О вкладе советских и российских ученых в разработку полупроводниковых транзисторов
Открывая осенний форум Intel для разработчиков (IDF) в Сан-Франциско (www.pcweek.ru/themes/detail.php?ID=102444), старший вице-президент и генеральный менеджер подразделения Digital Enterprise Group корпорации Патрик Гелсингер отметил, что 2007-й стал юбилейным не только для Intel (отметившей десятилетие IDF), но и для всей полупроводниковой отрасли: как признано международным сообществом, 60 лет назад американцы У. Шокли, В. Браттейн и Дж. Бардин изобрели первый транзистор. А между тем в этой сфере есть чем гордиться и российским ученым и инженерам.
Когда и где именно начался “путь к транзистору”, сказать не просто. Его конкретному созданию предшествовал длительный и весьма насыщенный период исследований в области электроники, научных экспериментов и разработок во многих странах. Разумеется, СССР не был исключением. Началом отечественных разработок в этом направлении можно считать труды физика А. Г. Столетова в сфере фотоэффекта и А. С. Попова по созданию радиопередающих устройств еще в конце XIX в. Развитие электроники в советское время стимулировалось бурным прогрессом радиотехники в двадцатые годы, немалую роль в котором играли разработки сверхмощных (для того времени) радиоламп, ламповых триггеров и других элементов, выполненные М. А. Бонч-Бруевичем. Одним из факторов, определивших бурное развитие данного направления, стал общий подъем науки и образования в стране.
Историки науки знают, что уровень советских исследований и разработок по всему диапазону вопросов электроники часто превосходил мировой и никогда не опускался ниже него. Это обуславливалось “взрывным” характером научного прогресса в СССР и тем, что на развитии науки во многих западных странах весьма негативно сказались период послевоенной (1914 -1918 гг.) депрессии, а позже и жестокий экономический кризис 1929 -1934 гг.
Одной из первых заинтересовавших экспериментаторов проблем стала односторонняя проводимость в точке соприкосновения металлической пружины и кристаллов полупроводника: требовалось понять причины этого явления.
Советский инженер-радиофизик О. В. Лосев, экспериментировавший в 1922 г. со слаботочной техникой (работающей при напряжениях до 4 В), открыл явление возникновения электромагнитных колебаний и эффект их усиления в полупроводниковом кристаллическом детекторе. Он обнаружил у кристалла падающий участок вольт-амперной характеристики и первым построил генерирующий детектор, т. е. детекторный приемник, способный усиливать электромагнитные колебания. Свой прибор Лосев основал на контактной паре металлического острия и кристалла цинкита (оксида цинка), на которую подавалось небольшое напряжение. Прибор Лосева вошел в историю полупроводниковой электроники как “кристадин”. Примечательно, что продолжение исследований в этом направлении привело к созданию в 1958 г. туннельных диодов, нашедших применение в вычислительной технике 60-х годов ХХ века. Лосев первым открыл и новое явление — свечение кристаллов карборунда при прохождении тока через точечный контакт. Ученый объяснил это явление существованием в детектирующем контакте некоторого “активного слоя” (впоследствии названного p-n-переходом, от p - positive, n - negative).
В 1926 г. советский физик Я. И. Френкель выдвинул гипотезу о дефектах кристаллической структуры полупроводников, названных “пустыми местами”, или, более привычно, “дырками”, которые могли перемещаться по кристаллу. В 1930-е годы академик А. Ф. Иоффе начал эксперименты с полупроводниками в Ленинградском институте инженерной физики.
В 1938 г. украинский академик Б. И. Давыдов и его сотрудники предложили диффузионную теорию выпрямления переменного тока посредством кристаллических детекторов, в соответствии с которой оно имеет место на границе между двумя слоями проводников, обладающих p- и n- проводимостью. Далее эта теория была подтверждена и развита в исследованиях В. Е. Лашкарева, проведенных в Киеве в 1939-1941 гг. Он установил, что по обе стороны “запорного слоя”, расположенного параллельно границе раздела медь - оксид меди, находятся носители тока противоположных знаков (явление p-n-перехода), а также что введение в полупроводники примесей резко повышает их способность проводить электрический ток. Лашкарев открыл и механизм инжекции (переноса носителей тока) - явления, составляющего основу действия полупроводниковых диодов и транзисторов.
Его работа была прервана начавшейся войной, однако по ее окончании Лашкарев вернулся в Киев и в 1946 г. возобновил исследования. Вскоре он открыл биполярную диффузию неравновесных носителей тока в полупроводниках, а в начале 1950-х изготовил первые точечные транзисторы в лабораторных условиях. То, что результаты их опытной эксплуатации были обнадеживающими, подтверждается следующим любопытным эпизодом.
Пионер советской вычислительной техники - академик С. А. Лебедев, создавший в Киеве первую советскую ЭВМ МЭСМ (1949-1951) и основавший там научную школу, приезжал в Киев в день своего 50-летия (2 ноября 1952 г.). Там он услышал о транзисторах Лашкарева и, игнорируя подготовленные в его честь торжества (а Лебедев вообще не любил никакого официоза, справедливо полагая его пустой тратой времени), отправился прямиком в лабораторию при Институте физики АН Украинской ССР. Познакомившись с Лашкаревым и его разработками, Лебедев предложил сопровождавшему его аспиранту А. Кондалеву начать проектирование ряда устройств ЭВМ на базе новых транзисторов и диодов, что тот и сделал после трехмесячной стажировки у Лашкарева. (Об этом случае автору рассказал другой аспирант Лебедева - ныне академик Украины Б. Н. Малиновский, также присутствовавший при встрече и впоследствии включившийся в упомянутую работу.) Правда, сведения о каком-либо промышленном развитии этого проекта - по крайней мере в гражданской области - отсутствуют, но это и понятно: массового производства транзисторов в те годы еще не существовало.
Широкое применение транзисторов во всем мире началось позже. Тем не менее научные заслуги Лашкарева были оценены: он возглавил новый Институт полупроводников АН Украины, который был открыт в 1960 г.
Предложенная Давыдовым теория p-n-перехода впоследствии была развита У. Шокли в США. В 1947 г. В. Браттейн и Дж. Бардин, работавшие под руководством Шокли, открыли транзисторный эффект в детекторах, основанных на кристаллах германия. (Любопытно, что их эксперименты походили на довоенные опыты немецкого электротехника Р. В. Поля, создавшего в 1937 г. совместно с Р. Хильшем усилитель на базе монокристалла бромида галлия.) В 1948 г. были опубликованы результаты исследований Шокли и изготовлены первые германиевые транзисторы с точечным контактом. Разумеется, они были весьма далеки от совершенства. К тому же их конструкция еще носила черты лабораторной установки (что, впрочем, характерно для начального периода использования любого подобного изобретения). Характеристики первых транзисторов отличались неустойчивостью и непредсказуемостью, и поэтому их реальное практическое применение началось уже после 1951 г., когда Шокли создал более надежный транзистор - планарный, состоявший из трех слоев германия типа n-p-n суммарной толщиной 1 см. За открытия в области полупроводников и изобретение транзистора Шокли, Бардин и Браттейн в 1956 г. разделили Нобелевскую премию по физике (интересно, что Бардин - единственный физик, удостоенный Нобелевской премии дважды: второй раз - в 1972 г. за разработку теории сверхпроводимости).
В СССР работа по транзисторам велась почти в таком же темпе, что и за рубежом. Параллельно с киевской лабораторией Лашкарева исследовательская группа московского инженера А. В. Красилова в 1948 г. создала германиевые диоды для радиолокационных станций. В феврале 1949-го Красилов и его помощница С. Г. Мадоян (в то время студентка Московского химико-технологического института, выполнявшая дипломную работу по теме “Точечный транзистор”) впервые наблюдали транзисторный эффект. Правда, первый лабораторный образец работал не более часа, а затем требовал новой настройки. Тогда же Красилов и Мадоян опубликовали первую в Советском Союзе статью о транзисторах, называвшуюся “Кристаллический триод”.
Приблизительно в то же время точечные транзисторы были разработаны и в других лабораториях страны. Так, в 1950 г. экспериментальные образцы германиевых транзисторов были созданы в Физическом институте Академии наук (Б. М. Вулом, А. В. Ржановым, В. С. Вавиловым и др.) и Ленинградском физико-техническом институте (В. М. Тучкевичем, Д. Н. Наследовым).
В 1953 г. был организован первый в СССР институт полупроводников (ныне - НИИ “Пульсар”). Туда была переведена лаборатория Красилова, в которой Мадоян разработала первые сплавные германиевые транзисторы. Их развитие связано с расширением частотного предела и повышением КПД транзистора. Соответствующие работы проводились совместно с лабораторией профессора С. Г. Калашникова в ЦНИИ-108 (ныне ГосЦНИРТИ): начинался новый период, характеризуемый сотрудничеством различных организаций, специализировавшихся в полупроводниковой области. В конце же 1940-х одинаковые открытия часто делались независимо друг от друга, а их авторы не имели информации о достижениях своих коллег. Причиной такой “научной параллельности” была секретность исследований в области электроники, имевшей оборонное значение. Подобная картина наблюдалась и при создании первых электронных компьютеров - будущих потребителей транзисторов. Например, С. А. Лебедев, начиная работу над своей первой ЭВМ в Киеве, не подозревал, что в это же время в Москве академик И. С. Брук со своими помощниками также трудились над проектом электронной цифровой вычислительной машины.
Впрочем, секретность отнюдь не была некой “советской особенностью”: оборонные разработки засекречиваются во всем мире. Изобретение транзистора тоже было строго засекречено фирмой Bell (где в то время работал Шокли), и первое сообщение о нем появилось в печати только 1 июля 1948 г.: в небольшой заметке газеты The New York Times, в которой без лишних подробностей сообщалось о создании подразделением Bell Telephone Laboratories твердотельного электронного прибора, заменявшего электронную лампу.
С образованием сети специальных научно-исследовательских организаций развитие транзисторов постоянно ускорялось. В начале 1950-х в НИИ-160 Ф. А. Щиголь и Н. Н. Спиро ежедневно выпускали десятки точечных транзисторов типа С1-С4, а М. М. Самохвалов разрабатывал в НИИ-35 новые решения по групповой технологии, технологии “вплавления - диффузии” для получения тонкой базы ВЧ-транзисторов. В 1953 г. на основе исследований термоэлектрических свойств полупроводников А. Ф. Иоффе создал серию термоэлектрогенераторов, а в НИИ-35 были изготовлены планарные транзисторы П1, П2, П3. Вскоре в лаборатории С. Г. Калашникова был получен германиевый транзистор для частот 1,0 - 1,5 МГц, а Ф. А. Щиголь сконструировал кремниевые сплавные транзисторы типа П501-П503.
В 1957 г. советская промышленность выпустила 2,7 млн. транзисторов. Начавшееся создание и развитие ракетной и космической техники, а затем и вычислительных машин, а также потребности приборостроения и других отраслей экономики полностью удовлетворялись транзисторами и другими электронными компонентами отечественного производства.
Кто создал первый транзистор? Этот вопрос волнует очень многих. Первый патент для полевого транзисторного принципа был оформлен в Канаде австро-венгерским физиком Юлием Эдгаром Лилиенфельдом 22 октября 1925 года, но Лилиенфельд не опубликовал никаких научных статей о своих устройствах, и его работа была проигнорирована промышленностью. Таким образом первый в мире транзистор канул в историю. В 1934 году немецкий физик доктор Оскар Хайль запатентовал другой полевой транзистор. Нет прямых доказательств того, что эти устройства были построены, но позже работа в 1990-х годах показала, что один из проектов Лилиенфельда работал так, как описано, и давал существенный результат. Ныне известным и общепринятым фактом считается то, что Уильям Шокли и его помощник Джеральд Пирсон создали рабочие версии аппаратов из патентов Лилиенфельда, о чем, разумеется, никогда не упоминали ни в одной из своих более поздних научных работ или исторических статей. Первые компьютеры на транзисторах, разумеется, были построены значительно позже.
Лаборатория Белла
Лаборатория Белла работала на транзисторе, построенном для производства чрезвычайно чистых германиевых «кристальных» миксеров-диодов, используемых в радиолокационных установках в качестве элемента частотного микшера. Параллельно этому проекту существовало множество других, в их числе - транзистор на германиевых диодах. Ранние схемы на основе трубки не обладали функцией быстрого переключения, и вместо них команда Bell использовала твердотельные диоды. Первые компьютеры на транзисторах работали по похожему принципу.
Дальнейшие изыскания Шокли
После войны Шокли решил попытаться построить триодоподобное полупроводниковое устройство. Он обеспечил финансирование и лабораторное пространство, и затем стал разбираться с возникшей проблемой совместно с Бардином и Браттеном. Джон Бардин в конечном итоге разработал новую ветвь квантовой механики, известную как физика поверхности, чтобы объяснить свои первые неудачи, и этим ученым в конечном итоге удалось создать рабочее устройство.
Ключом к развитию транзистора стало дальнейшее понимание процесса подвижности электронов в полупроводнике. Было доказано, что если бы был какой-то способ контролировать поток электронов от эмиттера до коллектора этого вновь обнаруженного диода (обнаруженный 1874 г., запатентованный 1906 г.), можно было бы построить усилитель. Например, если поместить контакты по обе стороны от одного типа кристалла, ток не пройдет через него.
На самом деле делать это оказалось очень сложно. Размер кристалла должен был бы быть более усредненным, а число предполагаемых электронов (или отверстий), которые необходимо было "впрыскивать", было очень большим, что сделало бы его менее полезным, чем усилитель, потому что для этого потребовался бы большой ток впрыска. Тем не менее вся идея кристаллического диода заключалась в том, что сам кристалл мог удерживать электроны на очень небольшом расстоянии, находясь при этом практически на грани истощения. По-видимому, ключ заключался в том, чтобы контакты ввода и вывода были очень близки друг к другу на поверхности кристалла.
Труды Браттена
Браттен начал работать над созданием такого устройства, и намеки на успех все также продолжали появляться, когда команда работала над проблемой. Изобретательство - сложная работа. Иногда система работает, но затем происходит очередной сбой. Порой результаты работы Браттена начинали неожиданно работать в воде, по-видимому, из-за ее высокой проводимости. Электроны в любой части кристалла мигрируют из-за близких зарядов. Электроны в эмиттерах или «дыры» в коллекторах аккумулировались непосредственно сверху кристалла, где и получают противоположный заряд, «плавающий» в воздухе (или воде). Однако их можно было оттолкнуть с поверхности с применением небольшого количества заряда из любого другого места на кристалле. Вместо того, чтобы потребовать большой запас инжектированных электронов, очень небольшое число в нужном месте на кристалле выполнит одно и то же.
Новый опыт исследователей в какой-то степени помог решить ранее возникшую проблему небольшой контрольной области. Вместо необходимости использования двух отдельных полупроводников, соединенных общей, но крошечной областью, будет использоваться одна большая поверхность. Выходы эмиттера и коллектора были бы расположены сверху, а контрольный провод размещен на основании кристалла. Когда ток был применен к «базовому» выводу, электроны выталкивались бы через блок полупроводника и собирались на дальней поверхности. Пока излучатель и коллектор были очень близко расположены, это должно было бы обеспечивать достаточное количество электронов или дырок между ними, чтобы начать проведение.
Присоединение Брея
Ранним свидетелем этого явления был Ральф Брей, молодой аспирант. Он присоединился к разработке германиевого транзистора в Университете Пердью в ноябре 1943 года и получил сложную задачу измерения сопротивления рассеяния на контакте металл-полупроводник. Брей обнаружил множество аномалий, таких как внутренние барьеры высокого сопротивления в некоторых образцах германия. Наиболее любопытным явлением было исключительно низкое сопротивление, наблюдаемое при применении импульсов напряжения. Первые советские транзисторы разрабатывались на основе этих американских наработок.
Прорыв
16 декабря 1947 года, используя двухточечный контакт, был сделан контакт с поверхностью германия, анодированной до девяносто вольт, электролит смылся в H 2 O, а затем на нем выпало несколько золотых пятен. Золотые контакты были прижаты к голым поверхностям. Разделение между точками было около 4 × 10 -3 см. Одна точка использовалась как сетка, а другая точка - как пластинка. Уклонение (DC) на сетке должно было быть положительным, чтобы получить усиление мощности напряжения на смещении пластины около пятнадцати вольт.
Изобретение первого транзистора
С историей сего чудомеханизма связано множество вопросов. Часть из них знакома читателю. К примеру: почему первые транзисторы СССР были PNP-типа? Ответ на этот вопрос кроется в продолжении всей этой истории. Браттен и Х. Р. Мур продемонстрировали нескольким коллегам и менеджерам в Bell Labs во второй половине дня 23 декабря 1947 года результат, которых они добились, потому этот день часто упоминается в качестве даты рождения транзистора. PNP-контактный германиевый транзистор работал в качестве речевого усилителя с коэффициентом усиления мощности 18. Это ответ на вопрос, почему первые транзисторы СССР были PNP-типа, ведь их закупили именно у американцев. В 1956 году Джон Бардин, Уолтер Хаузер Браттен и Уильям Брэдфорд Шокли были удостоены Нобелевской премии по физике за исследования полупроводников и открытие эффекта транзистора.
Двенадцать человек упоминаются как непосредственное участие в изобретении транзистора в лаборатории Bell.
Самые первые транзисторы в Европе
В то же время некоторые европейские ученые загорелись идеей твердотельных усилителей. В августе 1948 года немецкие физики Герберт Ф. Матаре и Генрих Велькер, работавшие в институте Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse в Ольне-су-Буа, Франция, подали заявку на патент на усилитель, основанный на меньшинстве которые они назвали «транзистором». Поскольку Bell Labs не публиковал транзистор до июня 1948 года, транзистор считался независимо разработанным. Впервые Mataré наблюдала эффекты крутизны при производстве кремниевых диодов для немецкого радиолокационного оборудования во время Второй мировой войны. Транзисторы были коммерчески изготовлены для французской телефонной компании и военных, а в 1953 году на радиостанции в Дюссельдорфе была продемонстрирована твердотельная радиоприемник с четырьмя транзисторами.
Bell Telephone Laboratories нуждалось в названии для нового изобретения: Semiconductor Triode, Tried States Triode, Crystal Triode, Solid Triode и Iotatron были рассмотрены, но «транзистор», придуманный Джоном Р. Пирсом, был явным победителем внутреннего голосования (частично благодаря близости, которую инженеры Белла разработали для суффикса «-истор»).
Первая коммерческая линия по производству транзисторов в мире была на заводе Western Electric на Union Boulevard в Аллентауне, штат Пенсильвания. Производство началось 1 октября 1951 г. с точечного контактного германиевого транзистора.
Дальнейшее применение
Вплоть до начала 1950-х этот транзистор использовался во всех видах производства, но все еще существовали значительные проблемы, препятствующие его более широкому применению такие, как чувствительность к влаге и хрупкость проводов, прикрепленных к кристаллам германия.
Шокли часто обвиняли в плагиате из-за того, что его работы были очень приближены к трудам великого, но непризнанного венгерского инженера. Но адвокаты Bell Labs быстро уладили эту проблему.
Тем не менее Шокли был возмущен нападками со стороны критиков и решил продемонстрировать, кто был настоящим мозгом всей великой эпопеи по изобретению транзистора. Всего несколько месяцев спустя он изобрел совершенно новый тип транзистора, обладающего очень своеобразной «бутербродной структурой». Эта новая форма была значительно более надежной, чем хрупкая система точечного контакта, и в итоге именно она начала использоваться во всех транзисторах 60-х годов ХХ столетия. Вскоре она развилась в аппарат биполярного перехода, ставший основой для первого биполярного транзистора.
Статический индукционный прибор, первая концепция высокочастотного транзистора, был изобретен японскими инженерами Jun-ichi Nishizawa и Y. Watanabe в 1950 году и, наконец, смог создать экспериментальные прототипы в 1975 году. Это был самый быстрый транзистор в 80-е годы ХХ столетия.
Дальнейшие разработки включали в себя приборы с расширенным соединением, поверхностно-барьерный транзистор, диффузионный, тетродный и пентодный. Диффузионный кремниевый «меза-транзистор» был разработан в 1955 году в Bell и коммерчески доступен Fairchild Semiconductor в 1958 году. Пространство было типом транзистора, разработанного в 1950-х годах как улучшение по сравнению с точечным контактным транзистором и более поздним транзистором из сплава.
В 1953 году Филко разработал первый в мире высокочастотный поверхностно-барьерный прибор, который также был первым транзистором, подходящим для высокоскоростных компьютеров. Первое в мире транзисторное автомобильное радио, изготовленное Philco в 1955 году, использовало поверхностно-барьерные транзисторы в своей схеме.
Решение проблем и доработка
С решением проблем хрупкости осталась проблема чистоты. Создание германия требуемой чистоты оказалось серьезной проблемой и ограничило количество транзисторов, которые фактически работали из данной партии материала. Чувствительность германия к температуре также ограничивала его полезность.
Ученые предположили, что кремний будет легче изготовить, но мало кто изучил эту возможность. Morris Tanenbaum в Bell Laboratories были первыми, кто разработал рабочий кремниевый транзистор 26 января 1954 г. Несколько месяцев спустя, Гордон Тил, работающий самостоятельно в Texas Instruments, разработал аналогичное устройство. Оба эти устройства были сделаны путем контроля легирования кристаллов одного кремния, когда они выращивались из расплавленного кремния. Более высокий метод был разработан Моррисом Таненбаумом и Кальвином С. Фуллером в Bell Laboratories в начале 1955 года путем газовой диффузии донорных и акцепторных примесей в монокристаллические кремниевые кристаллы.
Полевые транзисторы
Полевой транзистор был впервые запатентован Юлисом Эдгаром Лилиенфельдом в 1926 году и Оскаром Хейлом в 1934 году, но практические полупроводниковые устройства (транзисторы с полевым эффектом перехода ) были разработаны позднее, после того как эффект транзистора наблюдался и объяснялся командой Уильяма Шокли в Bell Labs в 1947 году, сразу же после истечения двадцатилетнего патентного периода.
Первым типом JFET был статический индукционный транзистор (SIT), изобретенный японскими инженерами Jun-ichi Nishizawa и Y. Watanabe в 1950 году. SIT - это тип JFET с короткой длиной канала. Полупроводниковый полевой транзистор (МОП-транзистор) из металла-оксида-полупроводника, который в значительной степени вытеснил JFET и оказал глубокое влияние на развитие электронной электронной техники, был изобретен Дауном Кахнгом и Мартином Аталлой в 1959 году.
Полевые транзисторы могут быть устройствами с мажоритарным зарядом, в которых ток переносится преимущественно мажоритарными носителями или устройствами с носителями меньших зарядов, в которых ток в основном обусловлен потоком неосновных носителей. Прибор состоит из активного канала, через который носители заряда, электроны или отверстия поступают из источника в канализацию. Концевые выводы источника и стока подключаются к полупроводнику через омические контакты. Проводимость канала является функцией потенциала, применяемого через клеммы затвора и источника. Этот принцип работы дал начало первым всеволновым транзисторам.
Все полевые транзисторы имеют клеммы источника, стока и затвора, которые примерно соответствуют эмиттеру, коллектору и базе BJT. Большинство полевых транзисторов имеют четвертый терминал, называемый корпусом, базой, массой или субстратом. Этот четвертый терминал служит для смещения транзистора в эксплуатацию. Редко приходится делать нетривиальное использование терминалов корпуса в схемах, но его присутствие важно при настройке физической компоновки интегральной схемы. Размер ворот, длина L на диаграмме, - это расстояние между источником и стоком. Ширина - это расширение транзистора в направлении, перпендикулярном поперечному сечению на диаграмме (т. е. в/из экрана). Обычно ширина намного больше, чем длина ворот. Длина затвора 1 мкм ограничивает верхнюю частоту примерно до 5 ГГц, от 0,2 до 30 ГГц.
МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОСТОВСКОЙ ОБЛАСТИ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ СРЕДНЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НОВОЧЕРКАСКИЙ МЕХАНИКО_ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ ИМ.А.Д. ЦЮРУПЫ»
«ИСТОРИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА»
Введение
1. История изобретения транзистора
2. Первый транзистор
3. Создание биполярного транзистора
4. «Холодная война» и ее влияние на электронику
5. Первые советские транзисторы
6. Полевые транзисторы
7. Область
применения транзистора
ВВЕДЕНИЕ
Трудно найти такую отрасль науки и техники, которая так же
стремительно развивалась и оказала такое–же огромное влияние на все стороны
жизнедеятельности человека, каждого отдельного и общества в целом, как
электроника. Как самостоятельное направление науки и техники электроника
сформировалась благодаря электронной лампе. Сначала появились радиосвязь,
радиовещание, радиолокация, телевидение, затем электронные системы управления,
вычислительная техника и т.п. Но электронная лампа имеет неустранимые
недостатки: большие габариты, высокое энергопотребление, большое время
вхождения в рабочий режим, низкую надежность. В результате через 2-3 десятка
лет существования ламповая электроника во многих применениях подошла к пределу
своих возможностей. Электронной лампе требовалась более компактная, экономичная
и надежная замена. И она нашлась в виде полупроводникового транзистора. Его
создание справедливо считают одним из величайших достижений научно-технической
мысли двадцатого столетия, коренным образом изменившим мир. Оно было отмечено
Нобелевской премией по физике, присужденной в 1956 г. американцам Джону
Бардину, Уолтеру Браттейну и Уильяму Шокли. Но у нобелевской тройки в разных
странах были предшественники. И это понятно. Появление транзисторов –
результат многолетней работы многих выдающихся ученых и специалистов, которые в
течении предшествующих десятилетий развивали науку о полупроводниках. Советские
ученые внесли в это общее дело огромный вклад. Очень много было сделано школой
физики полупроводников академика А.Ф. Иоффе – пионера мировых исследований по
физике полупроводников. Еще в 1931 году он опубликовал статью с пророческим
названием: «Полупроводники – новые материалы электроники». Немалую заслугу в
исследование полупроводников внесли Б.В. Курчатов и В.П. Жузе. В своей работе –
«К вопросу об электропроводности закиси меди» в 1932 году они показали, что
величина и тип электрической проводимости определяется концентрацией и природой
примеси. Советский физик Я.Н. Френкель создал теорию возбуждения в
полупроводниках парных носителей заряда: электронов и дырок. В 1931 г.
англичанину Уилсону удалось создать т еоретическую модель полупроводника,
сформулировав при этом основы «зонной теории полупроводников». В 1938 г. Мотт в
Англии, Б.Давыдов в СССР, Вальтер Шоттки в Германии независимо друг от друга
предложили теорию выпрямляющего действия контакта металл-полупроводник. В 1939
году Б.Давыдов опубликовал работу «Диффузионная теория выпрямления в
полупроводниках». В 1941 г. В. Е. Лашкарев опубликовал статью «Исследование
запирающих слоев методом термозонда» и в соавторстве с К. М. Косоноговой –
статью «Влияние примесей на вентильный фотоэффект в закиси меди». Он описал
физику «запорного слоя» на границе раздела «медь – закись меди», впоследствии
названного «p-n» переходом. В 1946 г. В. Лошкарев открыл биполярную диффузию
неравновесных носителей тока в полупроводниках. Им же был раскрыт механизм
инжекции – важнейшего явления, на основе которого действуют полупроводниковые
диоды и транзисторы. Большой вклад в исследование свойств полупроводников
внесли И.В.Курчатов, Ю.М.Кушнир, Л.Д.Ландау, В.М.Тучкевича, Ж.И.Алферов и др.
Таким образом, к концу сороковых годов двадцатого века основы теоретической
базы для создания транзисторов были проработаны достаточно глубоко, чтобы
приступать к практическим работам.
1. ИСТОРИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА
Первой известной попыткой создания кристаллического усилителя в США предпринял немецкий физик Юлиус Лилиенфельд, запатентовавший в 1930, 1932 и 1933 гг. три варианта усилителя на основе сульфида меди. В 1935 г. немецкий у ченый Оскар Хейл получил британский патент на усилитель на основе пятиокиси ванадия. В 1938 г. немецкий физик Поль создал действующий образец кристаллического усилителя на нагретом кристалле бромида калия. В довоенные годы в Германии и Англии было выдано еще несколько аналогичных патентов. Эти усилители можно считать прообразом современных полевых транзисторов. Однако построить устойчиво работающие приборы не удавалось, т.к. в то время еще не было достаточно чистых материалов и технологий их обработки. В первой половине тридцатых годов точечные триоды изготовили двое радиолюбителей – канадец Ларри Кайзер и тринадцатилетний новозеландский школьник Роберт Адамс. В июне 1948 г. (до обнародования транзистора) изготовили свой вариант точечного германиевого триода, названный ими транзитроном, жившие тогда во Франции немецкие физики Роберт Поль и Рудольф Хилш. В начале 1949 г. было организовано производство транзитронов, применялись они в телефонном оборудовании, причем работали лучше и дольше американских транзисторов. В России в 20-х годах в Нижнем Новгороде О.В.Лосев наблюдал транзисторный эффект в системе из трех – четырех контактов на поверхности кремния и корборунда. В середине 1939 г. он писал: «…с полупроводниками может быть построена трехэлектродная система, аналогичная триоду», но увлекся открытым им светодиодным эффектом и не реализовал эту идею. К транзистору вело множество дорог.
Выше описанные примеры проектов и образцов транзисторов были результатами локальных всплесков мысли талантливых или удачливых людей, не подкрепленные достаточной экономической и организационной поддержкой и не сыгравшие серьезной роли в развитии электроники. Дж. Бардин, У. Браттейн и У. Шокли оказались в лучших условиях. Они работали по единственной в мире целенаправленной долговременной (более 5 лет) программе с достаточным финансовым и материальным обеспечением в фирме Bell Telephone Laboratories, тогда одной из самых мощных и наукоемких в США. Их работы были начаты еще во второй половине тридцатых годов, работу возглавил Джозеф Бекер, который привлек к ней высококлассного теоретика У. Шокли и блестящего экспериментатора У. Браттейна. В 1939 г. Шокли выдвинул идею изменять проводимость тонкой пластины полупроводника (оксида меди), воздействуя на нее внешним электрическим полем. Это было нечто, напоминающее и патент Ю. Лилиенфельда, и позже сделанный и ставший массовым полевой транзистор. В 1940 г. Шокли и Браттейн приняли удачное решение ограничить исследования только простыми элементами – германием и кремнием. Однако все попытки построить твердотельный усилитель ни к чему не привели, и после Пирл-Харбора (практическое начало Второй мировой войны для США) были положены в долгий ящик. Шоккли и Браттейн были направлены в исследовательский центр, работавший над созданием радаров. В 1945 г. оба возвратились в Bell Labs. Там под руководством Шокли была создана сильная команда из физиков, химиков и инженеров для работы над твердотельными приборами. В нее вошли У. Браттейн и физик-теоретик Дж. Бардин. Шокли сориентировал группу на реализацию своей довоенной идеи. Но устройство упорно отказывалось работать, и Шокли, поручив Бардину и Браттейну довести его до ума, сам практически устранился от этой темы. Два года упорного труда принесли лишь отрицательные результаты. Бардин предположил, что избыточные электроны прочно оседали в приповерхностных областях и экранировали внешнее поле. Эта гипотеза подсказала дальнейшие действия. Плоский управляющий электрод заменили острием, пытаясь локально воздействовать на тонкий приповерхностный слой полупроводника.
Однажды Браттейн нечаянно почти вплотную сблизил два
игольчатых электрода на поверхности германия, да еще перепутал полярность
напряжений питания, и вдруг заметил влияние тока одного электрода на ток
другого. Бардин мгновенно оценил ошибку. А 16 декабря 1947 г. у них заработал
твердотельный усилитель, который и считают первым в мире транзистором. Устроен
онбыл очень просто – на металлической подложке-электроде лежала пластинка
германия, в которую упирались два близко расположенных (10-15 мкм) контакта.
Оригинально были сделаны эти контакты. Треугольный пластмассовый нож, обернутый
золотой фольгой, разрезанной надвое бритвой по вершине треугольника.
Треугольник прижимался к германиевой пластинке специальной пружиной,
изготовленной из изогнутой канцелярской скрепки. Через неделю, 23 декабря 1947
г. прибор был продемонстрирован руководству фирмы, этот день и считается датой
рождения транзистора. Все были рады результатом, кроме Шокли: получилось, что
он, раньше всех задумавший полупроводниковый усилитель, руководивший группой
специалистов, читавший им лекции по квантовой теории полупроводников – не
участвовал в его создании. Да и транзистор получился не такой, как Шокли
задумывал: биполярный, а не полевой. Следовательно на соавторство в «звездном» патенте
он претендовать не мог. Прибор работал, но широкой публике эту внешне
несуразную конструкцию показывать было нельзя. Изготовили несколько
транзисторов в виде металлических цилиндриков диаметром около 13 мм. и собрали
на них «безламповый» радиоприемник. 30 июня 1948 г. в Нью-Йорке состоялась
официальная презентация нового прибора – транзистора (от англ. Transver
Resistor – трансформатор сопротивлений). Но специалисты не сразу оценили его
возможности. Эксперты из Пентагона «приговорили» транзистор к использованию
лишь в слуховых аппаратах для старичков. Так близорукость военных спасла
транзистор от засекречивания. Презентация осталась почти незамеченной, лишь
пара абзацев о транзисторе появилась в «Нью-Йорк Тайме» на 46 странице в
разделе «Новости радио». Таким было явление миру одного из величайших открытий
XX века. Даже изготовители электронных ламп, вложившие многие миллионы в свои
заводы, в появлении транзистора угрозы не увидели. Позже, в июле 1948 года,
информация об этом изобретении появилась в журнале «The Physical Review». Но т
олько через некоторое в время специалисты поняли, что произошло грандиозное
событие, определившее дальнейшее развитие прогресса в мире. Bell Labs сразу
оформила патент на это революционное изобретение, но с технологией было масса
проблем. Первые транзисторы, поступившие в продажу в 1948 году, не внушали
оптимизма – стоило их потрясти, и коэффициент усиления менялся в несколько раз,
а при нагревании они и вовсе переставали работать. Но зато им не было равных в
миниатюрности. Аппараты для людей с пониженным слухом можно было поместить в
оправе очков! Поняв, что вряд ли она сама сможет справиться со всеми
технологическими проблемами, Bell Labs решилась на необычный шаг. В начале 1952
года она объявила, что полностью передаст права на изготовление транзистора
всем компаниям, готовым выложить довольно скромную сумму в 25 000 долларов
вместо регулярных выплат за пользование патентом, и предложила обучающие курсы
по транзисторной технологии, помогая распространению технологии по всему миру.
Постепенно росла очевидность важности этого миниатюрного устройства. Транзистор
оказался привлекательным по следующим причинам: был дешев, миниатюрен, прочен,
потреблял мало мощности и мгновенно включался (лампы долго нагревались). В 1953
г. на рынке появилось первое коммерческое транзисторное изделие – слуховой
аппарат (пионером в этом деле выступил Джон Килби из ф. Centralab , который
через несколько лет сделает первую в мире полупроводниковую микросхему), а в
октябре 1954 г. – первый транзисторный радиоприемник Regency TR1, в нем
использовалось всего четыре германиевых транзистора. Немедленно принялась
осваивать новые приборы и индустрия вычислительной техники, первой была фирма
IBM . Доступность технологии дала свои плоды – мир начал стремительно меняться.
3. СОЗДАНИЕ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА
У честолюбивого У. Шокли случившееся вызвало вулканический всплеск его творческой энергии. Хотя Дж. Бардин и У.Браттейн нечаянно получили не полевой транзистор, как планировал Шокли, а биполярный, он быстро разобрался в сделанном. Позднее Шокли вспоминал о своей «страстной неделе», в течение которой он создал теорию инжекции, а в новогоднюю ночь изобрел плоскостной биполярный транзистор без экзотических иголочек. Что бы создать что-то новое, Шокли по-новому взглянул на давно известное – на точечный и плоскостный полупроводниковые диоды, на физику работы плоскостного «p - n» перехода, легко поддающуюся теоретическому анализу. Поскольку точечный транзистор представляет собой два очень сближенные диода, Шокли провел теоретическое исследования пары аналогично сближенных плоскостных диодов и создал основы теории плоскостного биполярного транзистора в кристалле полупроводника, со держащего два «p - n» перехода. Плоскостные транзисторы обладают рядом преимуществ перед точечными: они более доступны теоретическому анализу, обладают более низким уровнем шумов, обеспечивают большую мощность и, главное, более высокие повторяемость параметров и надежность. Но, пожалуй, главным их преимуществом была легко автоматизируемая технология, исключающая сложные операции изготовления, установки и позиционирования подпружиненных иголочек, а также обеспечивавшая дальнейшую миниатюризацию приборов. 30 июня 1948 г. в нью-йоркском офисе Bell Labs изобретение было впервые продемонстрировано руководству компании. Но оказалось, что создать серийноспособный плоскостной транзистор гораздо труднее, чем точечный. Транзистор Браттейна и Бардина – чрезвычайно простое устройство. Его единственным полупроводниковым компонентом был кусочек относительно чистого и вполне тогда доступного германия. А вот техника легирования полупроводников в конце сороковых годов, необходимая для изготовления плоскостного транзистора, еще находилась в младенчестве, поэтому изготовление серийноспособного транзистора «по Шокли» удалось только в 1951 г. В 1954 году Bell Labs разработала процессы окисления, фотолитографии, диффузии, которые на многие годы стали основой производства полупроводниковых приборов.
Точечный транзистор Бардина и Браттейна – безусловно огромный прогресс по сравнению с электронными лампами. Но не он стал основой микроэлектроники, век его оказался короток, около 10 лет. Шокли быстро понял сделанное коллегами и создал плоскостной вариант биполярного транзистора, который жив и сегодня и будет жить, пока существует микроэлектроника. Патент на него он получил в 1951 г. А в 1952 г. У. Шокли создал и поле вой транзистор, так же им запатентованный. Так что свое участие в Нобелевской премии он заработал честно.
Число производителей транзисторов росло как снежный ком. Bell Labs, Shockley Semiconductor, Fairchild Semiconductor, Western Electric, GSI (с декабря 1951 г. Texas Instruments), Motorola, Tokyo Cousin (С 1958 г. Sony), NEC и многие другие.
В 1950 г. фирма GSI разработала первый кремниевый
транзистор, а с 1954 г., преобразившись в Texas Instruments , начала его
серийное производство.
4. «ХОЛОДНАЯ ВОЙНА» И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ЭЛЕКТРОНИКУ
После окончания Второй мировой войны мир раскололся на два враждебных лагеря. В 1950-1953 гг. эта конфронтация вылилась в прямое военное столкновение – Корейскую войну. Фактически это была опосредованная война между США и СССР. В это же время США готовились к прямой войне с СССР. В 1949 г. в США был разработан опубликованный ныне план «Последний выстрел» (Operation Dropshot), фактически план Третье мировой войны, войны термоядерной. План предусматривал прямое нападение на СССР 1 января 1957 г. В течение месяца предполагалось сбросить на наши головы 300 50-килотонных атомных и 200 000 обычных бомб. Для этого план предусматривал разработку специальных баллистических ракет, подводных атомных лодок, авианосцев и многого другого. Так началась развязанная США беспрецедентная гонка вооружений, продолжавшаяся всю вторую половину прошлого века, продолжающаяся, не столь демонстративно, и сейчас. В этих условиях перед нашей страной, выдержавшей беспрецедентную в моральном и экономическом отношении четырехлетнюю войну и добившейся победы ценой огромных усилий и жертв, возникли новые гигантские проблемы по обеспечению собственной и союзников безопасности. Пришлось срочно, отрывая ресурсы от измученного войной и голодного народа, создавать новейшие виды оружия, содержать в постоянной боеготовности огромную армию. Так были созданы атомные и водородные бомбы, межконтинентальные ракеты, система противоракетной обороны и многое другое. Наши успехи в области обеспечения обороноспособности страны и реальная возможность получения сокрушительного ответного удара вынудили США отказаться от реализации плана «Dropshot» и других ему подобных. Одним из последствий «холодной войны» была почти полная экономическая и информационная изоляция противостоящих сторон. Экономические и научные связи были весьма слабы, а в области стратегически важных отраслей и новых технологий практически отсутствовали. Важные открытия, изобретения, новые разработки в любой области знаний, которые могли быть использованы в военной технике или способствовать экономическому развитию, засекречивались. Поставки прогрессивных технологий, оборудования, продукции запрещались. В результате советская полупроводниковая наука и промышленность, развивались в условиях почти полной изоляции, фактической блокады от всего того, что делалось в этой области в США, Западной Европе, а затем и Японии. Следует также отметить, что советская наука и промышленность во многих направлениях тогда занимала лидирующее в мире положение. Наши истребители в корейской войне были лучше американских, наши ракеты были мощнее всех, в космосе в те годы мы были впереди планеты всей, первый в мире компьютер с производительностью выше 1 млн. оп/с был наш, водородную бомбу мы сделали раньше США, баллистическую ракету первой сбила наша система ПРО и т.п. Отстать в электронике означало потянуть назад все остальные отрасли науки и техники. Значение полупроводниковой техники в СССР понимали прекрасно, но пути и методы ее развития были иными, чем в США. Руководство страны сознавало, что противостояние в холодной войне можно обеспечить путем развития оборонных систем, управляемых надежной, малогабаритной электроникой. В 1959 году были основаны такие заводы полупроводниковых приборов, как Александровский, Брянский, Воронежский, Рижский и др. В январе 1961 г. было принято Постановление ЦК КПСС и СМ СССР «О развитии полупроводниковой промышленности», в котором предусматривалось строительство заводов и НИИ в Киеве, Минске, Ереване, Нальчике и других городах. Причем базой для создания первых предприятий полупроводниковой промышленности стали совершенно не приспособленные для этих целей помещения (здания коммерческого техникума в Риге, Совпартшколы в Новгороде, макаронная фабрика в Брянске, швейная фабрика в Воронеже, ателье в Запорожье и т.д.). Но вернемся к истокам.
5. ПЕРВЫЕ СОВЕТСКИЕ ТРАНЗИСТОРЫ
В годы, предшествующие изобретению транзистора, в СССР были достигнуты значительные успехи в создании германиевых и кремниевых детекторов. В этих работах использовалась оригинальная методика исследования приконтактной области путем введения в нее дополнительной иглы, вследствие чего создавалась конфигурация, в точности повторяющая точечный транзистор. Иногда при измерениях выявлялись и транзисторные характеристики (влияние одного «p - n» перехода на другой близко расположенный), но их отбрасывали как случайные и неинтересные аномалии. Мало в чем наши исследователи уступали американским специалистам, не было у них лишь одного - нацеленности на транзистор, и великое открытие выскользнуло из рук. Начиная с 1947 г. интенсивные работы в области полупроводниковых усилителей велись в ЦНИИ-108 (лаб. С. Г. Калашникова) и в НИИ-160 (НИИ «Исток», Фрязино, лаб. А. В. Красилова). В 1948 г., группа А. В. Красилова, разрабатывавшая германиевые диоды для радиолокационный станций, также получила транзисторный эффект и попыталась объяснить его. Об этом в журнале «Вестник информации» в декабре 1948 ими была опубликована статья «Кристаллический триод» - первая публикация в СССР о транзисторах. Напомним, что первая публикация о транзисторе в США в журнале «The Physical Review» состоялась в июле 1948 г., т.е. результаты работ группы Красилова были независимы и почти одновременны. Таким образом научная и экспериментальная база в СССР была подготовлена к созданию полупроводникового триода (термин «транзистор» был введен в русский язык в середине 60-х годов) и уже в 1949 г. лабораторией А. В. Красилова были разработаны и переданы в серийное производство первые советские точечные германиевые триоды С1 - С4. В 1950 г. образцы германиевых триодов были разработаны в ФИАНе (Б.М. Вул, А. В. Ржанов, В. С. Вавилов и др.), в ЛФТИ (В.М. Тучкевич, Д. Н. Наследов) и в ИРЭ АН СССР (С.Г. Калашников, Н. А. Пенин и др.).
В мае 1953 г. был образован специализированный НИИ
(НИИ-35, позже – НИИ «Пульсар»), учрежден Межведомственный Совет по
полупроводникам. В 1955 г. началось промышленное производство транзисторов на
заводе «Светлана» в Ленинграде, а при заводе создано ОКБ по разработке
полупроводниковых приборов. В 1956 г. московский НИИ-311 с опытным заводом
переименован в НИИ «Сапфир» с заводом «Оптрон» и переориентирован на разработку
полупроводниковых диодов и тиристоров. На протяжении 50-х годов в стране были
разработаны ряд новых технологий изготовления плоскостных транзисторов:
сплавная, сплавно-диффузионная, меза-диффузионная. Полупроводниковая
промышленность СССР развивалась достаточно быстро: в 1955 г. было выпущено 96
тысяч, в 1957 г. – 2,7 млн, а в 1966 г. – более 11 млн. транзисторов. И это
было только начало.
6. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Первый полевой транзистор был запатентован в США в 1926/30гг., 1928/32гг. и 1928/33гг. Лилиенфельд – автор этих потентов. Он родился в 1882 году в Польше. С 1910 по 1926 г. был профессором Лейпцигского университета. В 1926 г. иммигрировал в США и подал заявку на патент. Предложенные Лилиенфельдом транзисторы не были внедрены в производство. Наиболее важная особенность изобретения Лилиенфельда заключается в том, что он понимал работу транзистора на принципе модуляции проводимости исходя из электростатики. В описании к патенту формулируется, что проводимость тонкой области полупроводникового канала модулируется входным сигналом, поступающим на затвор через входной трансформатор. В 1935 году в Англии получил патент на полевой транзистор немецкий изобретатель О.Хейл
Схема из патента представлена на Рис. где:
Управляющий электрод (1) выполняет роль затвора, электрод (3) выполняет роль стока, электрод (4) роль истока. Подавая переменный сигнал на затвор, расположенный очень близко к проводнику, получаем изменение сопротивления полупроводника (2) между стоком и истоком. При низкой частоте можно наблюдать колебание стрелки амперметра (7). Данное изобретение является прототипом полевого транзистора с изолированным затвором. Следующий период волны изобретений по транзисторам наступил в 1939 году, когда после трехлетних изысканий по твердотельному усилителю в фирме "BTL" (Bell Telephone Laboratories) Шокли был приглашен включиться в исследование Браттейна по медноокисному выпрямителю. Работа была прервана второй мировой войной, но уже перед отъездом на фронт Шокли предложил два транзистора. Исследования по транзисторам
Биполярные транзисторы полупроводниковые приборы с большим числом слоёв разного типа электропроводности, расположенных в разном сочетании. Рассмотрим биполярный транзистор.
Принцип действия биполярного транзистора заключается в том, что 2 р-п перехода расположены настолько близко друг к другу, что происходит взаимное их влияние, вследствие чего они усиливают электрические сигналы.
Итак, на рис. изображены три слоя: с электронной электропроводностью, причём сильной, что обозначает плюс - эмиттер, дырочной - база, и снова электронной, но более слабо легированной (концентрация электронов самая малая) – коллектор. Толщина базы, т.е. расстояние между двумя р-п переходами, равное Lб, очень мала. Она должна быть меньше диффузионной длины электронов в базе. Это от единиц до десятка мкм. Толщина базы должна быть не более единиц мкм. (Толщина человеческого волоса 20-50 мкм. Отметим также, что это близко к пределу разрешения человеческого глаза, так как мы не можем видеть ничего меньшего, чем длина волны света, т.е. примерно 0,5 мкм). Все остальные размеры транзистора не более примерно 1 мм.
К слоям прикладывают внешнее напряжение так, что
эмиттерный р-п переход смещён в прямом направлении, и через него протекает
большой ток, а коллекторный р-п переход смещён в противоположную сторону, так
что через него не должен протекать ток. Однако вследствие того, что р-п
переходы расположены близко, они влияют друг на друга, и картина меняется: ток
электронов, прошедший из эмиттерного р-п перехода, протекает дальше, доходит до
коллекторного р-п перехода и электрическим полем последнего электроны
втягиваются в коллектор. В результате у хороших транзисторов практически весь
ток коллектора равен току эмиттера. Потери тока очень незначительны: проценты и
даже доли процента.
Как видно, схематическое изображение совсем не похоже на их действительную конструкцию. Но так принято. Кружок символизирует корпус транзистора. Индексом "б" обозначен контакт к базе, "к" обозначает контакт к коллекторной области, а "э" – к эмиттерной области. Направление стрелки у эмиттерного контакта определяет тип транзистора (п-р-п или р-п-р).
Схема с общей базой: Коэффициент усиления a<1
Мы видим, что к эмиттерному р-п переходу приложено прямое смещение: плюс к базовому контакту, а минус к эмиттерному контакту. К коллекторному р-п переходу приложено обратное смещение. В этом случае у хорошего транзистора коллекторный ток лишь незначительно меньше эмиттерного.
Схема с общим эмиттером
В этом случае в базу и в эмиттер подаются напряжения
одного знака, но в базу подаётся не больше 0,7 В, а в коллектор – 5...15 В.
Коэффициент усиления b>1
7. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА
Первыми транзисторами выпущенными отечественной промышленностью были точечные транзисторы, которые предназначались для усиления и генерирования колебаний частотой до 5 МГц. В процессе производства первых в мире транзисторов были отработаны отдельные технологические процессы и разработаны методы контроля параметров. Накопленный опыт позволил перейти к выпуску более совершенных приборов, которые уже могли работать на частотах до 10 МГц. В дальнейшем на смену точечным транзисторам пришли плоскостные, обладающие более высокими электрическими и эксплуатационными качествами. Первые транзисторы типа П1 и П2 предназначались для усиления и генерирования электрических колебаний с частотой до 100 кГц.
Затем появились более мощные низкочастотные транзисторы П3 и П4 применение которых в 2-х тактных усилителях позволяло получить выходную мощность до нескольких десятков ватт. По мере развития полупроводниковой промышленности происходило освоение новых типов транзисторов, в том числе П5 и П6, которые по сравнению со своими предшественниками обладали улучшенными характеристиками.
Шло время, осваивались новые методы изготовления транзисторов, и транзисторы П1 – П6 уже не удовлетворяли действующим требованиям и были сняты с производства. Вместо них появились транзисторы типа П13 – П16, П201 – П203, которые тоже относились к низкочастотным не превышающим 100 кГц. Столь низкий частотный предел объясняется способом изготовления этих транзисторов, осуществляемым методом сплавления.
Поэтому транзисторы П1 – П6, П13 – П16, П201 – П203 называют сплавными. Транзисторы способные генерировать и усиливать электрические колебания с частотой в десятки и сотни МГц появились значительно позже – это были транзисторы типаП401 – П403, которые положили начало применению нового диффузионного метода изготовления полупроводниковых приборов. Такие транзисторы называют диффузионными. Дальнейшее развитие шло по пути совершенствования как сплавных, так и диффузионных транзисторов, а так же созданию и освоению новых методов их изготовления.
С появлением биполярных полевых транзисторов начали
воплощаться идеи разработки малогабаритных ЭВМ. На их основе стали создавать
бортовые электронные системы для авиационной и космической техники.
В схеме ОЭ входной сигнал подаётся на базу, а выходной сигнал снимается с коллектора. Схема и выходные характеристики изображены на рис.1Видно, что схема стала очень сложной. Однако главное, что здесь есть – это резистор Rк, который определяет коэффициент усиления по напряжению, и который составляет от единиц кОм до МОм (чем больше этот резистор, тем больше усиление). Все остальные элементы более или менее условны.Прежде всего Rэ необходимо для термостабилизации транзистора. Это осуществляется за счёт обратной связи по постоянному току, которую мы обсудим позже.
Сэ – конденсатор, который шунтирует этот резистор на рабочих частотах, так что при переменном сигнале резистора нет. Этот конденсатор – несколько мкФ. Обычно это электролитический конденсатор.
Ср – разделительные конденсаторы, которые отделяют постоянную составляющую сигнала на входе и выходе схемы от внешних сигналлов. Обычно это несколько мкФ.
Rб2 – практически ненужный резистор, просто он ставится для предохранения транзистора от сгорания. Его значение должно быть большим, так как стоит он параллельно входу и может его закоротить. Обычно это 1 или несколько килоом, так как входное сопротивление транзистора мало.
Rн – сопротивление нагрузки, лучше, если оно большое, так как оно подключено параллельно выходу транзистора, и если оно будет малым, выходной сигнал упадёт.
Uвх – сигнал на входе транзистора. Как видно, на входе много различных деталей – резисторов и конденсаторов. Но на рабочих частотах сопротивления конденсаторов малы, и они хорошо пропускают сигналы. А два параллельных резистора Rб1 и Rб2 достаточно велики по сравнению с входным сопротивлением транзистора. Поэтому учтём только это входное сопротивление.Обычно собственно сопротивления транзистора обозначаются малыми буквами.
Изобретатели
: Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн
Страна
: США
Время изобретения
: 1948 г.
Изобретение в конце 40-х годов XX века транзистора стало одной из крупнейших вех в истории электроники. , 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.
Надо сказать, что полупроводники далеко не сразу открыли перед человеком свои замечательные свойства. 
Долгое время в электротехнике использовались исключительно проводники и диэлектрики. Большая группа материалов, занимавших промежуточное положение между ними, не находила никакого применения, и лишь отдельные исследователи, изучая природу электричества, время от времени проявляли интерес к их электрическим свойствам.
Так, в 1874 году Карл Фердинанд Браун обнаружил явление выпрямления тока в месте контакта свинца и пирита и создал первый кристаллический детектор. Другими исследователями было установлено, что существенное влияние на проводимость полупроводников оказывают содержащиеся в них примеси. Например, Беддекер в 1907 году обнаружил, что проводимость йодистой меди возрастает в 24 раза при наличии примеси йода, который сам по себе не является проводником.
Чем же объясняются свойства полупроводников и почему они приобрели столь большое значение в электронике? Возьмем такой типичный полупроводник, как германий. В обычных условиях он имеет удельное сопротивление в 30 миллионов раз больше, чем у меди, и в 1000000 миллионов раз меньше, чем у . Следовательно, по своим свойствам он все же несколько ближе к проводникам, чем к диэлектрикам. Как известно, способность того или иного вещества проводить или не проводить электрический ток зависит от наличия или отсутствия в нем свободных заряженных частиц.
Германий в этом смысле не является исключением. Каждый его атом четырехвалентен и должен образовывать с 
соседними атомами четыре электронных связи. Но благодаря тепловому воздействию некоторая часть электронов покидает свои атомы и начинает свободно перемещаться между узлами кристаллической решетки. Это примерно 2 электрона на каждые 10 миллиардов атомов.
В одном грамме германия содержится около 10 тысяч миллиардов атомов, то есть в нем имеется около 2 тысяч миллиардов свободных электронов. Это в миллионы раз меньше, чем, например, в меди или серебре, но все же, достаточно для того, чтобы германий мог пропускать через себя небольшой ток. Однако, как уже говорилось, проводимость германия можно значительно повысить, если ввести в состав его решетки примеси, например, пятивалентный атом мышьяка или сурьмы.
Тогда четыре электрона мышьяка образуют валентные связи с атомами германия, но пятый останется свободен. Он будет слабо связан с атомом, так что небольшого 
напряжения, приложенного к кристаллу, будет достаточно для того, чтобы он оторвался и превратился в свободный электрон (понятно, что атомы мышьяка при этом становятся положительно заряженными ионами). Все это заметно меняет электрические свойства германия.
Другая картина будет в том случае, когда в кристалл германия вводится трехвалентная примесь (например, алюминий, галлий или индий). Каждый атом примеси образует связи только с тремя атомами германия, а на месте четвертой связи останется свободное место - дырка, которую легко может заполнить любой электрон (при этом атом примеси ионизируется отрицательно).
Если этот электрон перейдет к примеси от соседнего атома германия, то дырка будет в свою очередь у 
последнего. Приложив к такому кристаллу напряжение, получим эффект, который можно назвать «перемещением дырок». Действительно, пусть с той стороны, где находится отрицательный полюс внешнего источника, электрон заполнит дырку трехвалентного атома. Следовательно, электрон приблизится к положительному полюсу, тогда как новая дырка образуется в соседнем атоме, расположенном ближе к отрицательному полюсу.
Затем происходит это же явление с другим атомом. Новая дырка в свою очередь заполнится электроном, приближающимся таким образом к положительному полюсу, а образовавшаяся за этот счет дырка приблизится к отрицательному полюсу. И когда в итоге такого движения электрон достигнет положительного полюса, откуда он направится в источник тока, дырка достигнет отрицательного полюса, где она заполнится электроном, поступающим из источника тока. Дырка перемещается 
так, словно это частица с положительным зарядом, и можно говорить, что здесь 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 - одного с n-проводимостью, а другого с p-проводимостью (например, когда в кристалле германия с одной стороны создана n-проводимость, а с другой - p-проводимость) - происходят очень любопытные явления.
Отрицательно ионизированные атомы области p оттолкнут от перехода свободные электроны области n, а положительно ионизированные атомы области n оттолкнут от перехода дырки области p. То есть p-n переход превратится в своего рода барьер между двумя областями. Благодаря этому кристалл приобретет ярко выраженную одностороннюю проводимость: для одних токов он будет вести себя как проводник, а для других - как изолятор.
В самом деле, если приложить к кристаллу напряжение большее по величине, чем «запорное» напряжение p-n перехода, причем таким образом, что положительный электрод будет соединен с p-областью, а отрицательный - с n-областью, то в кристалле будет протекать электрический ток, образованный электронами и дырками, перемещающимися навстречу друг другу.
Если же потенциалы внешнего источника поменять противоположным образом, ток прекратится (вернее, он будет очень незначительным) - произойдет только отток электронов и дырок от границы разделения двух областей, вследствие чего потенциальный барьер между ними увеличится.
В данном случае полупроводниковый кристалл будет вести себя точно так же, как вакуумная лампа-диод, поэтому приборы, основанные на этом принципе, назвали полупроводниковыми диодами. Как и ламповые диоды, они могут служить детекторами, то есть выпрямителями тока.
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, как бы мы не меняли полярность. 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.
Это явление тем более замечательно, что 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), причем база играет здесь роль сетки, помещающейся между анодом и катодом.
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.
Полупроводниковые элементы начали постепенно вытеснять электронные лампы с начала 40-х годов. С 1940 года широкое применение в радиолокационных устройствах получил точечный германиевый диод. Радиолокация вообще послужила стимулом для быстрого развития электроники мощных источников высокочастотной энергии. Все больший интерес проявлялся к дециметровым и сантиметровым волнам, к созданию электронных приборов, способных работать в этих диапазонах.
Между тем электронные лампы при использовании их в области высоких и сверхвысоких частот вели себя 
неудовлетворительно, так как собственные шумы существенно ограничивали их чувствительность. Применение на входах радиоприемников точечных германиевых диодов позволило резко снизить собственные шумы, повысить чувствительность и дальность обнаружения объектов.
Однако подлинная эра полупроводников началась уже после Второй мировой войны, когда был изобретен точечный транзистор.
Его создали после многих опытов в 1948 году сотрудники американской фирмы «Белл» Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер 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.
Новое изобретение быстро получило широкое распространение. Первые точечные транзисторы состояли из 
германиевого кристалла с n-проводимостью, служившего базой, на которую опирались два тонких бронзовых острия, расположенные очень близко друг к другу - на расстоянии нескольких микрон.
Одно из них (обычно бериллиевая ) служило эмиттером, а другое (из фосфорной бронзы) - коллектором. При изготовлении транзистора через острия пропускался ток силой примерно в один ампер. Германий при этом расплавлялся, так же как кончики остриев. Медь и имеющиеся в ней примеси переходили в германий и образовывали в непосредственной близости от точечных контактов слои с дырочной проводимостью.
Эти транзисторы не отличались надежностью из-за несовершенства своей конструкции. Они были нестабильны и не могли работать при больших мощностях. Стоимость их была велика. Однако они были намного надежнее вакуумных ламп, не боялись сырости и потребляли мощности в сотни раз меньшие, чем аналогичные им электронные лампы.
Вместе с тем они были чрезвычайно экономичны, так как требовали для своего питания очень маленького тока 
порядка 0, 5-1 В и не нуждались в отдельной батарее. Их КПД достигал 70%, в то время как у лампы он редко превышал 10%. Поскольку транзисторы не требовали накала, они начинали работать немедленно после подачи на них напряжения. К тому же они имели очень низкий уровень собственных шумов, и поэтому аппаратура, собранная на транзисторах, оказывалась более чувствительной.
Постепенно новый прибор совершенствовался. В 1952 году появились первые плоские примесные германиевые транзисторы. Их изготовление было сложным технологическим процессом. Сначала германий очищали от примесей, а затем образовывали монокристалл. Обычный кусок германия состоит из большого числа сращенных в беспорядке кристаллов. Для полупроводниковых приборов такая структура материала не годится - здесь нужна исключительно правильная, единая для всего куска кристаллическая решетка. Для этого германий расплавляли и опускали в него затравку - маленький кристалл, с правильно ориентированной решеткой.
Вращая затравку вокруг оси, ее медленно приподнимали. Вследствие этого атомы вокруг затравки выстраивались 
в правильную кристаллическую решетку. Полупроводниковый материал затвердевал и обволакивал затравку. В результате получался монокристаллический стержень. Одновременно в расплав добавляли примесь p или n типа. Затем монокристалл резали на маленькие пластинки, которые служили базой.
Эмиттер и коллектор создавали различными способами. Наиболее простой метод состоял в том, что на обе стороны пластинки германия накладывали маленькие кусочки индия и быстро нагревали их до 600 градусов. При этой индий сплавлялся с находящимся под ним германием. При остывании насыщенные индием области приобретали проводимость p-типа. Затем кристалл помещали в корпус и присоединяли выводы.
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.
Транзистор изготавливается на основе полупроводников. Долгое время их не признавали, используя для создания различных устройств только проводники и диэлектрики. Подобные устройства имели множество недостатков: низкий КПД, высокое энергопотребление и недолговечность. Изучение свойств полупроводников стало переломным моментом в истории электроники.
Электронная проводимость различных веществ
Все вещества по своей способности проводить электрический ток делятся на три большие группы: металлы, диэлектрики и полупроводники. Диэлектрики названы так потому, что практически не способны проводить ток. Металлы обладают лучшей проводимостью благодаря наличию в них свободных электронов, которые хаотически движутся среди атомов. При приложении внешнего электрического поля эти электроны начнут двигаться в сторону положительного потенциала. По металлу пройдет ток.
Полупроводники способны проводить ток хуже металлов, но лучше диэлектриков. В таких веществах существуют основные (электроны) и неосновные (дырки) носители электрического заряда. Что ? Это отсутствие одного электрона на внешней атомной орбитали. Дырка способна перемещаться по материалу. С помощью специальных примесей, донорных или акцепторных, можно существенно увеличивать количество электронов и дырок в исходном веществе. N-полупроводник можно получить, создав избыток электронов, а p-проводник - с помощью избытка дырок.
Диод и транзистор
Диод - это прибор, полученный соединением n- и p-полупроводников. Он сыграл огромную роль в развитии радиолокации в 40 годах прошлого века. Изучением его возможностей активно занималась команда сотрудников американской фирмы Bell во главе с У.Б. Шоккли. Эти люди в 1948 году, присоединив к кристаллу два контакта. На концах кристалла находились крошечные медные острия. Возможности такого прибора совершили настоящую революцию в электронике. Было выяснено, что током, проходящим через второй контакт можно управлять (усиливать или ослаблять его) при помощи входного тока первого контакта. Это было возможно при условии, что кристалл германия намного тоньше, чем медные острия.
Первые транзисторы имели несовершенную конструкцию и довольно слабые характеристики. Несмотря на это, они были гораздо лучше электронных ламп. За это изобретение Шоккли и его команда удостоились Нобелевской премии. Уже в 1955 году появились диффузионные транзисторы, которые по своим характеристикам превосходили германиевые в несколько раз.
