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Storia dei transistor
Viene considerata una delle invenzioni significative del XX secolo invenzione di transistorche è venuto a sostituire le lampade elettroniche.
Per molto tempo, le lampade sono state l'unico componente attivo di tutti i dispositivi elettronici, sebbene presentassero molte carenze. Innanzitutto, si tratta di un grande consumo energetico, di grandi dimensioni, di breve durata e di bassa resistenza meccanica. Queste carenze sono state avvertite sempre più acutamente dal miglioramento e dalla sofisticazione delle apparecchiature elettroniche.
Una rivoluzione rivoluzionaria nell'ingegneria radio ebbe luogo quando lampade obsolete furono sostituite da dispositivi di amplificazione a semiconduttore - transistor, privi di tutti gli svantaggi citati.
Il primo transistor operabile è nato nel 1947, grazie all'impegno dei dipendenti della società americana Bell Telephone Laboratories. I loro nomi sono ora conosciuti in tutto il mondo. Questi sono scienziati: i fisici W. Shockley, D. Bardin e W. Brighten. Già nel 1956, a tutti e tre è stato assegnato il premio Nobel per la fisica per questa invenzione.
Ma, come molte grandi invenzioni, il transistor non fu immediatamente notato. Solo in uno dei giornali americani è stato menzionato che i Bell Telephone Laboratories hanno dimostrato il suo dispositivo chiamato transistor. È stato anche detto che può essere utilizzato in alcune aree dell'ingegneria elettrica invece dei tubi elettronici.
Il transistor mostrato aveva la forma di un piccolo cilindro di metallo lungo 13 mm ed è stato dimostrato in un ricevitore che non aveva tubi elettronici. Per tutto il resto, l'azienda ha affermato che il dispositivo può essere utilizzato non solo per l'amplificazione, ma anche per la generazione o la conversione di un segnale elettrico.
Fig. 1. Il primo transistor
Fig. 2. John Bardin, William Shockley e Walter Brattain. Per la collaborazione nello sviluppo del primo transistor operativo al mondo nel 1948, hanno condiviso il Premio Nobel del 1956.
Ma le capacità del transistor, come, anzi, di molte altre grandi scoperte, non furono immediatamente comprese e apprezzate. Per suscitare interesse nel nuovo dispositivo, Bell lo pubblicizzò con fermezza in seminari e articoli e concesse a tutti una licenza per fabbricarlo.
I produttori di lampade elettroniche non vedevano un serio concorrente nel transistor, perché era impossibile in una volta sola, scartare la storia trentennale della produzione di lampade di diverse centinaia di progetti e investimenti multimilionari nel loro sviluppo e produzione. Pertanto, il transistor è entrato nell'elettronica non così rapidamente, poiché l'era dei tubi elettronici era ancora in corso.
Fig. 3. Transistor e lampada elettronica
Primi passi per i semiconduttori
Sin dai tempi antichi, due tipi di materiali sono stati utilizzati principalmente nell'ingegneria elettrica: conduttori e dielettrici (isolanti). Metalli, soluzioni saline e alcuni gas hanno la capacità di condurre corrente. Questa capacità è dovuta alla presenza nei conduttori di portatori di carica gratuiti - elettroni. Nei conduttori, gli elettroni si staccano abbastanza facilmente dall'atomo, ma quei metalli che hanno una bassa resistenza (rame, alluminio, argento, oro) sono più adatti per il trasferimento di energia elettrica.
Gli isolanti includono sostanze ad alta resistenza, i loro elettroni sono strettamente legati all'atomo. Questi sono porcellana, vetro, gomma, ceramica, plastica. Pertanto, non ci sono cariche gratuite in queste sostanze, il che significa che non c'è neanche corrente elettrica.
È opportuno ricordare la formulazione dei libri di testo di fisica che la corrente elettrica è il movimento direzionale di particelle cariche elettricamente sotto l'influenza di un campo elettrico. Negli isolanti, non c'è semplicemente nulla da muovere sotto l'influenza di un campo elettrico.
Tuttavia, nel processo di studio dei fenomeni elettrici in vari materiali, alcuni ricercatori sono stati in grado di "sentire" gli effetti dei semiconduttori.Ad esempio, il primo rivelatore cristallino (diodo) fu creato nel 1874 dal fisico tedesco Karl Ferdinand Brown sulla base del contatto di piombo e pirite. (La pirite è una pirite di ferro; quando colpisce una sedia, viene emessa una scintilla, motivo per cui ha preso il nome dalla "festa" greca - fuoco). Successivamente, questo rivelatore ha sostituito con successo il coherer nei primi ricevitori, aumentando in modo significativo la loro sensibilità.
Nel 1907, Beddecker, studiando la conduttività del rame iodio, scoprì che la sua conduttività aumenta di 24 volte in presenza di un'impurità di iodio, sebbene lo iodio stesso non sia un conduttore. Ma tutte queste erano scoperte casuali a cui non si poteva dare una giustificazione scientifica. Uno studio sistematico sui semiconduttori è iniziato solo nel 1920 - 1930 anni.
Un grande contributo allo studio dei semiconduttori è stato fornito da uno scienziato sovietico nel famoso laboratorio radiofonico di Nižnij Novgorod O.V. Losev. È passato alla storia principalmente come inventore della cristadina (un oscillatore e un amplificatore basato su un diodo) e un LED. Vedi di più qui: Storia dei LED. Bagliore di Losev.
All'alba della produzione di transistor, il semiconduttore principale era il germanio (Ge). In termini di consumo energetico, è molto economico, la tensione per sbloccare la sua giunzione pn è solo 0,1 ... 0,3 V, ma molti parametri sono instabili, quindi il silicio (Si) è venuto a sostituirlo.
La temperatura alla quale sono utilizzabili i transistor al germanio non supera i 60 gradi, mentre i transistor al silicio possono continuare a funzionare a 150. Il silicio, come semiconduttore, supera il germanio in altre proprietà, principalmente in frequenza.
Inoltre, le riserve di silicio (sabbia ordinaria sulla spiaggia) in natura sono illimitate e la tecnologia per la pulizia e la lavorazione è più semplice ed economica rispetto al raro elemento naturale del germanio. Il primo transistor al silicio apparve poco dopo il primo transistor al germanio - nel 1954. Questo evento ha anche comportato un nuovo nome "età del silicio", da non confondere con la pietra!
Fig. 4. L'evoluzione dei transistor
Microprocessori e semiconduttori. Silicon Age Sunset
Hai mai pensato al perché recentemente quasi tutti i computer sono diventati multi-core? I termini dual-core o quad-core sono comuni a tutti. Il fatto è che l'aumento delle prestazioni del microprocessore aumentando la frequenza di clock e aumentando il numero di transistor in un unico pacchetto, per le strutture di silicio è quasi vicino al limite.
Un aumento del numero di semiconduttori in un alloggiamento si ottiene riducendo le loro dimensioni fisiche. Nel 2011, INTEL ha già sviluppato una tecnologia di processo a 32 nm in cui la lunghezza del canale del transistor è di soli 20 nm. Tuttavia, una tale riduzione non porta ad un notevole aumento della frequenza di clock, poiché era fino a 90 nm di tecnologia. È ovvio che è tempo di passare a qualcosa di fondamentalmente nuovo.
Fig. 5. Storia dei transistor
Grafene: il semiconduttore del futuro
Nel 2004, i fisici hanno scoperto un nuovo materiale semiconduttore. grafene. Questo importante candidato per la sostituzione del silicio è anche un materiale del gruppo carbonio. Sulla sua base, viene creato un transistor che opera in tre diverse modalità.
Fig. 6. Grafene
Fig. 7. Immagine di un transistor a grafene di campo ottenuto utilizzando un microscopio elettronico a scansione
Rispetto alle tecnologie esistenti, ciò consentirà di ridurre il numero di transistor in un caso esattamente di tre volte. Inoltre, secondo gli scienziati, le frequenze operative del nuovo materiale semiconduttore possono raggiungere fino a 1000 GHz. I parametri, ovviamente, sono molto allettanti, ma finora il nuovo semiconduttore è in fase di sviluppo e studio e il silicio è ancora un cavallo di battaglia. La sua età non è ancora finita.
Boris Aladyshkin
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