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HISTOIRE DE LA TECHNOLOGIE, TECHNOLOGIE, OBJETS AUTOUR DE NOUS
Transistor. Histoire de l'invention et de la production
Annuaire / L'histoire de la technologie, de la technologie, des objets qui nous entourent Un transistor, une triode semi-conductrice, est un composant électronique constitué d'un matériau semi-conducteur, généralement à trois bornes, qui permet au signal d'entrée de contrôler le courant dans un circuit électrique. Généralement utilisé pour amplifier, générer et convertir des signaux électriques. Dans le cas général, un transistor est tout dispositif qui imite la propriété principale d'un transistor - le signal change entre deux états différents lorsque le signal sur l'électrode de commande change.
L'invention du transistor à la fin des années 40 a été l'un des plus grands jalons de l'histoire de l'électronique. Les tubes à vide, qui jusque-là avaient été pendant longtemps un élément indispensable et principal de tous les appareils radio et électroniques, présentaient de nombreuses lacunes. Au fur et à mesure de la complexité des équipements radio et de l'augmentation de leurs exigences générales, ces lacunes se faisaient de plus en plus sentir. Il s'agit tout d'abord de la fragilité mécanique des lampes, de leur courte durée de vie, de leurs grandes dimensions et de leur faible rendement dû aux importantes pertes de chaleur à l'anode. Par conséquent, lorsque des éléments semi-conducteurs qui ne présentaient aucun des défauts répertoriés ont remplacé les tubes à vide dans la seconde moitié du XXe siècle, une véritable révolution a eu lieu dans l'ingénierie radio et l'électronique. Il faut dire que les semi-conducteurs n'ont pas immédiatement révélé à l'homme leurs propriétés remarquables. Pendant longtemps, seuls les conducteurs et les diélectriques ont été utilisés en électrotechnique. Un grand groupe de matériaux qui occupaient une position intermédiaire entre eux n'ont trouvé aucune application, et seuls quelques chercheurs, étudiant la nature de l'électricité, se sont de temps en temps intéressés à leurs propriétés électriques. Ainsi, en 1874, Brown découvre le phénomène de rectification du courant au point de contact entre le plomb et la pyrite et crée le premier détecteur à cristal. D'autres chercheurs ont découvert que les impuretés qu'ils contiennent ont un effet significatif sur la conductivité des semi-conducteurs. Par exemple, Beddecker en 1907 a découvert que la conductivité de l'iodure de cuivre augmente de 24 fois en présence d'un mélange d'iode, qui en soi n'est pas un conducteur. Qu'est-ce qui explique les propriétés des semi-conducteurs et pourquoi sont-ils devenus si importants en électronique ? Prenons un semi-conducteur aussi typique que le germanium. Dans des conditions normales, il a une résistivité 30 millions de fois celle du cuivre et 1000000 XNUMX XNUMX de fois celle du verre. Par conséquent, en termes de propriétés, il est encore un peu plus proche des conducteurs que des diélectriques. Comme vous le savez, la capacité d'une substance à conduire ou non un courant électrique dépend de la présence ou de l'absence de particules chargées libres dans celle-ci.
Le germanium ne fait pas exception en ce sens. Chacun de ses atomes est tétravalent et doit former quatre liaisons électroniques avec les atomes voisins. Mais en raison de l'action thermique, certains des électrons quittent leurs atomes et commencent à se déplacer librement entre les nœuds du réseau cristallin. C'est environ 2 électrons pour 10 milliards d'atomes. Un gramme de germanium contient environ 10 2 milliards d'atomes, c'est-à-dire qu'il contient environ XNUMX XNUMX milliards d'électrons libres. C'est un million de fois moins que, par exemple, dans le cuivre ou l'argent, mais toujours suffisant pour que le germanium passe un petit courant à travers lui-même.
Cependant, comme déjà mentionné, la conductivité du germanium peut être considérablement augmentée en introduisant des impuretés dans son réseau, par exemple un atome pentavalent d'arsenic ou d'antimoine. Ensuite, quatre électrons d'arsenic forment des liaisons de valence avec des atomes de germanium, mais le cinquième restera libre. Il sera faiblement lié à l'atome, de sorte qu'une petite tension appliquée au cristal suffira pour qu'il se détache et se transforme en un électron libre (il est clair que les atomes d'arsenic deviennent des ions chargés positivement dans ce cas). Tout cela modifie sensiblement les propriétés électriques du germanium. Bien que sa teneur en impuretés soit faible - seulement 1 atome pour 10 millions d'atomes de germanium, en raison de sa présence, le nombre de particules libres chargées négativement (électrons) dans un cristal de germanium augmente plusieurs fois. Un tel semi-conducteur est généralement appelé semi-conducteur de type n (de négatif à négatif).
Une image différente sera dans le cas où une impureté trivalente (par exemple, aluminium, gallium ou indium) est introduite dans le cristal de germanium. Chaque atome d'impureté forme des liaisons avec seulement trois atomes de germanium, et à la place de la quatrième liaison, il y aura un espace libre - un trou qui peut facilement être rempli par n'importe quel électron (dans ce cas, l'atome d'impureté est ionisé négativement). Si cet électron passe à une impureté d'un atome de germanium voisin, alors ce dernier aura à son tour un trou. En appliquant une tension à un tel cristal, on obtient un effet que l'on peut appeler « déplacement de trou ». En effet, partant du côté où se situe le pôle négatif de la source externe, l'électron va combler le trou de l'atome trivalent. Par conséquent, l'électron se rapprochera du pôle positif, tandis qu'un nouveau trou se formera dans l'atome voisin plus proche du pôle négatif. Puis le même phénomène se produit avec un autre atome. Le nouveau trou, à son tour, sera rempli d'un électron, s'approchant ainsi du pôle positif, et le trou ainsi formé se rapprochera du pôle négatif. Et lorsque, à la suite d'un tel mouvement, l'électron atteindra le pôle positif, d'où il ira à la source de courant, le trou atteindra le pôle négatif, où il sera rempli d'un électron provenant de la source de courant. Le trou se déplace comme s'il s'agissait d'une particule chargée positivement, et on peut dire qu'ici le courant électrique est créé par des charges positives. Un tel semi-conducteur est appelé un semi-conducteur de type p (de positiv - positif). En soi, le phénomène de conductivité des impuretés n'est pas encore d'une grande importance, mais lorsque deux semi-conducteurs sont connectés - l'un avec une conductivité n et l'autre avec une conductivité p (par exemple, lorsque la conductivité n est créée dans un cristal de germanium sur un côté, et p-conductivité de l'autre -conductivité) - des phénomènes très curieux se produisent. Les atomes ionisés négativement de la région p repousseront les électrons libres de la région n de la transition, et les atomes ionisés positivement de la région n repousseront le trou de la région p de la transition. Autrement dit, la jonction pn se transformera en une sorte de barrière entre les deux zones. De ce fait, le cristal acquerra une conductivité unilatérale prononcée: pour certains courants, il se comportera comme un conducteur et pour d'autres, comme un isolant. En effet, si une tension supérieure à la tension de "coupure" de la jonction pn est appliquée au cristal, et de telle sorte que l'électrode positive soit reliée à la région p, et l'électrode négative à la région n , alors un courant électrique circulera dans le cristal formé par les électrons et les trous se déplaçant les uns vers les autres. Si les potentiels de la source externe sont modifiés dans le sens inverse, le courant s'arrêtera (ou plutôt, il sera très insignifiant) - il n'y aura qu'une sortie d'électrons et de trous de la frontière entre les deux régions, en conséquence dont la barrière potentielle entre eux augmentera. Dans ce cas, le cristal semi-conducteur se comportera exactement de la même manière qu'un tube à vide à diode, c'est pourquoi les dispositifs basés sur ce principe sont appelés diodes semi-conductrices. Comme les diodes à tube, elles peuvent servir de détecteurs, c'est-à-dire de redresseurs de courant. Un phénomène encore plus intéressant peut être observé lorsque non pas une, mais deux jonctions pn sont formées dans un cristal semi-conducteur. Un tel élément semi-conducteur est appelé transistor. L'une de ses régions extérieures s'appelle l'émetteur, l'autre s'appelle le collecteur et la région médiane (qui est généralement très mince) s'appelle la base. Si nous appliquons une tension à l'émetteur et au collecteur du transistor, aucun courant ne circulera, quelle que soit la manière dont nous inversons la polarité.
Mais si vous créez une petite différence de potentiel entre l'émetteur et la base, les électrons libres de l'émetteur, ayant surmonté la jonction pn, tomberont dans la base. Et comme la base est très fine, seul un petit nombre de ces électrons suffira à combler les trous situés dans la région p. Par conséquent, la plupart d'entre eux passeront dans le collecteur, surmontant la barrière de verrouillage de la deuxième transition - un courant électrique apparaîtra dans le transistor. Ce phénomène est d'autant plus remarquable que le courant dans le circuit émetteur-base est généralement dix fois inférieur à celui qui circule dans le circuit émetteur-collecteur. De cela, on peut voir que dans son action, le transistor peut dans un certain sens être considéré comme un analogue d'une lampe à trois électrodes (bien que leurs processus physiques soient complètement différents), et la base joue ici le rôle d'une grille placée entre l'anode et la cathode. Tout comme dans une lampe, un petit changement du potentiel de la grille provoque un grand changement du courant d'anode, dans un transistor, de petits changements dans le circuit de base provoquent un grand changement du courant du collecteur. Par conséquent, le transistor peut être utilisé comme amplificateur et générateur de signal électrique. Les éléments semi-conducteurs ont progressivement remplacé les tubes à vide à partir du début des années 40. Depuis 1940, une diode ponctuelle au germanium est largement utilisée dans les radars. Le radar en général a servi de stimulant au développement rapide de l'électronique pour les sources d'énergie haute fréquence à haute puissance. Un intérêt croissant s'est manifesté pour les ondes décimétriques et centimétriques, dans la création de dispositifs électroniques capables de fonctionner dans ces gammes. Pendant ce temps, les tubes à vide, lorsqu'ils étaient utilisés dans la région des hautes et ultra-hautes fréquences, se comportaient de manière insatisfaisante, car leur propre bruit limitait considérablement leur sensibilité. L'utilisation de diodes ponctuelles au germanium aux entrées des récepteurs radio a permis de réduire considérablement le bruit intrinsèque, d'augmenter la sensibilité et la portée de détection des objets.
Cependant, la véritable ère des semi-conducteurs a commencé après la Seconde Guerre mondiale, lorsque le transistor ponctuel a été inventé. Il a été créé après de nombreuses expérimentations en 1948 par des employés de la société américaine "Bell" Shockley, Bardeen et Brattain. En plaçant deux contacts ponctuels sur un cristal de germanium à une courte distance l'un de l'autre et en appliquant une polarisation directe à l'un d'eux et une polarisation inverse à l'autre, ils ont pu contrôler le courant traversant le second en utilisant le courant traversant le premier contact. Ce premier transistor avait un gain d'environ 100. La nouvelle invention s'est rapidement répandue. Les transistors du premier point consistaient en un cristal de germanium à conductivité n, qui servait de base, sur laquelle reposaient deux fines pointes de bronze, situées très près l'une de l'autre - à une distance de plusieurs microns. L'un d'eux (généralement en bronze au béryllium) servait d'émetteur et l'autre (en bronze phosphoreux) servait de collecteur. Lors de la fabrication du transistor, un courant d'environ un ampère passait à travers les pointes. Le germanium a fondu, ainsi que les pointes des pointes. Le cuivre et les impuretés qu'il contient passaient dans le germanium et formaient des couches à conductivité trouée à proximité immédiate des contacts ponctuels. Ces transistors n'étaient pas fiables en raison de l'imperfection de leur conception. Ils étaient instables et ne pouvaient pas fonctionner à des puissances élevées. Leur coût était élevé. Cependant, ils étaient beaucoup plus fiables que les tubes à vide, ne craignaient pas l'humidité et consommaient des centaines de fois moins d'énergie que les tubes à vide analogues. En même temps, ils étaient extrêmement économiques, car ils nécessitaient un très faible courant de l'ordre de 0,5-1 V pour leur alimentation et n'avaient pas besoin d'une batterie séparée. Leur efficacité atteignait 70 %, alors que la lampe dépassait rarement 10 %. Comme les transistors ne nécessitaient pas de chauffage, ils ont commencé à fonctionner immédiatement après leur avoir appliqué une tension. De plus, ils avaient un niveau de bruit intrinsèque très faible, et donc les équipements montés sur transistors s'avéraient plus sensibles.
Peu à peu, le nouvel appareil a été amélioré. En 1952, les premiers transistors plans au germanium dopés apparaissent. Leur fabrication était un processus technologique complexe. Tout d'abord, le germanium a été purifié des impuretés, puis un monocristal s'est formé. (Un morceau ordinaire de germanium est constitué d'un grand nombre de cristaux épissés dans le désordre; une telle structure du matériau ne convient pas aux dispositifs à semi-conducteurs - ici, un réseau cristallin exceptionnellement régulier est nécessaire, le même pour toute la pièce.) Pour cela, le germanium a été fondu et une graine y a été abaissée - un petit cristal avec un réseau correctement orienté. En faisant tourner la graine autour de l'axe, elle s'est lentement soulevée. En conséquence, les atomes autour de la graine se sont alignés dans un réseau cristallin régulier. Le matériau semi-conducteur s'est solidifié et a enveloppé la graine. Le résultat était une tige monocristalline. Simultanément, une impureté de type p ou n a été ajoutée à la masse fondue. Ensuite, le monocristal était découpé en petites plaques, qui servaient de base. L'émetteur et le collecteur ont été créés de différentes manières. La méthode la plus simple consistait à placer de petits morceaux d'indium des deux côtés de la plaque de germanium et à les chauffer rapidement jusqu'à 600 degrés. A cette température, l'indium a fusionné avec le germanium en dessous. Lors du refroidissement, les régions saturées d'indium ont acquis une conductivité de type p. Ensuite, le cristal a été placé dans le boîtier et les fils ont été connectés. En 1955, la société Bell System crée un transistor à diffusion au germanium. La méthode de diffusion consistait à placer des plaques semi-conductrices dans une atmosphère de gaz contenant de la vapeur d'impureté, censée former un émetteur et un collecteur, et à chauffer les plaques à une température proche du point de fusion. Dans ce cas, les atomes d'impuretés ont progressivement pénétré dans le semi-conducteur. Auteur : Ryzhov K.V.
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