Historien om oppdagelsen av pn-krysset, eller hvordan transistoren begynte. Transistor historie

Oppfinnelsen av transistoren, som ble den viktigste prestasjonen i det tjuende århundre, er forbundet med navnene til mange bemerkelsesverdige forskere. De som skapte og utviklet halvlederelektronikk vil bli diskutert i denne artikkelen.

For nøyaktig 50 år siden ble amerikanerne John Bardeen, Walter Brattain og William Shockley (fig. 1) tildelt Nobelprisen i fysikk «for forskning innen halvledere og oppdagelsen av transistoren». En analyse av vitenskapens historie viser imidlertid tydelig at oppdagelsen av transistoren ikke bare er en velfortjent suksess for Bardeen, Brattain og Shockley.

Ris. 1. Nobelprisvinnere i fysikk for 1956

Første eksperimenter

Fødselen av solid-state elektronikk kan dateres tilbake til 1833. Det var da Michael Faraday (fig. 2), som eksperimenterte med sølvsulfid, oppdaget at ledningsevnen til dette stoffet (og det var, som vi nå kaller det, en halvleder) øker med økende temperatur, i motsetning til ledningsevnen til metaller , som i dette tilfellet avtar. Hvorfor skjer dette? Hva henger dette sammen med? Faraday kunne ikke svare på disse spørsmålene.

Den neste milepælen i utviklingen av solid-state elektronikk kom i 1874. Den tyske fysikeren Ferdinand Braun (fig. 3), en fremtidig nobelprisvinner (i 1909 vil han motta prisen "For sitt enestående bidrag til å skape trådløs telegrafi"), publiserer en artikkel i tidsskriftet Analen der Physik und Chemie, der , ved å bruke eksempelet "naturlige og kunstige svovelmetaller" beskriver den viktigste egenskapen til halvledere - å lede elektrisitet bare i én retning. Den korrigerende egenskapen til halvleder-metallkontakt var i strid med Ohms lov. Brown (fig. 4) prøver å forklare det observerte fenomenet og foretar videre forskning, men til ingen nytte. Det er et fenomen, det er ingen forklaring. Av denne grunn var ikke Browns samtidige interessert i oppdagelsen hans, og bare fem tiår senere ble de utrettingsegenskapene til halvledere brukt i detektormottakere.

Ris. 3. Ferdinand Brown

Ris. 4. Ferdinand Braun i laboratoriet hans

Året er 1906. Den amerikanske ingeniøren Greenleaf Witter Picard (fig. 5) får patent på en krystalldetektor (fig. 6). I sin patentsøknad skriver han: «Kontakt mellom en tynn metallleder og overflaten til visse krystallinske materialer (silisium, galena, pyritt, etc.) retter opp og demodulerer den høyfrekvente vekselstrømmen som genereres i antennen ved mottak av radiobølger. ”

Ris. 5. Greenleaf Picard

Ris. 6. Skjematisk diagram av Picard-krystalldetektoren

Den tynne metalllederen som ble brukt til å komme i kontakt med overflaten av krystallen så veldig ut som en katts værhår.

Picard-krystalldetektoren ble kjent som "kattens værhår".

For å «puste liv» inn i Picard-detektoren og få den til å fungere stabilt, var det nødvendig å finne det mest følsomme punktet på overflaten av krystallen. Dette var ikke lett å gjøre. Mange geniale "cat's whisker"-design kommer til syne (fig. 7), noe som gjør det lettere å finne det ettertraktede punktet, men den raske fremveksten av elektroniske rør i forkant av radioteknologi sender Picard-detektoren bak kulissene i lang tid .

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

Likevel er "kattens værhår" mye enklere og mindre enn vakuumdioder, og også mye mer effektiv ved høye frekvenser. Hva om vi erstatter vakuumtrioden, som all datidens radioelektronikk var basert på, (fig. 8) med en halvleder? Er det mulig? På begynnelsen av det tjuende århundre hjemsøkte et lignende spørsmål mange forskere.

Ris. 8. Vakuum triode

Losev

Sovjet-Russland. 1918 Etter personlig ordre fra Lenin ble et radioteknisk laboratorium opprettet i Nizhny Novgorod (fig. 9). Den nye regjeringen har sårt behov for "trådløs telegraf"-kommunikasjon. De beste radioingeniørene på den tiden var involvert i arbeidet 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

Etter å ha uteksaminert seg fra Tver Real School i 1920 og uten hell gått inn i Moskva-instituttet for kommunikasjon, gikk Losev med på hvilken som helst jobb, så lenge han ble akseptert i laboratoriet. Han er ansatt som budbringer. Bellboys har ikke lov til å bo på vandrerhjemmet.

17 år gamle Losev er klar til å bo i laboratoriet, på trappeavsatsen foran loftet, bare for å gjøre det han elsker.

Fra en tidlig alder var han lidenskapelig opptatt av radiokommunikasjon. Under første verdenskrig ble det bygget en radiomottakerstasjon i Tver. Dens oppgaver var å motta meldinger fra Russlands allierte i ententen og deretter sende dem via telegraf til Petrograd. Losev besøkte ofte radiostasjonen, kjente mange av de ansatte, hjalp dem og kunne ikke forestille seg sitt fremtidige liv uten radioutstyr. I Nizhny Novgorod hadde han verken en familie eller et normalt liv, men det viktigste var muligheten til å kommunisere med spesialister innen radiokommunikasjon, for å adoptere deres erfaring og kunnskap. Etter å ha fullført det nødvendige arbeidet i laboratoriet, fikk han lov til å drive med uavhengig eksperimentering.

På den tiden var det praktisk talt ingen interesse for krystalldetektorer. Ingen i laboratoriet var spesielt interessert i dette temaet. Radiorør ble prioritert i forskningen. Losev ønsket virkelig å jobbe selvstendig. Utsiktene til å få et begrenset arbeidsområde "på lamper" inspirerer ham ikke i det hele tatt. Kanskje det er av denne grunn at han velger en krystalldetektor for sin forskning. Målet er å forbedre detektoren, gjøre den mer følsom og stabil i drift. Da han startet eksperimentene, antok Losev feilaktig at "på grunn av det faktum at noen kontakter mellom metallet og krystallen ikke følger Ohms lov, er det ganske sannsynlig at udempede svingninger kan forekomme i en oscillerende krets koblet til en slik kontakt." På det tidspunktet var det allerede kjent at for selveksitering må ikke-lineariteten til strømspenningskarakteristikken alene være tilstede. Enhver kompetent spesialist ville ikke forvente forsterkning fra detektoren. Men gårsdagens skolegutt vet ikke noe om dette. Han endrer krystallene og nålematerialet, registrerer nøye de oppnådde resultatene, og oppdager en dag de ønskede aktive punktene i krystallene, som sikrer generering av høyfrekvente signaler.

"Alle vet fra barndommen at slikt og slikt er umulig, men det er alltid en ignorant som ikke vet dette, og det er han som gjør oppdagelsen," spøkte Einstein.

Losev utførte sine første studier av generatorkrystaller kl den enkleste ordningen, presentert i fig. elleve.

Ris. 11. Opplegg av Losevs første eksperimenter

Etter å ha testet et stort antall krystalldetektorer, fant Losev at sinsittkrystaller som er utsatt for spesialbehandling genererer vibrasjoner best. For å skaffe materialer av høy kvalitet utvikler han en teknologi for fremstilling av sinsitt ved å smelte sammen naturlige krystaller i en elektrisk lysbue. Med et par sinsitt - karbonspiss, når en spenning på 10 V ble påført, ble det oppnådd et radiosignal med en bølgelengde på 68 m. Når generasjonen avtar, implementeres forsterkningsmodusen til detektoren.

Legg merke til at den "genererende" detektoren ble demonstrert for første gang i 1910 av den engelske fysikeren William Eccles (fig. 12).

Fig 12. William Henry Iccles

Et nytt fysisk fenomen tiltrekker seg ikke oppmerksomheten til spesialister, og er glemt i noen tid. Eccles forklarte også feilaktig mekanismen for "negativ" motstand basert på det faktum at motstanden til en halvleder avtar med økende temperatur på grunn av termiske effekter som oppstår ved metall-halvleder-grensesnittet.

I 1922 dukket Losevs første artikkel om en forsterkende og genererende detektor opp på sidene til det vitenskapelige tidsskriftet "Telegraphy and Telephony Without Wires." I den beskriver han i stor detalj resultatene av sine eksperimenter, og Spesiell oppmerksomhet tar hensyn til den obligatoriske tilstedeværelsen av den fallende delen av strømspenningskarakteristikken til kontakten.

I disse årene var Losev aktivt engasjert i selvutdanning. Hans nærmeste veileder, professor V.K. Lebedinsky, hjelper ham i studiet av radiofysikk. Lebedinsky forstår at hans unge ansatte har gjort en virkelig oppdagelse og prøver også å forklare den observerte effekten, men forgjeves. Den tidens grunnleggende vitenskap kjente ennå ikke til kvantemekanikk. Losev fremsetter på sin side hypotesen om at med en stor strøm i kontaktsonen, fremstår en viss elektrisk utladning som en elektrisk lysbue, men bare uten oppvarming. Denne utladningen kortslutter den høye motstanden til kontakten, og tillater generering.

Bare tretti år senere var de i stand til å forstå hva som faktisk var blitt oppdaget. I dag vil vi si at Losevs enhet er en to-terminal enhet med en N-formet strømspenningskarakteristikk, eller en tunneldiode, som den japanske fysikeren Leo Isaki (fig. 13) i 1973 mottok for. Nobel pris.

Ris. 13. Leo Isaki

Ledelsen ved Nizhny Novgorod-laboratoriet forsto at det ikke ville være mulig å reprodusere effekten i serier. Etter å ha jobbet litt mistet detektorene praktisk talt sine forsterknings- og generasjonsegenskaper. Det var ikke snakk om å forlate lamper. Likevel praktisk betydning Losevs oppdagelse var enorm.

På 1920-tallet, over hele verden, inkludert i Sovjetunionen, ble amatørradio en epidemi. Sovjetiske radioamatører bruker de enkleste detektormottakerne, satt sammen i henhold til Shaposhnikov-skjemaet (fig. 14).

Ris. 14. Shaposhnikov-detektormottaker

For å øke volumet og mottaksområdet brukes høye antenner. Det var vanskelig å bruke slike antenner i byer på grunn av industriell interferens. I åpne områder hvor det er liten eller ingen forstyrrelse, god velkomst radiosignaler var ikke alltid vellykkede på grunn av den dårlige kvaliteten på detektorene. Innføringen av en negativ motstandsdetektor med sinsitt i antennekretsen til mottakeren, satt til en modus nær selveksitering, forbedret de mottatte signalene betydelig. Radioamatører var i stand til å høre de fjerneste stasjonene. Selektiviteten til mottak økte merkbart. Og dette uten bruk av vakuumrør!

Lampene var ikke billige, og de krevde en spesiell strømkilde, og Losevs detektor kunne kjøre på vanlige lommelyktbatterier.

Som et resultat viste det seg at enkle mottakere designet av Shaposhnikov med genererende krystaller gir muligheten til å utføre heterodynmottak, som på den tiden var det siste ordet innen radiomottaksteknologi. I påfølgende artikler beskriver Losev en rask søketeknikk aktive poeng på overflaten av sinsitt og erstatter karbonspissen med en metall. Han gir anbefalinger om hvordan krystaller bør behandles og gir flere praktiske diagrammer for selvmontering av radioer (fig. 15).

Ris. 15. Skjematisk diagram av Christadin O. V. Losev

Losevs enhet lar ikke bare motta signaler over lange avstander, men også overføre dem. Radioamatører i massevis, basert på detektorgeneratorer, produserer radiosendere som opprettholder kommunikasjonen innenfor en radius på flere kilometer. Losevs brosjyre vil snart bli publisert (fig. 16). Den selger millioner av eksemplarer. Entusiastiske radioamatører skrev i forskjellige populærvitenskapelige magasiner at "ved hjelp av en sinsittdetektor i Tomsk, for eksempel, kan du høre Moskva, Nizhny og til og med utenlandske stasjoner."

Ris. 16. Losevs brosjyre, 1924-utgaven

For alle dine tekniske løsninger Losev mottok patenter, som startet med "Heterodyne Detector Receiver", innlevert i desember 1923.

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

Losev blir en kjendis, og likevel er han ikke tjue år gammel!

For eksempel sier det redaksjonelle forordet til Losevs artikkel «Oscillating Crystals» i det amerikanske magasinet The Wireless World and Radio Review for oktober 1924: «Forfatteren av denne artikkelen, Mr. Oleg Losev fra Russland, har på relativt kort tid skaffet seg verdensberømmelse i forbindelse med hans oppdagelse av oscillerende egenskaper i noen krystaller.»

Et annet amerikansk magasin, Radio News, publiserte omtrent samtidig en artikkel med tittelen «Sensational Invention», som sa: «Det er ikke nødvendig å bevise at dette er en revolusjonerende radiooppfinnelse. Snart skal vi snakke om en krets med tre eller seks krystaller, akkurat som vi nå snakker om en krets med tre eller seks forsterkerrør. Det vil ta flere år før den genererende krystallen blir bedre nok til å bli bedre enn et vakuumrør, men vi spår at tiden vil komme."

Forfatteren av denne artikkelen, Hugo Gernsbeck, kaller Losevs solid state-mottaker en kristadin (krystall + lokal oscillator). Dessuten gir den ikke bare navn, men registrerer også på en fornuftig måte navnet som et varemerke (fig. 17). Etterspørselen etter cristadiner er enorm.

Ris. 17. Losev krystalldetektor. Produsert av Radio News Laboratories. USA, 1924

Det er interessant at når tyske radioteknikere kommer til Nizhny Novgorod-laboratoriet for personlig å møte Losev, kan de ikke tro sine egne øyne. De er overrasket over talentet og i ung alder oppfinner. I brev fra utlandet ble Losev kalt intet mindre enn professor. Ingen kunne ha forestilt seg at professoren fortsatt lærte det grunnleggende innen vitenskap. Imidlertid vil Losev snart bli en strålende eksperimentell fysiker og igjen få verden til å snakke om seg selv.

I laboratoriet overføres han fra stillingen som fødegutt til laboratorieassistent og får bolig. I Nizhny Novgorod gifter Losev seg (men uten hell, som det viste seg senere), ordner livet sitt og fortsetter å jobbe med krystaller.

I 1928, etter beslutning fra regjeringen, ble emnene til Nizhny Novgorod radiolaboratorium, sammen med dets ansatte, overført til Central Radio Laboratory i Leningrad, som på sin side også stadig ble omorganisert. På det nye stedet fortsetter Losev å jobbe med halvledere, men snart blir Central Radio Laboratory forvandlet til Institutt for kringkastingsmottak og akustikk. Det nye instituttet har et eget forskningsprogram, arbeidstemaene er snevret inn. Laboratorieassistent Losev klarer å få en deltidsjobb ved Leningrad Institute of Physics and Technology (LPTI), hvor han har muligheten til å fortsette forskningen på nye fysiske effekter i halvledere. På slutten av 1920-tallet hadde Losev ideen om å lage en solid-state-analog av et tre-elektrodes vakuumradiorør.

I 1929–1933, etter forslag fra A.F. Ioffe, utførte Losev forskning på en halvlederenhet som fullstendig replikerte utformingen av en punktpunkttransistor. Som du vet, er prinsippet for drift av denne enheten å kontrollere strømmen som flyter mellom to elektroder ved hjelp av en ekstra elektrode. Losev observerte faktisk denne effekten, men dessverre tillot ikke den totale koeffisienten for slik kontroll å oppnå signalforsterkning. For dette formålet brukte Losev bare en krystall av karborundum (SiC), og ikke en krystall av sinsitt (ZnO), som hadde betydelig beste egenskaper i en krystallforsterker (Hva er rart! Burde han ikke vite om egenskapene til denne krystallen.) Inntil nylig ble det antatt at etter hans tvungne avgang fra LPTI, kom Losev ikke tilbake til ideen om halvlederforsterkere. Imidlertid er det et ganske interessant dokument skrevet av Losev selv. Den er datert 12. juli 1939 og oppbevares i dag på Polyteknisk museum. Dette dokumentet, med tittelen "Biografi om Oleg Vladimirovich Losev," i tillegg til interessante fakta om livet hans, inneholder også en liste over vitenskapelige resultater. Av spesiell interesse er følgende linjer: «Det har blitt fastslått at med halvledere kan et tre-elektrodesystem konstrueres, lik en triode, som en triode, som gir egenskaper som viser negativ motstand. Disse arbeidene forberedes for øyeblikket av meg for publisering..."

Dessverre er skjebnen til disse verkene, som fullstendig kan endre forståelsen av historien til oppdagelsen av transistoren - den mest revolusjonerende oppfinnelsen på 1900-tallet, ennå ikke etablert.

Snakker om fremragende bidrag Oleg Vladimirovich Losev i utviklingen av moderne elektronikk, er det rett og slett umulig å ikke nevne hans oppdagelse av lysdioden.

Vi har ennå ikke forstått omfanget av denne oppdagelsen. Ikke mye tid vil gå, og i hvert hus, i stedet for den vanlige glødelampen, vil "elektroniske lysgeneratorer", som Losev kalte lysdioder, tennes.

Tilbake i 1923, mens han eksperimenterte med krystaller, la Losev merke til gløden av krystaller når en elektrisk strøm ble ført gjennom dem. Karborundumdetektorene lyste spesielt sterkt. På 1920-tallet i Vesten ble fenomenet elektroluminescens på en gang til og med kalt "Losev light" (Lossew Licht). Losev begynte å studere og forklare den resulterende elektroluminescensen. Han var den første som satte pris på de enorme utsiktene til slike lyskilder, og la spesielt vekt på deres høye lysstyrke og hastighet. Losev ble eier av det første patentet for oppfinnelsen av en lysreléenhet med en elektroluminescerende lyskilde.

På 70-tallet av det tjuende århundre, da lysdioder begynte å bli mye brukt, ble en artikkel av engelskmannen Henry Round oppdaget i magasinet Electronic World for 1907, der forfatteren, som var ansatt i Marconi-laboratoriet, rapporterte at han så en glød i kontakten til en karborundumdetektor når den påføres eksternt elektrisk felt. Ingen betraktninger ble gitt for å forklare fysikken til dette fenomenet. Dette notatet hadde ingen innvirkning på etterfølgende forskning innen elektroluminescens, men forfatteren av artikkelen regnes i dag offisielt som oppdageren av LED.

Losev oppdaget uavhengig fenomenet elektroluminescens og utførte en rekke studier ved å bruke eksemplet med en karborundumkrystall. Han trakk ut to fysisk ulike fenomener, som observeres ved forskjellige spenningspolariteter på kontaktene. Hans utvilsomme fordel er oppdagelsen av effekten av elektroluminescens før sammenbrudd, som han kalte "glød nummer én," og injeksjonselektroluminescens, "glød nummer to." I dag er effekten av prebreakdown-luminescens mye brukt til å lage elektroluminescerende skjermer, og injeksjonselektroluminescens er grunnlaget for LED-er og halvlederlasere. Losev klarte å gjøre betydelige fremskritt i å forstå fysikken til disse fenomenene lenge før opprettelsen av båndteorien om halvledere. Deretter, i 1936, ble glød nummer én gjenoppdaget av den franske fysikeren Georges Destriot. I vitenskapelig litteratur den er kjent som "Destrio-effekten", selv om Destrio selv ga prioritet i oppdagelsen av dette fenomenet til Oleg Losev. Det ville sannsynligvis være urettferdig å bestride Rounds prioritet i oppdagelsen av LED. Og likevel må vi ikke glemme at Marconi og Popov med rette regnes som radioens oppfinnere, selv om alle vet at Hertz var den første som observerte radiobølger. Og det er mange slike eksempler i vitenskapshistorien.

I sin artikkel Subhistory of Light Emitting Diode skriver den berømte amerikanske forskeren innen elektroluminescens, Egon Lobner, om Losev: «Med sin banebrytende forskning innen LED-er og fotodetektorer, bidro han til den fremtidige fremgangen for optisk kommunikasjon. Forskningen hans var så presis og publikasjonene hans så klare at man lett kan forestille seg nå hva som skjedde i laboratoriet hans på den tiden. Hans intuitive valg og eksperimentelle ferdigheter er rett og slett fantastiske.»

I dag forstår vi at uten kvanteteorien om strukturen til halvledere er det umulig å forestille seg utviklingen av solid-state elektronikk. Derfor er Losevs talent fantastisk. Helt fra begynnelsen så han en singel fysisk natur cristadin og fenomenet injeksjonsluminescens, og i dette var han betydelig forut for sin tid.

Etter ham ble studier av detektorer og elektroluminescens utført separat fra hverandre, som uavhengige retninger. Analyse av resultatene viser at i nesten tjue år etter utseendet til Losevs arbeid, ble det ikke gjort noe nytt når det gjelder å forstå fysikken til dette fenomenet. Først i 1951 slo den amerikanske fysikeren Kurt Lehovec (fig. 18) fast at deteksjon og elektroluminescens har en felles natur knyttet til oppførselen til strømbærere i p-n-kryss.

Ris. 18. Kurt Lechovec

Det skal bemerkes at i sitt arbeid gir Lekhovets først og fremst referanser til Losevs arbeid med elektroluminescens.

I 1930–31 Losev utførte en serie eksperimenter på et høyt eksperimentelt nivå med skrå seksjoner som strakte området som ble undersøkt og et system av elektroder inkludert i en kompensasjonsmålekrets for å måle potensialer på forskjellige punkter i tverrsnittet av den lagdelte strukturen. Ved å flytte et "kattehårhår" av metall over et tynt snitt, viste han med mikronøyaktighet at den overflatenære delen av krystallen har kompleks struktur. Han avslørte et aktivt lag omtrent ti mikron tykt, der fenomenet injeksjonsluminescens ble observert. Basert på resultatene av eksperimentene antok Losev at årsaken til unipolar ledningsevne er forskjellen i betingelsene for elektronbevegelse på begge sider av det aktive laget (eller, som vi vil si i dag, forskjellige typer ledningsevne). Deretter, ved å eksperimentere med tre eller flere elektrodeprober plassert i disse områdene, bekreftet han faktisk antakelsen. Disse studiene er en annen betydelig prestasjon av Losev som fysiker.

I 1935, som et resultat av en ny omorganisering av kringkastingsinstituttet og vanskelige forhold til ledelsen, ble Losev stående uten jobb. Laboratorieassistent Losev fikk gjøre funn, men ikke sole seg i glansen. Og dette til tross for at navnet hans var godt kjent for maktene. I et brev datert 16. mai 1930 skriver akademiker A.F. Ioffe til sin kollega Paul Ehrenfest: «Vitenskapelig har jeg en rekke suksesser. Dermed oppnådde Losev en glød i karborundum og andre krystaller under påvirkning av elektroner ved 2–6 volt. Luminescensgrensen i spekteret er begrenset..."

Losev hadde sin egen arbeidsplass på LFTI i lang tid, men de ville ikke ta ham til instituttet, han er en for uavhengig person. Alt arbeid ble utført uavhengig - det er ingen medforfattere i noen av dem.

Ved hjelp av venner får Losev jobb som assistent ved fysikkavdelingen til First Medical Institute. Det er mye vanskeligere for ham å studere et nytt sted vitenskapelig arbeid, fordi nei nødvendig utstyr. Likevel, etter å ha satt som mål å velge et materiale for fremstilling av fotoceller og fotomotstander, fortsetter Losev forskningen på de fotoelektriske egenskapene til krystaller. Han studerer mer enn 90 stoffer og fremhever spesielt silisium med dets merkbare lysfølsomhet.

Det var ikke nok på den tiden rene materialer, for å oppnå en nøyaktig gjengivelse av de oppnådde resultatene, men Losev (nok en gang!) forstår rent intuitivt at dette materialet tilhører fremtiden. I begynnelsen av 1941 begynte han arbeidet med nytt emne- "Elektrolytisk fotoresistensmetode, lysfølsomhet for noen silisiumlegeringer." Da den store patriotiske krigen begynte, dro ikke Losev til evakuering, og ønsket å fullføre artikkelen der han skisserte resultatene av sin forskning på silisium. Tilsynelatende klarte han å fullføre arbeidet, siden artikkelen ble sendt til redaktørene av ZhETF. På det tidspunktet var redaksjonen allerede evakuert fra Leningrad. Etter krigen var det dessverre ikke mulig å finne spor etter denne artikkelen, og nå kan man bare gjette seg til innholdet.

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

Også i 1942, i USA, begynte Sylvania og Western Electric industriell produksjon av silisium (og litt senere germanium) punktdioder, som ble brukt som blandedetektorer i radarer. Losevs død falt sammen med fødselen av silisiumteknologier.

Militært springbrett

I 1925 åpnet American Telephone and Telegraph Corporation (AT&T) Bell Telephone Laboratories forsknings- og utviklingssenter. I 1936 bestemte Bell Telephone Laboratories-direktør Mervyn Kelly seg for å danne en gruppe forskere som ville gjennomføre en serie studier med sikte på å erstatte rørforsterkere med halvledere. Gruppen ble ledet av Joseph Becker, som rekrutterte teoretisk fysiker William Shockley og briljante eksperimentalist Walter Brattain.

Etter å ha fullført doktorgradsstudiene ved Massachusetts Institute of Technology, det berømte MIT, og gått på jobb ved Bell Telephone Laboratories, begynner Shockley, som en ekstremt ambisiøs og ambisiøs person, energisk i gang. I 1938, i arbeidsbok 26 år gamle Shockley dukker opp med den første skissen av en halvledertriode. Ideen er enkel og ikke spesielt original: å lage en enhet som ligner mest mulig på et elektronrør, med den eneste forskjellen at elektronene i det vil strømme gjennom en tynn filamentlignende halvleder, i stedet for å fly i et vakuum mellom katoden og anoden. For å kontrollere halvlederstrømmen, var det ment å introdusere en ekstra elektrode (en analog av et rutenett) ved å påføre spenninger med forskjellige polariteter på den. Dermed vil det være mulig å enten redusere eller øke antallet elektroner i glødetråden og følgelig endre motstanden og den flytende strømmen. Alt er som i et radiorør, bare uten vakuum, uten en klumpete glassbeholder og uten oppvarming av katoden. Forskyvningen av elektroner fra tråden eller deres innstrømning burde ha skjedd under påvirkning av det elektriske feltet som dannes mellom kontrollelektroden og tråden, det vil si på grunn av felteffekten. For å gjøre dette må tråden være en halvleder. Det er for mange elektroner i et metall og ingen felt kan fortrenge dem, men i et dielektrikum er det praktisk talt ingen frie elektroner. Shockley begynner teoretiske beregninger, men alle forsøk på å bygge en solid-state forsterker fører ingen steder.

På samme tid, i Europa, skapte de tyske fysikerne Robert Pohl og Rudolf Hilsch en fungerende kontakt tre-elektrode krystallforsterker basert på kaliumbromid. Den tyske enheten var imidlertid uten praktisk verdi. Den hadde en veldig lav driftsfrekvens. Det er informasjon om at i første halvdel av 1930-årene ble tre-elektrode halvlederforsterkere "montert" av to radioamatører, kanadiske Larry Kaiser og New Zealand skolegutt Robert Adams. Adams, som senere ble radioingeniør, bemerket at det aldri falt ham inn å inngi patent på oppfinnelsen, siden han skaffet all informasjon om forsterkeren sin fra amatørradiomagasiner og andre åpne kilder.

I 1926–1930 inkludere arbeidet til Julius Lilienfeld (fig. 19), en professor ved universitetet i Leipzig, som tok patent på utformingen av en halvlederforsterker, nå kjent som en felteffekttransistor (fig. 20).

Ris. 19. Julius Lilienfeld

Ris. 20. Yu Lilienfelds patent for en felteffekttransistor

Lilienfeld antok at når spenning påføres et svakt ledende materiale, vil dets ledningsevne endres, og i forbindelse med dette vil det oppstå en økning i elektriske oscillasjoner. Til tross for at han mottok patent, klarte ikke Lilienfeld å lage en fungerende enhet. Årsaken var den mest prosaiske - på 30-tallet av det tjuende århundre var det ennå ikke funnet nødvendig materiale, på grunnlag av hvilken en arbeidstransistor kunne lages. Det er derfor innsatsen til de fleste forskere på den tiden var rettet mot å finne opp en mer kompleks bipolar transistor. Dermed prøvde de å omgå vanskelighetene som oppsto under implementeringen av felteffekttransistoren.

Arbeidet med en solid-state forsterker ved Bell Telephone Laboratories ble avbrutt av utbruddet av andre verdenskrig. William Shockley og mange av kollegene hans ble utsendt til forsvarsdepartementet, hvor de jobbet til slutten av 1945.

Solid-state elektronikk var ikke av interesse for militæret; deres prestasjoner virket tvilsomme. Med ett unntak. Detektorer. De var nettopp i sentrum for historiske begivenheter.

Det store slaget om Storbritannia utspilte seg i himmelen over Den engelske kanal, og nådde sitt klimaks i september 1940. Etter okkupasjonen Vest-Europa England ble stående alene med en armada av tyske bombefly som ødela kystforsvaret og forberedte en amfibisk landing for å fange landet - Operasjon " Sjøløve" Det er vanskelig å si hva som reddet England - et mirakel, statsminister Winston Churchills besluttsomhet eller radarstasjoner. Radarer som dukket opp på slutten av 30-tallet gjorde det mulig å raskt og nøyaktig oppdage fiendtlige fly og organisere mottiltak i tide. Etter å ha mistet mer enn tusen fly på himmelen over Storbritannia, kjølte Nazi-Tyskland sterkt ned til ideen om å erobre England i 1940 og begynte å forberede en blitzkrig i øst.

England trengte radarer, radarer trengte krystalldetektorer, detektorer trengte rent germanium og silisium. Germanium var den første som dukket opp i betydelige mengder i fabrikker og laboratorier. Med silisium, pga høy temperatur Ved å behandle det oppsto det først noen vanskeligheter, men problemet ble snart løst. Etter dette ble silisium foretrukket. Silisium var billig sammenlignet med germanium. Så springbrettet for å hoppe til transistoren var nesten klart.

Den andre verdenskrig var den første krigen der vitenskapen, med tanke på sin betydning for å beseire fienden, kom ut på lik linje med spesifikke våpenteknologier, og på noen måter var foran dem. La oss huske atom- og missilprosjektene. Denne listen kan også inkludere transistorprosjektet, forutsetningene for dette ble i stor grad lagt av utviklingen av militær radar.

Åpning

I etterkrigsårene begynte Bell Telephone Laboratories å akselerere arbeidet innen global kommunikasjon. Utstyret på 1940-tallet brukte to hovedelementer for å forsterke, konvertere og bytte signaler i abonnentkretser: et vakuumrør og et elektromekanisk relé. Disse elementene var klumpete, virket sakte, forbrukte mye energi og var lite pålitelige. Å forbedre dem betydde å gå tilbake til ideen om å bruke halvledere. Bell Telephone Laboratories gjenopprettes forskningsgruppe(Fig. 21), den vitenskapelige lederen er William Shockley, som kom tilbake «fra krigen». Teamet inkluderer Walter Brattain, John Bardeen, John Pearson, Bert Moore og Robert Gibney.

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

Helt i begynnelsen aksepterer teamet stor beslutning: direkte innsats for å studere egenskapene til bare to materialer - silisium og germanium, som det mest lovende for gjennomføringen av oppgaven. Naturligvis begynte gruppen å utvikle Shockleys idé fra før krigen om en felteffektforsterker. Men elektronene inne i halvlederen ignorerte hardnakket eventuelle endringer i potensialet ved kontrollelektroden. Krystallene eksploderte fra høye spenninger og strømmer, men ønsket ikke å endre motstanden.

Teoretiker John Bardeen grunnet på dette. Shockley, etter å ikke ha mottatt et raskt resultat, mistet interessen for emnet og deltok ikke aktivt i arbeidet. Bardeen antydet at en betydelig del av elektronene faktisk ikke "går" fritt rundt krystallen, men blir sittende fast i en slags feller nær overflaten av halvlederen. Ladningen til disse "faste" elektronene skjermer det eksternt påførte feltet, som ikke trenger inn i hoveddelen av krystallen. Det var slik jeg gikk til fysikk i 1947 fast Teorien om overflatetilstander kom inn. Nå som det så ut til at årsaken til feilene var funnet, begynte gruppen å implementere ideen om felteffekten mer meningsfullt. Det var rett og slett ingen andre ideer. Bli forskjellige måter behandle overflaten av germanium, i håp om å eliminere elektronfeller. Vi prøvde alt - kjemisk etsing, mekanisk polering, påføring av forskjellige passivatorer på overflaten. Krystallene ble nedsenket i forskjellige væsker, men det ble ikke noe resultat. Deretter bestemte de seg for å lokalisere kontrollsonen så mye som mulig, for hvilken en av lederne og kontrollelektroden ble laget i form av tettsittende fjærbelastede nåler. Eksperimenter Brattain, som hadde 15 års erfaring med å jobbe med ulike halvledere, kunne vri knottene på et oscilloskop i 25 timer i døgnet.

Teoretikeren Bardeen var alltid i nærheten, klar til å teste sine teoretiske beregninger 24 timer i døgnet. Begge forskerne fant hverandre, som de sier. De forlot praktisk talt ikke laboratoriet, men tiden gikk, og det var fortsatt ingen signifikante resultater.

En dag flyttet Brattain, plaget av feil, nålene nesten tett, dessuten blandet han ved et uhell polaritetene til potensialene som ble brukt på dem. Forskeren kunne ikke tro sine egne øyne. Han ble overrasket, men signaløkningen var tydelig synlig på oscilloskopskjermen. Teoretikeren Bardeen reagerte med lynets hastighet og umiskjennelig: det er ingen felteffekt, og det handler ikke om det. Signalforsterkning skjer av en annen grunn. I alle tidligere estimater ble bare elektroner betraktet som de viktigste strømbærerne i en germaniumkrystall, og "hull", som var millioner av ganger mindre, ble naturlig nok ignorert. Bardin innså at det var "hullene" som var problemet. Innføringen av "hull" gjennom en elektrode (denne prosessen kalles injeksjon) forårsaker en umåtelig større strøm i den andre elektroden. Og alt dette på bakgrunn av den uendrede tilstanden til et stort antall elektroner.

Og så, på en uforutsigbar måte, den 19. desember 1947, ble en punkt-punkt-transistor født (fig. 22).

Først ble den nye enheten kalt en germanium-triode. Bardeen og Brattain likte ikke navnet. Det hørtes ikke ut. De ønsket at navnet skulle slutte med "tor", lik en motstand eller termistor. Her kommer elektronikkingeniør John Pierce, som hadde en utmerket beherskelse av ord, dem til unnsetning (senere vil han bli en berømt popularisator av vitenskap og en science fiction-forfatter under pseudonymet J. J. Coupling). Pierce husket at en av parametrene til en vakuumtriode er skråningen til den karakteristiske, på engelsk - transkonduktans. Han foreslo å kalle en lignende parameter for en solid-state forsterker transresistance, og selve forsterkeren, og dette ordet var bare på tuppen av tungen, en transistor. Alle likte navnet.

Noen dager etter det bemerkelsesverdige funnet, julaften 23. desember 1947, ble transistoren presentert for ledelsen ved Bell Telephone Laboratories (fig. 23).

Ris. 23. Bardeen-Brattain punkttransistor

William Shockley, som var på ferie i Europa, kom raskt tilbake til Amerika. Den uventede suksessen til Bardin og Brattain sårer hans stolthet dypt. Han tenkte på en halvlederforsterker før andre, ledet gruppen, valgte forskningsretningen, men kunne ikke kreve medforfatterskap i "stjerne"-patentet. Midt i den generelle jubelen, glitteret og klirringen av champagneglass, så Shockley skuffet og dyster ut. Og så skjer det noe som alltid vil være skjult for oss av tidens slør. På en uke, som Shockley senere ville kalle sin "hellige uke", skapte han teorien om en transistor med p-n-kryss som erstattet eksotiske nåler, og på nyttårsaften oppfant han en plan bipolar transistor. (Merk at en faktisk fungerende bipolar transistor ikke ble produsert før i 1950.)

Å foreslå et kretsskjema for en mer effektiv solid-state forsterker med en lagdelt struktur satte Shockley på lik linje med Bardeen og Brattain i oppdagelsen av transistoreffekten.

Seks måneder senere, den 30. juni 1948, i New York, ved hovedkvarteret til Bell Telephone Laboratories, etter at alle nødvendige patentformaliteter var løst, fant en åpen presentasjon av transistoren sted. På den tiden hadde den kalde krigen allerede begynt mellom USA og Sovjetunionen, så tekniske nyvinninger ble først og fremst vurdert av militæret. Til overraskelse for alle tilstedeværende var eksperter fra Pentagon ikke interessert i transistoren og anbefalte å bruke den i høreapparater.

Noen år senere ble den nye enheten en uunnværlig komponent i kontrollsystemet til kampmissiler, men det var på den dagen militærets nærsynthet reddet transistoren fra å bli klassifisert som "topphemmelig".

Journalister reagerte også på oppfinnelsen uten store følelser. På side førtiseks i "Radio News"-delen av New York Times ble det skrevet ut en kort melding om oppfinnelsen av en ny radioenhet. Men bare.

Bell Telephone Laboratories forventet ikke en slik utvikling av hendelser. Militære ordrer med deres sjenerøse finansiering ble ikke forventet selv i en fjern fremtid. Det tas en hastebeslutning om å selge lisenser for transistoren til alle. Transaksjonsbeløp - $25 tusen. Skal organiseres Utdanningssenteret, holdes det seminarer for spesialister. Resultatene lar ikke vente på seg (fig. 24).

Transistoren finner raskt bruk i en rekke enheter - fra militær- og datautstyr til forbrukerelektronikk. Det er interessant at den første bærbare radiomottakeren ble kalt det i lang tid - en transistor.

Europeisk tilsvarende

Arbeidet med å lage en tre-elektrode halvlederforsterker ble også utført på den andre siden av havet, men mye mindre er kjent om dem.

Nylig oppdaget den belgiske historikeren Armand Van Dormel og professor ved Stanford University Michael Riordan at på slutten av 1940-tallet i Europa, " bror transistor" av Bardeen-Brattain.

De europeiske oppfinnerne av punktpunkttransistoren var Herbert Franz Mathare og Heinrich Johann Welker (fig. 25). Mathare var en eksperimentell fysiker som jobbet for det tyske selskapet Telefunken og jobbet med mikrobølgeelektronikk og radar. Welker var mer en teoretiker han underviste ved universitetet i München i lang tid, og i krigsårene jobbet han for Luftwaffe.

Ris. 25. Oppfinnerne av transitronen Herbert Mathare og Heinrich Welker

De møttes i Paris. Etter nederlaget til Nazi-Tyskland ble begge fysikerne invitert til den europeiske avdelingen av det amerikanske selskapet Westinghouse.

Tilbake i 1944 designet Mathare, mens han jobbet med halvlederlikerettere for radarer, en enhet han kalte en duodiode. Det var et par punktlikerettere som opererte parallelt og brukte den samme germaniumplaten. Med riktig valg av parametere undertrykte enheten støy i radarmottaksenheten. Da oppdaget Mathare at spenningssvingninger på en elektrode kan resultere i endringer i strømmen som går gjennom den andre elektroden. Merk at en beskrivelse av en lignende effekt var inneholdt i Lilienfelds patent, og det er mulig at Mathare visste om dette. Men uansett, han ble interessert i det observerte fenomenet og fortsatte sin forskning.

Welker kom til ideen om transistoren fra en annen retning, og jobbet i kvantefysikk og båndteori om faste stoffer. Helt i begynnelsen av 1945 skapte han en solid-state forsterkerkrets veldig lik Shockleys enhet. I mars klarte Welker å sette den sammen og teste den, men han var ikke mer heldig enn amerikanerne. Enheten fungerer ikke.

I Paris har Mathare og Welker i oppgave å organisere den industrielle produksjonen av halvlederlikerettere for det franske telefonnettet. På slutten av 1947 ble likerettere satt i produksjon, og Mathare og Welker hadde tid til å gjenoppta forskningen. De begynner ytterligere eksperimenter med duodioden. Sammen lager de plater av mye renere germanium og oppnår en stabil forsterkningseffekt. Allerede i begynnelsen av juni 1948 skapte Mathare og Welker en stabilt fungerende punktpunkttransistor. Den europeiske transistoren dukker opp seks måneder senere enn Bardeen og Brattain-enheten, men er helt uavhengig av den. Mathare og Welker kunne ikke vite noe om amerikanernes arbeid. Den første omtalen i pressen av en "ny radioenhet" som kom ut av Bell Laboratories dukket opp først 1. juli.

Den videre skjebnen til den europeiske oppfinnelsen var trist. Mathare og Welker utarbeidet en patentsøknad for oppfinnelsen i august, men det franske patentkontoret brukte veldig lang tid på å studere dokumentene. Først i mars 1952 fikk de patent på oppfinnelsen av transitronen - dette er navnet tyske fysikere valgte for sin halvlederforsterker. På den tiden hadde Paris-avdelingen til Westinghouse allerede begynt masseproduksjon av transitroner. Hovedkunden var Postdepartementet. Mange nye telefonlinjer ble bygget i Frankrike. Transtronenes tidsalder var imidlertid kortvarig. Til tross for at de fungerte bedre og lenger enn deres amerikanske "bror" (på grunn av mer forsiktig montering), klarte ikke transtroner å erobre verdensmarkedet. Deretter nektet franske myndigheter generelt å subsidiere forskning innen halvlederelektronikk, og byttet til større atomprosjekter. Mathare og Welkers laboratorium forfaller. Forskere bestemmer seg for å returnere til hjemlandet. På den tiden begynte en gjenoppliving av vitenskap og høyteknologisk industri i Tyskland. Welker får jobb i et Siemens-laboratorium, som han senere skal lede, og Mathare flytter til Düsseldorf og blir president i et lite selskap, Intermetall, som produserer halvlederenheter.

Etterord

Hvis vi sporer amerikanernes skjebne, forlot John Bardeen Bell Telephone Laboratories i 1951, tok opp teorien om superledning, og i 1972 ble han sammen med to av studentene tildelt Nobelprisen for å ha utviklet teorien om superledning, og ble dermed den eneste i historieforsker, to ganger nobelprisvinner.

Walter Brattain jobbet ved Bell Telephone Laboratories til han gikk av i 1967, da han kom tilbake til hjembyen og begynte å undervise i fysikk ved et lokalt universitet.

Skjebnen til William Shockley var som følger. Han forlot Bell Telephone Laboratories i 1955 og under økonomisk hjelp Arnold Beckman, grunnla transistorproduksjonsselskapet Shockly Transistor Corporation. Å jobbe i nytt selskap Mange talentfulle forskere og ingeniører flytter, men etter to år forlater de fleste Shockley. Arroganse, arroganse, manglende vilje til å lytte til kollegenes meninger og en besettelse om ikke å gjenta feilen han gjorde i samarbeidet med Bardeen og Brattain tar sin toll. Selskapet faller sammen.

Hans tidligere ansatte Gordon Moore og Robert Noyce, med støtte fra den samme Beckman, grunnla Fairchild Semiconductor, og deretter, i 1968, opprettet sitt eget selskap - Intel.

Shockleys drøm om å bygge et halvlederforretningsimperium ble realisert av andre (Figur 26), og han falt igjen inn i rollen som en utenforstående observatør. Ironien er at tilbake i 1952 var det Shockley som foreslo den silisiumbaserte felteffekttransistordesignen. Shockly Transistor Corporation ga imidlertid ikke ut en eneste felteffekttransistor. I dag er denne enheten grunnlaget for hele dataindustrien.

Ris. 26. Evolusjon av transistoren

Etter forretningssvikt blir Shockley professor ved Stanford University. Han holder strålende forelesninger om fysikk, veileder personlig studenter, men han mangler tidligere ære– alt som amerikanere kaller med det rikelige ordet publisitet. Shockley ble involvert i det offentlige liv og begynte å lage presentasjoner om mange sosiale og demografiske spørsmål. Han foreslår løsninger på de presserende problemene knyttet til asiatisk overbefolkning og nasjonale forskjeller, og glir inn i eugenikk og raseintoleranse. Pressen, fjernsynet, vitenskapelige tidsskrifter anklager ham for ekstremisme og rasisme. Shockley er "berømt" igjen og ser ut til å glede seg over hele greia. Hans rykte og karriere som vitenskapsmann tar slutt. Han trekker seg tilbake, slutter å kommunisere med alle, selv sine egne barn, og lever ut livet som en eneboer.

Forskjellige mennesker, forskjellige skjebner, men de er alle forent av deres engasjement i en oppdagelse som radikalt forandret vår verden.

Datoen 19. desember 1947 kan med rette betraktes som fødselsdagen til en ny æra. Nedtellingen til ny tid har begynt. Verden har gått inn i den digitale teknologiens æra.

Litteratur

William F. Brinkman, Douglas E. Haggan, William W. Troutman. En historie om oppfinnelsen av transistoren og hvor den vil føre oss // IEEE Journal of Solid-State Circuits. Vol.32, nr.12. desember 1997.
Hugo Gernsback. En sensasjonell radiooppfinnelse // Radionyheter. september 1924.
Novikov M.A. Oleg Vladimirovich Losev - pioner innen halvlederelektronikk // Solid State Physics. 2004. Bind 46, utgave. 1.
Ostroumov B., Shlyakhter I. Oppfinner av cristadine O. V. Losev. // Radio. 1952. Nr. 5.
Zhirnov V., Suetin N. Oppfinnelse av ingeniør Losev // Ekspert. 2004. nr. 15.
Lee T. H., En ikke-lineær radiohistorie. Cambridge University Press. 1998.
Nosov Yu. Paradokser av transistoren // Quantum. 2006. Nr. 1.
Andrew Emmerson. Hvem oppfant egentlig transistor? radiobygones.com
Michael Riordan. Hvordan Europa gikk glipp av transistoren // IEEE Spectrum, nov. 2005. www.spectrum.ieee.org

Transistoren er forutsetningen for all moderne mikroelektronikk. Hvis det er normalt mobiltelefon i stedet for transistorer ble det brukt katodestrålerør, enheten ville ta på størrelse med Kölnerdomen.

Overføringsmotstand

Før julaften 1947 demonstrerte Bell Telephone Laboratories ansatte William Shockley, Walter Brattain og John Bardeen for selskapet deres den første transistoren basert på halvledermaterialet germanium. Omtrent på samme tid utviklet de tyske forskere Herbert Franz Mathare og Heinrich Welker den såkalte "franske transistoren" og fikk patent på den i 1848. Samme år designet Robert Denk den første transistorradioen med en oksidbelagt elektrode. Denk patenterte ikke oppfinnelsen sin og ødela til og med den eneste kopien av mottakeren for å unngå misbruk.

Silisium sørget for seier

Imidlertid måtte forskere fortsatt jobbe hardt for å velge materialet inntil halvlederdelene kunne oppfylle de tekniske kravene. Siden 1955 begynte masseproduksjon av silisiumtransistorer, og erstattet raskt vakuumrør fra en rekke enheter. Fordelen med transistorer er at de er mye mindre og ikke blir like varme. Nå har det blitt mulig konstruksjon datamaskiner som ikke tar opp et helt rom. Dukket opp på 1960-tallet. integrerte kretser krevde utvikling av stadig mer miniatyrtransistorer, slik at de over tid krympet tusen ganger og ble tynnere enn et hårstrå.

1925: Julius Edgar Lilienfeld skapte det teoretiske grunnlaget for transistorer, men klarte ikke å gjøre dem til virkelighet.
1934: Oscar Hale oppfant felteffekttransistoren.
1953: Første transistorer i høreapparater.
1971: Første mikroprosessor - Intel 4004.

Transistoren er laget på basis av halvledere. I lang tid ble de ikke gjenkjent, og brukte bare ledere og dielektriske for å lage forskjellige enheter. Slike enheter hadde mange ulemper: lav effektivitet, høyt energiforbruk og skjørhet. Studiet av egenskapene til halvledere har blitt vendepunkt i elektronikkens historie.

Elektronisk ledningsevne av ulike stoffer

Alle stoffer, i henhold til deres evne til å lede elektrisk strøm, er delt inn i tre store grupper: metaller, dielektriske og halvledere. Dielektriske stoffer heter det fordi de praktisk talt ikke er i stand til å lede strøm. Metaller har bedre ledningsevne på grunn av tilstedeværelsen av frie elektroner i dem, som beveger seg kaotisk mellom atomene. Når et eksternt elektrisk felt påføres, vil disse elektronene begynne å bevege seg mot et positivt potensial. En strøm vil gå gjennom metallet.

Halvledere er i stand til å lede strøm dårligere enn metaller, men bedre enn dielektriske. I slike stoffer er det majoritet (elektroner) og minoritet (hull) bærere. elektrisk ladning. Hva ? Dette er fraværet av ett elektron i den ytre atomorbitalen. Hullet er i stand til å bevege seg gjennom materialet. Ved hjelp av spesielle urenheter, donor eller akseptor, er det mulig å øke antallet elektroner og hull i utgangsmaterialet betydelig. En N-halvleder kan lages ved å lage et overskudd av elektroner, og en p-leder kan lages ved å bruke et overskudd av hull.

Diode og transistor

En diode er en enhet oppnådd ved å kombinere n- og p-halvledere. Han spilte en stor rolle i utviklingen av radar på 40-tallet av forrige århundre. Et team med ansatte fra det amerikanske selskapet Bell, ledet av W.B., studerte aktivt evnene deres. Shockley. Disse menneskene i 1948, kobler to kontakter til krystallen. I endene av krystallen var det små kobberspisser. Mulighetene til en slik enhet har gjort en reell revolusjon innen elektronikk. Det ble funnet at strømmen som går gjennom den andre kontakten kan kontrolleres (økes eller svekkes) ved å bruke inngangsstrømmen til den første kontakten. Dette var mulig forutsatt at germaniumkrystallen var mye tynnere enn kobberspissene.

De første transistorene hadde en ufullkommen design og ganske svake egenskaper. Til tross for dette var de mye bedre enn vakuumrør. For denne oppfinnelsen ble Shockley og teamet hans tildelt Nobelprisen. Allerede i 1955 dukket det opp diffusjonstransistorer, hvis egenskaper var flere ganger bedre enn germaniumtransistorer.

1941 kunngjorde forskerne William Shockley, Walter Brattain og John Bardeen opprettelsen transistor, og i 1947 ble oppfinnelsen offisielt presentert for publikum. Denne datoen anses å være dagen for oppfinnelsen transistor. Men den store reisen inn i «halvledernes land» begynte tilbake i 1833, da Michael Faraday oppdaget at den elektriske ledningsevnen til sølvsulfid øker ved oppvarming. Og bare 125 år senere i Amerika ble det laget en mikrokrets basert på en annen halvleder, germanium.

Ny oppfinnelse

Om den første demonstrasjonen transistor The New York Times rapporterte på nest siste side i 1948: «I går demonstrerte Bell Telephone Laboratories for første gang et instrument de har oppfunnet kalt "transistor", i noen tilfeller kan den brukes innen radioteknikk i stedet for vakuumrør. Det har også vist seg å brukes i et telefonsystem og en TV-enhet. I hvert av disse tilfellene transistor fungerte som en forsterker, selv om selskapet hevder at den også kan brukes som en generator som er i stand til å skape og overføre radiobølger.»

Nyheten lignet ifølge redaktøren ikke på en sensasjon. Publikum viste i utgangspunktet ikke interesse for den nye enheten, og Bell prøvde å markedsføre det nye produktet ved å distribuere lisenser for bruk transistor til alle som ønsker det. I mellomtiden tjente investorer millioner av dollar i investeringer i radiorør, som etter tretti års utvikling opplevde en boom - en ny oppfinnelse ville sette en stopper for det.

Presset lampe

Fram til midten av det tjuende århundre så det ut til at vakuumrøret hadde tatt sin plass i radioelektronikken for alltid. Hun jobbet overalt: i radioer og fjernsyn, båndopptakere og radarer. Det elektroniske røret forskjøv i stor grad Browns krystalldetektor, og etterlot den kun et sted i detektormottakere. Hun klarte også å konkurrere med Christadin Losev - det var en prototype på fremtidig halvleder transistorer.

Men lampen hadde en stor ulempe - begrenset levetid. Behovet for å lage et nytt element med ubegrenset driftstid ble mer og mer akutt innen radioelektronikk. Men, paradoksalt nok, ble utviklingen av halvlederenheter hemmet, i tillegg til objektive årsaker, av subjektive grunner - treghet i tenkningen til forskerne selv. Det er nok å si at laboratoriet til det amerikanske selskapet Bell Telefon, hvor forskning ble utført med ultrarent germanium, ble nedsettende kalt av kolleger "en hytte av unødvendige materialer."

Mangeårige konkurrenter

Eksperter, da de først så en germaniumplate med ledere festet til den, sa: "En slik primitiv vil aldri kunne erstatte en lampe." Og likevel, til tross for alle hindringene, demonstrerte Bell Telefon-selskapet i 1948 for første gang offentlig en solid-state forsterker - et poeng transistor. Den ble utviklet et år tidligere av ansatte John Bardeen og Walter Brattain under ledelse av William Shockley.

På spørsmål fra en journalist: "Hvordan oppnådde du dette?", svarte William Shockley: " Transistor skapt som et resultat av kombinasjonen av menneskelig innsats, behov og omstendigheter."

Navn "transistor" kommer fra det engelske ordet TRANsferreSISTance, og slutten på ordet - "ELLER" tilsvarer de tidlige radioelementene som dukket opp - "termistor og varistor" og ble gitt av John Pierce. Navnet er basert på det faktum at enheten kan kontrolleres ved å endre motstanden.

Bardin Shockley og Brattain ved Bell Labs, 1948

I 1956 ble tre amerikanske forskere tildelt Nobelprisen i fysikk for denne oppdagelsen. Det er interessant at da John Bardeen kom for sent til pressekonferansen om å bli tildelt denne prisen, da han gikk inn i salen, sa han til sitt forsvar: «Jeg ber om unnskyldning, men det er ikke min feil, for jeg kunne ikke komme inn i garasjen. : Jeg nektet transistor i en elektronisk lås."

Transistorer i musikk

William Shockley stoppet ikke der og utviklet flere nye typer transistorer. Bedriftseksperter viste skepsis til disse arbeidene til deres ansatte. Spesialistene til det japanske selskapet SONY viste seg å være mer fremsynte det skaffet seg en lisens for disse transistorer.

Forskyv radiorøret fullstendig transistor har ennå ikke lykkes. Det kan nok hevdes at halvlederenheter og vakuumrør vil eksistere side om side i lang tid, ikke erstatte hverandre, men utfylle hverandre, og innta den plassen i radioelektronikken hvor de gir størst effekt.

Musikkindustrien er intet unntak, som lyden transistorer og lamper er alvorlig forskjellige fra hverandre. Det er åpenbart at alternativene for å bruke teknologi bygget på slike ulike komponenter må være forskjellige. Tilsynelatende er en lampe å foretrekke i noen tilfeller, og i andre - transistor.

Med den moderne utviklingen av elektronikk er det mulig å gjøre lyden av en transistorenhet varm, og en rørenhet – pålitelig. Slik teknologi finnes, men er svært kostbar.

Likevel er det håp om at i fremtiden lampen og transistor vil begynne å leve sammen, utfylle hverandre og glede forbrukerne. Anmeldelser om kombinert utstyr i dag er veldig oppmuntrende.

Transistor oppdatert: 20. november 2017 av: Elena

1956 I konserthuset i Stockholm mottar tre amerikanske forskere John Bardeen, William Shockley og Walter Brattain Nobelprisen "for sin forskning på halvledere og oppdagelsen av transistoreffekten" - et virkelig gjennombrudd innen fysikkfeltet. Fra nå av er navnene deres for alltid skrevet inn verdensvitenskap. Men mer enn 15 år før det, i begynnelsen av 1941, oppdaget og beskrev en ung ukrainsk forsker Vadim Lashkarev eksperimentelt i sin artikkel et fysisk fenomen, som, som det viste seg, senere fikk navn p-n overgang (p-positiv, n-negativ). I artikkelen sin avslørte han også injeksjonsmekanismen - det viktigste fenomenet som halvlederdioder og transistorer fungerer på grunnlag av.

Offisielt går historien til transistoren slik: den første presserapporten om utseendet til en halvledertransistorforsterker dukket opp i amerikansk presse i juli 1948. Oppfinnerne er amerikanske forskere Bardeen og Brattain. De tok veien for å lage en såkalt punktpunkttransistor basert på en n-type germaniumkrystall. De oppnådde sitt første oppmuntrende resultat på slutten av 1947. Apparatet oppførte seg imidlertid ustabilt, dets egenskaper var uforutsigbare, og derfor praktisk anvendelse Jeg mottok ikke en punkt-punkt transistor.

Gjennombruddet kom i 1951, da William Shockley skapte sin mer pålitelige plantransistor n-p-n type, som besto av tre lag av n, p og n type germanium, med en total tykkelse på 1 cm. I løpet av få år ble betydningen av oppfinnelsen av amerikanske forskere åpenbar, og de ble tildelt Nobelprisen.

Lenge før dette, selv før starten av den store patriotiske krigen i 1941, gjennomførte Lashkarev en rekke vellykkede eksperimenter og oppdaget р-n kryss og avslører mekanismen for elektronhulldiffusjon, på grunnlag av hvilken, under hans ledelse på begynnelsen av 50-tallet, ble de første halvledertriodene - transistorer - opprettet i Ukraina (den gang en del av USSR).

I vitenskapelige termer er et pn-kryss et område i rommet i krysset mellom to p- og n-type halvledere, der en overgang fra en type konduktivitet til en annen skjer. Den elektriske ledningsevnen til et materiale avhenger av hvor tett kjernene til atomene holder elektroner. Dermed er de fleste metaller gode ledere fordi de har et stort antall elektroner som er svakt bundet til atomkjernen, som lett tiltrekkes av positive ladninger og frastøtes av negative. Elektroner i bevegelse er bærere av elektrisk strøm. På den annen side lar isolatorer ikke strøm passere, siden elektronene i dem er tett bundet til atomene og ikke reagerer på påvirkningen av et eksternt elektrisk felt.

Halvledere oppfører seg annerledes. Atomer i halvlederkrystaller danner et gitter, hvis ytre elektroner er bundet av kjemiske krefter. I ren form Halvledere er som isolatorer: de leder enten dårlig strøm eller ikke i det hele tatt. Men det er verdt å legge til krystallgitter en liten mengde atomer av visse grunnstoffer (urenheter), hvordan deres oppførsel endres dramatisk.

I noen tilfeller binder urenhetsatomer seg til halvlederatomer, og danner ekstra elektroner som gir halvlederen en negativ ladning. I andre tilfeller skaper urenhetsatomer såkalte "hull" som kan "absorbere" elektroner. Dermed oppstår en mangel på elektroner og halvlederen blir positivt ladet. Under de rette forholdene kan halvledere lede elektrisk strøm. Men i motsetning til metaller, leder de det på to måter. En negativt ladet halvleder har en tendens til å bli kvitt overflødige elektroner dette er n-type ledningsevne (fra negativ). Ladningsbærerne i halvledere av denne typen er elektroner. På den annen side tiltrekker positivt ladede halvledere elektroner og fyller "hullene". Men når ett "hull" er fylt, dukker et annet opp i nærheten - forlatt av elektronet. Dermed skaper "hullene" en strøm av positiv ladning, som er rettet i motsatt retning av elektronenes bevegelse. Dette er p-type ledningsevne (fra positiv - positiv). I begge typer halvledere støtter såkalte ikke-majoritets ladningsbærere (elektroner i p-type halvledere og "hull" i n-type halvledere) strømmen i retningen omvendt bevegelse hovedladebærere.

Ved å introdusere urenheter i germanium- eller silisiumkrystaller, kan det lages halvledermaterialer med ønskede elektriske egenskaper. For eksempel genererer innføringen av en liten mengde fosfor frie elektroner, og halvlederen får n-type ledningsevne. Tilsetning av boratomer skaper derimot hull og materialet blir en p-type halvleder.

Senere viste det seg at en halvleder som urenheter blir introdusert i, får egenskapen til å passere elektrisk strøm, dvs. har ledningsevne, hvis verdi under en viss påvirkning kan variere innenfor vide grenser.

Da det ble funnet en metode i USA for å utføre en slik effekt elektrisk, dukket transistoren (fra det opprinnelige navnet transresistor) opp. Det faktum at Lashkarev i 1941 publiserte resultatene av oppdagelsene hans i artiklene "Studie av barrierelag ved bruk av termisk probemetode" og "Påvirkningen av urenheter på ventilens fotoelektriske effekt i kobberoksid" (medforfatter med sin kollega K.M. Kosonogova ) var ikke på grunn av krigstid kom til den vitenskapelige verden. Antagelig utbruddet av den kalde krigen og nedgangen i Sovjetunionen"Jernteppet" spilte en rolle i det faktum at Lashkarev aldri ble det Nobelprisvinner. Forresten, Lashkarev, mens han var i Sibir under krigen, utviklet cuprox-dioder som ble brukt i hærens radiostasjoner og oppnådde sin industrielle produksjon.

I tillegg til de to første verkene publiserte Lashkarev, i samarbeid med V.I. Lyashenko, artikkelen "Elektroniske tilstander på overflaten av en halvleder" i 1950, som beskrev resultatene av studier av overflatefenomener i halvledere, som ble grunnlaget for drift av integrerte kretser basert på felteffekttransistorer.

På 50-tallet klarte Lashkarev også å løse problemet med masseavvisning av germanium-enkeltkrystaller. Han formulerte seg på en ny måte tekniske krav til dette elementet, siden de forrige var urimelig overpriset. Grundig forskning utført av Lashkarev og Miseluk ved Institute of Physics ved Academy of Sciences of the Ukrainian SSR i Kiev viste at det allerede oppnådde nivået av germanium enkrystallteknologi gjorde det mulig å lage punktdioder og trioder med de nødvendige egenskapene. Dette gjorde det mulig å fremskynde den industrielle produksjonen av den første tidligere USSR germanium dioder og transistorer.

Dermed var det under ledelse av Lashkarev på begynnelsen av 50-tallet at produksjonen av de første punktpunkttransistorene ble organisert i USSR. Dannet av V.E. Lashkarevs vitenskapelige skole innen halvlederfysikk blir en av de ledende i USSR. Anerkjennelse av fremragende resultater var opprettelsen i 1960 av Institute of Semiconductors ved Academy of Sciences of the Ukrainian SSR, som ble ledet av V.E. Lashkarev.

"Tiden vil komme når det på denne krystallen som Vadim Evgenievich viste oss, vil være mulig å plassere en hel datamaskin!" , - spådde akademiker Sergei Lebedev, som skapte den første datamaskinen på det kontinentale Europa - MESM. Og slik ble det. Men dette skjedde mer enn tjue år senere, da det dukket opp store LSI-integrerte kretser, som inneholdt titalls og hundretusenvis av transistorer på en brikke, og senere ultrastore VLSI-integrerte kretser med mange millioner komponenter på en brikke, som åpnet veien for mennesket til informasjonstiden.