|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
HISTORIA TECHNOLOGII, TECHNOLOGII, OBIEKTÓW WOKÓŁ NAS
Tranzystor. Historia wynalazku i produkcji
Katalog / Historia technologii, technologii, przedmiotów wokół nas Tranzystor, trioda półprzewodnikowa, jest elementem elektronicznym wykonanym z materiału półprzewodnikowego, zwykle z trzema zaciskami, który umożliwia sygnałowi wejściowemu sterowanie prądem w obwodzie elektrycznym. Zwykle używany do wzmacniania, generowania i przekształcania sygnałów elektrycznych. W ogólnym przypadku tranzystor to dowolne urządzenie, które naśladuje główną właściwość tranzystora - zmianę sygnału między dwoma różnymi stanami, gdy zmienia się sygnał na elektrodzie sterującej.
Wynalezienie tranzystora pod koniec lat 40. było jednym z największych kamieni milowych w historii elektroniki. Lampy próżniowe, które do tej pory były przez długi czas niezbędnym i głównym elementem wszystkich urządzeń radiowych i elektronicznych, miały wiele wad. W miarę złożoności sprzętu radiowego i wzrostu ogólnych wymagań dla niego niedociągnięcia te były coraz bardziej odczuwalne. Należą do nich przede wszystkim kruchość mechaniczna lamp, ich krótka żywotność, duże gabaryty, niska sprawność ze względu na duże straty ciepła na anodzie. Dlatego, gdy w drugiej połowie XX wieku elementy półprzewodnikowe, które nie miały żadnej z wymienionych wad, zastąpiły lampy elektronowe, nastąpiła prawdziwa rewolucja w radiotechnice i elektronice. Trzeba powiedzieć, że półprzewodniki nie od razu ujawniły człowiekowi swoje niezwykłe właściwości. Przez długi czas w elektrotechnice używano tylko przewodników i dielektryków. Duża grupa materiałów, które zajmowały między sobą pozycję pośrednią, nie znalazła żadnego zastosowania, a tylko nieliczni badacze badający naturę elektryczności od czasu do czasu wykazywali zainteresowanie ich właściwościami elektrycznymi. Tak więc w 1874 roku Brown odkrył zjawisko prostowania prądu na styku ołowiu i pirytu i stworzył pierwszy detektor kryształów. Inni badacze stwierdzili, że zawarte w nich zanieczyszczenia mają znaczący wpływ na przewodnictwo półprzewodników. Na przykład Beddecker w 1907 r. stwierdził, że przewodność jodku miedzi wzrasta 24 razy w obecności domieszki jodu, który sam w sobie nie jest przewodnikiem. Co wyjaśnia właściwości półprzewodników i dlaczego stały się one tak ważne w elektronice? Weźmy taki typowy półprzewodnik jak german. W normalnych warunkach jego rezystywność jest 30 milionów razy większa niż miedzi i 1000000 XNUMX XNUMX milionów razy większa niż szkła. Dlatego pod względem właściwości nadal jest nieco bliższy przewodnikom niż dielektrykom. Jak wiadomo, zdolność substancji do przewodzenia lub nie przewodzenia prądu elektrycznego zależy od obecności lub nieobecności w niej wolnych naładowanych cząstek.
German nie jest pod tym względem wyjątkiem. Każdy z jego atomów jest czterowartościowy i musi tworzyć cztery wiązania elektronowe z sąsiednimi atomami. Jednak ze względu na efekt termiczny niektóre elektrony opuszczają swoje atomy i zaczynają swobodnie przemieszczać się między węzłami sieci krystalicznej. To około 2 elektrony na każde 10 miliardów atomów. Jeden gram germanu zawiera około 10 miliardów atomów, czyli około 2 miliardów wolnych elektronów. To milion razy mniej niż na przykład w miedzi lub srebrze, ale wciąż wystarcza, aby german przepuszczał przez siebie niewielki prąd.
Jednak, jak już wspomniano, przewodnictwo germanu można znacznie zwiększyć, wprowadzając do jego sieci zanieczyszczenia, na przykład pięciowartościowy atom arsenu lub antymonu. Wtedy cztery elektrony arsenu tworzą wiązania walencyjne z atomami germanu, ale piąty pozostanie wolny. Będzie on słabo związany z atomem, tak że wystarczy małe napięcie przyłożone do kryształu, aby się oderwał i zamienił w wolny elektron (oczywiste jest, że atomy arsenu stają się w tym przypadku jonami naładowanymi dodatnio). Wszystko to wyraźnie zmienia właściwości elektryczne germanu. Chociaż zawartość w nim zanieczyszczeń jest niewielka - tylko 1 atom na 10 milionów atomów germanu, to dzięki jego obecności liczba wolnych ujemnie naładowanych cząstek (elektronów) w krysztale germanu wzrasta wielokrotnie. Taki półprzewodnik jest zwykle nazywany półprzewodnikiem typu n (od ujemnego - ujemnego).
Inny obraz będzie w przypadku wprowadzenia do kryształu germanu trójwartościowego zanieczyszczenia (na przykład aluminium, galu lub indu). Każdy atom domieszki tworzy wiązania z zaledwie trzema atomami germanu, a w miejsce czwartego wiązania będzie wolna przestrzeń - dziura, którą z łatwością może wypełnić dowolny elektron (w tym przypadku atom domieszki jest zjonizowany ujemnie). Jeśli ten elektron przejdzie do zanieczyszczenia z sąsiedniego atomu germanu, to ten z kolei będzie miał dziurę. Przykładając napięcie do takiego kryształu, uzyskujemy efekt, który można nazwać „przemieszczeniem dziury”. Istotnie, niech od strony, gdzie znajduje się ujemny biegun źródła zewnętrznego, elektron wypełni otwór trójwartościowego atomu. Dlatego elektron przesunie się bliżej bieguna dodatniego, podczas gdy w sąsiednim atomie bliżej bieguna ujemnego utworzy się nowa dziura. Wtedy to samo zjawisko zachodzi z innym atomem. Z kolei nowa dziura zostanie wypełniona elektronem, zbliżając się w ten sposób do bieguna dodatniego, a utworzona w ten sposób dziura zbliży się do bieguna ujemnego. A gdy w wyniku takiego ruchu elektron dotrze do bieguna dodatniego, skąd trafi do źródła prądu, dziura dotrze do bieguna ujemnego, gdzie zostanie wypełniony elektronem pochodzącym ze źródła prądu. Dziura porusza się jak cząstka z ładunkiem dodatnim i możemy powiedzieć, że tutaj prąd elektryczny jest tworzony przez ładunki dodatnie. Taki półprzewodnik nazywany jest półprzewodnikiem typu p (od dodatniego - dodatniego). Samo zjawisko przewodnictwa domieszki nie ma jeszcze większego znaczenia, ale gdy dwa półprzewodniki są połączone - jeden z przewodnictwem n, a drugi z przewodnictwem p (na przykład, gdy na jednym krysztale germanu powstaje przewodność n). po stronie przewodności p, po drugiej -przewodnictwo) - zachodzą bardzo ciekawe zjawiska. Ujemnie zjonizowane atomy regionu p odpychają swobodne elektrony regionu n od przejścia, a dodatnio zjonizowane atomy regionu n odpychają dziurę regionu p od przejścia. Oznacza to, że skrzyżowanie pn zamieni się w rodzaj bariery między tymi dwoma obszarami. Dzięki temu kryształ uzyska wyraźną jednostronną przewodność: dla niektórych prądów będzie się zachowywał jak przewodnik, a dla innych - jak izolator. Rzeczywiście, jeśli do kryształu zostanie przyłożone napięcie większe niż napięcie „odcięcia” złącza pn i w taki sposób, że elektroda dodatnia jest połączona z obszarem p, a elektroda ujemna z obszarem n , wtedy w krysztale utworzonym przez zbliżające się do siebie elektrony i dziury popłynie prąd elektryczny. Jeśli potencjały źródła zewnętrznego zmienią się w odwrotny sposób, prąd ustanie (a raczej będzie bardzo nieznaczny) - w rezultacie nastąpi tylko wypływ elektronów i dziur z granicy między dwoma obszarami z czego potencjalna bariera między nimi wzrośnie. W tym przypadku kryształ półprzewodnikowy będzie się zachowywał dokładnie tak samo jak diodowa lampa próżniowa, dlatego urządzenia oparte na tej zasadzie nazywane są diodami półprzewodnikowymi. Podobnie jak diody lampowe mogą służyć jako detektory, czyli prostowniki prądu. Jeszcze ciekawsze zjawisko można zaobserwować, gdy w krysztale półprzewodnikowym powstaje nie jedno, a dwa złącza pn. Taki element półprzewodnikowy nazywa się tranzystorem. Jeden z jego zewnętrznych obszarów nazywa się emiterem, drugi nazywa się kolektorem, a środkowy obszar (który zwykle jest bardzo cienki) nazywa się podstawą. Jeśli przyłożymy napięcie do emitera i kolektora tranzystora, prąd nie popłynie, bez względu na to, jak odwrócimy polaryzację.
Ale jeśli stworzysz niewielką różnicę potencjałów między emiterem a podstawą, wówczas wolne elektrony z emitera, po pokonaniu złącza pn, wpadną do podstawy. A ponieważ podstawa jest bardzo cienka, tylko niewielka liczba tych elektronów wystarczy, aby wypełnić dziury znajdujące się w obszarze p. Dlatego większość z nich przejdzie do kolektora, pokonując barierę blokującą drugiego przejścia - w tranzystorze pojawi się prąd elektryczny. Zjawisko to jest tym bardziej niezwykłe, że prąd w obwodzie podstawy emitera jest zwykle dziesięć razy mniejszy niż prąd płynący w obwodzie emiter-kolektor. Widać z tego, że w swoim działaniu tranzystor można w pewnym sensie uznać za analogię lampy trójelektrodowej (chociaż procesy fizyczne w nich są zupełnie inne), a podstawa odgrywa tutaj rolę siatki umieszczonej między anodą a katodą. Podobnie jak w lampie, mała zmiana potencjału siatki powoduje dużą zmianę prądu anodowego, tak w tranzystorze małe zmiany w obwodzie bazy powodują dużą zmianę prądu kolektora. Tranzystor może więc służyć jako wzmacniacz i generator sygnału elektrycznego. Elementy półprzewodnikowe zaczęły stopniowo zastępować lampy elektronowe od początku lat 40-tych. Od 1940 r. punktowa dioda germanowa jest szeroko stosowana w urządzeniach radarowych. Radar w ogóle służył jako bodziec do szybkiego rozwoju elektroniki dla źródeł energii o dużej mocy o wysokiej częstotliwości. Wzrosło zainteresowanie falami decymetrowymi i centymetrowymi w tworzeniu urządzeń elektronicznych zdolnych do pracy w tych zakresach. Tymczasem lampy próżniowe stosowane w zakresie wysokich i ultrawysokich częstotliwości zachowywały się niezadowalająco, ponieważ ich własny szum znacznie ograniczał ich czułość. Zastosowanie punktowych diod germanowych na wejściach odbiorników radiowych pozwoliło na drastyczną redukcję szumów własnych, zwiększenie czułości i zasięgu wykrywania obiektów.
Jednak prawdziwa era półprzewodników rozpoczęła się po II wojnie światowej, kiedy wynaleziono tranzystor punktowy. Został stworzony po wielu eksperymentach w 1948 roku przez pracowników amerykańskiej firmy "Bell" Shockley, Bardeen and Brattain. Umieszczając dwa styki punktowe na krysztale germanu w niewielkiej odległości od siebie i stosując polaryzację w przód do jednego z nich i polaryzację wsteczną do drugiego, byli w stanie kontrolować prąd płynący przez drugi za pomocą prądu przepływającego przez pierwszy kontakt. Ten pierwszy tranzystor miał wzmocnienie około 100. Nowy wynalazek szybko się rozpowszechnił. Pierwsze tranzystory punktowe składały się z kryształu germanu o przewodnictwie n, który służył jako podstawa, na której spoczywały dwa cienkie brązowe punkty, umieszczone bardzo blisko siebie - w odległości kilku mikronów. Jeden z nich (najczęściej brąz berylowy) służył jako emiter, a drugi (wykonany z brązu fosforowego) służył jako kolektor. Podczas produkcji tranzystora przez końcówki przepuszczano prąd o natężeniu około jednego ampera. Stopił się german, podobnie jak czubki czubków. Miedź i zawarte w niej zanieczyszczenia przechodziły w german i tworzyły warstwy o przewodności dziurowej w bezpośrednim sąsiedztwie styków punktowych. Tranzystory te nie były niezawodne ze względu na niedoskonałość ich konstrukcji. Były niestabilne i nie mogły pracować przy dużych mocach. Ich koszt był świetny. Były jednak znacznie bardziej niezawodne niż lampy elektronowe, nie bały się wilgoci i zużywały setki razy mniej energii niż analogiczne lampy. Jednocześnie były niezwykle ekonomiczne, ponieważ wymagały do zasilania bardzo małego prądu rzędu 0,5-1 V i nie potrzebowały osobnego akumulatora. Ich sprawność sięgała 70%, podczas gdy lampa rzadko przekraczała 10%. Ponieważ tranzystory nie wymagały ogrzewania, zaczęły działać natychmiast po podaniu na nie napięcia. Ponadto miały bardzo niski poziom szumu własnego, dlatego sprzęt montowany na tranzystorach okazał się bardziej czuły.
Stopniowo nowe urządzenie było ulepszane. W 1952 pojawiły się pierwsze płaskie tranzystory germanowe domieszkowane. Ich produkcja była złożonym procesem technologicznym. Najpierw german został oczyszczony z zanieczyszczeń, a następnie powstał pojedynczy kryształ. (Zwykły kawałek germanu składa się z dużej liczby kryształów splatanych bezładnie; taka struktura materiału nie nadaje się do urządzeń półprzewodnikowych - tutaj potrzebna jest wyjątkowo regularna sieć krystaliczna, taka sama dla całego kawałka.) Do tego, roztopiono german i zanurzono w nim ziarno - mały kryształ z prawidłowo zorientowaną siatką. Obracając ziarno wokół osi, było ono powoli podnoszone. W rezultacie atomy wokół nasion ułożyły się w regularną sieć krystaliczną. Materiał półprzewodnikowy zestalił się i otoczył ziarno. Rezultatem był pręt monokryształowy. Jednocześnie do stopu dodano zanieczyszczenie typu p lub n. Następnie monokryształ pocięto na małe płytki, które służyły jako baza. Emiter i kolektor zostały stworzone na różne sposoby. Najprostszą metodą było umieszczenie małych kawałków indu po obu stronach płyty germanowej i szybkie podgrzanie ich do 600 stopni. W tej temperaturze ind stopił się z germanem pod spodem. Po ochłodzeniu regiony nasycone indem uzyskały przewodnictwo typu p. Następnie umieszczono kryształ w obudowie i podłączono przewody. W 1955 roku firma Bell System stworzyła dyfuzyjny tranzystor germanowy. Metoda dyfuzyjna polegała na tym, że płytki półprzewodnikowe umieszczano w atmosferze gazu zawierającego parę zanieczyszczeń, która miała tworzyć emiter i kolektor, a płytki ogrzewano do temperatury zbliżonej do temperatury topnienia. W tym przypadku do półprzewodnika stopniowo przenikały atomy zanieczyszczeń. Autor: Ryzhov K.V.
▪ Tomograf
Hałas drogowy opóźnia rozwój piskląt
06.05.2024 Bezprzewodowy głośnik Samsung Music Frame HW-LS60D
06.05.2024 Nowy sposób kontrolowania i manipulowania sygnałami optycznymi
05.05.2024
▪ Zapomnienie może zależeć od pory dnia ▪ Grafen gnieciony na sztuczne mięśnie ▪ Rozwiązał główny problem uprawy roślin w kosmosie ▪ Mikroroboty do naprawy instalacji podziemnych
▪ część witryny Firmware. Wybór artykułu ▪ artykuł Być Cezarem albo niczym. Popularne wyrażenie ▪ artykuł Jak Ernest Rutherford sklasyfikował nauki? Szczegółowa odpowiedź ▪ artykuł Nawet Ichthyander to zaakceptuje. Transport osobisty ▪ artykuł Przełącznik girlanda z miękkim startem. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki ▪ artykuł Q-focus. Sekret ostrości
Strona główna | biblioteka | Artykuły | Mapa stony | Recenzje witryn
www.diagram.com.ua |
Polecamy ciekawe artykuły Sekcja 
Zobacz inne artykuły Sekcja 
Najnowsze wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika:
Wszystkie języki tej strony