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TECHNOLOGIEGESCHICHTE, TECHNOLOGIE, OBJEKTE UM UNS
Transistor. Geschichte der Erfindung und Produktion
Verzeichnis / Die Geschichte der Technik, Technik, Objekte um uns herum Transistor, Halbleitertriode – eine radioelektronische Komponente aus Halbleitermaterial, normalerweise mit drei Anschlüssen, die es einem Eingangssignal ermöglicht, den Strom in einem Stromkreis zu steuern. Wird typischerweise zum Verstärken, Erzeugen und Umwandeln elektrischer Signale verwendet. Im Allgemeinen ist ein Transistor jedes Gerät, das die Haupteigenschaft eines Transistors simuliert – das Ändern des Signals zwischen zwei verschiedenen Zuständen, wenn sich das Signal an der Steuerelektrode ändert.
Die Erfindung des Transistors Ende der 40er Jahre war einer der größten Meilensteine in der Geschichte der Elektronik. Vakuumröhren, die bis dahin lange Zeit ein unverzichtbarer und wesentlicher Bestandteil aller Funk- und Elektronikgeräte waren, hatten viele Mängel. Mit der Komplexität von Funkgeräten und der Zunahme der allgemeinen Anforderungen daran wurden diese Mängel immer deutlicher spürbar. Dazu gehören zunächst die mechanische Zerbrechlichkeit der Lampen, ihre kurze Lebensdauer, große Abmessungen und ein geringer Wirkungsgrad durch große Wärmeverluste an der Anode. Als also in der zweiten Hälfte des XNUMX. Jahrhunderts Halbleiterelemente, die keinen der aufgeführten Mängel aufwiesen, die Vakuumröhren ersetzten, fand in der Funktechnik und Elektronik eine echte Revolution statt. Es muss gesagt werden, dass Halbleiter dem Menschen ihre bemerkenswerten Eigenschaften nicht sofort offenbarten. Lange Zeit wurden in der Elektrotechnik nur Leiter und Dielektrika verwendet. Eine große Gruppe von Materialien, die eine Zwischenstellung zwischen ihnen einnahmen, fanden keine Anwendung, und nur wenige Forscher, die sich mit der Natur der Elektrizität befassten, interessierten sich von Zeit zu Zeit für ihre elektrischen Eigenschaften. So entdeckte Brown 1874 das Phänomen der Stromgleichrichtung am Kontaktpunkt zwischen Blei und Pyrit und schuf den ersten Kristalldetektor. Andere Forscher haben herausgefunden, dass die darin enthaltenen Verunreinigungen einen erheblichen Einfluss auf die Leitfähigkeit von Halbleitern haben. Zum Beispiel fand Beddecker 1907 heraus, dass die Leitfähigkeit von Kupferjodid in Gegenwart einer Beimischung von Jod, das an sich kein Leiter ist, um das 24-fache ansteigt. Was erklärt die Eigenschaften von Halbleitern und warum sind sie in der Elektronik so wichtig geworden? Nehmen wir einen so typischen Halbleiter wie Germanium. Unter normalen Bedingungen hat es einen 30-Millionen-fachen spezifischen Widerstand von Kupfer und 1000000-Millionen-fachen von Glas. Daher steht es in seinen Eigenschaften noch etwas näher an Leitern als an Dielektrika. Wie Sie wissen, hängt die Fähigkeit einer Substanz, elektrischen Strom zu leiten oder nicht, von der Anwesenheit oder Abwesenheit freier geladener Teilchen in ihr ab.
Germanium ist in diesem Sinne keine Ausnahme. Jedes seiner Atome ist vierwertig und muss mit Nachbaratomen vier elektronische Bindungen eingehen. Aber aufgrund thermischer Einwirkung verlassen einige der Elektronen ihre Atome und beginnen sich frei zwischen den Knoten des Kristallgitters zu bewegen. Das sind etwa 2 Elektronen auf 10 Milliarden Atome. Ein Gramm Germanium enthält etwa 10 Milliarden Atome, das heißt, es hat etwa 2 Milliarden freie Elektronen. Das ist millionenfach weniger als beispielsweise in Kupfer oder Silber, aber immer noch genug, damit Germanium einen kleinen Strom durch sich selbst leiten kann.
Wie bereits erwähnt, kann die Leitfähigkeit von Germanium jedoch erheblich erhöht werden, indem Verunreinigungen in sein Gitter eingeführt werden, beispielsweise ein fünfwertiges Atom von Arsen oder Antimon. Dann bilden vier Arsenelektronen Valenzbindungen mit Germaniumatomen, aber das fünfte bleibt frei. Es wird schwach an das Atom gebunden, so dass eine kleine an den Kristall angelegte Spannung ausreicht, um es abzubrechen und sich in ein freies Elektron umzuwandeln (es ist klar, dass Arsenatome in diesem Fall zu positiv geladenen Ionen werden). All dies verändert die elektrischen Eigenschaften von Germanium merklich. Obwohl der Gehalt an Verunreinigungen darin gering ist - nur 1 Atom pro 10 Millionen Germaniumatome - steigt die Anzahl freier negativ geladener Teilchen (Elektronen) in einem Germaniumkristall aufgrund seiner Anwesenheit um ein Vielfaches. Ein solcher Halbleiter wird normalerweise als Halbleiter vom n-Typ bezeichnet (von negativ - negativ).
Ein anderes Bild ergibt sich in dem Fall, wenn eine dreiwertige Verunreinigung (z. B. Aluminium, Gallium oder Indium) in den Germaniumkristall eingeführt wird. Jedes Fremdatom bildet Bindungen mit nur drei Germaniumatomen, und anstelle der vierten Bindung entsteht ein freier Raum - ein Loch, das leicht von jedem Elektron gefüllt werden kann (in diesem Fall wird das Fremdatom negativ ionisiert). Geht dieses Elektron auf eine Verunreinigung eines benachbarten Germaniumatoms über, so hat dieses wiederum ein Loch. Indem wir an einen solchen Kristall eine Spannung anlegen, erhalten wir einen Effekt, der als "Lochverschiebung" bezeichnet werden kann. Tatsächlich wird das Elektron von der Seite, auf der sich der negative Pol der externen Quelle befindet, das Loch des dreiwertigen Atoms füllen. Daher bewegt sich das Elektron näher zum Pluspol, während ein neues Loch im Nachbaratom näher am Minuspol gebildet wird. Dann tritt das gleiche Phänomen bei einem anderen Atom auf. Das neue Loch wiederum wird mit einem Elektron gefüllt und nähert sich so dem Pluspol, und das so gebildete Loch nähert sich dem Minuspol. Und wenn das Elektron als Ergebnis einer solchen Bewegung den positiven Pol erreicht, von wo es zur Stromquelle geht, erreicht das Loch den negativen Pol, wo es mit einem Elektron gefüllt wird, das von der Stromquelle kommt. Das Loch bewegt sich wie ein Teilchen mit positiver Ladung, und wir können sagen, dass hier der elektrische Strom durch positive Ladungen erzeugt wird. Ein solcher Halbleiter wird als Halbleiter vom p-Typ bezeichnet (von positiv - positiv). An sich ist das Phänomen der Fremdstoffleitfähigkeit noch nicht von großer Bedeutung, aber wenn zwei Halbleiter verbunden werden - einer mit n-Leitfähigkeit und der andere mit p-Leitfähigkeit (z Seite und p-Leitfähigkeit auf der anderen -Leitfähigkeit) - treten sehr merkwürdige Phänomene auf. Negativ ionisierte Atome des p-Bereichs stoßen die freien Elektronen des n-Bereichs vom Übergang ab, und positiv ionisierte Atome des n-Bereichs stoßen das Loch des p-Bereichs vom Übergang ab. Das heißt, der pn-Übergang wird zu einer Art Barriere zwischen den beiden Bereichen. Dadurch erhält der Kristall eine ausgeprägte einseitige Leitfähigkeit: Für einige Ströme verhält er sich wie ein Leiter und für andere wie ein Isolator. In der Tat, wenn eine Spannung größer als die "Sperr"-Spannung des pn-Übergangs an den Kristall angelegt wird, und zwar so, dass die positive Elektrode mit dem p-Bereich und die negative Elektrode mit dem n-Bereich verbunden ist , dann fließt ein elektrischer Strom in dem Kristall, der aus Elektronen und Löchern besteht, die sich aufeinander zu bewegen. Wenn die Potentiale der externen Quelle auf die entgegengesetzte Weise geändert werden, wird der Strom gestoppt (oder vielmehr sehr unbedeutend) - als Ergebnis kommt es nur zu einem Abfluss von Elektronen und Löchern von der Grenze zwischen den beiden Bereichen von denen die Potentialbarriere zwischen ihnen steigen wird. In diesem Fall verhält sich der Halbleiterkristall genauso wie eine Dioden-Vakuumröhre, daher werden Geräte, die auf diesem Prinzip basieren, Halbleiterdioden genannt. Sie können wie Röhrendioden als Detektoren, also Stromgleichrichter, dienen. Ein noch interessanteres Phänomen kann beobachtet werden, wenn in einem Halbleiterkristall nicht ein, sondern zwei pn-Übergänge gebildet werden. Ein solches Halbleiterelement wird Transistor genannt. Einer seiner äußeren Bereiche wird als Emitter bezeichnet, der andere als Kollektor, und der mittlere Bereich (der normalerweise sehr dünn ausgeführt wird) wird als Basis bezeichnet. Wenn wir an Emitter und Kollektor des Transistors Spannung anlegen, fließt kein Strom, egal wie wir die Polarität umkehren.
Wenn Sie jedoch eine kleine Potentialdifferenz zwischen Emitter und Basis erzeugen, fallen die freien Elektronen vom Emitter nach Überwindung des pn-Übergangs in die Basis. Und da die Basis sehr dünn ist, reicht nur eine kleine Anzahl dieser Elektronen aus, um die Löcher im p-Gebiet zu füllen. Daher gelangen die meisten von ihnen in den Kollektor und überwinden die Verriegelungsbarriere des zweiten Übergangs - im Transistor tritt ein elektrischer Strom auf. Dieses Phänomen ist umso bemerkenswerter, als der Strom in der Emitter-Basis-Schaltung normalerweise zehnmal kleiner ist als der, der in der Emitter-Kollektor-Schaltung fließt. Daraus ist ersichtlich, dass der Transistor in seiner Wirkung in gewissem Sinne als Analogon einer Drei-Elektroden-Lampe betrachtet werden kann (obwohl die physikalischen Prozesse in ihnen völlig anders sind), und die Basis spielt hier die Rolle eines Gitters, das zwischen Anode und Kathode angeordnet ist. So wie bei einer Lampe eine kleine Änderung des Gitterpotentials eine große Änderung des Anodenstroms bewirkt, bewirken bei einem Transistor kleine Änderungen der Basisschaltung eine große Änderung des Kollektorstroms. Daher kann der Transistor als Verstärker und elektrischer Signalgenerator verwendet werden. Ab Anfang der 40er Jahre begannen Halbleiterelemente, Vakuumröhren allmählich zu ersetzen. Seit 1940 wird in Radargeräten häufig eine Punktgermaniumdiode verwendet. Radar im Allgemeinen diente als Stimulus für die rasante Entwicklung der Elektronik für Hochleistungsquellen hochfrequenter Energie. Bei der Entwicklung elektronischer Geräte, die in diesen Bereichen arbeiten können, wurde ein zunehmendes Interesse an Dezimeter- und Zentimeterwellen gezeigt. Unterdessen verhielten sich Vakuumröhren im Bereich hoher und ultrahoher Frequenzen unbefriedigend, da ihr Eigenrauschen ihre Empfindlichkeit erheblich einschränkte. Die Verwendung von Punkt-Germanium-Dioden an den Eingängen von Funkempfängern ermöglichte es, das Eigenrauschen drastisch zu reduzieren, die Empfindlichkeit und den Erfassungsbereich von Objekten zu erhöhen.
Die eigentliche Ära der Halbleiter begann jedoch nach dem Zweiten Weltkrieg, als der Punkttransistor erfunden wurde. Es wurde nach vielen Experimenten im Jahr 1948 von Mitarbeitern der amerikanischen Firma "Bell" Shockley, Bardeen und Brattain geschaffen. Indem sie zwei Punktkontakte auf einem Germaniumkristall in geringem Abstand voneinander platzierten und an einen von ihnen eine Vorwärtsspannung und an den anderen eine Rückwärtsspannung anlegten, konnten sie den Strom durch den zweiten mithilfe des durchfließenden Stroms steuern erster Kontakt. Dieser erste Transistor hatte eine Verstärkung von etwa 100. Die neue Erfindung fand schnell weite Verbreitung. Die ersten Punkttransistoren bestanden aus einem Germaniumkristall mit n-Leitfähigkeit, der als Basis diente, auf dem zwei dünne Bronzepunkte auflagen, die sich sehr nahe beieinander befanden - in einem Abstand von mehreren Mikrometern. Einer von ihnen (normalerweise Berylliumbronze) diente als Emitter und der andere (aus Phosphorbronze) als Kollektor. Bei der Herstellung des Transistors wurde ein Strom von etwa einem Ampere durch die Spitzen geleitet. Das Germanium schmolz ebenso wie die Spitzen der Spitzen. Kupfer und die darin enthaltenen Verunreinigungen gingen in Germanium über und bildeten in unmittelbarer Nähe der Punktkontakte lochleitende Schichten. Diese Transistoren waren aufgrund der Unvollkommenheit ihres Designs nicht zuverlässig. Sie waren instabil und konnten nicht bei hohen Leistungen arbeiten. Ihre Kosten waren groß. Sie waren jedoch viel zuverlässiger als Vakuumröhren, hatten keine Angst vor Feuchtigkeit und verbrauchten hundertmal weniger Strom als analoge Vakuumröhren. Gleichzeitig waren sie äußerst wirtschaftlich, da sie für ihre Stromversorgung einen sehr geringen Strom in der Größenordnung von 0,5-1 V benötigten und keine separate Batterie benötigten. Ihr Wirkungsgrad erreichte 70 %, während die Lampe selten 10 % überschritt. Da die Transistoren nicht erhitzt werden mussten, begannen sie sofort nach dem Anlegen einer Spannung zu arbeiten. Außerdem hatten sie ein sehr geringes Eigenrauschen, weshalb sich die auf Transistoren aufgebauten Geräte als empfindlicher herausstellten.
Nach und nach wurde das neue Gerät verbessert. 1952 erschienen die ersten planaren dotierten Germaniumtransistoren. Ihre Herstellung war ein komplexer technologischer Prozess. Zuerst wurde Germanium von Verunreinigungen gereinigt und dann wurde ein Einkristall gebildet. (Ein gewöhnliches Stück Germanium besteht aus einer großen Anzahl von Kristallen, die ungeordnet gespleißt sind; eine solche Materialstruktur ist für Halbleiterbauelemente nicht geeignet - hier wird ein außergewöhnlich regelmäßiges Kristallgitter benötigt, das für das gesamte Stück gleich ist.) Germanium wurde geschmolzen und ein Samen wurde hineingelassen - ein kleiner Kristall mit einem korrekt ausgerichteten Gitter. Der Samen wurde um die Achse gedreht und langsam angehoben. Dadurch ordneten sich die Atome rund um den Keim in einem regelmäßigen Kristallgitter an. Das Halbleitermaterial verfestigte sich und umhüllte den Keim. Das Ergebnis war ein Einkristallstab. Gleichzeitig wurde der Schmelze eine Verunreinigung vom p- oder n-Typ zugesetzt. Dann wurde der Einkristall in kleine Plättchen geschnitten, die als Basis dienten. Der Emitter und der Kollektor wurden auf verschiedene Weise hergestellt. Die einfachste Methode bestand darin, kleine Indiumstücke auf beiden Seiten der Germaniumplatte zu platzieren und sie schnell auf 600 Grad zu erhitzen. Bei dieser Temperatur verschmolz das Indium mit dem darunter liegenden Germanium. Beim Abkühlen erlangten die mit Indium gesättigten Bereiche p-Leitfähigkeit. Dann wurde der Kristall in das Gehäuse gelegt und die Zuleitungen befestigt. 1955 schuf die Firma Bell System einen Diffusions-Germanium-Transistor. Das Diffusionsverfahren bestand darin, dass Halbleiterplatten in eine Gasatmosphäre mit Verunreinigungsdampf gebracht wurden, der Emitter und Kollektor bilden sollte, und die Platten auf eine Temperatur nahe dem Schmelzpunkt erhitzt wurden. In diesem Fall drangen Fremdatome allmählich in den Halbleiter ein. Autor: Ryzhov K.V.
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