Транзистор полупроводниковый это: простым языком для чайников, схемы

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ И ДИОДЫ

Привет всем читателям «Радиосхем«, меня зовут Дима и сегодня я расскажу простыми словами о полупроводниках и их свойствах, а также о транзисторах и диодах. Итак, приступим, для начала вспомните, какие вы элементы электроники встречали? И их принцип работы? Если вы  начали сразу изучать диоды и транзисторы, то у вас возникнет много вопросов. Поэтому лучше начать с закона Ома, а потом приступить к более простым конструкциям. Транзисторы и диоды – не очень простые элементы, обладающие свойством полупроводника.

Вы знаете как работает простой проводник — ничего сложного. Электроны с большой скоростью проходят через атом, сталкиваясь с ними. При этом возникает сопротивление, вы уже встречали это слово, конечно встречали. Вот лучший друг сопротивления называется резистор. Резистор – это пассивный элемент, обладающей бОльшим сопротивлением, чем обычный  проводник. Ладно, идём дальше, нам надо узнать что же представляет из себя полупроводник? У полупроводника в атомной связи есть лишние электроны, их называют свободными электронами, и есть дырки.

Дырки – это пустые места, в которых должны находиться электроны. На рисунке 1, изображено внутреннее строение межатомных связей полупроводника.

Рисунок 1. Внутреннее строение межатомных связей полупроводника.

Теперь разберёмся — как полупроводник пропускает ток. Представим, что мы подключили полупроводник к гальваническому элементу, например к обычной батарее. Ток начинает  двигаться от плюса к минусу. При тепловых явлениях электроны проходящие через полупроводник начинают выхватывать из межатомных связей электроны. Происходят дырки, а свободные электроны сопровождаются проходящими электронами гальванического элемента. Те же электроны, которые попадут на дырку, как бы впрыгнут в неё, восстановив межатомную связь. Проще говоря в полупроводнике при поступлении на него тока нарушаются межатомные связи, электроны вылетают и становятся свободным, другие заполняют дырки, встретив на их пути. И этот процесс происходит бесконечно. На рисунке 2 показано движение электронов.

Рисунок 2. Движение и направление электронов и дырок.

Полупроводниковые диоды

Итак, мы разобрались что из себя представляет полупроводник и какой у него принцип работы. Теперь приступим к диодам, не самым простейшим радиоэлектронным элементам. Выше уже говорил про p-n переход. Теперь подробней: p — это positive (позитив, положительный), n — negative (негатив, отрицательный). Давайте разберёмся как движутся электроны в диоде. Представим, если мы подключим гальванический элемент, например батареи так, чтоб была полярность. Ах да — мы же не разобрались в полярности. Мы уже знаем структуру диода: p-n переход, p — положительный является анодом, n — отрицательный является катодом. На корпусе диода есть тоненькая белая полоска — она чаще всего является катодом, её присоединяют к минусу, а другой вывод является анодом, который присоединяется к плюсу. Теперь разберёмся с движение электронов. Мы присоединили полярно выводы диода, теперь возникает ток. Электроны положительной области начинают двигаться к минусу батареи, а электроны отрицательной области начинают двигаться к плюсу, они встречаются друг с другом, электроны как бы впрыгивают в дырки, в результате и те и другие прекратили своё существование.

Эта электропроводность называется электроно-дырочной электропроводностью, электроны движутся с небольшим сопротивлением, показано на рисунке 3 (А). Этот ток называется прямым током Iпр, а что же будет если поменять полярность так, чтобы анод был соединён с минусом, а катод с плюсом. Что же будет происходить? Положительная область, короче дырки начнут двигаться к минусу батареи, а свободные электроны к плюсу, в результате возникнет большая область, она заштрихована на рисунке 3 (Б). Этот ток называется обратным, обладающим очень большим сопротивлением, превышающим несколько сотен Ом, килоом и даже мегаом.

Итак, разобрались с p-n переходом, давайте теперь поговорим о предназначении диода. Диоды используются для детекторных приёмников, чтобы из переменного тока создавать пульсирующий постоянный. А что такое вообще переменный ток? Давайте вспоминать. Переменный ток — это ток который способен менять своё направление в течении каждого полупериода, единицы времени. Как же диод сможет сделать из переменного тока пульсирующий? А вот как: вы же помните, что диод пропускает ток только в одну сторону.

Рисунок 3. Движение электронов обратного и прямого тока в диоде.

Когда ток начинает двигаться от плюса к минусу, проходит прямой ток, спокойно без большого сопротивления, но когда ток начинает двигаться от минуса к плюсу, то возникает обратный ток, который диод не пропускает. Вы наверняка видели график переменного напряжения, такая волнистая линия — сунусоида. Если прикрыть нижнюю линию, то получиться пульсирующий ток. Значит диод как бы отсёк нижнею часть. Ток будет двигаться только в одну сторону — это от плюса к минусу. Разобрались? Тогда теперь приступим к транзисторам.

Биополярные и полевые транзисторы

Итак, мы подошли к биополярным и полевым транзисторам. Мы изучим только биополярные транзисторы, а  полевые пока не будем трогать — отложим для следующего занятия. Биополярные транзисторы ещё иногда называют простыми. В общем мы уже изучили полупроводники и их свойства, а также диод и p-n переход. Теперь подошли к более сложной структуре. Структуре? Думаете что же это, мы уже изучили структуру диода. Напомним, что структура – это несколько полупроводников обладающим либо дырочной проводимостью, либо электронной проводимостью, вот эта структура знакома как p-n переход. У простого (биполярного) транзистора есть две структуры. Это p-n-p структура и  n-p-n структура. А вы же не изучили выводы. Ну конечно, в простом транзисторе как и в полевом три вывода. Только у обычного транзистора другие название выводов и другой принцип работы. Ладно, давайте рассмотрим p-n-p структуру. Первый вывод это база, обладающая управляющим током, второй вывод — эмиттер, взаимодействует с базой, и третий вывод — коллектор, с него снимается повышенный ток. Теперь определим где какой вывод и к какой области он относиться. Первый вывод база, она принадлежит к электронной области, то есть «n», дальше эмиттер — принадлежит к положительному выводу который слева от базы, и коллектор принадлежит к положительному выводу, который справа от базы.

Итак, разберёмся с принципом работы транзистора. Если ток направить на эмиттер и на базу, то получиться p-n переход, там произойдёт избыток электронов, в результате коллектор соберёт этот сильный поток электронов и ток будет усиленный. Я забыл сказать — транзистор как и диод может находиться в двух состояниях: закрытом и открытом. Всё, мы разобрались с транзисторами и диодами, рисунок двух структур p-n-p и n-p-n показан ниже.

Рисунок 4. Две структуры транзистора: p-n-p и n-p-n. 

На этом статья закончена, если что-то не понятно — обращайтесь, расскажу и отвечу. Всем пока. С вами был Дмитрий Цывцын.

   Форум по теории электроники

   Форум по обсуждению материала ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ И ДИОДЫ

полупроводниковые приборы

главная основы элементы примеры расчетов любительская технология общая схемотехника радиоприем конструкции для дома и быта связная аппаратура телевидение справочные данные измерения обзор радиолюбительских схем в журналах обратная связь          реклама

резисторы и конденсаторы     полупроводниковые приборы    акустические приборы     микросхемы     солнечные фотоэлементы    SMD компоненты   реле электромагнитные  полупроводниковые оптоприборы             ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ Их составляет целая группа деталей: диоды, стабилитроны, транзисторы. В каждой детали использован полупроводниковый материал, или проще полупроводник. Что это такое? Все существующие вещества можно условно разделить на три большие группы. Одни из них — медь, железо, алюминий и другие металлы - хорошо проводят электрический ток — это проводники. Древесина, фарфор, пластмасса совсем не проводят ток. Они непроводники, изоляторы (диэлектрики). Полупроводники же занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Такие материалы проводят ток только при определенных условиях.   Диоды. У диода два вывода: анод и катод. Если подключить к ним батарею полюсами: плюс — к аноду, минус — к катоду, в направлении от анода к катоду потечет ток. Сопротивление диода в этом направлении небольшое. Если же попытаться переменить полюсы батарей, то есть включить диод «наоборот», то ток через диод не пойдет. В этом направлении диод обладает большим сопротивлением.   Стабилитроны. Эти полупроводниковые приборы также имеют два вывода: анод и катод. В прямом направлении (от анода к катоду) стабилитрон работает как диод, беспрепятственно пропуская ток. А вот в обратном направлении он вначале не пропускает ток (как и диод), а при увеличении подаваемого на него напряжения вдруг «пробивается» и начинает пропускать ток. Напряжение «пробоя» называют напряжением стабилизации. Оно будет оставаться неизменным даже при значительном увеличении входного напряжения. Благодаря этому свойству стабилитрон находит применение во всех случаях, когда нужно получить стабильное напряжение питания какого-то устройства при колебаниях, например сетевого напряжения. Как различать выводы диодов и стабилитрона? На корпусе малогабаритных диодов типа Д9 ставят цветные точки — метки вблизи анода. Диоды Д2 больших, чем Д9, размеров с широкими выводами-ленточками. На одном из выводов ставят условное обозначение диода — это и есть вывод анода. Аналогично условный знак ставят на корпусе диодов Д7, Д226 и стабилитронов, причем короткая черточка знака обращена в сторону вывода катода.   Транзисторы. Из полупроводниковых приборов транзистор наиболее часто применяется в радиоэлектронике. У него три вывода: база (б), эмиттер (э) и коллектор (к). Транзистор — усилительный прибор. Его условно можно сравнить с таким известным вам устройством, как рупор. Достаточно произнести что-нибудь перед узким отверстием рупора, направив широкое в сторону друга, стоящего в нескольких десятках метров, и голос, усиленный рупором, будет хорошо слышен вдалеке. Если принять узкое отверстие за вход рупора-усилителя, а широкое — за выход, то можно сказать, что выходной сигнал в несколько раз больше входного. Это и есть показатель усилительных способностей рупора, его коэффициент усиления. Но вернемся к транзистору. Если пропустить через участок база — эмиттер слабый ток, он будет усилен транзистором в десятки и даже сотни раз. Усиленный ток потечет через участок коллектор — эмиттер. В зависимости от наибольшего тока, который можно пропускать через коллектор, транзисторы делятся на маломощные, средней и большой мощности.   Кроме того, эти полупроводниковые приборы могут быть структуры р-n-р или n-р-n. Так различаются транзисторы с разным чередованием слоев полупроводниковых материалов (если в диоде два слоя материала, здесь их три). Но не думайте, что транзисторы разной структуры имеют и разное усиление. Это совсем не обязательно. Усилительные способности транзистора определяются его так называемым статическим коэффициентом передачи тока. Для некоторых конструкций этот коэффициент важен, и он оговаривается в описании. О том, как его измерить, вы узнаете позже. Чтобы при подключении того или иного транзистора к деталям самоделки не перепутать выводы, нужно четко знать их расположение — цоколевку.  На схемах диод обозначается буквами VD, а транзистор — VT. Существует еще один тип диодов — Лямбда — диод: Лямбда — диод не является представителем нового класса полупроводниковых приборов — он получается путем включения двух комплементарных (взаимодополняющих) полевых транзисторов. Наличие на вольт-амперной характеристике участка с отрицательным сопротивлением позволяет строить на его основе очень простые генераторы РЧ колебаний. На рисунке в качестве примера приведена схема простейшего высокочастотного генератора всего из трех деталей. Генераторы, собранные на основе Лямбда — диода обладают очень хорошей температурной стабильностью, большой и стабильной амплитудой выходного сигнала. Такой диод можно изготовить, например, из полевых транзисторов типов КП103 и КП303. Максимальная граничная частота  Лямбда-диода может достигать десятков мегагерц. отдельный класс полупроводниковых приборов представляют собой так называемые полупроводниковые оптоприборы К этому классу относятся, например, свето и фотодиоды. Промышленностью выпускаются также фототранзисторы и фоторезисторы. Существуют полупроводниковые лазеры. Спектр рабочих волн таких приборов простирается от инфракрасного до ультрафиолетового диапазонов. Позже мы обязательно поговорим об этом…                                                                                  вверх

Полупроводниковые триоды (транзисторы) — Справочник химика 21

    Германий используют в качестве полупроводника в таких электронных приборах, как кристаллические выпрямители (диоды) и усилители (триоды, или транзисторы). Кристаллы германия применяют также для изготовления термисторов (измерителей температуры), Б фотоэлементах с запирающим слоем и в термоэлементах. Германиевые полупроводниковые устройства с успехом заменяют электронные вакуумные лампы, отличаясь от них компактностью, надежностью в работе и долговечностью. [c.207]
    Полупроводниковый триод (транзистор) используется в преобразователе как генератор переменного напряжения, которое трансформируется в высокое напряжение с последующим умножением и выпрямлением. Преобразователь с полупроводниковым триодом (рис. 3. 14) работает следующим образом. [c.123]

    Усилители на полупроводниковых триодах (транзисторах) обладают рядом преимуществ по сравнению с усилителями на лампах. Такие усилители экономичны и долговечны, имеют малые габариты, [c.88]

    Полупроводниковые триоды (транзисторы) [c.462]

    Основным (первичным) элементом в электронном усилителе обычно является электронная лампа или полупроводниковый триод (транзистор) (рис. 47). Небольшое изменение напряжения (входной сигнал) преобразуется этими элементами в значительные изменения проходящего через них тока.  [c.97]

    У большинства реле электронные усилители собирают на полупроводниковых триодах — транзисторах. В качестве выходных устройств используют электромагнитные реле с одним или несколькими контактами. [c.183]

    На рис. 153 показан принцип действия полупроводникового усилителя — транзистора полупроводникового триода). Он состоит из трех частей — двух р-проводников — эмиттера и коллектора, между которым находится очень узкая область с л-проводимостью — база. При отсутствии тока в цепи эмиттер — база ток в цепи коллектор — база не идет, так как работа р-п-перехода база-коллектор соответствует рис. 152 , 8. Пропускание тока в цепи эмиттер—база забрасывает в базу носители тока, в результате цепь коллектора становится проводящей. Током малой мощности в цепи эмиттер—база можно управлять током большой мощности в цепи коллектор-база. [c.276]

    В потенциостатах практикуется использование комбинации полупроводниковых триодов и электронных ламп. Входные цепи дифференциального усилителя в потенциостатах чаще всего выполняются на электронных лампах, включенных по балансной схеме, что обеспечивает большое сопротивление входной цепи электрода сравнения и малый дрейф нуля. Выходные каскады потенциостатов на большие токи выполняются на мощных транзисторах. Источники питания имеют устройства, ограничивающие их максимальный ток для обеспечения надежной работы транзисторов, которые легко выходят из строя при перегрузке. [c.77]

    Хотя полуметаллы, использующиеся в кристаллических триодах (транзисторах), стали применяться многими исследователями, занимающимися изучением полупроводниковых свойств веществ, окисные полупроводники используются еше более широко и не только как собственные полупроводники. Они могут быть приготовлены в самых разнообразных формах — от тонких пленок, рыхлых и спеченных порошков до монокристаллов, и так как обычно обладают высокими температурами плавления, то, как правило, стабильны при более низких температурах. Окисные полупроводники широко используются в керамической промышленности и как катализаторы в различных химических процессах. [c.180]

    Полупроводниковые триоды (рис. 47, б) имеют существенные преимущества перед лампами малые габариты и масса, высокая надежность, высокий к. п. д. Они состоят из пластинки германия (с примесью сурьмы) / (рис. 47, б) и двух приваренных к ней кусочков индия 2. Все три электрода имеют выводы. Для работы транзистора к крайним электродам нужно приложить разность потенциалов. При этом через транзистор будет протекать ток 1 . Электрод, к которому подключается отрицательный потенциал, называют коллектором (К), а другой — эмиттером (5). Средний электрод называется базой (В), [c.98]

    Прогресс, достигнутый в последнее время в области автоматики, радиоэлектроники и преобразования различных видов энергии, в большой мере обусловлен применением германия в полупроводниковой технике. Он используется для изготовления полупроводниковых элементов — диодов и триодов (транзисторов), заменяющих собой обычные вакуумные радиолампы и отличающихся от них малыми размерами, устойчивостью к вибрации, долговечностью и меньшим расходом электроэнергии. Эти полупроводниковые элементы изготавливаются десятками и сотнями миллионов штук в год [П. Германиевые выпрямители по сравнению с селеновыми имеют больший коэффициент полезного действия при меньших размерах вследствие этого они находят все большее применение. Есть силовые германиевые выпрямители, пропускающие ток в десятки тысяч ампер. Применяются германиевые датчики эффекта Холла и многие другие полупроводниковые устройства [2. В последнее время большое внимание уделяется устройствам с применением монокристаллических германиевых пленок. Из элементарного германия изготавливают линзы для приборов инфракрасной оптики (германий прозрачен для инфракрасных лучей), дозиметры ядерных частиц, анализаторы в рентгеновской спектроскопии. Германий с добавкой индия применяется для низкотемпературных термометров сопротивления, работающих при температуре жидкого гелия [2]. [c.349]

    Полупроводниковые триоды, называемые также транзисторами, нашли широкое применение в схемах автоматических защитных противокоррозионных установок. На [c.60]

    Полупроводниковые триоды изготовляют из монокристалла германия или кремния, который путем введения в него акцепторных и донорных примесей превращают в трехслойную структуру с чередующимися проводимостями р — п — р (рис. 24,а). В структуре типа р — п — р исходный монокристалл имеет п-проводимость, а концентрация акцепторной примеси в наружных слоях превышает в 100—1000 раз концентрацию исходной донор-ной проводимости. В транзисторах со структурой п—р—п исходный монокристалл обладает р-проводимостью, а наружные слои его вводят донорные примеси. [c.60]

    Транзисторные полупроводниковые триоды имеют ту особенность, что их можно поставить в ключевой режим, при котором либо транзистор заперт, либо пропускает ток при малом внутреннем сопротивлении. Используя эту их особенность, можно создать схемы генераторов высокой частоты, работающих в ключевом режиме. [c.129]

    В ядерно чистом (ультрачистом) состоянии металлический германий применяют для изготовления полупроводников, используемых в электротехнике и электронике. Электронные лампы (диоды и триоды) все чаще заменяют полупроводниковыми кристаллами — транзисторами, которые намного меньше и легче, чем электронные лампы, более устойчивы к механическим воздействиям и более долговечны. В электронных устройствах кристаллы германия служат выпрямителями (диоды с кристаллом) или усилителями (триоды с кристаллом). Один транзистор занимает тысячную часть объема соответствующей электронной лампы (диода или триода), в сто раз легче и расходует только десятую часть электрического тока, необходимого для питания лампы. Появление портативных радиоприемников стало возможным благодаря транзисторам. [c.376]

    Транзисторы или полупроводниковые триоды выполняют те же функции, что и трехэлектродная электронная лампа с управляющей сеткой. В промышленности химических волокон транзисторы применяются для усиления слабых электрических сигналов, получаемых от датчиков в различных устройствах автоматики. Работа транзистора основана на наличии в нем двух электронно-дырочных переходов.  [c.27]

    Рассмотрим класс полупроводниковых приборов, называемых транзисторами. Транзистор представляет трехэлектродный полупроводниковый прибор, обладающий аналогично с вакуумным триодом способностью к усилению электрических сигналов. [c.294]

    Применение германия и его соединений. Германий — один из ценнейших полупроводниковых материалов. Его применяют в незначительных количествах во многих электронных приборах. Это германиевые кристаллические детекторы диоды как выпрямители переменного тока триоды, или транзисторы (германиевые усилители), заменяющие электронные лампы, причем срок их службы измеряется десятилетиями германиевые фотоэлементы термисторы, позволяющие определять температуры по электросопротивлению. [c.409]

    Первые попытки использовать электрохимические процессы при изготовлении полупроводниковых приборов были сделаны вскоре после создания транзисторов. Однако эти процессы не имели самостоятельного значения и их применение ограничивалось операцией травления полупроводников с целью получения р— -переходов. Толчком к широкому использованию электрохимических реакций в полупроводниковой технике послужила работа Тили и Уильямса о прецизионном струйном электролитическом травлении. Благодаря разработке этого метода стало возможным изготовление целого класса высокочастотных транзисторов со строго контролируемой толщиной базовой области (поверхностно-барьерный триод, микросплавные транзисторы с однородной и диффузионной базой и т. д.). [c.153]

    Применение элементов подгруппы германия и их соединений. Германий является одним из основных полупроводниковых материалов, используемых в современной технике. В 1948 г. Бардин, Браттайн и Шоттки на основе особо чистого монокристаллического германия разработали первый полупроводниковый триод (транзистор). С этого момента начинается развитие полупроводниковой электроники, которая, в свою очередь, стимулировала интен- [c.231]

    Применение. Г. широко применяется в полупроводниковой технике для изготовления диодов, триодов, транзисторов, кристаллических детекторов и силовых выпрямителей является компонентом многочисленных сплавов с металлами (германи-ды), особенно с V и N5, и специальных оптических стекол. Монокристаллический Г. применяется в дозиметрических приборах и устройствах для измерения напряженности постоянных и переменных магнитных полей, используется для производства детекторов инфракрасного излучения. Г. находит применение также в химической, машиностроительной промышленности, в производстве керамических изделий и эмалей. [c.399]

    Фототриод представляет собой полупроводниковый приемник, состоящий из трех чередующихся областей проводимости р и п р—п—р или п—р—п. Как и в полупроводниковом транзисторе, фототриод имеет коллектор, эмиттер и базу. База обычно служит приемной площадкой излучения. Работает фототриод по принципу обычного полупроводникового триода, в котором роль управляющего тока выполняет попадающее на базу излучение. На рис. 3. 19 [c.128]

    Простые регуляторы могут быть выполнены с применением полупроводниковых триодов. Комбинация транзисторного усилителя на входе и лампового на выходе позволяет согласовать низкоомный мост с высокоомным входом лампового усилителя и получить большой коэффициент усиления На рис. XIII.34 приведена схема, в которой чувствительный элемент (термистор КМТ-1) входит в измерительный мост, питаемый переменным током. Сигнал разбаланса усиливается двухкаскадным усилителем, выходной каскад является фазочувствительным. Режим транзистора подобран так, что при балансе моста на сетке лампы имеется смещение в 1 в. Точность регулирования температуры 0,05° С. [c.421]

    В годы второй мировой войны в связи с потребностями радиолокационной техники были разработаны детекторы из германия и кремния. Исследование этих полупроводниковых материалов привело американских ученых Бардина и Браттейна в 1948 г. к созданию транзистора, теория которого была разработана В. Шокли. С этого времени начинается промышленный выпуск многих типов полупроводниковых приборов и, в первую очередь, диодов,, усилительных триодов, мощных выпрямителей, индикаторов излучения, а также преобразователей световой и тепловой энергии в электрическую. За последние годы на основе полупроводников созданы магниточувствительные приборы, измерители механических деформаций, излучатели света и в том числе квантовые генераторы — лазеры, позволяющие получать направленный луч света высокой интенсивности. Одним из весьма перспективных направлений является использование полупроводников в качестве управляемых катализаторов химических реакций. [c.10]

    Наиболее широкое применение находит германий в радиоэлектронике. Из него изготавливают кристаллические выпрямители (диоды) и кристаллические усилители (триоды или транзисторы), обладающие рядом преимуществ по сравнению с электронными лампами значительно меньшей потребляемой мощностью, большим сроком службы, большей механической устойчивостью и значительно меньши.чи раз.мерами. Кристаллические полупроводниковые приборы с успехом применяются в сложных счетно-решающих устройствах, в телемеханике и других областях новой техники. [c.104]

    Задача была решена позднее. В 1948 г. Шокли, Браттейн и Бардин открыли транзисторный эффект и изобрели точечный транзистор на основе германия небывалой дотоле чистоты. Оказалось, что только тогда, когда концентрация активных примесей снижена до одного атома на 1 млрд. атомов германия, проводимость металла падает до такой степени, что он становится пригодным для изготовления транзисторов — кристаллических триодов. Это открытие явилось фундаментом для развития полупроводниковой техники. Благодаря малым размерам, низкому потреблению энергии и длительному сроку службы полупроводниковые приборы стали быстро вытеснять электронные лампы. [c.166]

---

Применение полупроводников в электронике

Начало кремниевого века

В далеком 1947 году, в недрах лабораторий телефонной компании Bell «родился» первый в мире транзистор – полупроводниковый усилительный элемент. Событие ознаменовало собой переход электроники из громоздких вакуумных труб на более компактные и экономичные полупроводники. Начался новый виток цивилизации, получивший название «кремниевый век».

Полупроводниковые приборы и их классификация.

В современной электронике на основе полупроводников производят активные элементы. То есть те, которые способны менять свои электрические характеристики в зависимости от подаваемого на них напряжения. Скажем, тот же транзистор является активным элементом, поскольку его значение внутреннего сопротивления будет меняться в зависимости от разных условий в электронной цепи. А вот, например обычный резистор относиться к категории пассивных элементов, так как его сопротивление будет всегда одинаковым. К пассивным электронным компонентам относятся также конденсаторы и катушки. Их создают из других материалов.

Фундаментальными активными элементами являются транзисторы и диоды. Другие полупроводниковые приборы, такие как варикапы, тиристоры и симисторы — это модификации и тех же транзисторов и диодов. Приборы с одним элементом называются дискретными. Соединив множество полупроводниковых элементов на одном кристалле, получают интегральную схему. Например, процессор и память компьютера являются интегральными схемами, состоящими из сотен миллионов транзисторов.

Германий VS Кремний

Самыми распространенными полупроводниками в производстве электронных компонентов являются германий (Ge) и кремний (Si). На заре полупроводниковой эпохи предпочитали использовать германий. По сравнению с кремнием, у него более низкое напряжение отпирания pn-перехода (0.1V — 0.3V против 0.6V — 0.7V). Это делает германий более экономичным в плане энергозатрат.

Кремний лучше сохраняет стабильность работы на высоких температурах и превосходит германий по частотным характеристикам. К тому же запасы Si на планете практически безграничны, а технология его получения и очистки значительно дешевле, чем Ge, довольно редкого в природе элемента. Все это привело к неизбежной и быстрой замене германиевых полупроводников на кремниевые. Первый транзистор на основе этого материала появился уже в 1954 году.

Полупроводники в процессорах. Закат эпохи кремния

В таких передовых областях, как разработка и производство процессоров, где размер и скорость полупроводниковых элементов играют решающую роль, развитие технологий использования кремния практически подошло к пределу своих возможностей. Улучшение производительности интегральных схем, достигающееся путем наращивания рабочей тактовой частоты и увеличения количества транзисторов, при дальнейшем использовании Si становиться все более сложной и дорогостоящей задачей.

По мере повышения скорости переключения транзисторов, их тепловыделение усиливается по экспоненте. Это остановило в 2005 году максимальную тактовую частоту процессоров где-то в районе 3 ГГц и заставило разработчиков перейти на стратегию «многоядерности».

Количество полупроводниковых элементов в одном чипе увеличивается путем уменьшения их физических размеров – переход на более тонкий технологический процесс. Каждый такой шаг означает снижение линейных размеров транзистора примерно в 1,4 раза и площади примерно в 2 раза. Всем известный Intel на данный момент (2011 год) владеет технологией в 32 нм при которой длина канала транзистора составляет 20 нм. Переход на более тонкий тех. процесс осуществляется этой компанией примерно каждые 2 года.

Быстродействие транзисторов по мере их уменьшения растет, но уже не повышается тактовая частота ядра процессора, как было до 90 нм тех. процесса. Это оставляет дальнейшее развитие кремниевых технологий малоперспективным.

Будущее за графеном?

Основной претендент на смену кремнию, по мнению многих экспертов, это графен. Этот новый полупроводниковый материал, открытый в 2004 году, является особой формой углерода (C).

Сейчас разрабатывается транзистор на базе графена, который может работать в трех различных режимах. Для аналогичной задачи в кремниевом чипе, потребовалось бы три отдельных полупроводниковых транзистора. Это позволит создавать интегральные схемы из меньшего количества транзисторов, которые будут выполнять те же функции, что и их кремниевые аналоги.

Еще одним важным преимуществом графеновых транзисторов является их способность работать на высоких частотах. Как заявляют некоторые ученые специалисты, эти частоты могут достигать 500-1000 ГГц.

Однако многообещающие технологии на базе графена пока еще находятся на стадии исследований и разработок. Время покажет, сколько они еще таят в себе подводных камней. Ну, а кремний все еще остается рабочей лошадкой в современной электронике, и не спешит сдавать позиции.

Транзистор fe- — полупроводниковый — Энциклопедия по машиностроению XXL

Рис. 3.10. Изоляция транзисторов полупроводниковых ИС

Генераторы электроимпульсных станков часто выполняют на транзисторах (полупроводниковых триодах). Они могут работать на высоких напряжениях (до 150 В), больших токах (до 5—10 А на один транзистор). Преимуществом таких генераторов является высокая частота следования импульсов, малая их продолжительность и низкая скважность. Все это обеспечивает высокую производительность при достаточной точности и малой шероховатости поверхности.  [c.152]

Транзисторы (полупроводниковые триоды) предназначаются для усиления, генерирования и переключения токов. Использование транзисторов в радиоэлектронной аппаратуре повышает ее к. п. д., экономичность, надежность и срок службы. Аппаратура на транзисторах малогабаритна. Однако значительный разброс параметров, а также зависимость параметров и режимов работы транзисторов от температуры, в некоторых случаях ограничивает область их применения.  [c.247]

Электронные усилители. Транзисторы. Сплавные, плоскостные, полупроводниковые триоды. Конструкция полупроводниковых триодов — транзисторов. Полупроводниковые усилители.  [c.319]

Транзисторы (полупроводниковые триоды) изготовляют на основе германия или кремния. Они предназначаются для усиления, генерирования и переключения токов. Использование транзисторов в радиоэлектронной аппаратуре повышает ее К- п. д., экономичность, надежность  [c.151]

Полупроводниковые триоды (транзисторы). Полупроводниковый триод представляет собой пластинку из кремния или германия, состоящую из трех областей. Две крайние области всегда обладают одинаковым типом проводимости, а средняя противоположной проводимостью. Триоды, у которых средняя область обладает электронной проводимостью, называются триодами типа р— п—р триоды, у которых средняя область обладает дырочной проводимостью — триодами типа п—р—п. Физические процессы, происходящие в триодах двух типов, аналогичны.  [c.47]

Биполярные транзисторы — полупроводниковые приборы, используемые для усиления сигналов. В зависимости от силы тока, проходящего через переход база — эмиттер, меняется сопротивление перехода коллектор -г- эмиттер. Наиболее распространенной является схема включения транзистора с общим эмиттером, где входное напряжение подается на переход база — эмиттер, а выходное напряжение снимается с перехода коллектор — эмиттер (рис. 3.20). Параметры транзисторов описываются семейством входных характеристик /б = /( /бз) и семейством выходных характеристик /к = Я Укэ). Используя эти характеристики, можно установить связь между силой токов через переходы транзистора и приложенными к ним напряжениями, рассчитать коэффициент усиления транзистора / 21=/к//б, определить, в каком состоянии находится транзистор, и оценить, не произошло ли превышение предельно допустимых значений его параметров.  [c.470]

Транзистор (полупроводниковый триод) представляет собой пластину полупроводника, в которой между двумя областями с однотипной электропроводностью имеется область электропроводности противоположного типа. От этих трех областей сделаны три вывода, получившие название вход (эмиттер), выход (коллектор) и общий электрод (база). Током в цепи коллектора можно управлять при помощи изменений напряжения и тока в цепи эмиттера, т. е. получать явление, аналогичное зависимости анодного тока трехэлектродной электронной лампы от напряжения на сетке. Однако входное сопротивление кристаллических триодов, как правило, в сотни раз меньше выходного (цепи нагрузки), т. е. обратно соотношениям в обычных электронных лампах.  [c.337]

Транзисторы. Для создания на полупроводниковой пластине транзисторов применяются планарная и планарно-эпитаксиальная топологии, используемые также для изготовления отдельных современных транзисторов. Различие в характеристиках транзисторов полупроводниковых микросхем и отдельных транзисторов может быть обусловлено свойствами изолирующей области, в которой находится транзистор на пластине твердой схемы.  [c.700]

Полупроводниковые приборы. В системе электрооборудования автомобиля применяют полупроводниковые приборы — диоды и триоды (транзистор). Полупроводниковый диод обладает свойством пропускать ток в одном направлении. Диод (рис. 73, а) состоит из пластинки германия или кремния, в которую вплавлена капелька алюминия или индия. На границе между ними образуется переходный слой, имеющий одностороннюю проводимость. Такие диоды применяют в качестве выпрямителей переменного тока.  [c.113]

Полупроводниковый прибор с р-я-переходом работает как выпрямитель (диод). На практике большое применение нашли также многие другие, более сложные полупроводниковые приборы, в том числе транзисторы (полупроводниковые триоды), которые состоят из двух участков га-Ое, между которыми расположен р-Ое, или, наоборот, из двух участков р-Ое, между которыми расположен п-Се. Обычно р-ге-переходы в полупроводниковых диодах и триодах получают внутри одного и того же монокристалла.  [c.41]

Транзистор — полупроводниковый кристаллический усилитель с тремя выводами (эмиттер, коллектор, база), управляет которым регулятор напряжения. Обмотка/7 (вместе с противодействующей пружиной) — чувствительный элемент в системе регулятора.  [c.215]

Стандарты устанавливают буквенно-цифровые позиционные обозначения для наиболее распространенных элементов. Например, резистор-R конденсатор — С дроссель и катушка индуктивности-L амперметр — РЛ вольтметр-Р С/ батарея аккумуляторная (или гальваническая)-GB выключатель (переключатель, ключ, контроллер и т. n.)-S генератор-G транзистор и диод полупроводниковый, выпрямительное устройство — V двигатель (мотор)-М предохранитель-F трансформатор-Г электромагнит (или муфта электромагнитная) — У.  [c.278]

Полупроводниковые приборы, разработанные до 1964 г., продолжают маркироваться по старой системе, предусматривающей составление марки из трех элементов первый элемент — буква Д для диодов или П для транзисторов второй элемент — число, отличающее прибор данного типа от Других, причем сотня, в пределах которой оно выбрано,  [c.138]

Кристадин — кристаллический детектор, изобретенный О. В. Лосевым в ]922 г. и явившийся первым полупроводниковым прибором—ч предшественником современных транзисторов 19].  [c.146]

Транзистор полевой — полупроводниковый прибор, в котором ток создают основные носители под действием продольного электрического поля между электродами, называемыми истоком и стоком исток — полупроводниковая область, от которой начинается движение зарядов, а сток — полупроводниковая область, к которой по каналу движутся эти заряды управление величиной тока в канале производится поперечным электрическим полем, создаваемым напряжением, приложенным между истоком и управляющим электродом — затвором (З].  [c.158]

Транзистор эпитаксиальный — транзистор, изготовленный путем напыления тонких пленок на поверхность полупроводниковой пластины, которая обычно служит коллекторной областью будущего транзистора преимущества возможность одновременного изготовления большого числа транзисторов, близких один к другому по параметрам, высокие граничные частоты, малые объемные сопротивления [9].  [c.159]

Триод полупроводниковый — см. транзистор.  [c.160]

Транзистор. Транзистор, или полупроводниковый триод, был изобретен в 1948 г. По способу изготовления транзистор очень мало отличается от полупроводникового диода.  [c.159]

В качестве быстродействующего ключа для получения незатухающих высокочастотных колебаний может использоваться полупроводниковый транзистор. Через транзистор (рис. 232) конденсатор Ск колебательного контура соединяется с источником постоянного тока. Пока на базу транзистора не подается управляющий сигнал, ток через него не проходит, конденсатор отключен от источника постоянного тока. При подаче управляющего  [c.235]

Высокую чувствительность измерения температуры обеспечивают и другие полупроводниковые приборы — диоды и транзисторы. В качестве термометрического параметра используется, например, напряжение эмиттер-база при постоянном токе эмиттера. Чувствительность при этом составляет примерно 2,5 мВ/К, что на порядки превышает аналогичный показатель для термопар.  [c.116]

Полупроводниковые материалы используются для получения проводимости, управляемой внешними факторами, например, напряжение, температура, освещенность. Из них изготавливаются диоды, транзисторы, фоторезисторы и тому подобные элементы.  [c.5]

Кремний применяют для изготовления различных диодов и транзисторов, тиристоров, стабилитронов, фотодиодов, датчиков Холла, тензометров и других полупроводниковых приборов, а также интегральных схем.  [c.80]

Основные области применения полупроводниковых материалов 1) выпрямительные и усилительные приборы разной МОЩНОСТИ на разные частоты неуправляемые и управляемые — диоды, транзисторы, тиристоры 2) нелинейные резисторы-варисторы 3) терморезисторы 4) фоторезисторы 5) фотоэлементы 6) термоэлектрические генера,-  [c.276]

Полу проводниковая электроника использует свойства кристаллической решетки веществ, перемещение и распределение зарядов под действием электрических и магнитных полей внутри кристалла. На основе этого созданы разнообразные полупроводниковые приборы — диоды и транзисторы различного назначения, позволяющие уменьшить вес и габариты аппаратуры, увеличить ее долговечность и надежность. Открытие и разработка новых полупроводниковых материалов способствует дальнейшему развитию радиотехники.  [c.4]

Индий — металл с низкой температурой плавления, использующийся в качестве акцепторной примеси (см. стр. 235) и контактного материала в производстве транзисторов и полупроводниковых диодов.  [c.218]

Время жизни неосновных носителей более чувствительно к облучению, чем удельная электропроводность. Если, например, ввести избыток дырок в полупроводник и-типа (в этом случае дырки являются неосновными носителями, а электроны — основными), то они исчезнут в результате рекомбинации с электронами, но это произойдет не мгновенно. Среднее время, необходимое для рекомбинации неосновного носителя с основным, называется временем жизни неосновного носителя. Эти свойства особенно важны во многих полупроводниковых приборах, особенно в транзисторах. Механизм рекомбинации определяется примесями и другими типами дефектов. В приведенном выше примере дырки и электроны рекомбинируют после захвата дефектами, которые называют центрами рекомбинации. Очень эффективными центрами рекомбинации являются вакансии и междоузлия.  [c.283]

Таким образом, любые радиационные нарушения уменьшают время жизни неосновных носителей и приводят к заметному ухудшению работы полупроводниковых приборов, требующих относительно большого времени жизни, например транзисторов и мощных выпрямителей. Эффективность центров рекомбинации, возникших при облучении, существенно различается в зависимости от материала полупроводника. Например, дефекты в кремнии, облученном нейтронами, оказываются приблизительно в 10 раз эффективнее, чем дефекты в германии, даже с учетом большей скорости образования дефектов в кремнии.  [c.283]

Транзистор—полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления и генерирования электрических ко-лебаиий. В нем используется один или несколько элек-  [c.349]

Полевые транзисторы — полупроводниковые приборы, в которых ток через канал управления создается электрическим полем, возникающим с приложением напряжения между затвором и стоком. Управляющая (стокозатворная) характеристика /с = КС/,2 ) и выходные (стоковые) характеристики / = (1/ 1) полевого транзистора представлены на рис. 3.22. ——  [c.472]

Схемы и конструкции У. э. и. разнообразны и вы полняются на электронных лампах (ла.мповыс усили тсли), транзисторах (полупроводниковые усилители) иараметрич. диодах (параметрические усилители) 1 туннельных диодах.  [c.270]

Полупроводниковые интегральные микросхемы (ПИМС) формируются из элементов (резисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов и др.) внутри подложки. Подложка изготавливается из полупроводниковых материалов, обычно кремния или германия, и межэлементных соединений (проводников) на поверхности подложки. Размеры ПИМС порядка 1-5 мм .  [c.538]

В зависимости от примесей кремний приобретает электронную проводимость п или, наоборот, пропускает заряды с недостатком электронов, где места отсутствующих электронов условно называют дырками, то есть приобретает дырочную проводимость р. С целью получения локальных областей для элементов микросхемы формируют разделительные области р» -типа — области дырочной проводимости с повышенной концентрацией носителей. Создание элементов в полупроводниковом материале требует наличия р-и-переходов — границы между областями с электронной (и-типа) и дырочной (р-типа) проводимостью. На рис. 25.2 показана последовательность основных технологических операций изготовления ПИМС на биполярных транзисторах, получаемых по планарно-эпитаксиальной технологии (эпитаксия — процесс ориентированного наращивания атомов одного кристаллического вещества на другом). Изготовление ПИМС на биполярных транзисторах включает  [c.539]

Транзистор — электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, пригодный для усиления мощности и имеющий три или более выводов [3. 4].  [c.157]

Транзистор МДП — полевой транзистор с изолированным затвором, состоящий из трех слоев металлического (М), диалектричесКогО (Д) и полупроводникового (П) в качестве диэлектрика обычно используют пленку окисла кремния (МОП — транзистор) [9].  [c.158]

При изготовлении интегральной схемы на пластинку из полупроводникового материала наносятся последовательно слои примесей, диэлектриков, напыляются слои металла. Для каждого нового слоя используется своя технология нанесения и свой рисунок расположения деталей. В результате на одном кристалле одновременно создается несколько тысяч транзисторов, коыден-саторов, резисторов и диодов, соединенных процодаиками в определенную схему. Например, микросхема часов Электроника размещена на кремниевом кристалле толщиной 0,5 мм и размерами 4×3,6 мм. В этой микросхеме содержится около 3000 транзисторов. Размеры отдельных элементов микросхемы могут быть 2—5 мкм, погрешность при их нанесении не должна превышать 0,2 мкм.  [c.162]

Процент выхода годных полупроводниковых элементов, их характеристики зависят от степени очистки, однородности исходного материала, степени его легирования к др. Наиболее жесткие требования к полупроводниковым мятепиялям предъявЛ-Яют при производстве транзисторов и интегральных схем. В таких приборах, как фото- и тер.морезисторы, допускается использование поли-кристаллических аморфных веществ.  [c.81]

Краткие сведения по изготовлению полупроводниковых ИС Полупроводниковые структуры ИС сформировываются в монокристаллическом теле полупроводника с помощью технологических операций. Создаются различные области, обладающие дырочной (Р-область) н электронной (N-область) проводимостями Основной частью полуироводниковьк микросхем являются NP- или Р переходы. Обраэаванные области в полупроводнике соответствуют по своим функциям определенным дискретным элементам активным (транзистор, диод) и пассивным (резистор, конденсатор и др.). Объемные то-коведущне дорожки создаются нанесением на поверхность полупроводника ин-  [c.92]

Любые переходы, образующие элементы полупроводниковой ИС, можно использовать как диоды. Если диод, созданный на переходе база —коллектор, имеет прямое смещение, а диод на переходе коллектор — подложка — обратное смещение, то образуется паразитный трамзнстор РЫР-типа (рис. 3.10,г). Влияние паразитного транзистора можно уменьшить введением скрытого слоя N+-THna, который снижает усиление по току.  [c.93]

Из кремния изготавляются различные типы полупроводниковых диодов низкочастотные (высокочастотные), маломощные (мощные), полевые транзисторы стабилитроны тиристоры. Широкое применение в технике нашли кремниевые фотопреобразователь-ные приборы фотодиоды, фототранзисторы, фотоэлементы солнечных батарей. Подобно германию, кремний используется для изготовления датчиков Холла, тензодатчиков, детекторов ядерных излучений.  [c.288]

Германий как полупроводник играет важную роль в полупроводниковой электронике. В этой области инфоко используют германий для изготовления кристаллических выпрямителей (диодов) и кристаллических усилителей (триодов или транзисторов]. Кристаллические выпрямители и усилители обладают рядом преимуществ перед электронными лампами потребляемая ими мощность значительно ниже, чем у вакуумных ламп, а poir их службы длительнее они отличаются большей механической устойчивостью по отношению к вибрациям и ударам, чем электронные лампы, и имеют по сравнению с ними значительно меньшие размеры. Это делает особенно перспективным их применение в сложных счетных машинах, телемеханике, радарных установках и т. п.  [c.531]

В настоящее время кремний является основным материалом для изготовления полупроводниковых приборов диодов, транзисторов, фотоэлементов, тензопреобразователен и твердых схем микроэлектроники. При использовании кремния верхний предел рабочей температуры приборов может составлять в зависимости от степени очистки материала 120—200 С, что значительно выше, чем для  [c.257]

---

Полупроводниковые приборы и элементы | Учебные материалы

В электронике, к наиболее типичным полупроводниковым приборам и элементам относятся: полупроводниковый диод, транзистор и тиристор.

Полупроводниковый диод

Полупроводниковым диодом называют прибор с одним p-n- переходом и двумя выводами, в котором используются свойства перехода. Он состоит из двух частей: полупроводника с дырочной проводимостью (р) и полупроводника с электронной проводимостью (n).

Полупроводниковый диод обладает свойством односторонней проводимости и служит для выпрямления переменного тока.

Различают прямую и обратную полярности включения диода. При прямой полярности включения диода (+) источника подключен к полупроводнику с дырочной проводимостью (р), а (-) источника – к полупроводнику с электронной проводимостью (n). При этом через диод протекает прямой ток (диод открыт). При подключении (-) источника к полупроводнику с (р) проводимостью, а (+) источника к полупроводнику с (n) проводимостью (обратная полярность включения), диод закрыт (прямой ток не течет).

Небольшой обратный ток, протекающий через диод, обусловлен движением неосновных носителей заряда. Для выпрямления переменного тока с помощью полупроводниковых диодов применяют однофазные и трехфазные выпрямители.

Рассмотрим простейшую схему однополупериодного выпрямления, в которой один диод включен последовательно с приемником постоянного тока в сеть переменного тока (рис.26).

В этой схеме диод (вентиль) пропускает ток только в одном направлении в положительные полупериоды входного напряжения (рис.27). Тогда соблюдаются условия прямой полярности включения, то есть (+) подключен к (р), а (-) к (n).

рис. 26

рис. 27

Выпрямленное данной схемой напряжение является пульсирующим с высоким коэффициентом пульсации (К_n=1,57).

Снижение коэффициента пульсации может быть получено за счет применения более совершенных схем выпрямления или сглаживающих фильтров (рис.28, а, б, в).

Рис. 28. Варианты схем сглаживающих фильтров.

В качестве сглаживающих фильтров используют конденсаторы, включаемые параллельно нагрузке, или индуктивные катушки, включаемые последовательно нагрузке. Более сложные фильтры представляют собой сочетания перечисленных схем.

При использовании в качестве фильтра конденсатора, он сначала накапливает электрическую энергию, заряжаясь до амплитудного значения напряжения сети, а при снижении напряжения отдает энергию в нагрузку, поддерживая величину выпрямленного напряжения.

Уменьшить коэффициент пульсации можно также с помощью однофазной мостовой схемы выпрямителя (рис.29).

Рис. 29

Данная схема позволяет выпрямить обе полуволны синусоиды, при этом в каждом полупериоде диоды, включенные в мост, работают попарно (В₁-В₂; В₃-В₄). На нагрузке образуются полуволны напряжения одного и того же знака.

Биполярный транзистор

Биполярным транзистором называют электропреобразовательный прибор, состоящий из трех областей с чередующимися типами электропроводности, пригодный для усиления мощности.

В биполярных транзисторах ток определяется движением носителей заряда двух типов: электронов и дырок. В соответствии с чередованием участков с различной электропроводностью биполярные транзисторы подразделяются на два типа: p-n-p и n-p-n (см. рис.30).

Рис. 30 Структура биполярных транзисторов типов p-n-p (а) и n-p-n (б)

Обозначение биполярного транзистора приведено в разделе 2. У транзисторов средний слой называют базой (Б), наружный слой, являющийся источником носителей заряда – эмиттером (Э).

Другой наружный слой называют коллектором (К). Он принимает носители заряда, поступающие от эмиттера.

На p-n переход эмиттер-база напряжение подается в прямом направлении (прямая полярность), на переход коллектор-база — в обратном направлении (обратная полярность).

Биполярные транзисторы широко применяются в различных типах усилителей, генераторов в логических и импульсных устройствах.

Полевой транзистор

Полевым транзистором называют электропреобразовательный прибор, в котором ток канала управляется электрическим полем, возникающим с приложением напряжения между затвором и истоком. Каналом называют центральную область транзистора.

Исток (И) это электрод, из которого в канал входят основные носители заряда. Сток (С) это электрод, через который основные носители уходят из канала. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором (З).

Условное обозначение полевого транзистора

Тиристор это полупроводниковый прибор с тремя и более p-n переходами. Он подобен бесконтактному выключателю, включаемому с помощью небольшого управляющего тока. Условное обозначение тиристора в схемах

(УЭ – управляющий электрод).

Современная промышленность выпускает тиристоры на токи от нескольких ампер до нескольких сотен ампер. Их широко используют в управляемых выпрямителях, инверторах (преобразователях постоянного тока в переменный) преобразователях частоты, бесконтактных схемах управления электроприводами.

Усилителем называют устройство, которое позволяет увеличивать без искажения мощность слабого сигнала за счет дополнительного источника энергии, питающего усилитель.

Свойства усилителя характеризуются коэффициентами усиления по напряжению, току и мощности. Коэффициентом усиления по напряжению К_u называют отношение напряжения сигнала на выходе усилителя к напряжению сигнала на его входе:

Генератором называют автоколебательную систему, в которой энергия источника питания преобразуется в энергию колебаний. Форма колебаний определяется спектром генерируемых частот.

Генераторы синусоидальных колебаний выполняют двух типов:
LC – генератор или RC – генератор. В основе LC — генератора лежит колебательный контур, с его помощью получают синусоидальные колебания в диапазоне частот от нескольких десятков килогерц до сотен мегагерц.

Логические элементы вместе с запоминающими элементами составляют основу устройств цифровой (дискретной) обработки информации — вычислительных машин, цифровых измерительных приборов и устройств автоматики. Логические элементы выполняют простейшие операции над цифровой информацией, а запоминающие элементы служат для ее хранения.

Логические элементы

Логические элементы обычно строят на базе электронных устройств, работающих в ключевом режиме. Цифровую информацию обычно представляют в двоичной форме, в которой сигналы принимают только два значения: «0» (логический нуль) и «1» (логическая единица), соответствующие двум состояниям ключа.

В современной электронике процесс миниатюризации электронных устройств, повышение их сложности и надежности осуществляется посредством применения полупроводниковых интегральных микросхем.

В отличие от гибридных интегральных микросхем, которые состоят из различных элементов – тонкопленочных резисторов, конденсаторов, транзисторов – полупроводниковые интегральные микросхемы состоят обычно из отдельных областей кристалла, каждая из которых выполняет функцию транзистора, диода, резистора или конденсатора. Полупроводниковые интегральные микросхемы помещают в металлический или пластмассовый корпус.

Открытая Физика. Электронно-дырочный переход. Транзистор

В современной электронной технике полупроводниковые приборы играют исключительную роль. За последние три десятилетия они почти полностью вытеснили электровакуумные приборы.

В любом полупроводниковом приборе имеется один или несколько электронно-дырочных переходов. Электронно-дырочный переход (или n–p-переход) – это область контакта двух полупроводников с разными типами проводимости.

В полупроводнике n-типа основными носителями свободного заряда являются электроны; их концентрация значительно превышает концентрацию дырок (n_n >> n_p). В полупроводнике p-типа основными носитялеми являются дырки (n_p >> n_n). При контакте двух полупроводников n— и p-типов начинается процесс диффузии: дырки из p-области переходят в n-область, а электроны, наоборот, из n-области в p-область. В результате в n-области вблизи зоны контакта уменьшается концентрация электронов и возникает положительно заряженный слой. В p-области уменьшается концентрация дырок и возникает отрицательно заряженный слой. Таким образом, на границе полупроводников образуется двойной электрический слой, поле которого препятствует процессу диффузии электронов и дырок навстречу друг другу (рис. 1.14.1). Пограничная область раздела полупроводников с разными типами проводимости (так называемый запирающий слой) обычно достигает толщины порядка десятков и сотен межатомных расстояний. Объемные заряды этого слоя создают между p— и n-областями запирающее напряжение U_з, приблизительно равное 0,35 В для германиевых n–p-переходов и 0,6 В для кремниевых.

n–p-переход обладает удивительным свойством односторонней проводимости.

Образование запирающего слоя при контакте полупроводников p— и n-типов

Если полупроводник с n–p-переходом подключен к источнику тока так, что положительный полюс источника соединен с n-областью, а отрицательный – с p-областью, то напряженность поля в запирающем слое возрастает. Дырки в p-области и электроны в n-области будут смещаться от n–p-перехода, увеличивая тем самым концентрации неосновных носителей в запирающем слое. Ток через n–p-переход практически не идет. Напряжение, поданное на n–p-переход в этом случае называют обратным. Весьма незначительный обратный ток обусловлен только собственной проводимостью полупроводниковых материалов, т. е. наличием небольшой концентрации свободных электронов в p-области и дырок в n-области.

Если n–p-переход соединить с источником так, чтобы положительный полюс источника был соединен с p-областью, а отрицательный с n-областью, то напряженность электрического поля в запирающем слое будет уменьшаться, что облегчает переход основных носителей через контактный слой. Дырки из p-области и электроны из n-области, двигаясь навстречу друг другу, будут пересекать n–p-переход, создавая ток в прямом направлении. Сила тока через n–p-переход в этом случае будет возрастать при увеличении напряжения источника.

Способность n–p-перехода пропускать ток практически только в одном направлении используется в приборах, которые называются полупроводниковыми диодами. Полупроводниковые диоды изготавливают из кристаллов кремния или германия. При их изготовлении в кристалл c каким-либо типом проводимости вплавляют примесь, обеспечивающую другой тип проводимости.

Полупроводниковые диоды используются в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный. Типичная вольт-амперная характеристика кремниевого диода приведена на рис. 1.14.2.

Вольт-амперная характеристика кремниевого диода. На графике использованы различные шкалы для положительных и отрицательных напряжений

Полупроводниковые диоды обладают многими преимуществами по сравнению с вакуумными – малыми размерами, длительными сроками службы, механической прочностью. Существенным недостатком полупроводниковых диодов является зависимость их параметров от температуры. Кремниевые диоды, например, могут удовлетворительно работать только в диапозоне температур от –70 °C до 80 °C. У германиевых диодов диапазон рабочих температур несколько шире.

Полупроводниковые приборы не с одним, а с двумя n–p-переходами называются транзисторами. Название происходит от сочетания английских слов: transfer – переносить и resistor – сопротивление. Обычно для создания транзисторов используют германий и кремний. Транзисторы бывают двух типов: p–n–p-транзисторы и n–p–n-транзисторы. Например, германиевый транзистор p–n–p-типа представляет собой небольшую пластинку из германия с донорной примесью, т. е. из полупроводника n-типа. В этой пластинке создаются две области с акцепторной примесью, т. е. области с дырочной проводимостью (рис. 1.14.3). В транзисторе n–p–n-типа основная германиевая пластинка обладает проводимостью p-типа, а созданные на ней две области – проводимостью n-типа (рис. 1.14.4).

Пластинку транзистора называют базой (Б), одну из областей с противоположным типом проводимости – коллектором (К), а вторую – эмиттером (Э). Обычно объем коллектора превышает объем эмиттера. В условных обозначениях на схемах стрелка эмиттера показывает направление тока через транзистор.

Транзистор структуры p–n–p Транзистор структуры n–p–n

Оба n–p-перехода транзистора соединяются с двумя источниками тока. На рис. 1.14.5 показано включение в цепь транзистора p–n–p-структуры. Переход «эмиттер–база» включается в прямом (пропускном) направлении (цепь эмиттера), а переход «коллектор–база» – в запирающем направлении (цепь коллектора).

Пока цепь эмиттера разомкнута, ток в цепи коллектора очень мал, так как для основных носителей свободного заряда – электронов в базе и дырок в коллекторе – переход заперт.

Включение в цепь транзистора p–n–p-структуры

При замыкании цепи эмиттера дырки – основные носители заряда в эмиттере – переходят из него в базу, создавая в этой цепи ток I_э. Но для дырок, попавших в базу из эмиттера, n–p-переход в цепи коллектора открыт. Большая часть дырок захватывается полем этого перехода и проникает в коллектор, создавая ток I_к. Для того, чтобы ток коллектора был практически равен току эмиттера, базу транзистора делают в виде очень тонкого слоя. При изменении тока в цепи эмиттера изменяется сила тока и в цепи коллектора.

Если в цепь эмиттера включен источник переменного напряжения (рис. 1.14.5), то на резисторе R, включенном в цепь коллектора, также возникает переменное напряжение, амплитуда которого может во много раз превышать амплитуду входного сигнала. Следовательно, транзистор выполняет роль усилителя переменного напряжения.

Однако такая схема усилителя на транзисторе является неэффективной, так как в ней отсутствует усиление сигнала по току, и через источники входного сигнала протекает весь ток эмиттера I_э. В реальных схемах усилителей на транзисторах источник переменного напряжения включают так, чтобы через него протекал только небольшой ток базы I_б = I_э – I_к. Малые изменения тока базы вызывают значительные изменения тока коллектора. Усиление по току в таких схемах может составлять несколько сотен.

В настоящее время полупроводниковые приборы находят исключительно широкое применение в радиоэлектронике. Современная технология позволяет производить полупроводниковые приборы – диоды, транзисторы, полупроводниковые фотоприемники и т. д. – размером в несколько микрометров. Качественно новым этапом электронной техники явилось развитие микроэлектроники, которая занимается разработкой интегральных микросхем и принципов их применения.

Интегральной микросхемой называют совокупность большого числа взаимосвязанных элементов – сверхмалых диодов, транзисторов, конденсаторов, резисторов, соединительных проводов, изготовленных в едином технологическом процессе на одном кристалле. Микросхема размером в 1 см² может содержать несколько сотен тысяч микроэлементов.

Применение микросхем привело к революционным изменениям во многих областях современной электронной техники. Это особенно ярко проявилось в электронной вычислительной технике. На смену громоздким ЭВМ, содержащим десятки тысяч электронных ламп и занимавшим целые здания, пришли персональные компьютеры.

Полупроводниковые материалы

• Изучив этот раздел, вы сможете:
• • Опишите структуру атома кремния.
• • Опишите материалы, обычно используемые при производстве диодов и транзисторов.
• • Назовите материалы, обычно используемые для легирования полупроводниковых материалов.
• • Понимать цель легирования полупроводниковых материалов.

Рис.1.1.1 Атом силикона.

Некоторые материалы, такие как медь, алюминий и латунь, очень легко пропускают электрический ток. Поскольку они легко проводят электричество, их способность сопротивляться прохождению тока невысока. Поэтому они имеют очень низкое удельное сопротивление и поэтому классифицируются как проводники.

Другие материалы, такие как пластик или стекло, обладают чрезвычайно высоким удельным сопротивлением, поэтому не проводят электричество. Эти материалы называются изоляторами.

Материалы, которые имеют удельное сопротивление посередине между проводниками и изоляторами, действительно проводят ток, но очень плохо при нормальной комнатной температуре, поэтому они называются полупроводниками.

Насколько хорошо или плохо какой-либо материал проводит электричество, зависит от атомной структуры материала. Для объяснения атомной структуры материалов применительно к электронике см. Нашу страницу «Атомная структура вещества».

Кремний и германий, а также ряд других материалов и смесей материалов в группе полупроводников широко используются в производстве транзисторов и диодов, а также интегральных схем, таких как микропроцессоры.

Легирование полупроводников

Чтобы сделать такие полупроводниковые материалы пригодными для использования в транзисторах и диодах, удельное сопротивление материала изменяют контролируемым образом, сначала создавая очень чистые кристаллы из полупроводникового материала. Эти кристаллы содержат только атомы одного типа (например, кремния), расположенные в виде регулярной решетки. Этот очень чистый материал затем «легируется» путем добавления крошечных количеств примесных атомов (примерно 1 атом примеси на каждые 10 миллионов).

Идея состоит в том, что чистые полупроводники плохо проводят проводимость, потому что электроны в их решетчатой ​​структуре в основном очень плотно связаны с их атомами, оставляя только несколько электронов свободными для перемещения от атома к атому через материал, образуя очень слабую электрическую Текущий.Добавляя примеси с различной атомной структурой, больше или в других случаях меньше, добавляются свободные электроны. Это контролирует способность полупроводника пропускать ток, эффективно изменяя удельное сопротивление материала.

Некоторые примеси, такие как мышьяк и фосфор, добавляют к материалу дополнительные свободные электроны (носители отрицательного заряда). Это называется полупроводником N-типа.

Другие примеси, такие как алюминий и бор, могут быть добавлены для удаления свободных электронов, чтобы полученный материал имел меньше свободных электронов, чем раньше.Каждый недостающий электрон в кристаллической структуре называется «дыркой». Поскольку свободные электроны являются носителями отрицательного заряда, эти дырки в структуре действительно являются носителями положительного заряда. Легированный таким образом материал называется полупроводником P-типа. Размещение материалов типа P и N рядом друг с другом в цепи создает PN-переход и делает полезное устройство, которое называется диодом. Когда на диод подается напряжение, ток будет течь через диод в одном направлении, но не в другом.

Изготовление трехкомпонентного сэндвича (PNP или NPN) и тщательный контроль уровней легирования в трех слоях создает транзистор, способный к усилению, а также выполнять многие другие полезные функции.

Полупроводниковые материалы в электронных устройствах.

Транзисторы, диоды и интегральные схемы можно классифицировать как полупроводниковые устройства, поскольку они сделаны из полупроводниковых материалов. Ранние типы транзисторов и диодов были сделаны из германия (Ge), но кремний (Si) сегодня используется в подавляющем большинстве устройств. Однако германий очень редко используется в современных транзисторах, но он обладает некоторыми свойствами, которые делают его полезным для таких устройств, как фотоэлектрические элементы, для выработки электричества в присутствии света.Галлий (Ga) также используется в электронных устройствах, таких как светоизлучающие диоды (светодиоды), обычно в качестве составного материала, то есть в сочетании с другими материалами, такими как арсенид галлия (GaAs) или фосфид арсенида галлия (GaAsP)

Начало страницы.>

Обновите основы транзисторов и диодов

Многие различные активные схемы основаны на двух основных полупроводниковых функциональных блоках — диодах и транзисторах. В аналоговых, цифровых схемах и схемах со смешанными сигналами диоды и транзисторы обеспечивают различные типы функций переключения, в то время как транзисторы также обеспечивают усиление сигнала, когда это необходимо.

Используются диоды и транзисторы различных типов на ВЧ и СВЧ частотах, в зависимости от требуемой функции и частотного диапазона. Знание того, как ведут себя различные полупроводники, может упростить задачу определения разнородных диодов и транзисторов для широкого спектра ВЧ / СВЧ-приложений.

Проще говоря, диод — это двухконтактный полупроводниковый прибор, а транзистор — трехконтактный полупроводниковый прибор. Диод может пропускать ток в одном направлении, блокируя ток в другом направлении.Устройство хорошо работает как переключатель и используется для ограничения уровней сигнала, умножения частоты, настройки и защиты схем от протекания тока в заданном направлении. Часто диоды также действуют как выпрямители для преобразования переменного тока в постоянный ток в цепи.

Транзисторы

— это универсальные полупроводниковые устройства, изготовленные из множества различных химических элементов и соединений, таких как кремний (Si), арсенид галлия (GaAs) и нитрид галлия (GaN). Их можно использовать в качестве усилителей или переключателей, частота которых зависит от конструкции устройства, размеров и свойств материала.С помощью трех клемм напряжение или ток, приложенные между одной парой клемм, могут влиять на напряжение или ток между другой парой клемм, чтобы обеспечить усиление, необходимое для усилителя или генератора. В зависимости от применения транзистор может работать с низкими уровнями мощности в его слабосигнальной или линейной области или с более высокими уровнями мощности в его сильносигнальной или нелинейной области.

Массив опций

Диоды и транзисторы были разработаны и изготовлены во многих различных формах.Типы диодов включают в себя диоды с барьером Шоттки, положительно-внутренне-отрицательные (PIN), диоды Ганна, Импатта и варакторные диоды. Типы транзисторов по существу включают полевые транзисторы (FET), такие как полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник (MOSFET) и полевые транзисторы металл-эпитаксиальный полупроводник (MESFET), а также транзисторы с биполярным переходом (BJT), такие как биполярные транзисторы с гетеропереходом (HBT). .

1. Высокомощные СВЧ HEMT становятся доступными и более простыми в обращении в корпусах для поверхностного монтажа. (Любезно предоставлено Кри)

Два вывода диода известны как анод и катод.Три вывода полевого транзистора называются затвором, стоком и истоком, а три вывода биполярного транзистора называются эмиттером, коллектором и базой. В любом типе транзистора заряд передается контролируемым образом между двумя выводами: между истоком и стоком в полевом транзисторе и между эмиттером и коллектором в биполярном транзисторе. Ток течет сбоку в полевом транзисторе и вертикально в биполярном транзисторе.

Биполярный транзистор по существу состоит из двух переходных диодов на полупроводниковом материале, имеющих положительную (p) и отрицательную (n) полярности.Транзистор с двумя положительными слоями, окружающими отрицательный слой, известен как pnp-транзистор, а устройство с двумя отрицательными слоями вокруг положительного слоя — npn-транзистор.

Выбор транзистора для высокочастотного применения обычно зависит от частотного диапазона, а также от характеристик. Например, в приложениях приемника критически важна чувствительность сигнала, и коэффициент шума входного транзистора приемника, который используется в малошумящем усилителе, должен быть как можно ниже. Таким образом, полевые транзисторы из GaAs могут быть лучшим вариантом, поскольку они доступны с впечатляюще низким (менее 1 дБ) коэффициентом шума на микроволновых частотах.

Такие транзисторы характеризуются для использования в их линейных областях с малым сигналом, с компромиссом, заключающимся в том, что выходная мощность обычно ограничивается менее 1 Вт. Для усиления большей мощности GaN обычно является предпочтительным полупроводниковым материалом в настоящее время для микроволновых частот , как правило, в виде фланцевого силового устройства GaN HEMT (Рис. 1) .

Определение правого диода

Выбор диода для конкретного ВЧ / СВЧ-приложения в большей степени зависит от понимания того, какой тип диода выполняет какой тип функции.Например, диоды Ганна, которые также известны как устройства с переносом электронов (TED), обычно используются для генерации радиочастотных / микроволновых сигналов и / или обнаружения сигналов, например, при обнаружении радаров. Названный в честь Джона Баттискомба (Дж.Б. Ганна), этот тип диодов демонстрирует управляемое напряжением отрицательное сопротивление. Обычно он изготавливается из цельного куска полупроводникового материала n-типа, такого как GaAs или фосфид индия (InP), и может хорошо генерировать колебания в диапазоне частот миллиметрового диапазона.

2. Диоды Шоттки также доступны в недорогих корпусах для поверхностного монтажа для приложений преобразования частоты. (Любезно предоставлено Skyworks Solutions) Диоды Шоттки

, названные в честь Уолтера Шоттки, часто используются для преобразования частоты в смесителях или для обнаружения сигналов (рис. 2) . Они имеют низкое прямое напряжение или напряжение включения и быстрое время восстановления. Эти выпрямительные диоды часто встречаются в схемах с несколькими источниками питания, такими как источник переменного тока и аккумулятор, чтобы предотвратить попадание одного источника энергии в другой.

Мощный диод Impatt, сокращение от «IMPact ionization Avalanche Transit-Time diode», обычно используется для генерации сигналов. Отрицательное сопротивление, возможное в устройстве, позволяет ему действовать как генератор, хотя для приложений, где фазовый шум не критичен по сравнению с синтезатором частоты. Диоды Impatt также часто действуют как источники гетеродина (LO) в интегрированных приемниках. Как и многие диоды, он может проводить ток в прямом направлении и блокировать ток в обратном направлении.

Возможно, «рабочей лошадкой» всех ВЧ / СВЧ-диодов является PIN-диод, обычно используемый в высокочастотных переключателях и аттенюаторах (рис. 3) . Название происходит от трех слоев полупроводниковых материалов p-типа, внутреннего и n-типа. Слой p-типа удерживает анод, а слой n-типа образует катод диода. PIN-диоды, которые изготовлены как из кремния, так и из полупроводниковых материалов GaAs, действуют как резисторы с регулируемым током. Чем больше тока проходит через внутреннюю область, тем меньше ВЧ-сопротивление устройства.PIN-диод ведет себя как разомкнутая цепь, как короткое замыкание, и где-то между ними. Его можно настроить по току до необходимого импеданса, например 50 Ом, для согласования импеданса.

PIN-диод действует как выпрямитель на более низких частотах и ​​как переменный резистор на ВЧ / СВЧ-частотах. Частота, с которой диод переключается с выпрямителя на переменный резистор, зависит от толщины внутреннего слоя. Более толстые устройства можно использовать в качестве переключателей на более низкие частоты.Очень низкие уровни тока необходимы для управления PIN-диодами, которые могут обрабатывать большие мощности радиочастотного / микроволнового сигнала.

Варакторные диоды

также широко используются в высокочастотных приложениях, для умножения частоты, а также для настройки. Имея емкость, которая изменяется в зависимости от приложенного обратного напряжения, варакторные диоды обычно используются для настройки частоты генераторов, таких как генераторы, управляемые напряжением (ГУН).

Заглянуть в прошлое и будущее

Иногда бывает сложно найти на рынке более старые ВЧ / СВЧ диоды и дискретные транзисторы, особенно когда они необходимы для критически важных приложений, таких как импульсные усилители в коммерческих или военных радиолокационных системах.К сожалению, за последние несколько десятилетий многие поставщики ВЧ / СВЧ транзисторов и диодов сменили владельца или прекратили работу, что усугубило проблему поиска старых номеров деталей полупроводников для существующих конструкций электронных схем.

3. PIN-диоды являются одними из самых универсальных полупроводников, используемых в различных компонентах, от переключателей до аттенюаторов. (Любезно предоставлено Fairchild Semiconductor Corp.)

К счастью, у ряда дистрибьюторов и поставщиков полупроводников имеются снятые с производства модели и запасные части для труднодоступных устройств.ASI Semiconductor, например, производит множество заменяющих высокомощных устройств для радарных приложений, которые недоступны у компаний, больше не присутствующих на рынке, таких как Motorola. Он также предлагает микроволновые диоды, которые больше не поставляются такими компаниями, как Alpha Industries и Avago Technologies. Типы мощных транзисторов включают более старые кремниевые полевые МОП-транзисторы и кремниевые биполярные транзисторы.

Что касается последних достижений, большой интерес вызвал графен как полупроводниковый материал для транзисторов следующего поколения.Описанный как материал с «нулевой запрещенной зоной» из-за своей высокой подвижности электронов, графен может достигать высокой плотности тока. Материал состоит из слоя атомов углерода толщиной в один атом, расположенных в виде сотовой решетки. Он подходит для высокочастотных, быстродействующих транзисторов миллиметрового диапазона частот и в качестве основы для фотодетекторных диодов для использования в оптоэлектронных схемах и системах.

Графеновые полевые транзисторы

были изготовлены с частотами отсечки выше 30 ГГц. Однако они представляют особый интерес для гибких схем в носимых электронных устройствах.Такие устройства, которые включают в себя различные типы датчиков температуры и движения, разрабатываются с возможностью беспроводного приемопередатчика для использования в качестве беспроводных устройств Интернета вещей (IoT). Кроме того, исследователи продолжают поиск способов уменьшения размеров полупроводников. Целью является разработка практических транзисторов и диодов для беспроводной связи в миллиметровом или даже терагерцовом (ТГц) диапазонах частот для поддержки ожидаемых более высоких скоростей беспроводной передачи данных, необходимых для приложений IoT.

Транзистор — легирование — кремний, атомы, примеси и полупроводники

Чистый или «собственный» кристалл кремния содержит около одного примесного атома, не являющегося кремнием, на каждые 100 миллионов или около того атомов кремния. Эти примесные атомы имплантируются в кристалл с помощью процесса, называемого легированием. Они расположены в кристаллической решетке, как если бы они сами были атомами кремния, но радикально меняют свойства решетки из-за их различных свойств.

Когда легирование добавляет примесные атомы с пятью электронами на их внешней (валентность ) орбите, результат называется полупроводником типа n .Мышьяк, например, имеет пять валентных электронов и часто используется для производства полупроводников типа n . Пятивалентные примесные атомы разделяют только четыре из пяти валентных электронов со своими четырьмя ближайшими соседями по кремнию; пятый может свободно перемещаться через кристалл в ответ на любое электрическое поле , которое может присутствовать, почти как электрон проводимости в обычном металле . Таким образом, полупроводник типа n проводит электричество легче, чем собственный полупроводник.

Если используется примесь только с тремя валентными электронами (например, бор, , алюминий, , галлий и индий), получается полупроводник типа p . У этих атомов короткий один из электронов, необходимых для установления ковалентной связи со всеми четырьмя своими кремниевыми соседями и, таким образом, вносит дефект в кристаллическую решетку, положительно заряженное место, где был бы обнаружен отрицательно заряженный электрон, если бы атом кремния имел не вытеснен примесным атомом. Этот дефект, называемый дыркой, может перемещаться, когда соседний электрон проскальзывает в дырку, оставляя после себя новую дырку.Дырка будет перемещаться из одного места в другое внутри кристалла, ведя себя как положительный аналог электрона.

Дырки движутся несколько медленнее, чем электроны в электрическом поле заданной силы, но эта разница в скорости обычно не важна на практике. Как избыточные электроны, переданные в полупроводнике типа n пятивалентными примесными атомами, так и дырки, созданные в полупроводнике типа p трехвалентными атомами примеси, увеличивают проводимость полупроводника; например, при 86 ° F (30 ° C) проводимость кремния типа n с одним пятивалентным атомом примеси на 100 миллионов атомов кремния в 24 100 раз больше, чем проводимость собственного кремния.

DoITPoMS — Библиотека TLP Введение в полупроводники

Представьте, что два соединения p-n соединяются взаимно. Это основная структура биполярного транзистора. Это называется биполярным, потому что и электроны, и дырки переносят ток в устройстве. Биполярные транзисторы могут иметь конфигурацию n — p — n или p — n — p . Схема устройства в конфигурации n — p — n показана ниже.Используйте кнопки для навигации по анимации.

На анимации выше показано три контакта транзистора. Это (i) эмиттер, (ii) база и (iii) коллектор. Эмиттер и коллектор изготовлены из легированного материала типа n , а основа — из легированного материала p . Они часто обозначаются буквами E, B и C.

При прямом смещении, применяемом к переходу эмиттер-база, и обратном смещении, применяемом к переходу база-коллектор, полосы деформируются, как показано на анимации.Потенциальный барьер для диффузии электрона из эмиттера в базу относительно невысок. Электроны, инжектируемые из эмиттера, затем диффундируют через тонкую базовую область, прежде чем будут ускорены сильным обратным смещенным полем между базой и коллектором. Обратите внимание, что, хотя электроны находятся в основной области, они являются неосновными носителями. Основание должно быть тонким, чтобы электроны, диффундирующие через него, не терялись из-за рекомбинации с отверстием, то есть с основным носителем заряда в области основания.При рекомбинации происходит не только уменьшение электронного тока, но и рассеивание тепла в этом процессе, что также нежелательно.

Изменение базового напряжения изменяет размер потенциального барьера для передачи электронов от эмиттера. Таким образом, напряжение эмиттер-база можно использовать для модуляции тока от эмиттера к коллектору. Приложенное напряжение также можно использовать для полной остановки тока, протекающего через устройство, фактически используя транзистор в качестве переключателя.Именно эта функция переключения используется в логических схемах, например, в компьютерах. Замкнутый переключатель представляет собой двоичный 0 (ток от эмиттера к коллектору не течет), а открытый переключатель — это двоичная 1 (ток происходит между эмиттером и коллектором).

предыдущая | следующий

4. История полупроводников: Hitachi High-Tech GLOBAL

История рождения полупроводников восходит к изобретению выпрямителя (преобразователя переменного тока в постоянный) в 1874 году.Десятилетия спустя Бардин и Браттейн из Bell Laboratories в США изобрели точечный транзистор в 1947 году, а Шокли изобрел переходной транзистор в 1948 году. Это ознаменовало наступление эры транзисторов. В 1946 году Пенсильванский университет в США построил компьютер с использованием электронных ламп. Компьютер был настолько большим, что его электронные лампы занимали все здание, потребляли огромное количество электроэнергии и выделяли много тепла. Позже был разработан инновационный транзисторный вычислитель (компьютер), и с тех пор компьютеры выросли не по дням, а по часам.В 1956 году Нобелевская премия по физике была присуждена совместно Шокли, Бардину и Браттейну за их вклад в исследования полупроводников и разработку транзисторов.
После изобретения транзистора полупроводниковая промышленность быстро росла. В 1957 году он уже перевалил за 100 миллионов долларов. В 1959 году биполярная интегральная схема (ИС) была изобретена Килби из Texas Instruments и Нойсом из Fairchild Semiconductor в США. Это изобретение оказало большое влияние на историю полупроводников и ознаменовало начало эры IC.Будучи небольшими по размеру и легким, ИС широко использовалась в различных электроприборах.
В 1967 году компания Texas Instruments разработала настольный электронный калькулятор (калькулятор) с использованием микросхемы IC. В Японии производители электронного оборудования один за другим выпускали калькуляторы, и ожесточенные «калькуляторы» продолжались до конца 1970-х годов. Интеграция ИС продвинулась еще дальше, и была разработана крупномасштабная интегральная схема (БИС). Технологии продолжают развиваться. СБИС (от 100 тысяч до 10 миллионов электронных компонентов на чип) была разработана в 1980-х годах, а ULSI (более 10 миллионов электронных компонентов на чип) была разработана в 1990-х годах.В 2000-х годах системная БИС (многофункциональная БИС с множеством функций, интегрированных в одну микросхему) была запущена в серийное производство. По мере того, как IC прогрессирует в направлении высокой производительности и множественности функций, область ее применения широко расширяется. Полупроводники сейчас используются во всех уголках нашего общества и поддерживают повседневную жизнь.

Двумерная структура может стать ключом для квантовых вычислений, расширяя закон Мура — ScienceDaily

Исследователи из Университета Буффало сообщают о новом двумерном транзисторе из графена и соединения дисульфида молибдена, который может помочь открыть новую эру вычислений.

Как описано в документе, принятом на Международной конференции по электронным устройствам IEEE 2020, которая состоится практически на следующей неделе, транзистор требует вдвое меньшего напряжения, чем нынешние полупроводники. Он также имеет более высокую плотность тока, чем аналогичные транзисторы, находящиеся в стадии разработки.

Эта способность работать с меньшим напряжением и обрабатывать больший ток является ключевой для удовлетворения спроса на новые энергоемкие наноэлектронные устройства, включая квантовые компьютеры.

«Новые технологии необходимы для увеличения производительности электронных систем с точки зрения мощности, скорости и плотности.Этот транзистор следующего поколения может быстро переключаться, потребляя при этом небольшое количество энергии », — говорит ведущий автор статьи Хуамин Ли, доктор философии, доцент кафедры электротехники в Школе инженерии и прикладных наук UB (SEAS).

Транзистор состоит из одного слоя графена и одного слоя дисульфида молибдена или MoS2, который является частью группы соединений, известных как халькогениды переходных металлов. Графен и MoS2 сложены вместе, а общая толщина устройства составляет примерно 1 нанометр — для сравнения, лист бумаги составляет около 100 000 нанометров.

В то время как большинству транзисторов требуется 60 милливольт для десятилетнего изменения тока, это новое устройство работает при 29 милливольтах.

Это возможно, потому что уникальные физические свойства графена удерживают электроны «холодными», когда они инжектируются из графена в канал MoS2. Этот процесс называется инжекцией источника Дирака. Электроны считаются «холодными», потому что они требуют гораздо меньшего входного напряжения и, следовательно, пониженного энергопотребления для работы транзистора.

По словам Ли, еще более важной характеристикой транзистора является его способность выдерживать большую плотность тока по сравнению с традиционными транзисторными технологиями, основанными на материалах каналов 2D или 3D.Как описано в исследовании, транзистор может выдерживать 4 микроампер на микрометр.

«Транзистор демонстрирует огромный потенциал 2D-полупроводников и их способность создавать энергоэффективные наноэлектронные устройства. В конечном итоге это может привести к прогрессу в квантовых исследованиях и разработках и поможет расширить закон Мура», — говорит со-ведущий автор Фэй Яо, доктор философии. , доцент кафедры дизайна материалов и инноваций, совместной программы SEAS и Колледжа искусств UB.

Работа была поддержана Национальным научным фондом США, Управлением энергетических исследований и разработок штата Нью-Йорк, Центром передового опыта в области информатики материалов при UB и вице-президентом по исследованиям и экономическому развитию UB.

История Источник:

Материалы предоставлены Университетом в Буффало . Оригинал написан Кори Нилоном. Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

История транзистора

---

Изобретение, изменившее мир

Жизнь не была бы прежней без транзистора, изобретенного чуть более семи десятилетий назад. Исследователи и историки считают его самым важным изобретением 20-го века, которое привело к революционным достижениям в вычислительной технике, коммуникациях, медицине и практически во всех технически связанных областях. Без него не было бы таких разработок, как персональный компьютер, мобильные телефоны, система GPS, кардиостимуляторы, слуховые аппараты и Интернет.

Все началось с программы фундаментальных исследований физики твердого тела Bell Telephone Laboratories в 1936 году, которая произвела замену вакуумной лампе в 1950-х годах и в конечном итоге дала нам интегральные схемы и микропроцессор. Он породил огромную полупроводниковую промышленность, приносящую продажи в сотни миллиардов долларов.

Однако за этой историей изобретения стоит история совместного гения, случайных неудач, столкновения эго и секретных исследований. В этой статье мы оглянемся на тот период, когда началось серьезное изучение твердотельных устройств.Мы рассмотрим вклад заинтересованных лиц и организаций, а также импульс, который привел к этому знаменательному изобретению. Мы также рассмотрим раннюю историю полупроводников, а также влияние электронных ламп на развитие транзисторов.

Мое увлечение электроникой началось в раннем возрасте, когда я получил от родителей стандартный набор радиотелеграфных сигналов.

---

Его металлический корпус, выкрашенный в синий цвет, имел белый код Морзе, простой ключ, лампочку, внутренний зуммер, и он работал на двух ячейках D.Какое-то время это было захватывающе, но мой интерес резко возрос, когда я решил сделать свой собственный радиоприемник на кристалле, подобный тому, что изображен на Рис.

РИСУНОК 1. Моя первая магнитола на кристалле. Он использовал кристалл галенита с кошачьим усом для обнаружения, самодельную катушку с ползунком для настройки и пару лишних наушников. В этой общей схеме не использовался настроечный конденсатор, а использовалась емкость антенны для формирования настроенной цепи с катушкой.Для приема требовались хорошая антенна и земля.

---

Это включало намотку катушки медной проволоки на старую картонную трубку и изготовление ползунка для настройки. Самым трудным было достать дорогие телефоны и кристаллы. Кристаллический детектор состоял из небольшого цилиндрического кусочка галенита, помещенного в непосредственной близости от подвижного рычага, который имел пружинный бронзовый провод, называемый кошачьим усом, который использовался для контакта с галенитом.

После того, как я собрал детали и подключил их к проволочной антенне и трубе с холодной водой, я прислушался к звуку.Там ничего не было! Я слышал, что вам нужно повозиться с кошачьим усом на мордочке галенита, чтобы найти «горячее» место.

После некоторых проб и ошибок внезапно в наушниках прорвался звук радиостанции. У меня радио заработало!

Я не знал, что работаю с одним из первых твердотельных устройств: предшественником точечного транзистора. Это было также мое первое знакомство с полупроводником: галенитом, первым в мире полупроводником. Кристалл галенита был ключевым компонентом моего радио.

Этот крошечный кристалл обладал, казалось бы, волшебной способностью изменять сложные электрические токи, исходящие от моей антенны, и действовать как полупроводник, чтобы изолировать звуковую часть передаваемых радиоволн.

Далее мы расскажем больше о кристаллах и точечных устройствах. Это увлекательная история об открытии и понимании полупроводников, а также о людях и компаниях, участвовавших в изобретении транзистора. Для начала давайте рассмотрим некоторые из ранних работ в области полупроводников.

Ранняя история полупроводников

Согласно историкам, первым ученым, использовавшим слово «полупроводники», был Алессандро Вольта в своем отчете Лондонскому королевскому обществу в 1782 году. Прикоснувшись заряженным электрометром (простым детектором заряда) к различным материалам, он обнаружил, что металлов вызвал немедленный разряд электрометра. С другой стороны, диэлектрики и вообще не вызывали разряда. Однако некоторые материалы, которые он назвал полупроводниками , вызвали разряд за короткое (но не нулевое) время.

Исследования в области полупроводников сначала продвигались крайне медленно, но в середине 19 века они ускорились. Большая часть ранних работ заключалась просто в регистрации физических свойств этих материалов. Их обычно характеризовали как материалы с удельным сопротивлением где-то между изоляторами и металлами.

Эти первые открытия были сделаны людьми, занимавшимися чистыми исследованиями, которые заявили о своих результатах, написав статьи в научных журналах. На этом этапе не было теоретической основы для наблюдений и не было предпринято никаких усилий для практического применения этих открытий.

В 1833 году Майкл Фарадей первым зарегистрировал эффект, связанный с поведением полупроводников, когда он обнаружил, что сульфид серебра (Ag ₂ S) — в отличие от металлов — имеет отрицательный температурный коэффициент. Вскоре после этого М. А. Розеншольд в 1835 году обнаружил асимметричную проводимость в твердых телах. Его работа была забыта, пока она не была повторно обнаружена немецким физиком Карлом Фердинандом Брауном в 1874 году (как мы обсудим позже).

В 1839 году Эдмон Беккерель открыл фотоэлектрический эффект, который объяснил, как из солнечного света можно производить электричество.В 19 лет, работая в лаборатории своего отца, он создал первый в мире фотоэлектрический элемент , наблюдая за напряжением, генерируемым на стыке между полупроводником и электролитом при освещении. Его основным назначением на протяжении многих лет было измерение света, а затем и солнечных батарей.

Спустя годы, в 1873 году, эффект фотопроводимости был впервые описан Уиллоуби Смитом, который заметил, что сопротивление элемента схемы, сделанного из кристаллического селена, уменьшалось под воздействием света.Когда такой фотопроводящий материал подключен как часть цепи, он действует как резистор, сопротивление которого зависит от интенсивности света. Сегодня такие устройства называют фоторезисторами. Много лет спустя эта работа привела к коммерческому использованию фотопроводящих ячеек в экспонометрах камеры.

Тайна, окружающая полупроводники, начала разгадываться в 1874 году, когда Фердинанд Браун заметил, что электрическое сопротивление в кристаллах сульфидов металлов изменяется в зависимости от направления тока. Сосредоточившись на галените, Браун обнаружил, что влияние тока было наибольшим, когда один из соединяющих электродов был заостренным проводом.Обнаружив так называемый «эффект точечного электрического выпрямителя», Браун также изобрел первое грубое полупроводниковое устройство.

К сожалению, открытие Брауна не имело практического применения до начала 1900-х годов, когда американский ученый Гринлиф Уиттиер Пикард (, рис. 2, ) узнал, что полупроводниковые кристаллы галенита могут обнаруживать радиосигналы. Эти знания привели непосредственно к разработке первых радиоприемников, известных как «наборы кристаллов». Эти простые устройства состояли из проволочной антенны, схемы настройки, состоящей из проволочных катушек, наушника и «детектора».”

РИСУНОК 2. Гринлиф Уиттиер Пикард был пионером в области радиосвязи и исследователем в США на заре развития беспроводной связи. Хотя он и не был одним из первых открывателей выпрямляющих свойств контакта между определенными твердыми материалами, он был в значительной степени ответственным и самым известным за разработку кристаллического детектора: самого раннего типа диодного детектора. Это был ключевой элемент во многих ранних радиоприемниках примерно до 1920 года, когда его заменили лампы.

---

Обнаружение полезной звуковой части воздушного микротока было достигнуто путем прикосновения к тонкому гибкому медному проводу (уместно называемому кошачьим усом) на поверхности кристалла галенита до тех пор, пока звуковой сигнал не стал самым громким.Этот кристаллический детектор был центральным компонентом ранних радиоприемников с 1906 по 1920 год. Это устройство, известное теперь как точечный диод, не имело никакого теоретического объяснения своей работы до 1930-х годов.

Хотя точечный кристаллический диод действовал как эффективный детектор (при условии, что производилась периодическая регулировка кошачьего уса), он не мог работать как усилительное устройство. В то время существовала вполне реальная потребность в устройстве, которое могло бы не только обнаруживать, но и усиливать слабые радиосигналы и работать без механической регулировки.

Ли де Форест ( Рис. 3 ) успешно удовлетворил эту потребность в 1906 году с изобретением термоэмиссионной триодной лампы. Во многом из-за его последующего успеха в качестве усилителя, работа в области твердотельных устройств не достигла большого прогресса ни теоретически, ни экспериментально в период примерно с 1910 по 1930 год.

РИСУНОК 3. Ли де Форест был изобретателем в Соединенных Штатах — самопровозглашенным «отцом радио» — и пионером в разработке записи звука на пленку, используемой для кинофильмов.У него было более 180 патентов, но он сделал бурную карьеру; хвастаясь, что он заработал (а затем проиграл) четыре состояния. Он также участвовал в нескольких крупных патентных исках и потратил большую часть своего дохода на оплату юридических услуг. Его самым известным изобретением в 1906 году была трехэлементная электронная лампа «аудион» (триод): первое практическое усилительное устройство. Хотя де Форест имел лишь ограниченное представление о том, как это работает, он стал основой электроники, сделав возможным радиовещание, междугородные телефонные линии и говорящие кинофильмы среди множества других приложений.

---

От ламп к твердому телу

До транзисторов большинство электронных устройств, таких как компьютеры и радио, основывались на электронных вакуумных лампах. Они состояли из электродов в вакуумированной лампочке, через которую можно было пропускать электрический ток и управлять им. Это позволило лампам работать как усилители и переключатели.

В 1904 году Джон Флеминг изобрел двухэлементную вакуумную лампу или диод . Изобретение Флеминга использовалось в ранних работах на радио в качестве выпрямителя.

В 1906 году де Форест изобрел трехэлементную лампу или триод , поместив металлическую решетку в середину лампы. Изменяя напряжение в сети, он мог управлять сильным током через трубку.

Это устройство стало образцом для более поздних электронных ламп. Это был один из самых важных прорывов в истории электроники, сделавший возможным усиление, модуляцию и переключение, заложивший основу для коммерческого радио, телевидения, высококачественного звука и разработки первых цифровых компьютеров.

Однако вакуумные лампы, также известные как клапаны, были далеки от совершенства. Они были большими, и нагретая металлическая нить накала, излучающая электроны, со временем перегорала. Их хрупкая стеклянная оболочка делала их легко бьющимися. Лампы требовали значительного количества энергии, поэтому они были очень горячими на ощупь. Со временем на их основе были построены компьютеры, но они были огромными и медленными.

На протяжении многих лет исследователи стремились заменить лампы твердотельными устройствами. Какой-то удивительный труд относительно неизвестного исследователя Олега Лосева, кажется, был забыт историей.Его захватывающая история требует пересказа.

Олег Лосев (или Лосев) был российским ученым, сделавшим значительные открытия в области полупроводниковых переходов в 1920-х годах. Он наблюдал световое излучение точечных переходов из карбида кремния, которые, по сути, были первым светоизлучающим диодом (LED). Он опубликовал свои результаты в 1927 году, предложив первую правильную модель светодиодов, основанную на новой теории квантовой механики. Он также разгадал еще одну загадку.

Рисунок 4. Олег Лосев был российским ученым и изобретателем, сделавшим значительные открытия в области полупроводниковых переходов. Он опубликовал 43 статьи и получил 16 советских патентов на свои открытия. Он был первым, кто наблюдал световое излучение карбидных точечных переходов (первый светодиод) и предложил первую правильную теорию их работы. Он также исследовал переходы с отрицательным сопротивлением и был первым, кто использовал их для твердотельных усилителей, генераторов и радиоприемников. До недавнего времени его достижения оставались незамеченными.

---

Было замечено, что когда напряжение смещения постоянного тока прикладывалось к усу кошки, чтобы повысить ее чувствительность в качестве детектора в кристаллическом радиоприемнике, он иногда переходил в спонтанные колебания, создавая переменный ток радиочастоты. Это был эффект отрицательного сопротивления, который был замечен в 1909 году Уильямом Экклсом и Гринлифом Пикардом, которые не обратили на него внимания.

В 1923 году Лосев начал изучение этих колеблющихся кристаллов. Он обнаружил, что смещенные кристаллы оксида цинка могут усиливать сигнал.Лосев был первым, кто использовал диоды с отрицательным сопротивлением, и понял, что они могут служить более простой альтернативой электронным лампам. Он использовал эти диоды для создания твердотельных версий усилителей, генераторов и регенеративных радиоприемников на частотах до 5 МГц. Это было за 25 лет до транзистора!

Хотя работа Лосева над светодиодами так и не была коммерциализирована, он добился большего успеха с диодами с отрицательным сопротивлением и радиоприемниками. Он построил более 50 радиоприемников, включающих свои необычные схемы.Радиоприемники и детекторы Лосева выставлялись в 20-е годы на многих европейских выставках радиотехники.

Хьюго Гернсбек, известный американский издатель и редактор, сенсационно одобрил работу Лосева. Гернсбэк придумал слово «кристадин», чтобы описать это, и написал большую статью в Radio News в 1924 году под названием « Сенсационное изобретение ». У него даже был кристадиновый радиоприемник, сконструированный в точном соответствии с требованиями Лосева.

Несмотря на энтузиазм Гернсбака, диоды с отрицательным сопротивлением никогда не оказывали влияния.Были проблемы с кристаллами кристадина, а лучшие кристаллы оксида цинка поступали из Соединенных Штатов, что было проблемой для сталинской России. Поскольку он не мог конкурировать с характеристиками современных ламп, кристадин в конечном итоге был оставлен без внимания. В 1957 году Лео Эсаки вновь открыл для себя это важное устройство, теперь известное как туннельный диод.

История Лосева — одна из , которые могли быть . Мир никогда не слышал о нем и знает только посторонних ученых как изобретателей твердотельной технологии, которую он когда-то использовал.Он имел несчастье родиться не в то время и в неподходящем месте.

В конце концов, он оказался в ловушке в Ленинграде, осажденном немцами в 1942 году. Сообщалось, что во время своей смерти он работал над трехконтактным полупроводниковым усилителем.

Ранние попытки транзисторов

Еще одна попытка заменить лампы твердотельными приборами Юлиус Лилиенфельд в 1926 году подал патент на «Метод и устройство для управления электрическими токами », в котором он предложил трехэлектродную структуру с использованием полупроводникового материала на основе сульфида меди.Это было устройство, которое полагалось на изменения электрического поля для управления формой и проводимостью канала в полупроводниковом материале.

Это тот же принцип, что и у современных полевых транзисторов — наиболее распространенных типов транзисторов. Однако неясно, производил ли Лилиенфельд когда-либо такой транзистор. Действительно, неизвестно, можно ли построить такой на основе описания его патента.

Позже, в 1935 году, Оскар Хайль из Берлинского университета (во время работы в Кембриджском университете) получил британский патент на предложенный полевой транзистор под названием « Усовершенствования электрических усилителей и других управляемых устройств и устройств или относящиеся к ним ».Это устройство состояло из тонкого слоя полупроводника, на котором устанавливалась разность потенциалов с помощью двух электродов с разными потенциалами, соединенных с каждой стороны.

Третий управляющий электрод (изолированный от полупроводника) затем будет использоваться для модуляции сопротивления полупроводникового слоя, тем самым управляя потоком тока во внешней цепи, подключенной между двумя электродами. Хотя патент был выдан, нет никаких записей, подтверждающих, что Heil действительно сконструировал работающие устройства.

Рост промышленной науки

Примерно в 1906 году перед Американской телефонной и телеграфной компанией (AT&T) нависла большая проблема. До сих пор компания росла и процветала благодаря изобретениям и патентам Александра Грэхема Белла. Однако на рубеже веков эти патенты заканчивались, и бизнес поглощали тысячи местных телефонных компаний. В отчаянии AT&T вывела из отставки своего бывшего президента Теодора Вейла, чтобы помочь ей бороться с конкуренцией.

Вскоре после этого, в 1907 году, решительный новый президент поручил AT&T построить трансконтинентальные телефонные линии в качестве ключевого усилия в достижении его цели по созданию универсального обслуживания. В этом обязательстве он считал, что его выдающиеся люди могут преодолеть любые технические проблемы. Однако было одно серьезное препятствие.

За пределами нескольких сотен миль слабые голосовые сигналы телефона затерялись в статике. Чтобы его мечта осуществилась, его компании крайне необходимы усилители (речевые репитеры), чтобы восстановить ослабленный сигнал.

Как мы уже говорили ранее, де Форест изобрел устройство на электронной лампе, которое можно было использовать в качестве усилителя. В 1912 году ученые и инженеры Western Electric Company (производственное подразделение AT&T) попросили де Фореста продемонстрировать свой аудион.

Audion.

---

Гарольд Арнольд, молодой физик, только что пришедший в AT&T из Чикагского университета, стал свидетелем демонстрации. К сожалению, с аудионом возникли проблемы.Он хорошо работал только при низких напряжениях, но не при более высоких напряжениях, необходимых для усиления телефонного тока. При более высоких напряжениях, он будет наполняться голубой дымки и перестают работать, пока ток не снизится.

Тем не менее, Арнольд был настроен оптимистично и был убежден, что сможет превратить аудит в речевой репитер. Для понимания и решения проблем была собрана рабочая группа ученых и инженеров. Именно благодаря использованию более высокого вакуума и нити с оксидным покрытием им удалось устранить проблемы и улучшить выход лампы.

Год спустя — с использованием термоэлектронной трубки Арнольда — был сделан успешный звонок из Нью-Йорка в Балтимор. Затем, в 1914 году, был сделан трансконтинентальный звонок на расстояние более 3400 миль от побережья до побережья.

Безусловный успех этой группы в разработке повторителей для дальней связи убедил менеджеров AT&T в том, что платить квалифицированным ученым за проведение исследований — это хороший бизнес.

После Первой мировой войны исследовательский отдел AT&T продолжал расширяться. В 1925 году она была зарегистрирована как отдельное предприятие под названием Bell Telephone Laboratories с более чем 3500 сотрудниками.Первым президентом Bell Labs был Фрэнк Джуитт, физик из Чикагского университета. Он выбрал Арнольда в качестве первого директора по исследованиям Белла.

Рисунок 5. Bell Telephone Laboratories в 1925 году. Это здание на Вест-стрит в Манхэттене. Изображение любезно предоставлено AT&T.

---

Bell Labs начинает исследования в области твердого тела

К 1930-м годам физики начали признавать важный класс веществ, называемых полупроводниками. Оксид меди и селен являются примерами.Они не являются электрическими проводниками, как металлы, в которых много свободных электронов для переноса тока. Это также не изоляторы, такие как стекло или керамика, которые имеют очень мало свободных электронов и имеют высокое электрическое сопротивление. Полупроводники находятся между этими двумя группами и обладают некоторыми особыми свойствами (как обсуждалось ранее), такими как отрицательный температурный коэффициент и чувствительность к свету.

Большой прорыв в понимании этих необычных материалов был сделан британским теоретиком Аланом Уилсоном, который опубликовал две статьи по теме The Theory of Electronic Semi-Conductors в 1931 году.Основываясь на этой работе, физики получили широкую квантово-механическую основу того, как электроны ведут себя в кристаллах. Теперь акцент сместился на объяснение поведения реальных материалов и возможности создания твердотельных устройств в той или иной форме.

В 1936 году Мервин Келли, ныне директор по исследованиям в Bell Labs, решил создать отдел по изучению физики твердого тела в надежде произвести замену вакуумной лампе из полупроводниковых материалов. Он привлек несколько человек: Уильяма Шокли, Рассела Ола, Джека Скаффа и других, чтобы они начали работать над твердотельными устройствами.

Рис. 6. Мервин Джо Келли был американским физиком и инженером из Bell Labs. Его дипломная работа с Р.А. Милликен из Чикагского университета высоко оценил редкость и важность первоклассных ученых и первоклассных исследований. Он провел раннюю и важную работу по электронным лампам, включая исследования, разработки и производство. Он был директором по исследованиям и, в конечном итоге, президентом Bell Labs в 1951 году. Он сформировал исследовательскую группу, которая разработала транзистор, во главе с Уильямом Шокли.Изображение любезно предоставлено AT&T.

---

Келли была уверена, что вакуумная лампа — не окончательный ответ. Он хотел устройство, которое было бы более надежным, а также меньшего размера и более эффективным. Однако, как только они начали работу, группа была распущена, когда разразилась Вторая мировая война, что приостановило исследования.

Однако небольшая группа в Bell Labs продолжила исследования твердого тела под руководством Радарной лаборатории Массачусетского технологического института по очистке полупроводникового материала для микроволнового детектора, используемого в радарах.Именно здесь Рассел Ол обнаружил первый P-N-переход, когда он случайно разрезал слиток кремния на границе между P- и N-областями.

Из необычного поведения тока, проходящего через образец, он и другие пришли к выводу, что это должно быть связано с «образованием некоторого барьера в кристалле», но в настоящее время они не пошли дальше. Подобные исследования во время войны привели к лучшему пониманию полупроводников, таких как кремний и германий.

Резюме послевоенных исследований в Bell Labs

После войны Келли был назначен вице-президентом по исследованиям.В 1945 году он немедленно организовал исследования, направленные на «разработку совершенно новых и улучшенных компонентов». Послевоенные исследования должны были проводиться в новой лаборатории на Мюррей-Хилл в Нью-Джерси, в которой не было шума и вибраций.

Уильям Шокли и физик-химик Стэнли Морган совместно возглавляли отдел физики твердого тела. Шокли быстро набрал в проект Уолтера Браттейна из Bell Lab, физика-экспериментатора, который мог построить что угодно. Затем он нанял физика-теоретика Джона Бардина из Университета Миннесоты.Затем он пополнил свою команду разнообразными физиками, химиками и инженерами, такими как Джон Пирсон, Берт Мур и Роберт Гибни.

Эта группа с самого начала приняла очень важное решение: простейшие полупроводники — это кремний и германий; и что их усилия будут направлены в первую очередь на их понимание. Они не стали бы тратить силы на более сложные материалы, такие как сульфид свинца и оксид меди.

Однажды Келли, Шокли и другие посетили Ола, чтобы обсудить его исследования кремния.Во-первых, Оль проинформировал их о P-N-переходах, фотоэлектрическом эффекте и методах очистки кремния для кристаллических детекторов. Затем он показал им радиоприемник, который он построил с использованием точечных детекторов, которые он назвал «Desisters».

Постоянный ток от батареи протекал через десистер, заставляя его усиливать сигнал. Как вспоминал Шокли, «Оль продемонстрировал, что усиленные радиопередачи можно слышать через небольшой громкоговоритель». К сожалению, нестабильности сделали усилитель неустойчивым и ненадежным.Шокли 30 лет спустя заметил, что «радиоприемник Ола действительно был захватывающей разработкой на твердотельном носителе».

Надо задаться вопросом, был ли Оль знаком с творчеством Лосева несколькими годами ранее. В самом деле, почему Лосев не упоминался и не упоминался ни в одной из последующих статей Bell Labs? Я оставлю это на усмотрение историков!

Весной 1945 года Шокли сконструировал первый полупроводниковый усилитель, который, как он надеялся, был основан на так называемом «полевом эффекте». Его устройство представляло собой небольшой цилиндр, тонко покрытый кремнием, установленный рядом с небольшой металлической пластиной.Он предсказал — основываясь на современных теориях германия и кремния — что, когда к пластине прикладывается напряжение, это вызывает увеличение или уменьшение количества носителей заряда в пленке, регулируя, таким образом, ток в ней. Однако несколько попыток изготовить это полевое устройство потерпели неудачу.

В октябре 1945 года Шокли попросил Бардина (который только что присоединился к группе) проверить сделанные им расчеты, чтобы объяснить неудачу его идеи о полевом эффекте. Две недели спустя Бардин, избрав другой теоретический путь, пришел к тому же выводу, что и Шокли.То, что никакого эффекта не наблюдалось, действительно было загадкой!

Бардин теперь подумал, что что-то препятствует проникновению электрического поля внутрь поверхности полупроводника. Он обсудил это с Шокли, который призвал его продолжить исследования.

Несколько месяцев спустя, в 1946 году, Бардин получил ответ, основанный на творческой модели «поверхностных состояний». В этой модели электроны, притянутые к поверхности полупроводника, оказываются захваченными в локализованных состояниях и не могут действовать как носители заряда. Эти состояния эффективно защищают полупроводник от напряжения управляющей пластины.Была ли эта теория реальной? Этот вопрос очень заинтересовал группу.

Изобретение точечного транзистора

В последующие месяцы группа Bell Labs отреагировала на идею Бардина о состоянии поверхности интенсивной исследовательской программой. Обладая широким спектром талантов, группа очень хорошо работала вместе. Браттейн описывает этот период в ярких выражениях, говоря, что в группе было много взаимопонимания.

Бардин тесно сотрудничал с Браттейном и Пирсоном. В ноябре 1947 года Браттейн сделал важное открытие, основанное на предположении Гибни.Он обнаружил, что может нейтрализовать влияние поверхностных состояний, погрузив кремний в электролит. «Это новое открытие было потрясающим», — заметил Шокли, добавив, что «наконец-то Браттейн и Гибни преодолели блокирующий эффект».

Это открытие положило начало работе, кульминацией которой месяц спустя стал первый транзистор.

Бардин и Браттейн провели серию экспериментов и попытались использовать это открытие для создания полевого усилителя. Одно странное предложение Бардина заключалось в замораживании тонкой пленки германия жидким азотом, чтобы «заморозить» поверхностные электроны на месте.Подав 500 вольт, они обнаружили изменение его проводимости только на одну десятую процента. Однако Бардин был убежден, что они видели эффект поля, предсказанный Шокли.

Они начали использовать точечный контакт, прижимаемый к специально подготовленной поверхности кремния с «инверсионным слоем» N-типа. Они использовали каплю электролита на поверхности в качестве одного контакта и металлическую точку в качестве другого. Они получили небольшое, но значительное усиление мощности, но очень плохую частотную характеристику.На встрече за обедом Бардин, Браттейн и Шокли обсудили, как решить эту проблему.

В попытке улучшить частотную характеристику Браттейн напыил золотую пластину на тонкий слой оксида на пластине германия с инверсионным слоем. Он думал, что оксид изолирует золото от германия, но, неизвестно ему, он каким-то образом был смыт, оставив золото в прямом контакте. Они были удивлены, обнаружив, что все еще могут регулировать напряжение и ток.

Это счастливое событие указывало им на другое направление.Бардин понял, что на границе между золотом и германием происходит новое и отличное от других явление.

Обсудив проблему, они решили, что нужно поставить два точечных контакта на поверхность вплотную друг к другу. Браттейн нашел способ сформировать узкий зазор без проводов, как показано на рис. 7 . Он использовал пластиковый клин с полоской золотой фольги, приклеенной по краю. Он разрезал фольгу бритвой, образуя очень тонкий зазор.

РИСУНОК 7. Первый контактный транзистор слева. Справа схематическое изображение. Изображение любезно предоставлено AT&T.

---

16 декабря 1947 года они протестировали новое устройство и получили 30-процентное усиление мощности и 15-процентное усиление напряжения при входном сигнале с частотой 1000 Гц. Так родился транзисторный усилитель! Неделю спустя, 23 декабря 1947 года, руководству Bell Labs продемонстрировали схему, воспроизводящую усиленную речь в наушниках.

От точечных контактов к переходному транзистору

В течение большей части этой работы Шокли был в коротком отпуске в Европе, но вернулся около Рождества и был огорчен, обнаружив, что не является частью изобретения.Спустя несколько недель у Шокли были смешанные эмоции.

Он был в восторге от результатов группы, но беспокоился о том, что не сыграл прямой роли в прорыве. Он также был расстроен тем, что его собственная идея полевого эффекта была упущена из виду, что, по его мнению, было решающей искрой, которая привела к изобретению.

Он был озадачен тем, что «принцип транзистора» тоже не был ясен. Например, невозможно объяснить усиление тока, немного превышающее единицу, и случайное поведение отрицательного сопротивления.Он был глубоко скептичен к объяснению Бардина того, как электроны и дырки текут в их полупроводнике. В любом случае изобретение подтолкнуло его к действию.

Вскоре после этого, во время собрания Физического общества в Чикаго в канун Нового года в 1947 году, он начал формулировать свой собственный уникальный подход к полупроводниковому усилителю. Три недели спустя, 23 января 1948 года, он задумал конструкцию с трехслойной полупроводниковой структурой. Не было громоздких точечных контактов. Вместо них служили два P-N перехода на интерфейсах.Он разработал процесс инжекции носителей в германий!

Его устройство было более прочным и практичным, чем точечный транзистор, и намного проще в изготовлении. Достижения Шокли поистине удивительны, поскольку теория переходного транзистора была разработана еще до ее создания.

Прошел еще месяц, прежде чем Шокли поделился с группой своей революционной идеей. Почему он держал информацию при себе? Нужно ли ему молчать, чтобы разобраться в теоретических и практических последствиях этого? Или была какая-то другая причина? Мы не знаем.

26 февраля 1948 года компания подала заявку на получение четырех патентов на полупроводниковые усилители, включая оригинальную заявку Бардина и Браттейна на точечный транзистор. Через день Белл подал заявку на патент Шокли на переходный транзистор. Именно Джон Пирс, объединив слова «транс-сопротивление», придумал название «транзистор».

30 июня 1948 года Белл объявил об изобретении точечного транзистора на пресс-конференции. В то время это изобретение не получило особого внимания ни в популярной прессе, ни в промышленности.

Рисунок 8. Первый переходный транзистор сверху. Ниже показано расположение стыков в германиевом стержне. Базовый слой имеет толщину от одного до двух милов. Изображение любезно предоставлено AT&T.

---

Компания Western Electric начала производство точечных транзисторов в 1951 году. Она использовалась в коммутационном аппарате, используемом для набора номера на большие расстояния. Однако на коммерческом рынке он не имел успеха, за исключением использования ниши в слуховых аппаратах и ​​военном оборудовании.

Со временем стало ясно, что теория точечного контакта, описанная в патентах Bell, была неполной. Именно Шокли с его работами по P-N-переходам и теории транзисторов положил физику твердого тела на прочный фундамент. Большая часть этого исследования обсуждается в его книге « Электроны и дырки в полупроводниках », опубликованной в 1950 году и ставшей библией твердого тела.

В конце 1949 года Тил в сотрудничестве со Спарксом и Морганом разработал метод извлечения монокристаллов из расплавленного германия.Это позволило им контролируемым образом легировать германий для изготовления первого практичного транзистора N-P-N. В день его демонстрации — 20 апреля 1950 года — Шокли написал в своем блокноте: «Сегодня был продемонстрирован блок N-P-N». Будущее теперь принадлежало переходному транзистору.

Эпилог

События 1948 года вызвали раскол в группе полупроводников Белла. Бардин и Браттейн со своим контактным устройством были с одной стороны, а Шокли и его помощники, работавшие над соединительным устройством, — с другой.Некогда кооперативная среда превратилась в высококонкурентную. Вопросы о том, чьи имена должны фигурировать в патенте на устройство и кого следует изображать на рекламных фотографиях, вызывают еще большее напряжение.

Бардин был недоволен ситуацией с Беллом и начал работать над другой загадкой: сверхпроводимостью. К сожалению, его исследования не увенчались успехом. В лаборатории было мало других, кто интересовался этой проблемой, и никаких экспериментальных работ не проводилось.

В конце концов, в 1951 году Бардин покинул Белл и поступил в Иллинойский университет, где продолжил работу над сверхпроводимостью.В 1957 году он написал основополагающую статью Теория сверхпроводимости , которая считается одним из важнейших достижений физики. Признавая его большое значение, Шведская академия присудила ему вторую Нобелевскую премию в 1972 году.

Браттейн остался в Bell Labs на несколько лет, занимаясь исследованиями и став послом доброй воли. После выхода на пенсию в 1967 году он перешел в Уитмен-колледж в Уолла-Уолла, штат Вашингтон. Там он провел остаток своей жизни в колледже, работая над биофизикой и преподавая курсы физики для студентов.

Шокли увидел потенциал в транзисторе. Он покинул Bell Labs в 1955 году и основал Shockley Semiconductor в Пало-Альто, Калифорния, наняв лучших инженеров и физиков. В конце концов, его сняли с должности директора другие менеджеры, которые устали владеть компанией, возглавляемой упорным физиком.

Рис. 9. Здесь слева показаны Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Браттейн из Bell Labs в 1948 году с устройством, которое привело к изобретению транзистора.Изображение любезно предоставлено AT&T.

---

Интересно отметить, что компания Шокли, а также инженеры и физики, которых он привез в Калифорнию, положили начало Кремниевой долине. После того, как Шокли покинул пост директора, он был схвачен Фредериком Терманом из Стэнфорда в качестве профессора инженерных и прикладных наук. Он также вернулся в Bell labs в качестве исполнительного консультанта.

10 декабря 1956 года Шокли, Бардин и Браттейн (в указанном порядке) были удостоены Нобелевской премии по физике за свои «» исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта.» После того, как они получили свои награды, той ночью в Гранд Отеле устроили празднование. За столом в столовой трое мужчин и их супруги, казалось, забыли о синяках и ранах прошлого посреди теплого сияния шампанского и славы момента.

Физические способности этих трех очень разных людей сделали возможным изобретение транзистора. Три изобретателя вряд ли могли знать результат, когда они сделали свое открытие в 1947 году: что они собираются изменить мир. NV

---

ССЫЛКИ

[1] Бо Лойек, «История полупроводниковой техники», Springer, 2007.

[2] П. Р. Моррис, «История мировой полупроводниковой промышленности», Институт инженерии и технологий, 2008 г.

[3] Майкл Риордан, Лилиан Ходдесон, «Кристальный огонь», W. W. Norton & Company, 1997.

---

.

No related posts.