Транзистор кто и когда создал: Как 70 лет назад изобрели транзисторы, на которых и по сей день «держится» цифровая техника

Транзистор — это… Что такое Транзистор?

Дискретные транзисторы в различном конструктивном оформлении Структура биполярного n-p-n транзистора. Ток через базу управляет током «коллектор-эмиттер».

Транзи́стор (англ. transistor), полупроводниковый триод — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналам управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов. В общем случае транзистором называют любое устройство, которое имитирует главное свойство транзистора изменения сигнала между двумя различными состояниями при изменении сигнала на управляющем электроде.

В полевых и биполярных транзисторах 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.

В 1956 г. за изобретение транзистора Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн получили Нобелевскую премию по физике.

На принципиальных схемах обозначается «VT» или «

Q». В русскоязычной литературе и документации до 1970-х гг. применялись обозначения «Т», «ПП» (полупроводниковый прибор) или «ПТ» (полупроводниковый триод).

История

Копия первого в мире работающего транзистора

Подробное рассмотрение темы: Изобретение транзистора

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. ^[1][2] В 1934 году немецкий физик Оскар Хайл (англ.)русск. 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 транзисторы заменили вакуумные лампы в большинстве электронных устройств, совершив революцию в создании интегральных схем и компьютеров.

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

John R. Pierce), победило во внутреннем голосовании.

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

 — током базы.

Классификация транзисторов

	p-n-p		канал p-типа
	n-p-n		канал n-типа
Биполярные		Полевые

Обозначение транзисторов разных типов.
Условные обозначения:
Э — эмиттер, К — коллектор, Б — база;
З — затвор, И — исток, С — сток.

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

По основному полупроводниковому материалу

Помимо основного полупроводникового материала, применяемого обычно в виде монокристалла, транзистор содержит в своей конструкции легирующие добавки к основному материалу, металлические выводы, изолирующие элементы, части корпуса (пластиковые или керамические).

Иногда употребляются комбинированные наименования, частично описывающие материалы конкретной разновидности (например, «кремний на сапфире» или «металл-окисел-полупроводник»). Однако основными являются транзисторы на основе кремния, германия, арсенида галлия.

Другие материалы для транзисторов до недавнего времени не использовались. В настоящее время имеются транзисторы на основе, например, прозрачных полупроводников для использования в матрицах дисплеев. Перспективный материал для транзисторов — полупроводниковые полимеры. Также имеются отдельные сообщения о транзисторах на основе углеродных нанотрубок^[3], о графеновых полевых транзисторах.

По структуре

Транзисторы

Биполярные

Полевые

p-n-p

n-p-n

С p-n-переходом

С изолированным затвором

С каналом n-типа

С каналом p-типа

Со встроенным каналом

С индуцированным каналом

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

• Биполярные
  • n-p-n структуры, «обратной проводимости».
  • p-n-p структуры, «прямой проводимости»

В биполярном транзисторе носители заряда движутся от эмиттера через тонкую базу к коллектору. База отделена от эмиттера и коллектора pn переходами. Ток протекает через транзистор лишь тогда, когда носители заряда инжектируются из эмиттера в базу через pn переход. В базе они являются неосновными носителями заряда и легко проникают через другой pn переход между базой и коллектором, ускоряясь при этом. В самой базе носители заряда движутся за счет диффузионного механизма, поэтому база должна быть достаточно тонкой. Управления током между эмиттером и коллектором осуществляется изменением напряжения между базой и эмиттером, от которой зависят условия инжекции носителей заряда в базу.

В полевом транзисторе ток протекает от истока до стока через канал под затвором. Канал существует в легированном полупроводнике в промежутке между затвором и нелегированной подложкой, в которой нет носителей заряда, и она не может проводить ток. Преимущественно под затвором существует область обеднения, в которой тоже нет носителей заряда благодаря образованию между легированным полупроводником и металлическим затвором контакта Шоттки. Таким образом ширина канала ограничена пространством между подложкой и областью обеднения. Приложенное к затвору напряжение увеличивает или уменьшает ширину области обеднения и, тем самым, ширину канала, контролируя ток.

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 структуры
  • на транзисторах разной структуры
• Лямбда-диод — двухполюсник, комбинация из двух полевых транзисторов, имеющая, как и туннельный диод, значительный участок с отрицательным сопротивлением.
• Биполярный транзистор, управляемый полевым транзистором с изолированным затвором (IGBT) — 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

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

Вне зависимости от типа транзистора, принцип применения его един:

• Источник питания питает электрической энергией нагрузку, которой может быть громкоговоритель, реле, лампа накаливания, вход другого, более мощного транзистора, электронной лампы и т.  п. Именно источник питания даёт нужную мощность для «раскачки» нагрузки.
• Транзистор же используется для ограничения силы тока, поступающего в нагрузку, и включается в разрыв между источником питания и нагрузкой. То есть транзистор представляет собой некий вариант полупроводникового резистора, сопротивление которого можно очень быстро изменять.
• Выходное сопротивление транзистора меняется в зависимости от напряжения на управляющем электроде. Важно то, что это напряжение, а также сила тока, потребляемая входной цепью транзистора, гораздо меньше напряжения и силы тока в выходной цепи. Таким образом, за счёт контролируемого управления источником питания достигается усиление сигнала.
• Если мощности входного сигнала недостаточно для «раскачки» входной цепи применяемого транзистора, или конкретный транзистор не даёт нужного усиления, применяют каскадное включение транзисторов, когда более чувствительный и менее мощный транзистор управляет энергией источника питания на входе более мощного транзистора. Также подключение выхода одного транзистора ко входу другого может использоваться в генераторных схемах типа мультивибратора. В этом случае применяются одинаковые по мощности транзисторы.

Транзистор применяется в:

• Усилительных схемах. Работает, как правило, в усилительном режиме.^[6][7] Существуют экспериментальные разработки полностью цифровых усилителей, на основе ЦАП, состоящих из мощных транзисторов.^[8][9] Транзисторы в таких усилителях работают в ключевом режиме.
• Генераторах сигналов. В зависимости от типа генератора транзистор может использоваться либо в ключевом (генерация прямоугольных сигналов), либо в усилительном режиме (генерация сигналов произвольной формы).
• Электронных ключах. Транзисторы работают в ключевом режиме. Ключевые схемы можно условно назвать усилителями (регенераторами) цифровых сигналов. Иногда электронные ключи применяют и для управления силой тока в аналоговой нагрузке. Это делается, когда нагрузка обладает достаточно большой инерционностью, а напряжение и сила тока в ней регулируются не амплитудой, а шириной импульсов. На подобном принципе основаны бытовые диммеры для ламп накаливания и нагревательных приборов, а также импульсные источники питания.

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.

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 22 нм^{[источник не указан 916 дней]}. В настоящее время на одном современном кристалле площадью 1—2 см² могут разместиться 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.

В настоящее время микропроцессоры Intel собираются на трёхмерных транзисторах (3d транзисторы) именуемых Tri-Gate. Эта революционная технология позволила существенно улучшить существующие характеристики процессоров. Отметим, что переход к 3D-транзисторам при технологическом процессе 22 нм позволил повысить производительность процессоров на 30 % (по оценкам Intel) и снизить энергопотребление ^{[источник не указан 229 дней]}. Примечательно, что затраты на производство возрастут всего на 2—3 %, то есть в магазинах новые процессоры не будут значительно дороже старых^{[источник не указан 229 дней]}. Суть технологии в том, что теперь сквозь затвор транзистора проходит особый High-K диэлектрик, который снижает токи утечки

Сравнение с электронными лампами

До разработки транзисторов, вакуумные (электронные) лампы (или просто «лампы») были главными активными компонентами в электронном оборудовании.

Преимущества

Основные преимущества, которые позволили транзисторам заменить своих предшественников (вакуумные лампы) в большинстве электронных устройств:

• малые размеры и небольшой вес, что способствует развитию миниатюрных электронных устройств;
• высокая степень автоматизации производственных процессов, что ведёт к снижению удельной стоимости;
• низкие рабочие напряжения, что позволяет использовать транзисторы в небольших, с питанием от батареек, электронных устройств;
• не требуется дополнительного времени на разогрев катода после включения устройства;
• уменьшение рассеиваемой мощности, что способствует повышению энергоэффективности прибора в целом;
• высокая надёжность и бо́льшая физическая прочность;
• очень продолжительный срок службы — некоторые транзисторные устройства находились в эксплуатации более 50 лет;
• возможность сочетания с дополнительными устройствами, что облегчает разработку дополнительных схем, что не представляется возможным с вакуумными лампами;
• стойкость к механическим ударам и вибрации, что позволяет избежать проблем при использовании в микрофонах и в аудио устройствах.

Недостатки (ограничения)

• Кремниевые транзисторы обычно не работают при напряжениях выше 1 000 вольт (вакуумные лапмпы могут работать с напряжениями около 3 000 вольт). В отличие от вакуумных ламп, были разработаны транзисторы, способные работать при напряжении в несколько десятков тысяч вольт;
• высокая мощность, высокая частота, требующиеся для эфирного телевизионного вещания, лучше достигаются в вакуумных лампах в связи с большей подвижностью электронов в вакууме;
• кремниевые транзисторы гораздо более уязвимы, чем вакуумные лампы к действию электромагнитного импульса, в том числе и одного из поражающих факторов высотного ядерного взрыва;
• чувствительность к радиац

1947 год — демонстрация первого транзистора — История — EADaily

23 декабря 1947 года опытно-конструкторское подразделение Bell Telephone Laboratories фирмы American Telephone and Telegraph провело презентацию полупроводникового биполярного усилительного прибора. Этот день стал считаться датой рождения транзистора.

Транзистор — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, способный от небольшого входного сигнала управлять значительным током в выходной цепи. Используется для усиления, генерирования, коммутации и преобразования электрических сигналов. В настоящее время транзистор является основой схемотехники подавляющего большинства электронных устройств и интегральных микросхем.

Первый действующий биполярный транзистор создали американские физики Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн в лабораториях Bell Labs. Работы велись с 1945 года, и после двух лет неудач долгожданное открытие было сделано благодаря нелепой случайности.

16 декабря 1947 года Уолтер Браттейн, пытаясь преодолеть поверхностный эффект в германиевом кристалле и экспериментируя с двумя игольчатыми электродами, перепутал полярность приложенного напряжения и неожиданно получил устойчивое усиление сигнала.

Спустя неделю — 23 декабря 1947 года — состоялось официальное представление изобретения. Действующий макет биполярного транзистора был представлен руководству головной компании. Именно эта дата считается днём изобретения транзистора.

В 1956 году ученые были награждены Нобелевской премией по физике «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта». Джон Бардин вскоре был удостоен Нобелевской премии во второй раз за создание теории сверхпроводимости.

Название для нового устройства придумал американский инженер и писатель-фантаст Джон Пирс. Первоначально название «транзистор» относилось к резисторам, управляемым напряжением. В самом деле, транзистор можно представить как некое сопротивление, регулируемое напряжением на одном электроде.

30 июня 1948 г. в штаб-квартире фирмы American Telephone and Telegraph в Нью-Йорке состоялась официальная презентация нового прибора, на транзисторах был собран радиоприемник.

И все же, мировой сенсации не состоялось, первоначально открытие не оценили по достоинству, ибо первые точечные транзисторы, в сравнении с электронными лампами, имели очень плохие и неустойчивые характеристики.

Однако позднее транзисторы заменили вакуумные лампы в большинстве электронных устройств, свершив революцию в создании интегральных схем и компьютеров.

Также в этот день:

1914 год — в России возникла Дальняя авиация

1900 год — первая в мире звуковая радиопередача

О первых транзисторах в СССР: knyazev_v — LiveJournal

Хронология

1926 г.. Советский физик Я. И. Френкель выдвинул гипотезу о дефектах кристаллической структуры полупроводников, названных “пустыми местами”, или, более привычно, “дырками”, которые могли перемещаться по кристаллу.

1930-е годы. Академик А. Ф. Иоффе начал эксперименты с полупроводниками в Ленинградском институте инженерной физики.

1938 г.. Независимо друг от друга: Мотт в Англии, Вальтер Шоттки в Германии, Украинский академик Б. И. Давыдов и его сотрудники предложили диффузионную теорию выпрямления переменного тока посредством кристаллических детекторов, в соответствии с которой оно имеет место на границе между двумя слоями проводников, обладающих p- и n- проводимостью.

1939 г.. Б.Давыдов опубликовал работу «Диффузионная теория выпрямления в полупроводниках».

1941 г.. Киев, теория подтверждена и развита В.Е. Лашкаревым, он публикует статью «Исследование запирающих слоев методом термозонда» и в соавторстве с К. М. Косоноговой – статью «Влияние примесей на вентильный фотоэффект в закиси меди». Описана физика «запорного слоя» на границе раздела «медь – закись меди», впоследствии названного «p-n» переходом. Установлено, что по обе стороны “запорного слоя”, расположенного параллельно границе раздела медь — оксид меди, находятся носители тока противоположных знаков (явление p-n-перехода), а также что введение в полупроводники примесей резко повышает их способность проводить электрический ток.

1941-1945 г.. Исследования прерваны войной.

1945 г.. Шоккли и Браттейн возвратились в Bell Labs. Там под руководством Шокли была создана сильная команда из физиков, химиков и инженеров для работы над твердотельными приборами. В нее вошли У. Браттейн и физик-теоретик Дж. Бардин.

1946 г.. В. Лошкарев открыл биполярную диффузию неравновесных носителей тока в полупроводниках. Им же был раскрыт механизм инжекции – важнейшего явления, на основе которого действуют полупроводниковые диоды и транзисторы.

1947 г.. В Томилино смонтирована линия по производству германиевых детекторов для радиолокации, вывезенная из Германии. Разработками диодов для нее занималась исследовательская группа в НИИ-160 (ныне «Исток») под руководством А. В. Красилова.

1947 г. 21 декабря. Уильям Брэдфорд Шокли, Джон Бардин и Уолтер Хаузер Браттейн в Bell Telephone Laboratories USA демонстрируют первый в мире транзистор.

1948 г. июль. Информация об этом изобретении появилась в журнале «The Physical Review».

1948 г. 15 ноября. Первая публикация в СССР о транзисторах, в журнале «Вестник информации» Красилов опубликовали статью «Кристаллический триод».

1948 г. декабрь. В НИИ-160 (ныне «Исток») была поставлена первая НИР по транзисторам. Работа была выполнена Сусанной Гукасовной Мадоян — дипломницей Московского химико-технологического института.

1949 г. февраль. В НИИ-160 создан первый в нашей стране макет точечного германиевого транзистора. Именно этот макет Красилова и Мадоян стал первым советским транзистором.

1950 г.. К работам по транзисторам подключился ЦНИИ-108 МО (ныне ЦНИРТИ).

1950-е начало. В.Е. Лошкарёв, возобновивший после войны исследования, изготовил первые точечные транзисторы в лабораторных условиях, в тот период одинаковые открытия нередко делались независимо друг от друга, а их авторы не имели информации о достижениях своих коллег.

1952 г. ноябрь. Вышел специальный номер радиотехнического журнала США «Труды института радиоинженеров», полностью посвященный транзисторам.

1953 г. начало. Академик А. И. Берг (тогда заместителем министра обороны) подготовил письмо в ЦК КПСС о развитии работ по транзисторам.

1953 г. май. Министр промышленности средств связи М. Г. Первухин провел в Кремле совещание, посвященное полупроводникам. На нем было принято решение об организации специализированного НИИ.

1953 г.. В Москве открывается отраслевой НИИ полупроводниковой электроники (НИИ-35, ныне «Пульсар»). Туда была переведена лаборатория Красилова.

1953 В НИИ-35 в лаборатория Красилова Мадоян создаёт первый в Союзе опытный образец плоскостного германиевого транзистора. Эта разработка стала основой серийных приборов типа П1, П2, П3 и их дальнейших модификаций.

1953 г. конец года. Выпущенны первые отечественные серийные транзисторы — точечные триоды типов КС1 — КС8. Первые шесть типов предназначались для использования в усилительных схемах на частотах не свыше 5 МГц (КС6), два последних типа были предназначены для генерирования колебаний до 1,5 МГц (КС7) и до 5 МГц (КС8). В процессе производства первых опытных партий были отработаны некоторые технологические моменты, изменена конструкция триода, разработаны новые методы контроля параметров.

1954 г.. Триоды типа КС были сняты с производства, и в НИИ-160 Ф. А. Щиголем и Н. Н. Спиро был начат серийный выпуск точечных транзисторов С1 — С4. Объем производства составлял несколько десятков штук в день.

1955 г.. Начат промышленный выпуск плоскостных сплавных германиевых p-n-p транзисторов КСВ-1 и КСВ-2 (в дальнейшем получившие название П1 и П2).

1956 г.. В Совмине состоялось совещание генеральных конструкторов, вынесшее вердикт: «Транзистор никогда не войдет в серьёзную аппаратуру. Перспективой применения транзисторов могут быть разве что слуховые аппараты. Пусть этим занимается Министерство социального обеспечения».

Сегодня это выглядит, как анекдот, но тогда многие считали, что никакого серьёзного применения у них быть не может вследствие слабой повторяемости параметров и неустойчивости к температурным изменениям. Причина этого — попытка рассматривать транзистор как аналог электровакуумного триода.

1956 г.. Созданы первые кремниевые сплавные транзисторы П104-П106

1956-57 г.. Созданы германиевые транзисторы П401-П403 (30-120 МГц). П401 были использованы в передатчике первого искусственного спутника Земли.

1957 г.. Созданы германиевые транзисторы П418 (500 МГц).

1957 г.. Считается началом промышленного выпуска полупроводниковых приборов в СССР, промышленность выпустила 2,7 миллионов транзисторов.

1957 г.. США, выпуск транзисторов в этом году составлял 28 миллионов штук, а число различных типов достигло 600.

Литература

Разработка первых транзисторов в СССР

60 лет отечественному транзистору

60 лет транзистору

Технологии и изобретения в электронике, которые изменили мир | Технологии | Блог

В 20 веке произошел рывок во многих научных областях, которые перевернули рынок и наполнили его совершенно новыми товарами. Все, что мы сегодня покупаем — от калькулятора до смартфона, от активной колонки до большого ЖК-телевизора, — все это продукты научно-технического рывка, произошедшего в 20 веке. Давайте вспомним самые важные научные прорывы, которые навсегда изменили рынок и нашу жизнь.

Между ключевым открытием в науке или гениальным изобретением и тем моментом, когда индустрия производства товаров начинает пользоваться ими и наполняет рынок совершенно новыми товарами, зачастую проходят десятки лет.

Чарльз Бэббидж, создавший механическую вычислительную машину в 1833 году, прообраз современных компьютеров, вряд ли предполагал, что через полтора столетия миниатюрные цифровые вычислительные машины заполнят все ниши рынка — от наручных часов, мультиварок и стиральных машин, и до смартфонов и персональных компьютеров.

Должно было произойти еще немало научных открытий и придумано изобретений, которые, дополняя друг друга, создали почву для революционного переворота рынка. Одним из таких изобретений стало создание транзистора.

Изобретение транзистора

В первой половине 20 века в электронике активно применялись вакуумные лампы, обладавшие рядом серьезных минусов: высокое тепловыделение, ненадежность, большие размеры. В 1947 году усилиями трех ученых фирмы Bell Telephone Laboratories был изобретен первый биполярный транзистор. Ученые У. Шокли, Д. Бардин и У. Брайтен в 1956 году получили за это изобретение нобелевскую премию по физике.

Потенциал этого изобретения был оценен не сразу и вытеснение вакуумных ламп в электронных устройствах транзисторами затянулось надолго. Все поменяло изобретение в 1960 году МОП-транзистора, который стал фундаментом современной электроники. Сокращение МОП означает «металл-оксид-полупроводник», а еще его называют транзистором с изолированным затвором.

Последовавшая следом миниатюризация электронных компонентов перевернула рынок. Громоздкие устройства стали заменяться небольшими и экономичными. Радиоприемники размером с пачку сигарет, электронные наручные часы и карманные калькуляторы в 1970-х годах уже никого не удивляли.

Но главное предназначение транзистора оказалось в возможности создания компактных и быстрых ЭВМ, электронно-вычислительных машин, которые начали бурное развитие в 1960-х годах. В 1970-х годах произошла их минитюаризация за счет применения интегральных микросхем и, как следствие, нарастающий выход на потребительский рынок.

В конце 1970-х и начале 1980-х годов происходит взрывной рост числа различных домашних компьютеров: Apple II, Commodore 64, ZX Spectrum, Atari 400, Amiga 1000. Возможность играть в компьютерные игры, писать электронную музыку и программировать стала доступна каждому. Рынок электронных развлечений, зародившийся тогда, сейчас превратился в многомиллиардную отрасль, которая двигает прогресс в электронной сфере.

Выход в сентябре 2020 года видеокарт линейки Ampere от Nvidia: GeForce RTX 3090, RTX 3080 и RTX 3070, это прямое следствие и развитие тех первых домашних компьютеров с их скромными разрешениями и 8-ю или 16-ю цветами. Технологические наработки, полученные при развитии игровых видеокарт, той же компанией Nvidia вкладываются в развитие устройств искусственного интеллекта, машинного обучения и персональных суперкомпьютеров NVIDIA DGX Station.

Благодаря миниатюризации транзисторов и интегральных микросхем мы имеем сейчас рынок смартфонов, которые быстро нарастили мощность настолько, что сделали ПК ненужным для многих. Смартфон сейчас — это и средство общения, и замена телевизору, и музыка, и игры, и даже работа. Но все это было бы невозможным без миниатюрных систем питания, таких как литий-ионные батареи.

Литий-ионные батареи и мобильная техника

Уже вначале 1980-х годов была возможность делать очень компактные электронные устройства. Например, домашний компьютер ZX Spectrum вполне можно было сделать мобильным, похожим на современные игровые консоли Nintendo Switch, но все упиралось в отсутствие компактных и емких аккумуляторов. Положение дел на рынке мобильной техники тех лет очень хорошо характеризует популярный анекдот про «суперчасы» и чемодан батареек к ним.

Все изменилось в начале 1990-х годов, когда на рынке появились литий-ионные (li-Ion) батареи. Главный вклад в их развитие внесли ученые из разных стран: Джон Гуденоу, Стэнли Уиттингемиз и Акира Ёсино. Разработка велась с конца 1970-х годов, а в 2019 году интернациональный коллектив получил за изобретение литий-ионных батарей нобелевскую премию по химии.

Устройство литий-ионных батарей довольно простое, а эффективность дает подбор уникальных материалов. Грубо говоря, у li-Ion батареи один электрод сделан из графита, а второй — из оксида кобальта. Разделенные полупроницаемой мембраной, электроды взаимодействуют с электролитом, богатым ионами лития.

Литий-ионные батареи оказались нужны везде — в только-только появившихся мобильных телефонах, ноутбуках, часах, калькуляторах и множестве других электронных устройств. Рынок таких девайсов начал бурно развиваться и если сейчас вы оглядитесь по сторонам, то обязательно увидите маленькое электронное устройство с Li-Ion батареей: смартфон, планшет, смарт-часы, калькулятор, ноутбук или беспроводную мышь.

Литий-ионные батареи сейчас переживают апогей своего развития, их все уменьшающийся вес и увеличивающаяся емкость позволяют строить на их основе даже средства передвижения: электро-самокаты, электро-велосипеды, моноколеса и гироскутеры.

Отдельно стоит упомянуть квадрокоптеры, которые совсем недавно появились на рынке. Их создание было невозможно без миниатюризации управляющей электроники и системы питания. Популярные модели могут держаться в воздухе около получаса, производя качественную видеосъемку.

Но прогресс не стоит на месте и в этом году стали появляться новости о создании атомных батарей со сроком службы в 20 и более лет. Представьте, как изменится рынок мобильной техники, если ее больше не надо будет заряжать.

Изобретение жидкокристаллических экранов

Современная мобильная техника немыслима без ЖК-экрана, который позволил кардинально уменьшить размеры и вес устройств. Еще каких-то 15-20 лет назад ЭЛТ-экраны удерживали лидирующие позиции на рынке ПК, мониторов и бытовых телевизоров, но сегодня на этом рынке безоговорочно царствуют ЖК-дисплеи.

А в мобильной технике и миниатюрной электронике — в наручных часах, калькуляторах, небольших информационных дисплеях, ЖК-экраны стали доминировать еще в 70-х годах прошлого века.

Основой ЖК-экранов является вещество цианофенил, которое, находясь в жидком состоянии, имеет свойства, присущие кристаллам. Первые описания подобных веществ сделал ученый Ф. Ренитцер еще в 1888 году, но никто не знал, как применить их свойства на практике.

В 1930 году ученые из британской корпорации Marconi получили патент на их промышленное применение, но рынок еще не был готов к этой революционной технологии. Как и в случае с другими важнейшими изобретениями, время между первыми работающими образцами и массовым появлением на рынке измеряется десятилетиями.

Только в 1960-х годах компания RCA представила прототип наручных часов с ЖК-экраном. Большой вклад в развитие ЖК-экранов внесла корпорация Sharp, выпустив первый в мире калькулятор CS10A с ЖК-экраном в 1964 году. А в 1976 году на рынке появился первый телевизор с ЖК-экраном диаметром 5,5 дюйма и разрешением 160х120 точек.

В 1980-е годы Sharp остается ведущим разработчиком ЖК-экранов, выпустив в 1987 году первый цветной дисплей диаметром 3 дюйма, основанный на технологии STN (Super-TwistedNematic), а в 1988 году — первый в мире цветной ЖК-дисплей диаметром 14 дюймов.

В 1990-х годах начинается бурное развитие рынка ЖК-экранов, изобретаются новые технологии, такие как IPS (англ. in-plane switching). Небольшие дисплеи понадобились везде — в мобильных телефонах, ноутбуках, видеокамерах и фотоаппаратах.

Сегодня ЖК-экраны окружают нас везде, где бы мы ни находились: телевизор, ноутбук, планшет, смартфон, смарт-часы и даже электронный термометр — везде стоит ЖК-экран. Переоценить их воздействие на мобильную электронику трудно — ведь они компактны, дешевы, позволяют создавать сенсорные экраны и потребляют совсем мало энергии.

На рынке сегодня доминируют три основные технологии изготовления ЖК-дисплеев: TN+film, IPS (SFT, PLS) и MVA. Каждая из технологий имеет свои достоинства и недостатки и, судя по всему, еще долго будут соседствовать на рынке.

Изобретение светодиодных экранов

Яркий свет огромных рекламных панелей, который окружает нас в городах, бегущие цифры на табло рейсов в аэропортах и железнодорожных вокзалов, огромные информационные экраны в биржах и на стадионах — это все светодиодные экраны. Уже мало кто помнит времена, когда все эти экраны и вывески создавались на базе громоздких и прожорливых ламп накаливания. Экономичные и недорогие светодиоды заняли рынок быстро и незаметно.

Первые упоминания о светодиодном эффекте были получены в 1907 году от британского экспериментатора Генри Раунда из компании Маркони Лабс. Он описал электролюминесценцию, которая происходит при прохождении тока в соединении металла и карбида кремния, выражающуюся в желтом, оранжевом и зеленом свечении.

И опять прошло почти полвека между изобретением и его первой практической реализацией. Только в 1962 году был выпущен светодиод красного цвета, который можно было использовать в производстве информационных табло. Разработал его ученый Ник Холоньяк для компании General Electric.

Но светодиоды оставались очень дорогими до 1970-х годов, когда их удешевление совпало с радикальным увеличением их яркости и появлением новых цветов свечения.
А в начале 1990-х годов исследователи из компании Nichia Chemical Industries изобретают недорогие диоды синего и белого цветов, за что впоследствии получили нобелевскую премию по физике.

Нельзя не упомянуть о важнейшей нише светодиодов — системах освещения. Светодиоды за последние 10 лет перевернули рынок систем освещения, вытеснив лампы накаливания и галогенные лампы из наших домов. Энергоэффективные диоды теперь стоят почти в каждой лампочке и уличном фонаре. Подсветка ЖК-экранов, лампочки в фонариках — практически любой источник света сегодня изготавливается с применением светодиодов.

Беспроводные сети — пара слов о Wi-Fi

Современный расцвет мобильной электроники был бы невозможен без удобной и надежной связи между устройствами. Сегодня эта роль лежит на Wi-Fi, самом популярном беспроводном стандарте связи. Это самая молодая технология из упомянутых, ведь стандарт Wi-Fi был разработан совсем недавно, в 1998 году, в лаборатории радиоастрономии CSIRO, в Австралии.

Максимальная скорость стандарта Wi-Fi 802.11a в 1999 году составляла внушительные для тех лет 54 Мбит/с. А сегодня, спустя 20 лет, в стандарте 802.11ax скорость доходит до 11 Гбит/с.

За какие-то 10 лет практически в каждой квартире появилась Wi-Fi-точка, которая позволяет нашим мобильным устройствам получать интернет на огромной скорости. Сложные онлайн-игры, видеосвязь, музыка, а тем более — видео высокой четкости на наших смартфонах, все это заслуга Wi-Fi-связи.

Итоги

Анализируя ключевые научные прорывы, которые перевернули рынок электронных устройств, сразу замечаешь два фактора, которые заметно влияют на итоговый результат.

Во-первых, это заметный временной интервал между изобретением и практическим внедрением технологии. Иногда проходит полвека, прежде чем гениальное изобретение начинает приносить плоды. Но, в последние годы этот интервал становится все короче, ведь научно-технический прогресс ускоряется.

А во-вторых, очень заметно такое влияние прорывов в разных областях науки и техники, что потом, спустя несколько десятилетий они, дополняя друг друга, позволяют создать совершенно новое устройство.

И смартфон, с которого, скорее всего, вы читаете этот текст — это и миниатюрные транзисторы в интегральных микросхемах, и мощная li-Ion батарея, и ЖК-дисплей, подсвеченный светодиодами, и Wi-Fi связь, позволяющая получать быстрый интернет без проводов.

Уберите из этой формулы что-то одно, и устройство уже не cможет существовать в том виде, к которому мы все привыкли.

Транзисторная история

Александр Нитусов

Открывая осенний форум Intel для разработчиков (IDF) в Сан-Франциско (www.pcweek.ru/themes/detail.php?ID=102444), старший вице-президент и генеральный менеджер подразделения Digital Enterprise Group корпорации Патрик Гелсингер отметил, что 2007-й стал юбилейным не только для Intel (отметившей десятилетие IDF), но и для всей полупроводниковой отрасли: как признано международным сообществом, 60 лет назад американцы У. Шокли, В. Браттейн и Дж. Бардин изобрели первый транзистор.

Тем не менее, подобные изобретения не делаются на пустом месте «из ничего»; научные достижения советских исследователей и инженеров, равно как и разработки немецких ученых, в 1920—1930-е годы создали теоретические и экспериментальные основы и во многом предопределили появление этого прибора.

Когда и где именно начался «путь к транзистору» , сказать не просто. Его конкретному созданию предшествовал длительный и весьма насыщенный период исследований в области электроники, научных экспериментов и разработок во многих странах. Разумеется, СССР не был исключением. Началом отечественных разработок в этом направлении можно считать труды физика А. Г. Столетова по исследованию фотоэффекта и А. С. Попова по созданию радиопередающих устройств ещё в конце XIX в. Развитие электроники в советское время стимулировалось бурным прогрессом радиотехники в двадцатые годы, немалую роль в котором играли разработки сверхмощных (для того времени) радиоламп, ламповых триггеров и других элементов, выполненные М. А. Бонч-Бруевичем. Одним из факторов, определивших бурное развитие данного направления, стал общий подъём науки и образования в стране.

Историки науки знают, что уровень советских исследований и разработок по всему диапазону вопросов электроники часто превосходил мировой и никогда не опускался ниже него. Это обуславливалось как «взрывным» характером научного прогресса в СССР так и тем, что на развитии науки во многих западных странах весьма негативно сказались период послевоенной (1914—1918 гг.) депрессии, а позже и жестокий экономический кризис 1929—1934 гг.

Одной из первых заинтересовавших экспериментаторов проблем стала односторонняя проводимость в точке соприкосновения металлической пружины и кристаллов полупроводника: требовалось понять причины этого явления.

О. В. Лосев

Советский инженер-радиофизик О. В. Лосев, родившийся в 1903 в Твери, школьником провёл много времени на местной радиостанции, где работали радиоконструкторы В.М. Бонч-Бруевич, В.М. Лещинский и В.К. Лебединскй. В 1920 г. он окончил Тверское реальное училище и начал работу в Нижегородской радиолаборатории (соданной по указу В.И. Ленина в 1918), где Бонч-Бруевич и создавал новые радиолампы. Получив должность лаборанта в отделе В.К. Лебединского, Лосев занялся иследованием кристаллических детекторов. Экспериментируя со слаботочной техникой (работающей при напряжениях до 4В), Лосев исследовал вольт-амперные характеристики детектора из цинкита и угольного волоска (из старой лампы). 13 января 1922 он открыл явление возникновения электромагнитных колебаний и эффект их усиления в полупроводниковом кристаллическом детекторе. Он обнаружил у кристалла падающий участок вольт-амперной характеристики и первым построил генерирующий детектор, т. е. детекторный приемник, способный принимать и усиливать электромагнитные колебания. Свой прибор Лосев и основал на контактной паре металлического острия и кристалла цинкита (оксида цинка), на которую подавалось небольшое напряжение. Прибор Лосева – приемник с генерирующим диодом, вошёл в историю полупроводниковой электроники как «кристадин» (кристаллический гетеродин). Это открытие не оформлялось никакими патентами, но было широко обнародовано и в СССР и за рубежом. Лосев приобрел всемирную известность, а сами кристадины работали (на волне 24 м ) на нескольких радиостанциях Министерства связи (Наркомпочтеля), что принесло автору две премии министерства – в 1922 и 1925 гг. Кристадины производились до начала 1930-х гг., а потом были сменены усовершенствованными радиолампами. Примечательно, что продолжение исследований в этом направлении привело к созданию в 1958 г. туннельных диодов, нашедших применение в вычислительной технике 60-х годов ХХ века. Лосев первым открыл и новое явление — свечение кристаллов карборунда при прохождении тока через точечный контакт. Учёный объяснил это явление существованием в детектирующем контакте некоторого «активного слоя» (впоследствии названного p — n -переходом, от p — positive, n — negative) (статья О. Лосева в журнале «Телеграфия и Телефония без проводов» 1927 г.). В 1929 г. Лосев получил патент СССР (№ 12191) на изобретение светового реле. Само явление свечения мировая печать1920-х гг. называла «светом Лосева» (Lossew Licht, Losev light, etc.), а открывателю (так и не получившему специального образования) по инициативе академика А.Ф. Иоффе в 1938 г. была присуждена степень кандидата физико-математических наук.

В 1926 г. советский физик Я. И. Френкель выдвинул гипотезу о дефектах кристаллической структуры полупроводников, названных «пустыми местами» , или, более привычно, «дырками» , которые могли перемещаться по кристаллу. В 1930-е годы академик А. Ф. Иоффе начал эксперименты с полупроводниками в Ленинградском институте инженерной физики, а в 1932 Иоффе и Френкель разработали теорию выпрямления тока контактном слое металл-полупроводник в которой рассматривался и туннельный эффект.

Параллельно с открытиями советских исследователей достигли успехов и немецкие ученые. Так 1928 Юлиус Эдгар Лилиенфельд запатентовал принципы работы полевого транзистора , хотя конечно, говорить о стабильности его характеристик или их техническом совершенстве в то время было ещё рано. В 1936-38 гг. знаменитый физик Роберт Вихард Поль (основоположник современной физики твёрдого тела), совместно с Р. Хильшем, создали реально работавший прототип транзистора – полупроводниковый усилитель, основанный на кристаллах бромида галлия (опубликовано в Zeitschrift Physik, III (1938)).

Сам факт научного общения в Европе (и не только) вряд ли может вызвать сомнения. В 1920-е и до второй половины 1930-х гг. научная литература и периодика европейских стран, включая СССР, были достижимы почти для каждого ученого и личные контакты также были относительно свободыми. Так например, Роберт Поль посещал СССР в 1928 г., участвуя, вместе с Полем Дираком, Петером Прингсхаймом, Максом Борном, Абрамом Йоффе, Рудольфом Ладенбургом и др. в VI съезде физиков, в Казани. Советские ученые также выезжали в другие страны и поддерживали международные научные контакты. Правда, не всегда это приносило вещественные результаты. Так О. Лосев пытался обсудить физические основы своих открытий в фотолюменисценции с А. Эйнштейном, однако ответа на своё обращение не получил.

Тем не менее, определить степень взаимного влияния результатов конкретных разработок в области электроники и указать насколько независимым было то или иное открытие того периода, не так просто.

В том же 1938 г. украинский академик Б.И. Давыдов и его сотрудники предложили (первую) диффузионную теорию выпрямления переменного тока посредством кристаллических детекторов, в соответствии с которой оно имеет место на границе между двумя слоями проводников, обладающих p- и n- проводимостью. Эта диффузионная теория выпрямления в p — n — p переходе была опубликована Б.И. Давыдовым в 1938 в статье: «К теории движения электронов в газах и полупроводниках» (ЖЭТФ VII , вып. 9-10 стр. 1069-89, 1937, воспроизведено в «Успехах Физических наук» I. XIX вып.1, 1938), последовавшей за его статьей: «О распределении скоростей электронов движущихся в электрическом поле» (ЖЭТФ 6 (5), 463, 1936).

Далее, в СССР, эта теория была подтверждена и развита в исследованиях, работавшего до 1935 в группе А.Ф. Йоффе в Ленинграде, Вадима Евгеньевича Лашкарева, проведенных им в Киеве в 1939—1941 гг. Он установил, что по обе стороны «запорного слоя» , расположенного параллельно границе раздела медь – оксид меди, находятся носители тока противоположных знаков (явление p — n -перехода), а также, что введение в полупроводники примесей резко повышает их способность проводить электрический ток. Лашкарев открыл и механизм инжекции (переноса носителей тока) – явления, составляющего основу действия полупроводниковых диодов и транзисторов. Его работа была прервана начавшейся войной и окупацией, однако по её окончании Лашкарёв вернулся в Киев и в 1946 г. возобновил исследования.

Война прервала не только его работу. Так, Олег Лосев, начавший в 1941 исследования сплавов кремния, который он считал очень перспективным для электроники материалом, скончался от голода в 1942 г. в осажденном Ленинграде.

Так выглядел первый транзистор,
созданный группой специалистов Bell Labs, 1947 г.
(фотография с сайта www.wikipedia.org)

Ко второй половине 1940-х гг. успешные теоретические и эксперементальные довоенные исследования европейцев (включая СССР), а затем и начавшиеся американские разработки, создали благоприятную научную основу для создания более-менее удовлетворительно работавших транзисторов и их производства на промышленном уровне. Так теория p — n — p перехода предложенная Давыдовым в 1938 впоследствии была развита У. Шокли в США. В 1947 г. В. Браттейн и Дж. Бардин, работавшие под руководством Шокли, открыли транзисторный эффект в детекторах, основанных на кристаллах германия. Их эксперименты во многом продолжали довоенные опыты Роберта В. Поля и Р. Хильша с усилителем на базе монокристалла бромида галлия, а также разработки Юлиуса Лилиенфельда. В 1948 г. были опубликованы результаты исследований Шокли и изготовлены первые германиевые транзисторы с точечным контактом. Разумеется, они всё ещё были весьма далеки от совершенства, а их конструкция сохраняла черты лабораторной установки (что, впрочем, характерно для начального периода любого подобного изобретения). Характеристики первых транзисторов отличались неустойчивостью и непредсказуемостью, и поэтому их реальное практическое применение началось уже после 1951 г., когда Шокли создал более надёжный транзистор – планарный, состоявший из трёх слоёв германия типа n — p — n суммарной толщиной 1 см. За открытия в области полупроводников и изобретение транзистора Шокли, Бардин и Браттейн в 1956 г. разделили Нобелевскую премию по физике (примечательно, что Бардин – единственный физик, удостоенный Нобелевской премии дважды: второй раз – в 1972 г. за разработку теории сверхпроводимости).

К сожалению, эпохальное изобретение было омрачено последовавшей попыткой Шокли претендовать на монопольное владение патентом на выпущенный транзистор, однако патентоведы фирмы Белл отклонили претензии, указав, между прочем, что его собственный патент (на основании которого он руководил работой) оказался почти идентичным патенту Лилиенфельда.

Разумеется, создатели первого, достаточно устойчиво функционировавшего, транзистора не начинали «с нулевой отметки» , что попросту невозможно при современном уровне науки и технологий, а продолжали работу предшественников. Об этом говорил и Дж. Бэрдин в вводной части своей Нобелевской лекции (11.12.1956 г.). В частности, Бэрдин отметил, что: «…Основательный теоретический базис имелся уже в (Европейских) работах выполненных в 1930-е гг.:

• Квантовая механическая теория Вильсона, основанная на модели энергетической зоны, описывающая проводимость в терминах избыточных электронов и дырок. Это основа всего последующего развития. Теория показывает, как концентрация носителей зависит от температуры и наличия примесей.»
• «Теория Френкеля о явлении фотопроводимости (изменение потенциала в точке контакта при (изменении) освещённости и электрический эффект фотогенерирования). В них приводятся общие уравнения, описывающие протекание тока при наличии неравновесной концентрации дырок и проводящих электронов. Он открыл что ток (электронов) может происходить по причине диффузии в перепаде концентрации, равно как и за счёт электрического поля.»
• «Независимые, параллельные разработки по теории выпрямления в контактной зоне были выполнены Моттом, Шоттки и Давыдовым. Наиболее полная математическая теория была разработана Шоттки и его сотрудником Шпенке.»

В списке источников, помещенном в лекции, под номером 2 значится Я.И. Фрнекель ( Physik Z. Sowjetunion 8 (1935) 185), под ном. 4 – Б.И. Давыдов (J. Tech. Phys. U.S.S.R, 5(1938)87), под ном. 6 – R . Hilsch and R. W. Pohl, (Z. Physik, III (1938) 399), а под ном. 7 помещен комментарий о том что: «Усилители основанные на принципе полевого эффекта ранее уже приводились в патентной литературе (Р. Лилиенфельд и др.), но были несовершенны / not successful /» .).

Первые отечественные транзисторы П1А и П3А
(с радиатором), 1957 г.

Однако времена менялись и в 1950-е гг. развитие транзистора шло полным ходом. Полым ходом шла работа и в СССР. Начиная с 1946 г. В.Е. Лашкарёв успешно разворачивал научные исследования в разрушенном войной Киеве. Вскоре он открыл биполярную диффузию неравновесных носителей тока в полупроводниках, а в начале 1950-х изготовил первые точечные транзисторы в лабораторных условиях. То, что результаты их опытной эксплуатации были обнадёживающими, подтверждается следующим любопытным эпизодом.

Пионер советской вычислительной техники – академик С. А. Лебедев, создавший в Киеве первую советскую ЭВМ МЭСМ (1949—1951) и основавший там научную школу, приезжал в Киев в день своего 50-летия (2 ноября 1952 г.). Там он услышал о транзисторах Лашкарёва и, игнорируя подготовленные в его честь торжества (а Лебедев вообще не любил никакого официоза, справедливо полагая его пустой тратой времени), отправился прямиком в лабораторию при Институте физики АН Украинской ССР. Познакомившись с Лашкарёвым и его разработками, Лебедев предложил сопровождавшему его аспиранту А. Кондалеву начать проектирование ряда устройств ЭВМ на базе новых транзисторов и диодов, что тот и сделал после трехмесячной стажировки у Лашкарёва. (Об этом случае автору рассказал другой аспирант Лебедева – ныне академик НАН Украины Б.Н. Малиновский, также присутствовавший при встрече и впоследствии включившийся в упомянутую работу.) Правда, сведения о каком-либо промышленном развитии этого проекта, по крайней мере в гражданской области, отсутствуют, но это и понятно: массового производства транзисторов в те годы ещё не существовало.

Широкое применение транзисторов во всём мире началось позже. Тем не менее, научные заслуги Лашкарёва были оценены: он возглавил новый Институт полупроводников АН Украины, который был открыт в 1960 г.

В СССР работа по транзисторам велась почти в таком же темпе, что и за рубежом. Параллельно с киевской лабораторией Лашкарёва исследовательская группа московского инженера А. В. Красилова в 1948 г. создала германиевые диоды для радиолокационных станций. В феврале 1949-го Красилов и его помощница Сусанна Мадоян (Сусанна Гукасовна Мадоян – в то время студентка Московского химико-технологического института, выполнявшая дипломную работу по теме «Точечный транзистор» ) впервые наблюдали транзисторный эффект. Правда, первый лабораторный образец работал не более часа, а затем требовал новой настройки. Тогда же Красилов и Мадоян опубликовали первую в Советском Союзе статью о транзисторах, называвшуюся «Кристаллический триод» .

Приблизительно в то же время точечные транзисторы были разработаны и в других лабораториях страны. Так, в 1950 г. экспериментальные образцы германиевых транзисторов были созданы в Физическом институте Академии наук (Б.М. Вулом, А.В. Ржановым, В.С. Вавиловым и др.) и Ленинградском физико-техническом институте (В.М. Тучкевичем, Д.Н. Наследовым).

В 1953 г. был организован первый в СССР институт полупроводников (ныне — НИИ «Пульсар» ). Туда была переведена лаборатория Красилова, в которой Мадоян разработала первые сплавные германиевые транзисторы. Их развитие связано с расширением частотного предела и повышением КПД транзистора. Соответствующие работы проводились совместно с лабораторией профессора С. Г. Калашникова в ЦНИИ-108 (ныне ГосЦНИРТИ): начинался новый период, характеризуемый сотрудничеством различных организаций, специализировавшихся в полупроводниковой области. В конце же 1940-х одинаковые открытия часто делались независимо друг от друга, а их авторы не имели информации о достижениях своих коллег. Причиной такой «научной параллельности» была секретность исследований в области электроники, имевшей оборонное значение. Подобная картина наблюдалась и при создании первых электронных компьютеров будущих потребителей транзисторов.

Впрочем, секретность отнюдь не была некой «советской особенностью» : оборонные разработки засекречиваются во всем мире. Изобретение транзистора тоже было строго засекречено фирмой Bell (где в то время работал Шокли), и первое сообщение о нем появилось в печати только 1 июля 1948 г.: в небольшой заметке газеты The New York Times, где без лишних подробностей сообщалось о создании подразделением Bell Telephone Laboratories твердотельного электронного прибора, заменявшего электронную лампу.

С образованием сети специальных научно-исследовательских организаций развитие транзисторов постоянно ускорялось. В начале 1950-х в НИИ-160 Ф. А. Щиголь и Н. Н. Спиро ежедневно выпускали десятки промышленных экземпляров точечных транзисторов типа С1-С4, а М. М. Самохвалов разрабатывал в НИИ-35 новые решения по групповой технологии, технологии «вплавления – диффузии» для получения тонкой базы ВЧ-транзисторов. В 1953 г. на основе исследований термоэлектрических свойств полупроводников А. Ф. Иоффе создал серию термоэлектрогенераторов, а в НИИ-35 были изготовлены планарные транзисторы П1, П2, П3. Вскоре в лаборатории С. Г. Калашникова был получен германиевый транзистор для частот 1,0 — 1,5 МГц, а Ф. А. Щиголь сконструировал кремниевые сплавные транзисторы типа П501-П503.

В 1957 г. советская промышленность выпустила 2,7 млн. транзисторов. Начавшееся создание и развитие ракетной и космической техники, а затем и вычислительных машин, а так же потребности приборостроения и других отраслей экономики полностью удовлетворялись транзисторами и другими электронными компонентами отечественного производства.

Статья опубликована в журнале PCWeek/RE №41 (599) 2007
Печатается с разрешения автора.
Статья помещена в музей 6.01.2008

История открытия p-n перехода, или с чего начинался транзистор

1956 год. В Стокгольмском концертом зале три американских ученых Джон Бардин, Вильям Шокли и Уолтер Браттейн получают Нобелевскую премию «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта» —  настоящий прорыв в области физики.  Отныне их имена навсегда вписаны в мировую науку. Но более чем за 15 лет до этого, в начале 1941 года молодой украинский ученый Вадим Лашкарев экспериментально обнаружил и описал в своей статье физическое явление, которое, как оказалось, впоследствии получило название p-n переход (p-positive, n-negative). Он же в своей статье раскрыл и механизм инжекции — важнейшего явления, на основе которого действуют полупроводниковые диоды и транзисторы.

Официально история транзистора звучит так: первое сообщение в печати о появлении полупроводникового усилителя-транзистора появилось в американской прессе в июле 1948 года. Его изобретатели – американские ученые Бардин и Браттейн. Они пошли по пути создания так называемого точечного транзистора на базе кристалла германия n-типа. Первый обнадеживающий результат они получили в конце 1947 г. Однако прибор вел себя неустойчиво, его характеристики отличались непредсказуемостью, и поэтому практического применения точечный транзистор не получил.

Прорыв произошел в 1951 году, когда Вильям Шокли создал свой более надежный плоскостной транзистор n-p-n типа, который состоял из трех слоев германия n, p и n типа, общей толщиной 1 см. Уже через несколько лет значимость изобретения американских ученых стала очевидной, и они были отмечены Нобелевской премией.

Задолго до этого, еще перед началом Великой Отечественной войны в 1941 году Лашкарев проводит  серию успешных экспериментов и открывает р-n переход и раскрывает механизм электронно-дырочной диффузии, на основе которых под его руководством в начале 50-х годов, были созданы первые в Украине (тогда часть СССР) полупроводниковые триоды — транзисторы.

Говоря научным языком, p-n переход – это  область пространства на стыке двух полупроводников p- и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому. Электрическая проводимость материала зависит от того, насколько прочно ядра его атомов удерживают электроны. Так, большинство металлов являются хорошими проводниками, поскольку имеют огромное количество слабосвязанных с атомным ядром электронов, которые легко притягиваются положительными зарядами и отталкиваются отрицательными. Движущиеся электроны и есть носители электрического тока. С другой стороны, изоляторы, не пропускают ток, так как электроны в них прочно связаны с атомами и не реагируют на воздействие внешнего электрического поля.

Полупроводники ведут себя иначе. Атомы в кристаллах полупроводников образуют решетку, внешние электроны которой связаны силами химической природы. В чистом виде полупроводники подобны изоляторам: они или плохо проводят ток, или не проводят вообще. Но стоит добавить в кристаллическую решетку небольшое количество атомов определенных элементов (примесей), как их поведение кардинально меняется.

В некоторых случаях атомы примеси связываются с атомами полупроводника, образуя лишние электроны, избыток свободных электронов придает полупроводнику отрицательный заряд. В других случаях атомы примеси создают так называемые «дырки», способные «поглощать» электроны. Таким образом возникает недостаток электронов и полупроводник становится положительно заряженным. При соответствующих условиях полупроводники могут проводить электрический ток. Но в отличие от металлов они проводят его двояким образом. Отрицательно заряженный полупроводник стремится избавиться от лишних электронов, это проводимость  n-типа (от negative — отрицательный). Носителями заряда в полупроводниках такого типа являются электроны. С другой стороны, положительно заряженные полупроводники притягивают электроны, заполняя «дырки». Но, когда заполняется одна «дырка» рядом возникает другая — покинутая электроном. Таким образом, «дырки» создают поток положительного заряда, который направлен в сторону, противоположную движению электронов. Это проводимость р-типа (от positive — положительный). В полупроводниках обоих типов так называемые не основные носители заряда (электроны в полупроводниках р-типа и «дырки» в полупроводниках п-типа) поддерживают ток в направлении, обратном движению основных носителей заряда.

Внесение примесей в кристаллы германия или кремния позволяет создать полупроводниковые материалы с желаемыми электрическими свойствами. Например, введение незначительного количества фосфора порождает свободные электроны, и полупроводник приобретает проводимость n-типа. Добавление атомов бора, наоборот, создает дырки, и материал становится полупроводником р-типа.

В дальнейшем оказалось, что полупроводник, в который введены примеси, обретает свойство пропускать электрический ток, т.е. обладает проводимостью, величина которой может при определенном воздействии изменяется в широких пределах.

Когда в США был найден способ для осуществления такого воздействия электрическим путем, появился транзистор (от первоначального названия трансрезистор). Тот факт, что 1941 году Лашкарев опубликовал результаты своих открытий в статьях «Исследование запирающих слоев методом термозонда» и «Влияние примесей на вентильный фотоэффект в закиси меди» (в соавторстве со своей коллегой  К.М. Косоноговой), в связи с военным временем не попал в поле зрения научного мира. Предположительно, начавшаяся  «холодная война» и опустившийся на Советский Союз «железный занавес» сыграли свою роль в том, что Лашкарев так и не стал Нобелевским лауреатом. Кстати сказать, Лашкарев разработал, находясь в Сибири во время войны, купроксные диоды, которые применялись в армейских радиостанциях и добился их промышленного выпуска.

В дополнение к двум первым работам, Лашкарев в соавторстве с В.И.Ляшенко в 1950 году опубликовал статью «Электронные состояния на поверхности полупроводника», в которой были описаны результаты исследований поверхностных явлений в полупроводниках, ставшие основой работы интегральных схем на базе полевых транзисторов.

В 50-е годы Лашкареву также удалось решить проблему массовой выбраковки монокристаллов германия. Он по новому сформулировал технические требования к этому элементу, так как предыдущие были неоправданно завышены. Тщательные исследования, проведенные Лашкаревым и Миселюком в Институте физики АН УССР в Киеве, показали, что уже достигнутый уровень технологии монокристаллов германия позволял создать точечные диоды и триоды с необходимыми характеристиками. Это позволило ускорить промышленный выпуск первых в бывшем СССР германиевых диодов и транзисторов.

Так, именно под руководством Лашкарева в начале 50-х в СССР было организовано производство первых точечных транзисторов. Сформированная В.Е. Лашкаревым  научная школа в области физики полупроводников становится одной из ведущих в СССР. Признанием выдающихся результатов стало создание в 1960 г. Института полупроводников АН УССР, который возглавил В.Е. Лашкарев.

“Настанет время, когда на этом кристаллике, что нам показал Вадим Евгеньевич, можно будет разместить всю ЭВМ!”, — напророчил академик Сергей Лебедев, создавший первый в континентальной Европе компьютер — МЭСМ. Так и случилось. Но это произошло через двадцать с лишним лет, когда появились большие интегральные схемы БИС, содержащие на кристалле десятки и сотни тысяч транзисторов, а позднее — сверхбольшие интегральные схемы СБИС со многими миллионами компонентов на кристалле, открывшие человеку путь в информационную эру.

Типы транзисторов

— переходные транзисторы и полевые транзисторы

В этом руководстве мы узнаем о классификации и различных типах транзисторов. Транзистор стал важным компонентом современной электроники, и мы не можем представить мир без транзисторов.

Введение

Транзистор — это полупроводниковое устройство, которое используется для усиления сигналов, а также в схемах переключения. Обычно транзистор изготавливается из твердого материала, который содержит три вывода, такие как эмиттер (E), база (B) и коллектор (C) для соединения с другими компонентами схемы.Некоторые транзисторы также содержат четвертый вывод, то есть подложку (S). Транзистор — один из активных компонентов.

Со времени изобретения первого транзистора до наших дней транзисторы классифицируются на разные типы в зависимости от конструкции или работы, они поясняются с помощью древовидной диаграммы, как показано ниже.

НАЗАД НАЗАД

Древовидная схема транзисторов

Классификацию транзисторов можно понять, просмотрев приведенную выше древовидную диаграмму.Транзисторы в основном делятся на два типа; это биполярные переходные транзисторы (BJT) и полевые транзисторы (FET). BJT снова подразделяются на транзисторы NPN и PNP. Полевые транзисторы подразделяются на JFET и MOSFET.

Junction FET транзисторы подразделяются на N-канальный JFET и P-канальный JFET в зависимости от их функции. MOSFET-транзисторы подразделяются на режим истощения и режим улучшения. Снова транзисторы режима обеднения и улучшения подразделяются на N-канальный JFET и P-канал.

В настоящее время электронные лампы заменяют транзисторами, потому что транзисторы имеют больше преимуществ перед электронными лампами. Транзисторы имеют небольшие размеры, для работы требуется низкое напряжение, а также низкое рассеивание мощности. По этим причинам транзистор используется во многих приложениях, таких как усилители, схемы переключения, генераторы, а также почти во всех электронных схемах.

НАЗАД НАЗАД

Типы транзисторов

Транзистор — это правильное расположение различных полупроводниковых материалов.Обычные полупроводниковые материалы, используемые для транзисторов, — это кремний, германий и арсенид галлия. В основном транзисторы классифицируются в зависимости от их конструкции. У каждого типа транзисторов есть свои особенности, преимущества и недостатки.

Некоторые транзисторы предназначены в первую очередь для целей переключения, другие — для целей усиления, а некоторые транзисторы предназначены как для усиления, так и для целей переключения. В зависимости от конструкции транзисторы подразделяются на BJT и FET.

НАЗАД НАЗАД

Переходные транзисторы

Переходный транзистор

обычно называют биполярным переходным транзистором (BJT). Транзисторы BJT имеют три терминала: эмиттер (E), база (B), коллектор (C). Само название указывает на то, что он имеет два перехода между полупроводниками p-типа и n-типа. Транзисторы BJT подразделяются на транзисторы NPN и PNP в зависимости от конструкции.

В отличие от полевых транзисторов, биполярные транзисторы являются устройствами с регулируемым током.Если через базу BJT-транзистора протекает небольшой ток, он вызывает протекание большого тока от эмиттера к коллектору. Биполярные транзисторы имеют низкий входной импеданс, что приводит к протеканию через транзистор большого тока.

BJT-транзисторы — это только транзисторы, которые включаются входным током, подаваемым на базу. Транзисторы с биполярным переходом могут работать в трех регионах, их

• Область отсечки: Здесь транзистор находится в состоянии «ВЫКЛ» i.е ток, протекающий через транзистор, равен нулю.
• Активная область: Здесь транзистор действует как усилитель.
• Область насыщения: Здесь транзистор находится в полностью «ВКЛ» состоянии, а также работает как замкнутый переключатель.

НАЗАД

NPN Транзистор

NPN — это один из двух типов биполярных переходных транзисторов (BJT). Транзистор NPN состоит из двух полупроводниковых материалов n-типа, разделенных тонким слоем полупроводника p-типа.Здесь основными носителями заряда являются электроны, а неосновными носителями заряда являются дырки. Прохождение электронов от эмиттера к коллектору формирует ток, протекающий в транзисторе через вывод базы.

Небольшой ток на выводе базы вызывает протекание большого тока от эмиттера к коллектору. В настоящее время обычно используемым биполярным транзистором является транзистор NPN, поскольку подвижность электронов выше подвижности дырок. Стандартное уравнение для токов, протекающих в транзисторе, —

.

I _E = I _B + I _C

Символы и структура NPN-транзисторов приведены ниже.

НАЗАД НАЗАД

PNP Транзистор

PNP — это еще один тип биполярных переходных транзисторов (BJT). Транзисторы PNP содержат два полупроводниковых материала p-типа и разделены тонким слоем полупроводника n-типа. Основными носителями заряда в транзисторах PNP являются дырки, а электроны — неосновные носители заряда. Стрелка на выводе эмиттера транзистора указывает протекание обычного тока. В транзисторе PNP ток течет от эмиттера к коллектору.

Транзистор PNP включен, когда клемма базы переведена в низкий уровень по отношению к эмиттеру. Символ и структура транзистора PNP показаны ниже.

НАЗАД НАЗАД

FET (полевой транзистор)

Полевой транзистор (FET) — еще один тип транзисторов. Обычно полевые транзисторы имеют три вывода: затвор (G), сток (D) и исток (S). Полевые транзисторы подразделяются на полевые транзисторы с переходным эффектом (JFET) и полевые транзисторы с изолированным затвором (IG-FET) или полевые МОП-транзисторы.Для соединений в схеме мы также рассматриваем четвертую клемму, называемую базой или подложкой. Полевые транзисторы контролируют размер и форму канала между истоком и стоком, который создается под действием приложенного напряжения. Транзисторы FET являются однополярными транзисторами, потому что они выполняют одноканальную работу, тогда как транзисторы BJT являются транзисторами с биполярным переходом. Транзисторы FET имеют более высокое усиление по току, чем транзисторы BJT.

НАЗАД НАЗАД

JFET (переходно-полевой транзистор)

Junction-Field-Effect Transistor (JFET) — это самый ранний и простой тип полевых транзисторов.Эти полевые транзисторы используются в качестве переключателей, усилителей и резисторов. Этот транзистор представляет собой устройство, управляемое напряжением. Ему не нужен ток смещения. Напряжение, приложенное между затвором и истоком, управляет потоком электрического тока между истоком и стоком транзистора. Транзисторы JFET доступны как в N-канальном, так и в P-канальном исполнении.

НАЗАД НАЗАД

N-канальный JFET

В N-канальном JFET ток протекает за счет электронов. Когда между затвором и истоком подается напряжение, между истоком и стоком образуется канал для протекания тока.Этот канал называется N-каналом. В настоящее время N-канальный JFET-транзистор является наиболее предпочтительным типом, чем P-канальный JFET. Обозначения для N-канального JFET-транзистора приведены ниже.

НАЗАД НАЗАД

P-канал JFET

В этом транзисторе JFET ток протекает из-за дыр. Канал между истоком и стоком называется P-каналом. Обозначения для P-канальных JFET-транзисторов приведены ниже. Здесь стрелки указывают направление тока.

НАЗАД НАЗАД

МОП-транзистор

Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET) является наиболее полезным типом среди всех транзисторов. Само название указывает на то, что он содержит металлический зажим для ворот. МОП-транзистор имеет четыре вывода: сток, исток, затвор и корпус или подложку (B). MOSFET имеет много преимуществ перед BJT и JFET, в основном он предлагает высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс. Он используется в схемах малой мощности, в основном, в технологиях проектирования микросхем.

MOSFET-транзисторы доступны в вариантах с истощением и улучшением. Кроме того, типы истощения и улучшения подразделяются на типы N-канала и P-канала.

НАЗАД НАЗАД

N-канальный полевой МОП-транзистор

MOSFET, имеющий N-канальную область между истоком и стоком, называется N-канальным MOSFET. Здесь выводы истока и затвора сильно легированы материалами n-типа, а подложка легирована полупроводниковым материалом p-типа. Здесь ток между истоком и стоком происходит из-за электронов.Напряжение на затворе регулирует ток в цепи. MOSFET с N-каналом является наиболее предпочтительным, чем MOSFET с P-каналом, поскольку подвижность электронов выше подвижности дырок. Обозначения для N-канальных MOSFET-транзисторов приведены ниже.

НАЗАД НАЗАД

МОП-транзистор с каналом P

MOSFET, имеющий область P-канала между истоком и стоком, называется MOSFET с P-каналом. Здесь выводы истока и стока сильно легированы материалом P-типа, а подложка легирована материалом N-типа.Ток между истоком и стоком происходит из-за концентрации дырок. Приложенное напряжение на затворе будет управлять потоком тока через область канала. Обозначения для P-канальных MOSFET-транзисторов в режимах истощения и расширения приведены ниже.

НАЗАД НАЗАД

Транзисторы на основе функции

Транзисторы

также классифицируются в зависимости от функций, которые означают, что они делают. Ниже описаны различные типы транзисторов в зависимости от их функции.

НАЗАД НАЗАД

Малосигнальные транзисторы

Основная функция малосигнальных транзисторов заключается в усилении слабых сигналов, даже если эти транзисторы используются для переключения. Малосигнальные транзисторы доступны на рынке в виде транзисторов NPN и PNP. Мы можем видеть некоторое значение на корпусе малосигнального транзистора, это значение указывает на hFE транзистора.

В зависимости от этого значения hFE мы можем понять способность транзистора усиливать сигнал.Значения hFE находятся в диапазоне от 10 до 500. Значение тока коллектора этих транзисторов составляет от 80 до 600 мА. Этот тип транзисторов работает в диапазоне частот от 1 до 300 МГц. Само название транзистора указывает на то, что эти транзисторы усиливают слабые сигналы, в которых используются небольшие напряжения и токи, например, несколько милливольт и миллиампер тока.

 Ссылка на ресурс: learningaboutelectronics.com/images/Small-signal-transistor.png 

Малосигнальные транзисторы используются почти во всех типах электронного оборудования, а также эти транзисторы используются в нескольких приложениях, некоторые из них — переключатели ВКЛ или ВЫКЛ для общего использования, драйвер светодиодного диода, драйвер реле, функция отключения звука, схемы таймера, инфракрасный порт. диодный усилитель, цепи питания смещения и т. д.

НАЗАД НАЗАД

Малые переключающие транзисторы

Малые переключающие транзисторы — это транзисторы, которые в основном используются для переключения, а затем используются для усиления. Как и малосигнальные транзисторы, небольшие переключающие транзисторы также доступны в форме NPN и PNP, и этот тип транзисторов также имеет значения hFE. Диапазон значений hFE для этих транзисторов составляет от 10 до 200. При значении hFE 200 транзисторы не являются хорошими усилителями, хотя они действуют как лучшие переключатели.Значения тока коллектора колеблются от 10 до 1000 мА. Эти транзисторы используются в основном в коммутационных устройствах.

 Ссылка на ресурс: learningaboutelectronics.com/images/Small-switching-transistor.png 

НАЗАД НАЗАД

Силовые транзисторы

Транзисторы, которые используются в усилителях большой мощности и источниках питания, называются «усилителями мощности». Коллекторный вывод этого транзистора подключен к основанию металлического устройства, и эта структура действует как теплоотвод, который рассеивает избыточную мощность для приложений.

Эти типы транзисторов доступны в виде транзисторов NPN, PNP и Дарлингтона. Здесь значения тока коллектора колеблются от 1 до 100А. Диапазон рабочих частот от 1 до 100 МГц. Значения мощности этих транзисторов находятся в диапазоне от 10 до 300 Вт. Само название транзистора указывает на то, что силовые транзисторы используются в приложениях, где требуются высокая мощность, высокое напряжение и большой ток.

 Ссылка на ресурс: learningaboutelectronics.com/images/Power-transistors.png 

НАЗАД НАЗАД

Высокочастотные транзисторы

Высокочастотные транзисторы используются для небольших сигналов, которые работают на высоких частотах, и они используются в приложениях для высокоскоростной коммутации. Высокочастотные транзисторы также называют РЧ-транзисторами. Эти транзисторы имеют максимальные значения частоты около 2000 МГц. Значение тока коллектора (IC) колеблется от 10 до 600 мА. Эти типы транзисторов также доступны в форме NPN и PNP.Они в основном используются в приложениях с высокочастотными сигналами, а также эти транзисторы должны быть включены или выключены только на высоких скоростях. Эти транзисторы используются в схемах генераторов и усилителей HF, VHF, UHF, CATV и MATV.

 Ссылка на ресурс: learningabouelectronics.com/images/High-frequency-transistors.jpg 

НАЗАД НАЗАД

Фототранзистор

Фототранзисторы — это транзисторы, которые работают в зависимости от света, что означает, что эти транзисторы светочувствительны.Обычный фототранзистор — это не что иное, как биполярный транзистор, который содержит светочувствительную область вместо клеммы базы. Фототранзисторы имеют только 2 вывода вместо обычных 3 выводов. Транзистор работает в зависимости от света. Когда светочувствительная область темна, тогда в транзисторе не течет ток, т.е. транзистор находится в выключенном состоянии.

 Ссылка на ресурс: learningaboutelectronics.com/images/Phototransistors.jpg 

Когда светочувствительная область подвергается воздействию света, на клеммах базы генерируется небольшой ток, который вызывает протекание большого тока от коллектора к эмиттеру.Фототранзисторы доступны как в типах транзисторов BJT, так и на полевых транзисторах. Они называются фото-BJT и фото-FET.

В отличие от фото-BJT, фото-полевые транзисторы генерируют ток затвора с помощью света, который контролирует ток между выводами стока и истока. Фото-полевые транзисторы более чувствительны к свету, чем фото-полевые транзисторы. Символы фото-BJT и фото-полевых транзисторов показаны выше.

НАЗАД НАЗАД

Однопереходные транзисторы:

 Ссылка на ресурс: Learningaboutelectronics.com / images / Unijunction-transistor.png 

Однопереходные транзисторы используются только как переключатели с электрическим управлением. Эти транзисторы не имеют усилительных характеристик из-за своей конструкции. Обычно это трехпроводные транзисторы. Теперь мы видим работу однопереходного транзистора. Если нет разницы потенциалов между эмиттером и одним из выводов базы (B1 или B2), то между B1 и B2 протекает небольшой ток.

Если на вывод эмиттера подается достаточное количество напряжения, то на выводе эмиттера генерируется большой ток, который добавляется к небольшому току между B1 и B2, что вызывает протекание большого тока в транзисторе.Здесь ток эмиттера является основным источником тока для полного тока в транзисторе. Ток между выводами B1 и B2 очень мал, по этой причине эти транзисторы не подходят для целей усиления.

НАЗАД НАЗАД

ПРЕДЫДУЩИЙ — ВВЕДЕНИЕ ТРАНЗИСТОРОВ

СЛЕДУЮЩИЙ — ТРАНЗИСТОР NPN

Одноатомный транзистор — это конец закона Мура; может стать началом квантовых вычислений — ScienceDaily

Самый маленький транзистор из когда-либо созданных — фактически, самый маленький транзистор, который можно построить — был создан с использованием одного атома фосфора международной группой исследователей из Университета Нового Юга. Уэльс, Университет Пердью и Мельбурнский университет.

Одноатомное устройство было описано в воскресенье (19 февраля) в статье в журнале Nature Nanotechnology .

Мишель Симмонс, руководитель группы и директор Центра квантовых вычислений и коммуникаций ARC при Университете Нового Южного Уэльса, говорит, что разработка направлена ​​не столько на улучшение существующих технологий, сколько на создание технологий будущего.

«Это прекрасная демонстрация управления материей в атомном масштабе для создания настоящего устройства», — говорит Симмонс.«Пятьдесят лет назад, когда был разработан первый транзистор, никто не мог предсказать роль, которую компьютеры будут играть в нашем обществе сегодня. Переходя к устройствам атомного масштаба, мы входим в новую парадигму, в которой квантовая механика обещает аналогичные технологические возможности. подрыв. Именно обещание этой технологии будущего делает нынешнее развитие таким захватывающим ».

В январе та же исследовательская группа объявила, что она разработала провод из фосфора и кремния — всего один атом в высоту и четыре атома в ширину — который ведет себя как медный провод.

Моделирование атомного транзистора для моделирования его поведения было проведено в Purdue с использованием технологии nanoHUB, сайта онлайн-сообщества для исследователей в области вычислительной нанотехнологии.

Герхард Климек, руководивший группой Purdue, которая проводила моделирование, говорит, что это важное событие, поскольку оно показывает, как можно создавать небольшие электронные компоненты.

«Для меня это физический предел закона Мура», — говорит Климек.«Мы не можем сделать это меньше, чем это».

Хотя определения могут быть разными, простой закон Мура гласит, что количество транзисторов, которые можно разместить на процессоре, будет удваиваться примерно каждые 18 месяцев. Последний чип Intel, Sandy Bridge, использует производственный процесс для размещения 2,3 миллиарда транзисторов на расстоянии 32 нанометра. Для сравнения, диаметр одного атома фосфора составляет всего 0,1 нанометра, что значительно уменьшило бы размер процессоров, изготовленных с использованием этой технологии, хотя до фактического производства одноатомных процессоров может пройти много лет.

Одноатомный транзистор имеет одно серьезное ограничение: он должен храниться очень холодным, по крайней мере, таким же холодным, как жидкий азот, или минус 391 градус по Фаренгейту (минус 196 по Цельсию).

«Атом находится в колодце или канале, и для того, чтобы он работал как транзистор, электроны должны оставаться в этом канале», — говорит Климек. «При более высоких температурах электроны перемещаются больше и выходят за пределы канала. Чтобы этот атом действовал как металл, вы должны удерживать электроны в канале.

«Если кто-то разработает метод сдерживания электронов, этот метод можно использовать для создания компьютера, который будет работать при комнатной температуре. Но это фундаментальный вопрос для этой технологии».

Хотя одиночные атомы, служащие транзисторами, наблюдались и раньше, это первый случай, когда одноатомный транзистор был сконструирован с контролируемой атомной точностью. В структуре даже есть маркеры, которые позволяют исследователям прикреплять контакты и подавать напряжение, говорит Мартин Фюксле, исследователь из Университета Нового Южного Уэльса и ведущий автор статьи.

«Уникальность того, что мы сделали, заключается в том, что мы с атомарной точностью расположили этот отдельный атом внутри нашего устройства», — говорит Фюхсле.

Симмонс говорит, что этот контроль является ключевым этапом в создании одноатомного устройства. «Достигнув размещения одного атома, мы, в то же время, разработали метод, который позволит нам разместить несколько из этих одноатомных устройств с целью разработки масштабируемой системы».

Одноатомный транзистор может проложить путь к созданию квантового компьютера, который работает, управляя электронами и, следовательно, квантовой информацией или кубитами.Однако некоторые ученые сомневаются, что такое устройство когда-либо будет построено.

«Хотя этот результат является важной вехой в масштабируемых кремниевых квантовых вычислениях, он не дает ответа на вопрос, возможны ли квантовые вычисления», — говорит Симмонс. «Ответ на этот вопрос заключается в том, можно ли управлять квантовой когерентностью на большом количестве кубитов. Разработанный нами метод потенциально масштабируем, используя те же материалы, что и в кремниевой промышленности, но для достижения этой цели требуется больше времени.«

Климек говорит, что, несмотря на препятствия, одноатомный транзистор является важной разработкой.

«Это открывает глаза, потому что это устройство, которое ведет себя как металл в кремнии. Это приведет ко многим другим открытиям».

Исследовательский проект охватил весь земной шар и стал результатом многолетних усилий.

«Когда я создавал эту программу 10 лет назад, многие люди думали, что это невозможно из-за слишком большого количества технических препятствий. Однако, читая литературу, я не видел никаких практических причин, почему это было бы невозможно», — говорит Симмонс.«Необходимы грубая решимость и системные исследования, а также наличие многих выдающихся студентов и докторантов, которые работали над проектом».

Климек отмечает, что современные инструменты для совместной работы и создания сообщества, такие как nanoHUB, сыграли важную роль.

«Это было транс-Тихоокеанское сотрудничество, которое стало результатом сообщества, созданного в nanoHUB. Теперь аспиранты Purdue проводят время в Университете Нового Южного Уэльса, а их студенты едут в Purdue, чтобы больше узнать о нанотехнологиях.Это было плодотворное сотрудничество как в плане научных открытий, так и в плане установления личных отношений ».

История компьютера

Что такое компьютер?

В своей основной форме компьютер — это любое устройство, которое помогает людям выполнять различные виды вычислений или вычислений. В этом отношении первым компьютером были счеты, которые использовались для выполнения основных арифметических операций.

Каждый компьютер поддерживает ту или иную форму ввода, обработки и вывода.Это менее очевидно на примитивном устройстве, таком как счеты, где ввод, вывод и обработка представляют собой просто действие по перемещению камешков в новые позиции, просмотру измененных позиций и подсчету. Тем не менее, в двух словах, это и есть вычисления. Мы вводим информацию, компьютер обрабатывает ее в соответствии со своей основной логикой или выполняемой в данный момент программой и выводит результаты.

Современные компьютеры делают это в электронном виде, что позволяет им выполнять гораздо большее количество вычислений или вычислений за меньшее время.Несмотря на то, что в настоящее время мы используем компьютеры для обработки изображений, звука, текста и других нечисловых форм данных, все это зависит не более чем от базовых численных расчетов. Графика, звук и т. Д. — это просто абстракции чисел, обрабатываемых машиной; в цифровых компьютерах это единицы и нули, представляющие электрические включенные и выключенные состояния, а также их бесконечные комбинации. Другими словами, каждое изображение, каждый звук и каждое слово имеют соответствующий двоичный код.

Хотя с технической точки зрения счеты, возможно, были первым компьютером, большинство людей сегодня ассоциируют слово «компьютер» с электронными компьютерами, которые были изобретены в прошлом веке и превратились в современные компьютеры, которые мы знаем сегодня.

ENIAC

Компьютеры первого поколения (1940-е — 1950-е годы)

Первые электронные компьютеры использовали электронные лампы, и они были огромными и сложными. Первым электронным компьютером общего назначения был ENIAC (электронный числовой интегратор и компьютер).Он был цифровым, хотя и не работал с двоичным кодом, и его можно было перепрограммировать для решения всего спектра вычислительных задач. Он был запрограммирован с использованием коммутационных панелей и переключателей, поддерживающих ввод от устройства чтения карт IBM и вывод на перфоратор IBM. Он занимал 167 квадратных метров, весил 27 тонн и потреблял 150 киловатт электроэнергии. В нем использовались тысячи электронных ламп, кристаллических диодов, реле, резисторов и конденсаторов.

Первым компьютером общего назначения был ABC (компьютер Атанасова – Берри), и другие аналогичные компьютеры той эпохи включали немецкий Z3, десять компьютеров British Colossus, LEO, Harvard Mark I и UNIVAC.

IBM 1401

Компьютеры второго поколения (1955-1960)

Второе поколение компьютеров появилось благодаря изобретению транзистора, который затем начал заменять электронные лампы в компьютерной конструкции. Транзисторные компьютеры потребляли гораздо меньше энергии, выделяли гораздо меньше тепла и были намного меньше по сравнению с первым поколением, хотя по сегодняшним меркам все еще велики.

Первый транзисторный компьютер был создан в Манчестерском университете в 1953 году.Самым популярным из транзисторных компьютеров был IBM 1401. IBM также создала первый дисковый накопитель в 1956 году, IBM 350 RAMAC.

Компьютеры третьего поколения (1960-е годы)

Система IBM / 360

Изобретение интегральных схем (ИС), также известных как микрочипы, проложило путь для компьютеров, какими мы их знаем сегодня. Изготовление схем из отдельных кусков кремния, который является полупроводником, позволило сделать их намного меньше и практичнее в производстве. Это также положило начало непрерывному процессу интеграции все большего количества транзисторов в один микрочип.В шестидесятые годы микрочипы начали появляться в компьютерах, но процесс был постепенным, и компьютеры второго поколения все еще существовали.

Сначала появились миникомпьютеры, первые из которых все еще основывались на немикрочипных транзисторах, а более поздние версии были гибридными, основанными как на транзисторах, так и на микрочипах, например IBM System / 360. Они были намного меньше и дешевле компьютеров первого и второго поколения, также известных как мэйнфреймы. Миникомпьютеры можно рассматривать как мост между мэйнфреймами и микрокомпьютерами, который появился позже, по мере роста количества микрочипов в компьютерах.

Компьютеры четвертого поколения (1971 — настоящее время)

Первые центральные процессоры на базе микрочипов состояли из множества микрочипов для различных компонентов ЦП. Стремление к еще большей интеграции и миниатюризации привело к появлению однокристальных ЦП, где все необходимые компоненты ЦП были помещены на один микрочип, называемый микропроцессором. Первым однокристальным процессором или микропроцессором был Intel 4004.

Появление микропроцессора породило эволюцию микрокомпьютеров, которые в конечном итоге стали персональными компьютерами, с которыми мы знакомы сегодня.

Первое поколение микрокомпьютеров (1971-1976)

Альтаир 8800

Первые микрокомпьютеры представляли собой странную группу. Часто они поставлялись в наборах, и многие из них были по сути просто коробками с лампами и переключателями, доступными только инженерам и любителям, которые могли понимать двоичный код. Некоторые, однако, поставлялись с клавиатурой и / или монитором, что несколько больше походило на современные компьютеры.

Это спорно, какие из первых микрокомпьютеров можно назвать первым.CTC Datapoint 2200 является одним из кандидатов, хотя на самом деле он не содержал микропроцессора (вместо этого был основан на многочиповой конструкции ЦП) и не предназначался для использования в качестве автономного компьютера, а просто терминала для мэйнфреймов. Причина, по которой некоторые могут считать его первым микрокомпьютером, заключается в том, что он мог использоваться как де-факто автономный компьютер, был достаточно мал, а его многочиповая архитектура ЦП фактически стала основой для архитектуры x86, которая позже использовалась в IBM PC и его потомки. Плюс к этому даже были клавиатура и монитор, что в то время было исключением.

Однако, если мы ищем первый микрокомпьютер с подходящим микропроцессором, задумывавшийся как отдельный компьютер, а не в комплекте, то это будет Micral N, в котором используется микропроцессор Intel 8008.

Популярные ранние микрокомпьютеры, которые входили в комплекты, включают MOS Technology KIM-1, Altair 8800 и Apple I. Альтаир 8800, в частности, породил большое количество поклонников среди любителей и считается искрой, которая положила начало революции в микрокомпьютерах, поскольку эти любители пошли дальше. на основание компаний, занимающихся персональными вычислениями, таких как Microsoft и Apple.

Микрокомпьютеры второго поколения (1977 — настоящее время)

Commodore PET2001 (Изображение Томислава Медака, лицензия CC-BY-SA).

Поскольку микрокомпьютеры продолжали развиваться, ими стало легче управлять, что сделало их доступными для более широкой аудитории. Обычно они поставлялись с клавиатурой и монитором или их можно было легко подключить к телевизору, и они поддерживали визуальное представление текста и чисел на экране.

Другими словами, свет и выключатели были заменены экранами и клавиатурами, и необходимость понимать двоичный код уменьшилась, поскольку они все чаще поставлялись с программами, которые можно было использовать, вводя более понятные команды.Известные ранние примеры таких компьютеров включают Commodore PET, Apple II, а в 80-х годах — IBM PC.

Природа лежащих в основе электронных компонентов не изменилась между этими компьютерами и современными компьютерами, которые мы знаем сегодня, но изменилось количество схем, которые можно было поместить на один микрочип. Соучредитель Intel Гордон Мур предсказал удвоение количества транзисторов на одном кристалле каждые два года, что стало известно как «закон Мура», и эта тенденция сохраняется примерно 30 лет благодаря развитию производственных процессов и дизайну микропроцессоров.

Следствием этого стало предсказуемое экспоненциальное увеличение вычислительной мощности, которое можно было бы поместить в меньший корпус, что оказало прямое влияние на возможные форм-факторы, а также на приложения современных компьютеров, что является тем, что в большинстве грядущих инноваций, меняющих парадигму, в вычислительной технике. были примерно.

Графический интерфейс пользователя (GUI)

Macintosh 128k (Изображение из музея All About Apple под лицензией CC-BY-SA-2.5-it)

Возможно, наиболее значительным из этих изменений стало изобретение графического пользовательского интерфейса и мыши как способа управления им.Дуг Энгельбарт и его команда из Стэнфордской исследовательской лаборатории разработали первую мышь и графический пользовательский интерфейс, продемонстрированные в 1968 году. Они были всего за несколько лет до начала революции персональных компьютеров, спровоцированной Altair 8800, поэтому их идея не оправдалась. т держаться.

Вместо этого его подобрали и усовершенствовали исследователи из исследовательского центра Xerox PARC, который в 1973 году разработал Xerox Alto, первый компьютер с графическим интерфейсом, управляемым мышью. Однако он так и не стал коммерческим продуктом, поскольку руководство Xerox не было готово к погружению на компьютерный рынок и не увидело потенциала того, что у них было достаточно рано.

Стиву Джобсу потребовались переговоры о сделке по акциям с Xerox в обмен на экскурсию по их исследовательскому центру, чтобы, наконец, представить в массы удобный графический интерфейс пользователя, а также мышь. Стиву Джобсу показали, что разработала команда Xerox PARC, и он посоветовал Apple улучшить это. В 1984 году Apple представила Macintosh, первый компьютер массового потребления с графическим пользовательским интерфейсом и мышью.

Позднее Microsoft пришла к выводу и выпустила Windows, и между двумя компаниями началась историческая конкуренция, в результате которой до сих пор улучшается графический интерфейс пользователя.

Между тем IBM доминировала на рынке ПК со своими IBM PC, а Microsoft ехала в хвосте, производя и продавая операционную систему для IBM PC, известную как «DOS» или «Дисковая операционная система». Macintosh с его графическим пользовательским интерфейсом должен был сместить доминирующее положение IBM, но Microsoft усложнила это своей ПК-совместимой операционной системой Windows с собственным графическим интерфейсом.

Портативные компьютеры

Powerbook 150 (Изображение Даны Сибера под лицензией CC-BY-SA.)

Как выяснилось, идея портативного компьютера, похожего на портативный компьютер, существовала еще до того, как ее удалось создать, и он был разработан в Xerox PARC Аланом Каем, который назвал его Dynabook и предназначал для детей. Первым портативным компьютером, который был создан, был Xerox Notetaker, но было выпущено только 10 штук.

Первым выпущенным на рынок портативным компьютером стал Osborne 1 в 1981 году с небольшим 5-дюймовым ЭЛТ-монитором и клавиатурой, которая в закрытом состоянии находится внутри крышки. Он запускал CP / M (ОС, которую Microsoft купила и на которой была основана DOS).Более поздние портативные компьютеры включали выпущенный в 1985 году Bondwell 2, также работающий под управлением CP / M, который был одним из первых с ЖК-дисплеем на шарнирах. Compaq Portable был первым компьютером, совместимым с IBM PC, и на нем работала MS-DOS, но он был менее портативным, чем Bondwell 2. Другие примеры ранних портативных компьютеров включали Epson HX-20, GRiD compass, Dulmont Magnum, Kyotronic 85, Commodore SX-64. , IBM PC Convertible, Toshiba T1100, T1000, T1200 и т. Д.

Первыми портативными компьютерами, которые по своим характеристикам напоминают современные ноутбуки, были Apple Powerbooks, в которых сначала был представлен встроенный трекбол, а затем трекпад и дополнительные цветные ЖК-экраны.ThinkPad IBM был во многом вдохновлен дизайном Powerbook, и эволюция этих двух моделей привела к появлению ноутбуков и портативных компьютеров, какими мы их знаем. На смену Powerbook пришли современные MacBook Pro.

Конечно, большая часть эволюции портативных компьютеров стала возможной благодаря развитию микропроцессоров, ЖК-дисплеев, аккумуляторных технологий и так далее. Эта эволюция в конечном итоге позволила компьютерам стать еще меньше и портативнее, чем ноутбуки, например КПК, планшеты и смартфоны.

Экспоненциальный рост за линейное время: конец закона Мура

Закон Мура гласит, что количество транзисторов в интегральной схеме будет удваиваться примерно каждые два года.Этот закон, придуманный Intel и основателем Fairchild [Гордоном Муром], был трюизмом с момента его введения в 1965 году. С момента появления Intel 4004 в 1971 году до Pentiums 1993 года и процессоров Skylake, представленных в прошлом месяце, закон стал в основном это правда.

Закон, однако, обещает экспоненциальный рост за линейное время. Это обещание, которое в конечном итоге невозможно оправдать. Это не статья, в которой рассматриваются будущие препятствия, которые положат конец наблюдениям [Мура], а статья, в которой говорится, что ожидания закона Мура уже закончились.Он закончился тихо, где-то в 2005 году, и мы никогда больше не увидим того времени, когда плотность транзисторов или более быстрые процессоры, более мощные графические карты и более высокая плотность памяти будут удваиваться каждые два года.

Частота микросхем в зависимости от года выпуска. Источник: The Future of Computing Performance (2011)

В 2011 году Комитет по поддержанию роста производительности вычислений Национального исследовательского совета выпустил отчет The Future of Computing Performance: Game Over or Next Level? В этом отчете представлен обзор вычислительной производительности от первых микропроцессоров до новейших процессоров дня.

Хотя закон Мура применяется только к транзисторам на кристалле, этот показатель очень хорошо согласуется с другими показателями производительности интегральных схем. Представленный в 1971 году процессор Intel 4004 имеет максимальную тактовую частоту около 700 килогерц. Согласно искаженным законам Мура, через два года эта скорость удвоится, а через два года снова удвоится. Примерно к 1975 или 1976 году, согласно математике, должны появиться процессоры, способные работать на частоте четыре или пять мегагерц, и это был исторический прецедент: первые процессоры Motorola 6800, представленные в 1974 году, работали на частоте 1 МГц.В 1976 году RCA представила 1802, способную работать на частоте 5 МГц. В 1979 году была представлена ​​Motorola 68000 с классами скорости 4, 6 и 8 МГц. Вскоре после того, как Intel выпустила 286 в 1982 году, скорость была быстро увеличена до 12,5 МГц. Несмотря на то, что это совершенно разные архитектуры с разными наборами инструкций и шириной шины, закон Мура о тактовой частоте существует очень давно. Это также справедливо в отношении производительности и даже TDP на устройство.

Количество транзисторов, производительность, тактовая частота, мощность и количество ядер на чип, график во времени Источник: The Future of Computing Performance (2011).

В 2004 году все пошло не так. По крайней мере, это тезис The Future of Computing Performance. С 2004 года экспоненциальный рост производительности как при вычислениях с плавающей запятой, так и при целочисленных вычислениях, тактовой частоте и даже рассеиваемой мощности снизился.

Можно надеяться, что результаты являются аномалией и что производители компьютеров скоро вернутся к устойчивым ежегодным улучшениям. Однако общедоступные дорожные карты и частные разговоры с поставщиками показывают, что повышение производительности однопоточных компьютеров вступило в новую эру скромных улучшений.

Не было никаких сомнений в том, что закон Мура закончится. Никто сейчас или когда закон был впервые написан в 1965 году, не предполагал, что экспоненциальный рост может длиться вечно. Применим ли этот экспоненциальный рост к транзисторам, или в интерпретации [Курцвейла] и других футуристов общей вычислительной мощности никогда не стоял вопрос; экспоненциальный рост не может продолжаться бесконечно за линейное время.

Продолжение недавнего тренда

Будущее производительности вычислений был написан в 2011 году, и у нас есть еще полдесятилетия данных, из которых можно извлечь.Улучшилась ли ситуация за последние пять лет?

К сожалению, нет. В обзоре процессоров Intel Core i7 с сопоставимым TDP производительность от первых i7 до последних Broadwells не изменилась с 2005 по 2015 год. Что бы ни случилось с законом Мура в 2005 году, все еще происходит сегодня.

Закон Мура о будущем

Еще до 2011 года, когда был опубликован The Future of Computing Performance , компании, производящие высокопроизводительные полупроводники, начали готовиться к отмене закона Мура.Неслучайно первые многоядерные чипы появились примерно в то же время, когда TDP, производительность и тактовая частота резко повернули вправо, что видно на графиках выше.

Замедление закона Мура также будет замечено в полупроводниковом бизнесе, и это тоже имело место. В 2014 году Intel выпустила обновление 22-нм архитектуры Haswell из-за проблем с раскруткой 14-нм архитектуры Broadwell. Недавно Intel объявила, что не будет представлять 10-нм Cannonlake в 2016 году, как ожидалось, а вместо этого представит 14-нм Kaby Lake в 2016 году.Очевидно, что количество транзисторов на кристалле не может увеличиваться вдвое каждые два года.

Хотя будущее закона Мура будет связано с появлением экзотических субстратов, таких как арсенид индия-галлия, заменяющего кремний, ясно одно: закон Мура нарушен, и это было уже десятилетие. Плотность транзисторов больше не может удваиваться каждые два года, и продукты этой увеличенной плотности — производительность и тактовая частота — будут оставаться относительно неизменными по сравнению с их экспоненциальным ростом в 80-х и 90-х годах.

Однако есть спасительная благодать: когда [Гордон Мур] впервые написал свой закон в 1965 году, количество транзисторов в интегральной схеме ежегодно удваивалось.