Транзистор представляет собой полупроводниковый элемент, который может управлять большим током или напряжением с помощью малого сигнала. Транзистор является основой современной электроники и микроэлектроники, так как позволяет создавать усилители, генераторы, коммутаторы и интегральные схемы.

Сегодня мы погрузимся в историю появления и развития этого уникального изобретения человеческой мысли.

Были ли у транзистора предшественники?

Первые устройства, которые могли усиливать или переключать электрические сигналы, были электронными лампами, изобретенными в конце 19 — начале 20 века. Однако лампы имели ряд недостатков, таких как большие размеры, высокое энергопотребление, низкая надежность и короткий срок службы. Поэтому ученые искали способы создать более компактные и долговечные устройства на основе полупроводников.

Полупроводники — это материалы, которые могут менять свою проводимость в зависимости от температуры, освещения, приложенного напряжения или магнитного поля. Первые полупроводниковые детекторы были изобретены в начале 20 века для приема радиосигналов. Одним из таких детекторов был кристаллический детектор Пикарда, запатентованный в 1906 году.

В 1910 году Уильям Икклз обнаружил, что кристаллические детекторы могут демонстрировать отрицательное дифференциальное сопротивление и потому могут быть использованы для генерации и усиления сигналов. В 1922 году Олег Лосев доказал возможность усиления и генерации электрических колебаний на кристаллическом детекторе при подаче на него постоянного напряжения (кристадинный эффект).

Однако для создания транзистора необходимо было не только использовать полупроводниковый материал, но и создать в нем специальную структуру — p-n-переход. P-n-переход — это граница между двумя областями полупроводника разного типа проводимости: p-типа (с избытком дырок) и n-типа (с избытком электронов). P-n-переход обладает свойством выпрямления тока, то есть пропускает ток только в одном направлении. P-n-переход был открыт в 1939 году Расселом Олом и Эдвардом Шокли.

Как появился первый транзистор?

Первый работоспособный транзистор был изобретен в 1947 году в лаборатории Bell Telephone Laboratories в США. Его создателями стали Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли. Они использовали германиевый кристалл с двумя p-n-переходами, образующими три области: эмиттер, базу и коллектор. Этот тип транзистора называется биполярным, так как в нем участвуют оба типа носителей заряда: электроны и дырки.

Транзистор работал за счет взаимодействия двух близко расположенных p-n-переходов и управлялся изменением тока через база-эмиттерный переход. Первый транзистор имел точечную структуру, то есть контакты с кристаллом осуществлялись с помощью металлических игл.

В 1956 году за исследования транзисторного эффекта Бардин, Браттейн и Шокли получили Нобелевскую премию по физике. Транзистор стал одним из самых значительных изобретений 20 века, которое открыло новую эру в развитии электроники.

Как развивалась технология транзистора?

После изобретения транзистора начался процесс его усовершенствования и разнообразия. Транзисторы стали меньше, быстрее, мощнее и дешевле. Они также стали использовать разные материалы, структуры и принципы работы. Существует несколько основных типов транзисторов:

• Плоскостной транзистор — это транзистор, в котором контакты с кристаллом осуществляются с помощью металлических пленок, нанесенных на поверхность кристалла. Плоскостной транзистор был изобретен в 1950 году Уильямом Шокли и его коллегами. Он позволил уменьшить размеры и повысить надежность транзисторов, а также сделал возможным создание монолитных интегральных схем.
• Кремниевый транзистор — это транзистор, в котором используется кремний в качестве полупроводникового материала. Кремниевый транзистор был изобретен в 1954 году компанией Texas Instruments. Он позволил увеличить рабочую частоту, уменьшить потребление энергии и повысить стабильность транзисторов, а также расширил область их применения.
• Полевой транзистор — это транзистор, в котором используется полупроводник только одного типа проводимости, расположенный в виде тонкого канала, на который воздействует электрическое поле изолированного от канала затвора. Полевой транзистор был изобретен в 1925 году Юлиусом Лилиенфельдом, но первый работоспособный полевой транзистор был создан в 1952 году Джоном Аталла и Дэвидом Каном. Полевой транзистор имеет более высокий коэффициент усиления, меньшее энергопотребление и большую скорость работы по сравнению с биполярным.

Кроме биполярных и полевых транзисторов, существуют и другие виды транзисторов, которые имеют специфические свойства и области применения:

• Сплавной транзистор — это транзистор, в котором p-n-переходы создаются путем сплавления металлических капель с полупроводниковым кристаллом. Сплавной транзистор был изобретен в 1951 году Гордоном Тилом и Мортоном Каммингсом. Он имел более низкое сопротивление базы и более высокую рабочую частоту по сравнению с точечным транзистором.
• Меза-транзистор — это транзистор, в котором p-n-переходы создаются путем диффузии примесей в полупроводниковый кристалл. Меза-транзистор был изобретен в 1953 году Карлом Фросчем и Линкольном Дериком. Он имел более маленькие размеры и более высокую рабочую частоту по сравнению со сплавным транзистором.
• Планарный транзистор — это транзистор, в котором контакты с кристаллом осуществляются с помощью металлических пленок, нанесенных на поверхность кристалла. Планарный транзистор был изобретен в 1959 году Жаном Эрни. Он позволил уменьшить размеры и повысить надежность транзисторов, а также сделал возможным создание монолитных интегральных схем.
• IGBT-транзистор — это гибридный биполярно-полевой транзистор, в котором используется изолированный затвор и канал n-типа или p-типа. IGBT-транзистор был разработан в 1980-х годах. Он сочетает в себе преимущества биполярного транзистора (высокая мощность и низкое напряжение насыщения) и полевого транзистора (высокая скорость переключения и низкий управляющий ток). IGBT-транзистор широко применяется в силовой электронике.

С учетом долгой истории развития, можно говорить о том, что транзистор — это универсальный элемент электроники, который имеет множество видов, структур и параметров. Транзистор позволяет решать различные задачи усиления, генерации, коммутации и преобразования электрических сигналов. Транзистор является основой современной микроэлектроники и информационных технологий.