Najważniejszy półprzewodnikowy element

Najważniejszy półprzewodnikowy element Pixabay

Wynalezienie tranzystora jest porównywalne z wynalezieniem koła. Półprzewodnikowy element wprowadził rewolucję w elektronice, a przy okazji dał podwaliny dla komercjalizacji technologii cyfrowej. Dziś można je znaleźć w niemal każdym urządzeniu elektronicznym – czy to jako pojedynczy element, czy też jako miliardy wysoce zintegrowanych tranzystorów w układzie scalonym.

23 grudnia 1947 r. przyszli nobliści John Bardeen, William Shockley i Walter H. Brattain podarowali światu wyjątkowy prezent świąteczny – pierwszy działający tranzystor półprzewodnikowy.

Do jego prezentacji prowadziła jednak długa, wyboista droga. Wcześniej pojawiali się na niej również niemieccy i austriaccy fizycy, którzy także dostarczyli istotne informacje. Deklarowanym celem było opracowanie opartego na półprzewodnikach elementu z trzema wyprowadzeniami, który mógłby zastąpić delikatne lampy, powszechne stosowane wówczas jako wzmacniacze sygnałów elektrycznych. Z założenia niewielki sygnał, podany na wejście półprzewodnika, miał pojawić się na zaciskach wyjściowych z większą amplitudą.

Zasadą działania takiego elementu był tzw. efekt pola elektrycznego, za którego pomocą można modulować przewodzenie elektryczne materiałów półprzewodnikowych. W badaniach nad półprzewodnikami, które w tamtych czasach właściwie dopiero się rozpoczynały, zasadę działania zademonstrowano na prostych diodach. Fizyk Julius Edgar Lilienfeld zarejestrował w 1925 r. pierwszy patent na elementy tranzystoropodobne. Początkowo były to jedynie prace teoretyczne, bo nie dysponowano jeszcze niezbędnym materiałem półprzewodnikowym. Dopiero ponad dwie dekady później, jesienią 1947 r., naukowcy z AT&T Bell Telephone Laboratories dokonali przełomu.

Jednak wcześniej (w 1934 r.) fizyk Oskar Heil opatentował konstrukcję tranzystora polowego (field effect transistor – FET), a konkretnie półprzewodnikowego z izolowaną bramką. Niektórzy z najbystrzejszych umysłów tamtych czasów próbowali opracować techniczną koncepcję tranzystora. W 1945 r. wysiłki Herberta F. Mataré i Heinricha Welkera oraz równocześnie Williama Shockleya i Waltera H. Brattaina doprowadziły do powstania pierwszych prawdziwych tranzystorów polowych (junction field-effect transistor – JFET) ze złączem p-n (półprzewodniki domieszkowane dodatnio i ujemnie) oraz bramką jako elektrodą sterującą.

Wyścig między naukowcami z Niemiec i USA

Na początku lat 40. XX w., a więc w czasie II wojny światowej, również naukowcy z Niemiec i USA zaangażowali się w opracowanie półprzewodnika składającego się z dwóch złączy p-n, czyli późniejszego tranzystora bipolarnego. Mataré nazwał swój wynalazek diodą duo lub diodą z podwójną końcówką. Miała ona znaleźć zastosowanie w detektorze promieniowania fal radiowych – bardziej znanym jako radar Dooplera.

W międzyczasie amerykański zespół skupiony wokół Shockleya pracował nad tranzystorem ostrzowym. Oznaczenie nie odnosiło się do wykonania, ale do konstrukcji ze stykami w kształcie ostrza (stąd także określenie tranzystor punktowy). Konstrukcja nie była szczególną ucztą dla oczu: do akrylowego nośnika przymocowano niewielką płytkę germanową, na którą wciśnięto mały plastikowy trójkąt za pomocą wygiętego w sprężynkę spinacza, ze złotą folią przymocowaną do węższych boków. W ten sposób naukowcy zadbali, żeby złote styki były dociśnięte w określonej odległości i aby w znajdującym się pod nimi materiale półprzewodnikowym mogła powstać strefa przewodząca – zależnie od napięcia przyłożonego do płytki germanu. Płytka stanowiła bazę ówczesnego tranzystora, a złote styki odpowiadały za emiter i kolektor.

Dwa patenty

Ostatecznie naukowcom udało się zaprezentować działający półprzewodnik w grudniu 1947 r. w Bell Laboratories. Bardeen, Brattain i Shockley 27 czerwca 1948 r. złożyli wniosek o patent na swój „Three-Electrode Circuit Element Utilizing Semiconductive Materials” (Trójelektrodowy element obwodu wykorzystujący materiały półprzewodnikowe). Został on przyznany 3 października 1950 r. z numerem US2524035.

Zaledwie kilka miesięcy później, 13 sierpnia 1948 r., Mataré i Welker, pracujący wówczas w Paryżu, również zgłosili patent pod numerem FR1010427 na swoją wersję tranzystora bipolarnego pod oznaczeniem „Nouveau système cristallin à plusieurs électrodes réalisant des effects de relais électroniques” (Nowy system kryształów wieloelektrodowych dla elektronicznych układów przekaźnikowych). Dziewięć miesięcy później, 18 maja 1949 r., opracowanie to opublikowano jako „Transistron”. Ta nazwa się jednak nie przyjęła. Znacznie bardziej powszechny był fonetycznie podobny termin „Tranzystor” – połączenie słów „transfer“ (transfer) i „resistor” (opór), które wymyślił amerykański inżynier John Robinson Pierce w 1948 r.

Nawiasem mówiąc, historia o trzech wynalazcach nie skończyła się dobrze. Naukowcy mocno się pokłócili, ponieważ Brattain i Bardeen uznali wynalazek nowej technologii za własny. Z kolei Shockley uznał to za „zdradę” i przestał z nimi współpracować. Cała trójka spotkała się potem tylko jeden raz. Wspólnie w 1956 r. odebrali w Sztokholmie Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

Pierwszy tranzystor złączowy

Tranzystor bipolarny był zaledwie pierwszym krokiem w nowej erze elektroniki. Shockley założył własną firmę, w której wraz z dwoma nowymi współpracownikami (Gordonem Tealem i Morganem Sparksem) kontynuowali pracę nad dalszymi udoskonaleniami.

W 1951 r. udało im się wreszcie wyprodukować ulepszony tranzystor złączowy, który wzmacniał sygnał 100 000 razy i zajmował zaledwie 1/400 cala sześciennego. Natomiast subminiaturowa lampa próżniowa zajmowała ok. 1/8 cala sześciennego. Nowy tranzystor był bardziej wydajny od poprzedniego i zużywał znacznie mniej energii.

Teal, chemik z zawodu, w 1954 r. zastąpił podatny na zmiany temperatury german znacznie stabilniejszym funkcjonalnie krzemem. Dzięki temu tranzystory stały się jeszcze bardziej wytrzymałe i niezawodne. Wreszcie można było konstruować urządzenia takie jak radia tranzystorowe, które sprzedawały się jak ciepłe bułeczki. Po kilku latach dla lamp pozostały już tylko niszowe zastosowania, takie jak potężne stopnie wyjściowe w antenach czy wzmacniaczach audio.

Ojciec mikroprocesora

W 1958 r. Jack Kilby, inżynier elektryk, który właśnie dołączył do Texas Instruments, połączył kilka tranzystorów, diod i rezystorów w jednym kawałku germanu o wymiarach 1,6 × 11,1 mm. W ten sposób udało mu się zbudować pierwszy na świecie układ scalony. Był to przełomowy krok, który położył fundament pod dzisiejszą wysoką integrację półprzewodników w układach scalonych. Nie na darmo Kilby nazywany jest z tego powodu „ojcem mikroprocesora”.

Niemal w tym samym czasie Robert Noyce również zdołał zbudować układ scalony. Noyce przyjął w 1956 r. posadę w Beckman Instruments, gdzie pracował w laboratorium półprzewodników bezpośrednio pod kierownictwem wynalazcy tranzystora Williama Shockleya. Z powodu różnic zdań Noyce odszedł z laboratorium Shockleya w 1957 r. Wraz z nim z pracy zrezygnowało siedmiu innych naukowców: Victor Grinich, Gordon Moor, Eugene Kleiner, Julius Blank, Sheldon Roberts, Jean Hoerni i Jay Last.

„Zdradziecka ósemka” – zalążek imperium branży elektronicznej

Stali się znani jako „Zdradziecka ósemka”, która założyła późniejsze Fairchild Semiconductor. To w tej firmie w 1959 r. Noyce’owi udało się wyprodukować pierwszy monolityczny układ scalony umieszczony na płytce krzemowej. W lipcu 1968 r. Robert Noyce wraz z Gordonem Moore’em założyli firmę Intel. Jako pierwszego pracownika zatrudnili Andy’ego Grove’a.

Z dzisiejszej perspektywy trudno uwierzyć, że tranzystor nie miał na początku zbyt wielkiej przyszłości. W porównaniu z lampami elektronowymi pierwsze tranzystory bipolarne miały stosunkowo niskie częstotliwości przesyłania, a tym  samym ograniczony zakres transmisji – przez co początkowo nadawały się tylko do niektórych zastosowań.

Zmieniło się to jednak wraz ze stopniową optymalizacją podzespołów, a zalety – takie jak niskie zużycie energii i małe rozmiary – szybko przechyliły szalę na korzyść technologii półprzewodnikowej. Od lat 60. XX w. tranzystory zastąpiły lampy niemal wszędzie jako wzmacniacze sygnału.

Tranzystor

Półprzewodnikowy element o sterowanym przepływie ładunków elektrycznych. Odkrycie tranzystora zrewolucjonizowało całą branżę elektroniczną. Pierwsze tranzystory, które wyglądały dość prymitywnie, a z czasem zastąpiły energochłonne lampy elektronowe, obecnie dzięki miniaturyzacji znajdują zastosowanie w najbardziej skompilowanych układach.

Ze względu na zasadę działania tranzystory dzieli się na dwie grupy:

  • Tranzystory bipolarne (dwubiegunowe) – półprzewodniki, w których przenoszenie prądu odbywa się za pomocą ruchu nośników większościowych i mniejszościowych. Każdy tranzystor bipolarny składa się z dwóch złączy p-n położonych w jednym monokrysztale. Wyróżnia się dwa rodzaje tranzystorów: pnp oraz npn.
  • Tranzystory unipolarne (polowe) – przewodzenie prądu opiera się na nośnikach większościowych (elektronach lub dziurach). Tranzystory polowe dzielą się dwie grupy: tranzystory ze złączem p-n, zwane tranzystorami z warstwą zaporową lub tranzystorami złączowymi (FET, JFET, UNIFET), oraz tranzystory z bramką izolowaną (MOSFET, MOST, MOS, IGFET).
Źródło: Nixdorfmuseum, 2004, Stahlkocher, CC-BY-SA-3.0, Wikimedia Commons

Replika pierwszego tranzystora z 1947 r. W środku wyraźnie widać plastikowy trójkąt pokryty dwoma paskami złotej folii (emiter i kolektor). Za pomocą przerobionego spinacza do papieru są dociskane do znajdującego się poniżej podłoża germanowego. Napięcie przyłożone do podłoża (bazy) decyduje o powstaniu kanału przewodzącego w półprzewodniku.

Źródło: U.S. Patent and Trademark Office

Rysunki w patencie USA nr US2524035. Nazwa zgłoszonego patentu była niepraktycznie długa: „Trójelektrodowy element obwodu wykorzystujący materiały półprzewodnikowe”. Szybko przyjął się więc termin „Tranzystor” jako połączenie słów „transfer” i „rezystor”.

Autor: Michael Eckstein

O Autorze

Czasopismo elektrotechnik AUTOMATYK jest pismem skierowanym do osób zainteresowanych tematyką z zakresu elektrotechniki oraz automatyki przemysłowej. Redakcja online czasopisma porusza na stronie internetowej tematy związane z tymi obszarami – publikuje artykuły techniczne, nowości produktowe, a także inne ciekawe informacje mniej lub bardziej nawiązujące do wspomnianych obszarów.

Tagi artykułu

Zobacz również

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę