Первый транзистор: дата и история изобретения, принцип работы, назначение и применение

Транзисторами (transistors, англ.) называют полупроводниковые триоды у которых расположено три выхода. Их основным свойством является возможность посредством сравнительно низких входных сигналов осуществлять управление высоким током на выходах цепи.

Для радиодеталей, которые используются в современных сложных электроприборах, применяются полевые транзисторы. Благодаря свойствам этих элементов выполняется включение или выключение тока в электрических цепях печатных плат, или его усиление.

Читайте также:  Как сделать зарядное устройство для аккумулятора автомобиля своими руками

Что представляет собой полевой транзистор

Полевые транзисторы — это трех или четырех контактные устройства, в которых ток, идущий на два контакта может регулироваться посредством напряжения электрополя  третьего контакта.  на двух контактах регулируется напряжением электрического поля на третьем. В результате этого подобные транзисторы называются полевыми.

Название расположенных на устройстве контактов и их функции:

  • Истоки – контакты с входящим электрическим током, которые находится на участке n;
  • Стоки – контакты с исходящим, обработанным током, которые находятся  на участке n;
  • Затворы – контакты, находящиеся на участке р, посредством изменения напряжения на котором, выполняется регулировка пропускной способности на устройстве.

Полевые транзисторы с  n-p переходами – особые виды, позволяющие управлять током. От простых они, как правило, отличаются тем, через них протекает ток, без пересечения участка р-n переходов, участка который образуется на границах этих двух зон. Размеры р-n участка являются регулируемыми.

Видео «Подробно о полевых транзисторах»

Виды полевых транзисторов

Полевой транзистор с n-р переходами подразделяется на несколько классов в зависимости:

  1. От типа каналов проводников: n или р. Каналы воздействую на знаки, полярности, сигналы управления. Они должны быть противоположны по знакам n-участку.
  2. От структуры приборов: диффузных, сплавных по р -n — переходам, с затворами Шоттки, тонкопленочными.
  3. От общего числа контактов: могут быть трех или четырех контактными. Для четырех контактных приборов, подложки также являются затворами.
  4. От используемых материалов: германия, кремния, арсенид галлия.

image

В свою очередь разделение классов происходит в зависимости от принципа работы транзистора:

  • устройства под управлениями р-n переходов;
  • устройства с изолированными затворами или с барьерами Шоттки.

Принцип работы полевого транзистора

Говоря простыми словами о том, как работает полевой транзистор для чайников с управляющими p-n переходами, стоит отметить: радиодетали состоят из двух участков: p-переходов и n-переходов. По участку n проходит электроток. Участок р является перекрывающей зоной, неким вентилем.  Если оказывать определенное давление на нее, то она будет перекрывать участок и препятствовать прохождению тока. Либо, же наоборот, при снижении давления количество проходящего тока возрастет. В результате такого давления осуществляется увеличение напряжения на контактах затворов, находящихся на участке р.

image

Приборы с управляющими p-n канальными переходами — это полупроводниковые пластины, имеющие электропроводность с одним из данных типов. К торцевым сторонам пластин выполняется подсоединение контактов: стока и истока, в середину — контакты затвора. Принцип работы прибора основан на изменении пространственных толщин p-n переходов. Так как в запирающих областях практически отсутствуют подвижные носители заряда, их проводимость равняется нулю. В полупроводниковых пластинах, на участках которых не воздействует запирающий слой, создаются проводящие ток каналы. Если подается отрицательное напряжение в отношении истока, на затворе образуется поток, через который протекают носителя заряда.

Для изолированных затворов, характерно расположение на них тонкого слоя диэлектрика. Такое устройство работает по принципу электрических полей.  Для его разрушения понадобится всего лишь небольшое электричество. В связи с этим, чтобы предотвратить статическое напряжение, которое может превышать 1000 В, необходимо создание специальных корпусов для приборов, которые минимизируют эффект от воздействия вирусных типов электричества.

Для чего нужен полевой транзистор

При рассмотрении работы сложных видов электротехники, стоит рассмотреть работу такого важного компонента интегральной схемы, как полевой транзистор. Основная задача от использования данного элемента заключается в пяти ключевых направлениях, в связи с чем транзистор применяется для:

  1. Усиления высокой частоты.
  2. Усиления низкой частоты.
  3. Модуляции.
  4. Усиления постоянного тока.
  5. Ключевых устройств (выключателей).

В качестве простого примера работа транзистора-выключателя, может быть представлена как микрофон и лампочка в одной компановке.  Благодаря микрофону улавливаются звуковые колебания, что влияет на появление электрического тока, поступающего на участок запертого устройства. Присутствие тока влияет на включение устройства и включение электрической цепи, к которой подключаются лампочки. Последние загораются после того как микрофон уловил звук, но горят они за счет источников питания не связанных с микрофоном и более мощных.

Модуляцию применяют с целью управления информационными сигналами. Сигналы управляют частотами колебаний. Модуляцию применяют для качественных звуковых радиосигналов, для передачи звуковых частот в телевизионные передачи, для трансляции цветовых изображений и телевизионных сигналов с высоким качеством. Модуляцию применяют повсеместно, где нужно проводить работу с высококачественными материалами.

Как усилители полевые транзисторы в упрощенном виде работают по такому принципу: графически любые сигналы, в частности, звукового ряда, могут быть представлены как ломаная линия, где ее длиной является временной промежуток, а высотой изломов – звуковая частотность. Чтобы усилить звук к радиодетали подается поток мощного напряжения, приобретаемого нужную частотность, но с более большим значением, из-за подачи слабых сигналов на управляющие контакты. Иначе говоря, благодаря устройству происходит пропорциональная перерисовка изначальной линии, но с более высоким пиковым значением.

Как применять полевой транзистор для чайников

Первыми приборами, которые поступили на рынок для реализации, и в которых были использованы полевые транзисторы с управляющими p-n переходами, были слуховые аппараты. Их изобретение состоялось еще в пятидесятые годы XX века. В более крупным масштабах они применялись, как элементы для телефонных станций.

В наше время, применение подобных устройств можно увидеть во многих видах электротехники. При наличии маленьких размеров и большому перечню характеристик, полевые транзисторы встречаются в кухонных приборах (тостерах, чайниках, микроволновках), в устройстве компьютерной, аудио и видео техники и прочих электроприборах. Они используются для сигнализационных систем охраны пожарной безопасности.

На промышленных предприятиях транзисторное оборудование применяют для регуляции мощности на станках. В сфере транспорта их устанавливают в поезда и локомотивы, в системы впрыскивания топлива на личных авто. В жилищно-коммунальной сфере транзисторы позволяют следить за диспетчеризацией и системами управления уличного освещения.

Также самая востребованная область, в которой применяются транзисторы – изготовление комплектующих, используемых в процессорах. Устройство каждого процессора предусматривает множественные миниатюрные радиодетали, которые при повышении частоты более чем на 1,5 ГГц, нуждаются в усиленном потреблении энергии. В связи с этими разработчики процессорной техники решил создавать многоядерные оборудования, а не увеличивать тактовую частоту.

Достоинства и недостатки полевых транзисторов

Использование полевых транзисторов благодаря их универсальным характеристикам позволило обойти другие виды транзисторов. Они широко применяются для интегральной схемы в качестве выключателя.

Достоинства:

  • каскады детали расходуют малое количество энергии;
  • показатели усиления превышают, значения других аналогичных устройств;
  • достижение высокой помехоустойчивости осуществляется за счет того, что отсутствует ток в затворе;
  • обладают более высокой скоростью включения и выключения, работают с недоступными для других транзисторов частотами.

Недостатки:

  • менее устойчивы к высоким температурам, которые приводят к разрушению;
  • на частотах более 1,5 ГГц, количество потребляемой энергии стремительно увеличивается;
  • чувствительны к статическим видам электричества.

Благодаря характеристикам, которыми обладают полупроводниковые материалы, взятые в качестве основы для полевого транзистора, позволяют использовать устройство в бытовой и производственной сфере. Полевыми транзисторами оснащается различная бытовая техника, которая используется современным человеком.

Видео «Устройство и принцип работы полевого транзистора»

Главная страница> Транзисторы. Классификация и принцип работы (и шпаргалка). 09.12.2011 09:54

    Транзисторы подразделяют на две большие подгруппы – биполярные и полевые. Они обычно используются для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов. В 1956 г. за изобретение биполярного транзистора Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн получили Нобелевскую премию по физике.

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ.

     Биполярный транзистор— это полупроводниковый прибор с двумя p-n -переходами, имеющий три вывода. Действие биполярного транзистора основано на использовании носителей заряда обоих знаков (дырок и элект­ронов), а управление протекающим через него током осу­ществляется с помощью управляющего тока.

Биполярный транзистор является наиболее распространенным активным полупроводниковым прибором.

Устройство транзистора. Биполярный транзистор в своей основе содержит три слоя полупроводника (р-n-р или n-р-n) и соответственно два p-n -перехода. Каждый слой полупроводника через невыпрямляющий контакт металл-полупроводник подсоединен к внешнему выводу.

Средний слой и соответствующий вывод называют базой, один из крайних слоев и соответствующий вывод на­зывают эмиттером, а другой крайний слой и соответству­ющий вывод — коллектором.

Дадим схематическое, упрощенное изображение струк­туры транзистора типа n-р-n (рис. 1, а) и два допусти­мых варианта условного графического обозначения (рис. 1, б). Транзистор типа р-n-р устроен аналогично. При этом “стрелочка” эмиттера будет напрвлена в противоположном направлении – в сторону базы. Стрелки эмиттеров показывают направление токов через транзистор.

Рис. 1. Cхематическое изображение струк­туры транзистора

Транзистор называют биполярным, так как  в процессе протекания электрического тока участвуют носители элект­ричества двух знаков — электроны и дырки. Но в различных типах транзисторов роль электронов и дырок различна.

Транзисторы типа n-р-n более распространены в сравнении с транзисторами типа р-n-р, так как обычно имеют луч­шие параметры. Это объясняется следующим образом: ос­новную роль в электрических процессах в транзисторах типа n-р-n играют электроны, а в транзисторах р-n-р — дыр­ки. Электроны же обладают подвижностью в два-три раза большей, чем дырки.

Важно отметить, что реально площадь коллекторного перехода значительно больше площади эмиттерного перехода, так как такая несимметрия значительно улучшает свойства транзистора.

Количественное своеобразие структуры транзистора. Для определенности обратимся к транзистору типа n-р-n. В основе работы биполярного транзистора лежат не какие-либо новые физические процессы, еще не рассмотренные при изучении полупроводникового диода: своеобразие транзистора определяется особенностями его конструкции.

Основными элементами транзистора являются два соединенных pn -перехода. Это позволяет дать формальное представление структуры транзистора, представленное на рис. 2, а.

Для понимания принципа работы транзистора исключительно важно учитывать, что pn -переходы транзисто­ра сильно взаимодействуют. Это означает, что ток одного перехода сильно влияет на ток другого, и наоборот. Имен­но это взаимодействие радикально отличает транзистор от схемы с двумя диодами (рис. 2, б).

Рис.2. Структура транзистора.

В схеме с диодами ток каждого диода зависит только от напряжения на нем самом и никак не зависит от тока другого диода.

Указанное взаимодействие имеет исключительно простую главную причину, а именно: очень малое расстояние между переходами транзистора. Это расстояние называют толщиной базы. Именно эта количественная особенность структуры создает ка­чественное своеобразие транзистора.

Вообще полезно отметить, что в электронике достаточно часто реализуется следующий способ получения устрой­ства, обладающего новым качеством: особым образом со­единяют два одинаковых, уже хорошо изученных элемента.

Основные физические процессы. Концентрация атомов примеси (и свободных электронов) в эмиттере сравнительно велика, поэтому этот слой низкоомный. Концен­трация атомов примеси (и дырок) в базе сравнительно низка, поэтому этот слой высокоомный. Концентрация атомов примеси (и свободных электронов) в коллекторе может быть как больше концентрации атомов примеси в базе, так и меньше ее. С помощью источников напряжения сместим эмиттерный переход в прямом, а коллекторный — в обратном направлении (рис. 3). Тогда через эмиттерный переход потечет ток Iэ, который будет обеспечиваться главным образом инжекцией электронов из эмиттера в базу. Инжекция дырок из базы в эмиттер будет незначительной вследствие указанного выше различия в концентрациях атомов примесей.

Рис.3. Физические процессы в транзисторе.

Из-за малой толщины базы почти все электроны, пройдя базу, через так называемое время пролета достигают коллектора. Только малая доля электронов рекомбинирует в базе с дырками. Убыль этих дырок компенсируется протеканием тока базы iэ. Из изложенного следует, что iб « iэ.

Обратное смещение коллекторного перехода способ­ствует тому, что электроны, подошедшие к нему, захваты­ваются электрическим полем перехода и переносятся в коллектор. В то же время это поле препятствует переходу электронов из коллектора в базу. Ток коллектора iK лишь незначительно меньше тока эмиттера, т. е. iK= iЭ.

Более точно:

iK= астiЭ +  Iко ,

где асттак называемый статический коэффициент передачи эмиттерного тока (термин статический подчеркивает тот факт, что этот коэффициент связывает по­стоянные токи); Iко — так называемый обратный ток коллектора. Природа обратного тока коллектора такая же, как и у обратного тока диода (т. е. тока диода, включенного в об­ратном направлении). Ток  Iко протекает и тогда, когда ток эмиттера равен нулю.

Работа транзистора. Поскольку биполярные транзисторы состоят из двух p-n -переходов, то проверку целостности транзистора можно осуществить, контролируя сопротивление этих переходов при прямом и обрат­ном подключении напряжения к ним. Транзистор n-р-n проверяется по сопротивлениям переходов.

Для нормальной работы n-р-n -транзистора требуется положительное напряжение на коллектор. Базовый переход открывается положительным напряжением. Базовый ток вызывает появление коллекторного тока (рис. 4, а). При отрицательном напряжении в базе транзистор закрывается. Если плавно менять напряжение Uб, то ток Iб меняется, как показано на рис. 4, б. Если дискретно задавать значения Iб1, Iб2 и т.д. и плавно менять напряжение UK, то получим семейство коллекторных (выходных) характеристик (рис. 4, в).

Для нормаль­ной работы р-n-p -транзистора требуется отрицательное напряжение на коллекторе. Открывается базовый переход отрицательным напряжением (рис. 4, г). При положительном напряжении в базе транзистор закрывается. Если плавно менять напряжение Uб, то ток Iб меняется, как показано на рис. 4, д. Если дискретно задавать значении Iб1, Iб2 и т. д. и плавно менять напряжение UK, то получим семейство кол­лекторных (выходных) характеристик (рис. 4, е).

Рис. 4. Входные и выходные характеристики транзисторов.

В усилительных схемах транзисторы могут применяться в двух режимах: в схеме с обшей базой (рис. 5, а) и в схеме с обшим эмиттером (рис. 5, б). Во входной цепи, кроме источника постоянного напря­жения, необходимого для обеспечения активного режима работы, также используют источник входного переменно­го напряжения. Изобразим две характерные схемы вклю­чения транзистора.

.

Рис. 5. Схемы включения транзистора.

  • Схема с общей базой (ОБ) (рис. 5.а). Если сопротивле­ние нагрузки достаточно велико, то амплитуда перемен­ной составляющей напряжения иыхзначительно больше амплитуды напряжения ивх. Учитывая, чтоiвых = iвх, можно утверждать, что схема не обеспечивает усиления тока, но усиливает напряжение. Входной ток такой схемы доста­точно большой, а соответствующее входное сопротивле­ние малое.
  • Схема с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 5.б). Так как iвых» iвх,а при достаточно большом сопротивлении Rн, амплитуда переменной составляющей напряжения ивыхзна­чительно больше амплитуды напряжения ивх, следователь­но, схема обеспечивает усиление и тока, и напряжения.Входной ток схемы достаточно мал, поэтому входное сопротивление больше, чем у схемы с общей базой.
  • Схема с общим коллектором(ОК) эквивалентна схеме с обшим эмиттером и по-этому не нашла широкого применения (за исключением эмиттерных повторителей). Само напряжение ибэ и особенно переменная состав­ляющая этого напряжения достаточно малы, поэтому амплитуда переменной составляющей напряжения ивх примерно равна амплитуде переменной составляющей на­пряжения ивых. В соответствии с этим усилительные кас­кады, в которых транзисторы включены по схеме с общим коллектором, называют эмиттерными повторителями. Учитывая также, что iвx « iвых, отмечают, что схема уси­ливает ток, но не усиливает напряжение.

На практике, для построения большинства устройств, наиболее часто используется схема с общим эмиттером.

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ.

Полевым или униполярным транзистором называется транзистор, в котором управление происходит под действием электрического поля перпендикулярного току. На схемах их обозначают, как показано на рисунке ниже:

,

где: З- затвор, И- исток, С- сток.

Проводящий слой, по которому протекает ток, называется каналом. Различают р- и n-канальные транзисторы. Каналы могут быть приповерхностными и объемными, горизонтальными и вертикальными. Пример полевого транзистора с n – p переходом и n- каналом приведен на рис. 6.

Рис. 6. Полевой транзистор: а -конструкция транзистора; б- структура кристалла.

В свою очередь приповерхностные каналы делятся на обогащенные или обедненные но­сителями, либо инверсионные слои. Их формирует внешнее электрическое поле. Обед­ненные каналы представляют собой участки однородного полупроводника, отделенные от поверхности обедненным слоем.

На рис. 7 приведены схемы каналов в полевых транзисторах. Транзисторы с при­поверхностным каналом имеют структуру металл диэлектрик полупроводник (МДП). Такие транзисторы принято называть МДП-транзисторами. Если диэлектриком является диоксид кремния SiO2, то используется название МОП-транзисторы. Транзисторы с объ­емным каналом получили название полевых транзисторов.

Рис. 7. Каналы в униполярных транзисторах: а- приповерхностный n- канал; б- объемный p- канал,

1 — обедненный слой.

Таким образом, работа полевого транзистора представляется следующим образом: сила проходящего через него тока регулируется внешним электрическим полем, т.е напряжением. Это принципиальное различие между ним и биполярным транзистором, где сила основного тока регулируется управляющим током (рис.8). 

Рис. 9. Принцип действия полевого и биполярного транзисторов.

Поэтому ВАХ полевого транзистора обратно эквивалентна ВАХ биполярного. Более наглядно это показано на рисунке 9. При увеличении значения Uзи происходит постепенное закрытие проводящего канала.

Рис. 9. Сравнительная выходная ВАХ полевого (а) и биполярного (б) транзисторов.

Краткое описание транзисторов, диаграммы, схемы включения и h-параметры можно скачать здесь Транзисторы Биполярные и Полевые (шпаргалка и h-параметры).doc (431 kB)

Назад Поделись знанием: Материал из Википедии — свободной энциклопедии Перейти к: навигация, поиск

Транзи́стор (англ. transistor), полупроводнико́вый трио́д — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами[1], способный от небольшого входного сигнала управлять значительным током в выходной цепи, что позволяет его использовать для усиления, генерирования, коммутации и преобразования электрических сигналов. В настоящее время транзистор является основой схемотехники подавляющего большинства электронных устройств и интегральных микросхем. Транзисторами также называются дискретные электронные приборы, которые, выполняя функцию одиночного транзистора, имеют в своем составе много элементов, конструктивно являясь интегральной схемой, например составной транзистор или многие транзисторы большой мощности[2].

Транзисторы делятся на два класса отличные по структуре, принципу действия и параметрам — биполярные и полевые (униполярные). В биполярном транзисторе используются полупроводники с обоими типами проводимости, он работает за счет взаимодействия двух, близко расположенных на кристалле, p-n переходов и управляется изменением тока через база-эмиттерный переход, при этом вывод эмиттера всегда является общим для управляющего и выходного токов. В полевом транзисторе используется полупроводник только одного типа проводимости, расположенный в виде тонкого канала на который воздействует электрическое поле изолированного от канала затвора[3], управление осуществляется изменением напряжения между затвором и истоком. В настоящее время в аналоговой технике доминируют биполярные транзисторы (БТ) (международный термин — BJT, bipolar junction transistor). В цифровой технике, в составе микросхем (логика, память, процессоры, компьютеры, цифровая связь и т. п.), напротив, биполярные транзисторы почти полностью вытеснены полевыми. В 1990-е годы был разработан новый тип гибридных биполярно-полевых транзисторов — IGBT которые сейчас широко применяются в силовой электронике.

В 1956 году за изобретение биполярного транзистора Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн получили Нобелевскую премию по физике. К 1980-м годам транзисторы, благодаря своей миниатюрности, экономичности, устойчивости к механическим воздействиям и невысокой стоимости практически полностью вытеснили электронные лампы из малосигнальной электроники. Благодаря своей способности работать при низких напряжениях и значительных токах, транзисторы позволили уменьшить потребность в электромагнитных реле и механических переключателях в оборудовании, а благодаря способности к миниатюризации и интеграции позволили создать интегральные схемы, заложив основы микроэлектроники. С 1990-х в связи с появлением новых мощных транзисторов, стали активно вытесняться электронными устройствами трансформаторы, электромеханические и тиристорные ключи в силовой электротехнике, начал активно развиваться Частотно-регулируемый привод и инверторные преобразователи напряжения.

На принципиальных схемах транзистор обозначается «VT» или «Q». До 1970-х гг. в русскоязычной литературе и документации также применялись обозначения «Т», «ПП» (полупроводниковый прибор) или «ПТ» (полупроводниковый триод).

История

Подробное рассмотрение темы: Изобретение транзистора

Первые патенты на принцип работы полевых транзисторов были зарегистрированы в Германии в 1928 году (в Канаде, 22 октября1925 года) на имя австро-венгерского физика Юлия Эдгара Лилиенфельда[4][5]. В 1934 году немецкий физик Оскар Хайл запатентовал полевой транзистор. Полевые транзисторы (в частности, МОП-транзисторы) основаны на простом электростатическом эффекте поля, по физике они существенно проще биполярных транзисторов, и поэтому они придуманы и запатентованы задолго до биполярных транзисторов. Тем не менее, первый МОП-транзистор, составляющий основу современной компьютерной индустрии, был изготовлен позже биполярного транзистора, в 1960 году. Только в 90-х годах XX века МОП-технология стала доминировать над биполярной.

В 1947 годуУильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн в лабораториях Bell Labs впервые создали действующий биполярный транзистор, продемонстрированный 16 декабря. 23 декабря состоялось официальное представление изобретения и именно эта дата считается днём изобретения транзистора. По технологии изготовления он относился к классу точечных транзисторов. В 1956 году они были награждены Нобелевской премией по физике «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта». Интересно, что Джон Бардин вскоре был удостоен Нобелевской премии во второй раз за создание теории сверхпроводимости.

Позднее транзисторы заменили вакуумные лампы в большинстве электронных устройств, совершив революцию в создании интегральных схем и компьютеров.

Bell нуждались в названии устройства. Предлагались названия «полупроводниковый триод» (semiconductor triode), «Solid Triode», «Surface States Triode», «кристаллический триод» (crystal triode) и «Iotatron», но слово «транзистор» (transistor, образовано от слов transfer — передача и resist — сопротивление), предложенное Джоном Пирсом (John R. Pierce), победило во внутреннем голосовании.

Первоначально название «транзистор» относилось к резисторам, управляемым напряжением. В самом деле, транзистор можно представить как некое сопротивление, регулируемое напряжением на одном электроде (в полевых транзисторах — напряжением между затвором и истоком, в биполярных транзисторах — напряжением между базой и эмиттером). — током базы.

Транзистор является одним из самых массовых изделий производимых человеком, в 2013 году на каждого жителя Земли выпущено около 15 миллиардов транзисторов (большинство из них в составе интегральных схем)[6].

С появлением интегральных микросхем идет непрерывная борьба за уменьшение размера элементарного транзистора. В настоящее время, самые маленькие транзисторы, содержат считанные атомы вещества и миниатюризация приближается к своему физическому пределу.[7]

Классификация транзисторов

канал p-типа
канал n-типа
Биполярные Полевые

Ниже приведена формальная классификация токовых транзисторов, где рабочее тело представляет собой поток носителей тока, а состояния, между которыми переключается прибор, определяются по величине сигнала: малый сигнал — большой сигнал, закрытое состояние — открытое состояние, на которых реализуется двоичная логика работы транзистора. Современная технология может оперировать не только электрическим зарядом, но и магнитными моментами, спином отдельного электрона, фононами и световыми квантами, квантовыми состояниями в общем случае.

По основному полупроводниковому материалу

Помимо основного полупроводникового материала, применяемого обычно в виде монокристалла, транзистор содержит в своей конструкции легирующие добавки к основному материалу, металлические выводы, изолирующие элементы, части корпуса (пластиковые или керамические). Иногда употребляются комбинированные наименования, частично описывающие материалы конкретной разновидности (например, «кремний на сапфире» или «металл-окисел-полупроводник»). Однако основными являются транзисторы на основе кремния, германия, арсенида галлия.

Другие материалы для транзисторов до недавнего времени не использовались. В настоящее время имеются транзисторы на основе, например, прозрачных полупроводников для использования в матрицах дисплеев. Перспективный материал для транзисторов — полупроводниковые полимеры. Также имеются отдельные сообщения о транзисторах на основе углеродных нанотрубок[8], о графеновых полевых транзисторах.

По структуре

Транзисторы
Биполярные Полевые
p-n-p n-p-n С затвором в виде p-n-перехода С изолированным затвором
С каналом n-типа С каналом p-типа Со встроенным каналом С индуцированным каналом
С каналом n-типа С каналом p-типа С каналом n-типа С каналом p-типа

Принцип действия и способы применения транзисторов существенно зависят от их типа и внутренней структуры, поэтому подробная информация об этом отнесена в соответствующие статьи.

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.

image

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.

image

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.

image

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.

image

Прорыв

16 декабря 1947 года, используя двухточечный контакт, был сделан контакт с поверхностью германия, анодированной до девяносто вольт, электролит смылся в H2O, 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.

image

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.

image

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.

image

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 [JFET]) 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.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий