 1960 году. Мой дед, Оскар Лейбсон, купил такие часы, и я помню, как держал их близко к уху, чтобы услышать их фирменное гудение частотой 360 Гц. У меня все еще есть эти часы.

Хотя это казалось очень маловероятным, мне пришло в голову, что «The Baldwin Company» вполне может относиться к Baldwin Piano Company of Cincinnati. (Я вырос в 90 милях от Цинциннати.) Быстрое исследование показало, что Baldwin Piano Company действительно имеет интересную связь с Bell Labs. Эта связь осуществляется через доктора Уинстона Э. Кока, дипломированного инженера-электрика с докторской степенью в области физики, который работал над микроволнами и радарами в Bell Labs во время Второй мировой войны, а затем стал первым директором Исследовательского центра электроники НАСА. До войны Кок был директором по электронным исследованиям в Baldwin Piano Company.

В 1946 году Болдуин представил ламповый электронный орган, в котором использовалась схема вычитания аналогового синтеза, генерирующая тон, разработанная и запатентованная Кохом в 1941 году. могла бы убедить Болдуина в том, что она должна быть очень заинтересована в потенциальной замене многих электронных ламп на транзисторы в своих электронных музыкальных инструментах. Кок получил более 200 патентов, написал книги о радарах, гидролокаторах, лазерах и голографии, а также писал романы под псевдонимом Уэйн Кирк. Я легко могу себе представить, что всегда любопытный Кок мог уговорить Болдуина купить лицензию на транзистор только для того, чтобы он мог посетить этот симпозиум.

Знал ли Кок о транзисторах в то время? Уверенно. В марте 1949 года Кок и Р. Л. Уоллес из Bell Labs опубликовали статью под названием «Коаксиальный транзистор» в IEEE Electrical Engineering , предшественнике сегодняшнего IEEE Spectrum . Кок также опубликовал книгу под названием «Творческий инженер: искусство изобретения » в 1978 году. Вторая глава книги, озаглавленная «Транзистор», подробно описывает разработку транзистора в Bell Labs. Многое из этого является моей догадкой, хотя косвенные доказательства очень убедительны.