Открытие транзистора: Эта страница ещё не существует

Электроника НТБ – научно-технический журнал – Электроника НТБ

Противопоставлять изобретения из разных сфер техники хлопотно и не креативно, иное дело – сопоставлять. Решающих критериев для такого сопоставления должно быть, по нашему мнению, всего два: насколько полезно данное изобретение, имея в виду прежде всего его гуманитарную составляющую и повышение качества жизни, и насколько оно вредно человеку и природе. Конечно, могут быть и другие существенные критерии оценки изобретения, как например его своевременность (радиолокация спасла Англию от фашистского вторжения в 1940 году, тогда ее своевременность была единственным критерием ее значимости), но, все же, они обычно носят частный, не общечеловеческий характер.
Паровая машина с КПД ≈10% как технический объект далека от совершенства. Она “повинна” в уничтожении лесов и каменного угля, ее жизненный цикл составил лишь сотню лет. В этом ей подобна и лампочка накаливания, уход которой из нашей жизни прогнозируется в ближайшие 20–30 лет. Транзистор в выполнении своего функционального предназначения и в экологической привлекательности – почти идеальный технический объект, он счастливо прожил 60 лет, его будущность непоколебима (а аналог-предшественник – электронная лампа – не дотянула и до пятидесяти). Транзисторный эффект

Даже в облегченном школьном варианте эта история не укладывается в линейную схему: “обществу потребовалось – наука созрела – явился первопроходец – пожалте вам транзистор”. Да, необходимость в транзисторе “витала в воздухе”, но поначалу она улавливалась лишь немногими – в конце 1930-х годов лидеры ведущей американской телекоммуникационной фирмы Bell Telephone Laboratories (Bell Labs) стали ощущать неудовлетворенность радиолампами и электромеханическими реле – основными элементами оконечных устройств радио- и проводных каналов связи. Радиолампа громоздка, неэкономична, недолговечна – нет смысла перечислять все ее известные недостатки, – реле смотрится совсем уж динозавром. Альтернатива виделась в категорическом отказе от вакуума, т.е. в твердотельном электронном приборе. Металлы и изоляторы сразу же отпали – в одних электронов слишком много, в других слишком мало. Подходящими виделись лишь полупроводники, тем более что полупроводниковые диоды-выпрямители уже были хорошо известны.
Сказано – сделано. Концепция “полупроводниковой лампы” появилась в рабочем журнале Уильяма Шокли, научного сотрудника Bell Labs, 29 декабря 1939 года (рис.1). Казалось, что, подавая на “сетку” напряжения разной полярности, можно вытеснять электроны из полупроводника или втягивать их в него и тем самым изменять его сопротивление и ток “катод–анод”. Однако тогдашний “главный” полупроводник – закись меди – был настолько “грязен”, невоспроизводим и необъясним, что даже начать осмысленные эксперименты не удалось. А тут грянула Вторая мировая война, и Шокли до конца 1945 года пришлось заниматься задачами флота и авиации, далекими от полупроводников.
Война, как ни парадоксально это кажется на первый взгляд, всегда ускоряет научно-технический прогресс. Гибнут массы людей, в том числе и ученых, разрушается промышленный и научно-технический потенциал, для многих обрывается высшее образование, закрываются перспективные исследования – всеобщее бедствие и горе. Но Клио – девушка малосентиментальная, скорее циничная. Ей интересны не жертвы, а “сухой остаток”. Война порождает мощнейший всплеск энергии, инициативы, изобретательности. Вторая мировая стала первой войной, в которой наука напрямую дополнила традиционное оружие. Для США успехи атомного проекта, радиолокации, СВЧ-электроники удачно сочетались с массовым притоком специалистов-беженцев из Европы, а также с тем, что страна не подверглась разрушениям. Поэтому в первые послевоенные годы именно в США началась разработка ряда масштабных проектов, в частности проекта глобальной связи, выдвинутого фирмой Bell Labs.
Необходимость транзистора теперь уже не просто “витала в воздухе”, кроме связной аппаратуры “заявки” на него поступили от зарождающейся вычислительной техники, средств радиовзрывателей, систем наведения ракет. В одночасье еще не созданный транзистор стал нужен всем. Но каких-либо реальных проектов на горизонте не виделось. Поэтому созданная в начале 1946 года на фирме Bell Labs исследовательская группа, нацеленная на создание полупроводникового усилителя, оказалась в чистом поле, одна. Казалось бы, в подобной ситуации работа могла разворачиваться по-академически неспешно, с сытными корпоративными уик-эндами. Да получилось-то совсем не так…
В порядке отступления вспомним, как 15 лет спустя, в 1962 году, раскручивался полупроводниковый лазерный проект, когда в гонке за приоритетом поначалу счет шел на месяцы, потом на недели, наконец, на дни. Но это объяснимо – в лазерном дерби сразу три американские лаборатории дышали в затылок друг другу, а кроме того, все они опасались еще и темной лошадки – ленинградского Физико-технического института: от русских после недавнего гагаринского взлета можно было ожидать любого сюрприза. Заметим, что эти лаборатории выкладывались не зря – двух первых на финише разделили всего десять дней.
Транзисторная группа не имела конкурентов, но в ней были собраны Личности, а значит – амбиции, озарения, непредсказуемость и неуправляемость, характеры, не всегда покладистые, – вот вам и игра страстей, обязательная для творчества.
“Техзадание” на разработку будущего транзистора, декларирующее, что “существуют большие возможности получения новых полезных свойств путем управления расположением атомов и электронов, из которых состоят твердые тела”, казалось бы, было академически расплывчатым, но императив “существуют” не позволял довольствоваться отрицательным результатом. Руководителем группы – директором программы – назначили У.Шокли, вернувшегося в 1945 году из пентагоновского офиса в Bell Labs. В костяк группы вошли еще два физика: экспериментатор Уолтер Браттейн, сотрудник фирмы с 1929 года, и теоретик-университетчик Джон Бардин, уже прославившийся в области физики металлов (в 1940 году его обзор был опубликован в СССР в журнале “Успехи физических наук”).
Естественно, группа занялась реализацией предвоенного проекта Шокли, основанного на “эффекте поля” (см. рис.1). Но теперь экспериментировали на германии и кремнии – к тому времени научились изготавливать эти материалы весьма совершенными, так как они использовались в радиолокационных детекторах. Но, как и прежде, электроны в кристалле упрямо игнорировали команды “сетки”, эффект поля почему-то не срабатывал. Важнейшим событием весны 1946 года стала гипотеза Бардина о наличии на поверхности полупроводника “ловушек”, захватывающих электроны, заряд которых и экранировал поле “сетки”. Не видя путей преодоления этого, группа на долгие полтора года погрузилась в отвлеченные проблемы, которые, вроде бы, не приближали их к главной цели. Бардин создал теорию поверхностных состояний, Шокли – теорию р-п-перехода. Но оказалось, сами того не ведая, они готовили трамплины для решающих прыжков.
В середине ноября 1947 года ученые обнаружили, что, поместив германий в электролит, можно “очистить” ловушки от электронов. Вектор дальнейших поисков обозначился четко. Последовал “magic month” (магический месяц, выражение Шокли) – электролит заменяли окислами, пленками металлов, наконец, подпружиненной иглой, приблизив ее почти вплотную к “сетке”, выполненной в виде такой же иглы (рис.2). И 15 декабря 1947 года Браттейн на экране осциллографа увидел усиление сигнала, да не лишь бы какое, а в десятки раз. Победа! Но удивительно, это произошло при полярностях потенциалов на иглах, обратных тем, которые “следовало” подавать. Вот она счастливая случайность, верная подружка великих открытий. У.Браттейн не проворонил ее, честь ему и хвала.

Настало время Теории. При успехе Эксперимента она всегда быстро и весело объясняет, что именно так все и должно быть, что она вроде бы именно это и предсказывала – о вчерашних иллюзиях забывается. Бардин угадал, что главными игроками являются неосновные носители – дырки, инжектируемые в кристалл приконтактной зоной одной из игл. Электроны же, которых неизмеримо больше чем дырок, при сем лишь недвижно присутствуют (раньше бы следовало вспомнить библейское “не презирайте ни одного из малых сих”). Обнаруженный транзисторный эффект был описан тремя звеньями: игла, на которую подано прямое смещение, инжектирует дырки в кристалл, дырки диффундируют к другой игле, смещенной в обратном направлении, и захватываются ею. При разных схемах включения можно получить усиление мощности, тока, напряжения.
Демонстрационная установка одновременно стала и макетом транзистора (так окрестили новый прибор). Эффект и прибор – две ипостаси одной и той же сущности. Пожалуй, это характерно для многих открытий современной физики, так как они сплошь и рядом совершаются в “естественно-искусственной” среде.
Демонстрацию открытия руководству фирмы назначили на предрождественский вторник 23 декабря 1947 года – американцы вообще любят красиво “конструировать историю”, так почему бы и теперь не ассоциировать рождение транзистора с рождением самого знаменитого младенца. Успех отметили шампанским и разошлись, чтобы после каникул начать интенсивную подготовку к публичной презентации. Она состоялась лишь через полгода 30 июня 1948 года. Поэтому именно 1948 год считают годом открытия транзисторного эффекта. (Формально это оправдано еще и тем, что приоритет транзисторного патента датирован 17.06.48, остальное – предыстория.) Событие удостоилось двух абзацев в разделе “Новости радио” на 46 странице газеты “Нью-Йорк Таймс”. Новая эра электроники началась без аплодисментов (мемуаристы, утверждающие, что она “привлекла всеобщее внимание” чаще всего “видят” события из будущего – так должно было быть, значит, так и было). Тому были причины. Действительно, так ли уж мог всколыхнуть общественность прибор, который “в некоторых случаях может использоваться вместо электронной лампы” (строки из репортажа газеты). Пентагон разрешил открытую презентацию – военным прибор неинтересен. Значит, они увидели в нем какую-то червоточину? Да и сама фирма Bell Labs не очень потратилась на рекламу. Реально продавать пока было нечего, представленный прибор не имел значительной коммерческой перспективы. (Правда, кто-то из журналистов тогда же возвестил: “в электронике появилась атомная бомба, величиной с горошину” – фантасты и журналисты частенько оказываются лучшими провидцами, чем специалисты.)
Недостатки первого варианта транзистора, названного точечно-контактным, или просто точечным, оказались слишком существенными и принципиально неустранимыми: громоздкость, невоспроизводимость параметров, оперирование лишь со слабыми сигналами, низкая устойчивость к механическим воздействиям. Уникальность эффекта и убогость его приборной реализации могли породить полное разочарование в транзисторе, но к счастью, почти тогда же выяснилось, что презентация была не финишем транзисторного проекта, а стартом его самого главного этапа. Начиналась совсем другая игра…
Уильям Шокли

День декабрьской презентации 1947 года выдался дождливым, но пасмурное небо не помешало всеобщему ликованию собравшихся. Хмурым оставался лишь один человек – руководитель транзисторной группы Уильям Шокли, не скрывавший своего разочарования. Джек-пот пролетел мимо – транзисторный патент оформлялся на Уолтера Браттейна и Джона Бардина, “административный ресурс” руководителя в Америке не принимают во внимание. Шокли первый загорелся идеей транзистора, возглавил группу (рис.3), читал ей лекции по квантовой теории полупроводников, упрямо вел к цели. Но не участвовал в итоговом аккорде и теперь оказался на вторых ролях. Что это означало для амбициозного индивидуалиста, читателю иной ментальности невозможно вообразить! К “счастью” – для Шокли – точечный транзистор был явно нежизнеспособен, его надо было не усовершенствовать, а отбросить, и на том же принципе создать что-то совсем иное. Шокли это понял сразу и был готов к новому как никто другой – не зря он разрабатывал теорию р-n-перехода. Надо было лишь забыть о своей же идее “эффекта поля” (конечно же, только на время, Шокли от своих идей не отрекался) и переключиться на транзисторный эффект. Его творческая энергия сфокусировалась в одну точку, рождественские каникулы стали его “страстной неделей”, и ночью 31 декабря 1947 года ему как бы приснился транзистор с р-n-переходами, будущий биполярный плоскостной транзистор (видимо, так бывает, когда сон и явь становятся неразличимы, вспомним Менделеева, которому “приснилась” Периодическая система элементов). Окончательная концепция сформировалась к 23 января 1948 года, дата патентного приоритета – 26.06.48, экспериментальное подтверждение состоялось в апреле 1949 года, а в 1950–51 годы началось изготовление сплавных германиевых транзисторов. Вот теперь преимущества транзистора перед радиолампой – твердотельность, сверхминиатюрность, неограниченная долговечность – стали явью, а что еще не реализовалось, вполне логично домысливалось. Стало ясно, что транзистор интересен не только и не столько тем, что может заменить радиолампу, сколько тем, что может дать то, на что радиолампа в принципе неспособна. В 1952 году впервые была высказана идея интегральной схемы – транзистор Шокли позволял об этом думать вполне реально.

Дальнейшие события развивались преимущественно в технико-технологической и производственной сферах. Во время Корейской войны (1950–1953 годы) плоскостные транзисторы прошли боевое крещение, теперь генералов смущала только их низкая рабочая температура. Поэтому с середины 50-х годов прошлого столетия вместо германия стали использовать кремний. Рабочая температура транзисторов поднялась до 125–150°С, а кроме того кремниевые транзисторы оказались значительно стабильнее и надежнее германиевых. В 1958–1959 годы была разработана особая технология изготовления кремниевых приборов, объединившая в единый процесс такие высокопроизводительные операции обработки пластин, как диффузия примесей, фотолитография, эпитаксиальное выращивание, напыление тонких пленок металлов и др. Все эти операции велись лишь в одной плоскости пластины, так сказать в плане, поэтому разработанный многостадийный процесс назвали планарной технологией. Односторонняя, планарная структура транзисторов стала решающим фактором, позволившим автоматизировать сборку.
В порядке отступления заметим, что планарная технология оказалась достаточно универсальной и нашла широчайшее применение в самых различных областях твердотельной электроники. Это наивысшее технологическое достижение вообще, прообраз технологий будущего, она обрела самостоятельную значимость, сопоставимую со значимостью транзистора. (Для междисциплинарных сопоставлений полезно ввести понятие “предельной технологии”, обеспечивающей изготовление изделий определенного класса во всем необходимом диапазоне изменения их конструкционных параметров при минимизации экологического вреда. Планарная технология – это почти идеальное приближение к предельной технологии твердотельной электроники.)
На основе планарной технологии в 1959 году были созданы интегральные схемы, и в дальнейшем транзистор стал “приходить” к пользователю преимущественно как элемент таких схем, отчего его значимость не только не уменьшилась, но напротив – еще более возросла. В 1960 году был создан полевой транзистор со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-транзистор), ставший основой сверхбольших интегральных схем. Но общие принципы и понятия полупроводниковой электроники, разработанные в 1947–1949 годы, – транзисторный эффект, р-n-переход, эффект поля, транспорт электронов и дырок – неизменно сохраняются и работают в микросхемах всех последующих поколений. Более того, эти принципы стали основой при изобретении и создании подавляющего числа других приборов полупроводниковой электроники, таких как разнообразные диоды, тиристоры, приборы с зарядовой связью, светодиоды, наконец, гетеролазеры.
В 1956 году Уильям Шокли, Джон Бардин, Уолтер Браттейн получили Нобелевскую премию “за исследование полупроводников и открытие транзисторного эффекта”. Браттейн показал себя подлинным патриотом и ветераном фирмы Bell Labs, проработав на ней до ухода на пенсию в 66 лет и занимаясь исследованием поверхностных свойств германия и кремния. Он побывал в Москве, в ФИАНе прочел лекцию все о тех же поверхностных свойствах полупроводников, его вежливо выслушали, но не более того. Бардин тоже показал себя патриотом, но не какого-либо учреждения, а единственно – патриотом теории твердого тела. В 1951 году он перешел в Иллинойский университет, где стал одним из соавторов теории сверхпроводимости (теория Бардина–Купера–Шиффера, или БКШ-теория), которая в 1972 году была отмечена Нобелевской премией. Бардин – единственный человек, дважды удостоенный Нобелевской премии по физике. Говорят, что в то утро, когда он узнал о своем втором “Нобеле”, Бардин долго не мог открыть закапризничавший транзисторный замок гаража – так напомнило о себе ревнивое прошлое, поздравляя с новым успехом и коря за расставание с полупроводниками.
Историк Г.Хафф обратил внимание на патент Бардина (без соавторов) от 23.11.1947 года, в котором заявлена структура, напоминающая МДП-транзистор. Поскольку именно МДП-транзисторы стали основой микроэлектроники и с учетом того, что Бардин также автор первого транзисторного патента, Хафф провозгласил Дж.Бардина “отцом современной электроники”. Вероятнее всего, эту пафосность сам Бардин вряд ли бы признал строго корректной, но то, что он был “великим физиком современности” (Ж.Алферов), несомненно.
Ключевая фигура всего транзисторного проекта – Уильям Брэдфорд Шокли. Навсегда остались в электронике его плоскостные транзисторы, как биполярные, так и полевые, в 1949–1950 годы вышел в свет ряд его статей по теории приборов с р-n-переходами и фундаментальная монография “Электроны и дырки в полупроводниках” – все это стало классикой, образовало каркас новой электроники. Пришло время изобретать новые типы транзисторов, изготавливать их, передавать в промышленность. В 1955 году Шокли оставил Bell Labs, перебрался в Калифорнию и организовал собственную фирму в наспех переоборудованном сарае для хранения абрикосов. Но помощники – преимущественно его прежние аспиранты – не захотели заниматься “транзисторной рутиной” и вскоре оставили учителя. “Предатели” – прогремело вслед восьмерке отступников. Шокли продержался в “бизнесе” еще несколько лет и возвратился “на круги своя” – профессором в Стэнфордский университет. (А “отступники” угадали: через два года разработали планарную технологию, позднее основали знаменитую компанию Intel и стали лидерами в микроэлектронике.)
В 1960 году А.Ф.Трутко (будущий директор НИИ “Пульсар”) стажировался в Стэнфорде и после одной из лекций подошел к Шокли и попросил надписать его книгу, изданную у нас в 1953 году. Профессор с доброжелательной заинтересованностью отнесся к тому, что, оказывается(!) его лекции посещает “симпатичный советский русский”, сделал теплую надпись, начинавшуюся с “To Anatole”, и не преминул разразиться саркастической тирадой: “Мало того, что ваши не заплатили мне гонорар за книгу, они еще выкинули из нее важный раздел, да меня же и обругали…”. То, что при переводе был исключен параграф с изложением “идеалистических взглядов физика Бриджмена, с которым автор полностью солидарен”, вполне понятно – время у нас было такое, “чуждую” идеологию пропагандировать не допускалось. Но так ли уж обязательны были в предисловии редактора перевода пассажи типа “серьезным недостатком книги является замалчивание работ советских ученых” или примечания, “которые должны помочь советскому читателю разобраться в ошибочных высказываниях автора и понять значение советской науки…”. Шокли ведь создавал не антологию советских научных работ и не историю полупроводниковой науки, да и кого бы из “наших” обязательно надо было процитировать в аспекте германиевых и кремниевых р-п-переходов? И совсем уже “сверхпрограммной” отсебятиной звучат точечные “уколы”: “материал изложен недостаточно последовательно”, “читатель… будет обманут в своих ожиданиях”, “несмотря на указанные выше недостатки”. Все это – о первой транзисторной библии!
Через пару лет У.Шокли в составе делегации IEEE приезжал в Москву на съезд Общества им. А.С.Попова. В качестве переводчика и сопровождающего к нему прикомандировали аспиранта ИРЭ Ю.В.Гуляева (будущего академика и директора ИРЭ). Придя для первого знакомства в гостиницу “Националь”, Юрий Васильевич прямо с порога торжественно начал с домашней заготовки: “Я горд, что буду сопровождать Вас, одного из трех изобретателей транзистора…”, но был резко прерван профессором: “Каких трех? Изобрел только Я, Бардин и Браттейн – это точечный транзистор, который тут же и умер. А мой – живет”. (Из моего интервью Ю.В.Гуляева. Я специально переспрашивал о достоверности инцидента – “Как сейчас вижу его возбужденное лицо при этих словах”, был ответ Юрия Васильевича.)
У Шокли было много общего с будущим шахматным “enfant terrible” – Робертом Фишером. Тот же абсолютный индивидуализм и убежденность в своей исключительности, та же бескомпромиссность в достижении цели и безразличие к реакции окружающих, тот же максимализм в формулировании этой цели и та же… Один журналист, перечисляя многочисленные фишеровские выверты, подытожил: “Единственное смягчающее обстоятельство – его гениальность”. Вот оно, ключевое слово к характеристике и нашего героя.
Шокли – человек многих интересов, его увлекала история и философия науки, хотя, признаем, что при крайнем субъективизме бесстрастно изложить историю транзистора ему не очень удавалось. Но поиск его всегда увлекателен, это – не остывшая манная каша Браттейна. От философии науки он естественно перешел к природе творчества, увлекся идеей искусственного выведения совершенных человеческих особей и на этом пути нарушил общепринятое молчаливое табу – стал сопоставлять мыслительные способности представителей разных рас. Политкорректный мир обвинил его в расизме, но может ли политкорректность быть аргументом в научных исследованиях? Сегодня вопрос о генетической неодинаковости рас уже не является запретным. Жаль, что в своих исканиях Шокли все дальше уходил от физики, а ведь он был первым, кто заметил, что “транзистор вызвал к жизни новую физику” (название его Нобелевской лекции).
Уильям Шокли скончался в 1989 году на 80-м году жизни, Уолтер Браттейн – в 1987 на 86-м, Джон Бардин – в 1991 на 83-м.
Продолжение в следующем номере.

Литература
Shockley W. The path to the conception of the junction transistor.– IEEE Trans., 1976, ED-23, № 7, p.597–620.
Brattain W.H. Discovery of the transistor effect.– Adventures in the experimental Physics, 1976, v. 5, p.1–31.
Pearson G.L., Brattain W.H. History of Semiconductor Research. – Proc. IRE, 1955, v. 43, p.1794–1806.
Huff H.R. John Bardeen and transistor physics. – ULSI Process Integration, 1999, PV99-18, p.19–55.
Bardeen J. Three men who changed our world, 25 years later. – Bell Labs. Rec, 1972, p.335–341.
Носов Ю.Р. Прибор под названием транзистор. – НГ– Наука, №4, декабрь, 1997.

1947 год — демонстрация первого транзистора — EADaily, 23 декабря 2018 — История

23 декабря 1947 года опытно-конструкторское подразделение Bell Telephone Laboratories фирмы American Telephone and Telegraph провело презентацию полупроводникового биполярного усилительного прибора. Этот день стал считаться датой рождения транзистора.

Транзистор — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, способный от небольшого входного сигнала управлять значительным током в выходной цепи. Используется для усиления, генерирования, коммутации и преобразования электрических сигналов. В настоящее время транзистор является основой схемотехники подавляющего большинства электронных устройств и интегральных микросхем.

Первый действующий биполярный транзистор создали американские физики Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн в лабораториях Bell Labs. Работы велись с 1945 года, и после двух лет неудач долгожданное открытие было сделано благодаря нелепой случайности.

16 декабря 1947 года Уолтер Браттейн, пытаясь преодолеть поверхностный эффект в германиевом кристалле и экспериментируя с двумя игольчатыми электродами, перепутал полярность приложенного напряжения и неожиданно получил устойчивое усиление сигнала.

Спустя неделю — 23 декабря 1947 года — состоялось официальное представление изобретения. Действующий макет биполярного транзистора был представлен руководству головной компании. Именно эта дата считается днём изобретения транзистора.

В 1956 году ученые были награждены Нобелевской премией по физике «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта». Джон Бардин вскоре был удостоен Нобелевской премии во второй раз за создание теории сверхпроводимости.

Название для нового устройства придумал американский инженер и писатель-фантаст Джон Пирс. Первоначально название «транзистор» относилось к резисторам, управляемым напряжением. В самом деле, транзистор можно представить как некое сопротивление, регулируемое напряжением на одном электроде.

30 июня 1948 г. в штаб-квартире фирмы American Telephone and Telegraph в Нью-Йорке состоялась официальная презентация нового прибора, на транзисторах был собран радиоприемник.

И все же, мировой сенсации не состоялось, первоначально открытие не оценили по достоинству, ибо первые точечные транзисторы, в сравнении с электронными лампами, имели очень плохие и неустойчивые характеристики.

Однако позднее транзисторы заменили вакуумные лампы в большинстве электронных устройств, свершив революцию в создании интегральных схем и компьютеров.

Также в этот день:

1914 год — в России возникла Дальняя авиация

1900 год — первая в мире звуковая радиопередача

История крупнейшего открытия 20-го века – транзистора

Самый первый транзистор – основополагающий строительный блок, на котором, можно сказать, основана вся современная цивилизация – был создан в лаборатории Bell Labs компании AT&T 23 декабря 1947 года.

Этот первый транзистор был огромен и совсем не был похож на миллионы транзисторов, которые можно обнаружить, вскрыв современный процессор (всё равно вы их не увидите при размере в 22 нанометра). Хотя история о том, как из первых гигантских транзисторов получились нанометровые, весьма интересна, сегодня мы рассмотрим другую тему: как вообще инженеры Bell Labs додумались до транзистора.

Работа транзистора целиком основана на классе материалов под названием полупроводники, о котором химикам и инженерам известно с середины 19-го столетия. В 1833 году Майкл Фарадей заметил, что у сульфида серебра при нагревании снижается электрическое сопротивление (у металлов, как правило, увеличивается). В 1880 году Александр Грэхем Белл используется селен – полупроводник, который вырабатывает электричество, когда на него падает свет – для передачи звука на расстоянии при помощи устройства, получившего название фотофон.

Настоящей анализ полупроводников начинается в 1920-х годах, когда учёные попытались понять, почему и за счёт чего класс материалов, которые, казалось бы, относятся к металлам, ведёт себя совершенно иначе, чем нормальные металлы. Со Второй мировой войной и появлением радиолокационных и других радиотехнологий, полупроводники постепенно становились серьёзным бизнесом. Особенно когда после войны полупроводники начала исследовать Bell Labs; тогда мир стал узнавать о свойствах полупроводников и как управлять ими.

В частности, Уолтер Браттейн, Джон Бардин и Уильям Шокли из Bell Labs решили исследовать объёмные и поверхностные свойства кремния и германия. В результате серии экспериментов исследователи открыли, что при приложении небольшого количества электроэнергии к поверхности германия можно увеличить поток электроэнергии через второй контур, который также подключён к германию – другими словами, открыли усилитель. Самые ранние усилители из германия применяли жидкие электролиты, которые высыхали и могли переключаться только на низких частотах. 23 декабря 1947 года, вместо электролита были использованы позолоченные контакты – таким образом, родился первый транзистор. На рисунке 1 германий находится под материалом в форме треугольника. Золотые контакты тут не видно.

В то время как Шокли хотел назвать разработку полевым транзистором, Юлий Эдгар Лилиенфельд запатентовал такое название ещё в 1925 году, хотя такого устройства он не создавал. В результате, Bell Labs выбрала название транзистор и открыла «эффект транзистора» – за который в 1956 году Браттейн, Бардин и Шокли получили Нобелевскую премию по физике.

К 1953 году были созданы первые германиевые высокопроизводительные транзисторы, способные переключаться на частоте 60 МГц; они были впервые использованы в автомобильных радиоприемниках, они же впервые могли применяться в компьютерах. Первый кремниевый транзистор не был изготовлен до 1954 года той же Bell Labs, в этом же году компания Texas Instruments создала первый коммерческий транзистор, пригодный для массового производства.

Наконец, в 1960 году Bell Labs выпустила первый MOSFET-транзистор (металл – оксид – полупроводник). За последние 50 лет почти все выпускаемые транзисторы относятся к категории MOSFET с теми или иными вариациями. Далее уже идёт отдельная история разработки микропроцессоров и в игру вступает закон Мура.

Открытие предлагает новые возможности для некремниевых транзисторов | Блоги

На протяжении десятилетий один материал настолько доминировал в производстве компьютерных чипов и транзисторов, что мировая технологическая столица – Кремниевая долина – носит его имя. Но правление кремния не может длиться вечно.

Исследователи из Массачусетского технологического института (МТИ) обнаружили, что сплав под названием InGaAs (арсенид индия-галлия) может обладать потенциалом для создания более компактных и более энергоэффективных транзисторов. Ранее исследователи считали, что производительность транзисторов InGaAs ухудшается при небольших масштабах. Но новое исследование показывает, что это видимое ухудшение не является внутренним свойством самого материала.

Это открытие может однажды помочь вывести вычислительную мощность и эффективность за пределы возможностей кремния. «Мы очень взволнованы, – сказала Сяовей Цай (Xiaowei Cai), ведущий автор исследования. – Мы надеемся, что этот результат побудит сообщество продолжить изучение использования InGaAs в качестве материала канала для транзисторов».

Цай, теперь работающая в Analog Devices, завершила исследование в качестве аспиранта в лабораториях технологий микросистем МТИ и на факультете электротехники и информатики (EECS) с проф. Хесусом дель Аламо (Jesús del Alamo).

Транзисторы – это строительные блоки компьютера. Один ноутбук может содержать миллиарды транзисторов. Для повышения вычислительной мощности в будущем, как это было на протяжении десятилетий, инженерам-электрикам придется разработать более компактные транзисторы с более плотной упаковкой. На сегодняшний день кремний является предпочтительным полупроводниковым материалом для транзисторов. Но InGaAs намекает, что может стать потенциальным конкурентом.

Электроны могут легко течь через InGaAs даже при низком напряжении. «Известно, что этот материал обладает отличными [электронными] транспортными свойствами», – говорит Цай. Транзисторы InGaAs могут быстро обрабатывать сигналы, что потенциально приводит к более быстрым вычислениям. Кроме того, транзисторы InGaAs могут работать при относительно низком напряжении, что означает, что они могут повысить энергоэффективность компьютера. Так что InGaAs может оказаться многообещающим материалом для компьютерных транзисторов. Но есть загвоздка.

Благоприятные свойства электронного транспорта в InGaAs, похоже, ухудшаются в малых масштабах – масштабах, необходимых для создания более быстрых и плотных компьютерных процессоров. Эта проблема привела некоторых исследователей к выводу, что наноразмерные транзисторы InGaAs просто не подходят для этой задачи. Но, говорит Цай, «мы обнаружили, что это заблуждение».

Команда нашла, что небольшие проблемы с производительностью InGaAs частично связаны с улавливанием оксидов. Это явление заставляет электроны застревать при попытке пройти через транзистор. «Транзистор должен работать как переключатель. Вы должны иметь возможность включать напряжение и иметь большой ток, – говорит Цай. – Но если у вас есть захваченные электроны, происходит то, что когда вы включаете напряжение, но у вас есть только очень малый ток в канале. Так что коммутационная способность намного ниже, когда у вас есть захват оксида».

Команда Цай определила причину захвата оксидов, изучив частотную характеристику транзистора – скорость, с которой электрические импульсы проходят через транзистор. На низких частотах производительность наноразмерных транзисторов InGaAs ухудшилась. Но на частотах 1 ГГц и выше они работали нормально – улавливание оксидов больше не было помехой. «Когда мы использовали эти устройства на очень высокой частоте, мы заметили, что производительность действительно хорошая, – говорит она. – Они конкурентоспособны с кремниевой технологией».

Цай надеется, что открытие ее команды даст исследователям новую причину для разработки компьютерных транзисторов на основе InGaAs. Работа показывает, что проблема, которую необходимо решить, заключается не в самом транзисторе InGaAs. Это проблема улавливания оксидов. «Мы считаем, что это проблема, которую можно решить или спроектировать», – говорит она. И добавляет, что InGaAs показал себя многообещающим как в классических, так и в квантовых вычислительных приложениях.

Захист від кібератак у новому віртуальному світі

Транзисторы работающие как реле в ключевом режиме

Если нужно использовать транзистор в качестве «реле», то есть чтоб он или был полностью открыт, или полностью закрыт (не проводил ток совсем), лучше всего подключить его в конфигурации с общим эмиттером (если это биполярный транзистор) или с общим истоком, если используем полевой МОП-транзистор. В зависимости от того как требуется управлять нагрузкой и надо выбрать соответствующий транзистор:

• NPN (биполярный) или с каналом N-типа (MOSFET), если отрицательный кабель должен быть отключен, а положительный – подключен постоянно,
• PNP (биполярный) или с каналом P-типа (MOSFET), если положительный кабель должен быть отключен, а отрицательный подключен постоянно.

Все четыре варианта включения показаны на схемах ниже:

Чтобы включить такой транзистор, на его базу или затвор должно подаваться напряжение:

• выше, чем на эмиттер или исток (для транзисторов NPN или с каналом N)
• ниже, чем на эмиттер или исток (для транзисторов PNP или с каналом P).

Напряжение может поступать от микроконтроллера, оптрона или другой схемы управления, например компаратора. Вот как это делается на практике.

В случае биполярных транзисторов надо установить соответствующий высокий базовый ток. Только тогда транзистор может насыщаться и нормально функционировать как реле. А двухпозиционное транзисторное управление ограничит потери рассеиваемой мощности.

Если нужно использовать MOSFET, значение этого управляющего напряжения должно превышать пороговое напряжение UGSth транзистора в несколько раз. Затвор полевого МОП-транзистора не потребляет ток, когда он полностью открыт. Для перезарядки пропускной способности затвора требуется протекание тока. Также обратите внимание на максимальное напряжение затвор-исток, которое обычно составляет 12 – 20 В – подробности в даташите для данного транзистора. Превышение этого значения может привести к выходу из строя радиоэлемента.

Транзистор выключается путем приведения его напряжения база-эмиттер (или затвор-исток) к нулю. Самый простой способ сделать это – подключить управляющий вход к линии, к которой подключен эмиттер (или исток). Остерегайтесь PNP или P-канальных транзисторов – если схема управления запитана от напряжения ниже чем транзистор, его нельзя будет выключить. Тут необходимо использовать дополнительную схему управления или брать транзистор типа NPN (или с каналом N).

 

Резисторы R1 в каждом из решений отключают транзистор, когда управляющий сигнал не подан. Его сопротивление не критично, обычно принимают в пределах 10 – 100 кОм. Резисторы R2 ограничивают ток, протекающий через базы биполярных транзисторов, и их сопротивление можно рассчитать по формуле:

R2 = ((USTER – UBE) · bMIN) / (Icmax · k)

• Icmax – максимальный ток, который может потреблять нагрузка.
• bMIN – минимальное значение коэффициента усиления по току данного транзистора.
• USTER – базовое управляющее напряжение от цепи управления.
• UBE – напряжение в открытом состоянии база-эмиттер (около 0,7 В для обычных биполярных транзисторов, около 1,5 В для транзисторов Дарлингтона).
• k – коэффициент ограничения, определяющий степень насыщения транзистора. Предполагается, что должен быть 2 и более.

Резисторы R3 играют аналогичную роль – ограничивают ток затвора. Однако их значение не так критично, потому что они ограничивают ток только при переключении транзистора. Обычно можно использовать тоже 10 – 100 Ом.

Биполярный транзистор или полевой

Когда следует выбирать биполярный транзистор, а когда – полевой МОП-транзистор? В подавляющем большинстве устройств MOSFET победит – у него низкие потери мощности. Биполярный же транзистор стоит рассмотреть при низком управляющем напряжении (например, 1,8 В).

В схемах с биполярными транзисторами резисторы R1 подключались непосредственно рядом с управляющим выходом, а в случае полевых МОП-транзисторов – между затвором и истоком. В связи с этим они не принимают базовый ток биполярных транзисторов, необходимый для их надлежащего насыщения. С другой стороны, в случае полевых МОП-транзисторов резисторы R1 не оказывают такого большого влияния на их работу, потому что сопротивления R1 и R3 существенно различаются, R1 больше R3.

Далее приведены 4 примера управления Arduino нагрузкой, потребляющей ток до 0,5 А. Все питаются от 5 В.

Если данная нагрузка включает в себя катушку или двигатель, соответствующий защитный диод должен быть обязательно подключен параллельно к ней. Это защитит транзистор от повреждения во время его выключения при возникновении перенапряжения на индуктивности.

Управление полевым транзистором от микроконтроллера

При управлении полевыми МОП-транзисторами непосредственно с выхода микроконтроллера следует помнить о нескольких вещах: пороговое напряжение транзистора UGSth, входная емкость транзистора, уровень напряжения, если стоит P-канальный.

Резистор R2 (схема выше) удерживает транзистор закрытым при выключении микроконтроллера. Его сопротивление не критично, обычно его принимают в пределах 10 кОм – 100 кОм. С другой стороны, резистор R1 снижает ток потребляемый с выхода микроконтроллера, при изменении логического состояния. Точное значение определить сложно, поэтому оно может быть в диапазоне от 10 Ом до 100 Ом. Схема для MOSFET-P будет работать только тогда, когда напряжение питания микроконтроллера и схемы, управляемой транзистором, одинаковы.

Для полного открытия полевого МОП-транзистора требуется напряжение затвор-исток, в 2 – 3 раза превышающее пороговое напряжение. Если производитель указывает, что например у BUZ11, пороговое напряжение UGSth не более 4 В, то полное открытие произойдет при UGS = 8 – 12 В. Так что управление им с микроконтроллера на 5 В точно будет некорректным. Понадобится использовать транзистор с более низким пороговым напряжением, например IRLML0030, где максимальное UGSth = 2,3 В.

Входная емкость полевого МОП-транзистора составляет от нескольких сотен пикофарад до нескольких нанофарад. Выход микроконтроллера может проводить ток в несколько десятков миллиампер. Это означает, что время перезарядки затвора значительно. Например, току 20 мА требуется 1 мкс, чтобы перезарядить емкость 4 нФ на 5 В.

Ещё одна проблема возникнет только с транзисторами с каналом P-типа. Для их выключения необходимо довести напряжение затвор-исток до нуля, что предполагает уравнивание потенциала затвора с потенциалом истока. Следовательно, в такой схеме транзисторный исток может быть подключен к тому же напряжению, от которого запитан микроконтроллер, то есть 5 В. Управление транзистором (отключение) будет некорректным, если напряжение затвор-исток слишком сильно отличается от нуля.

Так что если: транзистор с высоким пороговым напряжением UGSth должен быть активирован, напряжение питания микроконтроллера очень низкое (например 1,8 В), сигнал ШИМ имеет высокую частоту, или транзистор с каналом P подключен к гораздо более высокому напряжение (например, 24 В), тогда необходимо использовать драйвер MOSFET. На рынке есть множество таких типов микросхем. Они обеспечат соответствующую скорость переключения и регулируют уровни напряжения. Пример – TC4426. Он работает с напряжением до 18 В и хорошо поддерживает выходы микроконтроллеров даже от 3,3 В.

Изобретение, которое изменило мир: к чему идёт развитие транзисторов?

«В мире нет ничего особенного. Никакой магии. Только физика»

(из дневника Чака Палахнюка)

Физика была главной наукой ХХ столетия и остаётся таковой в начале ХХІ-го. Если спросить  обычного человека, что важного было сделано в физике, он, наверно, скажет: атомная бомба. Но есть мнение, что самой существенной для человека является физика твёрдого тела, эволюция транзисторов и полупроводниковых лазеров. ЮНЕСКО объявило самым выдающимся достижением в ХХ веке транзисторы – приборы, работающие в электронных схемах, из которых состоят компьютеры и мобильные телефоны. 

Мобильный телефон на сегодня – это основной прибор, которым постоянно пользуется гигантское количество людей в мире, и они постоянно совершенствуются. Мобильные телефоны стали не только средством связи, но и полностью поменяли нашу жизнь. Коммуникационные сети, общественные СМИ, информационные системы, возможность постоянного общения – это всё сделано с помощью мобильных телефонов. Для того, чтобы телефон хорошо работал, в нём должен быть достаточно мощный микропроцессор и, с другой стороны, он должен быть достаточно эффективным, чтобы не потреблял много энергии и батарея могла дать вам возможность использовать его как минимум целый день. Мощность и эффективность микропроцессоров определяет качество транзисторов.

Первоначально транзистор был задуман как электронный прибор, который усиливает электрический сигнал. При этом отношение сигнала, который выходит из прибора, к тому, который входит в прибор, должно быть 1 к 100 или даже к 200. Как и большинство других изобретений, транзистор не появился «из воздуха», а стал решением некой остро ощутимой проблемы, которая требовала решения: long distancecommunication (общение на большие расстояния) в начале ХХ века. Это сейчас жителю Соединённых Штатов ничего не стоит позвонить в Украину по серьёзному бизнес-вопросу, а раньше, ещё в 30-х годах, обитателю Восточного побережья расспросить бабушку на Западном о её здоровье было совсем не просто! Связь была не очень надёжной: электрический сигнал уже шёл по проводам, но на расстоянии он деградировал, затухал – его нужно время от времени, через каждые хотя бы 100 километров, усиливать, чтобы он пробрался-таки к получателю. 

Как это делать? До изобретения транзисторов это осуществлялось с помощью электронных ламп. Но каждая электронная лампа размером минимум с ноготь, если не с палец. Плюс ей нужна наружная система, электронная цепь, которая поддерживала бы её нормальную работу. Электронная лампа – это достаточно сложный и дорогой прибор. В 40-х его попытались заменить маленьким кристалликом полупроводника, который в то время был размером в 1 мм и мог усиливать сигнал таким же образом, как электронная лампа.

Первые полупроводниковые транзисторы были использованы в усилителях, их делали в таком знаменитом в Америке месте, которое называлось The Bell Laboratories. Они входили в компанию American Telephone and Telegraph Company (AT&T), определившей всё дальнейшее развитие телекоммуникационной отрасли в США. Директором её был Александр Белл – человек, который изобрёл телефон. Но это было не единственное его достижение: он «изобрёл» корпоративные НИИ! Белл в своё время сказал: «Когда компания станет богатой настолько, что у нас будут деньги, которые мы сможем тратить не только на то, чтобы поддерживать компанию – выплачивать зарплату и покупать оборудование, — мы эти деньги будем вкладывать в науку. Создадим корпоративную лабораторию, в которой люди будут заниматься теми исследованиями, которые нужны нам». 

Изобретение транзисторов стало фундаментальным шагом в науке, а не просто методом сделать лучше цепь в электронной лампе. В Bell Labs было сделано то, чего никто никогда до этого не делал. Первый транзистор это был маленький полупроводниковый кристаллик, который усиливал электрический ток. Транзисторы-усилители были очень дешёвыми и надёжными: их можно было вешать буквально на телефонных столбах и они усиливали сигнал, чтобы люди с обоих побережий могли говорить друг с другом. Bipolar junction transistor были созданы, чтобы улучшить работу телефона – а потом выяснилось, что их можно использовать в электронных схемах, которые будут работать в «компьютере». Но для того, чтобы транзистор работал в компьютере, это уже должен был быть не просто усилитель, а электронный переключатель, с так называемой бинарной логикой: может находиться в двух положениях. Автором этого изобретения, полевого транзистора MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) стал  Мохамед Аталла, египтянин по происхождению.  

Следующим технологическим шагом после изменения структуры транзистора стало объединение их в интегральные схемы. Один умный человек, Джек Килби из Далласа, тот самый, который впоследствии получил Нобелевскую премию за интегральные схемы, сказал: «А что, если я возьму не один транзистор, а десять, сто, тысячу? И объединю их в схему, которая будет сделана компактным образом, как бы отштампована, и я смогу использовать её для логических копераций?» Для этого уже понадобился другой транзистор, чтобы можно было его делать всё меньше и меньше, а качество его не менялось.

До Килби в схеме было максимум 16 транзисторов, и её предлагали использовать для слуховых аппаратов. А потом несколько сотен, и они переключали свет в светофорах. Для компьютерного же микропроцессора понадобилось несколько десятков тысяч транзисторов. 

Тот транзистор, который стоит в вашем телефоне, совершенно не похож на классические, которые преподаватели показывают студентам. Раньше он был двухмерной плоской структурой, а сейчас она трёхмерная, и потребляет такой транзистор намного меньше энергии, хотя переключается очень быстро. Принцип тот же, но приборы, упакованные в интегральные схемы, уменьшились в сто раз по сравнению с индивидуальными транзисторами, стали быстрее и эффективнее. 

Что важно, несмотря на то, что прибор становится сложнее, цена каждого индивидуального транзистора каждый год продолжает падать. Современная микросхема стоит около 100 долларов. На ней, допустим, миллиард транзисторов. 10 лет назад в ней был миллион транзисторов, а стоила она примерно столько же. Посчитайте стоимость каждого транзистора – очень удивитесь.

Транзистор, который изобрели тогда, к тому, который мы используем сегодня, имеет очень небольшое отношение, это уже, можно сказать, совершенно другой прибор. Микроэлектронная техника – это, пожалуй, самое передовое производство в мире. Нет такого производства, которое можно было бы сравнить по сложности и автоматизации, как это. Один завод по производству интегральных микросхем стоит 10-20 миллиардов долларов, один прибор на нём может стоить 100 миллионов. Но они делают эти схемы в гигантских количествах, и всё лучше и лучше. Цикл от сырья до готового продукта занимает около месяца. 

Транзисторы и то, что называют интегральными схемами, поменяло нашу жизнь больше, чем что бы то ни было. Компьютеры, искусственный интеллект – это всё появилось благодаря транзисторам и тому, что их стало возможным упаковывать в интегральные схемы. Их сейчас миллиарды, они работают очень быстро, потребляют относительно немного энергии, выполняют различные математические операции. 

Что будет с транзисторами дальше? Каковы пути их развития?

Почётный профессор Технологического института Нью-Джерси, одессит Леонид Цыбесков, который уже 10 лет он заведует департаментом электронной и компьютерной инженерии в Ньюаркском колледже, ответил «Граниту науки» на этот вопрос:

— Они становятся меньше, потребляют всё меньше энергии, и появилась возможность создавать такие системы, в которых все логические операции будут сделаны очень-очень быстро. За счёт того, что транзисторы становятся меньше, появилась возможность упаковывать их очень плотно. Если раньше в интегральной схеме их было миллион, то сегодня их миллиард, а ещё через 5 лет будет 5 миллиардов. Цикл логических команд в компьютере будет разбит на много циклов, которые можно делать параллельно – это называется параллелизм. И это, в принципе, движение в сторону того, как работает человеческий мозг. Он работает в такой системе, которая называется massive parallelism – то есть, требует большого количества сценариев. Вы не задумываетесь, но просто уже знаете, что делать, что не делать. И вот так же, видимо, будут работать со временем транзисторы. 

В мозге есть колоссальное количество нейронов, и они все переплетены друг с другом. Интегральные схемы будут работать так же. Это то, что называется bio-inspiring computing, когда даются такие структуры, где одна задача разбивается на много параллельных задач, и дальше они делаются одновременно, вместо последовательно совершаемой операции. Например, вы знаете, что какое-то действие нужно сделать в три этапа, и есть случаи, когда вам не нужно знать ответ первого, чтобы сделать второй. Это то, что в корне поменяет работу искусственного интеллекта. Он будет работать намного быстрее и эффективнее. Можно решать большое количество задач одновременно. Даже если увидите ошибку где-то, вы эту ошибку быстро исправляете, потому что видите, что, например, решение идет не туда, куда оно должно идти – и тут же останавливаете процесс, возвращаетесь, меняете исходный параметр и продолжаете. 

И вот я смотрю, что процесс может идти куда угодно, и тогда уже могу ставить эксперимент: «А что будет, если?» Знаете, Gmail на английском уже начал сам поправлять грамматику, и даже подсказывает паттерны и варианты, как закончить предложение. Эти компьютерные системы работают так, потому что есть гигантское количество транзисторов, которые создают всё более мощные процессоры, и они начинают проигрывать результаты наперёд. Более того, они запоминают ваш стиль! Например, вы любите начинать предложения определённым образом. Тогда следующее предложение он уже вам подскажет, чтобы соответствовало вашему стилю. Не то чтобы компьютер начал «думать», он просто анализирует паттерны – последовательность ваших шагов. Computing power – вычислительная способность – в десять раз больше, чем была в 90-е годы.

Semi-Conductor Research Corporation – это объединение основных компаний, работающий в области полупроводников. Мои исследования финансировал производитель процессов Intel, Hewlett Packard. Они, в основном, были связаны со свойствами квантовых точек. Я занимаюсь не системами микроэлектронных систем, а их компонентами. Это совершенно отдельная история, и в ней каждый день происходит что-то интересное. Я считаю, что это можно объяснить любому человеку, потому что все люди этим пользуются. Для того, чтобы они поняли, как эти системы работают, и осознали, как много было сделано людьми, которые занимались, занимаются и будут заниматься этими электронными системами.

В завершение своего комментария хочу привести слова Ричарда Фейнмана из его книги «Без ума от физики»: «Физика – это как секс: конечно, она может принести некие практические результаты, но это не то, почему мы ею занимаемся».

Читайте статью Леонида Владимировича Цыбескова о физфаке Одесского университета, который он называет особой «флуктуацией» во времени и пространстве 70-х, через неделю на «Граните науки».

ЧИТАЙТЕ НАС В ТЕЛЕГРАМ

Поделиться ссылкой:

Изобретение транзистора – это… Что такое Изобретение транзистора?

Макет точечного транзистора Бардина и Браттейна. Треугольник в центре — прозрачная призма, по рёбрам которой приклеены полоски фольги — выводы коллектора и эмиттера. Базой служит металлическое основание, на котором закреплён германиевый кристалл.

16 декабря 1947 года физик-экспериментатор Уолтер Браттейн, работавший с теоретиком Джоном Бардином, собрал первый работоспособный точечный транзистор . Спустя полгода, но до обнародования работ Бардина и Браттейна, немецкие физики Герберт Матаре (англ.)русск. и Генрих Велькер (англ.)русск. представили разработанный во Франции точечный транзистор («транзистрон») . Так из безуспешных попыток создать сначала твердотельный аналог вакуумного триода , а затем полевой транзистор, родился первый несовершенный точечный биполярный транзистор.

Точечный транзистор, выпускавшийся серийно около десяти лет, оказался тупиковой ветвью развития электроники — ему на смену пришли германиевые плоскостные транзисторы. Теорию p-n-перехода и плоскостного транзистора создал в 1948—1950 годах Уильям Шокли . Первый плоскостной транзистор был изготовлен 12 апреля 1950 года методом выращивания из расплава . За ним последовали сплавной транзистор , «электрохимический» транзистор и диффузионный меза-транзистор .

В 1954 году Texas Instruments выпустила первый кремниевый транзистор. Открытие процесса мокрого окисления кремния сделало возможным выпуск в 1958 году первых кремниевых меза-транзисторов , а в марте 1959 года Жан Эрни создал первый кремниевый планарный транзистор . Кремний вытеснил германий, а планарный процесс стал основной технологией производства транзисторов и сделал возможным создание монолитных интегральных схем.

Предыстория

Полупроводниковый детектор Пикарда (англ.)русск. 1906 года

В 1906 году Гринлиф Пикард (англ.)русск. запатентовал кремниевый кристаллический детектор^[1]. В 1910 году Уильям Икклз обнаружил, что кристаллические детекторы в определённых условиях демонстрируют отрицательное внутреннее сопротивление и потому могут быть использованы для генерации колебаний и усиления сигналов^[2]. В 1922 году О. В. Лосев доказал возможность усиления и генерации электромагнитных колебаний на кристаллическом детекторе при подаче на него постоянного напряжения смещения (кристадинный эффект)^[2]. Цинкитный детектор («кристадин») Лосева сохранял работоспособность на частотах до 10 МГц^[2]. К концу 1920-х годов кристаллические детекторы были вытеснены вакуумными лампами, а развитие этого направления физики полупроводников приостановилось.

Нереализованный «полевой транзистор» Лилиенфельда. Патент США 1 745 175 на «метод и устройство управления электрическими токами» с приоритетом от 8 октября 1926 года (выдан 28 января 1930 года)

В 1922—1927 годах Грёндаль и Гейгер изобрели и внедрили в практику медно-закисный выпрямитель, а в 1930-е годы ему на смену пришёл более совершенный селеновый выпрямитель^[3]. Как писал Уолтер Браттейн, аналогия между выпрямителем на закиси меди и вакуумным диодом была очевидна для всех, изучавших полупроводники, — и многие из них задумывались о том, как внедрить в выпрямитель третий, управляющий электрод («сетку»), сделав из выпрямителя — усилитель^[4]. В 1925 году немецкий физик Юлиус Лилиенфельд подал первую патентную заявку на твердотельный усилитель, состоящий из слоёв металла и полупроводника^[5][6]. Лилиенфельд не смог довести своё предложение даже до стадии макета: его проект не мог быть реализован в 1920-е годы из-за недостаточного развития фундаментальной науки^[6]. В 1935 году другой немецкий физик, Оскар Хайл (англ.)русск., запатентовал в Великобритании принцип действия полевого транзистора. В 1938 году сотрудники Гёттингенского университета Роберт Пол (англ.)русск. и Рудольф Хилш создали твердотельный «триод», способный усиливать медленно меняющийся входной сигнал^[5]. Усилитель Пола был слишком медленным, работал только при высоких температурах и поэтому не имел практического развития, да и сам Пол не желал заниматься прикладными работами, предпочитая фундаментальную науку^[7]. Все эти безуспешные эксперименты в той или иной мере воспроизводили устройство вакуумного триода. Так, в «триоде» Пола управляющий электрод представлял собой мелкоячеистую металлическую сетку, управлявшую полем внутри кристалла бромида калия^[5]. Лосев в 1939 году упоминал о работе над полупроводниковой «трёхэлектродной системой, аналогичной триоду», но эти неопубликованные работы были утрачены^[8].

Во время Второй мировой войны исследовательские бюджеты многократно выросли, но, по мнению Питера Морриса, в физике полупроводников было сделано слишком мало. Все существенные достижения были связаны с военным заказом в двух направлениях, в которых были бессильны вакуумные лампы, — детектирование инфракрасного излучения и детектирование отражённого сигнала в радиолокации^[9]. Излучатели ранних радиолокаторов работали на частотах до 3 ГГц, а частотный диапазон детекторов на вакуумных диодах был ограничен 400 МГц^[3]. Контактные полупроводниковые детекторы, напротив, могли эффективно выпрямлять сверхвысокие частоты, поэтому в конце 1930-х годов правительства Великобритании, Германии и США начали масштабные проекты по совершенствованию полупроводников. В ходе этих исследований были исследованы фундаментальные свойства полупроводников и заложены основы технологии их производства, сделавшие возможным серийный выпуск полупроводниковых приборов^[10].

Открытие p-n-перехода

Плавка p-n-перехода по патенту Ола 1941 года

В 1936 году директор по исследованиям Bell Labs Мервин Келли поручил Уильяму Шокли изучить возможность создания твердотельных переключателей, способных в перспективе заменить электромеханические реле телефонных станций^[11]. Изучив опубликованные работы Пола, Иоффе и Давыдова^{[прим. 1]} и результаты экспериментов Браттейна, Шокли пришёл к выводу о невозможности внедрения управляющего электрода в массив полупроводника^[12]. Взамен 29 декабря 1939 года Шокли сформулировал принцип работы полевого транзистора: током в канале между двумя электродами должно управлять внешнее поле, создаваемое третьим (управляющим) электродом, размещённым вне канала^[12]. Шокли предложил строить полупроводниковый триод на изученной Давыдовым закиси меди, но первые опыты закончились неудачно, а затем персонал Bell Labs был мобилизован на решение военно-прикладных задач. Шокли в 1940 году работал на урановом проекте, а с 1942 года и до конца войны занимался практическими задачами радиолокации^{[прим. 2]}.

Небольшое ядро физиков-твердотельщиков, оставшееся в Bell Labs после ухода Шокли, занималось поисками материалов для детектирования сверхвысоких частот в радиолокации^[13]. Электрохимик и радиолюбитель Рассел Ол работал с кремниевыми детекторами ещё со времён великой депрессии^[14]. Полагая, что нестабильное поведение ранних детекторов было вызвано недостаточной очисткой от примесей, Ол сосредоточился на технологиях очистки и плавки кремния^[15]. В августе 1939 года Ол, Джон Скафф и Генри Тойерер провели первую плавку в гелиевой атмосфере^[15]. Детекторы, изготовленные из поликристаллического кремния, очищенного до 99,8%, были достаточно стабильными^[15]. Часть из них проводила ток в одном направлении (из контакта в кристалл), часть — в другом (из кристалла в контакт), при этом полярность конкретного экземпляра можно было определить только опытным путём^[15]. Полагая, что направление проводимости определяется только степенью очистки кремния, Ол назвал один тип «очищенным», а другой «коммерческим» (англ. purified and commercial)^[15].

В октябре 1939 года среди заготовок для детекторов нашёлся странный образец, электрические параметры которого вели себя настолько беспорядочно, что дальнейшие измерения казались бессмысленными^[15]. Только 23 февраля 1940 года Ол нашёл время, чтобы лично проверить его^[16]. Оказалось, что образец реагировал на свет, а степень наблюдаемого фотоэффекта на порядок превосходила фотоэффект в традиционных фотоэлементах^[16]. Проводимость образца зависела не только от освещённости, но и от температуры и влажности^[16]. Несмотря на противодействие своего начальника, который был не в ладах с Келли, 6 марта Ол продемонстрировал свою находку Келли и Уолтеру Браттейну^[16]. Браттейн догадался, что фотоэффект возникает на некоем невидимом барьере между двумя слоями кремния и что этот же барьер должен выпрямлять переменный ток^[16]. Именно поэтому измерение проводимости на переменном токе давало необъяснимые, бессмысленные результаты^{[прим. 3]}.

Вскоре Скафф и Ол буквально увидели этот барьер: травление азотной кислотой вскрыло видимую глазу границу между двумя слоями кремния^[16]. Скафф и Ол дали этим слоям новые названия: «кремний p-типа» (от англ. positive, положительный) и «кремний n-типа» (negative, отрицательный), в зависимости от направления тока в изготавливаемых из этих слоёв детекторах^[16]. Барьерная зона получила название p-n-переход^[17]. Постепенно Ол, Скафф и Тойерер пришли к пониманию того, что тип проводимости кремния определяется не его чистотой, а, напротив, присутствием характерных примесей^[17]. Более лёгкие элементы подгруппы бора должны были сосредотачиваться в верхнем слое расплава, более тяжёлые элементы подгруппы азота — в центре тигля^[17]. Действительно, химический анализ кремния p-типа выявил следы бора и алюминия, а присутствие фосфора в грубо очищенном кремнии n-типа ощущалось и без приборов — при обработке такого кремния выделялся фосфин^[17].

Личным волевым решением Келли засекретил открытие p-n-перехода^[18]. Bell Labs охотно делилась образцами кремния с американскими и британскими коллегами, но это был кремний исключительно p-типа^[18]. Ол лично отвечал за то, чтобы кремний n-типа и pn-переходы не покидали стен компании^[18]. Шокли узнал об открытии Ола только 24 марта 1945 года, а широкая публика — 25 июня 1946 года, когда Ол и Скафф получили патенты на свои изобретения 1940 года^[18].

Независимо от американских физиков, в 1941 году В. Е. Лашкарёв представил теорию «запирающего слоя» и инжекции носителей заряда на границе раздела меди и закиси меди. Лашкарёв предположил, что два типа проводимости, обнаруженные термозондом в медно-закисном элементе, разделены гипотетическим переходным слоем, препятствующим электрическому току. Работы Лашкарёва и К. М. Косогоновой («Исследование запирающих слоёв методом термозонда» и «Влияние примесей на вентильный фотоэффект в закиси меди») были опубликованы в 1941 году^[19].

Точечный транзистор

Транзистор Бардина и Браттейна

Бардин, Шокли и Браттейн в лаборатории Bell

В июне 1945 года Келли вновь сформировал отдел по исследованию твёрдого тела во главе с Шокли и Стэнли Морганом (в 1945 году Шокли по-прежнему был занят на военных проектах и не имел достаточно времени для единоличного управления отделом)^[20]. В группу вошли Браттейн, теоретик Джон Бардин, экспериментатор Джеральд Пирсон, физхимик Роберт Джибни и инженер-электрик Хилберт Мур^[20]. Образцы полупроводников изготавливали Уильям Пфанн (англ.)русск., Джон Скафф и Генри Тойерер^[21]. Группа опиралась на ресурсы огромной по тем временам научной организации — в конце 1940-х годов в Bell Labs работали 5700 человек, из них около 2000 — дипломированные профессионалы^[22].

Ознакомившись с наработками исследователей университета Пердью, Шокли сузил выбор полупроводников до двух (германия и кремния), а в январе 1946 года решил сосредоточиться на использовании эффекта поля^[23]. Однако эксперименты показали, что в реальном полупроводнике эффект поля был на три порядка^[24] слабее, чем предсказывала теория^[25]. Бардин объяснил экспериментальные данные, предложив гипотезу поверхностных состояний, согласно которой на границе полупроводника и металлического электрода образуется пространственный заряд, нейтрализующий действие внешнего поля^[25].

В течение 1947 года отдел Шокли искал решение проблемы объёмного заряда, с каждым шагом отступая всё дальше и дальше от концепции полевого транзистора. Шокли писал в 1972 году, что благодаря Бардину «мы прекратили „делать транзистор“. Взамен мы вернулись к принципу, который я называю „уважение к научной стороне практической задачи“»^[26]. В ноябре 1947 года Джибни предложил подавать на «триод» постоянное напряжение смещения с помощью точечного управляющего электрода, отделённого от массы полупроводника слоем электролита^[25]. Работы резко ускорились: в ноябре — декабре Бардин, Джибни и Браттейн испытали не менее пяти разных конструкций «триода»:

Эксперименты Браттейна в ноябре — декабре 1947 года[27]
Дата эксперимента	Полупроводник	Диэлектрик	Усиление			Частотный диапазон	Напряжение смещения[прим. 4]		Примечания
			По напряжению	По току	По мощности		На «стоке» («коллекторе»)	На «затворе» («эмиттере»)
21 ноября	Поликристаллический кремний p-типа	Дистиллированная вода	Нет	Да	Да	<10 Гц	Положительное	Положительное	«Электролитический полевой транзистор», патент США 2 524 034
8 декабря	Поликристаллический германий n-типа	Электролит GU[прим. 5]	Да	Нет	Да	<10 Гц	Отрицательное	Отрицательное
10 декабря	Поликристаллический германий n-типа с приповерхностным слоем p-типа		Да	Да	Да	<10 Гц	Отрицательное	Отрицательное
15 декабря		Оксидная плёнка	Да	Нет	Нет	10 Гц — 10 кГц	Положительное	Отрицательное
16 декабря		Нет	Да[28]	Да[28]	2 дБ[29]	1 кГц[29]	Положительное	Отрицательное	Изобретение точечного транзистора. Патент США 2 524 035
23 декабря			24 дБ на 1 кГц[30] 20 дБ на 10 МГц[31]	Да[31]	2 дБ[30]	До 15 МГц[31]

Современный макет транзистора Бардина и Браттейна

8 декабря Шокли, Бардин и Браттейн пришли к выводу о необходимости замены однородного полупроводника на двухслойную структуру — пластину германия, на поверхности которой был сформирован p-n-переход с высоким напряжением пробоя^[32][28]. 10 декабря «электролитический триод» Бардина и Браттейна на германии n-типа с инверсным слоем p-типа продемонстрировал усиление по мощности около 6000^[33]. Он был неприемлемо медленным даже для усиления звуковых частот, поэтому 12 декабря Бардин заменил электролит на тонкую плёнку окиси германия. Опыт в этот день окончился неудачно, вероятно, из-за повреждения плёнки при отмывке германиевой пластины^[34]. 15 декабря установка с оксидной плёнкой продемонстрировала двукратное усиление по напряжению в частотном диапазоне до 10 кГц^[29]. После этого опыта Бардин предложил использовать два контактных электрода — управляющий (эмиттер) и управляемый (коллектор). По расчётам Бардина, схема могла бы усиливать мощность при межэлектродном расстоянии не более пяти микрон (2*10⁻⁴ дюйма)^[35][29].

15 или 16 декабря 1947 года Браттейн сконструировал контактный узел из пластмассовой треугольной призмы с наклеенной на неё полоской золотой фольги^[36]. Аккуратно разрезав фольгу бритвой, Браттейн получил зазор между коллектором и эмиттером^[36] шириной около 50 микрон^[37][38]. 16 декабря Браттейн прижал контактный узел зазором к поверхности германиевой пластины^[39], создав первый работоспособный точечный транзистор^{[прим. 6]}. 23 декабря 1947 года Браттейн продемонстрировал коллегам транзисторный усилитель звуковых частот с пятнадцатикратным усилением по напряжению^{[прим. 7]}. На частоте 10 МГц усиление составило 20 дБ при выходной мощности 25 мВт^[31]. 24 декабря Браттейн продемонстрировал первый транзисторный генератор^[31].

Так, из неудачных попыток создать полевой транзистор, началось развитие биполярного транзистора^[40]. Руководство Bell Labs, понимая важность события, усилило отдел Шокли специалистами и на время засекретило проект^[30]. Публика узнала об изобретении транзистора 30 июня 1948 года на открытой презентации транзистора в Нью-Йорке, приуроченной к выходу статей в Physical Review^[21]. За месяц до этого события в Bell Labs состоялось тайное голосование по выбору имени нового прибора. Отбросив слишком длинное «полупроводниковый триод» (semiconductor triode), фактически неверное «триод на поверхностных состояниях» (surface states triode) и непонятное «йотатрон» (iotatron), Bell Labs утвердила «транзистор» (transistor) — от англ. transconductance (проводимость) или transfer (передача) и varistor (варистор, управляемое сопротивление)^[41].

Транзистрон Матаре и Велкера

Рентгенограмма транзистрона Матаре-Велкера

В 1944 году немецкий физик Герберт Матаре (англ.)русск., работавший за стенами Любежского монастыря (нем.)русск. над снижением шумов СВЧ-детекторов, изобрёл «дуодиод» — полупроводниковый выпрямитель с двумя точечными контактами^[42]. При подаче на эти контакты одинакового напряжения смещения и противофазных напряжений гетеродина «дуодиод» подавлял высокочастотные шумы гетеродина^[42]. Опыты на поликристаллическом германии Генриха Велкера (англ.)русск. и кремнии Карла Зайлера показали, что эффективное шумоподавление было возможно тогда, когда оба контакта замыкались на один и тот же кристаллик полупроводника^[42]. Если расстояние между контактами не превышало 100 микрон, изменение напряжения на одном из контактов приводило к изменению тока через второй контакт^[42]. В январе 1945 года Матаре бежал на запад от советского наступления, затем попал в плен к американцам, но вскоре был отпущен^[42]. Велкер продолжал исследования до марта 1945 года. Независимо от Шокли, и несколько опережая его, Велкер пришёл к концепции полевого транзистора — и его первые опыты также закончились неудачей^[43].

В 1946 году французские и британские агенты разыскали Велкера и Матаре, допросили их о немецких разработках в радиолокации и предложили работу на французском отделении Westinghouse, где в то время разворачивалось производство германиевых выпрямителей^[43]. Оба согласились: заниматься наукой в разгромленной Германии было невозможно^[43]. Велкер и Матаре основали лабораторию в Ольне-су-Буа и до конца 1947 года занимались наладкой производства выпрямителей^[43]. На рубеже 1947 и 1948 годов Матаре вернулся к теме «дуодиода», а Велкер по просьбе Матаре занялся очисткой германия^[43]. В июне 1948 года, до обнародования изобретения Бардина и Браттейна, усовершенствованный «дуодиод», а фактически — точечный транзистор, Матаре продемонстрировал стабильное усиление^[43]. В июле 1948 года работами Матаре и Велкера заинтересовался министр связи Франции Эжен Тома (фр.)русск., он же дал новому прибору имя «транзистрон» (фр. transistron)^[44]. В мае 1949 года Матаре и Велкер объявили о начале мелкосерийного выпуска транзистронов для дальней телефонной связи^[44].

Первые серийные транзисторы

Структура серийного транзистора «тип А». Профили проводимости эмиттерного и коллекторного переходов определяются материалами электродов и режимом электротермотренировки

В 1948—1951 годах специалисты Bell Labs под руководством Пфанна пытались наладить серийный выпуск точечных транзисторов, используя имеющуюся технологию контактных детекторов СВЧ-излучения^[45]. Пфанн добился успеха благодаря случайному совпадению: фосфористая бронза коллекторных контактов загрязняла поверхность германия атомами фосфора, создавая островки проводимости n-типа^[45]. Значение диффузии атомов меди, создававшей островки p-типа, было прояснено спустя несколько лет работами Кэлвина Фуллера (англ.)русск.^[46]. Транзистор Пфанна фактически был четырёхслойной PNPN-структурой, которая в определённых обстоятельствах демонстрировала несвойственное «настоящим» транзисторам отрицательное сопротивление^[45]. Серийное производство транзистора «тип А» на Western Electric началось в 1951 году и в апреле 1952 года вышло на уровень 8400 транзисторов в месяц^[47]. Производство было трудоёмко, дорого, а воспроизводимость параметров транзисторов — неприемлемо низкой^[45]. Поведение транзисторов зависело не только от температуры, но и от влажности воздуха^[47]. Пентагон внимательно следил за развитием технологии, но отказывался приобретать аппаратуру на ненадёжных приборах^[48]. Несмотря на то, что в 1951 году точечный транзистор уже устарел морально^[49], производство «типа А» продолжалось почти десять лет^[45], так как последовавшие за ним транзисторы на выращенных кристаллах и сплавные транзисторы уступали «типу А» в частотных свойствах. В течение всего десятилетия, по словам Шокли, успех производства зависел от «непостижимого шаманства» (англ. mysterious witchcraft)^[50].

Матаре и Велкер начали производство «транзистронов» в 1949 году, а в 1950 году продемонстрировали Шокли и Браттейну работу транзисторных усилителей на телефонной линии Франция-Алжир^[44]. Американцы насторожились: благодаря более совершенной технологии сборки «транзистроны» считались более надёжными приборами^[51]. Однако вскоре французское правительство прекратило поддержку Матаре и Велкера, и те вернулись в Германию^[44]. В 1952—1953 годах Матаре при поддержке Якоба Михаэля выпустил там опытную партию «транзистронов» и представил публике радиоприёмник на четырёх транзисторах (первый американский транзисторный приёмник Regency TR-1 был выпущен на год позже)^[44]. Американская компания Clevite (будущий владелец Shockley Semiconductor Laboratory) выкупила компанию у Михаэля, а затем свернула производство в Германии^[44]. Матаре переехал в США, Велкер возглавил полупроводниковые исследования на Siemens^[44].

В 1949 году Элмар Франк и Ян Тауц выпустили в Чехии партию работоспособных транзисторов из трофейного немецкого германия, используя собственный (более совершенный, чем у американцев) метод формирования контактов^[52]. В Советском Союзе А. В. Красилов и С. Г. Мадоян создали первый точечный транзистор в 1949 году, а первые промышленные образцы пошли в серию в 1950—1952 годах^[53].

В 1951 году правительство США потребовало, чтобы AT&T предоставило лицензии на свои технологии всем заинтересованным американским компаниям без взимания роялти. К лету 1952 года лицензию (так называемую «книгу за 25 тысяч долларов») приобрели 26 американских и 14 иностранных компаний^[54], но их попытки воспроизвести точечный транзистор не имели успеха. CBS-Hytron сумела запустить точечный транзистор в серию в 1951 году, а через год прекратила его выпуск^[55]. Hughes Aircraft безуспешно пыталась делать транзисторы из отдельных зёрен поликристаллического германия и в итоге отказалась от проекта^[52]. Philips, благодаря довоенным связям с Bell, получила лицензию раньше конкурентов, но серийное производство точечных транзисторов начала только в 1953 году, одновременно с более совершенными сплавными транзисторами^[56].

Ранние плоскостные транзисторы

Теория Шокли

Главный творческий прорыв состоялся не тогда, когда я пытался изобрести транзистор, а когда я конструировал установку для экспериментов с поверхностными явлениями в точечных транзисторах. Внезапно до меня дошло, что экспериментальная структура и есть транзистор. Именно она и была запатентована как плоскостной транзистор^{[прим. 8]}. Я был удручён тем, что, зная всё необходимое для этого изобретения, я целый год не мог соединить части целого — до тех пор, пока не появился раздражитель в лице точечного транзистора. — Уильям Шокли, 1972

Оригинальный текст  (англ.)  

My most important inventive breakthrough came not while I was trying to invent a transistor but while designing an experiment to diagnose incisively the surface phenomena of point-contact transistors. The structure I devised, I suddenly realised, was itself a transistor. It was patented as a junction transistor. I was disconcerted to realise that for at least a year I had known all the concepts needed for the invention but had not put them together until the point-contact transistor provided the challenging stimulus.^[50].

Уильям Шокли в 1975 году

Точечный транзистор Бардина и Браттейна был загадкой для его создателей. Было ясно только то, что изобретатели создали не гипотетический полевой транзистор, а нечто иное. 27 декабря 1947 года Бардин и Браттейн отправили в Physical Review статью об изобретении, объяснявшую действие транзистора поверхностными эффектами в полупроводнике^[57]. В патентной заявке 26 февраля 1948 года они дали другое объяснение, предположив существование в объёме полупроводника барьера, подобного барьеру Шоттки на границе полупроводника и металла^[58]. По мнению Бо Лоека, ни то, ни другое объяснение не выдерживало критики. Ни в одной рукописи Бардина и Браттейна не упоминались неосновные носители и инжекция заряда — понятия, без которых невозможно было описать поведение транзистора^[59].

Решение уже было записано в блокнотах Шокли — первые наброски теории p-n-перехода в германии Шокли создал ещё в апреле 1947 года^[60][61]. 8 декабря 1947 года, обсудив с Бардином и Браттейном структуру перспективного «триода», Шокли вернулся к теоретической проработке усилителя на p-n-переходах^[62]. В последнюю неделю 1947 года он мысленно перебрал множество конфигураций, однако все они, включая схему биполярного транзистора, не выдержали критического анализа^[62]. Только в январе 1948 года Шокли осознал, что использованная им модель не учитывала инжекции неосновных носителей заряда в базу^[62]. Учёт механизма инжекции сделал модель полностью работоспособной. Не позднее 23 января 1948 года Шокли составил патентную заявку на биполярный транзистор (будущий патент США 2 569 347)^[62] и оформил свои идеи в законченную теорию^[63]. В этой работе Шокли, наконец, отбросил попытки создать полевой транзистор и описал ещё не существующий прибор с двумя параллельными p-n-переходами — плоскостной биполярный транзистор. В ней впервые появились такие привычные ныне, но не очевидные в 1948 году утверждения, как необходимость прямого смещения эмиттерного p-n-перехода и обратного смещения коллекторного перехода^[45].

26 июня 1948 года Bell Labs подал патентную заявку на изобретение плоскостного транзистора^[60], но стоявшая за ней теория была оглашена публично только год спустя (16—18 июня 1949 года) — после того, как эксперимент подтвердил теорию^[64]. В июле 1949 года Шокли изложил свою теорию в Bell System Technical Journal (англ.)русск.^[65], а в ноябре 1950 года вышел magnum opus Шокли, Electrons and Holes in Semiconductor^[66] (в русском переводе 1953 года «Теория электронных полупроводников: Приложения к теории транзисторов»^[67]). По словам Ж. И. Алфёрова, книга Шокли стала «настольной книгой по обе стороны Атлантического океана»^[68]. Следует отметить, что Шокли описал именно плоскостной транзистор (транзистор на p-n-переходах, англ. junction transistor), а теорию точечного транзистора и кристадина Лосева так никто и не создал^[69][8]. Физическая сущность первого транзистора Бардина и Браттейна остаётся предметом споров: возможно, что реальные свойства использованной германиевой пластины существенно отличались от того, что предполагали экспериментаторы^[70]. Проверить это невозможно, так как подлинный первый транзистор давно утрачен^[70].

Публикация сделала Шокли безоговорочным авторитетом в физике полупроводников и привела к конфликту с Бардином, который в 1951 году ушёл из Bell Labs, чтобы сосредоточиться на исследованиях сверхпроводимости^[49]. Отношения Шокли и Бардина отчасти нормализовались только после присуждения Бардину, Браттейну и Шокли Нобелевской премии по физике за 1956 год^[71]. Четвёртый основной соавтор изобретения, Роберт Джибни, ушёл из Bell Labs в начале 1948 года и Нобелевской премии не получил^[57]. Впоследствии публичная активность Шокли и внимание прессы способствовали возникновению мнения о том, что Шокли якобы приписывал себе достижения Бардина, Браттейна и других^[71]. В действительности Шокли, напротив, всегда уточнял рамки собственного вклада^[72], исключал из списка изобретателей себя самого и включал туда Джибни^[11]. Шокли скрупулёзно отстаивал права своих коллег, даже тех, с кем (как с Робертом Нойсом) он разошёлся навсегда^{[прим. 9]}.

Транзистор на выращенных переходах

Метод выращивания p-n-переходов из расплава — исторически первая технология производства плоскостных транзисторов

В сентябре 1948 года^[73] в нью-йоркском автобусе случайно встретились два технолога Bell Labs, Гордон Тил (англ.)русск. и Джон Литтл^[74]. В этом случайном разговоре родилась идея производить монокристаллы «транзисторного» германия давно известным методом Чохральского^[74]. В декабре 1949 года Тил, Литтл и Эрни Бюлер построили первую опытную установку для вытягивания монокристаллов — пока ещё совсем небольших, не более 50 мм в длину и 10 мм в ширину^[74]. Если при вытягивании кристалла из расплава германия p-типа затравкой служил кристаллик n-типа, то внутри стержня формировался плавный p-n-переход^[74]. Ценность именно монокристаллических полупроводников в 1949 году не была очевидной — сам Шокли противился выращиванию кристаллов, полагая, что транзистор можно сделать и из качественного, но недорогого поликристаллического материала^[75][76]. Однако именно выращенный p-n-переход позволил экспериментально проверить теорию Шокли^[74].

12 апреля 1950 года Морган Спаркс (англ.)русск. вырастил методом Тила-Литтла трёхслойную NPN-структуру^[77]. Вначале из расплава вытягивалась низкоомная коллекторная область n-типа^[74]. Затем в расплав вбрасывали таблетку акцепторной примеси, растворявшуюся в тонком поверхностном слое расплава, — так формировался слой базы толщиной от 25 до 100 микрон. Сразу после создания базы в расплав вбрасывали таблетку донорной примеси для легирования эмиттера. Полученную трёхслойную NPN-структуру вырезали из кристалла, распиливали на продольные столбики и протравливали в кислоте для устранения поверхностных дефектов^[78]. Самой сложной операцией была контактная сварка 50-микронной золотой проволоки с 25-микронным слоем базы — для этого использовались прецизионные микроманипуляторы и специальный сплав золота с галлием. Примесь галлия, внедрявшаяся в кремний при сварке, расширяла приповерхностный p-слой базы, препятствуя короткому замыканию коллектора и эмиттера^[79]. Массовое производство германиевых транзисторов на выращенных переходах — первых полноценных биполярных транзисторов «по Шокли» — началось в 1951 году на Western Electric.

Из-за большой площади переходов транзисторы на выращенных переходах имели худшие частотные свойства, чем точечные. Но по той же причине выращенные транзисторы могли пропускать во много раз большие токи, при существенно меньших шумах^[75], а их параметры были относительно стабильны — настолько, что их стало возможно уверенно приводить в справочниках^[48]. Осенью 1951 года Пентагон, воздерживавшийся от приобретения точечных транзисторов, объявил о начале программы транзисторизации, сулившей многократную экономию на массе и объёме бортовой аппаратуры^[80]. Bell Labs ответила запуском новой производственной программы, нацеленной на ежемесячный выпуск миллиона транзисторов^[48]. Однако диапазон допустимых температур германиевых транзисторов был слишком узок для военных задач — транзисторизация американских ракет была отложена до выпуска «высокотемпературных» кремниевых транзисторов^[81].

Первый выращенный кремниевый транзистор изготовил на Texas Instruments тот же Тил в апреле 1954 года^[82]. Из-за высокой химической активности и более высокой, чем у германия, температуры плавления кремниевые технологии 1950-х годов отставали от германиевых. Тил вспоминал о том, что на конференции Института радиоинженеров в мае 1954 года коллеги один за другим докладывали о непреодолимых трудностях в работе с кремнием — до тех пор, пока сам Тил не продемонстрировал публике работающий кремниевый транзистор^[81]. Три последующие года, когда Texas Instruments была единственным поставщиком кремниевых транзисторов в мире, озолотили компанию и сделали её крупнейшим поставщиком полупроводников^[81].

Сплавной транзистор

Сплавной транзистор. Квадратная пластина — база, с одной стороны к ней приварена бусина эмиттера, с другой — бусина коллектора

В 1950 году Холл и Данлоп предложили формировать p-n-переходы сплавлением, а первые практические сплавные транзисторы были выпущены General Electric в 1952 году^[83]. В основе типичного сплавного транзистора PNP-типа была тонкая пластина германия n-типа, служившая базой. Эти пластины сплавлялись с индиевыми или мышьяковыми бусинами, а затем отжигались при температуре около 600 °С. При правильном выборе ориентации пластин в них формировались строго параллельные эпитаксиальные слои рекристаллизованного германия n-типа. Толщина базы задавалась временем отжига. Пластина монтировалась на несущую арматуру корпуса в бескислородной среде (азот или аргон), а затем корпус герметично заваривался. Герметизация не могла заменить должной пассивации поверхности p-n-переходов, поэтому параметры сплавных транзисторов были нестабильны во времени^[84]. Практически все сплавные транзисторы изготавливались из германия — реализация сплавной технологии в кремнии оказалась слишком сложной и дорогой^[85].

Переходы между зонами p-типа и n-типа в сплавных транзисторах были резкими (ступенчатыми), в отличие от плавных переходов выращенных транзисторов. Благодаря ступенчатой характеристике эмиттерного перехода сплавные транзисторы имели больший коэффициент усиления по току и были более эффективными переключателями в цифровых схемах. Ступенчатая характеристика коллекторного перехода, напротив, порождала нежелательные свойства — высокую миллеровскую ёмкость, узкий частотный диапазон (до 10 МГц), самовозбуждение усилителей^[86]. Предельная рабочая частота сплавных транзисторов была выше, чем у транзисторов на выращенных переходах, но по-прежнему уступала точечным транзисторам^[85].

В середине 1950-х годов Джеймс Эрли (англ.)русск. предложил различные варианты асимметричных сплавных структур (PNIP, NPIN), позволявшие расширить частотный диапазон до 200 МГц. По утверждению Иена Росса, Эрли стал вторым после Шокли человеком, предложившим принципиально новую структуру транзистора^[87], но сделал это слишком поздно. К концу 1960-х годов транзисторы Эрли, проигрывавшие по всем показателям диффузионным транзисторам, были сняты с производства^[86][88].

Диффузионные транзисторы

Германиевый меза-транзистор

Диффузионно-сплавной меза-транзистор по Дэйси, Ли и Шокли (1955). Три этапа технологии: диффузия базы (из газовой среды), сплавление эмиттера, пайка к основанию

В 1950 году группа специалистов Bell Labs под руководством Кэлвина Фуллера (англ.)русск. начала исследования диффузии примесей в германии с целью выработать меры против загрязнения кристаллов нежелательными примесями. Работы Фуллера развились во всеобъемлющее исследование диффузии из твёрдой и газовой сред и принесли побочный результат — создание эффективной кремниевой солнечной батареи^[46]. В начале 1954 года Шокли предложил использовать диффузию по Фуллеру для формирования p-n-переходов с заданной глубиной и профилем концентрации примесей^[89].

В марте 1955 года Шокли, Джордж Дэйси и Чарльз Ли подали патентную заявку на технологию массового производства диффузионного транзистора^[89]. В этом процессе в диффузионную печь единовременно закладывалась масса монокристаллических таблеток из германия p-типа — будущих транзисторов. Затем в течение 15 минут при 800 °С проводилась диффузия мышьяка, формировавшая на поверхности таблетки слой n-типа (базу). На поверхность каждой таблетки по трафарету наносили тонкий слой алюминия — контактную площадку будущего эмиттера. При отжиге атомы алюминия диффундировали в германий, создавая внутри базы тонкий слой p-типа (собственно эмиттер). Электрический контакт с коллектором, скрытым внутри диффузионного слоя базы, создавался при пайке кристалла к корпусу транзистора припоем, содержащим индий. Индий, диффундируя в германий, менял проводимость базового слоя с n-типа обратно на p-тип, мягко «выталкивая» слой базы из зоны пайки^[90]. Внешний вид таблетки, припаянной к плоскому основанию, напоминал распространённые на юго-западе США столовые горы (исп. mesa), оттого транзисторы этого типа стали известны как меза-транзисторы^[91]. Технология Дэйси, Ли и Шокли пошла в серию на Western Electric, но не вышла на открытый рынок — все выпущенные транзисторы были распределены между самой Western Electric и узким кругом военных заказчиков^[91].

В 1957 году Philips разработал собственную меза-технологию, так называемый процесс «выталкивания базы» (англ. pushed-out base, POB). В этом процессе диффузия и акцепторных (слой базы p-типа), и донорных (слой эмиттера n-типа) примесей производилась из капелек легированного свинца, нанесённых на германиевую таблетку n-типа. Транзисторы этого типа имели граничную частоту усиления до 200 МГц и массово применялись в первых лампово-полупроводниковых телевизорах. Коммерческий успех технологии POB сыграл с Philips злую шутку: компания сосредоточилась на совершенствовании германиевых технологий и сильно отстала и от американцев, и от Siemens в кремниевых^[92].

Открытие мокрого окисления

В начале 1955 года в диффузионной печи Карла Фроша (англ.)русск., занимавшегося в Bell Labs проблемами диффузии в кремний, произошла случайная вспышка водорода^[93]. Часть водорода в печи сгорела с выбросом водяного пара, опытная кремниевая пластина покрылась тонким слоем диоксида кремния^[93]. В течение последующих двух лет Фрош и его помощник Линкольн Дерик при участии Молла (англ.)русск., Фуллера и Холоньяка обстоятельно изучили процесс мокрого термического окисления и довели его до внедрения в промышленное производство^[94][95]. В отличие от непредсказуемого в то время сухого окисления в атмосфере кислорода мокрое окисление водяным паром оказалось легко воспроизводимым процессом, а полученные оксидные слои — равномерными и достаточно прочными^[93]. Они надёжно задерживали тяжёлые легирующие атомы (например, сурьмы) и потому могли служить эффективной, термостойкой маской для селективной диффузии примесей^[93].

Фрош ещё в 1955 году предвидел широкое внедрение селективных оксидных масок, но остановился в одном шаге от идеи интеграции^[93]. Холоньяк писал в 2003 году, что открытие Фроша «сделало все другие методы диффузии устаревшими» и сняло последний барьер на пути к созданию интегральных схем^[94]. Однако Фрош допустил ошибку, решив, что оксид не способен задерживать диффузию фосфора. Тонкие слои оксида, использованные Фрошем, действительно пропускали атомы фосфора, но в начале 1958 года Чи-Тан Са (англ.)русск. установил, что достаточно толстый слой оксида способен задерживать и фосфор^[96]. Эта ошибка задержала начало практических работ Жана Эрни по планарной технологии более чем на год^[96].

Работы Фроша оставались внутренним секретом Bell Labs вплоть до первой публикации в Journal of the Electrochemical Society летом 1957 года^[97]. Однако Уильям Шокли, уехавший в 1954 году в Калифорнию и формально уволенный из Bell Labs в сентябре 1955 года^[98], безусловно был в курсе работ Фроша. Шокли оставался рецензентом и консультантом Bell Labs, регулярно получал известия о новейших работах корпорации, знакомил с ними своих сотрудников^[99]. Две важнейшие и ещё не обнародованные в 1956 году технологии Bell Labs — мокрое окисление и фотолитография — внедрялись в опытное производство Shockley Semiconductor Laboratory^[99]. «Вероломная восьмёрка», покинувшая Шокли и основавшая Fairchild Semiconductor, взяла с собой уже практическое знание этих технологий^[100].

Кремниевый меза-транзистор

Меза-транзистор малой мощности 1960-х годов. Меза-структура с характерными концентрическими выводами эмиттера (в центре) и базы припаяна к торцу вывода коллектора

В августе 1958 года Fairchild Semiconductor представила разработанный Гордоном Муром 2N696 — первый кремниевый меза-транзистор и первый меза-транзистор, продававшийся на открытом рынке США^[101]. Технология его производства принципиально отличалась от «таблеточных» процессов Bell Labs и Philips тем, что обработка проводилась целыми, неразрезанными пластинами с применением фотолитографии и мокрого окисления по Фрошу^[102]. Непосредственно перед резкой пластины на индивидуальные транзисторы проводилась операция глубокого травления (англ. mesaing) пластины, разделявшая островки-мезы (будущие транзисторы) глубокими канавками^[103].

Технология Fairchild существенно повысила производительность, но была для своего времени весьма рискованной: единственная ошибка на этапах диффузии, металлизации и травления пластин приводила к гибели всей партии^[103]. Fairchild выдержала эти испытания, оставаясь почти полтора года единственным поставщиком меза-транзисторов на открытый рынок. 2N696 выгодно отличался от ближайших конкурентов (сплавных транзисторов Texas Instruments) сочетанием бо́льшей допустимой мощности и хорошего быстродействия в цифровых схемах и потому стал на время «универсальным транзистором» американского ВПК^[104]. В вычислительной технике 2N696 работал не столь хорошо из-за долгого времени выключения в ключевом режиме^[105]. В ноябре 1958 года — январе 1959 года Жан Эрни нашёл решение проблемы — легирование коллекторов золотом^[106]. Решение Эрни было совершенно алогичным, невероятным: ранее считалось, что золото «убивает» усиление транзистора^[107]. Однако легированные золотом PNP-транзисторы Эрни, запущенные в серию в начале 1959 года, имели стабильно высокий коэффициент усиления, превосходили германиевые транзисторы в скорости и оставались недосягаемыми для конкурентов до середины 1960-х годов^[108]. Fairchild, обойдя Texas Instruments, стала абсолютным лидером отрасли и удерживала первенство до июля 1967 года^[109].

Меза-технология дала разработчикам беспрецедентную гибкость в задании характеристик p-n переходов и позволила довести допустимое напряжение на коллекторе до нескольких киловольт^[110], а рабочую частоту до 1 ГГц^[111], но она имела и неустранимые недостатки. Она не позволяла формировать резисторы и потому была непригодна для производства интегральных схем^[112]. Толстые коллекторные слои имели высокое омическое сопротивление и, как следствие, далёкие от оптимума импульсные характеристики^[113]. Главная же проблема меза-транзисторов была в том, что выход коллекторного p-n-перехода на отвесную «стенку» мезы не был защищён от загрязняющих примесей — как следствие, надёжность меза-транзисторов была хуже, чем у предшествовавших им сплавных транзисторов^[112]. Микроскопические частицы, притянутые к кристаллу электрическим полем, шунтировали коллекторный переход, снижали коэффициент усиления и напряжение пробоя. Мур вспоминал, что при подаче на коллектор обратного напряжения эти частицы, разогретые током утечки, буквально светились^[114]. Защитить же стенки мезы оксидным слоем было невозможно, так как окисление требовало нагрева до температур, превышающих температуру плавления алюминия контактных площадок.

Планарный транзистор

Отличие планарной технологии Эрни (справа) от меза-технологии (слева). Высоты слоёв показаны схематично

Ещё 1 декабря 1957 года Эрни предложил Роберту Нойсу планарный процесс — перспективную замену меза-технологии. По Эрни, планарная структура должна была формироваться двумя последовательными диффузиями, создающими вначале слой базы, а затем вложенный в него слой эмиттера. Выходы коллекторного и эмиттерного переходов на верхнюю поверхность кристалла изолировались от внешней среды слоем «грязного» оксида, служившим маской при второй (эмиттерной) диффузии^[100]. Это предложение Эрни, так же, как и легирование золотом, противоречило общепринятому тогда мнению^[115]. Фуллер, Фрош и другие инженеры Bell Labs полагали, что «грязный» оксид в законченном транзисторе недопустим, так как атомы примесей будут неизбежно проникать из оксида в кремний, нарушая заданный профиль p-n-переходов^[115]. Эрни доказал, что это мнение ошибочно: предшественники не учли, что при диффузии примесь поступает не только вглубь кристалла, но и распространяется вбок под оксидной маской^[116]. Перекрытие маски над реальным (скрытым) p-n-переходом достаточно велико, поэтому диффузией из оксида в кристалл можно пренебречь^[116].

В последующие полгода Эрни и Нойс не возвращались к планарной теме^[117]. По мнению Риордана, задержка была связана с несовершенством литографского процесса Fairchild: технология 1957—1958 годов не позволяла провести четыре фотолитографии и две диффузии с приемлемым выходом годных, поэтому в последующие полгода Эрни и Нойс не возвращались к планарной теме^[117]. В мае 1958 года им стало известно, что Мартин Аттала из Bell Labs также работает над пассивацией оксидным слоем^[118]. Эрни, не желавший уступать инициативу конкурентам, занялся планарным диодом, а с января 1959 года сосредоточился на изготовлении планарного NPN-транзистора — преемника 2N696^[118]. 2 марта 1959 года Эрни создал первый опытный планарный транзистор^[119]. К 12 марта 1959 года Эрни убедился, что новый прибор превосходит меза-транзисторы по скорости, имеет в тысячу раз меньшие токи утечки и при этом надёжно защищён от посторонних частиц^[120].

По мнению Арджуна Саксены, задержка имела и фундаментальную причину. Согласно работам Карла Фроша, оксидный слой не мог служить маской при диффузии лёгких атомов фосфора — а именно фосфор требовался Эрни при второй, эмиттерной, диффузии^[96]. 2 марта 1959 года (или несколькими днями позже) бывший коллега Эрни по работе у Шокли Чи-Тан Са (англ.)русск. рассказал Эрни и Нойсу о своём опыте диффузии^[96]. Оказалось, что достаточно толстый слой оксида способен эффективно задерживать диффузию фосфора^[96]. Именно это знание и стимулировало активность Эрни в первой половине марта 1959 года^[96].

Мур и Нойс, фактически управлявшие Fairchild^{[прим. 10]}, приняли решение о переходе на планарную технологию, но запуск в серию оказался неожиданно сложным^[121]. Fairchild выпустила первые серийные планарные транзисторы 2N1613 лишь в апреле 1960 года^[122]. 26 мая 1960 года работавший на Fairchild Джей Ласт создал первую планарную интегральную микросхему по идеям Нойса^[123], а в октябре 1960 года Fairchild анонсировала полный отказ от меза-транзисторов^[124]. С тех пор планарный процесс остаётся основным способом производства транзисторов и фактически единственным способом производства интегральных схем^[125].

Высокочастотные и мощные транзисторы

Мощный транзистор с гребёнчатой топологией базы и эмиттера (коллектором служит тело кристалла, припаянное к корпусу)

Совершенствование биполярных транзисторов продолжилось по двум направлениям — повышение рабочей частоты (скорости переключения) и повышение рассеиваемой мощности^[126]. Эти две цели требовали от разработчиков взаимоисключающих технических решений: работа на высоких частотах предполагает минимальную площадь переходов и минимальную толщину базы, а работа на больших токах, напротив, требует большой площади переходов^[126]. Поэтому в 1960-е годы силовые и высокочастотные приборы развивались независимыми путями^[126]. В 1961 году кремниевые транзисторы Fairchild 2N709, спроектированные Эрни по заказу Сеймура Крея, впервые превзошли германиевые транзисторы по скорости переключения^[127]. К концу 1960-х годов опытные транзисторы достигли рабочих частот в 10 ГГц, сравнявшись по быстродействию с лучшими СВЧ-радиолампами^[111].

Мощность, рассеиваемая ранними типами транзисторов, не превышала 100 мВт^[126]. В 1952 году был создан первый «силовой транзистор» с мощностью рассеивания 10 Вт. Это был обычный германиевый сплавной транзистор, припаянный к медному основанию, которое крепилось к массивному радиатору^[128]. В 1954 году был разработан двадцативаттный транзистор с максимальным током коллектора 1 А^[128]. Граничная частота усиления этих транзисторов не превышала 100 кГц, а рабочая температура кристалла — 80 °С^[128]. Рабочий ток и коэффициент усиления были невелики из-за большого, порядка 30 Ом, сопротивления базы^[128].

В конце 1950-х годов разработчики мощных транзисторов переключились на диффузионные технологии и отказались от германия в пользу кремния, способного работать при температурах до 150 °С^[129]. В 1963 году появился первый эпитаксиальный силовой транзистор с сопротивлением базы порядка 1 Ом, что позволило управлять токами в 10 А и более^[128]. В 1965 году RCA выпустила первый многоэмиттерный транзистор с мозаичной топологией^[128], в том же году появились силовые меза-транзисторы с допустимым напряжением в 1 кВ^[129]. В 1970 году рабочий диапазон частот опытных мощных транзисторов достиг 2 ГГц при рассеиваемой мощности 100 Вт^[129]. Тогда же, в конце 1960-х и начале 1970-х годов, начался переход от цельнометаллических корпусов (TO3 (англ.)русск., ТО36, ТО66) к пластмассовым корпусам (TO220 и аналоги)^[111].

Полевой транзистор

Параллельно с совершенствованием биполярного транзистора продолжалась и работа по полевым транзисторам^[130]. В течение десяти лет (1948—1958) она оставалась безрезультатной из-за отсутствия подходящих диэлектриков^[130]. Затем события резко ускорились. В 1958 году Станислав Тезнер выпустил на французском отделении General Electric «Технитрон» (Technitron) — первый серийный, сплавной полевой транзистор^[130]. Это был несовершенный германиевый прибор, отличавшийся высокими токами утечки при малой крутизне характеристики^[130]. В 1959 году RCA выпустила тонкоплёночный полевой транзистор на сульфиде кадмия^[130]. В 1960 году американская Crystalonics выпустила серийный сплавной полевой транзистор на p-n-переходе с уровнем шумов ниже, чем у биполярных транзисторов. В 1962 году Texas Instruments выпустила первый планарный полевой транзистор на p-n-переходе.

Важнейшие события, как и десятью годами ранее, происходили в стенах Bell Labs. В 1959 году Мартин Аттала предложил выращивать затворы полевых транзисторов из двуокиси кремния; приборы такого типа получили название МОП-структур^[130]. В том же году Аттала и Дион Канг создали первый работоспособный МОП-транзистор^[131]. Изобретение не заинтересовало менеджмент Bell, зато RCA и Fairchild начали активно экспериментировать с МОП-технологией уже в 1960 году, а в 1962 году RCA изготовило первую опытную МОП-микросхему с шестнадцатью транзисторами^[131]. В 1963 году Чин-Тан Са (англ.)русск. и Фрэнк Уонлес (англ.)русск. предложили комплементарную МОП-схемотехнику^[132]. Первые серийные МОП-транзисторы RCA и Fairchild вышли на рынок в 1964 году, в том же году General Microelectronics выпустила первую МОП-микросхему, в 1970-е годы МОП-микросхемы завоевали рынки микросхем памяти и микропроцессоров, а в начале XXI века доля МОП-микросхем достигла 99% от общего числа выпускаемых интегральных схем (ИС)^[131].

Комментарии

1. ↑ De Vries, 1993, p. 214, пишет о том, что работы Давыдова не были известны в Bell Labs. По мнению Лоека, это неверно — хотя бы потому, что и Шокли, и Бардин ссылались на Давыдова в своих публикациях.
2. ↑ Lojek, 2007, pp. 12—13. «Урановый проект» Шокли — не Манхэттенский проект, а частная внутренняя разработка Bell Labs. Ещё на этапе теоретических изысканий военное ведомство заставило Bell Labs прекратить эти работы и изъяло все рабочие материалы.
3. ↑ Riordan and Hoddeson, 1997, pp. 49, 47. Ол измерял параметры кремниевых детекторов осциллографическим характериографом на сетевой частоте 60 Гц.
4. ↑ Относительно потенциала полупроводникового кристалла («базы» или «истока»). Все работы этого периода предполагали включение транзистора по схеме с общей базой.
5. ↑ Huff, 2001, p. 10: GU (англ. glycol borate) — электролит на органической основе. Замена воды на вязкий электролит была вызвана только тем, что вода быстро испарялась.
6. ↑ В соответствии с определением 97 ГОСТ 15133-77, название «точечно-контактный транзистор» (буквальная калька с англ. point contact transistor) является недопустимым.
7. ↑ Lojek, 2007, p. 19: Браттейн в своих воспоминаниях называл усиление стократным, однако в рабочих записях 1947 года сказано лишь о пятнадцатикратном (24 дБ).
8. ↑ В соответствии с определением 98 ГОСТ 15133-77, именно так, плоскостной транзистор, следует переводить английское junction transistor. Название не вполне удачное, так как сливается с планарным транзистором.
9. ↑ Berlin, 2005, pp. 86—88: Шокли до конца жизни отказывался разговаривать с Нойсом. После ухода «вероломной восьмёрки» Шокли запатентовал изобретения уволившихся в пользу акционеров Shockley Semiconductor Laboratories, соблюдая при этом личные права изобретателей. Нойс указан автором в четырёх таких патентах.
10. ↑ Riordan, 2007b, p. 3: Мартовские эксперименты Эрни совпали во времени с первым кризисом управления Fairchild. Генеральный директор Эд Болвин ушёл к конкурентам, прихватив с собой пятерых ведущих технологов. Внедрение меза-технологий Fairchild конкурентами казалось делом нескольких месяцев. Принявшему управление компанией Нойсу был нужен новый, неизвестный конкурентам продукт — им и стал планарный транзистор Эрни.

Примечания

1. ↑ Патент США 836 531.
2. ↑ ^{1 2 3} Новиков, 2004, p. 5
3. ↑ ^{1 2} Morris, 1990, p. 20
4. ↑ De Vries, 1993, p. 211. Оригинал цитаты Браттейна: «Anybody in the art was aware of the analogy between a copper-oxide rectifier and a diode vacuum tube and many people had the idea of how do we put in a grid, a third electrode, to make an amplifier».
5. ↑ ^{1 2 3} Chapuis and Joel, 2003, p. 126
6. ↑ ^{1 2} Braun and McDonald, 1982, p. 24
7. ↑ Braun et al, 1982, p. 19
8. ↑ ^{1 2} Новиков, 2004, p. 6
9. ↑ Morris, 1990, p. 24
10. ↑ Morris, 1990, p. 21
11. ↑ ^{1 2} Shockley, 1972, p. 689
12. ↑ ^{1 2} De Vries, 1993, p. 213
13. ↑ Lojek, 2007, p. 13
14. ↑ Riordan and Hoddeson, 1997, p. 46
15. ↑ ^{1 2 3 4 5 6} Riordan and Hoddeson, 1997, p. 48
16. ↑ ^{1 2 3 4 5 6 7} Riordan and Hoddeson, 1997, p. 49
17. ↑ ^{1 2 3 4} Riordan and Hoddeson, 1997, p. 50
18. ↑ ^{1 2 3 4} Riordan and Hoddeson, 1997, p. 51
19. ↑ Loebner, 1976, pp. 682, 698.
20. ↑ ^{1 2} Lojek, 2007, p. 14
21. ↑ ^{1 2} Lojek, 2007, p. 23
22. ↑ Braun and McDonald, 1982, p. 33
23. ↑ Lojek, 2007, p. 15
24. ↑ Shockley, 1972, p. 89 писал о «тысяче раз». De Vries, 1993, p. 214 — «1500 раз»
25. ↑ ^{1 2 3} Lojek, 2007, p. 16
26. ↑ Shockley, 1972, p. 689: «We stopped trying to make a transistor. We followed a princicle that I call „respect for the scientific aspects of practical problems“»
27. ↑ Huff, 2001, pp. 10—11
28. ↑ ^{1 2 3} Huff, 2001, p. 11
29. ↑ ^{1 2 3 4} Huff, 2001, p. 13
30. ↑ ^{1 2 3} Lojek, 2007, p. 19
31. ↑ ^{1 2 3 4 5} Huff, 2001, p. 14
32. ↑ Lojek, 2007, pp. 17—18
33. ↑ Huff, 2001, p. 12
34. ↑ Huff, 2001, pp. 12—13
35. ↑ Morris, 1990, p. 28
36. ↑ ^{1 2} Lojek, 2007, p. 18
37. ↑ Seitz and Einspruch, 1998, p. 180
38. ↑ Huff, 2001, p. 15
39. ↑ Huff, 2001, p. 13: это была та же пластина, что использовалась в опытах 12 и 15 декабря 1947 года.
40. ↑ Morris, 1990, p. 27
41. ↑ Meacham, L. A. et al. Terminology for Semiconductor Triodes. Bell Labs (1948). Проверено 20 марта 2012.
42. ↑ ^{1 2 3 4 5} Riordan, 2005, p. 49
43. ↑ ^{1 2 3 4 5 6} Riordan, 2005, p. 50
44. ↑ ^{1 2 3 4 5 6 7} Riordan, 2005, p. 51
45. ↑ ^{1 2 3 4 5 6} Lojek, 2007, p. 26
46. ↑ ^{1 2} Lojek, 2007, p. 52
47. ↑ ^{1 2} Morris, 1990, p. 29
48. ↑ ^{1 2 3} Morris, 1990, p. 31
49. ↑ ^{1 2} Lojek, 2007, p. 30
50. ↑ ^{1 2} Shockley, 1972, p. 690
51. ↑ Riordan, 2005, pp. 48, 51
52. ↑ ^{1 2} Lojek, 2007, p. 36
53. ↑ 100 лет Александру Викторовичу Красилову. НПП Пульсар (2010). Архивировано из первоисточника 5 августа 2012. Проверено 20 марта 2012.
54. ↑ Lojek, 2007, p. 34
55. ↑ Lojek, 2007, pp. 30—31
56. ↑ De Vries and Borsma, 2005, p. 96
57. ↑ ^{1 2} Lojek, 2007, p. 21
58. ↑ Lojek, 2007, p. 22
59. ↑ Lojek, 2007, pp. 21—22
60. ↑ ^{1 2} Lojek, 2007, p. 27
61. ↑ Huff, 2001, p. 20
62. ↑ ^{1 2 3 4} Huff, 2001, p. 21
63. ↑ Lojek, 2007, p. 27 (в оригинале очевидная ошибка — написано 1947, должно быть 1948).
64. ↑ Lojek, 2007, pp. 28, 42
65. ↑ Shockley, W. The theory of p-n junctions in Semiconductors and p-n Junction Transistors (англ.) // The Bell System Technical Journal. — 1949. — Vol. 28. — P. 435—48.
66. ↑ Lojek, 2007, p. 28
67. ↑ Шокли, У. Теория электронных полупроводников: Приложения к теории транзисторов. — М.: Издательство иностранной литературы, 1953. — 714 с.
68. ↑ Алфёров, Ж. И. Успех «Сколково» может быть достигнут, если наука в стране снова начнет развиваться. Советская Россия (29 апреля 2011). Архивировано из первоисточника 5 августа 2012. Проверено 20 марта 2012.
69. ↑ Lojek, 2007, p. 29
70. ↑ ^{1 2} Huff, 2001, p. 17
71. ↑ ^{1 2} Lojek, 2007, p. 32
72. ↑ Lojek, 2007, p. 33
73. ↑ Huff, 2003, p. 5
74. ↑ ^{1 2 3 4 5 6} Lojek, 2007, p. 42
75. ↑ ^{1 2} Morris, 1990, p. 30
76. ↑ Huff, 2003, pp. 4—6
77. ↑ Lojek, 2007, p. 45
78. ↑ Lojek, 2007, pp. 43—45
79. ↑ Lojek, 2007, pp. 45—46
80. ↑ Morris, 1990, pp. 31—32
81. ↑ ^{1 2 3} Morris, 1990, p. 35
82. ↑ Morris, 1990, pp. 34, 36
83. ↑ Morris, 1990, p. 32
84. ↑ Morris, 1990, p. 33
85. ↑ ^{1 2} Huff, 2003, p. 8
86. ↑ ^{1 2} Morris, 1990, p. 34
87. ↑ Huff, 2003, p. 10: Early «had the distinction of being the only person other than Shockley to propose a basically new transistor structure».
88. ↑ Huff, 2003, p. 10
89. ↑ ^{1 2} Lojek, 2007, p. 54
90. ↑ Dacey, Lee and Shockley US Patent 3028655. Semiconductive Device (1955). Архивировано из первоисточника 5 августа 2012. Проверено 25 марта 2012.
91. ↑ ^{1 2} Brock and Lécuyer, 2010, p. 255
92. ↑ De Vries and Boersma, 2005, pp. 175—176
93. ↑ ^{1 2 3 4 5} Huff, 2003, p. 12
94. ↑ ^{1 2} Huff, 2003, pp. 12—13
95. ↑ Lojek, 2007, p. 82
96. ↑ ^{1 2 3 4 5 6} Saxena, 2009, pp. 100—101
97. ↑ Lojek, 2007, p. 81
98. ↑ Lojek, 2007, p. 38
99. ↑ ^{1 2} Lojek, 2007, pp. 81—83
100. ↑ ^{1 2} Huff, 2003, p. 13
101. ↑ Brock and Lécuyer, 2010, pp. 22, 24
102. ↑ Brock and Lécuyer, 2010, pp. 62—63
103. ↑ ^{1 2} Brock and Lécuyer, 2010, p. 256
104. ↑ Brock and Lécuyer, 2010, p. 23
105. ↑ Brock and Lécuyer, 2010, pp. 25—26
106. ↑ Brock and Lécuyer, 2010, pp. 26—27
107. ↑ Brock and Lécuyer, 2010, p. 27
108. ↑ Brock and Lécuyer, 2010, pp. 24, 27
109. ↑ Lojek, 2007, p. 159
110. ↑ Morris, 1990, pp. 36—37
111. ↑ ^{1 2 3} Morris, 1990, p. 42
112. ↑ ^{1 2} Augarten, 1983, p. 8
113. ↑ Morris, 1990, p. 37
114. ↑ Huff, 2003, p. 14: «He noticed a spot of light emitted from the side of the mesa when the transistor was biased into breakdown. He shut off the power and saw a tiny particle on the side to the mesa at the point of the light emission».
115. ↑ ^{1 2} Brock and Lécuyer, 2010, p. 29
116. ↑ ^{1 2} Brock and Lécuyer, 2010, pp. 29—30
117. ↑ ^{1 2} Riordan, 2007b, pp. 2, 3
118. ↑ ^{1 2} Brock and Lécuyer, 2010, p. 30
119. ↑ Riordan, 2007b, p. 3
120. ↑ Brock and Lécuyer, 2010, pp. 30—31
121. ↑ Brock and Lécuyer, 2010, pp. 31—33
122. ↑ 1959 — Invention of the «Planar» Manufacturing Process. Computer History Museum (2007). Проверено 29 марта 2012.
123. ↑ 1960 — First Planar Integrated Circuit is Fabricated. Computer History Museum (2007). Проверено 29 марта 2012.
124. ↑ Lojek, 2007, p. 126
125. ↑ 1959 — Practical Monolithic Integrated Circuit Concept Patented. Computer History Museum (2007). Проверено 29 марта 2012.
126. ↑ ^{1 2 3 4} Morris, 1990, p. 39
127. ↑ 1961 — Silicon Transistor Exceeds Germanium Speed. Computer History Museum (2007). Архивировано из первоисточника 5 августа 2012. Проверено 29 марта 2012.
128. ↑ ^{1 2 3 4 5 6} Morris, 1990, p. 40
129. ↑ ^{1 2 3} Morris, 1990, p. 41
130. ↑ ^{1 2 3 4 5 6} Morris, 1990, p. 43
131. ↑ ^{1 2 3} 1960 — Metal Oxide Semiconductor (MOS) Transistor Demonstrated. Computer History Museum (2007). Архивировано из первоисточника 5 августа 2012. Проверено 29 марта 2012.
132. ↑ 1963 — Complementary MOS Circuit Configuration is Invented. Computer History Museum (2007). Архивировано из первоисточника 5 августа 2012. Проверено 29 марта 2012.

Источники

• Новиков, М. А. Олег Михайлович Лосев — пионер полупроводниковой электроники (рус.) // Физика твёрдого тела. — 2004. — Т. 46. — № 1. — С. 5-9.
• Augarten, S. State of the art: a photographic history of the integrated circuit. — Ticknor & Fields / Smithsonian Institution, 1983. — 79 p. — ISBN 0899191959
• Berlin, L. The Man Behind the Microchip: Robert Noyce and the Invention of Silicon Valley. — New York: Oxford Uiversity Press, 2005. — P. 85—89. — 440 p. — ISBN 9780199839773
• Braun, E.; McDonald, S. Revolution in Miniature: The History and Impact of Semiconductor Electronics. — Cambridge University Press, 1982. — 247 p. — ISBN 9780521289030
• Brock, D.; Lécuyer, C. Makers of the Microchip: A Documentary History of Fairchild Semiconductor / Lécuyer, C. et al. — MIT Press, 2010. — 312 p. — ISBN 9780262014243
• Chapuis, R. J.; Joel, A. E. 100 Years of Telephone Switching (1878-1978): Electronics, computers, and telephone switching, 1960-1985. — Studies in telecommunication. — IOS Press, 2003. — 596 p. — ISBN 9781586033729
• Clermontel, D. Chronologie scientifique, technologique et économique de la France. — Editions Publibook, 2009. — 411 p. — ISBN 9782748346824
• De Vries, M. J. Design methodology and relationships with science. — NATO Science Series D. — Springer, 1993. — Vol. 71. — 327 p. — ISBN 9780792321910
• De Vries, Marc; Boersma, Kees. 80 years of research at the Philips Natuurkundig Laboratorium (1914-1994): the role of the Nat.Lab. at Philips. — Amsterdam University Press, 2005. — 325 p. — ISBN 9789085550518
• Huff, H. R. John Bardeen and Transistor Physics // Characterization and Metrology for ULSI Technology: 2000 International Conference. — American Institute of Physics / Sematech, 2001. — P. 3—29 (препринт). — ISBN 1-56396-967-X. Ссылки на номера страниц приводятся по препринту [1]
• Huff, H. R. From The Lab to The Fab: Transistors to Integrated Circuits // ULSI process integration III: proceedings of the international symposium / Cor L. Claeys. — Proceedings of the Electrochemical Society. — The Electrochemical Society, 2003. — P. 16—67 (печатное издание), 3—39 (препринт). — 598 p. — ISBN 9781566773768. Ссылки на номера страниц приводятся по препринту (часть 1, часть 2, часть 3).
• Lécuyer, C. et al. Making Silicon Valley: innovation and the growth of high tech, 1930-1970. — MIT Press, 2006. — P. 212—228. — 393 p. — ISBN 9780262122818
• Loebner, E. E. Subhistories of the Light Emitting Diode (англ.) // IEEE Transactions on Electron Devices. — 1976. — Vol. ED23. — P. 675—699. — ISSN 0018-9383.
• Lojek, B. History of semiconductor engineering. — Springer, 2007. — P. 178—187. — 387 p. — ISBN 9783540342571
• Morris, P. R. A history of the world semiconductor industry. — History of technology series. — IET, 1990. — Vol. 12. — 171 p. — ISBN 9780863412271
• Morton, D.; Gabriel, J. Electronics: The Life Story of a Technology. — JHU Press, 2007. — 216 p. — ISBN 9780801887734
• Riordan, M. and Hoddeson, L. Crystal fire: the birth of the information age. — Sloan technology series. — Norton, 1998. — 352 p. — ISBN 9780393318517 Фрагменты из этой книги публиковались как:

Riordan, M. The Industrial Strength Particle (англ.) // Beam Line. — 1996. — P. 30—35. — ISSN 1543-6055.

Riordan, M. and Hoddeson, L. The Origins of the pn Junction // IEEE Spectrum. — 1997. — Vol. 34. — P. 46—51. — ISSN 0018-9235. — DOI:10.1109/6.591664

Riordan, M. The Invention of the Transistor (англ.) // Reviews of Modern Physics. — 1999. — Vol. 71. — P. 336—345. — ISSN 1539-0756. — DOI:10.1103/RevModPhys.71.S336

Riordan, M. and Hoddeson, L. Minority Carriers and the First Two Transistors // Facets: New Perspectivies on the History of Semiconductors / ed. Andrew Goldstein & William Aspray. — New Brunswick: IEEE Center for the History of Electrical Engineering, 1999. — P. 1—33. — 318 p. — ISBN 978-0780399020

Riordan, M. How Europe missed the transistor (англ.) // IEEE Spectrum. — 2005. — P. 47—49. — ISSN 0018-9235.

Riordan, M. From Bell Labs to Silicon Valley: A Saga of Semiconductor Technology Transfer, 1955-61 (англ.) // The Electrochemical Society Interface. — 2007a. — P. 36—41. — ISSN 1944-8783.

Riordan, M. The Silicon Dioxide Solution (англ.) // IEEE Spectrum. — 2007b. — ISSN 0018-9235.. Номера страниц приводятся по онлайн-публикации

IBM представляет первую в мире технологию чипов с 2 нанометрами, открывающую новые горизонты для полупроводников

Новая веха в области микросхем для значительного рывка в производительности и энергоэффективности

6 мая 2021 г.

ОЛБАНИ, штат Нью-Йорк, 6 мая 2021 г. / PRNewswire / – Компания IBM (NYSE: IBM) сегодня представила прорыв в разработке и производстве полупроводников, представив первый в мире чип с технологией нанолистов 2 нанометров (нм). Полупроводники играют критически важную роль во всем, от вычислений до бытовой техники, устройств связи, транспортных систем и критически важной инфраструктуры.

«Инновации IBM, отраженные в этом новом 2-нм чипе, необходимы для всей полупроводниковой и ИТ-индустрии».

Спрос на повышенную производительность микросхем и энергоэффективность продолжает расти, особенно в эпоху гибридного облака, искусственного интеллекта и Интернета вещей. Новая 2-нм чиповая технология IBM помогает продвинуться вперед в полупроводниковой промышленности, удовлетворяя этот растущий спрос. Предполагается, что он обеспечит на 45 процентов более высокую производительность или на 75 процентов более низкое энергопотребление по сравнению с современными наиболее совершенными 7-нм узловыми чипами ^и .

Потенциальные преимущества этих усовершенствованных 2-нм чипов могут включать:

• Увеличение срока службы батареи сотового телефона в четыре раза , пользователям требуется заряжать свои устройства только каждые четыре дня ⁱⁱ .
• Сокращение углеродного следа центров обработки данных, , на которые приходится один процент мирового потребления энергии ⁱⁱⁱ . Замена всех серверов на процессоры на базе 2 нм потенциально может значительно уменьшить это число.
• Значительное ускорение функций портативного компьютера, от более быстрой обработки в приложениях до более простой помощи в переводе на язык и более быстрого доступа в Интернет.
• Способствует более быстрому обнаружению объектов и ускорению реакции в автономных транспортных средствах, таких как беспилотные автомобили.

«Инновации IBM, отраженные в этом новом 2-нм чипе, необходимы для всей полупроводниковой и ИТ-индустрии», – сказал Дарио Хиль, старший вице-президент и директор IBM Research. «Это продукт подхода IBM к решению сложных технологических задач и демонстрация того, как прорывы могут быть результатом устойчивых инвестиций и совместного экосистемного подхода к исследованиям и разработкам.«

IBM в авангарде полупроводниковых инноваций
Этот последний прорыв основан на десятилетиях лидерства IBM в области полупроводниковых инноваций. Компания занимается разработкой полупроводников в исследовательской лаборатории, расположенной в Нанотехнологическом комплексе Олбани в Олбани, штат Нью-Йорк, где ученые IBM работают в тесном сотрудничестве с партнерами из государственного и частного секторов, чтобы раздвинуть границы логического масштабирования и возможностей полупроводников.

Такой совместный подход к инновациям делает IBM Research Albany ведущей в мире экосистемой для исследований в области полупроводников и создает мощный поток инноваций, помогая удовлетворить потребности производства и ускорить рост мировой индустрии микросхем.

Наследие IBM в области прорывов в области полупроводников также включает в себя первую реализацию 7-нм и 5-нм техпроцессов, DRAM с одной ячейкой, законы масштабирования Деннарда, фоторезисты с химическим усилением, медную межсоединительную проводку, технологию кремния на изоляторе, многоядерные микропроцессоры, вентиль High-k. диэлектрики, встроенная память DRAM и наложение 3D-чипов. Первое коммерческое предложение IBM, включающее усовершенствования IBM Research 7 нм, дебютирует в конце этого года в IBM Power Systems на базе IBM POWER10.

50 миллиардов транзисторов на микросхеме размером с ноготь
Увеличение количества транзисторов на кристалл может сделать их меньше, быстрее, надежнее и эффективнее. Дизайн 2 нм демонстрирует расширенное масштабирование полупроводников с использованием технологии нанолистов IBM. Его архитектура – первая в отрасли. Этот последний прорыв, разработанный менее чем через четыре года после того, как IBM объявила о своей важной 5-нм конструкции, позволит разместить до 50 миллиардов транзисторов на кристалле размером с ноготь.

Больше транзисторов на микросхеме также означает, что у разработчиков процессоров есть больше возможностей для внедрения инноваций на уровне ядра для улучшения возможностей для передовых рабочих нагрузок, таких как искусственный интеллект и облачные вычисления, а также новые пути для аппаратной безопасности и шифрования. IBM уже внедряет другие инновационные усовершенствования на уровне ядра в последние поколения оборудования IBM, такие как IBM POWER10 и IBM z15.

О IBM
IBM – ведущий глобальный поставщик гибридных облаков, искусственного интеллекта и бизнес-услуг, помогающий клиентам в более чем 175 странах извлекать выгоду из своих данных, оптимизировать бизнес-процессы, сокращать расходы и получать конкурентные преимущества в своих отраслях.Около 3000 государственных и корпоративных структур в критически важных областях инфраструктуры, таких как финансовые услуги, телекоммуникации и здравоохранение, полагаются на платформу гибридного облака IBM и Red Hat OpenShift для быстрого, эффективного и безопасного проведения цифровых преобразований. Революционные инновации IBM в области искусственного интеллекта, квантовых вычислений, отраслевых облачных решений и бизнес-услуг предоставляют нашим клиентам открытые и гибкие возможности. Все это подкреплено легендарным стремлением IBM к доверию, прозрачности, ответственности, инклюзивности и обслуживанию.

Для получения дополнительной информации посетите www.ibm.com

Контакты для СМИ
Бетани Хилл Маккарти, [email protected]
IBM Research

Сэм Понедал, [email protected]
IBM Cognitive Systems

ⁱ На основе прогнозируемой дорожной карты масштабирования отраслевого стандарта
ⁱⁱ На основе текущей статистики использования сотовых телефонов на базе 7 нм
ⁱⁱⁱ https://science.sciencemag.org/content/367/6481/984

ИСТОЧНИК IBM

Новый полевой транзистор с гетероструктурой AlGaN / GaN на основе технологии с открытым затвором.

Анализ характеристик устройства. показан на рис.1. Для этих четырех образцов длина затвора (

L _G ) составляла 40 мкм, общая ширина канала ( W ) составляла 100 мкм, а расстояние затвор-исток ( L _GS ) и Расстояние между затвором и стоком ( L _GD ) составляло 6 мкм. Образец 1 был обычным устройством с закрытым затвором. Образцы 2, 3 и 4 были устройствами с отверстием в середине затвора, а ширина отверстия ( W _O ) составляла 3 мкм, 4 мкм и 5 мкм соответственно.Большой размер устройства связан с рабочим механизмом устройства с открытым затвором, который будет подробно обсужден позже.

Рис. 1

Принципиальная схема структуры ( a ) нормального устройства и ( b ) устройства с открытым затвором. Рисунок был создан Adobe Illustrate CC 2019 (https://www.adobe.com/cn/products/illustrator.html).

Выходные характеристики с логарифмической осью y и стандартной осью y для четырех выборок показаны на рис. 2.Хорошо видно, что для этих четырех образцов V _GS обладал хорошей способностью модулировать I _DS . Даже для образцов с открытым затвором I _DS все еще может модулироваться V _GS до тех пор, пока ток не будет отключен. Когда В _GS ≤ – 4,5 В, смещение затвора устройств с открытым затвором все еще может эффективно модулировать ток в широком диапазоне, что не наблюдается в обычных устройствах. При увеличении W _O , образец I _DS можно было модулировать в более широком диапазоне V _GS .Как показано на рис. 2e, когда В _GS = – 4 В, появляется излом около кроссовера линейного насыщения кривой выходной характеристики. Конкретный механизм эффекта кинка до сих пор остается спорным, но обычно считается, что этот кинк связан с ловушками электронов в материалах гетероперехода AlGaN / GaN ^18,19,20 . При увеличении V _DS электроны канала сначала захватываются ловушкой, а затем покидают ее, в результате чего ток в канале сначала уменьшается, а затем увеличивается.Следует отметить, что для материала в этой статье из-за низкой плотности захвата электронов эффект перегиба может быть очевиден только при низкой плотности канала 2DEG ( n _2D ). Для устройств с открытым затвором, поскольку открытая область всегда поддерживает высокое значение n _2D , что будет подробно описано позже, очевидного эффекта перегиба нет.

Рисунок 2

Измеренные выходные характеристики с логарифмической осью y: ( a ) образец 1, ( b ) образец 2, ( c ) образец 3 и ( d ) образец 4.Измеренные выходные характеристики со стандартной осью Y в определенном диапазоне смещения затвора: ( e ) образец 1, ( f ) образец 2, ( g ) образец 3 и ( h ) образец 4.

В качестве важного параметра В _th может отражать диапазон напряжения, в котором В _GS может эффективно модулировать I _DS . При использовании метода постоянного тока, когда ток насыщения достигает порядка 10 ^-8 А, соответствующее смещение затвора определяется как В, _th .Полученные значения составляли В, , _th = – 4,5, – 6, – 7 и – 8 В для четырех образцов, обозначенных 1, 2, 3 и 4 соответственно. Это согласуется с тем, что показано на рис. 2. Было обнаружено, что устройства с открытым затвором имеют более низкое значение В, _th , чем обычные устройства. Когда W _O увеличилось, V _th изменилось в отрицательном направлении, поэтому образцы I _DS можно было модулировать в большем диапазоне напряжения затвора.Другими словами, V _th устройств можно было бы модулировать, просто изменив W _O .

Вольт-фарадные характеристики (C – V) со стандартной осью y и логарифмической осью y четырех образцов показаны на рис. 3. Можно видеть, что ВАХ четырех образцов практически одинаковы. когда В _GS > – 4,5 В. Это связано с тем, что емкость устройства, полученная из измерения C – V в этом диапазоне напряжений, соответствует только области под затвором, а области затвора четырех образцов очень близко.Когда В _GS составляет около -4,5 В, емкость четырех отсчетов быстро уменьшается до минимума, что означает, что 2DEG под областью затвора почти истощается около В _GS = -4,5 В. Для 2DEG в открытой области конкретный анализ будет проводиться следующим образом.

Рисунок 3

Измеренные C – V характеристики со стандартной осью Y и логарифмической осью Y: ( a ) образец 1, ( b ) образец 2, ( c ) образец 3 и () d ) образец 4.При измерении ВАХ разные потенциалы прикладываются к затвору и истоку соответственно, и исток и сток не закорачиваются. Для устройств с открытым затвором емкости двух затворов измеряются отдельно и суммируются, чтобы получить емкость, показанную на рисунке. На рисунке также отмечены эффективные ширины открытой области при различном смещении затвора, рассчитанные по ВАХ.

При изменении смещения затвора поперечное электрическое поле может модулировать 2DEG в открытой области, что наблюдается в полевых транзисторах с плоским затвором (IPGFET) ^21,22 .Однако для IPGFET барьерный слой под затвором металлизируется путем отжига, так что затвор и канал 2DEG находятся в одной плоскости, что дополнительно приводит к сильной роли бокового электрического поля. Для устройств с открытым затвором AlGaN / GaN, поскольку затвор и канал 2DEG разделены барьерным слоем AlGaN, поперечное электрическое поле не может быть установлено напрямую как полевые транзисторы IPGFET. Однако затвор все еще может модулировать канал 2DEG посредством краевого электрического поля, которое аналогично AlGaAs / GaAs транзистору с расщепленным затвором ^23,24,25,26 .Согласно соответствующим результатам исследования структуры ^23,24,25 с разделенным затвором из AlGaAs / GaAs, до того, как 2DEG под затвором истощится, смещение затвора не повлияет на 2DEG в открытой области. После этого из-за действия краевого электрического поля смещение затвора изменит количество заряда в открытой области, что отразится на ВАХ. Как показано на C – V кривых с логарифмической осью y на рис. 3, видно, что при V _GS ≤ – 4.{- 4.5} {C_ {N} dV}. $$

(1)

Здесь C _O и C _N – емкости устройства с открытым затвором и нормального устройства, соответственно.

Исследования устройств с расщепленным затвором AlGaAs / GaAs показывают, что эффективная ширина открытой области ( W _eff ) будет сужаться из-за потребления электронов 2DEG краевым электрическим полем ^23,24,25 .Что касается того, меняется ли n _2D суженной открытой области на V _GS , разные исследования показывают разные результаты ^23,25,26 . Для удобства расчета мы принимаем результаты Thornton et al. ²³ и предположим, что n _2D останется постоянным, поскольку W _eff уменьшится. Когда краевое электрическое поле потребляет мало электронов 2DEG в открытой области, это предположение очевидно, и суженное значение W _eff можно выразить как

$$ W_ {eff} = W_ {O} – \ Delta Q / ru_ {2D} L_ {G}, $$

(2)

, где e – абсолютное значение электронного заряда.

Для устройств с открытым затвором конкретное значение Вт _eff при разном смещении затвора может быть получено и отмечено на рис. 3. Можно увидеть, что изменение Вт _eff , вызванное боковым электрическим поле очень маленькое, чего недостаточно, чтобы перещипнуть канал. Следовательно, помимо модуляции краевого электрического поля на 2DEG в открытой области, должен быть новый рабочий механизм для модуляции тока в открытой области до тех пор, пока он не будет выключен.

На основании приведенного выше анализа можно сделать вывод, что образцы с открытым затвором имеют разные рабочие режимы до и после В _GS = – 4,5 В. Когда В _GS > – 4,5 В, все канал, включая область затвора и открытую область, является проводящим, и устройство с открытым затвором работает в режиме 1. В это время, когда V _GS изменяется отрицательно, n _2D под затвором уменьшается. , что приводит к уменьшению I _DS , что аналогично рабочему механизму обычных устройств.Когда устройство с открытым затвором работает в режиме 2 ( В, _GS ≤ – 4,5 В), 2DEG под областью затвора истощается, и только открытая область является проводящей. В этом режиме, когда В, _GS изменяется отрицательно, а электрическое поле на затворе уменьшает Вт _eff , существует другой механизм, влияющий на электроны канала, которые совместно модулируют ток канала. Чем больше ширина проема, тем больше начальный ток режима 2 и тем сложнее его выключить.Следовательно, V _th изменяется отрицательно с увеличением W _O .

Для сравнения модулирующей способности устройств в двух рабочих режимах необходимо рассчитать крутизну до и после В _GS = – 4,5 В. На рисунке 4 показаны передаточные характеристики со стандартной осью Y и логарифмической шкалой. По оси ординат четырех образцов, где напряжение сток-исток (\ ({V} _ {DS} \)) равно 10 В. Поскольку два затвора устройства с открытым затвором не соединены, во время измерения передаточных характеристик , когда переменное смещение применяется к одному вентилю, такое же смещение необходимо применять к другому вентилю одновременно, что не может быть достигнуто из-за ограничений прибора.Следовательно, мы можем найти только I _DS , соответствующие различным В _GS из выходных характеристик при условии В _DS = 10 В, и извлечь их, чтобы сформировать передаточные характеристики открытого -затворные устройства. Из рисунка 4 ясно видно, что напряжения выключения четырех образцов в основном согласуются с пороговыми напряжениями, извлеченными методом постоянного тока. Все токи выключения четырех выборок составляют порядка 10 ^-8 А, что указывает на то, что ток может быть полностью отключен даже для устройств с открытым затвором.Крутизну устройств можно получить, построив кривую передаточной характеристики. Расчетная максимальная крутизна ( г, _{м, макс.} ) образцов с открытым затвором до и после В _GS = -4,5 В показаны в таблице 1. Из таблицы видно, что для открытых затворные устройства, г _{м, макс.} при В _GS > – 4,5 В намного больше, чем при В _GS ≤ – 4,5 В, что указывает на то, что модулирующая способность устройств значительно ослаблена при В _GS ≤ – 4.5 V.

Рисунок 4

Измеренные характеристики передачи со стандартной осью y и логарифмической осью y: ( a ) образец 1, ( b ) образец 2, ( c ) образец 3 и ( d ) образец 4. Напряжение сток-исток во время измерения постоянное и составляет 10 В. Передаточные характеристики устройств с открытым затвором извлекаются из их выходных характеристик.

Таблица 1 Расчетная максимальная крутизна образцов 2, 3 и 4.

На рисунке 5 показано изменение измеренного тока утечки затвора ( I _G ) с В _GS для четырех образцов.Видно, что ток утечки этих четырех образцов мало отличается. Максимальное значение тока утечки для каждого образца составляет порядка 10 ^-8 А, что соответствует порядку тока выключения и намного меньше тока включения. При В _GS ≤ – 4,5 В ток утечки каждого образца остается практически неизменным. Это показывает, что влияние I _G на I _DS можно игнорировать, когда устройство включено, и модуляция смещения затвора на ток в открытой области не вызвана напрямую I _G .Кроме того, соответствующие исследования показывают, что электроны, выходящие из затвора, будут захвачены в состоянии пустой поверхности, таким образом образуя виртуальный затвор ²⁷ , что может повлиять на модуляцию канала n _2D . Однако виртуальный затвор, сформированный вышеупомянутым процессом, должен располагаться в области между затвором и стоком ^27, , которая распределена по обеим сторонам открытой области, а не непосредственно над ней. Следовательно, даже если виртуальный затвор, вызванный утечкой затвора, существует, n _2D в открытой области нельзя напрямую модулировать.

Рисунок 5

Измеренный ток утечки затвора как функция смещения затвора: ( a ) образец 1, ( b ) образец 2, ( c ) образец 3 и ( d ) образец 4.

Базовый рабочий механизм

Мы предполагаем, что для устройств с открытым затвором V _GS модулирует ток канала в открытой области, изменяя подвижность электронов через механизм рассеяния PCF. В AlGaN / GaN HFETs имеется несколько механизмов рассеяния, таких как рассеяние на дислокациях (DIS), рассеяние акустических фононов (AP), рассеяние на полярных оптических фононах (POP), рассеяние на шероховатости интерфейса (IFR), в дополнение к рассеянию PCF ^{28, 29,30} .Для определенной области в канале механизмы рассеяния, отличные от рассеяния PCF, коррелируют только с V _GS через n _2D там. Поскольку n _2D в суженной открытой области остается неизменным, можно считать, что другие механизмы рассеяния в этой области не изменяются с V _GS . Рассеяние PCF не только зависит от n _2D в открытой области, но также зависит от дополнительной плотности поляризационного заряда (σ) под областью затвора устройства с открытым затвором.Поляризационные заряды на границе раздела гетероструктуры AlGaN / GaN равномерно распределены до изготовления устройства ^31,32 . Однако после изготовления устройства, когда применяется V _GS , деформация барьерного слоя под затвором изменяется из-за наличия обратного пьезоэлектрического эффекта ³³ . Эта неоднородная деформация приведет к неравномерному распределению поляризационных зарядов, тем самым генерируя дополнительные поляризационные заряды и рассеивая электроны канала.Это так называемое рассеяние ПКФ ^34,35 . Для устройств с открытым затвором, поскольку V _GS изменяется отрицательно, дополнительный поляризационный заряд под затвором будет увеличиваться, и рассеяние PCF на электроны 2DEG в открытой области соответственно возрастет. Это приведет к снижению подвижности электронов и увеличению сопротивления в открытой области. В результате ток в открытой области уменьшается, поскольку V _GS изменяется отрицательно, так что смещение затвора модулирует ток канала.{{{1 \ mathord {\ left / {\ vphantom {1 3}} \ right. \ kern- \ nulldelimiterspace} 3}}} \) – вариационный параметр, m ^* – эффективная масса электрона материала GaN, ℏ – приведенная постоянная Планка, ε ₀ – это диэлектрическая проницаемость, а ε _s – статическая диэлектрическая проницаемость GaN.

Для образцов 2, 3 и 4, принимая открытую область в качестве эталона, что означает, что дополнительный поляризационный заряд в открытой области считается равным нулю, только область под затвором имеет отрицательный дополнительный поляризационный заряд под отрицательным В _GS .Два затвора по обеим сторонам проема симметричны, и напряжения, приложенные к двум затворам, одинаковы. Следовательно, дополнительные поляризационные заряды под двумя затворами равны и выражаются как σ _G1 = σ _G2 = σ _G . Как упоминалось выше, когда В _GS ≤ – 4,5 В, только открытая область устройства является проводящей. В настоящее время необходимо учитывать только эффект рассеяния дополнительных поляризационных зарядов под затворной областью на электронах в открытой области.{*} \ left (z \ right) \ left [{V \ left ({q_ {x}, q_ {y}, z} \ right)} \ right]} \ psi_ {k} \ left (z \ right ) дз. \\ \ end {align} $$

(4)

Здесь q _x и q _y – компоненты изменения волнового вектора q = k ′ – k в x и y направлений соответственно.{{{1 \ mathord {\ left / {\ vphantom {1 2}} \ right. \ kern- \ nulldelimiterspace} 2}}} \ sin \ left ({{\ theta \ mathord {\ left / {\ vphantom {\ theta 2}} \ right. \ kern- \ nulldelimiterspace} 2}} \ right)} \ right | \), где E – энергия электрона 2DEG, а θ – угол рассеяния электрона 2DEG от k до k ′ ³⁵ .

После определения матричного элемента вывод, связанный с рассеянием ПКФ, может быть получен с помощью стандартизованного процесса (дополнительный раздел.1).

Используя итерационный расчет рассеяния ПКФ ³⁸ , можно получить конкретные значения σ _G и различных подвижностей электронов для разных значений V _GS , и результаты расчетов показаны на рис. Видно, что при отрицательном изменении V _GS абсолютное значение σ _G увеличивается, что согласуется с теорией обратного пьезоэлектрического эффекта. При постоянном В _GS большие значения W _O приводят к меньшим абсолютным значениям σ _G .На рисунке 6 также показано, что μ _Total и μ _PCF уменьшаются при отрицательном изменении V _GS , тогда как μ _DIS , μ _AP , μ _POP и μ _IFR не изменяются с V _GS . По мере того, как применяются большие отрицательные значения V _GS , значения μ _Total и μ _PCF становятся ближе.Связь между подвижностью электронов и V _GS можно объяснить следующим образом. Для суженной открытой области AlGaN / GaN HFET n _2D не меняется с V _GS , что означает, что механизмы рассеяния, кроме рассеяния PCF, не меняются и с V _GS . При отрицательном изменении V _GS абсолютное значение σ _G увеличивается, рассеяние ПКФ становится сильнее и соответственно уменьшается μ _ПКФ .Когда другие интенсивности рассеяния остаются неизменными, уменьшение мкм _PCF неизбежно приведет к уменьшению мкм _Всего . С другой стороны, когда отрицательное значение V _GS велико, подвижность рассеяния ПКФ, очевидно, меньше, чем подвижность других механизмов рассеяния (рис. 6), что означает, что рассеяние ПКФ занимает доминирующее положение среди различных типы рассеяния. Следовательно, μ _Total и μ _PCF очень похожи по значению.Поскольку V _GS продолжает отрицательно изменяться, рассеяние ПКФ еще больше усиливается, и его доля среди всех механизмов рассеяния также увеличивается. Следовательно, большие отрицательные значения В _GS приводят к более близким значениям мкм _Всего и мкм _PCF .

Рисунок 6

Расчетная ( a ) плотность дополнительного поляризационного заряда для образцов с открытым затвором и различных подвижностей электронов для ( b ) образца 2, ( c ) образца 3 и ( d ) образца 4 как функция смещения затвора. μ _DIS , μ _IFR , μ _AP , μ _POP , μ _PCF и μ _Всего соответствует подвижности электронов DIS-рассеяния, IFR-рассеяние, AP-рассеяние, POP-рассеяние, PCF-рассеяние и полная подвижность электронов соответственно.

При сравнении μ _PCF образцов 2, 3 и 4 также можно обнаружить, что при том же V _GS меньшая ширина отверстия приводит к меньшему μ _PCF в открытый регион.Согласно предыдущим расчетам известно, что абсолютное значение σ _G будет увеличиваться при уменьшении ширины проема. С другой стороны, когда общая ширина такая же, меньшая открытая область означает большую область затвора. Следовательно, по мере уменьшения ширины отверстия общее количество дополнительных поляризационных зарядов под областью затвора будет увеличиваться, а общее количество электронов, рассеянных в открытой области, уменьшится. Это увеличит рассеяние PCF, тем самым уменьшив μ _PCF при том же V _GS .

С помощью приведенных выше количественных расчетов можно дополнительно доказать, что для устройств с открытым затвором рассеяние PCF играет важную роль. Когда 2DEG под областью затвора истощается, именно через рассеяние PCF, которое изменяет подвижность электронов в открытой области, V _GS может модулировать I _DS и дополнительно реализовывать отключение устройств. На основе этого механизма, чтобы улучшить способность V _GS модулировать I _DS в открытой области, необходимо найти способ усиления рассеяния PCF.Увеличение площади затвора для увеличения дополнительного поляризационного заряда под затвором является возможным методом увеличения рассеяния PCF, что также является причиной выбора устройства большого размера в этой статье. Вышеупомянутое исследование также показывает, что способность модуляции от V _GS до I _DS в открытой области увеличивается с уменьшением ширины раскрытия. Следовательно, если длина затвора уменьшается, а ширина проема уменьшается в равной пропорции, такой же механизм можно ожидать в устройствах с меньшей длиной затвора.Соответствующие исследования в настоящее время продолжаются.

Уже установлено, что когда V _DS применяется к AlGaN / GaN HFET, электроны будут инжектироваться на поверхность устройства через источник и захватываться состояниями ловушки на поверхности, что приводит к падению в поверхностном потенциале прибора ³⁹ . Таким образом, между поверхностью и каналом будет отрицательная разность потенциалов, что эквивалентно виртуальному затвору с отрицательным смещением, прикладываемым к поверхности устройства для истощения 2DEG в канале.Следовательно, насыщение по току может быть достигнуто с помощью механизма, аналогичного отсечке канала для полевых транзисторов AlGaN / GaN без стыковки, и это также применимо к открытой области устройств с открытым затвором. В описанном выше процессе виртуальный затвор формируется под действием электрического поля сток-исток, поэтому теоретически смещение затвора не влияет на его потенциал. Следовательно, этот виртуальный вентиль может влиять только на текущее насыщение, но не может использоваться для объяснения модуляции смещения затвора током канала.

На рис. 7a – c показаны значения напряжения насыщения ( В _sat ) и тока насыщения ( I _sat ) для образцов 2, 3 и 4 в зависимости от В _GS при V _GS ≤ – 4,5 В. V _sat и I _sat при различных смещениях затвора получены методом, показанным на рис. 2. Можно видеть, что V _sat и I _sat значения каждой выборки уменьшаются, поскольку V _GS изменяется отрицательно.Согласно предыдущим расчетам, наблюдается уменьшение подвижности электронов, поскольку V _GS отрицательно изменяется под влиянием рассеяния PCF, увеличивая сопротивление канала. Проводящую часть устройства можно рассматривать как последовательное соединение сопротивления области канала и сопротивления омического контакта, при этом сопротивление омического контакта не изменяется при В _GS . При отрицательном изменении В _GS сопротивление канала увеличивается, а ток канала уменьшается.Это приведет к уменьшению падения потенциала на сопротивлении омического контакта на конце стока и дальнейшему увеличению потенциала канала. Таким образом, чтобы достичь потенциала канала, соответствующего точке насыщения, необходимо соответственно уменьшить V _DS . Следовательно, V _sat будет уменьшаться, поскольку V _GS изменится в отрицательную сторону. Кроме того, сопротивление канала увеличится, и V _sat уменьшится, что неизбежно приведет к уменьшению I _sat .Когда В _GS ≤ – 4,5 В, отношения между I _sat и подвижностью электронов, соответствующие различным смещениям затвора в открытой области образцов 2, 3 и 4, показаны на рис. 7d – f. Можно видеть, что I _sat и подвижность электронов приблизительно линейно связаны, что согласуется с работой Kuzmík et al. ³⁹ В результате можно дополнительно проверить рабочий механизм открытой области.

Рисунок 7

Измеренные напряжение насыщения и ток насыщения как функция смещения затвора для ( a ) образца 2, ( b ) образца 3 и ( c ) образца 4.Измеренный ток насыщения как функция рассчитанной полной подвижности электронов для ( d ) образца 2, ( e ) образца 3 и ( f ) образца 4. Точки насыщения получены методом, показанным на рис. 2. Подвижность электронов соответствует расчетной полной подвижности электронов, показанной на рисунке 6.

Потенциал приложения

Устройство с открытым затвором имеет два режима проводимости. Когда В _GS ≤ – 4,5 В, только открытая область устройства является проводящей, а ток проводимости очень низкий.В это время В _GS влияет на подвижность электронов через рассеяние PCF и дополнительно модулирует I _DS , который имеет более слабую модулирующую способность, но все же может обеспечивать эффективную модуляцию в более широком диапазоне напряжений. Основываясь на этих характеристиках устройств с открытым затвором, считается, что эти устройства могут подходить для широкого диапазона применений с усилителями напряжения класса A с низким энергопотреблением. На примере образца 4 можно сделать теоретические оценки рабочих параметров устройства как усилителя напряжения класса А.

В качестве рабочего диапазона усилителя было выбрано значение В _GS = от – 7,5 до – 4,5 В, при котором включалась только открытая область устройства и В _GS имел эффективную модуляцию I _DS , как видно из рис. 2. Максимальный ток ( I _макс. ) устройства был током насыщения, когда В _GS = – 4,5 В, поэтому I _макс. = 1,02 × 10 ⁻⁴ А.Точка покоя выбиралась около средней точки рабочего диапазона устройства, чтобы устройство было включено на весь период входного синусоидального сигнала. В это время амплитуда напряжения входного сигнала ( v _в ) составляла 1,5 В. Амплитуда максимального выходного напряжения ( v _om ) определялась напряжением пробоя ( BV ) устройство ⁴⁰ , которое было протестировано на напряжение около 170 В, поэтому v _om ≈ BV /2 = 85 V.Следовательно, в качестве усилителя напряжения класса A теоретическое максимальное значение коэффициента усиления по напряжению устройства ( G _m ) может быть получено как G _m = v _om / v _in ≈ 56,67. В этом случае теоретическое значение мощности постоянного тока ( P _DC ) устройства было определено как I _max и BV , выраженное как ⁴⁰ P _DC ≈ I _макс /2 × BV /2 = 4.335 мВт ≈ 6,37 дБм. Можно видеть, что использование устройства с открытым затвором в качестве усилителя напряжения класса A может эффективно усилить входной сигнал большей мощности с очень низким энергопотреблением.

В качестве отдельного усилителя напряжения преимущества AlGaN / GaN HFET с открытым затвором в основном связаны с областью низкой крутизны с большим диапазоном напряжений и малым током, которые могут быть заменены устройствами с низкой крутизной с другими конструкциями. Однако усилители напряжения обычно необходимо соединять каскадом с другими устройствами в схемные модули для реализации их функций.В настоящее время можно полностью отразить преимущества устройств с открытыми воротами. Устройство с открытым затвором не предъявляет особых требований к структуре, легированию и толщине материала, а процесс подготовки полностью соответствует нормальному устройству, поэтому его можно изготовить на том же материале гетероперехода, что и обычное устройство, чтобы облегчить интеграцию схемы. . Если принята обычная структура затвора, обычно требуется особая структура материала или этапы процесса для достижения аналогичных характеристик устройства, что не способствует интеграции с обычными устройствами.Кроме того, устройства с открытым затвором имеют две эффективных области модуляции: область с высокой крутизной и область с низкой крутизной, что трудно реализовать с помощью других структур устройства.

Благодаря своим уникальным характеристикам устройства с открытым затвором могут иметь много других приложений, которые мы продолжим изучать в будущем.

Изучение основ транзисторов [Простое и быстрое пошаговое руководство]

Эй, там! надеюсь, вы отлично проводите время.

Вы пользуетесь мобильным телефоном, ноутбуком и другими замечательными электронными устройствами почти каждый день.

Эти устройства стали возможны благодаря замене большой вакуумной лампы размером с крошечный электронный компонент, транзистор.

Транзистор – это основной строительный блок любого портативного устройства, доступного на рынке. Электроника – ничто с этим парнем.

Итак, в этом посте мы пытаемся узнать все об основах работы с транзисторами и собираемся отлично провести время вместе.

Надеюсь, вы узнаете что-то новое. Наслаждайтесь основами транзистора!

Что такое транзистор?

Этот тип, транзистор, представляет собой трехполюсное полупроводниковое устройство, используемое в качестве усилителя или электронного переключателя.

В качестве усилителя он преобразует очень слабый сигнал в гораздо больший сигнал. Простым примером является громкоговоритель, который издает очень громкий звук.

Один громкоговоритель может воспроизводить звук, который будет слышен во всем зале или на стадионе.

Как выключатель, очевидно, он используется для включения / выключения устройства. Такая коммутационная способность сделала транзистор идеальным для многих приложений, таких как аналого-цифровой преобразователь, импульсный источник питания, микропроцессоры и многое другое.

Транзистор представляет собой полупроводниковое устройство с тремя выводами, используемое для усиления слабых сигналов или в качестве электронного переключателя

Мы не можем представить без этого современную электронику. Почти в каждом электронном устройстве есть несколько таких небольших устройств, от нескольких до миллионов.

Вы будете шокированы, если узнаете, сколько транзисторов находится в цепях вашего мобильного телефона, ноутбука или персонального компьютера! Их миллионы.

Значение транзисторов в электронике

Чтобы понять важность и востребованность транзисторов, возьмем для примера компьютер.

Если бы не были изобретены транзисторы, возможно, мы до сих пор использовали бы громоздкие электронные лампы.

Наши компьютеры были бы сделаны из таких громоздких трубок, что делало компьютер размером с комнату. У кого в доме будет такой большой компьютер?

Конечно никто, кроме больших компаний.

Таким образом, не было бы персонального компьютера без транзистора. Персональный компьютер – лишь один из примеров, вы также можете вспомнить революцию в области радио, мобильной связи и телевидения.

У нас не было бы таких развлечений и современного связанного мира без этих небольших устройств, транзисторов.

Согласно Википедии, в 1956 году Джон Бардин, Уолтер Хаузер Браттейн и Уильям Брэдфорд Шокли были удостоены Нобелевской премии по физике «за свои исследования полупроводников и открытие эффекта транзистора ».

Двенадцать человек упоминаются как непосредственные участники изобретения транзистора в лаборатории Белла.

Электрическое обозначение транзистора

Электрический символ упрощает идентификацию определенного элемента в сложной цепи. Как и у других электронных компонентов, транзистор имеет свой символ. Обозначение транзистора:

.

Как я уже сказал, это трехконечное устройство. Три клеммы – это база (B), эмиттер (E) и коллектор (C). Базовая клемма действует как вентиль, контролируя величину тока, протекающего между клеммами эмиттера и коллектора.О транзисторе BJT очень важно знать следующее:

• Он называется транзистором с биполярным переходом, потому что он имеет как дырки, так и электроны в качестве носителей заряда.
• Это устройство, управляемое током, т.е. величина базового тока контролирует величину выходного тока.
• Сопротивление между базой и эмиттером ниже, чем сопротивление между базой и коллектором.
• Для транзистора i-e Active существует три рабочих региона: область насыщения и область отсечки.

Кривая VI транзистора

Как и диод, описанный в предыдущем посте, транзистор имеет характеристическую кривую (называемую характеристической кривой).

Когда вы понимаете основную концепцию любого устройства. Еще одна важная вещь, которую вам нужно знать: каково соотношение между напряжением на устройстве и током, протекающим через него. Эта информация представлена ​​в таблице данных транзистора в виде графика VI.

В случае транзистора напряжение на транзисторе составляет В _CE , а ток – это ток коллектора (I _C ).Но что интересно, базовый ток контролирует ток коллектора.

Для каждого значения базового тока у нас есть разные значения тока коллектора. В результате вместо одной кривой VI (как в случае диода) мы получили семейство кривых VI. Ниже приведены кривые семейства VI;

Видите ли, для каждого базового тока у вас своя кривая VI. Кривую VI можно разделить на следующие три объясненных области.

Транзисторные регионы эксплуатации

1.Активная область

В активной области транзистор будет включен. Кроме того, в активной области переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор – в обратном направлении.

Напряжение между коллектором и эмиттером (В _CE ) будет между областями отсечки и насыщения.

На графике VI вы можете четко видеть постоянный ток коллектора в этой области. Итак, в активной области транзисторы можно было использовать как источник постоянного тока и как усилитель.

2. Зона отсечения

В этой области области база-эмиттер и база-коллектор имеют обратное смещение.

Условия работы транзистора: (a) нулевой входной базовый ток (I _B ), (b) нулевой выходной ток коллектора (I _C ), (c) и максимальное напряжение коллектора (V _CE ) что приводит к образованию большого обедненного слоя и отсутствию тока, протекающего через устройство.

Эта область в основном используется в условиях переключения.

3. Область насыщенности

Когда обе области база-эмиттер и база-коллектор смещены в прямом направлении, говорят, что транзистор находится в области насыщения.

В этой области транзистор используется как резистор или как активная нагрузка в интегральных схемах.

Внешний вид транзистора

Мы поняли основное определение транзистора. Пора увидеть настоящие транзисторы. Ниже приведено изображение реальных транзисторов:

Понимаете, все они разных форм и размеров.Некоторые покрыты белыми материалами, на самом деле этот белый материал является теплоотводом. Это одиночные, т. Е. Они еще не используются в схеме.

Транзистор NPN и PNP

Биполярные транзисторы бывают двух типов: один называется NPN, а другой – PNP. Оба типа выполняют одинаковые операции, но по-разному:

• PNP-транзистор состоит из двух слоев материала P-типа со слоем между слоями N-типа. Где NPN-транзистор состоит из двух слоев материала N-типа со слоем прослоенного P-типа.
• В транзисторе PNP основными носителями заряда являются дырки, а в транзисторе NPN основными носителями заряда являются электроны.
• Транзистор PNP включается при подаче некоторого отрицательного напряжения или отсутствии напряжения. В то время как транзистор NPN включается, когда на базе присутствует некоторое напряжение, а на клемму базы протекает некоторый ток.
• В транзисторе PNP поток тока проходит от вывода эмиттера к выводу коллектора, в то время как NPN поток тока проходит от вывода коллектора к выводу эмиттера.

Меня лично больше интересует проектирование электронных схем.

Итак, с точки зрения дизайна очень важно знать, как определить, какой транзистор какой. Как разработчик, ваша задача – практически различать транзисторы NPN и PNP.

Как я уже говорил вам ранее, транзистору PNP требуется отрицательное напряжение или его отсутствие на базе, а для NPN требуется положительное напряжение на клемме базы. Помните об этом и посмотрите следующее видео.

Я уверен, что после просмотра этого видео вы сможете различать два NPN и PNP.

Обозначение клеммы транзистора

Мы научились различать NPN и PNP.

Следующее, что нужно сделать в изучении основ транзисторов, – это как идентифицировать выводы транзистора. Идентификация правильных выводов очень важна, потому что, если вы подключите источник питания к неправильным выводам транзистора, он может сгореть.

У меня есть два способа поделиться с вами.

Первый метод: с помощью таблицы

Из таблицы вы можете сказать, какой терминал какой. В таблице данных вам всегда будет показано изображение, подобное приведенному ниже.

Просто сравните свой реальный транзистор с ним, удерживая транзистор так, как показано в таблице данных.

Я лично применял этот метод, когда был студентом.

Это было так просто, как будто мне не пришлось брать мультиметр в университетской лаборатории или использовать свой собственный позже, когда я его купил.

Я просто гуглил транзистор, скачал даташит. И сравните транзистор в моей руке с изображением в даташите.

Это отлично сработало для меня, но позже мне понравилось делать это с помощью мультиметра.

Второй метод: с помощью мультиметра

Если честно, очень много можно определить терминал транзистора с помощью мультиметра.

Но лично меня устраивает следующий. Имейте в виду, что средняя клемма транзистора всегда является базой, поэтому не тратьте время на поиск клеммы базы.

Ключевые моменты, на которые следует обратить внимание для идентификации выводов транзистора

• Установите мультиметр в диодный режим.
• Помните, что сопротивление база-эмиттер ниже, чем сопротивление база-коллектор.
• Поместите положительный щуп (красный) мультиметра на базу транзистора (NPN). Но если ваш транзистор – PNP, тогда поместите отрицательный (черный) щуп мультиметра на базу.
• Поместите другой щуп мультиметра на другой вывод транзистора и запишите значения сопротивления.
• Низкое сопротивление – вывод эмиттера.
• Высокое сопротивление – вывод коллектора.

Тестирование транзисторов

Тестирование транзисторов является наиболее важным моментом для изучения основ транзисторов. Потому что очень важно различать хороший и плохой транзистор.

У вас есть транзистор, и вы хотите знать, исправен он или нет. Или вы только что вытащили транзистор из другой печатной платы и хотите проверить, нормально ли он работает.

Вам нужно это протестировать.

Есть несколько способов сделать это. Но новичку лучше всего сделать это с помощью мультиметра. Вы можете использовать любой мультиметр, он не должен быть дорогим, если он проверяет целостность цепи.

• Установите мультиметр на контрольную точку.
• Соедините щупы вместе, если мультиметр издает звуковой сигнал, это означает, что с вашим мультиметром все в порядке. С ним можно проверить транзистор.
• Затем поместите щупы мультиметра на выводы проверяемого транзистора и послушайте звуковой сигнал.
• Если мультиметр издает звуковой сигнал при любом расположении, это означает, что у вас плохой транзистор.

Транзистор как усилитель

Часто мы имеем дело со слабым сигналом в природе. Как будто наш голос можно услышать в ограниченном пространстве.

Его нельзя услышать, когда мы говорим публично. Всегда существует потребность в сторонних приложениях, чтобы увеличить наш голос настолько, чтобы его можно было услышать в громкоговорителях.

Громкоговоритель делает это с помощью процесса усиления.В процессе усиления сила слабого сигнала увеличивается без изменения его характеристик.

Входным сигналом может быть что угодно, ток или напряжение, транзистор, поскольку усилитель усиливает сигнал без изменения его уникальных характеристик.

Если мы хотим, чтобы транзистор работал как усилитель, мы должны заставить транзистор работать в активной области, которая находится между областью насыщения и областью отсечки.

Чтобы транзистор работал в активной области, нам нужна особая конфигурация схемы.Ниже приведены три основные конфигурации таких схем.

1. Конфигурация с общей базой (CB): в конфигурации CB мы подключим базу транзистора к земле, которая имеет очень низкий входной импеданс, что даст очень низкий выходной импеданс с очень низким усилением. Прирост для этой конфигурации будет очень низким.
Конфигурация общего коллектора
2. (CC): в этой конфигурации коллектор подключен к земле, у нас низкий выходной импеданс для высокого входного сопротивления, а коэффициент усиления для этой конфигурации очень хороший по сравнению с конфигурацией CB.
Конфигурация общего эмиттера
3. (CE): в этой конфигурации эмиттер подключен к земле, и у нас будет высокое входное сопротивление, среднее выходное сопротивление и высокое усиление.

Параметр усилителя транзистора

Перед выбором транзисторного усилителя необходимо учитывать следующие характеристики. Технические характеристики: входной импеданс, эффективность, полоса пропускания, усиление, скорость нарастания, линейность, стабильность и т. Д.

• Входное сопротивление : для хорошего усиления оно должно быть в 10 раз выше, чем полное сопротивление источника.
• КПД : КПД – это не что иное, как то, сколько входной мощности эффективно используется для получения выходной мощности усилителя. Другими словами, эффективность – это не что иное, как мощность, потребляемая от источника питания, и какая мощность эффективно используется для получения выходной мощности усилителем.
• Полоса пропускания: Диапазон частот, в котором усилитель может обеспечить хорошее усиление сигнала, называется полосой пропускания этого усилителя.
• Усиление : усиление усилителя измеряется путем вычисления отношения выходной мощности к входной.Цепи с более высоким коэффициентом усиления будут высокочувствительными и будут давать хороший выходной сигнал даже при небольшом входном сигнале.
• Стабильность: Способность усилителя избегать автоколебаний. Из-за этих колебаний сигнал может перекрываться или маскироваться полезным сигналом. Стабильности можно достичь, добавив на выходе зональную сеть, которая будет давать отрицательную обратную связь.
• Линейность: Если вход усилителя увеличивается, выход усилителя также должен линейно увеличиваться, этот эффект называется линейностью.Этот эффект будет на 100% достигнут идеальным усилителем, когда мы возьмем практический случай, усилитель будет производить линейный выходной сигнал для своего входа до определенного предела, после этого, если входная частота увеличивается, выходное усиление будет уменьшено из-за внутреннего паразитная емкость сигнала. Эту нелинейность можно уменьшить за счет отрицательной обратной связи.
• Шум: Шум определяется как нежелательные частоты в сигнале из-за интерфейса компонентов, внешних помех, отказов компонентов, сигналов той же частоты в той же цепи и т. Д.

Транзистор как переключатель:

В транзисторе ток не может течь в цепи коллектора, если ток не течет в цепи базы. Это свойство позволяет использовать транзистор в качестве переключателя.

Транзистор работает как «однополюсный однопозиционный» (SPST) твердотельный переключатель. Когда нулевой сигнал подается на базу транзистора, он выключается, действуя как разомкнутый переключатель, и течет нулевой ток коллектора.

При подаче положительного сигнала на базу транзистора он включается, действуя как замкнутый переключатель, и через устройство протекает максимальный ток цепи.

Самый простой способ переключения мощности от умеренной до высокой – использовать транзистор с выходом с открытым коллектором и вывод эмиттера транзистора, подключенный непосредственно к земле. При таком использовании выход с открытым коллектором транзистора может, таким образом, «сливать» подаваемое извне напряжение на землю, тем самым контролируя любую подключенную нагрузку.

Типы транзисторов

Помимо транзисторов типа BJT, есть еще много других. Следующая диаграмма обобщает всю концепцию.

Классификацию транзисторов можно понять, просмотрев приведенную выше древовидную диаграмму. Транзисторы в основном делятся на два типа; это биполярные переходные транзисторы (BJT) и полевые транзисторы (FET).

BJT снова подразделяются на транзисторы NPN и PNP.

Полевые транзисторы подразделяются на JFET и MOSFET. Переходные полевые транзисторы подразделяются на N-канальный JFET и P-канальный JFET в зависимости от их функции.MOSFET-транзисторы подразделяются на режим истощения и режим улучшения.

Опять же, транзисторы режима обеднения и улучшения подразделяются на N-канальный JFET и P-канал.

Применение транзистора

Что касается приложений, то транзистору нет альтернативы. Почти все цифровые устройства состоят из него.

Современные мировые технологии умны. Старые электронные схемы большого размера заменяются интегральными схемами (ИС).

Эти интегральные схемы содержат миллионы транзисторов.Ваш мобильный телефон и ноутбуки работают на интеллектуальных процессорах, которые представляют собой интегральные схемы и содержат миллиарды транзисторов. Ниже приведены некоторые применения транзистора:

1 – Для усиления тока можно использовать транзистор. Это связано с тем, что небольшое изменение тока базы вызывает большое изменение тока коллектора.

Пример: микрофон
Звуковые волны, подаваемые в микрофон, вызывают вибрацию диафрагмы микрофона. Электрическая мощность микрофона изменяется в зависимости от звуковых волн.

В результате ток базы изменяется из-за небольшого переменного напряжения, создаваемого микрофоном. Небольшое изменение тока базы вызывает большое изменение тока коллектора.

В громкоговоритель течет переменный ток коллектора. Там он превращается в звуковые волны, соответствующие исходным звуковым волнам.

Частоты обеих волн эквивалентны, но амплитуда звуковой волны из громкоговорителя выше, чем звуковые волны, подаваемые в микрофон.

2-Транзистор как выключатель
Первый пример: выключатель со светом
Схема предназначена для зажигания лампы при ярком освещении и выключения в темноте.

Одним из компонентов делителя потенциала является светозависимый резистор (LDR). Когда он помещен в ТЁМНОСТЬ, его сопротивление велико. Транзистор выключен.

Когда LDR освещается ярким светом, его сопротивление падает до небольшого значения, что приводит к увеличению напряжения питания и увеличению тока базы.Транзистор включается, коллекторный ток течет, лампочка загорается.

Второй пример: тепловой выключатель
Одним из важных компонентов цепи теплового выключателя является термистор.

Термистор – это тип резистора, который реагирует на окружающую температуру. Его сопротивление увеличивается при низкой температуре и наоборот.

Когда термистор нагревается, его сопротивление падает, и большая часть напряжения питания падает на резистор R.Базовый ток увеличивается с последующим большим увеличением тока коллектора. Т

Лампочка загорится и включится сирена. Эта конкретная схема подходит как система пожарной сигнализации.

Заключение

Таким образом, транзистор представляет собой трехконтактное полупроводниковое устройство, используемое в качестве усилителя или электронного переключателя.

• Он имеет три рабочих региона: активный, отключенный и насыщенный.
• Используется как усилитель в активной области и как переключатель в областях отсечки и насыщения.
• Его также можно использовать в качестве резистора в области насыщения.
• Используя мультиметр, вы можете проверить его, чтобы решить, хороший он или плохой.
• Вы также можете различать NPN и PNP с помощью цифрового мультиметра.
• Современный мир возможен только благодаря интегральным схемам. И во всех интегральных схемах есть транзисторы.

Это все, что я знаю об основах работы с транзисторами. Надеюсь, это вам помогло.

Спасибо и хорошо проводите время.

---

Другие полезные сообщения:

Транзистор

Библиотека:	Электропроводка
Введено:	2.7.0
Внешний вид:

Поведение

Транзистор имеет два входа, которые называются затвор и исток , и один выход, называемый сток . На схеме источник вход и сток выход соединены пластиной; Logisim рисует стрелку, чтобы указать направление потока от входа к выходу.Вход ворот соединен с пластиной, параллельной пластина, соединяющая исток и сток . Logisim поддерживает два типа транзисторы с немного другим поведением, описанным ниже; P-тип транзистор обозначен кружком, соединяющим вход затвора с его пластина, а у транзистора N-типа такой окружности нет.

В зависимости от значения, найденного на выходе , , значение в источнике может быть передано в сток ; или может отсутствовать связь с источником , так что сток оставлен плавающим.Определение передачи или отключения зависит от типа транзистора: Транзистор P-типа (обозначен кружком на линии выход ) передает когда затвор равен 0, а транзистор N-типа (у которого нет такого круга) передает, когда Gate равен 1. Поведение суммируется следующие таблицы.

916 915 915 916 P-образный ворота 0 0 Z X источник 1 1 Z X Z Z Z Z X X Z X

16 Тип N X / Z 0 Z 0 X источник 1 Z 1 X Z Z Z Z X Z X X

Или в обобщенном виде:

916 916 916 P-образный вентиль сток 0 X / Z X *

6 вентиль 916 Тип N Z 1 источник X / Z X *

* Если исток – это Z1180 – сток Z; – сток иначе сток – это Х.

Если атрибут Data Bits больше 1, входной сигнал Gate все еще остается один бит, но его значение применяется одновременно к каждому из исходных входных битов.

Транзистор N-типа ведет себя очень похоже на Контролируемый буфер. Основное отличие заключается в том, что транзистор предназначен для более простых схем.

Штифты (при условии, что компонент направлен на восток, линия затвора вверху / слева)

Западный край (вход, разрядность соответствует атрибуту Data Bits)

Источник компонента вход, который будет передавать на выход если запускается входом гейта .

Северный край (вход, разрядность 1)

Вход компонента вентиль . Для транзисторов P-типа транзистор будет передавать, если значение гейта равно 0; для транзисторов N-типа, это запустит транзистор, если значение затвора равно 1.

Восточный край (вывод, разрядность соответствует атрибуту Data Bits)

Выход компонента, который соответствует входу источника если указано входом ворот , или будет плавающим, если ворота ввод – это отрицание того, что указывает отрицание.Если ворота плавающие или значение ошибки, тогда на выходе будет значение ошибки.

Атрибуты

Когда компонент выбран или добавляется, Alt-0 – Alt-9 изменяет его атрибут Data Bits а клавиши со стрелками изменяют его атрибут Facing .

Тип

Определяет, является ли транзистор P-типом или N-типом.

Облицовка

Направление компонента (его выход относительно его входа).

Расположение ворот

Расположение ворот входа.

Биты данных

Разрядность входов и выходов компонента.

Поведение инструмента Poke

Нет.

Поведение инструмента текста

Нет.

Вернуться к Справочная библиотека

Качественный открытый транзистор для электронных проектов

О продуктах и ​​поставщиках:

 Alibaba.com предлагает большой выбор  открытых транзисторов  на выбор в соответствии с вашими конкретными потребностями. Открытые транзисторы   являются жизненно важными частями практически любого электронного компонента. Их можно использовать для создания материнских плат, калькуляторов, радиоприемников, телевизоров и многого другого. Выбрав правильный открытый транзистор  , вы можете быть уверены, что создаваемый вами продукт будет высокого качества и очень хорошо работает. Ключевые факторы выбора продуктов включают предполагаемое применение, материал и тип, среди других факторов.Открытый транзистор 
   состоит из полупроводниковых материалов и обычно имеет не менее трех выводов, которые можно использовать для подключения их к внешней цепи. Эти устройства работают как усилители или переключатели в большинстве электрических цепей. Открытый транзистор   включает в себя два типа областей, которые возникают из-за включения примесей в процессе легирования. Как усилители, открытый транзистор   скрывает низкий входной ток до большой выходной энергии, и они направляют небольшой ток для управления огромными приложениями, работающими как переключатели.
 
 Изучите прилагаемые таблицы данных на открытый транзистор  , чтобы определить ножки базы, эмиттер и коллектор для безопасного и надежного соединения. Открытый транзистор   на Alibaba.com использует кремний в качестве первичной полупроводниковой подложки благодаря своим превосходным свойствам и желаемому напряжению перехода 0,6 В. Существенными параметрами для открытого транзистора   для любого проекта являются рабочие токи, рассеиваемая мощность и напряжение источника. 
 
 Откройте для себя удивительно доступный открытый транзистор   на Alibaba.com для всех ваших потребностей и предпочтений. Доступны различные материалы и стили для безопасной и удобной установки и эксплуатации. Некоторые аккредитованные продавцы также предлагают послепродажное обслуживание и техническую поддержку. 
 

Полупроводниковый квантовый транзистор открывает двери для фотонных вычислений

Транзисторы – это крошечные переключатели, которые составляют основу современных вычислений – например, миллиарды из них направляют электрические сигналы внутри смартфона.

Квантовым компьютерам потребуется аналогичное оборудование для управления квантовой информацией.Но конструктивные ограничения для этой новой технологии жесткие, и современные процессоры не могут быть перепрофилированы в квантовые устройства. Это потому, что квантовые носители информации, называемые кубитами, должны подчиняться другим правилам, установленным квантовой физикой.

Ученые могут использовать в качестве кубитов многие виды квантовых частиц, даже фотоны, из которых состоит свет. Фотоны добавили привлекательности, потому что они могут быстро передавать информацию на большие расстояния и совместимы с изготовленными микросхемами.Однако создание квантового транзистора, запускаемого светом, было сложной задачей, потому что для этого требуется, чтобы фотоны взаимодействовали друг с другом, что обычно не происходит само по себе.

Теперь исследователи из Объединенного квантового института (JQI) во главе с научным сотрудником JQI Эдо Ваксом преодолели это препятствие и продемонстрировали первый однофотонный транзистор, использующий полупроводниковый чип. Устройство, описанное в выпуске Science от 6 июля, компактно: примерно один миллион этих новых транзисторов может уместиться внутри одной крупинки скепсиса.Он также быстр, способен обрабатывать 10 миллиардов фотонных кубитов каждую секунду.

«Используя наш транзистор, мы должны иметь возможность выполнять квантовые вентили между фотонами», – говорит Вакс. «Программное обеспечение, работающее на квантовом компьютере, будет использовать серию таких операций для достижения экспоненциального ускорения для определенных вычислительных задач.

Фотонный чип сделан из полупроводника с множеством отверстий, что делает его очень похожим на соты. Свет, попадающий в микросхему, отскакивает и захватывается узором отверстий; небольшой кристалл, называемый квантовой точкой, находится внутри области, где интенсивность света наиболее велика.Как и в обычной памяти компьютера, точка хранит информацию о фотонах, попадающих в устройство. Точка может эффективно задействовать эту память, чтобы опосредовать взаимодействия фотонов – это означает, что действия одного фотона влияют на другие, которые позже достигают чипа.

«В однофотонном транзисторе память квантовых точек должна сохраняться достаточно долго, чтобы взаимодействовать с каждым фотонным кубитом», – говорит Шуо Сун, ведущий автор новой работы, научный сотрудник Стэнфордского университета *.«Это позволяет одиночному фотону переключать больший поток фотонов, что необходимо для того, чтобы наше устройство считалось транзистором».

Чтобы проверить, что чип работает как транзистор, исследователи изучили, как устройство реагирует на слабые световые импульсы, которые обычно содержат только один фотон. В нормальных условиях такой тусклый свет едва заметен. Однако в этом устройстве одиночный фотон задерживается на долгое время, регистрируя его присутствие в ближайшей точке.

Команда заметила, что одиночный фотон может, взаимодействуя с точкой, управлять передачей второго светового импульса через устройство.Первый световой импульс действует как ключ, открывая дверь для второго фотона, чтобы войти в чип. Если первый импульс не содержал фотонов, точка блокировала прохождение последующих фотонов. Это поведение похоже на поведение обычного транзистора, где небольшое напряжение контролирует прохождение тока через его выводы. Здесь исследователи успешно заменили напряжение одиночным фотоном и продемонстрировали, что их квантовый транзистор может переключать световой импульс, содержащий около 30 фотонов, до того, как память квантовой точки исчерпана.

Вакс, который также является профессором факультета электротехники и вычислительной техники Мэрилендского университета, говорит, что его команде пришлось протестировать различные аспекты производительности устройства, прежде чем транзистор заработал. «До сих пор у нас были отдельные компоненты, необходимые для изготовления однофотонного транзистора, но здесь мы объединили все этапы в одном кристалле», – говорит Вакс.

Sun утверждает, что с реалистичными инженерными улучшениями их подход может позволить соединить вместе множество квантовых световых транзисторов.Команда надеется, что такие быстрые устройства с высокой степенью связи в конечном итоге приведут к созданию компактных квантовых компьютеров, которые обрабатывают большое количество фотонных кубитов.

* Другие участники и аффилированные лица

• Эдо Вакс связан с Департаментом электротехники и вычислительной техники (ECE) Университета Мэриленда, Департаментом физики, Объединенным квантовым институтом и Институтом исследований в области электроники и прикладной физики (IREAP).
• Шо Сунь был аспирантом UMD во время этого исследования.Сейчас он работает научным сотрудником постдокторантуры в Стэнфордском университете.
• Сотрудник JQI Гленн Соломон, физик из Национального института стандартов и технологий, вырастил образец, использованный в этом исследовании.
• Хиочул Ким был докторантом в UMD на момент исследования. Сейчас он работает в передовом технологическом институте Samsung.
• Чжоучен Луо в настоящее время учится в аспирантуре UMD ECE.

Полупроводниковый квантовый транзистор открывает двери для вычислений на основе фотонов – ScienceDaily

Транзисторы – это крошечные переключатели, которые составляют основу современных вычислений; миллиарды из них направляют электрические сигналы, например, внутри смартфона.

Квантовым компьютерам потребуется аналогичное оборудование для управления квантовой информацией. Но конструктивные ограничения для этой новой технологии жесткие, и современные современные процессоры не могут быть перепрофилированы в квантовые устройства. Это потому, что квантовые носители информации, называемые кубитами, должны подчиняться другим правилам, установленным квантовой физикой.

Ученые могут использовать в качестве кубитов многие виды квантовых частиц, даже фотоны, из которых состоит свет. Фотоны добавили привлекательности, потому что они могут быстро передавать информацию на большие расстояния, и они совместимы с изготовленными микросхемами.Однако создание квантового транзистора, запускаемого светом, было сложной задачей, потому что для этого требуется, чтобы фотоны взаимодействовали друг с другом, что обычно не происходит само по себе.

Теперь исследователи из инженерной школы им. А. Джеймса Кларка Университета Мэриленда и Объединенного квантового института (JQI), возглавляемые профессором электротехники и вычислительной техники, научным сотрудником JQI, и Эдо Ваксом, филиалом Института исследований в области электроники и прикладной физики – – преодолели это препятствие и продемонстрировали первый однофотонный транзистор на полупроводниковом кристалле.Устройство, описанное в выпуске Science от 6 июля, компактно; Примерно один миллион этих новых транзисторов может уместиться в одной крупинке скепсиса. Он также быстр и способен обрабатывать 10 миллиардов фотонных кубитов каждую секунду.

«Используя наш транзистор, мы должны иметь возможность выполнять квантовые вентили между фотонами», – говорит Вакс. «Программное обеспечение, работающее на квантовом компьютере, будет использовать серию таких операций для достижения экспоненциального ускорения для определенных вычислительных задач.

Фотонный чип сделан из полупроводника с множеством отверстий, что делает его очень похожим на соты.Свет, попадающий в микросхему, отскакивает и захватывается узором отверстий; небольшой кристалл, называемый квантовой точкой, находится внутри области, где интенсивность света наиболее велика. Как и в обычной памяти компьютера, точка хранит информацию о фотонах, попадающих в устройство. Точка может эффективно подключаться к этой памяти для взаимодействия фотонов – это означает, что действия одного фотона влияют на другие, которые позже достигают чипа.

«В однофотонном транзисторе память квантовых точек должна сохраняться достаточно долго, чтобы взаимодействовать с каждым фотонным кубитом», – говорит Шуо Сун, ведущий автор новой работы и научный сотрудник Стэнфордского университета, который в то время был аспирантом UMD. исследования.«Это позволяет одиночному фотону переключать больший поток фотонов, что необходимо для того, чтобы наше устройство считалось транзистором».

Чтобы проверить, что чип работает как транзистор, исследователи изучили, как устройство реагирует на слабые световые импульсы, которые обычно содержат только один фотон. В нормальных условиях такой тусклый свет едва заметен. Однако в этом устройстве одиночный фотон задерживается на долгое время, регистрируя его присутствие в ближайшей точке.

Команда заметила, что одиночный фотон может, взаимодействуя с точкой, управлять передачей второго светового импульса через устройство.Первый световой импульс действует как ключ, открывая дверь для второго фотона, чтобы войти в чип. Если первый импульс не содержал фотонов, точка блокировала прохождение последующих фотонов. Это поведение похоже на поведение обычного транзистора, где небольшое напряжение контролирует прохождение тока через его выводы. Здесь исследователи успешно заменили напряжение на один фотон и продемонстрировали, что их квантовый транзистор может переключать световой импульс, содержащий около 30 фотонов, до того, как память квантовой точки исчерпана.

Вакс говорит, что его команде пришлось протестировать различные аспекты производительности устройства, прежде чем транзистор заработал. «До сих пор у нас были отдельные компоненты, необходимые для создания однофотонного транзистора, но здесь мы объединили все этапы в одном кристалле», – говорит он.

Sun утверждает, что с реалистичными инженерными улучшениями их подход может позволить соединить вместе множество квантовых световых транзисторов. Команда надеется, что такие быстрые устройства с высокой степенью связи в конечном итоге приведут к созданию компактных квантовых компьютеров, которые обрабатывают большое количество фотонных кубитов.