Кто создал транзистор в 1947 году. Транзисторная история. Изобретение транзисторов и развитие полупроводниковой электроники. Дальнейшие изыскания Шокли

3 ноября 1957 года Советский Союз запустил Второй искусственный спутник Земли с первым живым «пассажиром» - собакой Лайкой. Сенсационный успех и секретность проектов до сих пор оставляют «за кадром» выдающиеся достижения специалистов в области радиоэлектронной аппаратуры, чьё участие в космической гонке отечественной литературой практически не рассматривается, что совершенно несправедливо.

О чём речь?

- Где бревно?
- Чёрт его знает, говорят, на спутнике макаку чешет.
Перевод:
- Где капитан Деревянко?
- Не знаю, но, говорят, что работает по закрытому каналу связи и отслеживает американские испытания прототипа торпеды Мk-48.

За время, прошедшее после изобретения транзистора Шокли, Бардином и Браттейном в конце 1940-х и до начала космической эры, транзисторы изменились довольно заметно. Точечные транзисторы были вытеснены плоскостными, плоскостные - сплавными, и так далее, пока их все не вытеснили планарные . Кремниевые транзисторы вытеснили германиевые, хотя и далеко не сразу. Первый кремниевый транзистор сделала в 1954 году компания Texas Instruments , и, забегая вперёд, транзисторы именно этой компании использовали в первых американских спутниках .

Рис. 3 Бардин, Шокли и Браттейн в лаборатории Bell

Рис. 4 Сплавной транзистор. Квадратная пластина - база, с одной стороны к ней приварена бусина эмиттера, с другой - бусина коллектора (из Википедии)

Полупроводниковое производство в СССР началось в 1947 году с линии по производству германиевых детекторов для радиолокации, вывезенной из Германии. Разработками занималась группа под руководством А. В. Красилова в НИИ-160 (ныне - АО «НПП «Исток» им. Шокина). С. Г. Мадоян - выпускница Московского химико-технологического института - в 1948-1949 гг. разработала макет первого точечного германиевого транзистора в СССР , . Первый лабораторный образец работал не больше часа, а затем требовал новой настройки

Рис. 5 Александр Викторович Красилов	Рис. 6 Сусанна Гукасовна Мадоян. 1950 г.
Рис. 7 Вадим Евгеньевич Лашкарёв	Рис. 8 Академик Аксель Иванович Берг

В 1950 году транзисторная тематика появилась в ЦНИИ-108 МО (ныне АО «Центральный научно-исследовательский радиотехнический институт имени академика А. И. Берга»), Физическом институте Академии наук, Ленинградском физико-техническом институте и других организациях. Первые точечные транзисторы изготовлены В.Е. Лашкарёвым в лаборатории при Институте физики АН Украинской ССР. Из-за секретности исследований часто в тот период разные научные группы делали практически одно и то же, получали схожие результаты и делали открытия независимо друг от друга. Такая ситуация продолжалась до ноября 1952 года, когда вышел специальный номер американского журнала «Труды института радиоинженеров» (Proceedings of IRE, ныне Proceedings of IEEE), полностью посвященный транзисторам . В начале 1953 года заместитель министра обороны академик А. И. Берг подготовил письмо в ЦК КПСС о развитии работ по транзисторам, и в мае министр промышленности средств связи М. Г. Первухин провел в Кремле совещание, посвященное полупроводникам, на котором приняли решение об организации специализированного НИИ полупроводниковой электроники (НИИ-35, ныне НПП «Пульсар»). В «Пульсар» перевели лабораторию А.В. Красилова, в которой создали первый в СССР опытный образец германиевого плоскостного («слоистого») транзистора. Эта разработка легла в основу серийных приборов П1-П3 (1955 г.) и их модификаций .

Рис. 9 Первые германиевые и кремниевые советские транзисторы

Первые кремниевые сплавные транзисторы появились в СССР в 1956 году (П104-П106), затем в 1956-1957 гг. - германиевые П401-П-403 (30-120 МГц), а также П418 (500 МГц). Как видим, к запуску первого искусственного спутника Земли в СССР было производство как германиевых, так и кремниевых транзисторов, хотя даже 1960-е годы процент выхода годных кремниевых транзисторов составлял всего 19,3% . По данным , в 1957 году советская промышленность выпустила 2,7 миллионов транзисторов (для сравнения, в США выпуск транзисторов в этом году составил 28 миллионов штук, а число различных типов достигло 600). Первые германиевые транзисторы работали в диапазоне температур до +85 o C и их характеристики были нестабильны, что отвращало от транзисторов как военных, так и политическое руководство СССР.

Транзисторы и военные

В среде «транзисторостроителей» популярна история, согласно которой транзисторы получили широкое распространение, благодаря находчивости изобретателей, заявивших, что транзистор нельзя использовать для «спецприменений», и недальновидности военных . По всей видимости, эта история имеет под собой реальное основание.

Создатели первого транзистора не могли знать всё, на что он окажется способен, но администрация Bell Labs понимала, что значение этого открытия - огромно, и делала всё от неё зависящее, чтобы об открытии узнали в научных кругах . На 30 июня 1948 года назначили большую пресс-конференцию для того, чтобы объявить об открытии. Но перед тем, как показать транзистор публике, его нужно было показать военным. Была надежда на то, что военные не станут засекречивать эту разработку, но было понятно, что они могут это сделать. 23 июня Ральф Боун (Ralph Bown) показывал транзистор группе офицеров. Он показал кристалл с проводами и то, что он может усиливать электрический сигнал эффективнее, чем массивная вакуумная лампа. Он также рассказал им, что ровно такую же демонстрацию собираются провести через неделю, при этом формально не спросив у них на это разрешения. Военные обсудили этот вопрос между собой после демонстрации, но, в конце концов, никто из них не высказался в пользу засекречивания этой темы. То ли уже из-за собственной недальновидности, то ли в виде дополнительной защиты от посягательств военных было заявлено, что «the transistor is expected to be used primarily in hearing aids for the deaf» («ожидается, что транзистор будет использоваться, главным образом, в слуховых аппаратах для глухих») . В результате пресс-конференция прошла без помех . Журнал New York Times поместил заметку о транзисторе на странице 46 в разделе «Новости радио» после «пространной заметки о возобновлении репортажей некой несравненной мисс Брукс» .

В начале сентября 1951 года Bell Labs провели симпозиумы в Мюррей Хилл, штат Нью-Джерси, в ходе которых инженеры в довольно общих чертах объясняли, как сделать точечные транзисторы, и рассказывали о текущем прогрессе со сплавными транзисторами. При этом ничего не говорили о конкретном процессе изготовления и о военных применениях. Первый симпозиум посетили свыше 300 человек (в основном, военные), каждый из которых заплатил взнос $25000 (двадцать пять тысяч долларов 1951 года ) . Многие фирмы хотели производить транзисторы самостоятельно, а не покупать их, и многие в этом преуспели. Фирма Philips и вовсе изготовила транзистор без посещения этих семинаров, пользуясь только информацией из американских газет. Надо отметить, что AT&T не способствовала, но и не препятствовала тому, чтобы другие фирмы производили транзисторы .

В 1951 году было всего лишь четыре американских компании, изготавливающих транзисторы для коммерческих применений: Texas Instruments, International Business Machines (IBM), Hewlett-Packard и Motorola. Они получили лицензии за те самые $25000 с низким роялти. Их пригласили на второй симпозиум в апреле 1952 года, где секреты изготовления транзисторов были полностью раскрыты. К 1952 году фирм-производителей стало восемь, к 1953 - пятнадцать, а к 1956 году было, по крайней мере, двадцать шесть компаний, производящих германиевые транзисторы, с доходом более 14 миллионов долларов в год. При этом американские военные были основным потребителем транзисторов. В 1952 году производители полупроводников из Bell Labs подписали военных контрактов на сумму свыше 5 миллионов долларов . Доля финансирования исследований (R&D, Research and Development) со стороны военных с 1953 по 1955 гг выросла до 50% .

При всём этом, будущее полупроводников для военных оставалось неясным, т.к. транзистор был «шумным», по сравнению с лампами, он выдерживал меньшие нагрузки, мог быть повреждён от внезапных скачков напряжений, его характеристики были нестабильны в температурном диапазоне, а частотный диапазон был относительно узок. Усугублял ситуацию большой разброс параметров между двумя транзисторами. Цена транзисторов также была высока: первые образцы стоили $20, к 1953 году они подешевели до $8, в то время как лампы стоили около $1 . Кремниевые меза-транзисторы компании Fairchild Semiconductor были проданы IBM в количестве 100 штук по цене $150 (каждый) в 1958 году - в то время как германиевые транзисторы стоили тогда менее $5 . В середине 1960-х эти же транзисторы стали стоить менее 10 центов за штуку .

А что со слуховыми аппаратами? Они действительно появились в США в 1952-1953 годах , , и это стало первым невоенным использованием транзистора. AT&T выдала бесплатные лицензии на использование в слуховых аппаратах в память о работе Александра Белла с глухими .

К сожалению, у этой истории есть малоизвестное печальное продолжение, которое касается уже Советского Союза. Профессор Я.А. Федотов (автор одной из первых монографий по транзисторам 1955 года ) в 1994 году в статье «Электроника шлёт SOS!» упоминает «убийственный» приговор, который вынесли на одном из заседаний Совмина СССР в 1956 году: «Транзистор никогда не войдёт в серьёзную аппаратуру. Единственно перспективная для него область применения - это аппараты для тугоухих...». Знакомые выражения, не правда ли? Федотов пишет: «Это недоверие к транзистору и тяга к старой ламповой технике объяснялись непониманием новой ситуации в электронике». И это за год до запуска первого спутника! Таким образом, всё то, чего избегали и успешно избежали американские «транзисторостроители», навалилось на отечественных: секретность, отсутствие централизации, непонимание перспектив высшим политическим руководством СССР. Очевидно, в таких условиях у транзисторов было мало шансов попасть на борт.

Если не транзистор, то что?

Была ли альтернатива транзисторам? Ведь, повторимся, «на борт» можно поставить не любой прибор, а только с требуемыми характеристиками по надёжности. Альтернатива появилась в конце 1940-х годов, т.е. практически одновременно с транзисторами, в виде стержневых радиоламп. Ввиду секретности темы, отследить историю изобретения и развития этого типа радиоламп довольно сложно, и часто приходится довольствоваться информацией с интернет-форумов .

Июнь 1946 года. Совмин СССР поручает Заводу 617 (в скором будущем - Союзному научно-исследовательский институт № 617 (НИИ-617) с опытным заводом Госкомитета Совета Министров СССР по радиоэлектронике) в Новосибирске разработку сверхминиатюрных и особопрочных ламп для бортовых вычислительных комплексов авиационной техники. Руководить работами назначили В.Н. Авдеева.

Рис. 10 Валентин Николаевич Авдеев

Валентин Николаевич Авдеев родился 16 мая 1915 года в г. Котельниче Вятской губернии. После получения начального образования работал на заводе «Светлана» (ныне ПАО «Светлана») в Ленинграде. Окончил заводской техникум, затем учился во Всесоюзном заочном институте технического образования в 1934-1938 гг. В 1941 году на полгода был отправлен на стажировку в США (на заводы Radio Corporation of America, RCA) для изучения производства радиоламп. Когда началась Великая Отечественная война, вместе с коллективом завода был эвакуирован в Новосибирск. Там работал сначала мастером участка, с 1942 года - главным инженером завода, с 1943 - заместителем начальника лаборатории. Сверхминиатюрные радиолампы были разработаны ОКБ завода 617 к 1947 году, а с 1948 года началось секретное производство. С 1949 года открыта работа «Молекула» по созданию сверхминиатюрных ламп повышенной виброустойчивости. На базе лаборатории № 1 создаётся НИИ-617, директором которого назначается Авдеев.

Стержневые радиолампы были практически свободны от недостатков, присущих «обычным» радиолампам и, в отличие от транзисторов того времени, могли работать в полном температурном диапазоне. Создана серия радиоламп: 1Ж17Б, 1Ж18Б, 1Ж24Б, 1Ж29Б и 1П24Б. В 1960 году в журнале «Радио» опубликована статья , посвящённая принципам работы стержневых радиоламп, в которой отмечены преимущества этого типа, а также заявлена граничная частота - более 200 МГц, что более чем соответствовало требованиям по частоте приёма радиосигналов с первого искусственного спутника Земли (см. ).

Рис. 11 Сравнение «обычных» и стержневых радиоламп из статьи в журнале «Радио»

За создание стержневых радиоламп В.Н. Авдеев был избран членом-корреспондентом АН СССР в 1958 году (в тот же год, когда С.П. Королёва избрали действительным членом). Это при том, что В.Н. Авдеев никогда не защищал диссертаций - ни кандидатской, ни тем более докторской.

Авторы статьи в журнале «Радио» сетуют: «Несколько лет назад, когда появились полупроводниковые приборы, некоторые радиоспециалисты склонны были сразу же «похоронить» электронную лампу. У лампы, которая на протяжении десятков лет приносила радиоэлектронике один триумф за другим, вдруг обнаружилось множество недостатков… Электронная лампа по сравнению с полупроводниковым триодом несомненно имеет ряд недостатков, но ведь общеизвестны и замечательные достоинства лампы...». И добавляют: «К сожалению, приходится отметить, что вопрос о масштабах применения, а следовательно, и производства стержневых ламп решается недостаточно оперативно, несмотря на то, что эти лампы существуют уже много лет и получили высокую оценку». В этих словах - явное недоверие к «новомодным» транзисторам.

Стержневые радиолампы использовались не только в космосе и авиации - на их основе созданы радиостанции для спецназа ГРУ и КГБ СССР (Р-353 «Протон»), переносная УКВ-радиостанция Р-126, комплекс радиостанций «МАРС» для МВД и др. .

Транзисторы в первых спутниках

Soviet Army"s RED STAR:
Uncle Sam thought of launching a Sputnik into the sky.
He announced it to the whole world, not two days but two years in advance.
The boastful and rich uncle called his Sputnik Vanguard.
The name was beautiful and quite chic,
But it turned out to be pshik.

Из подборки журнала Time о реакции мировых СМИ на неудачный запуск американского спутника «Авангард» 16 декабря 1957 года. VANGUARD"S AFTERMATH: JEERS AND TEARS Monday, Dec. 16, 1957

Наша страна запустила не просто первый искусственный спутник Земли (а потом и вывела первого человека в космос), но после первого спутника в течение 7 месяцев были запущены 2 полноценных космических лаборатории - Спутник-2 с Лайкой и Спутник-3, с помощью аппаратуры которого, в частности, были открыты естественные радиационные пояса Замли . Американский первый спутник Explorer 1 на 3 месяца опередил Спутник-3, однако по своим «функциональным» характеристикам был ближе к Спутнику-1, а по весу был меньше его почти в 4 раза. Запуск Спутника-1 вызвал заслуженное уважение учёных, недоумение и даже страх обывателей на Западе, всеобщую радость и торжество в СССР и бурю эмоций политиков. Приведу лишь два характерных высказывания советских и американских политиков (цитирую по ). Первый секретарь ЦК КПСС Н.С. Хрущёв: «Кажется, название „Авангард“ отражало уверенность американцев в том, что именно их спутник будет первым в мире. Но… наш советский спутник стал первым, именно он оказался в авангарде...». Сенатор и будущий президент США Линдон Джонсон: «Я не верю, что это поколение американцев желает примириться с положением, когда каждую ночь приходится засыпать при свете коммунистической луны». Неудивительно, что космическая гонка стала ожесточённой.

Для наглядности, в таблице ниже представлены даты запуска и основные массо-габаритные характеристики первых искусственных спутников Земли.

Дата запуска	Название	Страна	Габариты	Масса, кг
04.10.1957	Спутник-1	СССР	~58 см (без антенн)	83,6
03.11.1957	Спутник-2	СССР	2 м х 4 м	508
01.02.1958	Explorer 1	США	около 1 м в длину	21,5
17.03.1958	Vanguard-I	США	16,3 см (без антенн)	1,474
26.03.1958	Explorer 3	США	около 2 м в длину	13,97
15.05.1958	Спутник-3	СССР	1,73 м х 3,57 м	1327

Отголоски ожесточённости гонки слышны и сейчас. Так, в 2015 году (№138) журнал National Geographic Россия напечатал короткую, но весьма примечательную своей непрофессиональной ангажированностью заметку «Спутник „Авангард-1“: всё ещё в авангарде». Привожу её полностью: «Размером с дыню и весом около килограмма, „Авангард-1“ стал первым спутником на солнечных батареях и важным шагом США в космической гонке. Пытаясь догнать Советский Союз, запустивший в 1957 году „Спутник-1“ и „Спутник-2“, США отправили на орбиту „Авангард-1“ 17 марта 1958 года. Хрущев уничижительно называл его „грейпфрутом“. Однако более крупные „Спутники“ сошли с орбиты и сгорели при вхождении в атмосферу в 1958 году, а „Авангард-1“ летает до сих пор. Он прекратил передачу данных в 1964 году, когда отказали последние фотоэлементы. Но устройство удерживает титул старейшего искусственного спутника на орбите и, по прогнозам, продержится там еще около 240 лет» (конец цитаты) . При всём уважении к National Geographic и американским разработчикам «Авангарда-I», думаю, что здесь комментарии излишни.

Вернёмся к транзисторам. Как мы уже отмечали, некоторые авторы утверждали, что транзисторы появились уже на Спутнике-1, причём приводили даже тип транзистора - П401 , . Сайт тоже приводит это утверждение, хотя и делает оговорку, что более вероятно применение стержневых радиоламп. Долгое время на разных форумах разные энтузиасты пытались понять, что к чему, но разобраться было практически невозможно вплоть до появления публикации ОАО «Российские космические системы» (ранее НИИ-885) отчёта по Спутнику-1. Текста этой публикации у меня нет, но её цитируют в журнале «Радио» (№ 4, 2013) , там же приводят схему передатчика первого искусственного спутника Земли:

Рис. 12 Схема основного передатчика «Спутника-1» на 20 МГц

На схеме нет ни одного транзистора, зато есть стержневые радиолампы 2П19Б. Получается, правы те, кто считает, что первые транзисторы появились только в американском Explorer 1?

Рис. 13 Уильям Пикеринг, Джеймс Ван Аллен и Вернер фон Браун демонстрируют полномасштабную модель спутника Explorer 1 на пресс-конференции в Вашингтоне после подтверждения вывода спутника на орбиту

Рис. 14 Джордж Людвиг с резервной копией Explorer 1

Этот вопрос напрямую задали Джорджу Людвигу, разработчику систем Explorer 1 . Он ответил, что раньше действительно так считал, но затем исследовал этот вопрос подробнее и выяснил, что хотя Советы не использовали транзисторов в Спутнике-1, они использовали их в одном из приборов Спутника-2, запущенного в ноябре 1957 года. Людвиг сетует: «Конечно, у них (у Советов) была намного больше вместимость и их носители могли выводить вакуумные лампы и нужные им батареи». При этом он подчёркивает, что Explorer 1 стал первым спутником, аппаратура которого была полностью на транзисторах (напомним, что устройств типа стержневых радиоламп в США в то время не было). Куратор интервью даёт ссылку на публикацию 2001 года , где утверждается следующее: „Спутник-2 был настоящей научной платформой, содержавшей различные электронные компоненты. В дополнение к радиопередатчику и кабине для Лайки, в нём были детекторы солнечного ультрафиолета и рентгеновских лучей, а на корпусе ракеты были смонтированы приборы для исследования космических лучей“. И далее: „Два идентичных детектора в эксперименте с космическими лучами работали как регистраторы сцинтилляций, обусловленных заряженными частицами. Импульсы подсчитывались полупроводниковой (на основе триодов) схемой...“. К сожалению, в статье нет ссылки на источник этой информации. Увы, в зарубежной литературе, случается, путают Спутник-2 и Спутник-3 (например, это произошло в , хотя в более ранней статье одного из соавторов путаницы нет ).

Так в каком же советском аппарате впервые использовали транзисторы? Достоверно известно только о Спутнике-3 . Спутник-2 запущен всего лишь через месяц после Спутника-1 - какова вероятность попадания на борт транзисторов, в любом качестве? Честно говоря, мала, учитывая не только отношение к транзисторам в руководстве СССР, но и другие соображения. Как уже отмечалось ранее, германиевые транзисторы (а именно их в основном выпускала советская промышленность и о них было известно достаточно, чтобы судить о надёжности) нестабильны в диапазоне температур, и там, где нужна температуры выше +85 o C, их не применяли. С другой стороны, американские германиевые транзисторы страдали от тех же болезней , но их в Explorer 1, по свидетельству Людвига, применяли наряду с кремниевыми, поскольку германиевые имели меньшее напряжение база-эмиттер (0,2 В против 0,5 В у кремниевых), поэтому в ряде схем с напряжением питания 2,8 В применяли именно их .

Первые транзисторные радиоприёмники

Позвольте, но откуда тогда упоминание транзистора П401 рядом со Спутником? На самом деле, учитывая рекомендованную частоту Спутника 40 МГц и тот факт, что граничная частота П401 составляла 30 МГц, трудно себе представить этот транзистор в качестве кандидата для установки на борт. Причина, по которой этот транзистор упоминается в контексте Спутника, может быть комичной. Помните ремарку о том, что в быту путают транзистор и транзисторный радиоприёмник? Так вот, в 1957 году на Воронежском радиозаводе стали выпускать радиоприёмник «Спутник», схема которого представлена ниже .

Рис. 15 Схема радиоприёмника «Спутник» (1957 г.)

В схеме без труда можно найти и П401, и П402, и другие транзисторы. Первые образцы были произведены в апреле 1957 года, за 5 месяцев до запуска Спутника-1. Корпус был выполнен из высушенной сосны, пропитанной спиртовым раствором целлюлозы, и обтянут декоративным пластиком.

Рис. 16 Транзисторный радиоприёмник «Спутник»

Габариты - 185х125х49 мм, вес с аккумуляторами - 950 г. На верхней грани корпуса находилась солнечная батарея! Стоимость аппарата составляла 514 рублей - это была примерно средняя зарплата рабочего в то время.

Так из-за недостатка данных по Спутникам произошла путаница со «Спутниками».

И что из этого следует?

В следующем 2017 году мы (Россия и весь мир) будем отмечать 60-летие запуска Первого и Второго искусственных спутников Земли. Хотелось бы обратиться к руководству АО «Российские Космические Системы» с предложением опубликовать к этому времени отчёт о системах «Спутника-2» и «Спутника-3», поскольку очевидно, что это имеет огромное историческое значение не только для космической отрасли, но и для электронной промышленности России, которая жива, несмотря ни на что.

Превосходство советской космической техники над американской невольно сыграло против развития отечественных транзисторов, поскольку были подходящие радиолампы, позволяющие решать имеющиеся задачи, не заботясь об экономии габаритов и массы так, как это приходилось делать американцам. В результате, оглядываясь назад, мы видим, насколько ушли вперёд автоматические космические системы НАСА, в настоящее время активно занимающиеся исследованием Солнечной системы (Марс, Юпитер, Сатурн, Плутон...). Не отстаёт и Европейское космическое агентство ЕКА, активно занимающееся малогабаритными спутниками (микро- и наноспутниками). Едва ли человек в ближайшие десятилетия освоит Солнечную систему, но это сможет сделать человеческий разум «руками» автоматических аппаратов, обладающих необходимым «интеллектом». После упадка 1990-2000 годов, несмотря на определённые успехи отечественных разработчиков, России остро не хватает собственных микросхем, способных решать вычислительные задачи современного уровня или даже уровня завтрашнего дня (ведь космические проекты планируются несколько лет) и обладающих при этом необходимой радиационной стойкостью и сбоеустойчивостью. И проблема здесь не столько в имеющемся технологическом отставании, сколько в отсутствии единого понимания облика таких вычислительных систем и, следовательно, в недостатке не только электронной компонентной базы, но и надёжного и эффективного программного обеспечения. Нельзя повторять ошибок прошлого - нужно учиться на них.

ПЯТИГОРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА УПРАВЛЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

РЕФЕРАТ

«История развития транзисторов»

Выполнил:

Студент гр. УИТС-б-101

Сергиенко Виктор

Пятигорск, 2010

Введение

Транзи́стор (от англ. transfer - переносить и resistance - сопротивление или transconductance - активная межэлектродная проводимость и varistor - переменное сопротивление) - электронный прибор из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналам управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов.

Управление током в выходной цепи осуществляется за счёт изменения входного напряжения или тока. Небольшое изменение входных величин может приводить к существенно большему изменению выходного напряжения и тока. Это усилительное свойство транзисторов используется в аналоговой технике (аналоговые ТВ, радио, связь и т. п.).

В настоящее время в аналоговой технике доминируют биполярные транзисторы (БТ) (международный термин - BJT, bipolar junction transistor). Другой важнейшей отраслью электроники является цифровая техника (логика, память, процессоры, компьютеры, цифровая связь и т. п.), где, напротив, биполярные транзисторы почти полностью вытеснены полевыми.

Вся современная цифровая техника построена, в основном, на полевых МОП (металл-оксид-полупроводник)-транзисторах (МОПТ), как более экономичных, по сравнению с БТ, элементах. Иногда их называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник)- транзисторы. Международный термин - MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor). Транзисторы изготавливаются в рамках интегральной технологии на одном кремниевом кристалле (чипе) и составляют элементарный «кирпичик» для построения микросхем логики, памяти, процессора и т. п. Размеры современных МОПТ составляют от 90 до 32 нм. На одном современном чипе (обычно размером 1-2 см²) размещаются несколько (пока единицы) миллиардов МОПТ. На протяжении 60 лет происходит уменьшение размеров (миниатюризация) МОПТ и увеличение их количества на одном чипе (степень интеграции), в ближайшие годы ожидается дальнейшее увеличение степени интеграции транзисторов на чипе (см. Закон Мура). Уменьшение размеров МОПТ приводит также к повышению быстродействия процессоров, снижению энергопотребления и тепловыделения.

История

Первые патенты на принцип работы полевых транзисторов были зарегистрированы в Германии в 1928 году (в Канаде, 22 октября 1925 года) на имя австро-венгерского физика Юлия Эдгара Лилиенфельда. В 1934 году немецкий физик Оскар Хейл запатентовал полевой транзистор. Полевые транзисторы (в частности, МОП-транзисторы) основаны на простом электростатическом эффекте поля, по физике они существенно проще биполярных транзисторов, и поэтому они придуманы и запатентованы задолго до биполярных транзисторов. Тем не менее, первый МОП-транзистор, составляющий основу современной компьютерной индустрии, был изготовлен позже биполярного транзистора, в 1960 году. Только в 90-х годах XX века МОП-технология стала доминировать над биполярной.

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

Позднее вакуумные лампы были заменены транзисторами в большинстве электронных устройств, совершив революцию в создании интегральных схем и компьютеров.

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

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

Классификация транзисторов

Биполярный транзистор - трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают npn и pnp транзисторы (n (negative) - электронный тип примесной проводимости, p (positive) - дырочный). В биполярном транзисторе, в отличие от других разновидностей, основными носителями являются и электроны, и дырки (от слова «би» - «два»).

Электрод, подключённый к центральному слою, называют базой, электроды, подключённые к внешним слоям, называют коллектором и эмиттером. На простейшей схеме различия между коллектором и эмиттером не видны. В действительности же главное отличие коллектора - бо́льшая площадь p - n-перехода. Кроме того, для работы транзистора абсолютно необходима малая толщина базы.

Биполярный точечный транзистор был изобретен в 1947 году, в течение последующих лет он зарекомендовал себя как основной элемент для изготовления интегральных микросхем, использующих транзисторно-транзисторную, резисторно-транзисторную и диодно-транзисторную логику.

Первые транзисторы были изготовлены на основе германия. В настоящее время их изготавливают в основном из кремния и арсенида галлия. Последние транзисторы используются в схемах высокочастотных усилителей. Биполярный транзистор состоит из трех различным образом легированных полупроводниковых зон: эмиттера E, базы B и коллектора C. В зависимости от типа проводимости этих зон различают NPN (эмиттер − n-полупроводник, база − p-полупроводник, коллектор − n-полупроводник) и PNP транзисторы. К каждой из зон подведены проводящие контакты. База расположена между эмиттером и коллектором и изготовлена из слаболегированного полупроводника, обладающего большим сопротивлением. Общая площадь контакта база-эмиттер значительно меньше площади контакта коллектор-база, поэтому биполярный транзистор общего вида является несимметричным устройством (невозможно путем изменения полярности подключения поменять местами эмиттер и коллектор и получить в результате абсолютно аналогичный исходному биполярный транзистор).

В активном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении. Для определённости рассмотрим npn транзистор, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая pnp транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку. В npn транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками), часть диффундирует обратно в эмиттер. Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, большая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора. Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает электроны (напомним, что они - неосновные носители в базе, поэтому для них переход открыт), и проносит их в коллектор. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб + Iк). Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк = α Iэ) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α 0.9 - 0.999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α / (1 − α) =(10..1000). Таким образом, изменяя малый ток базы, можно управлять значительно большим током коллектора. Уровни электронов и дырок примерно равны.

Полевой транзистор - полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия перпендикулярного тока электрического поля, создаваемого входным сигналом.

Протекание в полевом транзисторе рабочего тока обусловлено носителями заряда только одного знака (электронами или дырками), поэтому такие приборы часто включают в более широкий класс униполярных электронных приборов (в отличие от биполярных).

История создания полевых транзисторов

Идея полевого транзистора с изолированным затвором была предложена Лилиенфельдом в 1926-1928 годах. Однако объективные трудности в реализации этой конструкции позволили создать первый работающий прибор этого типа только в 1960 году. В 1953 году Дейки и Росс предложили и реализовали другую конструкцию полевого транзистора - с управляющим p-n-переходом. Наконец, третья конструкция полевых транзисторов - полевых транзисторов с барьером Шоттки - была предложена и реализована Мидом в 1966 году.

Схемы включения полевых транзисторов

Полевой транзистор можно включать по одной из трех основных схем: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ).

На практике чаще всего применяется схема с ОИ, аналогичная схеме на биполярном транзисторе с ОЭ. Каскад с общим истоком даёт очень большое усиление тока и мощности. Схема с ОЗ аналогична схеме с ОБ. Она не даёт усиления тока, и поэтому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем он имеет ограниченное практическое применение.

Классификация полевых транзисторов

По физической структуре и механизму работы полевые транзисторы условно делят на 2 группы. Первую образуют транзисторы с управляющим р-n переходом или переходом металл - полупроводник (барьер Шоттки), вторую - транзисторы с управлением посредством изолированного электрода (затвора), т. н. транзисторы МДП (металл - диэлектрик - полупроводник).

Транзисторы с управляющим p-n переходом

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом - это полевой транзистор, затвор которого изолирован (то есть отделён в электрическом отношении) от канала p-n переходом, смещённым в обратном направлении.

Такой транзистор имеет два невыпрямляющих контакта к области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда, и один или два управляющих электронно-дырочных перехода, смещённых в обратном направлении (см. рис. 1). При изменении обратного напряжения на p-n переходе изменяется его толщина и, следовательно, толщина области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда. Область, толщина и поперечное сечение которой управляется внешним напряжением на управляющем p-n переходе и по которой проходит управляемый ток основных носителей, называют каналом. Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком. Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда, называют стоком. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором.

Электропроводность канала может быть как n-, так и p-типа. Поэтому по электропроводности канала различают полевые транзисторы с n-каналом и р-каналом. Все полярности напряжений смещения, подаваемых на электроды транзисторов с n- и с p-каналом, противоположны.

Управление током стока, то есть током от внешнего относительно мощного источника питания в цепи нагрузки, происходит при изменении обратного напряжения на p-n переходе затвора (или на двух p-n переходах одновременно). В связи с малостью обратных токов мощность, необходимая для управления током стока и потребляемая от источника сигнала в цепи затвора, оказывается ничтожно малой. Поэтому полевой транзистор может обеспечить усиление электромагнитных колебании как по мощности, так и по току и напряжению.

Таким образом, полевой транзистор по принципу действия аналогичен вакуумному триоду. Исток в полевом транзисторе подобен катоду вакуумного триода, затвор - сетке, сток - аноду. Но при этом полевой транзистор существенно отличается от вакуумного триода. Во-первых, для работы полевого транзистора не требуется подогрева катода. Во-вторых, любую из функций истока и стока может выполнять каждый из этих электродов. В-третьих, полевые транзисторы могут быть сделаны как с n-каналом, так и с p-каналом, что позволяет удачно сочетать эти два типа полевых транзисторов в схемах.

От биполярного транзистора полевой транзистор отличается, во-первых, принципом действия: в биполярном транзисторе управление выходным сигналом производится входным током, а в полевом транзисторе - входным напряжением или электрическим полем. Во-вторых, полевые транзисторы имеют значительно большие входные сопротивления, что связано с обратным смещением p-n-перехода затвора в рассматриваемом типе полевых транзисторов. В-третьих, полевые транзисторы могут обладать низким уровнем шума (особенно на низких частотах), так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда и канал полевого транзистора может быть отделён от поверхности полупроводникового кристалла. Процессы рекомбинации носителей в p-n переходе и в базе биполярного транзистора, а также генерационно-рекомбинационные процессы на поверхности кристалла полупроводника сопровождаются возникновением низкочастотных шумов.

Транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы)

Полевой транзистор с изолированным затвором - это полевой транзистор, затвор которого отделён в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика.

В кристалле полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением, который называют подложкой, созданы две сильнолегированные области с противоположным относительно подложки типом проводимости. На эти области нанесены металлические электроды - исток и сток. Расстояние между сильно легированными областями истока и стока может быть меньше микрона. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. Так как исходным полупроводником для полевых транзисторов обычно является кремний, то в качестве диэлектрика используется слой двуокиси кремния SiO2, выращенный на поверхности кристалла кремния путём высокотемпературного окисления. На слой диэлектрика нанесён металлический электрод - затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют МДП-транзисторами.

Входное сопротивление МДП-транзисторов может достигать 1010…1014 Ом (у полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом 107…109), что является преимуществом при построении высокоточных устройств.

Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным каналом и со встроенным каналом.

В МДП-транзисторах с индуцированным каналом проводящий канал между сильнолегированными областями истока и стока отсутствует и, следовательно, заметный ток стока появляется только при определённой полярности и при определённом значении напряжения на затворе относительно истока, которое называют пороговым напряжением (UЗИпор).

В МДП-транзисторах со встроенным каналом у поверхности полупроводника под затвором при нулевом напряжении на затворе относительно истока существует инверсный слой - канал, который соединяет исток со стоком.

Поэтому сильнолегированные области под истоком и стоком, а также индуцированный и встроенный канал имеют электропроводность p-типа. Если же аналогичные транзисторы созданы на подложке с электропроводностью p-типа, то канал у них будет иметь электропроводность n-типа.

МДП-транзисторы с индуцированным каналом

При напряжении на затворе относительно истока, равном нулю, и при наличии напряжения на стоке, - ток стока оказывается ничтожно малым. Он представляет собой обратный ток p-n перехода между подложкой и сильнолегированной областью стока. При отрицательном потенциале на затворе (для структуры, показанной на рис. 2, а) в результате проникновения электрического поля через диэлектрический слой в полупроводник при малых напряжениях на затворе (меньших UЗИпор) у поверхности полупроводника под затвором возникает обеднённый основными носителями слой эффект поля и область объёмного заряда, состоящая из ионизированных нескомпенсированных примесных атомов. При напряжениях на затворе, больших UЗИпор, у поверхности полупроводника под затвором возникает инверсный слой, который и является каналом, соединяющим исток со стоком. Толщина и поперечное сечение канала будут изменяться с изменением напряжения на затворе, соответственно будет изменяться и ток стока, то есть ток в цепи нагрузки и относительно мощного источника питания. Так происходит управление током стока в полевом транзисторе с изолированным затвором и с индуцированным каналом.

В связи с тем, что затвор отделён от подложки диэлектрическим слоем, ток в цепи затвора ничтожно мал, мала и мощность, потребляемая от источника сигнала в цепи затвора и необходимая для управления относительно большим током стока. Таким образом, МДП-транзистор с индуцированным каналом может производить усиление электромагнитных колебаний по напряжению и по мощности.

Принцип усиления мощности в МДП-транзисторах можно рассматривать с точки зрения передачи носителями заряда энергии постоянного электрического поля (энергии источника питания в выходной цепи) переменному электрическому полю. В МДП-транзисторе до возникновения канала почти всё напряжение источника питания в цепи стока падало на полупроводнике между истоком и стоком, создавая относительно большую постоянную составляющую напряжённости электрического поля. Под действием напряжения на затворе в полупроводнике под затвором возникает канал, по которому от истока к стоку движутся носители заряда - дырки. Дырки, двигаясь по направлению постоянной составляющей электрического поля, разгоняются этим полем и их энергия увеличивается за счёт энергии источника питания, в цепи стока. Одновременно с возникновением канала и появлением в нём подвижных носителей заряда уменьшается напряжение на стоке, то есть мгновенное значение переменной составляющей электрического поля в канале направлено противоположно постоянной составляющей. Поэтому дырки тормозятся переменным электрическим полем, отдавая ему часть своей энергии.

МДП-структуры специального назначения

В структурах типа металл-нитрид-оксид-полупроводник (МНОП) диэлектрик под затвором выполняется двухслойным: слой оксида SiO2 и толстый слой нитрида Si3N4. Между слоями образуются ловушки электронов, которые при подаче на затвор МНОП-структуры положительного напряжения (28..30 В) захватывают туннелирующие через тонкий слой SiO2 электроны. Образующиеся отрицательно заряженные ионы повышают пороговое напряжение, причём их заряд может храниться до нескольких лет при отсутствии питания, так как слой SiO2 предотвращает утечку заряда. При подаче на затвор большого отрицательного напряжения (28…30 В), накопленный заряд рассасывается, что существенно уменьшает пороговое напряжение.

Структуры типа металл-оксид-полупроводник (МОП) с плавающим затвором и лавинной инжекцией (ЛИЗМОП) имеют затвор, выполненный из поликристаллического кремния, изолированный от других частей структуры. Лавинный пробой p-n-перехода подложки и стока или истока, на которые подаётся высокое напряжение, позволяет электронам проникнуть через слой окисла на затвор, вследствие чего на нём появляется отрицательный заряд. Изолирующие свойства диэлектрика позволяют сохранять это заряд десятки лет. Удаление электрического заряда с затвора осуществляется с помощью ионизирующего ультрафиолетового облучения кварцевыми лампами, при этом фототок позволяет электронам рекомбинировать с дырками.

В дальнейшем были разработаны структуры запоминающих полевых транзисторов с двойным затвором. Встроенный в диэлектрик затвор используется для хранения заряда, определяющего состояние прибора, а внешний (обычный) затвор, управляемый разнополярными импульсами для ввода или удаления заряда на встроенном (внутреннем) затворе. Так появились ячейки, а затем и микросхемы флэш-памяти, получившие в наши дни большую популярность и составившие заметную конкуренцию жестким дискам в компьютерах.

Для реализации сверхбольших интегральных схем (СБИС) были созданы сверхминиатюрные полевые микротранзисторы. Они делаются с применением нанотехнологий с геометрическим разрешением менее 100 нм. У таких приборов толщина подзатворного диэлектрика доходит до нескольких атомных слоев. Используются различные, в том числе трехзатворные структуры. Приборы работают в микромощном режиме. В современных микропроцессорах корпорации Intel число приборов составляет от десятков миллионов до 2 миллиардов. Новейшие полевые микротранзисторы выполняются на напряженном кремнии, имеют металлический затвор и используют новый запатентованный материал для подзатворного диэлектрика на основе соединений гафния.

В последние четверть века бурное развитие получили мощные полевые транзисторы, в основном МДП-типа. Они состоят из множества маломощных структур или из структур с разветвлённой конфигурацией затвора. Такие ВЧ и СВЧ приборы впервые были созданы в СССР специалистами НИИ «Пульсар» Бачуриным В. В. (кремниевые приборы) и Ваксембургом В. Я. (арсенид-галлиевые приборы) Исследование их импульсных свойств было выполнено научной школой проф. Дьяконова В. П. (Смоленский филиал МЭИ). Это открыло область разработки мощных ключевых (импульсных) полевых транзисторов со специальными структурами, имеющих высокие рабочие напряжения и токи (раздельно до 500-1000 В и 50-100 А). Такие приборы нередко управляются малыми (до 5 В) напряжениями, имеют малое сопротивление в открытом состоянии (до 0,01 Ом) у сильноточных приборов, высокую крутизну и малые (в единицы-десятки нс) времена переключения. У них отсутствует явление накопления носителей в структуре и явление насыщения, присушее биполярным транзисторам. Благодаря этому мощные полевые транзисторы успешно вытесняют мощные биполярные транзисторы в области силовой электроники малой и средней мощности.

За рубежом в последние десятилетия стремительно развивается технология транзисторов на высокоподвижных электронах (ТВПЭ), которые широко используются в СВЧ устройствах связи и радионаблюдения. На основе ТВПЭ создаются как гибридные, так и монолитные микроволновые интегральные схемы (англ.)). В основе действия ТВПЭ лежит управление каналом с помощью двумерного электронного газа, область которого создаётся под контактом затвора благодаря применению гетероперехода и очень тонкого диэлектрического слоя - спейсера.

Области применения полевых транзисторов

Значительная часть производимых в настоящий момент полевых транзисторов входит в состав КМОП-структур, которые строятся из полевых транзисторов с каналами разного (p- и n-) типа проводимости и широко используются в цифровых и аналоговых интегральных схемах.

За счёт того, что полевые транзисторы управляются полем (величиной напряжения приложенного к затвору), а не током, протекающим через базу (как в биполярных транзисторах), полевые транзисторы потребляют значительно меньше энергии, что особенно актуально в схемах ждущих и следящих устройств, а также в схемах малого потребления и энергосбережения (реализация спящих режимов).

Выдающиеся примеры устройств, построенных на полевых транзисторах, - наручные кварцевые часы и пульт дистанционного управления для телевизора. За счёт применения КМОП-структур эти устройства могут работать до нескольких лет, потому что практически не потребляют энергии.

Грандиозными темпами развиваются области применения мощных полевых транзисторов. Их применение в радиопередающих устройствах позволяет получить повышенную чистоту спектра излучаемых радиосигналов, уменьшить уровень помех и повысить надёжность радиопередатчиков. В силовой электронике ключевые мощные полевые транзисторы успешно заменяют и вытесняют мощные биполярные транзисторы. В силовых преобразователях они позволяют на 1-2 порядка повысить частоту преобразования и резко уменьшить габариты и массу энергетических преобразователей. В устройствах большой мощности используются биполярные транзисторы с полевым управлением (IGBT) успешно вытесняющие тиристоры. В усилителях мощности звуковых частот высшего класса HiFi и HiEnd мощные полевые транзисторы успешно заменяют мощные электронные лампы, обладающие малыми нелинейными и динамическими искажениями.

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

Германиевые

Кремниевые

Арсенид-галлиевые

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

Комбинированные транзисторы

Транзисторы со встроенными резисторами (Resistor-equipped transistors (RETs)) - биполярные транзисторы со встроенными в один корпус резисторами.

Транзистор Дарлингтона - комбинация двух биполярных транзисторов, работающая как биполярный транзистор с высоким коэффициентом усиления по току.

на транзисторах одной полярности

на транзисторах разной полярности

Лямбда-диод - двухполюсник, комбинация из двух полевых транзисторов, имеющая, как и туннельный диод, значительный участок с отрицательным сопротивлением.

Биполярный транзистор с изолированным затвором - силовой электронный прибор, предназначенный в основном, для управления электрическими приводами.

По мощности

По рассеиваемой в виде тепла мощности различают:

маломощные транзисторы до 100 мВт

транзисторы средней мощности от 0,1 до 1 Вт

мощные транзисторы (больше 1 Вт).

По исполнению

дискретные транзисторы

корпусные

Для свободного монтажа

Для установки на радиатор

Для автоматизированных систем пайки

бескорпусные

транзисторы в составе интегральных схем.

По материалу и конструкции корпуса

металло-стеклянный

пластмассовый

керамический

Прочие типы

Одноэлектронные транзисторы содержат квантовую точку (т. н. «остров») между двумя туннельными переходами. Ток туннелирования управляется напряжением на затворе, связанном с ним ёмкостной связью.

Биотранзистор

Выделение по некоторым характеристикам

Транзисторы BISS (Breakthrough in Small Signal, дословно - «прорыв в малом сигнале») - биполярные транзисторы с улучшенными малосигнальными параметрами. Существенное улучшение параметров транзисторов BISS достигнуто за счёт изменения конструкции зоны эмиттера. Первые разработки этого класса устройств также носили наименование «микротоковые приборы».

Транзисторы со встроенными резисторами RET (Resistor-equipped transistors) - биполярные транзисторы со встроенными в один корпус резисторами. RET транзистор общего назначения со встроенным одним или двумя резисторами. Такая конструкция транзистора позволяет сократить количество навесных компонентов и минимизирует необходимую площадь монтажа. RET транзисторы применяются для контроля входного сигнала микросхем или для переключения меньшей нагрузки на светодиоды.

Применение гетероперехода позволяет создавать высокоскоростные и высокочастотные полевые транзисторы, такие как HEMT.

Применение транзисторов

Транзисторы применяются в качестве активных (усилительных) элементов в усилительных и переключательных каскадах.

Реле и тиристоры имеют больший коэффициент усиления мощности, чем транзисторы, но работают только в ключевом (переключательном) режиме.

Кто создал первый транзистор? Этот вопрос волнует очень многих. Первый патент для полевого транзисторного принципа был оформлен в Канаде австро-венгерским физиком Юлием Эдгаром Лилиенфельдом 22 октября 1925 года, но Лилиенфельд не опубликовал никаких научных статей о своих устройствах, и его работа была проигнорирована промышленностью. Таким образом первый в мире транзистор канул в историю. В 1934 году немецкий физик доктор Оскар Хайль запатентовал другой полевой транзистор. Нет прямых доказательств того, что эти устройства были построены, но позже работа в 1990-х годах показала, что один из проектов Лилиенфельда работал так, как описано, и давал существенный результат. Ныне известным и общепринятым фактом считается то, что Уильям Шокли и его помощник Джеральд Пирсон создали рабочие версии аппаратов из патентов Лилиенфельда, о чем, разумеется, никогда не упоминали ни в одной из своих более поздних научных работ или исторических статей. Первые компьютеры на транзисторах, разумеется, были построены значительно позже.

Лаборатория Белла

Лаборатория Белла работала на транзисторе, построенном для производства чрезвычайно чистых германиевых «кристальных» миксеров-диодов, используемых в радиолокационных установках в качестве элемента частотного микшера. Параллельно этому проекту существовало множество других, в их числе - транзистор на германиевых диодах. Ранние схемы на основе трубки не обладали функцией быстрого переключения, и вместо них команда Bell использовала твердотельные диоды. Первые компьютеры на транзисторах работали по похожему принципу.

Дальнейшие изыскания Шокли

После войны Шокли решил попытаться построить триодоподобное полупроводниковое устройство. Он обеспечил финансирование и лабораторное пространство, и затем стал разбираться с возникшей проблемой совместно с Бардином и Браттеном. Джон Бардин в конечном итоге разработал новую ветвь квантовой механики, известную как физика поверхности, чтобы объяснить свои первые неудачи, и этим ученым в конечном итоге удалось создать рабочее устройство.

Ключом к развитию транзистора стало дальнейшее понимание процесса подвижности электронов в полупроводнике. Было доказано, что если бы был какой-то способ контролировать поток электронов от эмиттера до коллектора этого вновь обнаруженного диода (обнаруженный 1874 г., запатентованный 1906 г.), можно было бы построить усилитель. Например, если поместить контакты по обе стороны от одного типа кристалла, ток не пройдет через него.

На самом деле делать это оказалось очень сложно. Размер кристалла должен был бы быть более усредненным, а число предполагаемых электронов (или отверстий), которые необходимо было "впрыскивать", было очень большим, что сделало бы его менее полезным, чем усилитель, потому что для этого потребовался бы большой ток впрыска. Тем не менее вся идея кристаллического диода заключалась в том, что сам кристалл мог удерживать электроны на очень небольшом расстоянии, находясь при этом практически на грани истощения. По-видимому, ключ заключался в том, чтобы контакты ввода и вывода были очень близки друг к другу на поверхности кристалла.

Труды Браттена

Браттен начал работать над созданием такого устройства, и намеки на успех все также продолжали появляться, когда команда работала над проблемой. Изобретательство - сложная работа. Иногда система работает, но затем происходит очередной сбой. Порой результаты работы Браттена начинали неожиданно работать в воде, по-видимому, из-за ее высокой проводимости. Электроны в любой части кристалла мигрируют из-за близких зарядов. Электроны в эмиттерах или «дыры» в коллекторах аккумулировались непосредственно сверху кристалла, где и получают противоположный заряд, «плавающий» в воздухе (или воде). Однако их можно было оттолкнуть с поверхности с применением небольшого количества заряда из любого другого места на кристалле. Вместо того, чтобы потребовать большой запас инжектированных электронов, очень небольшое число в нужном месте на кристалле выполнит одно и то же.

Новый опыт исследователей в какой-то степени помог решить ранее возникшую проблему небольшой контрольной области. Вместо необходимости использования двух отдельных полупроводников, соединенных общей, но крошечной областью, будет использоваться одна большая поверхность. Выходы эмиттера и коллектора были бы расположены сверху, а контрольный провод размещен на основании кристалла. Когда ток был применен к «базовому» выводу, электроны выталкивались бы через блок полупроводника и собирались на дальней поверхности. Пока излучатель и коллектор были очень близко расположены, это должно было бы обеспечивать достаточное количество электронов или дырок между ними, чтобы начать проведение.

Присоединение Брея

Ранним свидетелем этого явления был Ральф Брей, молодой аспирант. Он присоединился к разработке германиевого транзистора в Университете Пердью в ноябре 1943 года и получил сложную задачу измерения сопротивления рассеяния на контакте металл-полупроводник. Брей обнаружил множество аномалий, таких как внутренние барьеры высокого сопротивления в некоторых образцах германия. Наиболее любопытным явлением было исключительно низкое сопротивление, наблюдаемое при применении импульсов напряжения. Первые советские транзисторы разрабатывались на основе этих американских наработок.

Прорыв

16 декабря 1947 года, используя двухточечный контакт, был сделан контакт с поверхностью германия, анодированной до девяносто вольт, электролит смылся в H 2 O, а затем на нем выпало несколько золотых пятен. Золотые контакты были прижаты к голым поверхностям. Разделение между точками было около 4 × 10 -3 см. Одна точка использовалась как сетка, а другая точка - как пластинка. Уклонение (DC) на сетке должно было быть положительным, чтобы получить усиление мощности напряжения на смещении пластины около пятнадцати вольт.

Изобретение первого транзистора

С историей сего чудомеханизма связано множество вопросов. Часть из них знакома читателю. К примеру: почему первые транзисторы СССР были PNP-типа? Ответ на этот вопрос кроется в продолжении всей этой истории. Браттен и Х. Р. Мур продемонстрировали нескольким коллегам и менеджерам в Bell Labs во второй половине дня 23 декабря 1947 года результат, которых они добились, потому этот день часто упоминается в качестве даты рождения транзистора. PNP-контактный германиевый транзистор работал в качестве речевого усилителя с коэффициентом усиления мощности 18. Это ответ на вопрос, почему первые транзисторы СССР были PNP-типа, ведь их закупили именно у американцев. В 1956 году Джон Бардин, Уолтер Хаузер Браттен и Уильям Брэдфорд Шокли были удостоены Нобелевской премии по физике за исследования полупроводников и открытие эффекта транзистора.

Двенадцать человек упоминаются как непосредственное участие в изобретении транзистора в лаборатории Bell.

Самые первые транзисторы в Европе

В то же время некоторые европейские ученые загорелись идеей твердотельных усилителей. В августе 1948 года немецкие физики Герберт Ф. Матаре и Генрих Велькер, работавшие в институте Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse в Ольне-су-Буа, Франция, подали заявку на патент на усилитель, основанный на меньшинстве которые они назвали «транзистором». Поскольку Bell Labs не публиковал транзистор до июня 1948 года, транзистор считался независимо разработанным. Впервые Mataré наблюдала эффекты крутизны при производстве кремниевых диодов для немецкого радиолокационного оборудования во время Второй мировой войны. Транзисторы были коммерчески изготовлены для французской телефонной компании и военных, а в 1953 году на радиостанции в Дюссельдорфе была продемонстрирована твердотельная радиоприемник с четырьмя транзисторами.

Bell Telephone Laboratories нуждалось в названии для нового изобретения: Semiconductor Triode, Tried States Triode, Crystal Triode, Solid Triode и Iotatron были рассмотрены, но «транзистор», придуманный Джоном Р. Пирсом, был явным победителем внутреннего голосования (частично благодаря близости, которую инженеры Белла разработали для суффикса «-истор»).

Первая коммерческая линия по производству транзисторов в мире была на заводе Western Electric на Union Boulevard в Аллентауне, штат Пенсильвания. Производство началось 1 октября 1951 г. с точечного контактного германиевого транзистора.

Дальнейшее применение

Вплоть до начала 1950-х этот транзистор использовался во всех видах производства, но все еще существовали значительные проблемы, препятствующие его более широкому применению такие, как чувствительность к влаге и хрупкость проводов, прикрепленных к кристаллам германия.

Шокли часто обвиняли в плагиате из-за того, что его работы были очень приближены к трудам великого, но непризнанного венгерского инженера. Но адвокаты Bell Labs быстро уладили эту проблему.

Тем не менее Шокли был возмущен нападками со стороны критиков и решил продемонстрировать, кто был настоящим мозгом всей великой эпопеи по изобретению транзистора. Всего несколько месяцев спустя он изобрел совершенно новый тип транзистора, обладающего очень своеобразной «бутербродной структурой». Эта новая форма была значительно более надежной, чем хрупкая система точечного контакта, и в итоге именно она начала использоваться во всех транзисторах 60-х годов ХХ столетия. Вскоре она развилась в аппарат биполярного перехода, ставший основой для первого биполярного транзистора.

Статический индукционный прибор, первая концепция высокочастотного транзистора, был изобретен японскими инженерами Jun-ichi Nishizawa и Y. Watanabe в 1950 году и, наконец, смог создать экспериментальные прототипы в 1975 году. Это был самый быстрый транзистор в 80-е годы ХХ столетия.

Дальнейшие разработки включали в себя приборы с расширенным соединением, поверхностно-барьерный транзистор, диффузионный, тетродный и пентодный. Диффузионный кремниевый «меза-транзистор» был разработан в 1955 году в Bell и коммерчески доступен Fairchild Semiconductor в 1958 году. Пространство было типом транзистора, разработанного в 1950-х годах как улучшение по сравнению с точечным контактным транзистором и более поздним транзистором из сплава.

В 1953 году Филко разработал первый в мире высокочастотный поверхностно-барьерный прибор, который также был первым транзистором, подходящим для высокоскоростных компьютеров. Первое в мире транзисторное автомобильное радио, изготовленное Philco в 1955 году, использовало поверхностно-барьерные транзисторы в своей схеме.

Решение проблем и доработка

С решением проблем хрупкости осталась проблема чистоты. Создание германия требуемой чистоты оказалось серьезной проблемой и ограничило количество транзисторов, которые фактически работали из данной партии материала. Чувствительность германия к температуре также ограничивала его полезность.

Ученые предположили, что кремний будет легче изготовить, но мало кто изучил эту возможность. Morris Tanenbaum в Bell Laboratories были первыми, кто разработал рабочий кремниевый транзистор 26 января 1954 г. Несколько месяцев спустя, Гордон Тил, работающий самостоятельно в Texas Instruments, разработал аналогичное устройство. Оба эти устройства были сделаны путем контроля легирования кристаллов одного кремния, когда они выращивались из расплавленного кремния. Более высокий метод был разработан Моррисом Таненбаумом и Кальвином С. Фуллером в Bell Laboratories в начале 1955 года путем газовой диффузии донорных и акцепторных примесей в монокристаллические кремниевые кристаллы.

Полевые транзисторы

Полевой транзистор был впервые запатентован Юлисом Эдгаром Лилиенфельдом в 1926 году и Оскаром Хейлом в 1934 году, но практические полупроводниковые устройства (транзисторы с полевым эффектом перехода ) были разработаны позднее, после того как эффект транзистора наблюдался и объяснялся командой Уильяма Шокли в Bell Labs в 1947 году, сразу же после истечения двадцатилетнего патентного периода.

Первым типом JFET был статический индукционный транзистор (SIT), изобретенный японскими инженерами Jun-ichi Nishizawa и Y. Watanabe в 1950 году. SIT - это тип JFET с короткой длиной канала. Полупроводниковый полевой транзистор (МОП-транзистор) из металла-оксида-полупроводника, который в значительной степени вытеснил JFET и оказал глубокое влияние на развитие электронной электронной техники, был изобретен Дауном Кахнгом и Мартином Аталлой в 1959 году.

Полевые транзисторы могут быть устройствами с мажоритарным зарядом, в которых ток переносится преимущественно мажоритарными носителями или устройствами с носителями меньших зарядов, в которых ток в основном обусловлен потоком неосновных носителей. Прибор состоит из активного канала, через который носители заряда, электроны или отверстия поступают из источника в канализацию. Концевые выводы источника и стока подключаются к полупроводнику через омические контакты. Проводимость канала является функцией потенциала, применяемого через клеммы затвора и источника. Этот принцип работы дал начало первым всеволновым транзисторам.

Все полевые транзисторы имеют клеммы источника, стока и затвора, которые примерно соответствуют эмиттеру, коллектору и базе BJT. Большинство полевых транзисторов имеют четвертый терминал, называемый корпусом, базой, массой или субстратом. Этот четвертый терминал служит для смещения транзистора в эксплуатацию. Редко приходится делать нетривиальное использование терминалов корпуса в схемах, но его присутствие важно при настройке физической компоновки интегральной схемы. Размер ворот, длина L на диаграмме, - это расстояние между источником и стоком. Ширина - это расширение транзистора в направлении, перпендикулярном поперечному сечению на диаграмме (т. е. в/из экрана). Обычно ширина намного больше, чем длина ворот. Длина затвора 1 мкм ограничивает верхнюю частоту примерно до 5 ГГц, от 0,2 до 30 ГГц.

Изобретение транзистора, ставшее важнейшим достижением ХХ века, связано с именами многих замечательных ученых. О тех, кто создавал и развивал полупроводниковую электронику, и пойдет речь в этой статье.

Ровно 50 лет назад американцам Джону Бардину, Уолтеру Браттейну и Уильяму Шокли (рис. 1) была присуждена Нобелевская премия по физике «За исследования в области полупроводников и открытие транзистора». Тем не менее, анализ истории науки однозначно свидетельствует, что открытие транзистора - это не только заслуженный успех Бардина, Браттейна и Шокли.

Рис. 1. Лауреаты Нобелевской премии по физике за 1956 год

Первые опыты

Рождение твердотельной электроники можно отнести к 1833 году. Именно тогда Майкл Фарадей (рис. 2), экспериментируя с сульфидом серебра, обнаружил, что проводимость данного вещества (а это был, как мы теперь называем, полупроводник) растет с повышением температуры, в противоположность проводимости металлов, которая в данном случае уменьшается. Почему так происходит? С чем это связано? На эти вопросы Фарадей ответить не смог.

Следующей вехой в развитии твердотельной электроники стал 1874 год. Немецкий физик Фердинанд Браун (рис. 3), будущий нобелевский лауреат (в 1909 году он получит премию «За выдающийся вклад в создание беспроволочной телеграфии») публикует статью в журнале Analen der Physik und Chemie, в которой на примере «естественных и искусственных серных металлов» описывает важнейшее свойство полупроводников - проводить электрический ток только в одном направлении. Выпрямляющее свойство контакта полупроводника с металлом противоречило закону Ома. Браун (рис. 4) пытается объяснить наблюдаемое явление и проводит дальнейшие исследования, но безрезультатно. Явление есть, объяснения нет. По этой причине современники Брауна не заинтересовались его открытием, и только пять десятилетий спустя выпрямляющие свойства полупроводников были использованы в детекторных приемниках.

Рис. 3. Фердинанд Браун

Рис. 4. Фердинанд Браун в своей лаборатории

Год 1906. Американский инженер Гринлиф Виттер Пикард (рис. 5) получает патент на кристаллический детектор (рис. 6). В своей заявке на получение патента он пишет: «Контакт между тонким металлическим проводником и поверхностью некоторых кристаллических материалов (кремний, галенит, пирит и др.) выпрямляет и демодулирует высокочастотный переменный ток, возникающий в антенне при приеме радиоволн».

Рис. 5. Гринлиф Пикард

Рис. 6. Принципиальная схема кристаллического детектора Пикарда

Тонкий металлический проводник, с помощью которого осуществлялся контакт с поверхностью кристалла, внешне очень напоминал кошачий ус.

Кристаллический детектор Пикарда так и стали называть - «кошачий ус» (cat"s whisker).

Чтобы «вдохнуть жизнь» в детектор Пикарда и заставить его устойчиво работать, требовалось найти наиболее чувствительную точку на поверхности кристалла. Сделать это было непросто. На свет появляется множество хитроумных конструкций «кошачего уса» (рис. 7), облегчающих поиск заветной точки, но стремительный выход на авансцену радиотехники электронных ламп надолго отправляет детектор Пикарда за кулисы.

Рис. 7. Вариант конструкции «кошачий ус»

И все же «кошачий ус» намного проще и меньше вакуумных диодов, к тому же намного эффективнее на высоких частотах. А что если заменить вакуумный триод, на котором была основана вся радиоэлектроника того времени, (рис. 8) на полупроводник? Возможно ли это? В начале ХХ века подобный вопрос не давал покоя многим ученым.

Рис. 8. Вакуумный триод

Лосев

Советская Россия. 1918 год. По личному распоряжению Ленина в Нижнем Новгороде создается радиотехническая лаборатория (рис. 9). Новая власть остро нуждается в «беспроволочной телеграфной» связи. К работе в лаборатории привлекаются лучшие радиоинженеры того времени - М. А. Бонч-Бруевич, В. П. Вологдин, В. К. Лебединский, В. В. Татаринов и многие другие.

Рис. 9. Нижегородская радиолаборатория

Приезжает в Нижний Новгород и Олег Лосев (рис. 10).

Рис. 10. Олег Владимирович Лосев

После окончания Тверского реального училища в 1920 году и неудачного поступления в Московский институт связи Лосев согласен на любую работу, только бы приняли в лабораторию. Его берут посыльным. Общежития посыльным не полагается.

17-летний Лосев готов жить в помещении лаборатории, на лестничной площадке перед чердаком, только бы заниматься любимым делом.

С раннего возраста он страстно увлекался радиосвязью. В годы Первой мировой войны в Твери была построена радиоприемная станция. В ее задачи входило принимать сообщения от союзников России по Антанте и далее по телеграфу передавать их в Петроград. Лосев часто бывал на радиостанции, знал многих сотрудников, помогал им и не мыслил свою дальнейшую жизнь без радиотехники. В Нижнем Новгороде у него не было ни семьи, ни нормального быта, но было главное - возможность общаться со специалистами в области радиосвязи, перенимать их опыт и знания. После выполнения необходимых работ в лаборатории ему разрешали заниматься самостоятельным экспериментированием.

В то время интерес к кристаллическим детекторам практически отсутствовал. В лаборатории никто особо не занимался этой темой. Приоритет в исследованиях был отдан радиолампам. Лосеву очень хотелось работать самостоятельно. Перспектива получить ограниченный участок работы «по лампам» его никак не вдохновляет. Может быть, именно по этой причине он выбирает для своих исследований кристаллический детектор. Его цель - усовершенствовать детектор, сделать его более чувствительным и стабильным в работе. Приступая к экспериментам, Лосев ошибочно предполагал, что «в связи с тем, что некоторые контакты между металлом и кристаллом не подчиняются закону Ома, то вполне вероятно, что в колебательном контуре, подключенном к такому контакту, могут возникнуть незатухающие колебания». В то время уже было известно, что для самовозбуждения одной лишь нелинейности вольтамперной характеристики недостаточно, должен обязательно присутствовать падающий участок. Любой грамотный специалист не стал бы ожидать усиления от детектора. Но вчерашний школьник ничего этого не знает. Он меняет кристаллы, материал иглы, аккуратно фиксирует получаемые результаты и в один прекрасный день обнаруживает искомые активные точки у кристаллов, которые обеспечивают генерацию высокочастотных сигналов.

«Все с детства знают, что то-то и то-то невозможно, но всегда находится невежда, который этого не знает, он-то и делает открытие», - шутил Эйнштейн.

Свои первые исследования генераторных кристаллов Лосев производил на простейшей схеме, представленной на рис. 11.

Рис. 11. Схема первых опытов Лосева

Испытав большое количество кристаллических детекторов, Лосев выяснил, что лучше всего генерируют колебания кристаллы цинкита, подвергнутые специальной обработке. Для получения качественных материалов он разрабатывает технологию приготовления цинкита методом сплавливания в электрической дуге естественных кристаллов. При паре цинкит - угольное острие, при подаче напряжения в10 В получался радиосигнал с длиной волны 68 м. При снижении генерации реализуется усилительный режим детектора.

Заметим, что «генерирующий» детектор был впервые продемонстрирован еще в 1910 году английским физиком Уильямом Икклзом (рис. 12).

Рис 12. Уильям Генри Икклз

Новое физическое явление не привлекает внимания специалистов, и о нем на какое-то время забывают. Икклз тоже ошибочно объяснял механизм «отрицательного» сопротивления исходя из того, что сопротивление полупроводника падает с увеличением температуры вследствие тепловых эффектов, возникающих на границе «металл–полупроводник».

В 1922 году на страницах научного журнала «Телеграфия и телефония без проводов» появляется первая статья Лосева, посвященная усиливающему и генерирующему детектору. В ней он очень подробно описывает результаты своих экспериментов, причем особое внимание уделяет обязательному присутствию падающего участка вольтамперной характеристики контакта.

В те годы Лосев активно занимается самообразованием. Его непосредственный руководитель профессор В. К. Лебединский помогает ему в изучении радиофизики. Лебединский понимает, что его молодой сотрудник сделал настоящее открытие и тоже пытается дать объяснение наблюдаемому эффекту, но тщетно. Фундаментальная наука того времени еще не знает квантовой механики. Лосев, в свою очередь, выдвигает гипотезу, что при большом токе в зоне контакта возникает некий электрический разряд наподобие вольтовой дуги, но только без разогрева. Этот разряд закорачивает высокое сопротивление контакта, обеспечивая генерацию.

Лишь через тридцать лет сумели понять, что собственно было открыто. Сегодня мы бы сказали, что прибор Лосева - это двухполюсник с N-образной вольтамперной характеристикой, или туннельный диод, за который в 1973 году японский физик Лео Исаки (рис. 13) получил Нобелевскую премию.

Рис. 13. Лео Исаки

Руководство нижегородской лаборатории понимало, что серийно воспроизвести эффект не удастся. Немного поработав, детекторы практически теряли свойства усиления и генерации. Об отказе от ламп не могло быть и речи. Тем не менее практическая значимость открытия Лосева была огромной.

В 1920-е годы во всем мире, в том числе и в Советском Союзе, радиолюбительство принимает характер эпидемии. Советские радиолюбители пользуются простейшими детекторными приемниками, собранными по схеме Шапошникова (рис. 14).

Рис. 14. Детекторный приемник Шапошникова

Для повышения громкости и дальности приема применяются высокие антенны. В городах применять такие антенны было затруднительно из-за промышленных помех. На открытой местности, где практически нет помех, хороший прием радиосигналов не всегда удавался из-за низкого качества детекторов. Введение в антенный контур приемника отрицательного сопротивления детектора с цинкитом, поставленного в режим, близкий к самовозбуждению, значительно усиливало принимаемые сигналы. Радиолюбителям удавалось услышать самые отдаленные станции. Заметно повышалась избирательность приема. И это без использования электронных ламп!

Лампы были не дешевы, причем к ним требовался специальный источник питания, а детектор Лосева мог работать от обычных батареек для карманного фонарика.

В итоге оказалось, что простые приемники конструкции Шапошникова с генерирующими кристаллами предоставляют возможность осуществлять гетеродинный прием, являвшийся в то время последним словом радиоприемной техники. В последующих статьях Лосев описывает методику быстрого поиска активных точек на поверхности цинкита и заменяет угольное острие металлическим. Он дает рекомендации, как следует обрабатывать кристаллы и приводит несколько практических схем для самостоятельной сборки радиоприемников (рис. 15).

Рис. 15. Принципиальная схема кристадина О. В. Лосева

Устройство Лосева позволяет не только принимать сигналы на больших расстояниях, но и передавать их. Радиолюбители в массовом порядке, на основе детекторов-генераторов, изготавливают радиопередатчики, поддерживающие связь в радиусе нескольких километров. Вскоре издается брошюра Лосева (рис. 16). Она расходится миллионными тиражами. Восторженные радиолюбители писали в различные научно-популярные журналы, что «при помощи цинкитного детектора в Томске, например, можно услышать Москву, Нижний и даже заграничные станции».

Рис. 16. Брошюра Лосева, издание 1924 года

На все свои технические решения Лосев получает патенты, начиная с «Детекторного приемника-гетеродина», заявленного в декабре 1923 года.

Статьи Лосева печатаются в таких журналах, как «ЖЭТФ», «Доклады АН СССР», Radio Revue, Philosophical Magazine, Physikalische Zeitschrift.

Лосев становится знаменитостью, а ведь ему еще не исполнилось и двадцати лет!

Например, в редакторском предисловии к статье Лосева «Осциллирующие кристаллы» в американском журнале The Wireless World and Radio Review за октябрь 1924 года говорится: «Автор этой статьи, господин Олег Лосев из России, за сравнительно короткий промежуток времени приобрел мировую известность в связи с его открытием осциллирующих свойств у некоторых кристаллов».

Другой американский журнал - Radio News - примерно в то же время публикует статью под заголовком «Сенсационное изобретение», в которой отмечается: «Нет необходимости доказывать, что это - революционное радиоизобретение. В скором времени мы будем говорить о схеме с тремя или шестью кристаллами, как мы говорим сейчас о схеме с тремя или шестью усилительными лампами. Потребуется несколько лет, чтобы генерирующий кристалл усовершенствовался настолько, чтобы стать лучше вакуумной лампы, но мы предсказываем, что такое время наступит».

Автор этой статьи Хьюго Гернсбек называет твердотельный приемник Лосева - кристадином (кристалл + гетеродин). Причем не только называет, но и предусмотрительно регистрирует название, как торговую марку (рис. 17). Спрос на кристадины огромен.

Рис. 17. Кристаллический детектор Лосева. Изготовлен в Radio News Laboratories. США, 1924 год

Интересно, что когда в нижегородскую лабораторию приезжают немецкие радиотехники, чтобы лично познакомиться с Лосевым, они не верят своим глазам. Они поражаются таланту и юному возрасту изобретателя. В письмах из-за границы Лосева величали не иначе как профессором. Никто и представить не мог, что профессор еще только постигает азы науки. Впрочем, очень скоро Лосев станет блестящим физиком-экспериментатором и еще раз заставит мир заговорить о себе.

В лаборатории с должности рассыльного его переводят в лаборанты, предоставляют жилье. В Нижнем Новгороде Лосев женится (правда, неудачно, как оказалось впоследствии), обустраивает свой быт и продолжает заниматься кристаллами.

В 1928 году, по решению правительства, тематика нижегородской радиолаборатории вместе с сотрудниками передается в Центральную радиолабораторию в Ленинграде, которая, в свою очередь, тоже постоянно реорганизуется. На новом месте Лосев продолжает заниматься полупроводниками, но вскоре Центральную радиолабораторию преобразовывают в Институт радиовещательного приема и акустик. В новом институте своя программа исследований, тематика работ сужается. Лаборанту Лосеву удается устроиться по совместительству в Ленинградский физико-технический институт (ЛФТИ), где у него появляется возможность продолжить исследования новых физических эффектов в полупроводниках. В конце 1920-х годов у Лосева появилась идея создать твердотельный аналог трехэлектродной вакуумной радиолампы.

В 1929–1933 гг., по предложению А. Ф. Иоффе, Лосев проводит исследования полупроводникового устройства, полностью повторяющего конструкцию точечного транзистора. Как известно, принцип действия этого прибора заключается в управлении током, текущим между двумя электродами, с помощью дополнительного электрода. Лосев действительно наблюдал данный эффект, но, к сожалению, общий коэффициент такого управления не позволял получить усиление сигнала. Для этой цели Лосев использовал только кристалл карборунда (SiC), а не кристалл цинкита (ZnO), имевшего значительно лучшие характеристики в кристаллическом усилителе (Что странно! Ему ли не знать о свойствах этого кристалла.) До недавнего времени считалось, что после вынужденного ухода из ЛФТИ Лосев не возвращался к идее полупроводниковых усилителей. Однако существует довольно любопытный документ, написанный самим Лосевым. Он датирован 12 июля 1939 года и в настоящее время хранится в Политехническом музее. В этом документе, озаглавленном «Жизнеописание Олега Владимировича Лосева», кроме интересных фактов его жизни содержится и перечень научных результатов. Особый интерес вызывают следующие строки: «Установлено, что с полупроводниками может быть построена трехэлектродная система, аналогичная триоду, как и триод, дающая характеристики, показывающие отрицательное сопротивление. Эти работы в настоящее время подготавливаются мною к печати…».

К сожалению, пока не установлена судьба этих работ, которые могли бы полностью изменить представление об истории открытия транзистора - самого революционного изобретения XX века.

Рассказывая о выдающемся вкладе Олега Владимировича Лосева в развитие современной электроники, просто невозможно не упомянуть о его открытии светоизлучающего диода.

Масштаб этого открытия нам еще только предстоит понять. Пройдет не так много времени, и в каждом доме вместо привычной лампы накаливания будут гореть «электронные генераторы света», как назвал светодиоды Лосев.

Еще в 1923 году, экспериментируя с кристадинами, Лосев обратил внимание на свечение кристаллов при пропускании через них электрического тока. Особенно ярко светились карборундовые детекторы. В 1920-е годы на Западе явление электролюминесценции одно время даже называли «свет Лосева» (Losev light, Lossew Licht). Лосев занялся изучением и объяснением полученной электролюминесценции. Он первым оценил огромные перспективы таких источников света, особо подчеркивая их высокую яркость и быстродействие. Лосев стал обладателем первого патента на изобретение светового релеприбора с электролюминесцентным источником света.

В 70-х годах ХХ века, когда светодиоды стали широко применяться, в журнале Electronic World за 1907 год была обнаружена статья англичанина Генри Роунда, в которой автор, будучи сотрудником лаборатории Маркони, сообщал, что видел свечение в контакте карборундового детектора при подаче на него внешнего электрического поля. Никаких соображений, объясняющих физику этого явления, не приводилось. Данная заметка не оказала никакого влияния на последующие исследования в области электролюминесценции, тем не менее, автор статьи сегодня официально считается первооткрывателем светодиода.

Лосев независимо открыл явление электролюминесценции и провел ряд исследований на примере кристалла карборунда. Он выделил два физически различных явления, которые наблюдаются при разной полярности напряжения на контактах. Его несомненной заслугой является обнаружение эффекта предпробойной электролюминесценции, названной им «свечение номер один», и инжекционной электролюминесценции - «свечение номер два». В наши дни эффект предпробойной люминесценции широко применяется при создании электролюминесцентных дисплеев, а инжекционная электролюминесценция является основой светодиодов и полупроводниковых лазеров. Лосеву удалось существенно продвинуться в понимании физики этих явлений задолго до создания зонной теории полупроводников. Впоследствии, в 1936 году, свечение номер один было заново обнаружено французским физиком Жоржем Дестрио. В научной литературе оно известно под названием «эффект Дестрио», хотя сам Дестрио приоритет в открытии этого явления отдавал Олегу Лосеву. Наверное, было бы несправедливо оспаривать приоритет Роунда в открытии светодиода. И все же нельзя забывать, что изобретателями радио по праву считаются Маркони и Попов, хотя всем известно, что радиоволны первым наблюдал Герц. И таких примеров в истории науки множество.

В своей статье Subhistory of Light Emitting Diode известный американский ученый в области электролюминесценции Игон Лобнер пишет о Лосеве: «Своими пионерскими исследованиями в области светодиодов и фотодетекторов он внес вклад в будущий прогресс оптической связи. Его исследования были так точны и его публикации так ясны, что без труда можно представить сейчас, что тогда происходило в его лаборатории. Его интуитивный выбор и искусство эксперимента просто изумляют».

Сегодня мы понимаем, что без квантовой теории строения полупроводников представить развитие твердотельной электроники невозможно. Поэтому талант Лосева поражает воображение. Он с самого начала видел единую физическую природу кристадина и явления инжекционной люминесценции и в этом значительно опередил свое время.

После него исследования детекторов и электролюминесценции проводились отдельно друг от друга, как самостоятельные направления. Анализ результатов показывает, что на протяжении почти двадцати лет после появления работ Лосева не было сделано ничего нового с точки зрения понимания физики этого явления. Только в 1951 году американский физик Курт Леховец (рис. 18) установил, что детектирование и электролюминесценция имеют единую природу, связанную с поведением носителей тока в p-n-переходах.

Рис. 18. Курт Леховец

Следует отметить, что в своей работе Леховец приводит в первую очередь ссылки на работы Лосева, посвященные электролюминесценции.

В 1930–31 гг. Лосев выполнил на высоком экспериментальном уровне серию опытов с косыми шлифами, растягивающими исследуемую область, и системой электродов, включаемых в компенсационную измерительную схему, для измерения потенциалов в разных точках поперечного сечения слоистой структуры. Перемещая металлический «кошачий ус» поперек шлифа, он показал с точностью до микрона, что приповерхностная часть кристалла имеет сложное строение. Он выявил активный слой толщиной приблизительно в десять микрон, в котором наблюдалось явление инжекционной люминесценции. По результатам проведенных экспериментов Лосев сделал предположение, что причиной униполярной проводимости является различие условий движения электрона по обе стороны активного слоя (или, как бы мы сказали сегодня, - разные типы проводимости). Впоследствии, экспериментируя с тремя и более зондами-электродами, расположенными в данных областях, он действительно подтвердил свое предположение. Эти исследования являются еще одним значительным достижением Лосева как ученого-физика.

В 1935 году, в результате очередной реорганизации радиовещательного института и непростых отношений с руководством, Лосев остается без работы. Лаборанту Лосеву дозволялось делать открытия, но не греться в лучах славы. И это при том, что его имя было хорошо известно сильным мира сего. В письме, датируемом 16 мая 1930 года, академик А. Ф. Иоффе пишет своему коллеге Паулю Эренфесту: «В научном отношении у меня ряд успехов. Так, Лосев получил в карборунде и других кристаллах свечение под действием электронов в 2–6 вольт. Граница свечения в спектре ограничена…».

В ЛФТИ у Лосева долгое время было свое рабочее место, но в институт его не берут, слишком независимый он человек. Все работы выполнял самостоятельно - ни в одной из них нет соавторов.

При помощи друзей Лосев устраивается ассистентом на кафедру физики Первого медицинского института. На новом месте ему намного сложнее заниматься научной работой, поскольку нет необходимого оборудования. Тем не менее, задавшись целью выбрать материал для изготовления фотоэлементов и фотосопротивлений, Лосев продолжает исследования фотоэлектрических свойств кристаллов. Он изучает более 90 веществ и особо выделяет кремний с его заметной фоточувствительностью.

В то время не было достаточно чистых материалов, чтобы добиться точного воспроизведения полученных результатов, но Лосев (в который раз!) чисто интуитивно понимает, что этому материалу принадлежит будущее. В начале 1941 года он приступает к работе над новой темой - «Метод электролитных фотосопротивлений, фоточувствительность некоторых сплавов кремния». Когда началась Великая Отечественная война, Лосев не уезжает в эвакуацию, желая завершить статью, в которой излагал результаты своих исследований по кремнию. По всей видимости, ему удалось закончить работу, так как статья была отослана в редакцию «ЖЭТФ». К тому времени редакция уже была эвакуирована из Ленинграда. К сожалению, после войны не удалось найти следы этой статьи, и теперь можно лишь догадываться о ее содержании.

22 января 1942 года Олег Владимирович Лосев умер от голода в блокадном Ленинграде. Ему было 38 лет.

В том же 1942 году в США компании Sylvania и Western Electric начали промышленное производство кремниевых (а чуть позже и германиевых) точечных диодов, которые использовались в качестве детекторовсмесителей в радиолокаторах. Смерть Лосева совпала по времени с рождением кремниевых технологий.

Военный трамплин

В 1925 году корпорация American Telephone and Telegraph (AT&T) открывает научный и опытно-конструкторский центр Bell Telephone Laboratories. В 1936 году директор Bell Telephone Laboratories Мервин Келли решает сформировать группу ученых, которая провела бы серию исследований, направленных на замену ламповых усилителей полупроводниковыми. Группу возглавил Джозеф Бекер, привлекший к работе физика-теоретика Уильяма Шокли и блестящего экспериментатора Уолтера Браттейна.

Окончив докторантуру в Массачусетском технологическом институте, знаменитом МТИ, и поступив на работу в Bell Telephone Laboratories, Шокли, будучи исключительно амбициозным и честолюбивым человеком, энергично берется за дело. В 1938 году, в рабочей тетради 26-летнего Шокли появляется первый набросок полупроводникового триода. Идея проста и не отличается оригинальностью: сделать устройство, максимально похожее на электронную лампу, с тем лишь отличием, что электроны в нем будут протекать по тонкому нитевидному полупроводнику, а не пролетать в вакууме между катодом и анодом. Для управления током полупроводника предполагалось ввести дополнительный электрод (аналог сетки) - прикладывая к нему напряжение разной полярности. Таким образом, можно будет либо уменьшать, либо увеличивать количество электронов в нити и, соответственно, изменять ее сопротивление и протекающий ток. Все как в радиолампе, только без вакуума, без громоздкого стеклянного баллона и без подогрева катода. Вытеснение электронов из нити или их приток должен был происходить под влиянием электрического поля, создаваемого между управляющим электродом и нитью, то есть благодаря полевому эффекту. Для этого нить должна быть именно полупроводниковой. В металле слишком много электронов и никакими полями их не вытеснишь, а в диэлектрике свободных электронов практически нет. Шокли приступает к теоретическим расчетам, однако все попытки построить твердотельный усилитель ни к чему не приводят.

В то же время в Европе немецкие физики Роберт Поль и Рудольф Хилш создали на основе бромида калия работающий контактный трехэлектродный кристаллический усилитель. Тем не менее, никакой практической ценности немецкий прибор не представлял. У него была очень низкая рабочая частота. Есть сведения, что в первой половине 1930-х годов трехэлектродные полупроводниковые усилители «собрали» и два радиолюбителяканадец Ларри Кайзер и новозеландский школьник Роберт Адамс. Адамс, в дальнейшем ставший радиоинженером, замечал, что ему никогда не приходило в голову оформить патент на изобретение, так как всю информацию для своего усилителя он почерпнул из радиолюбительских журналов и других открытых источников.

К 1926–1930 гг. относятся работы Юлиуса Лилиенфельда (рис. 19), профессора Лейпцигского университета, который запатентовал конструкцию полупроводникового усилителя, в наше время известного под названием полевой транзистор (рис. 20).

Рис. 19. Юлиус Лилиенфельд

Рис. 20. Патент Ю. Лилиенфельда на полевой транзистор

Лилиенфельд предполагал, что при подаче напряжения на слабо проводящий материал будет меняться его проводимость и в связи с этим возникнет усиление электрических колебаний. Несмотря на получение патента, создать работающий прибор Лилиенфельд не сумел. Причина была самая прозаическая - в 30-х годах ХХ века еще не нашлось необходимого материала, на основе которого можно было бы изготовить работающий транзистор. Именно поэтому усилия большинства ученых того времени были направлены на изобретение более сложного биполярного транзистора. Таким образом, пытались обойти трудности, возникшие при реализации полевого транзистора.

Работы по твердотельному усилителю в Bell Telephone Laboratories прерываются с началом Второй мировой войны. Уильям Шокли и многие его коллеги откомандированы в распоряжение министерства обороны, где работают до конца 1945 года.

Твердотельная электроника не представляла интереса для военных - достижения им представлялись сомнительными. За одним исключением. Детекторы. Они-то как раз и оказались в центре исторических событий.

В небе над Ла-Маншем развернулась грандиозная битва за Британию, достигшая апогея в сентябре 1940 года. После оккупации Западной Европы Англия осталась один на один с армадой немецких бомбардировщиков, разрушающих береговую оборону и подготавливающих высадку морского десанта для захвата страны - операцию «Морской лев». Трудно сказать, что спасло Англию - чудо, решительность премьера Уинстона Черчилля или радиолокационные станции. Появившиеся в конце 30-х годов радары позволяли быстро и точно обнаруживать вражеские самолеты и своевременно организовывать противодействие. Потеряв в небе над Британией более тысячи самолетов, гитлеровская Германия сильно охладела к идее захвата Англии в 1940-м и приступила к подготовке блицкрига на Востоке.

Англии были нужны радары, радарам - кристаллические детекторы, детекторам - чистые германий и кремний. Первым, и в значительных количествах, на заводах и в лабораториях появился германий. С кремнием, из-за высокой температуры его обработки, сначала возникли некоторые трудности, но вскоре проблему решили. После этого предпочтение было отдано кремнию. Кремний был дешев по сравнению с германием. Итак, трамплин для прыжка к транзистору был практически готов.

Вторая мировая стала первой войной, в которой наука, по своей значимости для победы над врагом, выступила на равных с конкретными оружейными технологиями, а в чем-то и опередила их. Вспомним атомный и ракетный проекты. В этот список можно включить и транзисторный проект, предпосылки для которого были в значительной степени заложены развитием военной радиолокации.

Открытие

В послевоенные годы в Bell Telephone Laboratories начинают форсировать работы в области глобальной связи. Аппаратура 1940-х годов использовала для усиления, преобразования и коммутации сигналов в абонентских цепях два основных элемента: электронную лампу и электромеханическое реле. Эти элементы были громоздки, срабатывали медленно, потребляли много энергии и не отличались высокой надежностью. Усовершенствовать их значило вернуться к идее использования полупроводников. В Bell Telephone Laboratories вновь создается исследовательская группа (рис. 21), научным руководителем которой становится вернувшийся «с войны» Уильям Шокли. В команду входят Уолтер Браттейн, Джон Бардин, Джон Пирсон, Берт Мур и Роберт Гибни.

Рис. 21. г. Мюррей Хилл, штат Нью-Джерси, США, Bell Laboratories. Место рождение транзистора.

В самом начале команда принимает важнейшее решение: направить усилия на изучение свойств только двух материалов - кремния и германия, как наиболее перспективных для реализации поставленной задачи. Естественно, группа начала разрабатывать предвоенную идею Шокли - усилителя с эффектом поля. Но электроны внутри полупроводника упрямо игнорировали любые изменения потенциала на управляющем электроде. От высоких напряжений и токов кристаллы взрывались, но не желали изменять свое сопротивление.

Над этим задумался теоретик Джон Бардин. Шокли, не получив быстрого результата, охладел к теме и не принимал активного участия в работе. Бардин предположил, что значительная часть электронов на самом деле не «разгуливает» свободно по кристаллу, а застревает в каких-то ловушках у самой поверхности полупроводника. Заряд этих «застрявших» электронов экранирует прикладываемое извне поле, которое не проникает в объем кристалла. Вот так в 1947 году в физику твердого тела вошла теория поверхностных состояний. Теперь, когда, казалось, причина неудач найдена, группа начала более осмысленно реализовывать идею эффекта поля. Других идей просто не было. Стали различными способами обрабатывать поверхность германия, надеясь устранить ловушки электронов. Перепробовали все - химическое травление, механическую полировку, нанесение на поверхность различных пассиваторов. Кристаллы погружали в различные жидкости, но результата не было. Тогда решили максимально локализовать зону управления, для чего один из токопроводов и управляющий электрод изготовили в виде близко расположенных подпружиненных иголочек. Экспериментатор Браттейн, за плечами которого был 15-летний опыт работы с различными полупроводниками, мог по 25 часов в сутки крутить ручки осциллографа.

Теоретик Бардин всегда был рядом, готовый сутки напролет проверять свои теоретические выкладки. Оба исследователя, как говорится, нашли друг друга. Они практически не выходили из лаборатории, но время шло, а сколько-нибудь существенных результатов по-прежнему не было.

Однажды Браттейн, издерганный от неудач, сдвинул иголки почти вплотную, более того - случайно перепутал полярности прикладываемых к ним потенциалов. Ученый не поверил своим глазам. Он был поражен, но на экране осциллографа было явно видно усиление сигнала. Теоретик Бардин отреагировал молниеносно и безошибочно: эффекта поля никакого нет, и дело не в нем. Усиление сигнала возникает по другой причине. Во всех предыдущих оценках рассматривались только электроны, как основные носители тока в германиевом кристалле, а «дырки», которых было в миллионы раз меньше, естественно игнорировались. Бардин понял, что дело именно в «дырках». Введение «дырок» через один электрод (этот процесс назвали инжекцией) вызывает неизмеримо больший ток в другом электроде. И все это на фоне неизменности состояния огромного количества электронов.

Вот так, непредсказуемым образом, 19 декабря 1947 года на свет появился точечный транзистор (рис. 22).

Сначала новое устройство назвали германиевым триодом. Бардину и Браттейну название не понравилось. Не звучало. Они хотели, чтобы название заканчивалось бы на «тор», по аналогии с резистором или термистором. Здесь им на помощь приходит инженер-электронщик Джон Пирс, который прекрасно владел словом (в дальнейшем он станет известным популяризатором науки и писателем-фантастом под псевдонимом J. J. Coupling). Пирс вспомнил, что одним из параметров вакуумного триода служит крутизна характеристики, по-английски - transconductance. Он предложил назвать аналогичный параметр твердотельного усилителя transresistance, а сам усилитель, а это слово просто вертелось на языке, - транзистором. Название всем понравилось.

Через несколько дней после замечательного открытия, в канун Рождества, 23 декабря 1947 года состоялась презентация транзистора руководству Bell Telephone Laboratories (рис. 23).

Рис. 23. Точечный транзистор Бардина-Браттейна

Уильям Шокли, который проводил отпуск в Европе, срочно возвратился в Америку. Неожиданный успех Бардина и Браттейна глубоко задевает его самолюбие. Он раньше других задумался о полупроводниковом усилителе, возглавил группу, выбрал направление исследований, но на соавторство в «звездном» патенте претендовать не мог. На фоне всеобщего ликования, блеска и звона бокалов с шампанским Шокли выглядел разочарованным и мрачным. И тут происходит нечто, что всегда будет скрыто от нас пеленой времени. За одну неделю, которую впоследствии Шокли назовет своей «страстной неделей», он создает теорию транзистора с p-n-переходами, заменившими экзотические иголочки, и в новогоднюю ночь изобретает плоскостной биполярный транзистор. (Заметим, что реально работающий биполярный транзистор был изготовлен только в 1950 году.)

Предложение принципиальной схемы более эффективного твердотельного усилителя со слоеной структурой уравняло Шокли в правах на открытие транзисторного эффекта с Бардиным и Браттейном.

Через полгода, 30 июня 1948-го, в Нью-Йорке, в штаб-квартире Bell Telephone Laboratories, после улаживания всех необходимых патентных формальностей, прошла открытая презентация транзистора. В то время уже началась холодная война между США и Советским Союзом, поэтому технические новинки прежде всего оценивались военными. К удивлению всех присутствующих, эксперты из Пентагона не заинтересовались транзистором и порекомендовали использовать его в слуховых аппаратах.

Через несколько лет новое устройство стало незаменимым компонентом в системе управления боевыми ракетами, но именно в тот день близорукость военных спасла транзистор от грифа «совершенно секретно».

Журналисты отреагировали на изобретение тоже без особых эмоций. На сорок шестой странице в разделе «Новости радио» в газете «Нью-Йорк Таймс» была напечатана краткая заметка об изобретении нового радиотехнического устройства. И только.

В Bell Telephone Laboratories не ожидали такого развития событий. Военных заказов с их щедрым финансированием не предвиделось даже в отдаленной перспективе. Срочно принимается решение о продаже всем желающим лицензий на транзистор. Сумма сделки - $25 тыс. Организовывается учебный центр, проводятся семинары для специалистов. Результаты не заставляют себя ждать (рис. 24).

Транзистор быстро находит применение в самых различных устройствах - от военного и компьютерного оборудования до потребительской электроники. Интересно, что первый портативный радиоприемник долгое время так и называли - транзистор.

Европейский аналог

Работы по созданию трехэлектродного полупроводникового усилителя велись и по другую сторону океана, но о них известно намного меньше.

Совсем недавно бельгийский историк Арманд Ван Дормел и профессор Стэнфордского университета Майкл Риордан обнаружили, что в конце 1940-х годов в Европе был изобретен и даже запущен в серию «родной брат транзистора» Бардина-Браттейна.

Европейских изобретателей точечного транзистора звали Герберт Франц Матаре и Генрих Иоганн Велкер (рис. 25). Матаре был физиком-экспериментатором, работал в немецкой фирме Telefunken и занимался микроволновой электроникой и радиолокацией. Велкер больше был теоретиком, долгое время преподавал в Мюнхенском университете, а в военные годы трудился на люфтваффе.

Рис. 25. Изобретатели транзитрона Герберт Матаре и Генрих Велкер

Встретились они в Париже. После разгрома фашистской Германии оба физика были приглашены в европейский филиал американской корпорации Westinghouse.

Еще в 1944 году Матаре, занимаясь полупроводниковыми выпрямителями для радаров, сконструировал прибор, который назвал дуодиодом. Это была пара работающих параллельно точечных выпрямителей, использующих одну и ту же пластинку германия. При правильном подборе параметров устройство подавляло шумы в приемном блоке радара. Тогда Матаре обнаружил, что колебания напряжения на одном электроде могут обернуться изменением силы тока, проходящего через второй электрод. Заметим, что описание подобного эффекта содержалось еще в патенте Лилиенфельда, и не исключено, что Матаре знал об этом. Но как бы там ни было, он заинтересовался наблюдаемым явлением и продолжал исследования.

Велкер пришел к идее транзистора с другой стороны, занимаясь квантовой физикой и зонной теорией твердого тела. В самом начале 1945 года он создает схему твердотельного усилителя, очень похожего на устройство Шокли. В марте Велкер успевает его собрать и испытать, но ему повезло не больше, чем американцам. Устройство не работает.

В Париже Матаре и Велкеру поручают организовать промышленное производство полупроводниковых выпрямителей для французской телефонной сети. В конце 1947 года выпрямители запускаются в серию, и у Матаре с Велкером появляется время для возобновления исследований. Они приступают к дальнейшим экспериментам с дуодиодом. Вдвоем они изготавливают пластинки из гораздо более чистого германия и получают стабильный эффект усиления. Уже в начале июня 1948 года Матаре и Велкер создают стабильно работающий точечный транзистор. Европейский транзистор появляется на полгода позже, чем устройство Бардина и Браттейна, но абсолютно независимо от него. О работе американцев Матаре и Велкер не могли ничего знать. Первое упоминание в прессе о «новом радиотехническом устройстве», вышедшем из Bell Laboratories, появилось только 1 июля.

Дальнейшая судьба европейского изобретения сложилась печально. Матаре и Велкер в августе подготовили патентную заявку на изобретение, но французское бюро патентов очень долго изучало документы. Только в марте 1952 года они получают патент на изобретение транзитрона - такое название выбрали немецкие физики своему полупроводниковому усилителю. К тому времени парижский филиал Westinghouse уже начал серийное производство транзитронов. Основным заказчиком выступало Почтовое министерство. Во Франции строилось много новых телефонных линий. Тем не менее, век транзитронов был недолог. Несмотря на то, что они работали лучше и дольше своего американского «собрата» (за счет более тщательной сборки), завоевать мировой рынок транзитроны не смогли. Впоследствии французские власти вообще отказались субсидировать исследования в области полупроводниковой электроники, переключившись на более масштабные ядерные проекты. Лаборатория Матаре и Велкера приходит в упадок. Ученые принимают решение вернуться на родину. К тому времени в Германии начинается возрождение науки и высокотехнологичной промышленности. Велкер устраивается на работу в лабораторию концерна Siemens, которую впоследствии возглавит, а Матаре переезжает в Дюссельдорф и становится президентом небольшой компании Intermetall, выпускающей полупроводниковые приборы.

Послесловие

Если проследить судьбы американцев, то Джон Бардин ушел из Bell Telephone Labora-tories в 1951 году, занялся теорией сверхпроводимости и в 1972 году вместе с двумя своими учениками был удостоен Нобелевской премии «За разработку теории сверхпроводимости», став, таким образом, единственным в истории ученым, дважды нобелевским лауреатом.

Уолтер Браттейн проработал в Bell Telephone Laboratories до выхода на пенсию в 1967 году, а затем вернулся в свой родной город и занялся преподаванием физики в местном университете.

Судьба Уильяма Шокли сложилась следующим образом. Он покидает Bell Telephone Laboratories в 1955 году и, при финансовой помощи Арнольда Бекмана, основывает фирму по производству транзисторов - Shockly Transistor Corporation. На работу в новую компанию переходят многое талантливые ученые и инженеры, но через два года большинство из них уходят от Шокли. Заносчивость, высокомерие, нежелание прислушиваться к мнению коллег и навязчивая идея не повторить ошибку, которую он допустил в работе с Бардиным и Браттейном, делают свое дело. Компания разваливается.

Его бывшие сотрудники Гордон Мур и Роберт Нойс при поддержке того же Бекмана основывают фирму Fairchild Semiconductor, а затем, в 1968 году создают собственную компанию - Intel.

Мечта Шокли построить полупроводниковую бизнес-империю была претворена в жизнь другими (рис. 26), а ему опять досталась роль стороннего наблюдателя. Ирония судьбы заключается в том, что еще в 1952 году именно Шокли предложил конструкцию полевого транзистора на основе кремния. Тем не менее, компания Shockly Transistor Corporation не выпустила ни одного полевого транзистора. Сегодня это устройство является основой всей компьютерной индустрии.

Рис. 26. Эволюция транзистора

После неудачи в бизнесе Шокли становится преподавателем в Стэндфордском университете. Он читает блестящие лекции по физике, лично занимается с аспирантами, но ему не хватает былой славы - всего того, что американцы называют емким словом publicity. Шокли включается в общественную жизнь и начинает выступать с докладами по многим социальным и демографическим вопросам. Предлагая решения острых проблем, связанных с перенаселением азиатских стран и национальными различиями, он скатывается к евгенике и расовой нетерпимости. Пресса, телевидение, научные журналы обвиняют его в экстремизме и расизме. Шокли снова «знаменит» и, похоже, испытывает удовлетворение от всего происходящего. Его репутации и карьере ученого приходит конец. Он выходит на пенсию, перестает со всеми общаться, даже с собственными детьми, и доживает жизнь затворником.

Разные люди, разные судьбы, но всех их объединяет причастность к открытию, коренным образом изменившему наш мир.

Дату 19 декабря 1947 года можно по праву считать днем рождения новой эпохи. Начался отсчет нового времени. Мир шагнул в эру цифровых технологий.

Литература

1. William F. Brinkman, Douglas E. Haggan, William W. Troutman. A History of the Invention of the Transistor and Where it will lead us // IEEE Journal of Solid-State Circuits. Vol.32, No.12. December 1997.
2. Hugo Gernsback. A Sensational Radio Invention // Radio News. September 1924.
3. Новиков М. А. Олег Владимирович Лосев - пионер полупроводниковой электроники // Физика твердого тела. 2004. Том 46, вып. 1.
4. Остроумов Б., Шляхтер И. Изобретатель кристадина О. В. Лосев. // Радио. 1952. № 5.
5. Жирнов В., Суэтин Н. Изобретение инженера Лосева // Эксперт. 2004. № 15.
6. Lee T. H., A Nonlinear History of Radio. Cambridge University Press. 1998.
7. Носов Ю. Парадоксы транзистора // Квант. 2006. № 1.
8. Andrew Emmerson. Who really invented Transistor? www.radiobygones.com
9. Michael Riordan. How Europe Missed the Transistor // IEEE Spectrum, Nov. 2005. www.spectrum.ieee.org

Изобретатели : Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн
Страна : США
Время изобретения : 1948 г.

Изобретение в конце 40-х годов XX века транзистора стало одной из крупнейших вех в истории электроники. , которые до этого в течение долгого времени были непременным и главнейшим элементом всех радио - и электронных устройств, имели много недостатков.

По мере усложнения радиоаппаратуры и повышения общих требований к ней, эти недостатки ощущались все острее. К ним нужно отнести, прежде всего, механическую непрочность ламп, малый срок их службы, большие габариты, невысокий КПД из-за больших тепловых потерь на аноде.

Поэтому, когда на смену вакуумным лампам во второй половине XX века пришли полупроводниковые элементы, не обладавшие ни одним из перечисленных изъянов, в радиотехнике и электронике произошел настоящий переворот.

Надо сказать, что полупроводники далеко не сразу открыли перед человеком свои замечательные свойства. Долгое время в электротехнике использовались исключительно проводники и диэлектрики. Большая группа материалов, занимавших промежуточное положение между ними, не находила никакого применения, и лишь отдельные исследователи, изучая природу электричества, время от времени проявляли интерес к их электрическим свойствам.

Так, в 1874 году Карл Фердинанд Браун обнаружил явление выпрямления тока в месте контакта свинца и пирита и создал первый кристаллический детектор. Другими исследователями было установлено, что существенное влияние на проводимость полупроводников оказывают содержащиеся в них примеси. Например, Беддекер в 1907 году обнаружил, что проводимость йодистой меди возрастает в 24 раза при наличии примеси йода, который сам по себе не является проводником.

Чем же объясняются свойства полупроводников и почему они приобрели столь большое значение в электронике? Возьмем такой типичный полупроводник, как германий. В обычных условиях он имеет удельное сопротивление в 30 миллионов раз больше, чем у меди, и в 1000000 миллионов раз меньше, чем у . Следовательно, по своим свойствам он все же несколько ближе к проводникам, чем к диэлектрикам. Как известно, способность того или иного вещества проводить или не проводить электрический ток зависит от наличия или отсутствия в нем свободных заряженных частиц.

Германий в этом смысле не является исключением. Каждый его атом четырехвалентен и должен образовывать с соседними атомами четыре электронных связи. Но благодаря тепловому воздействию некоторая часть электронов покидает свои атомы и начинает свободно перемещаться между узлами кристаллической решетки. Это примерно 2 электрона на каждые 10 миллиардов атомов.

В одном грамме германия содержится около 10 тысяч миллиардов атомов, то есть в нем имеется около 2 тысяч миллиардов свободных электронов. Это в миллионы раз меньше, чем, например, в меди или серебре, но все же, достаточно для того, чтобы германий мог пропускать через себя небольшой ток. Однако, как уже говорилось, проводимость германия можно значительно повысить, если ввести в состав его решетки примеси, например, пятивалентный атом мышьяка или сурьмы.

Тогда четыре электрона мышьяка образуют валентные связи с атомами германия, но пятый останется свободен. Он будет слабо связан с атомом, так что небольшого напряжения, приложенного к кристаллу, будет достаточно для того, чтобы он оторвался и превратился в свободный электрон (понятно, что атомы мышьяка при этом становятся положительно заряженными ионами). Все это заметно меняет электрические свойства германия.

Другая картина будет в том случае, когда в кристалл германия вводится трехвалентная примесь (например, алюминий, галлий или индий). Каждый атом примеси образует связи только с тремя атомами германия, а на месте четвертой связи останется свободное место - дырка, которую легко может заполнить любой электрон (при этом атом примеси ионизируется отрицательно).

Если этот электрон перейдет к примеси от соседнего атома германия, то дырка будет в свою очередь у последнего. Приложив к такому кристаллу напряжение, получим эффект, который можно назвать «перемещением дырок». Действительно, пусть с той стороны, где находится отрицательный полюс внешнего источника, электрон заполнит дырку трехвалентного атома. Следовательно, электрон приблизится к положительному полюсу, тогда как новая дырка образуется в соседнем атоме, расположенном ближе к отрицательному полюсу.

Затем происходит это же явление с другим атомом. Новая дырка в свою очередь заполнится электроном, приближающимся таким образом к положительному полюсу, а образовавшаяся за этот счет дырка приблизится к отрицательному полюсу. И когда в итоге такого движения электрон достигнет положительного полюса, откуда он направится в источник тока, дырка достигнет отрицательного полюса, где она заполнится электроном, поступающим из источника тока. Дырка перемещается так, словно это частица с положительным зарядом, и можно говорить, что здесь электрический ток создается положительными зарядами. Такой полупроводник называют полупроводником p-типа (от positiv - положительный).

Само по себе явление примесной проводимости еще не имеет большого значения, но при соединении двух полупроводников - одного с n-проводимостью, а другого с p-проводимостью (например, когда в кристалле германия с одной стороны создана n-проводимость, а с другой - p-проводимость) - происходят очень любопытные явления.

Отрицательно ионизированные атомы области p оттолкнут от перехода свободные электроны области n, а положительно ионизированные атомы области n оттолкнут от перехода дырки области p. То есть p-n переход превратится в своего рода барьер между двумя областями. Благодаря этому кристалл приобретет ярко выраженную одностороннюю проводимость: для одних токов он будет вести себя как проводник, а для других - как изолятор.

В самом деле, если приложить к кристаллу напряжение большее по величине, чем «запорное» напряжение p-n перехода, причем таким образом, что положительный электрод будет соединен с p-областью, а отрицательный - с n-областью, то в кристалле будет протекать электрический ток, образованный электронами и дырками, перемещающимися навстречу друг другу.

Если же потенциалы внешнего источника поменять противоположным образом, ток прекратится (вернее, он будет очень незначительным) - произойдет только отток электронов и дырок от границы разделения двух областей, вследствие чего потенциальный барьер между ними увеличится.

В данном случае полупроводниковый кристалл будет вести себя точно так же, как вакуумная лампа-диод, поэтому приборы, основанные на этом принципе, назвали полупроводниковыми диодами. Как и ламповые диоды, они могут служить детекторами, то есть выпрямителями тока.

Еще более интересное явление можно наблюдать в том случае, когда в полупроводниковом кристалле образован не один, а два p-n перехода. Такой полупроводниковый элемент получил название транзистора. Одну из его внешних областей именуют эмиттером, другую - коллектором, а среднюю область (которую обычно делают очень тонкой) - базой.

Если приложить напряжение к эмиттеру и коллектору транзистора, ток не будет проходить, как бы мы не меняли полярность. Но если создать небольшую разность потенциалов между эмиттером и базой, то свободные электроны из эмиттера, преодолев p-n переход, попадут в базу. А так как база очень тонкая, то лишь небольшого количества этих электронов хватит для заполнения дырок, находящихся в области p. Поэтому большая часть их пройдет в коллектор, преодолев запирающий барьер второго перехода - в транзисторе возникнет электрический ток.

Это явление тем более замечательно, что ток в цепи эмиттер-база обычно в десятки раз меньше того, который протекает в цепи эмиттер-коллектор Из этого видно, что по своему действию транзистор можно в известном смысле считать аналогом трехэлектродной лампы (хотя физические процессы в них совершенно различны), причем база играет здесь роль сетки, помещающейся между анодом и катодом.

Точно так же, как в лампе, небольшое изменение потенциала сетки вызывает значительное изменение анодного тока, в транзисторе слабые изменения в цепи базы вызывают значительные изменения тока коллектора. Следовательно, транзистор может использоваться в качестве усилителя и генератора электрических сигналов.

Полупроводниковые элементы начали постепенно вытеснять электронные лампы с начала 40-х годов. С 1940 года широкое применение в радиолокационных устройствах получил точечный германиевый диод. Радиолокация вообще послужила стимулом для быстрого развития электроники мощных источников высокочастотной энергии. Все больший интерес проявлялся к дециметровым и сантиметровым волнам, к созданию электронных приборов, способных работать в этих диапазонах.

Между тем электронные лампы при использовании их в области высоких и сверхвысоких частот вели себя неудовлетворительно, так как собственные шумы существенно ограничивали их чувствительность. Применение на входах радиоприемников точечных германиевых диодов позволило резко снизить собственные шумы, повысить чувствительность и дальность обнаружения объектов.

Однако подлинная эра полупроводников началась уже после Второй мировой войны, когда был изобретен точечный транзистор.

Его создали после многих опытов в 1948 году сотрудники американской фирмы «Белл» Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн. Расположив на германиевом кристалле, на небольшом расстоянии друг от друга, два точечных контакта и подав на один из них прямое смещение, а на другой - обратное, они получили возможность с помощью тока, проходившего через первый контакт, управлять током через второй. Этот первый транзистор имел коэффициент усиления порядка 100.

Новое изобретение быстро получило широкое распространение. Первые точечные транзисторы состояли из германиевого кристалла с n-проводимостью, служившего базой, на которую опирались два тонких бронзовых острия, расположенные очень близко друг к другу - на расстоянии нескольких микрон.

Одно из них (обычно бериллиевая ) служило эмиттером, а другое (из фосфорной бронзы) - коллектором. При изготовлении транзистора через острия пропускался ток силой примерно в один ампер. Германий при этом расплавлялся, так же как кончики остриев. Медь и имеющиеся в ней примеси переходили в германий и образовывали в непосредственной близости от точечных контактов слои с дырочной проводимостью.

Эти транзисторы не отличались надежностью из-за несовершенства своей конструкции. Они были нестабильны и не могли работать при больших мощностях. Стоимость их была велика. Однако они были намного надежнее вакуумных ламп, не боялись сырости и потребляли мощности в сотни раз меньшие, чем аналогичные им электронные лампы.

Вместе с тем они были чрезвычайно экономичны, так как требовали для своего питания очень маленького тока порядка 0, 5-1 В и не нуждались в отдельной батарее. Их КПД достигал 70%, в то время как у лампы он редко превышал 10%. Поскольку транзисторы не требовали накала, они начинали работать немедленно после подачи на них напряжения. К тому же они имели очень низкий уровень собственных шумов, и поэтому аппаратура, собранная на транзисторах, оказывалась более чувствительной.

Постепенно новый прибор совершенствовался. В 1952 году появились первые плоские примесные германиевые транзисторы. Их изготовление было сложным технологическим процессом. Сначала германий очищали от примесей, а затем образовывали монокристалл. Обычный кусок германия состоит из большого числа сращенных в беспорядке кристаллов. Для полупроводниковых приборов такая структура материала не годится - здесь нужна исключительно правильная, единая для всего куска кристаллическая решетка. Для этого германий расплавляли и опускали в него затравку - маленький кристалл, с правильно ориентированной решеткой.

Вращая затравку вокруг оси, ее медленно приподнимали. Вследствие этого атомы вокруг затравки выстраивались в правильную кристаллическую решетку. Полупроводниковый материал затвердевал и обволакивал затравку. В результате получался монокристаллический стержень. Одновременно в расплав добавляли примесь p или n типа. Затем монокристалл резали на маленькие пластинки, которые служили базой.

Эмиттер и коллектор создавали различными способами. Наиболее простой метод состоял в том, что на обе стороны пластинки германия накладывали маленькие кусочки индия и быстро нагревали их до 600 градусов. При этой индий сплавлялся с находящимся под ним германием. При остывании насыщенные индием области приобретали проводимость p-типа. Затем кристалл помещали в корпус и присоединяли выводы.

В 1955 году фирмой «Белл систем» был создан диффузионный германиевый транзистор. Метод диффузии состоял в том, что пластинки полупроводника помещали в атмосферу газа, содержащего пары примеси, которая должна была образовать эмиттер и коллектор, и нагревали пластинки до температуры, близкой к точке плавления. Атомы примесей при этом постепенно проникали в полупроводник.

Уравнения прямой в пространстве - это уравнения двух пересекающихся плоскостей Как найти прямую пересечения двух плоскостей

Переподготовка увольняемых военнослужащих II