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HISTÓRIA DA TECNOLOGIA, TECNOLOGIA, OBJETOS AO REDOR DE NÓS
Transistor. História da invenção e produção
Diretório / A história da tecnologia, tecnologia, objetos ao nosso redor Um transistor, um triodo semicondutor, é um componente eletrônico feito de um material semicondutor, geralmente com três terminais, que permite que o sinal de entrada controle a corrente em um circuito elétrico. Normalmente usado para amplificar, gerar e converter sinais elétricos. No caso geral, um transistor é qualquer dispositivo que imite a propriedade principal de um transistor - o sinal muda entre dois estados diferentes quando o sinal no eletrodo de controle muda.
A invenção do transistor no final da década de 40 foi um dos maiores marcos da história da eletrônica. Os tubos de vácuo, que até então eram um elemento indispensável e principal de todos os dispositivos de rádio e eletrônicos por muito tempo, tinham muitas deficiências. À medida que a complexidade dos equipamentos de rádio e o aumento dos requisitos gerais para os mesmos, estas deficiências foram sentidas de forma cada vez mais aguda. Estes incluem, em primeiro lugar, a fragilidade mecânica das lâmpadas, sua curta vida útil, grandes dimensões e baixa eficiência devido às grandes perdas de calor no ânodo. Portanto, quando os elementos semicondutores que não apresentavam nenhuma das falhas listadas substituíram as válvulas a vácuo na segunda metade do século XX, ocorreu uma verdadeira revolução na engenharia de rádio e na eletrônica. Deve-se dizer que os semicondutores não revelaram imediatamente suas propriedades notáveis ao homem. Por muito tempo, apenas condutores e dielétricos foram usados na engenharia elétrica. Um grande grupo de materiais que ocupava uma posição intermediária entre eles não encontrou nenhuma aplicação, e apenas alguns pesquisadores, estudando a natureza da eletricidade, de tempos em tempos mostraram interesse em suas propriedades elétricas. Assim, em 1874, Brown descobriu o fenômeno de retificação de corrente no ponto de contato entre chumbo e pirita e criou o primeiro detector de cristal. Outros pesquisadores descobriram que as impurezas contidas neles têm um efeito significativo na condutividade dos semicondutores. Por exemplo, Beddecker em 1907 descobriu que a condutividade do iodeto de cobre aumenta 24 vezes na presença de uma mistura de iodo, que por si só não é um condutor. O que explica as propriedades dos semicondutores e por que eles se tornaram tão importantes na eletrônica? Vamos pegar um semicondutor tão típico como o germânio. Em condições normais, tem uma resistividade 30 milhões de vezes superior à do cobre e 1000000 milhões de vezes superior à do vidro. Portanto, em termos de suas propriedades, ainda está um pouco mais próximo dos condutores do que dos dielétricos. Como você sabe, a capacidade de uma substância conduzir ou não uma corrente elétrica depende da presença ou ausência de partículas carregadas livres nela.
O germânio não é exceção nesse sentido. Cada um de seus átomos é tetravalente e deve formar quatro ligações eletrônicas com átomos vizinhos. Mas devido à ação térmica, alguns dos elétrons deixam seus átomos e começam a se mover livremente entre os nós da rede cristalina. Isso é cerca de 2 elétrons para cada 10 bilhões de átomos. Um grama de germânio contém cerca de 10 bilhões de átomos, ou seja, possui cerca de 2 bilhões de elétrons livres. Isso é um milhão de vezes menos do que, por exemplo, em cobre ou prata, mas ainda é suficiente para o germânio passar uma pequena corrente por si mesmo.
No entanto, como já mencionado, a condutividade do germânio pode ser significativamente aumentada pela introdução de impurezas em sua rede, por exemplo, um átomo pentavalente de arsênio ou antimônio. Em seguida, quatro elétrons de arsênio formam ligações de valência com átomos de germânio, mas o quinto permanecerá livre. Ele estará fracamente ligado ao átomo, de modo que uma pequena voltagem aplicada ao cristal será suficiente para que ele se quebre e se transforme em um elétron livre (é claro que os átomos de arsênico se tornam íons carregados positivamente neste caso). Tudo isso altera visivelmente as propriedades elétricas do germânio. Embora o teor de impurezas seja pequeno - apenas 1 átomo por 10 milhões de átomos de germânio, devido à sua presença, o número de partículas livres carregadas negativamente (elétrons) em um cristal de germânio aumenta muitas vezes. Esse semicondutor é geralmente chamado de semicondutor do tipo n (de negativo - negativo).
Uma imagem diferente será no caso quando uma impureza trivalente (por exemplo, alumínio, gálio ou índio) é introduzida no cristal de germânio. Cada átomo de impureza forma ligações com apenas três átomos de germânio, e no lugar da quarta ligação haverá um espaço livre - um buraco que pode ser facilmente preenchido por qualquer elétron (neste caso, o átomo de impureza é ionizado negativamente). Se esse elétron passar para uma impureza de um átomo de germânio vizinho, este último, por sua vez, terá um buraco. Ao aplicar uma voltagem a tal cristal, obtemos um efeito que pode ser chamado de "deslocamento de buraco". De fato, deixe um elétron preencher um buraco em um átomo trivalente do lado onde o pólo negativo da fonte externa está localizado. Portanto, o elétron se aproximará do polo positivo, enquanto uma nova lacuna é formada no átomo vizinho mais próximo do polo negativo. Então o mesmo fenômeno ocorre com outro átomo. A nova lacuna, por sua vez, será preenchida com um elétron, aproximando-se assim do polo positivo, e a lacuna assim formada se aproximará do polo negativo. E quando, como resultado de tal movimento, o elétron atinge o polo positivo, de onde irá para a fonte de corrente, a lacuna atingirá o polo negativo, onde será preenchido com um elétron vindo da fonte de corrente. O buraco se move como se fosse uma partícula com carga positiva, e podemos dizer que aqui a corrente elétrica é criada por cargas positivas. Esse semicondutor é chamado de semicondutor do tipo p (de positivo - positivo). Em si, o fenômeno da condutividade da impureza ainda não é de grande importância, mas quando dois semicondutores são conectados - um com condutividade n e outro com condutividade p (por exemplo, quando a condutividade n é criada em um cristal de germânio em um lado, e p-condutividade do outro -condutividade) - ocorrem fenômenos muito curiosos. Átomos ionizados negativamente da região p repelirão os elétrons livres da região n da transição, e átomos ionizados positivamente da região n repelirão o buraco da região p da transição. Ou seja, a junção pn se transformará em uma espécie de barreira entre as duas áreas. Devido a isso, o cristal adquirirá uma condutividade unilateral pronunciada: para algumas correntes, ele se comportará como um condutor e para outros - como um isolante. De fato, se uma tensão maior que a tensão de "desligamento" da junção pn é aplicada ao cristal, e de tal forma que o eletrodo positivo é conectado à região p e o eletrodo negativo à região n , então uma corrente elétrica fluirá no cristal formado por elétrons e buracos movendo-se um em direção ao outro. Se os potenciais da fonte externa forem alterados na direção oposta, a corrente será interrompida (ou melhor, será muito insignificante) - haverá apenas uma saída de elétrons e lacunas do limite entre as duas regiões, como resultado dos quais a barreira potencial entre eles aumentará. Nesse caso, o cristal semicondutor se comportará exatamente da mesma maneira que um tubo de vácuo de diodo, portanto, os dispositivos baseados nesse princípio são chamados de diodos semicondutores. Assim como os diodos valvulados, eles podem servir como detectores, ou seja, retificadores de corrente. Um fenômeno ainda mais interessante pode ser observado quando não uma, mas duas junções pn são formadas em um cristal semicondutor. Esse elemento semicondutor é chamado de transistor. Uma de suas regiões externas é chamada de emissor, a outra é chamada de coletor e a região do meio (que geralmente é muito fina) é chamada de base. Se aplicarmos tensão ao emissor e coletor do transistor, nenhuma corrente fluirá, não importa como invertemos a polaridade.
Mas se você criar uma pequena diferença de potencial entre o emissor e a base, os elétrons livres do emissor, tendo superado a junção pn, cairão na base. E como a base é muito fina, apenas um pequeno número desses elétrons será suficiente para preencher as lacunas localizadas na região p. Portanto, a maioria deles passará para o coletor, superando a barreira de travamento da segunda transição - uma corrente elétrica aparecerá no transistor. Este fenômeno é ainda mais notável porque a corrente no circuito emissor-base é geralmente dez vezes menor do que a que flui no circuito emissor-coletor. A partir disso, pode-se ver que, em sua ação, o transistor pode, em certo sentido, ser considerado um análogo de uma lâmpada de três eletrodos (embora os processos físicos neles sejam completamente diferentes), e a base aqui desempenha o papel de uma grade colocada entre o ânodo e o cátodo. Assim como em uma lâmpada, uma pequena mudança no potencial da rede causa uma grande mudança na corrente do ânodo, em um transistor, pequenas mudanças no circuito básico causam uma grande mudança na corrente do coletor. Portanto, o transistor pode ser usado como amplificador e gerador de sinal elétrico. Elementos semicondutores começaram a substituir gradualmente os tubos de vácuo a partir do início dos anos 40. Desde 1940, um diodo pontual de germânio tem sido amplamente utilizado em dispositivos de radar. Em geral, o radar serviu de estímulo para o rápido desenvolvimento da eletrônica para fontes de alta potência de energia de alta frequência. Crescente interesse foi mostrado em ondas decímetros e centímetros, na criação de dispositivos eletrônicos capazes de operar nessas faixas. Enquanto isso, os tubos de elétrons, quando usados na região de frequências altas e ultra altas, se comportaram de forma insatisfatória, pois seu próprio ruído limitava significativamente sua sensibilidade. O uso de diodos de germânio pontuais nas entradas dos receptores de rádio possibilitou reduzir drasticamente o ruído intrínseco, aumentar a sensibilidade e o alcance de detecção de objetos.
No entanto, a verdadeira era dos semicondutores começou após a Segunda Guerra Mundial, quando o transistor pontual foi inventado. Foi criado após muitos experimentos em 1948 por funcionários da empresa americana "Bell" Shockley, Bardeen e Brattain. Colocando dois contatos pontuais em um cristal de germânio a uma curta distância um do outro e aplicando uma polarização direta a um deles e uma polarização reversa ao outro, eles foram capazes de controlar a corrente através do segundo usando a corrente que passa pelo primeiro contato. Este primeiro transistor teve um ganho de cerca de 100. A nova invenção rapidamente se espalhou. Os transistores do primeiro ponto consistiam em um cristal de germânio com n-condutividade, que servia de base, sobre o qual repousavam dois finos pontos de bronze, localizados muito próximos um do outro - a uma distância de vários mícrons. Um deles (geralmente bronze berílio) serviu como emissor e o outro (feito de bronze fosforoso) serviu como coletor. Na fabricação do transistor, uma corrente de cerca de um ampere passou pelas pontas. O germânio derreteu, assim como as pontas das pontas. O cobre e as impurezas presentes nele passaram para o germânio e formaram camadas com condutividade de furos nas imediações dos contatos pontuais. Esses transistores não eram confiáveis devido à imperfeição de seu design. Eles eram instáveis e não podiam trabalhar em altas potências. O custo deles foi ótimo. No entanto, eles eram muito mais confiáveis do que os tubos de vácuo, não tinham medo de umidade e consumiam centenas de vezes menos energia do que os tubos de vácuo análogos. Ao mesmo tempo, eram extremamente econômicos, pois exigiam uma corrente muito pequena da ordem de 0,5-1 V para sua alimentação e não precisavam de uma bateria separada. Sua eficiência atingiu 70%, enquanto a lâmpada raramente ultrapassou 10%. Como os transistores não precisavam de aquecimento, eles começaram a funcionar imediatamente após a aplicação de tensão a eles. Além disso, eles tinham um nível muito baixo de ruído intrínseco e, portanto, os equipamentos montados em transistores se mostraram mais sensíveis.
Gradualmente, o novo dispositivo foi aprimorado. Em 1952, surgiram os primeiros transistores de germânio dopados planar. Sua fabricação era um processo tecnológico complexo. Primeiro, o germânio foi purificado das impurezas e, em seguida, um único cristal foi formado. (Um pedaço comum de germânio consiste em um grande número de cristais emendados em desordem; essa estrutura de material não é adequada para dispositivos semicondutores - aqui é necessária uma rede cristalina excepcionalmente regular, a mesma para toda a peça.) Para isso, o germânio foi derretido e uma semente foi colocada nele - um pequeno cristal com uma rede orientada corretamente. Girando a semente ao redor do eixo, ela foi levantada lentamente. Como resultado, os átomos ao redor da semente se alinharam em uma rede cristalina regular. O material semicondutor solidificou e envolveu a semente. O resultado foi uma haste de cristal único. Simultaneamente, uma impureza do tipo p ou n foi adicionada ao fundido. Em seguida, o cristal único foi cortado em pequenas placas, que serviram de base. O emissor e o coletor foram criados de várias maneiras. O método mais simples era colocar pequenos pedaços de índio em ambos os lados da placa de germânio e aquecê-los rapidamente até 600 graus. A esta temperatura, o índio fundiu-se com o germânio por baixo. Após o resfriamento, as regiões saturadas com índio adquiriram condutividade do tipo p. Em seguida, o cristal foi colocado na caixa e os cabos foram anexados. Em 1955, a empresa Bell System criou um transistor de difusão de germânio. O método de difusão consistiu no fato de que placas semicondutoras foram colocadas em uma atmosfera de gás contendo vapor impuro, que deveria formar um emissor e coletor, e as placas foram aquecidas a uma temperatura próxima ao ponto de fusão. Nesse caso, os átomos de impureza penetraram gradualmente no semicondutor. Autor: Ryzhov K.V.
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