Historien om opdagelsen af ​​pn-krydset, eller hvordan transistoren begyndte. Transistor historie

Opfindelsen af ​​transistoren, som blev den vigtigste bedrift i det tyvende århundrede, er forbundet med navnene på mange bemærkelsesværdige videnskabsmænd. Dem, der skabte og udviklede halvlederelektronik, vil blive diskuteret i denne artikel.

For præcis 50 år siden blev amerikanerne John Bardeen, Walter Brattain og William Shockley (fig. 1) tildelt Nobelprisen i fysik "for forskning inden for halvledere og opdagelsen af ​​transistoren." En analyse af videnskabens historie viser dog tydeligt, at opdagelsen af ​​transistoren ikke kun er en velfortjent succes for Bardeen, Brattain og Shockley.

Ris. 1. Nobelprismodtagere i fysik for 1956

Første forsøg

Fødslen af ​​solid-state elektronik kan dateres tilbage til 1833. Det var dengang, at Michael Faraday (fig. 2), der eksperimenterede med sølvsulfid, opdagede, at ledningsevnen af ​​dette stof (og det var, som vi nu kalder det, en halvleder) stiger med stigende temperatur, i modsætning til ledningsevnen af ​​metaller , som i dette tilfælde falder. Hvorfor sker dette? Hvad er dette forbundet med? Faraday kunne ikke besvare disse spørgsmål.

Den næste milepæl i udviklingen af ​​solid-state elektronik kom i 1874. Den tyske fysiker Ferdinand Braun (fig. 3), en kommende nobelprismodtager (i 1909 modtager han prisen "For sit fremragende bidrag til skabelsen af ​​trådløs telegrafi"), udgiver en artikel i tidsskriftet Analen der Physik und Chemie, hvori , ved at bruge eksemplet med "naturlige og kunstige svovlmetaller" beskriver halvlederes vigtigste egenskab - at lede elektrisk strøm kun i én retning. Den korrigerende egenskab ved halvleder-metal-kontakt var i modstrid med Ohms lov. Brown (fig. 4) forsøger at forklare det observerede fænomen og foretager yderligere forskning, men uden held. Fænomenet eksisterer, men der er ingen forklaring. Af denne grund var Browns samtidige ikke interesserede i hans opdagelse, og kun fem årtier senere blev halvledernes ensretteregenskaber brugt i detektormodtagere.

Ris. 3. Ferdinand Brown

Ris. 4. Ferdinand Braun i sit laboratorium

Året er 1906. Den amerikanske ingeniør Greenleaf Witter Picard (fig. 5) modtager patent på en krystaldetektor (fig. 6). I sin patentansøgning skriver han: ”Kontakt mellem en tynd metalleder og overfladen af ​​visse krystallinske materialer (silicium, galena, pyrit osv.) ensretter og demodulerer den højfrekvente vekselstrøm, der genereres i antennen, når den modtager radiobølger. ”

Ris. 5. Greenleaf Picard

Ris. 6. Skematisk diagram af Picard-krystaldetektoren

Den tynde metalleder, der bruges til at komme i kontakt med overfladen af ​​krystallen, lignede meget en kats knurhår.

Picard-krystaldetektoren blev kendt som "kattens knurhår".

For at "puste liv" ind i Picard-detektoren og få den til at fungere stabilt, var det nødvendigt at finde det mest følsomme punkt på overfladen af ​​krystallen. Dette var ikke let at gøre. Mange geniale "cat's whisker"-designs kommer frem i lyset (fig. 7), hvilket gør det nemmere at finde det eftertragtede punkt, men den hurtige stigning til forkant med elektronisk rørradioteknologi sender Picard-detektoren bag kulisserne i lang tid.

Ris. 7. Variant af "cat's whisker"-designet

Alligevel er "kattens knurhår" meget enklere og mindre end vakuumdioder, og også meget mere effektiv ved høje frekvenser. Hvad hvis vi erstatter vakuumtrioden, som al den tids radioelektronik var baseret på, (fig. 8) med en halvleder? Er dette muligt? I begyndelsen af ​​det tyvende århundrede hjemsøgte et lignende spørgsmål mange videnskabsmænd.

Ris. 8. Vakuum triode

Losev

Sovjetrusland. 1918 Efter personlig ordre fra Lenin blev der oprettet et radioteknisk laboratorium i Nizhny Novgorod (fig. 9). Den nye regering har hårdt brug for "trådløs telegraf"-kommunikation. De bedste radioingeniører på den tid var involveret i arbejdet i laboratoriet - M. A. Bonch-Bruevich, V. P. Vologdin, V. K. Lebedinsky, V. V. Tatarinov og mange andre.

Ris. 9. Nizhny Novgorod radiolaboratorium

Oleg Losev kommer også til Nizhny Novgorod (fig. 10).

Ris. 10. Oleg Vladimirovich Losev

Efter at have dimitteret fra Tver Real School i 1920 og uden held gået ind i Moskva Institut for Kommunikation, gik Losev med på ethvert job, så længe han blev accepteret i laboratoriet. Han er ansat som budbringer. Bellboys må ikke bo på hostellet.

17-årige Losev er klar til at bo i laboratoriet, på reposen foran loftet, bare for at gøre det, han elsker.

Fra en tidlig alder var han passioneret omkring radiokommunikation. Under Første Verdenskrig blev der bygget en radiomodtagestation i Tver. Dens opgaver var at modtage beskeder fra Ruslands allierede i ententen og derefter sende dem via telegraf til Petrograd. Losev besøgte ofte radiostationen, kendte mange af medarbejderne, hjalp dem og kunne ikke forestille sig sit fremtidige liv uden radioudstyr. I Nizhny Novgorod havde han hverken en familie eller et normalt liv, men det vigtigste var muligheden for at kommunikere med specialister inden for radiokommunikation for at adoptere deres erfaring og viden. Efter at have afsluttet det nødvendige arbejde i laboratoriet fik han lov til at engagere sig i selvstændige eksperimenter.

På det tidspunkt var der stort set ingen interesse for krystaldetektorer. Ingen i laboratoriet var specielt interesseret i dette emne. Prioritet i forskningen blev givet til radiorør. Losev ønskede virkelig at arbejde selvstændigt. Udsigten til at få et begrænset arbejdsområde "på lamper" inspirerer ham overhovedet ikke. Måske er det derfor, han vælger en krystaldetektor til sin forskning. Hans mål er at forbedre detektoren, gøre den mere følsom og stabil i drift. Da han startede eksperimenterne, antog Losev fejlagtigt, at "på grund af det faktum, at nogle kontakter mellem metallet og krystallen ikke overholder Ohms lov, er det ret sandsynligt, at udæmpede svingninger kan forekomme i et oscillerende kredsløb forbundet med en sådan kontakt." På det tidspunkt var det allerede kendt, at for selv-excitering skal ikke-lineariteten af ​​strøm-spændingskarakteristikken alene være til stede. Enhver kompetent specialist ville ikke forvente forstærkning fra detektoren. Men gårsdagens skoledreng ved ikke noget om dette. Han ændrer krystallerne og nålematerialet, registrerer omhyggeligt de opnåede resultater og opdager en dag de ønskede aktive punkter i krystallerne, som sikrer genereringen af ​​højfrekvente signaler.

"Alle ved fra barndommen, at sådan og sådan er umuligt, men der er altid en ignorant, der ikke ved dette, og det er ham, der gør opdagelsen," jokede Einstein.

Losev udførte sine første studier af generatorkrystaller kl den enkleste ordning, vist i fig. 11.

Ris. 11. Skema af Losevs første eksperimenter

Efter at have testet et stort antal krystaldetektorer fandt Losev ud af, at zincitkrystaller, der udsættes for særlig behandling, genererer vibrationer bedst. For at opnå materialer af høj kvalitet udvikler han en teknologi til fremstilling af zincit ved at sammensmelte naturlige krystaller i en elektrisk lysbue. Med et par zincit - kulstofspids, når en spænding på 10 V blev påført, blev der opnået et radiosignal med en bølgelængde på 68 m. Med et fald i genereringen implementeres forstærkningstilstanden for detektoren.

Bemærk, at den "genererende" detektor først blev demonstreret tilbage i 1910 af den engelske fysiker William Eccles (fig. 12).

Fig 12. William Henry Iccles

Et nyt fysisk fænomen tiltrækker ikke opmærksomhed fra specialister og er glemt i nogen tid. Eccles forklarede også fejlagtigt mekanismen for "negativ" modstand baseret på det faktum, at modstanden af ​​en halvleder falder med stigende temperatur på grund af termiske effekter, der opstår ved metal-halvleder-grænsefladen.

I 1922 dukkede Losevs første artikel om en forstærkende og genererende detektor op på siderne i det videnskabelige tidsskrift "Telegraphy and Telephony Without Wires." I den beskriver han meget detaljeret resultaterne af sine eksperimenter, og særlig opmærksomhed er opmærksom på den obligatoriske tilstedeværelse af den faldende del af kontaktens strømspændingskarakteristik.

I disse år var Losev aktivt engageret i selvuddannelse. Hans nærmeste vejleder, professor V.K Lebedinsky, hjælper ham i studiet af radiofysik. Lebedinsky forstår, at hans unge medarbejder har gjort en reel opdagelse og forsøger også at forklare den observerede effekt, men forgæves. Den tids fundamentale videnskab kendte endnu ikke til kvantemekanik. Losev fremsætter til gengæld den hypotese, at med en stor strøm i kontaktzonen fremstår en vis elektrisk udladning som en voltaisk bue, men kun uden opvarmning. Denne udledning kortslutter kontaktens høje modstand, hvilket tillader generering.

Først tredive år senere var de i stand til at forstå, hvad der faktisk var blevet opdaget. I dag vil vi sige, at Losevs enhed er en to-terminal enhed med en N-formet strøm-spændingskarakteristik, eller en tunneldiode, som den japanske fysiker Leo Isaki (fig. 13) i 1973 modtog for. Nobelprisen.

Ris. 13. Leo Isaki

Ledelsen af ​​Nizhny Novgorod-laboratoriet forstod, at det ikke ville være muligt at gengive effekten i serier. Efter at have arbejdet lidt mistede detektorerne praktisk talt deres forstærknings- og genereringsegenskaber. Der var ikke tale om at opgive lamper. Ikke desto mindre praktisk betydning Losevs opdagelse var enorm.

I 1920'erne, over hele verden, inklusive i Sovjetunionen, blev amatørradio epidemi. Sovjetiske radioamatører bruger de enkleste detektormodtagere, samlet efter Shaposhnikov-skemaet (fig. 14).

Ris. 14. Shaposhnikov detektor modtager

For at øge lydstyrken og modtageområdet bruges høje antenner. Det var vanskeligt at bruge sådanne antenner i byer på grund af industriel interferens. I åbne områder, hvor der er ringe eller ingen interferens, god velkomst radiosignaler var ikke altid vellykkede på grund af den dårlige kvalitet af detektorerne. Indførelsen af ​​en negativ modstandsdetektor med zincit i modtagerens antennekredsløb, indstillet til en tilstand tæt på selvexcitering, forbedrede de modtagne signaler betydeligt. Radioamatører var i stand til at høre de fjerntliggende stationer. Modtagelsens selektivitet steg mærkbart. Og dette uden brug af vakuumrør!

Lamperne var ikke billige, og de krævede en speciel strømkilde, og Losevs detektor kunne køre på almindelige lommelygtebatterier.

Som et resultat viste det sig, at simple modtagere designet af Shaposhnikov med genererende krystaller giver mulighed for at udføre heterodynmodtagelse, som på det tidspunkt var det sidste ord i radiomodtagelsesteknologi. I efterfølgende artikler beskriver Losev en hurtig søgeteknik aktive punkter på overfladen af ​​zincit og erstatter kulstofspidsen med en metalspids. Han giver anbefalinger til, hvordan krystaller skal behandles og giver flere praktiske diagrammer til selvmontering af radioer (fig. 15).

Ris. 15. Skematisk diagram af Christadin O. V. Losev

Losevs enhed tillader ikke kun at modtage signaler over lange afstande, men også at sende dem. Radioamatører i massevis, baseret på detektor-generatorer, producerer radiosendere, der opretholder kommunikationen inden for en radius af flere kilometer. Losevs brochure udkommer snart (fig. 16). Det sælger millioner af eksemplarer. Entusiastiske radioamatører skrev i forskellige populærvidenskabelige magasiner, at "ved hjælp af en zincitdetektor i Tomsk, for eksempel, kan du høre Moskva, Nizhny og endda udenlandske stationer."

Ris. 16. Losevs brochure, 1924-udgaven

For alle dine tekniske løsninger Losev modtog patenter, begyndende med "Heterodyne Detector Receiver", indgivet i december 1923.

Losevs artikler er publiceret i sådanne tidsskrifter som JETP, Reports of the USSR Academy of Sciences, Radio Revue, Philosophical Magazine, Physikalische Zeitschrift.

Losev er ved at blive en berømthed, og alligevel er han endnu ikke tyve år gammel!

For eksempel hedder det i den redaktionelle forord til Losevs artikel "Oscillating Crystals" i det amerikanske magasin The Wireless World and Radio Review for oktober 1924: "Forfatteren til denne artikel, hr. Oleg Losev fra Rusland, har på relativt kort tid erhvervet verdensberømmelse i forbindelse med hans opdagelse af oscillerende egenskaber i nogle krystaller."

Et andet amerikansk magasin, Radio News, offentliggjorde omtrent samtidig en artikel med titlen "Sensational Invention", som bemærkede: "Der er ingen grund til at bevise, at dette er en revolutionær radioopfindelse. Snart taler vi om et kredsløb med tre eller seks krystaller, ligesom vi nu taler om et kredsløb med tre eller seks forstærkerrør. Det vil tage flere år for den genererende krystal at forbedre sig nok til at være bedre end et vakuumrør, men vi forudser, at tiden vil komme."

Forfatteren til denne artikel, Hugo Gernsbeck, kalder Losevs solid state-modtager for en cristadin (krystal + lokal oscillator). Desuden navngiver den ikke kun navnet, men registrerer det også forsigtigt som et varemærke (fig. 17). Efterspørgslen efter cristadiner er enorm.

Ris. 17. Losev krystaldetektor. Fremstillet af Radio News Laboratories. USA, 1924

Det er interessant, at når tyske radioteknikere kommer til Nizhny Novgorod-laboratoriet for personligt at møde Losev, kan de ikke tro deres egne øjne. De er overrasket over talentet og i en ung alder opfinder. I breve fra udlandet blev Losev kaldt intet mindre end professor. Ingen kunne have forestillet sig, at professoren stadig lærte det grundlæggende i videnskaben. Men meget snart vil Losev blive en strålende eksperimentel fysiker og vil igen få verden til at tale om sig selv.

I laboratoriet overflyttes han fra stillingen som fødebarn til laborant og forsynes med bolig. I Nizhny Novgorod gifter Losev sig (dog uden held, som det viste sig senere), arrangerer sit liv og fortsætter med at arbejde med krystaller.

I 1928 blev emnerne for radiolaboratoriet Nizhny Novgorod sammen med dets ansatte efter regeringens beslutning overført til det centrale radiolaboratorium i Leningrad, som til gengæld også konstant blev omorganiseret. På det nye sted fortsætter Losev med at arbejde på halvledere, men snart omdannes Central Radio Laboratory til Institute of Broadcasting Reception and Akustik. Det nye institut har sit eget forskningsprogram, arbejdsemnerne er indsnævret. Laboratorieassistent Losev når at få et deltidsjob på Leningrad Institute of Physics and Technology (LPTI), hvor han har mulighed for at fortsætte forskningen i nye fysiske effekter i halvledere. I slutningen af ​​1920'erne fik Losev ideen til at skabe en solid-state analog af et tre-elektrode vakuum radiorør.

I 1929-1933, efter forslag fra A.F. Ioffe, udførte Losev forskning i en halvlederenhed, der fuldstændigt gentog designet af en punkt-punkt transistor. Som du ved, er driftsprincippet for denne enhed at styre strømmen, der flyder mellem to elektroder ved hjælp af en ekstra elektrode. Losev observerede faktisk denne effekt, men desværre tillod den samlede koefficient for en sådan kontrol ikke at opnå signalforstærkning. Til dette formål brugte Losev kun en krystal af carborundum (SiC) og ikke en krystal af zincit (ZnO), som havde signifikant bedste egenskaber i en krystalforstærker (Hvad er mærkeligt! Skulle han ikke vide om egenskaberne af denne krystal.) Indtil for nylig blev det troet, at Losev efter hans tvungne afgang fra LPTI ikke vendte tilbage til ideen om halvlederforstærkere. Der er dog et ret interessant dokument skrevet af Losev selv. Det er dateret 12. juli 1939 og opbevares i dag på Polyteknisk Museum. Dette dokument med titlen "Biografi af Oleg Vladimirovich Losev", ud over interessante fakta om hans liv, indeholder også en liste over videnskabelige resultater. Af særlig interesse er følgende linjer: "Det er blevet fastslået, at med halvledere kan et tre-elektrodesystem konstrueres, svarende til en triode, som en triode, hvilket giver karakteristika, der viser negativ modstand. Disse værker er i øjeblikket ved at blive udarbejdet af mig til udgivelse...”

Desværre er skæbnen for disse værker, som fuldstændigt kunne ændre forståelsen af ​​historien om opdagelsen af ​​transistoren - den mest revolutionære opfindelse i det 20. århundrede, endnu ikke blevet fastslået.

taler om fremragende bidrag Oleg Vladimirovich Losev i udviklingen af ​​moderne elektronik, er det simpelthen umuligt ikke at nævne hans opdagelse af den lysemitterende diode.

Vi mangler endnu at forstå omfanget af denne opdagelse. Der vil ikke gå meget tid, og i hvert hus, i stedet for den sædvanlige glødelampe, vil "elektroniske lysgeneratorer", som Losev kaldte LED'er, blive tændt.

Tilbage i 1923, mens han eksperimenterede med krystaller, bemærkede Losev gløden af ​​krystaller, når en elektrisk strøm blev ført gennem dem. Carborundum-detektorerne lyste særligt stærkt. I 1920'erne i Vesten blev fænomenet elektroluminescens på et tidspunkt endda kaldt "Losev light" (Lossew Licht). Losev begyndte at studere og forklare den resulterende elektroluminescens. Han var den første, der satte pris på de enorme muligheder for sådanne lyskilder, idet han især understregede deres høje lysstyrke og hastighed. Losev blev ejer af det første patent på opfindelsen af ​​en lysrelæenhed med en elektroluminescerende lyskilde.

I 70'erne af det tyvende århundrede, da lysdioder begyndte at blive meget brugt, blev der opdaget en artikel af englænderen Henry Round i magasinet Electronic World for 1907, hvor forfatteren, som var ansat i Marconi-laboratoriet, rapporterede, at han så en glød i kontakten af ​​en carborundumdetektor, når den påføres eksternt elektrisk felt. Der blev ikke taget nogen overvejelser til at forklare fysikken bag dette fænomen. Denne note havde ikke nogen indflydelse på efterfølgende forskning inden for elektroluminescens, men forfatteren af ​​artiklen betragtes i dag officielt som opdageren af ​​LED'en.

Losev opdagede uafhængigt fænomenet elektroluminescens og udførte en række undersøgelser ved at bruge eksemplet med en carborundum krystal. Han udpegede to fysisk forskellige fænomener, som observeres ved forskellige spændingspolariteter på kontakterne. Hans utvivlsomme fordel er opdagelsen af ​​effekten af ​​elektroluminescens før sammenbrud, som han kaldte "glød nummer et" og injektionselektroluminescens, "glød nummer to." I dag er effekten af ​​prebreakdown-luminescens meget brugt til at skabe elektroluminescerende skærme, og injektionselektroluminescens er grundlaget for LED'er og halvlederlasere. Losev formåede at gøre betydelige fremskridt med at forstå disse fænomeners fysik længe før oprettelsen af ​​båndteorien om halvledere. Efterfølgende, i 1936, blev glød nummer et genopdaget af den franske fysiker Georges Destriot. I videnskabelig litteratur det er kendt som "Destrio-effekten", selvom Destrio selv gav Oleg Losev prioritet i opdagelsen af ​​dette fænomen. Det ville sandsynligvis være uretfærdigt at bestride Rounds prioritet i opdagelsen af ​​LED'en. Og alligevel må vi ikke glemme, at Marconi og Popov med rette betragtes som radioens opfindere, selvom alle ved, at Hertz var den første til at observere radiobølger. Og der er mange sådanne eksempler i videnskabshistorien.

I sin artikel Subhistory of Light Emitting Diode skriver den berømte amerikanske videnskabsmand inden for elektroluminescens, Egon Lobner, om Losev: "Med sin banebrydende forskning inden for LED'er og fotodetektorer bidrog han til den fremtidige fremgang for optisk kommunikation. Hans forskning var så præcis og hans publikationer så klare, at man nemt kan forestille sig nu, hvad der skete i hans laboratorium på det tidspunkt. Hans intuitive valg og eksperimentelle færdigheder er simpelthen fantastiske."

I dag forstår vi, at uden kvanteteorien om strukturen af ​​halvledere er det umuligt at forestille sig udviklingen af ​​solid-state elektronik. Derfor er Losevs talent fantastisk. Helt fra begyndelsen så han en single fysisk natur cristadin og fænomenet injektionsluminescens, og her var han markant forud for sin tid.

Efter ham blev undersøgelser af detektorer og elektroluminescens udført separat fra hinanden som uafhængige retninger. Analyse af resultaterne viser, at der i næsten tyve år efter udseendet af Losevs arbejde blev der ikke gjort noget nyt med hensyn til at forstå fysikken i dette fænomen. Først i 1951 fastslog den amerikanske fysiker Kurt Lehovec (fig. 18), at detektion og elektroluminescens har en fælles karakter, der er forbundet med opførsel af strømbærere i p-n-kryds.

Ris. 18. Kurt Lechovec

Det skal bemærkes, at Lekhovets i sit arbejde primært giver referencer til Losevs arbejde med elektroluminescens.

I 1930-31 Losev udførte en række eksperimenter på et højt eksperimentelt niveau med skrå snit, der strækker det undersøgte område, og et system af elektroder inkluderet i et kompensationsmålekredsløb for at måle potentialer på forskellige punkter i tværsnittet af den lagdelte struktur. Ved at flytte et metal "kattehår" hen over et tyndt snit, viste han med mikron nøjagtighed, at den overfladenære del af krystallen har kompleks struktur. Han afslørede et aktivt lag omkring ti mikrometer tykt, hvor fænomenet injektionsluminescens blev observeret. Baseret på resultaterne af eksperimenterne antog Losev, at årsagen til unipolær ledningsevne er forskellen i betingelserne for elektronbevægelse på begge sider af det aktive lag (eller, som vi ville sige i dag, forskellige typer ledningsevne). Efterfølgende, ved at eksperimentere med tre eller flere elektrodeprober placeret i disse områder, bekræftede han faktisk sin antagelse. Disse undersøgelser er en anden betydelig præstation af Losev som fysiker.

I 1935, som et resultat af endnu en omorganisering af Broadcasting Institute og vanskelige forhold til ledelsen, stod Losev uden job. Laboratorieassistent Losev fik lov til at gøre opdagelser, men ikke sole sig i herligheden. Og det på trods af, at hans navn var velkendt af magterne. I et brev af 16. maj 1930 skriver akademiker A.F. Ioffe til sin kollega Paul Ehrenfest: ”Videnskabeligt har jeg en række succeser. Således opnåede Losev en glød i carborundum og andre krystaller under påvirkning af elektroner ved 2-6 volt. Luminescensgrænsen i spektret er begrænset...”

Losev havde sin egen arbejdsplads på LFTI i lang tid, men de ville ikke tage ham med til instituttet, han er en for selvstændig person. Alt arbejde blev udført selvstændigt - der er ingen medforfattere i nogen af ​​dem.

Med hjælp fra venner får Losev et job som assistent på fysikafdelingen på First Medical Institute. Det er meget sværere for ham at studere et nyt sted videnskabeligt arbejde, fordi nej nødvendigt udstyr. Ikke desto mindre, efter at have sat sig som mål at vælge et materiale til fremstilling af fotoceller og fotomodstande, fortsætter Losev med at studere de fotoelektriske egenskaber af krystaller. Han studerer mere end 90 stoffer og fremhæver især silicium med dets mærkbare lysfølsomhed.

Der var ikke nok på det tidspunkt rene materialer, for at opnå en nøjagtig gengivelse af de opnåede resultater, men Losev (igen!) forstår rent intuitivt, at dette materiale tilhører fremtiden. I begyndelsen af ​​1941 begyndte han arbejdet på nyt emne- "Elektrolytisk fotomodstandsmetode, lysfølsomhed af nogle siliciumlegeringer." Da den store patriotiske krig begyndte, rejste Losev ikke til evakuering, da han ønskede at færdiggøre artiklen, hvori han præsenterede resultaterne af sin forskning på silicium. Tilsyneladende lykkedes det ham at afslutte arbejdet, da artiklen blev sendt til redaktørerne af ZhETF. På det tidspunkt var redaktionen allerede blevet evakueret fra Leningrad. Desværre var det efter krigen ikke muligt at finde spor af denne artikel, og nu kan man kun gætte på indholdet.

Den 22. januar 1942 døde Oleg Vladimirovich Losev af sult i det belejrede Leningrad. Han var 38 år gammel.

Også i 1942, i USA, begyndte Sylvania og Western Electric industriel produktion af silicium (og lidt senere germanium) punktdioder, som blev brugt som mixer-detektorer i radarer. Losevs død faldt sammen med fødslen af ​​siliciumteknologier.

Militært springbræt

I 1925 åbnede American Telephone and Telegraph Corporation (AT&T) Bell Telephone Laboratories forsknings- og udviklingscenter. I 1936 besluttede Bell Telephone Laboratories direktør Mervyn Kelly at danne en gruppe videnskabsmænd, som ville udføre en række undersøgelser med det formål at erstatte rørforstærkere med halvledere. Gruppen blev ledet af Joseph Becker, som rekrutterede den teoretiske fysiker William Shockley og den geniale eksperimentalist Walter Brattain.

Efter at have afsluttet sine ph.d.-studier ved Massachusetts Institute of Technology, det berømte MIT, og gået på arbejde på Bell Telephone Laboratories, går Shockley, som en ekstremt ambitiøs og ambitiøs person, energisk i gang. I 1938, i arbejdsbog 26-årige Shockley dukker op med den første skitse af en halvledertriode. Ideen er enkel og ikke særlig original: at lave en enhed, der ligner et vakuumrør så meget som muligt, med den eneste forskel, at elektronerne i det vil strømme gennem en tynd trådformet halvleder i stedet for at flyve i et vakuum mellem katoden og anoden. For at styre halvlederstrømmen skulle det introduceres en ekstra elektrode (en analog af et gitter) ved at påføre en spænding med forskellig polaritet til den. Således vil det være muligt enten at reducere eller øge antallet af elektroner i glødetråden og dermed ændre dens modstand og den strømmende strøm. Alt er som i et radiorør, kun uden vakuum, uden en omfangsrig glasbeholder og uden opvarmning af katoden. Forskydningen af ​​elektroner fra tråden eller deres indstrømning burde være sket under påvirkning af det elektriske felt, der dannes mellem styreelektroden og tråden, det vil sige på grund af felteffekten. For at gøre dette skal tråden være en halvleder. Der er for mange elektroner i et metal, og ingen felter kan fortrænge dem, men i et dielektrikum er der praktisk talt ingen frie elektroner. Shockley begynder teoretiske beregninger, men alle forsøg på at bygge en solid-state forstærker leder ingen steder.

Samtidig skabte de tyske fysikere Robert Pohl og Rudolf Hilsch i Europa en fungerende kontakt tre-elektrode krystalforstærker baseret på kaliumbromid. Det tyske apparat var dog uden praktisk værdi. Den havde en meget lav driftsfrekvens. Der er oplysninger om, at i første halvdel af 1930'erne blev tre-elektrode halvlederforstærkere "samlet" af to radioamatører, canadiske Larry Kaiser og newzealandske skoledreng Robert Adams. Adams, som senere blev radioingeniør, bemærkede, at det aldrig faldt ham ind at indgive patent på opfindelsen, da han fik al information om sin forstærker fra amatørradiomagasiner og andre åbne kilder.

I 1926-1930 omfatte arbejdet af Julius Lilienfeld (fig. 19), en professor ved universitetet i Leipzig, som patenterede designet af en halvlederforstærker, nu kendt som en felteffekttransistor (fig. 20).

Ris. 19. Julius Lilienfeld

Ris. 20. Yu Lilienfelds patent på en felteffekttransistor

Lilienfeld antog, at når spænding påføres et svagt ledende materiale, vil dets ledningsevne ændre sig, og i forbindelse hermed vil der opstå en stigning i elektriske svingninger. På trods af at have modtaget et patent, lykkedes det ikke Lilienfeld at skabe en fungerende enhed. Årsagen var den mest prosaiske - i 30'erne af det tyvende århundrede var der endnu ikke fundet påkrævet materiale, på grundlag af hvilken en arbejdstransistor kunne fremstilles. Derfor var indsatsen fra de fleste videnskabsmænd på den tid rettet mod at opfinde en mere kompleks bipolær transistor. Således forsøgte de at omgå de vanskeligheder, der opstod under implementeringen af ​​felteffekttransistoren.

Arbejdet med en solid state-forstærker på Bell Telephone Laboratories blev afbrudt af udbruddet af Anden Verdenskrig. William Shockley og mange af hans kolleger blev udstationeret til forsvarsministeriet, hvor de arbejdede indtil slutningen af ​​1945.

Solid-state elektronik var ikke af interesse for militæret, deres præstationer virkede tvivlsomme. Med en enkelt undtagelse. Detektorer. De var netop i centrum for historiske begivenheder.

Det store slag om Storbritannien udspillede sig i himlen over Den Engelske Kanal og nåede sit klimaks i september 1940. Efter besættelsen Vesteuropa England stod alene tilbage med en armada af tyske bombefly, der ødelagde kystforsvaret og forberedte en amfibielanding for at erobre landet - Operation " Søløve" Det er svært at sige, hvad der reddede England - et mirakel, premierminister Winston Churchills beslutsomhed eller radarstationer. Radarer, der dukkede op i slutningen af ​​30'erne, gjorde det muligt hurtigt og præcist at opdage fjendtlige fly og organisere modforanstaltninger rettidigt. Efter at have mistet mere end tusinde fly på himlen over Storbritannien, kølede Nazi-Tyskland stærkt ned til ideen om at erobre England i 1940 og begyndte at forberede en blitzkrig i øst.

England havde brug for radarer, radarer havde brug for krystaldetektorer, detektorer havde brug for rent germanium og silicium. Germanium var det første, der dukkede op i betydelige mængder på fabrikker og laboratorier. Med silicium, pga høj temperatur ved at behandle det, opstod der først nogle vanskeligheder, men problemet blev hurtigt løst. Herefter blev silicium foretrukket. Silicium var billigt sammenlignet med germanium. Så springbrættet til at hoppe til transistoren var næsten klar.

Anden Verdenskrig var den første krig, hvor videnskaben i forhold til sin betydning for at besejre fjenden kom ud på lige fod med specifikke våbenteknologier og på nogle måder var foran dem. Lad os huske atom- og missilprojekterne. Denne liste kan også omfatte transistorprojektet, hvis forudsætninger i vid udstrækning blev lagt af udviklingen af ​​militær radar.

Åbning

I efterkrigsårene begyndte Bell Telephone Laboratories at fremskynde arbejdet inden for global kommunikation. Udstyret fra 1940'erne brugte to hovedelementer til at forstærke, konvertere og skifte signaler i abonnentkredsløb: et vakuumrør og et elektromekanisk relæ. Disse elementer var omfangsrige, arbejdede langsomt, forbrugte meget energi og var ikke særlig pålidelige. At forbedre dem betød at vende tilbage til ideen om at bruge halvledere. Bell Telephone Laboratories er ved at genskabe forskningsgruppe(Fig. 21), hvis videnskabelige leder er William Shockley, som vendte tilbage "fra krigen." Holdet omfatter Walter Brattain, John Bardeen, John Pearson, Bert Moore og Robert Gibney.

Ris. 21. Murray Hill, New Jersey, USA, Bell Laboratories. Transistorens fødested.

I begyndelsen accepterer holdet større beslutning: direkte bestræbelser på at studere egenskaberne af kun to materialer - silicium og germanium, som det mest lovende for gennemførelsen af ​​opgaven. Naturligvis begyndte gruppen at udvikle Shockleys idé fra før krigen om en felteffektforstærker. Men elektronerne inde i halvlederen ignorerede stædigt eventuelle ændringer i potentialet ved kontrolelektroden. Krystallerne eksploderede af høje spændinger og strømme, men ønskede ikke at ændre deres modstand.

Teoretiker John Bardeen overvejede dette. Shockley, der ikke havde modtaget et hurtigt resultat, mistede interessen for emnet og deltog ikke aktivt i arbejdet. Bardeen foreslog, at en betydelig del af elektronerne faktisk ikke "går" frit rundt om krystallen, men sidder fast i en slags fælder nær selve overfladen af ​​halvlederen. Ladningen af ​​disse "fastsiddende" elektroner skærmer det eksternt påførte felt, som ikke trænger ind i hovedparten af ​​krystallen. Sådan gik jeg til fysik i 1947 solid Teorien om overfladetilstande trådte ind. Nu hvor det så ud til, at årsagen til fejlene var blevet fundet, begyndte gruppen at implementere ideen om felteffekten mere meningsfuldt. Der var simpelthen ikke andre ideer. Stål på forskellige måder behandle overfladen af ​​germanium i håb om at eliminere elektronfælder. Vi prøvede alt - kemisk ætsning, mekanisk polering, påføring af forskellige passivatorer på overfladen. Krystallerne blev nedsænket i forskellige væsker, men der var intet resultat. Derefter besluttede de at lokalisere kontrolzonen så meget som muligt, for hvilken en af ​​lederne og kontrolelektroden var lavet i form af tætsiddende fjederbelastede nåle. Eksperimenter Brattain, som havde 15 års erfaring med at arbejde med forskellige halvledere, kunne dreje på knapperne på et oscilloskop i 25 timer i døgnet.

Teoretikeren Bardeen var altid i nærheden, klar til at teste sine teoretiske beregninger 24 timer i døgnet. Begge forskere fandt, som de siger, hinanden. De forlod praktisk talt ikke laboratoriet, men tiden gik, og der var stadig ingen signifikante resultater.

En dag flyttede Brattain, plaget af fiaskoer, nålene næsten tæt, og desuden blandede han ved et uheld polariteterne i de potentialer, der blev anvendt på dem. Videnskabsmanden troede ikke sine egne øjne. Han var forbløffet, men signalstigningen var tydeligt synlig på oscilloskopskærmen. Teoretikeren Bardeen reagerede lynhurtigt og umiskendeligt: ​​Der er ingen felteffekt, og det handler ikke om det. Signalforstærkning opstår af en anden årsag. I alle tidligere skøn blev kun elektroner betragtet som de vigtigste strømbærere i en germaniumkrystal, og "huller", som var millioner af gange mindre, blev naturligvis ignoreret. Bardin indså, at det var "hullerne", der var problemet. Indføringen af ​​"huller" gennem den ene elektrode (denne proces kaldes injektion) forårsager en umådelig større strøm i den anden elektrode. Og alt dette på baggrund af den uændrede tilstand af et stort antal elektroner.

Og således, på en uforudsigelig måde, den 19. december 1947, blev en punkt-punkt transistor født (fig. 22).

Først blev den nye enhed kaldt en germanium triode. Bardeen og Brattain kunne ikke lide navnet. Det lød ikke. De ønskede, at navnet skulle slutte med "tor", svarende til en modstand eller termistor. Her kommer elektronikingeniøren John Pierce, som havde en fremragende beherskelse af ord, dem til hjælp (senere bliver han en berømt popularisator af videnskab og en science fiction-forfatter under pseudonymet J. J. Coupling). Pierce huskede, at en af ​​parametrene for en vakuumtriode er hældningen af ​​den karakteristiske, på engelsk - transkonduktans. Han foreslog at kalde en lignende parameter for en solid-state forstærker transresistance, og selve forstærkeren, og dette ord var lige på spidsen af ​​tungen, en transistor. Alle kunne lide navnet.

Få dage efter den bemærkelsesværdige opdagelse, juleaftensdag den 23. december 1947, blev transistoren præsenteret for ledelsen af ​​Bell Telephone Laboratories (fig. 23).

Ris. 23. Bardeen-Brattain punkttransistor

William Shockley, der var på ferie i Europa, vendte hurtigt tilbage til Amerika. Bardins og Brattains uventede succes sårer hans stolthed dybt. Han tænkte på en halvlederforstærker før andre, ledede gruppen, valgte forskningsretningen, men kunne ikke kræve medforfatterskab til "stjerne"-patentet. Midt i den generelle jubel, glitter og klirren fra champagneglas så Shockley skuffet og dyster ud. Og så sker der noget, som altid vil være skjult for os af tidens slør. På en uge, som Shockley senere ville kalde sin "hellige uge", skabte han teorien om en transistor med p-n-forbindelser, der erstattede eksotiske nåle, og nytårsaften opfandt han en plan bipolær transistor. (Bemærk, at en faktisk fungerende bipolær transistor ikke blev fremstillet før 1950.)

Ved at foreslå et kredsløbsdiagram for en mere effektiv solid-state forstærker med en lagdelt struktur satte Shockley lige fod med Bardeen og Brattain i opdagelsen af ​​transistoreffekten.

Seks måneder senere, den 30. juni 1948, i New York, i hovedkvarteret for Bell Telephone Laboratories, efter at alle de nødvendige patentformaliteter var afviklet, fandt en åben præsentation af transistoren sted. På det tidspunkt var den kolde krig allerede begyndt mellem USA og Sovjetunionen, så tekniske innovationer blev primært vurderet af militæret. Til overraskelse for alle tilstedeværende var eksperter fra Pentagon ikke interesserede i transistoren og anbefalede at bruge den i høreapparater.

Et par år senere blev den nye enhed en uundværlig komponent i kontrolsystemet for kampmissiler, men det var på den dag, at militærets nærsynethed reddede transistoren fra at blive klassificeret som "tophemmelig".

Journalister reagerede også på opfindelsen uden de store følelser. På side seksogfyrre i afsnittet "Radio News" i New York Times blev der trykt en kort meddelelse om opfindelsen af ​​en ny radioenhed. Og det er alt.

Bell Telephone Laboratories forventede ikke en sådan udvikling af begivenheder. Militære ordrer med deres generøse finansiering forventedes ikke selv i en fjern fremtid. Der træffes en hastebeslutning om at sælge licenser til transistoren til alle. Transaktionsbeløb - $25 tusinde Skal organiseres træningscenter, afholdes seminarer for specialister. Resultaterne lader ikke vente på sig (fig. 24).

Transistoren finder hurtigt brug i en række forskellige enheder - fra militær- og computerudstyr til forbrugerelektronik. Det er interessant, at den første bærbare radiomodtager blev kaldt det i lang tid - en transistor.

europæisk tilsvarende

Arbejdet med at skabe en tre-elektrode halvlederforstærker blev også udført på den anden side af havet, men meget mindre er kendt om dem.

For nylig opdagede den belgiske historiker Armand Van Dormel og professor ved Stanford University Michael Riordan, at i slutningen af ​​1940'erne i Europa, " bror transistor" af Bardeen-Brattain.

De europæiske opfindere af punkt-punkt-transistoren var Herbert Franz Mathare og Heinrich Johann Welker (fig. 25). Mathare var en eksperimentel fysiker, der arbejdede for det tyske firma Telefunken og arbejdede med mikrobølgeelektronik og radar. Welker var mere en teoretiker han underviste ved universitetet i München i lang tid, og i krigsårene arbejdede han for Luftwaffe.

Ris. 25. Opfinderne af transitronen Herbert Mathare og Heinrich Welker

De mødtes i Paris. Efter Nazitysklands nederlag blev begge fysikere inviteret til den europæiske afdeling af det amerikanske selskab Westinghouse.

Tilbage i 1944 designede Mathare, mens han arbejdede på halvlederensrettere til radarer, en enhed, han kaldte en duodiode. Det var et par punktensrettere, der arbejdede parallelt med den samme germaniumplade. Med det korrekte valg af parametre undertrykte enheden støj i den radarmodtagende enhed. Så opdagede Mathare, at spændingsudsving på en elektrode kan resultere i en ændring i strømmen, der passerer gennem den anden elektrode. Bemærk, at en beskrivelse af en lignende effekt var indeholdt i Lilienfelds patent, og det er muligt, at Mathare vidste om dette. Men uanset hvad, så blev han interesseret i det observerede fænomen og fortsatte sin forskning.

Welker kom til ideen om transistoren fra en anden retning, idet han arbejdede i kvantefysik og båndteori om faste stoffer. Allerede i begyndelsen af ​​1945 skabte han et solid-state forstærkerkredsløb meget lig Shockleys enhed. I marts lykkedes det Welker at samle og teste den, men han var ikke mere heldig end amerikanerne. Enheden virker ikke.

I Paris har Mathare og Welker til opgave at organisere den industrielle produktion af halvlederensrettere til det franske telefonnet. I slutningen af ​​1947 blev ensrettere sat i produktion, og Mathare og Welker havde tid til at genoptage forskningen. De begynder yderligere eksperimenter med duodioden. Sammen laver de plader af meget renere germanium og opnår en stabil forstærkningseffekt. Allerede i begyndelsen af ​​juni 1948 skabte Mathare og Welker en stabilt fungerende punkt-punkt transistor. Den europæiske transistor dukker op seks måneder senere end Bardeen og Brattain-enheden, men er fuldstændig uafhængig af den. Mathare og Welker kunne ikke vide noget om amerikanernes arbejde. Den første omtale i pressen af ​​en "ny radioenhed", der kommer ud af Bell Laboratories, dukkede først op den 1. juli.

Den europæiske opfindelses videre skæbne var trist. Mathare og Welker udarbejdede en patentansøgning for opfindelsen i august, men det franske patentkontor tog meget lang tid at studere dokumenterne. Først i marts 1952 modtog de patent på opfindelsen af ​​transitronen - det er det navn, tyske fysikere valgte til deres halvlederforstærker. På det tidspunkt var Paris-afdelingen af ​​Westinghouse allerede begyndt masseproduktion af transitroner. Hovedkunden var Postministeriet. Mange nye telefonlinjer blev bygget i Frankrig. Imidlertid var transitronernes tidsalder kortvarig. På trods af det faktum, at de arbejdede bedre og længere end deres amerikanske "bror" (på grund af mere omhyggelig samling), var transitroner ude af stand til at erobre verdensmarkedet. Efterfølgende nægtede de franske myndigheder generelt at støtte forskning inden for halvlederelektronik og gik over til større nukleare projekter. Mathare og Welkers laboratorium er ved at forfalde. Forskere beslutter at vende tilbage til deres hjemland. På det tidspunkt begyndte en genoplivning af videnskab og højteknologisk industri i Tyskland. Welker får et job i et Siemens-laboratorium, som han senere skal lede, og Mathare flytter til Düsseldorf og bliver præsident for et lille firma, Intermetall, der producerer halvlederenheder.

Efterord

Hvis vi sporer amerikanernes skæbne, så forlod John Bardeen Bell Telephone Laboratories i 1951, tog teorien om superledning op og blev i 1972 sammen med to af sine elever tildelt Nobelprisen for at udvikle teorien om superledning, dvs. at blive den eneste i historieforsker, to gange nobelpristager.

Walter Brattain arbejdede på Bell Telephone Laboratories indtil sin pensionering i 1967, hvor han vendte tilbage til sin hjemby og begyndte at undervise i fysik på et lokalt universitet.

William Shockleys skæbne var som følger. Han forlod Bell Telephone Laboratories i 1955 og under økonomisk bistand Arnold Beckman, grundlagde traShockly Transistor Corporation. At arbejde i nyt selskab Mange talentfulde videnskabsmænd og ingeniører flytter, men efter to år forlader de fleste af dem Shockley. Arrogance, arrogance, manglende vilje til at lytte til sine kollegers meninger og en besættelse af ikke at gentage den fejl, han begik i samarbejdet med Bardeen og Brattain, tager deres vejafgift. Virksomheden er ved at falde fra hinanden.

Hans tidligere ansatte Gordon Moore og Robert Noyce, med støtte fra den samme Beckman, grundlagde Fairchild Semiconductor, og derefter, i 1968, oprettede deres eget firma - Intel.

Shockleys drøm om at bygge et halvleder-forretningsimperium blev realiseret af andre (Figur 26), og han faldt igen ind i rollen som en ekstern iagttager. Det ironiske er, at tilbage i 1952 var det Shockley, der foreslog det siliciumbaserede felteffekttransistordesign. Shockly Transistor Corporation frigav dog ikke en enkelt felteffekttransistor. I dag er denne enhed grundlaget for hele computerindustrien.

Ris. 26. Transistorens udvikling

Efter forretningsfejl bliver Shockley professor ved Stanford University. Han holder strålende foredrag om fysik, underviser personligt kandidatstuderende, men han mangler tidligere herlighed- alt det, amerikanerne kalder med det rummelige ord omtale. Shockley blev involveret i det offentlige liv og begyndte at lave præsentationer om mange sociale og demografiske spørgsmål. Han foreslår løsninger på de presserende problemer forbundet med asiatisk overbefolkning og nationale forskelle og glider ind i eugenik og raceintolerance. Pressen, tv, videnskabelige tidsskrifter anklager ham for ekstremisme og racisme. Shockley er "berømt" igen og ser ud til at nyde det hele. Hans ry og karriere som videnskabsmand er ved at være slut. Han går på pension, holder op med at kommunikere med alle, selv sine egne børn, og lever sit liv som eneboer.

Forskellige mennesker, forskellige skæbner, men de er alle forenet af deres involvering i en opdagelse, der radikalt ændrede vores verden.

Datoen 19. december 1947 kan med rette betragtes som fødselsdagen for en ny æra. Nedtællingen til en ny tid er begyndt. Verden er trådt ind i den digitale teknologis æra.

Litteratur

1. William F. Brinkman, Douglas E. Haggan, William W. Troutman. En historie om opfindelsen af ​​transistoren og hvor den vil føre os // IEEE Journal of Solid-State Circuits. bind 32, nr. 12. december 1997.
2. Hugo Gernsback. En sensationel radioopfindelse // Radionyheder. september 1924.
3. Novikov M.A. Oleg Vladimirovich Losev - pioner inden for halvlederelektronik // Solid State Physics. 2004. Bind 46, hæfte. 1.
4. Ostroumov B., Shlyakhter I. Opfinder af cristadin O. V. Losev. // Radio. 1952. Nr. 5.
5. Zhirnov V., Suetin N. Opfindelse af ingeniør Losev // Ekspert. 2004. Nr. 15.
6. Lee T. H., En ikke-lineær radiohistorie. Cambridge University Press. 1998.
7. Nosov Yu. Transistorens paradokser // Quantum. 2006. Nr. 1.
8. Andrew Emmerson. Hvem opfandt egentlig transistor? radiobygones.com
9. Michael Riordan. Hvordan Europa gik glip af transistoren // IEEE Spectrum, nov. 2005. www.spectrum.ieee.org

Transistoren er forudsætningen for al moderne mikroelektronik. Hvis det er normalt mobiltelefon i stedet for transistorer blev der brugt katodestrålerør, enheden ville tage på størrelse med Kölnerdomen.

Overførselsmodstand

På tærsklen til juleaften 1947 demonstrerede Bell Telephone Laboratories medarbejdere William Shockley, Walter Brattain og John Bardeen for deres firma den første transistor baseret på halvledermaterialet germanium. Omkring samme tid udviklede de tyske videnskabsmænd Herbert Franz Mathare og Heinrich Welker den såkaldte "franske transistor" og modtog patent på den i 1848. Samme år designede Robert Denk den første transistorradio ved hjælp af en oxidbelagt elektrode. Denk patenterede ikke sin opfindelse og ødelagde endda den eneste kopi af modtageren for at undgå misbrug.

Silicium sikrede sejren

Forskerne skulle dog stadig arbejde hårdt for at udvælge materialet, indtil halvlederdelene kunne opfylde de tekniske krav. Siden 1955 begyndte masseproduktion af siliciumtransistorer, der hurtigt erstattede vakuumrør fra en bred vifte af enheder. Fordelen ved transistorer er, at de er meget mindre og ikke bliver så varme. Nu er det blevet muligt byggeri computere, der ikke fylder et helt rum. Dukkede op i 1960'erne. integrerede kredsløb krævede udvikling af stadig mere miniaturetransistorer, så de med tiden krympede tusind gange og blev tyndere end et hår.

• 1925: Julius Edgar Lilienfeld skabte det teoretiske grundlag for transistorer, men formåede ikke at gøre dem til virkelighed.
• 1934: Oscar Hale opfandt felteffekttransistoren.
• 1953: Første transistorer i høreapparater.
• 1971: Første mikroprocessor - Intel 4004.

Transistoren er lavet på basis af halvledere. I lang tid blev de ikke genkendt, idet de kun brugte ledere og dielektrika til at skabe forskellige enheder. Sådanne enheder havde mange ulemper: lav effektivitet, højt strømforbrug og skrøbelighed. Studiet af halvlederes egenskaber er blevet vendepunkt i elektronikkens historie.

Elektronisk ledningsevne af forskellige stoffer

Alle stoffer, i henhold til deres evne til at lede elektrisk strøm, er opdelt i tre store grupper: metaller, dielektriske stoffer og halvledere. Dielektriske stoffer hedder sådan, fordi de praktisk talt ikke er i stand til at lede strøm. Metaller har bedre ledningsevne på grund af tilstedeværelsen af ​​frie elektroner i dem, som bevæger sig kaotisk mellem atomerne. Når et eksternt elektrisk felt påføres, vil disse elektroner begynde at bevæge sig mod et positivt potentiale. En strøm vil passere gennem metallet.

Halvledere er i stand til at lede strøm dårligere end metaller, men bedre end dielektriske stoffer. I sådanne stoffer er der hoved- (elektroner) og minoritets- (huller) bærere. elektrisk ladning. Hvad ? Dette er fraværet af en elektron i den ydre atomare orbital. Hullet er i stand til at bevæge sig gennem materialet. Ved hjælp af specielle urenheder, donor eller acceptor, er det muligt at øge antallet af elektroner og huller i udgangsmaterialet markant. En N-halvleder kan skabes ved at skabe et overskud af elektroner, og en p-leder kan skabes ved at bruge et overskud af huller.

Diode og transistor

En diode er en enhed opnået ved at kombinere n- og p-halvledere. Han spillede en stor rolle i udviklingen af ​​radar i 40'erne af det sidste århundrede. Et team af medarbejdere fra det amerikanske firma Bell, ledet af W.B., studerede aktivt dets evner. Shockley. Disse mennesker i 1948, der forbinder to kontakter til krystallen. I enderne af krystallen var der små kobberspidser. En sådan enheds muligheder har gjort en reel revolution inden for elektronik. Det blev fundet, at strømmen, der passerer gennem den anden kontakt, kan styres (øges eller svækkes) ved hjælp af indgangsstrømmen fra den første kontakt. Dette var muligt, forudsat at germaniumkrystallen var meget tyndere end kobberspidserne.

De første transistorer havde et ufuldkomment design og ret svage egenskaber. På trods af dette var de meget bedre end vakuumrør. For denne opfindelse blev Shockley og hans team tildelt Nobelprisen. Allerede i 1955 dukkede diffusionstransistorer op, hvis egenskaber var flere gange bedre end germaniumtransistorer.

1941 forskerne William Shockley, Walter Brattain og John Bardeen annoncerede skabelsen transistor, og i 1947 blev opfindelsen officielt præsenteret for offentligheden. Denne dato anses for at være opfindelsens dag transistor. Men den store rejse ind i "halvledernes land" begyndte tilbage i 1833, da Michael Faraday opdagede, at den elektriske ledningsevne af sølvsulfid stiger ved opvarmning. Og kun 125 år senere i Amerika blev der skabt et mikrokredsløb baseret på en anden halvleder, germanium.

Ny opfindelse

Om den første demonstration transistor The New York Times rapporterede på næstsidste side i 1948: "I går demonstrerede Bell Telephone Laboratories for første gang et instrument, det har opfundet kaldet "transistor", i nogle tilfælde kan den bruges inden for radioteknik i stedet for vakuumrør. Det har også vist sig at blive brugt i et telefonsystem og en tv-enhed. I hvert af disse tilfælde transistor fungerede som en forstærker, selvom virksomheden hævder, at den også kan bruges som en generator, der er i stand til at skabe og transmittere radiobølger."

Nyheden lignede ifølge redaktøren ikke en sensation. Offentligheden viste i første omgang ikke interesse for den nye enhed, og Bell forsøgte at promovere det nye produkt ved at distribuere licenser til brug transistor til alle, der ønsker det. I mellemtiden tjente investorer millioner af dollars i investeringer i radiorør, som efter tredive års udvikling oplevede et boom – en ny opfindelse ville sætte en stopper for det.

Presset lampe

Indtil midten af ​​det tyvende århundrede så det ud til, at vakuumrøret havde indtaget sin plads i radioelektronik for evigt. Hun arbejdede overalt: i radioer og fjernsyn, båndoptagere og radarer. Det elektroniske rør forskudte i høj grad Browns krystaldetektor og efterlod den kun et sted i detektormodtagere. Hun formåede også at konkurrere med Christadin Losev - det var en prototype på fremtidens halvleder transistorer.

Men lampen havde en stor ulempe - en begrænset levetid. Behovet for at skabe et nyt element med en ubegrænset driftstid blev mere og mere akut i radioelektronik. Men paradoksalt nok blev udviklingen af ​​halvlederenheder hæmmet, ud over objektive årsager, af subjektive - inertien i videnskabsmændenes tænkning. Det er tilstrækkeligt at sige, at laboratoriet i den amerikanske virksomhed Bell Telefon, hvor forskning blev udført med ultrarent germanium, blev nedsættende kaldt af kollegerne "en hytte af unødvendige materialer."

Mangeårige konkurrenter

Eksperter sagde, da de første gang så en germaniumplade med ledere fastgjort til den: "Sådan en primitiv vil aldrig kunne erstatte en lampe." Og alligevel, på trods af alle forhindringerne, demonstrerede Bell Telefon-virksomheden i 1948 for første gang offentligt en solid state-forstærker - et punkt transistor. Det blev udviklet et år tidligere af medarbejderne John Bardeen og Walter Brattain under ledelse af William Shockley.

Da en journalist spurgte: "Hvordan opnåede du dette?", svarede William Shockley: " Transistor skabt som et resultat af kombinationen af ​​menneskelig indsats, behov og omstændigheder.”

Navn "transistor" kommer fra det engelske ord TRANsferreSISTance, og slutningen af ​​ordet - "ELLER" svarer til de tidlige radioelementer, der dukkede op - "termistor og varistor" og blev givet af John Pierce. Navnet er baseret på, at enheden kan styres ved at ændre dens modstand.

Bardin Shockley og Brattain på Bell Labs, 1948

I 1956 blev tre amerikanske videnskabsmænd tildelt Nobelprisen i fysik for denne opdagelse. Det er interessant, at da John Bardeen kom for sent til pressemødet om at blive tildelt denne pris, gik han ind i salen og sagde til sit forsvar: "Jeg beder om undskyldning, men det er ikke min skyld, for jeg kunne ikke komme ind i garagen: Jeg nægtede transistor i en elektronisk lås."

Transistorer i musik

William Shockley stoppede ikke der og udviklede flere nye typer transistorer. Virksomhedens eksperter udviste skepsis over for disse værker af deres medarbejder. Specialisterne fra det japanske firma SONY viste sig at være mere fremsynede, det erhvervede en licens til disse transistorer.

Forskyd radiorøret fuldstændigt transistor er endnu ikke lykkedes. Man kan nok argumentere for, at halvlederenheder og vakuumrør vil eksistere side om side i lang tid, ikke erstatte hinanden, men komplementere hinanden og indtage den plads i radioelektronikken, hvor de giver størst effekt.

Musikindustrien er ingen undtagelse, da lyden transistorer og lamper er alvorligt forskellige fra hinanden. Det er indlysende, at mulighederne for at bruge teknologi bygget på sådanne uens komponenter skal være forskellige. Tilsyneladende er en lampe i nogle tilfælde at foretrække, og i andre - transistor.

Med den moderne udvikling af elektronik er det muligt at gøre lyden af ​​en transistorenhed varm og en rørenhed - pålidelig. Sådan teknologi findes, men er meget dyr.

Alligevel er der håb om, at lampen og i fremtiden transistor vil begynde at leve sammen, supplere hinanden og glæde forbrugerne. Anmeldelser om kombineret udstyr i dag er meget opmuntrende.

Transistor opdateret: 20. november 2017 af: Elena

1956 I koncertsalen i Stockholm modtager tre amerikanske videnskabsmænd John Bardeen, William Shockley og Walter Brattain Nobelprisen "for deres forskning i halvledere og opdagelsen af ​​transistoreffekten" - et reelt gennembrud inden for fysik. Fra nu af er deres navne for altid indskrevet verdensvidenskab. Men mere end 15 år før det, i begyndelsen af ​​1941, opdagede og beskrev en ung ukrainsk videnskabsmand Vadim Lashkarev eksperimentelt i sin artikel et fysisk fænomen, som, som det viste sig, efterfølgende fik navn p-n overgang (p-positiv, n-negativ). I sin artikel afslørede han også injektionsmekanismen - det vigtigste fænomen, på grundlag af hvilket halvlederdioder og transistorer fungerer.

Officielt går transistorens historie sådan her: den første presserapport om udseendet af en halvledertransistorforstærker dukkede op i den amerikanske presse i juli 1948. Dens opfindere er de amerikanske videnskabsmænd Bardeen og Brattain. De tog vejen til at skabe en såkaldt punkt-punkt transistor baseret på en n-type germanium krystal. De opnåede deres første opmuntrende resultat i slutningen af ​​1947. Enheden opførte sig imidlertid ustabil, dens egenskaber var uforudsigelige, og derfor praktisk anvendelse

Jeg modtog ikke en punkt-punkt transistor. Gennembruddet kom i 1951, da William Shockley skabte sin mere pålidelige plane transistor n-p-n type

, som bestod af tre lag af n-, p- og n-type germanium, med en samlet tykkelse på 1 cm. Inden for få år blev betydningen af ​​amerikanske videnskabsmænds opfindelse åbenbar, og de blev tildelt Nobelprisen. Længe før dette, selv før starten på den store patriotiske krig i 1941, gennemførte Lashkarev en række vellykkede eksperimenter og opdagede og afslører mekanismen for elektron-hul-diffusion, på grundlag af hvilken, under hans ledelse i begyndelsen af ​​50'erne, blev de første halvledertrioder - transistorer - skabt i Ukraine (dengang en del af USSR).

I videnskabelige termer er et pn-kryds et område af rummet i krydset mellem to p- og n-type halvledere, hvor der sker en overgang fra en type ledningsevne til en anden. Et materiales elektriske ledningsevne afhænger af, hvor tæt kernerne i dets atomer holder elektroner. De fleste metaller er således gode ledere, fordi de har et stort antal elektroner svagt bundet til atomkernen, som let tiltrækkes af positive ladninger og frastødes af negative. Bevægelige elektroner er bærere af elektrisk strøm. På den anden side tillader isolatorer ikke strøm at passere igennem, da elektronerne i dem er tæt bundet til atomerne og ikke reagerer på påvirkningen af ​​et eksternt elektrisk felt.

Halvledere opfører sig anderledes. Atomer i halvlederkrystaller danner et gitter, hvis ydre elektroner er bundet af kemiske kræfter. I ren form Halvledere er som isolatorer: enten leder de strøm dårligt eller slet ikke. Men det er værd at tilføje krystalgitter lille mængde atomer af visse grundstoffer (urenheder), hvordan deres adfærd ændrer sig dramatisk.

I nogle tilfælde binder urenhedsatomer sig til halvlederatomer og danner ekstra elektroner, der giver halvlederen en negativ ladning. I andre tilfælde skaber urenhedsatomer såkaldte "huller", der kan "absorbere" elektroner. Der opstår således en mangel på elektroner, og halvlederen bliver positivt ladet. Under de rette forhold kan halvledere lede elektrisk strøm. Men i modsætning til metaller leder de det på to måder. En negativt ladet halvleder har en tendens til at slippe af med overskydende elektroner dette er n-type ledningsevne (fra negativ). Ladningsbærerne i halvledere af denne type er elektroner. På den anden side tiltrækker positivt ladede halvledere elektroner og fylder "hullerne". Men når et "hul" er fyldt, dukker et andet op i nærheden - forladt af elektronen. Således skaber "hullerne" en strøm af positiv ladning, som er rettet i den modsatte retning af elektronernes bevægelse. Dette er p-type ledningsevne (fra positiv - positiv). I begge typer af halvledere understøtter såkaldte ikke-majoritets ladningsbærere (elektroner i p-type halvledere og "huller" i n-type halvledere) strømmen i retningen omvendt bevægelse vigtigste ladebærere.

Ved at indføre urenheder i germanium- eller siliciumkrystaller kan der skabes halvledermaterialer med ønskede elektriske egenskaber. For eksempel genererer indførelsen af ​​en lille mængde fosfor frie elektroner, og halvlederen opnår n-type ledningsevne. Tilføjelse af boratomer skaber på den anden side huller, og materialet bliver en p-type halvleder.

Senere viste det sig, at en halvleder, hvori der indføres urenheder, får den egenskab, at den passerer elektrisk strøm, dvs. har ledningsevne, hvis værdi under en vis påvirkning kan variere inden for vide grænser.

Da man fandt en metode i USA til at udføre en sådan effekt elektrisk, dukkede transistoren op (fra det oprindelige navn transresistor). Det faktum, at Lashkarev i 1941 offentliggjorde resultaterne af sine opdagelser i artiklerne "Studie af barrierelag ved hjælp af termisk probemetode" og "Indvirkningen af ​​urenheder på ventilens fotoelektriske effekt i kobberoxid" (medforfattet med sin kollega K.M. Kosonogova ) var ikke på grund af krigstid kom til den videnskabelige verdens opmærksomhed. Formentlig er udbruddet af den kolde krig og nedgangen i Sovjetunionen"Jerntæppet" spillede en rolle i, at Lashkarev aldrig blev nobelpristager. Forresten udviklede Lashkarev, mens han var i Sibirien under krigen, cuprox-dioder, der blev brugt i hærens radiostationer og opnåede deres industrielle produktion.

Ud over de to første værker udgav Lashkarev i samarbejde med V.I. Lyashenko artiklen "Elektroniske tilstande på overfladen af ​​en halvleder" i 1950, som beskrev resultaterne af undersøgelser af overfladefænomener i halvledere, som blev grundlaget for drift af integrerede kredsløb baseret på felteffekttransistorer.

I 50'erne formåede Lashkarev også at løse problemet med masseafvisning af germanium-enkeltkrystaller. Han formulerede sig på en ny måde tekniske krav til dette element, da de foregående var urimeligt overpris. Grundig forskning udført af Lashkarev og Miseluk ved Institut for Fysik ved Akademiet for Videnskaber i den ukrainske SSR i Kiev viste, at det allerede opnåede niveau af germanium enkeltkrystalteknologi gjorde det muligt at skabe punktdioder og trioder med de nødvendige egenskaber. Dette gjorde det muligt at fremskynde den industrielle produktion af den første tidligere USSR germanium dioder og transistorer.

Således var det under ledelse af Lashkarev i begyndelsen af ​​50'erne, at produktionen af ​​de første punkt-punkttransistorer blev organiseret i USSR.

Dannet af V.E. Lashkarevs videnskabelige skole inden for halvlederfysik bliver en af ​​de førende i USSR. Anerkendelse af fremragende resultater var oprettelsen i 1960 af Institute of Semiconductors fra Academy of Sciences i den ukrainske SSR, som blev ledet af V.E. Lashkarev.