História tranzistora a jej pokračovanie. Čo bude ďalej nasledovať?

História tranzistora a jej pokračovanie. Čo bude ďalej nasledovať?
Elektrolab Pridal  Elektrolab
  267 zobrazení
4
 0
História elektroniky

Od polovice 20. storočia zohráva tranzistor dôležitú úlohu pri inováciách moderných technológií. Hoci sa tranzistor primárne používal vo svojich začiatkoch na zosilňovanie v analógovom obvode a spínanie v digitálnom obvode, intenzívny výskum a vývoj v tejto oblasti naďalej otvára dvere novým aplikáciám založených na báze tranzistorov.

Tranzistor sa od svojho vzniku v polovici 20. storočia vyvíjal v rôznych veľkostiach a typoch.

Vďaka technológii veľmi rozsiahlej integrácie (VLSI) možno na jeden čip umiestniť miliardy tranzistorov na použitie vo výpočtových aplikáciách. Napríklad SoC M1 Ultra od spoločnosti Apple pozostáva zo 114 miliárd tranzistorov - najväčšieho počtu tranzistorov, aké kedy boli na jednom čipe.

Inžinieri používali tranzistory na zosilňovanie elektrických signálov už od začiatku 20. storočia. Prvý prípad tohto využitia pochádza od britského elektroinžiniera Johna Ambrose Fleminga, keď vynašiel vákuovú elektrónku. Vákuové elektrónky však mali mnoho nevýhod, ktoré sa vyriešili až vynálezom moderného tranzistora.

Zrodila sa hviezda - Tranzistor s bodovým kontaktom

Prvý uznávaný tranzistor vyvinuli výskumníci z Bell Labs Walter Brattain a John Bardeen v roku 1947. Po niekoľkých pokusoch vyrobiť zosilňovač s kremíkom sa Bardeen a Brattain rozhodli použiť dosku germánia a dve zlaté fólie na výrobu tranzistora s bodovým kontaktom. Pozorovali, že keď sa zlatá fólia umiestnila do tesnej blízkosti povrchu germánia, bolo v ňom viac dier ako elektrónov. Bellovi výskumníci si tiež všimli, že prúd prechádzajúci kontaktom sa na druhom kontakte zlatej fólie ešte viac zvýšil a zosilnil.

Tranzistor s bodovým kontaktom.

Tento objav znamenal začiatok novej éry v elektronickom priemysle, ktorá bola založená na tranzistoroch. V roku 1952 sa tranzistor s bodovým kontaktom stal široko dostupným na komerčné použitie a zohral dôležitú úlohu pri výrobe telefónnych systémov.

Od germánia ku kremíku

V snahe zlepšiť konštrukciu tranzistora Bardeena a Brattaina vyrobil William Shockley v roku 1951 tranzistor z germánia. Shockleyho spojový tranzistor bol jednoducho sendvičom polovodičov s tromi vrstvami. Vonkajšie vrstvy obsahovali oveľa viac elektrónov ako stredná vrstva. Shockley vysvetlil, že táto konštrukcia umožňovala, aby cez vložené polovodiče tiekol prúd a tak vznikol zosilňovač.

Hoci sa tranzistor s bodovým kontaktom a prechodom spoliehal na germánium, výskumníci si čoskoro potom všimli, že táto súčiastka sa pri teplote 180 °C rozpadá. Dôvodom je, že germánium pri zahriatí na veľmi vysokú teplotu vnáša do tranzistorov príliš veľa voľných elektrónov, čím sa celá súčiastka rozpadá.

Komerčné tranzistory Bell Labs v roku 1951.

Táto nevýhoda inšpirovala Gordona Teala, výskumníka v spoločnosti Texas Instruments, aby v roku 1954 vynašiel vôbec prvý kremíkový tranzistor. Tealov kremíkový tranzistor mal rovnaký princíp fungovania ako germániový tranzistor, ale odolával vysokým teplotám. Kremíkový tranzistor mal štruktúru n-p-n a bol vyrobený procesom grow-junction.

Hlavné míľniky v tranzistorovej elektronike z časopisu Bell Laboratories Record - január 1975, s.74

  • 1948 - TRANZISTOR S BODOVÝM KONTAKTOM
  • 1950 - MONOKRYŠTALICKÉ GERMÁNIUM
  • 1951 - GROWN JUNCTION TRANZISTOR
  • 1952 - TRANZISTOR SO ZLIATINOVÝM PRECHODOM
  • 1952 - TAVENIE A ZUŠĽACHŤOVANIE ZÓN
  • 1952 - MONOKRYŠTALICKÝ KREMÍK
  • 1955 - TRANZISTORY S ROZPTÝLENOU BÁZOU
  • 1957 - MASKOVANIE OXIDMI
  • 1960 - PLANÁRNY TRANZISTOR
  • 1960 - MOS TRANZISTOR
  • 1960 - EPITAXIÁLNY TRANZISTOR
  • 1961 - INTEGROVANÉ OBVODY

SILIKÓNOVÝ PREKURZOR: Gordon Teal [vľavo] počas práce v Bell Labs a jeho kolega fyzikálny chemik Morgan Sparks úspešne vyrobili prvý funkčný tranzistor z germániového kryštálu.

Predzvesť novej éry - MOSFET

Vývoj kremíkového tranzistora viedol k vynájdeniu ďalších tranzistorov na báze kremíka, ako sú tranzistory s oxidmi kovov a polovodičmi (MOSFET). Prvý MOSFET vyrobil výskumník z Bell Labs John Atalla v roku 1960. Konštrukcia bola založená na Shockleyho teóriách efektov poľa.

Na rozdiel od tranzistora so sendvičovým prechodom má MOSFET kanál z polovodičov typu n alebo p. Elektrické pole, ktoré funguje ako kohútik na zapínanie a vypínanie prúdu v tranzistore, sa vytvára, keď sa na kanál privedie napätie. Na dosiahnutie vysokej spínacej rýchlosti výrobcovia pri výrobe často používajú proces epitaxného rozkladu. Tento proces tiež prináša vysoké prierazné napätia v tranzistoroch.

Nová generácia tranzistorov v nanorozmeroch

Podľa Moorovho zákona sa počet tranzistorov na jednotku plochy integrovaného obvodu zdvojnásobuje každých pár rokov. Tento tlak na miniaturizáciu vytvára zložitosť pre ďalšiu generáciu tranzistorov - od mikroelektroniky po nanoelektroniku. V súčasnosti sa výskumníci snažia zmenšiť veľkosť tranzistorov na nanometrovú škálu.

Keďže tranzistory na báze kremíka teraz pracujú v nanometrových rozmeroch, inžinieri čelia výzvam v oblasti návrhu a výroby, ktoré súvisia so zmenšujúcim sa fyzickým priestorom. Napríklad pri tranzistore MOSFET s veľkosťou 100 nm sa môžu vyskytnúť efekty krátkych kanálov, ktoré nepriaznivo ovplyvňujú výkon tranzistora. Navyše, pri kremíkových tranzistoroch vo veľkosti nanorozmerov dochádza k vysokým kanálovým únikovým prúdom.

V roku 2016 sa tímu z Lawrence Berkeley National Laboratory podarilo vytvoriť najmenší tranzistor na svete s veľkosťou 1 nm.

Aby sa tieto obmedzenia vyriešili, výskumníci v súčasnosti skúmajú nanotechnologické materiály na výrobu nových typov tranzistorov. Nedávno výskumníci skúmali 2D ultratenké jednovrstvové materiály, ako je disulfid molybdénu, na vytvorenie spoľahlivejších tranzistorov ako miniaturizované kremíkové tranzistory. Uhlíkové nanorúrky a grafén sú tiež sľubnými materiálmi, ktoré môžu nahradiť kremík v doteraz používaných tranzistoroch.

Okrem toho tím výskumníkov z TU Drážďany nedávno oznámil "prvý" účinný organický tranzistor s bipolárnym prechodom na svete. Tím použil na vývoj organických bipolárnych tranzistorov vysoko usporiadané tenké organické vrstvy založené na kryštalických vrstvách rubrénu dopovaného n- a p-typom. Tieto tranzistory môžu zvýšiť výkon pri spracovaní a prenose dát.

 

Ako vás ovplyvnil vývoj tranzistora počas vašej kariéry? Podeľte sa o svoje skúsenosti v komentároch nižšie.

Máte aj vy zaujímavú konštrukciu, alebo článok?

Máte aj vy zaujímavú konštrukciu, alebo článok a chceli by ste sa o to podeliť s viac ako 250.000 čitateľmi? Tak neváhajte a dajte nám vedieť, radi ju uverejníme a to vrátane obrazových a video príloh. Rovnako uvítame aj autorov teoretických článkov, či autorov zaujímavých videí z oblasti elektroniky / elektrotechniky.

Kontaktujte nás!


Páčil sa Vám článok? Pridajte k nemu hodnotenie, alebo podporte jeho autora.
 

     

Komentáre k článku

Zatiaľ nebol pridaný žiadny komentár k článku. Pridáte prvý? Berte prosím na vedomie, že za obsah komentára je zodpovedný užívateľ, nie prevádzkovateľ týchto stránok.
Pre komentovanie sa musíte prihlásiť.

Vyhľadajte niečo na našom blogu

PCBWay Promo

JLCPCB Promo
PCBWay Promo

JLCPCB Promo
PCBWay Promo

JLCPCB Promo
Webwiki Button