4.2 Изобретение плоскостного биполярного транзистора.

 Одновременно, в период апрель 1947 – январь 1948 г., Шокли опубликовал теорию плоскостных биполярных транзисторов. Рассмотрев полупроводниковые выпрямительные устройства из кристаллов полупроводника, имеющего переход между областями p- и n- типа.(Рис. 4.3)

 Такое устройство, называемое плоскостным полупроводниковым выпрямителем, обладает малым сопротивлением, когда р-область – положительна по отношению к n-области. Характеристики плоскостного выпрямителя можно точно определить теоретически. По сравнению с точечным, плоскостной выпрямитель допускает большую нагрузку т.к. площадь контакта можно сделать достаточно большой. С другой стороны с увеличением площади растет шунтирующая контактная емкость. Далее Шокли рассмотрел теорию плоскостного транзистора из кристалла полупроводника, содержащего два p-n перехода (Рис. 4.4) Положительная р-область является эмиттером, отрицательная р-область коллектором, n-область представляет собой базу. Таким образом вместо металлических точечных контактов используются две p-n области. В точечном транзисторе два металлических точечных контакта необходимо было располагать очень близко друг к другу, и в плоскостном транзисторе оба перехода должны располагаться очень близко друг к другу. Область базы очень тонкая – менее 25 мкм. Плоскостные транзисторы обладают рядом преимуществ перед точечными: они более доступны теоретическому анализу, обладают более низким уровнем шумов, обеспечивают большую мощность. Для нормальной работы транзистора, как усилителя, необходимо чтобы на эмиттер было подано прямое, а на коллектор обратное смещение, по отношению к базе. Для p-n-p транзистора условие соответствует – положительному эмиттеру и отрицательному коллектору. Для n-p-n – обратные полярности т.е. отрицательный эмиттер и положительный коллектор.

 Изобретение транзисторов явилось знаменательной вехой в истории развития электроники и поэтому его авторы Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли были удостоины нобелевской премии по физике за 1956 г.

4.3 Предпосылки появления транзисторов.

 Появление транзисторов – это результат кропотливой работы десятков выдающихся ученых и сотен виднейших специалистов, которые в течении предшествующих десятилетий развивали науку о полупроводниках. Среди них были не только физики, но и специалисты по электронике, физхимии, материаловедению.

 Начало серьезных исследований относится к 1833 году, когда Майкл Фарадей работая с сульфидом серебра обнаружил, что проводимость полупроводников растет с повышением температуры, в противоположность проводимости металлов, которая в этом случае уменьшается.

 В конце XIX века были установлены три важнейших свойства полупроводников:

1. Появление ЭДС при освещении полупроводника.

2. Рост электрической проводимости полупроводника при освещении.

3. Выпрямляющее свойство контакта полупроводника с металлом.

В 20-е годы ХХ в. выпрямляющие свойства контакта полупроводников с металлом начали практически использовать в радиотехнике. Радиоспециалисту из Нижегородской радиотехнической лаборатории Олегу Лосеву в 1922 году удалось применить выпрямляющее устройство на контакте стали с кристаллом цинкита в качестве детектора, в детекторном приемнике под названием "Кристадин". Схема кристадина (Рис. 4.5) содержит входной настраиваемый контур L1C1 к которому подключена внешняя антенна А и заземление. С помощью переключателя П1 параллельно входному контуру подключается детектор Д1. Такой детектор может не только детектировать, но и предварительно усиливать сигнал, когда его рабочая точка находится на падающем участке ВАХ (Рис. 4.5(б)). На этом участке ВАХ сопротивление детектора становится отрицательным, что приводит к частичной компенсации потерь в контуре L1C1 и тогда приемник становится генератором.

Потенциометр R1 регулирует ток детектора. Прослушивание сигналов принятых радиостанцией осуществляется на низкоуровневый телефон, катушки которого включены последовательно с источником питания через дроссель Др 1 и катушку L2.

 Первый образец кристадина был изготовлен Лосевым в 1923 году. В это время в Москве начала работать центральная радиотелефонная станция, передачи которой можно было принимать на простые детекторные приемники только вблизи столицы. Кристадин Лосева позволял не только увеличить дальность приема радиостанции, но был проще и дешевле. Интерес к кристадину в то время был огромный. "Сенсационное изобретение" – под таким заголовком американский журнал "Radio News" напечатал в сентябре 1924 г. редакционную статью посвященную работе Лосева. "Открытие Лосева делает эпоху", – писал журнал, выражая надежду, что сложную электровакуумную лампу вскоре заменит кусочек цинкита или другого вещества простого в изготовлении и применении.

 Продолжая исследование кристаллических детекторов, Лосев открыл свечение карборунда при прохождении через него электрического тока. Спустя 20 лет это же явление было открыто американским физиком Дестрио и получило название электролюминесценции. Важную роль в развитии теории полупроводников в начале 30-х годов сыграли работы проводимые в России под руководством академика А.Ф. Иоффе. В 1931 году он опубликовал статью с пророческим названием: "Полупроводники – новые материалы электроники". Немалую заслугу в исследование полупроводников внесли советские ученые – Б.В. Курчатов, В.П. Жузе и др. В своей работе – "К вопросу об электропроводности закиси меди", опубликованной в 1932 году, они показали, что величина и тип электрической проводимости определяется концентрацией и природой примеси. Немного позднее, советский физик – Я.Н. Френкель создал теорию возбуждения в полупроводниках парных носителей заряда: электронов и дырок. В 1931 г. англичанину Уилсону удалось создать теоретическую модель полупроводника, основанную на том факте, что в твердом теле дискретные энергетические уровни электронов отдельных атомов размываются в непрерывные зоны, разделенные запрещенными зонами (значениями энергии, которые электроны не могут принимать) – "зонная теория полупроводников".

 В 1938 г. Мотт в Англии, Давыдов в СССР, Вальтер Шоттки в Германии сформулировали, независимо, теорию выпрямляющего действия контакта металл-полупроводник. Эта обширная программа исследований, выполняемая учеными разных стран и привела к экспериментальному созданию сначала точечного, а затем и плоскостного транзистора.

 4.4 История развития полевых транзисторов.

 4.4.1 Первый полевой транзистор был запатентован в США в 1926/30гг., 1928/32гг. и 1928/33гг. Лилиенфельд – автор этих потентов. Он родился в 1882 году в Польше. С 1910 по 1926 г. был профессором Лейпцигского университета. В 1926 г. иммигрировал в США и подал заявку на патент.

 Предложенные Лилиенфельдом транзисторы не были внедрены в производство. Транзистор по одному из первых патентов № 1900018 представлен на Рис. 4.6

 Наиболее важная особенность изобретения Лилиенфельда заключается в том, что он понимал работу транзистора на принципе модуляции проводимости исходя из электростатики. В описании к патенту формулируется, что проводимость тонкой области полупроводникового канала модулируется входным сигналом, поступающим на затвор через входной трансформатор.

 4.4.2

 В 1935 году в Англии получил патент на полевой транзистор немецкий изобретатель О. Хейл

Схема из патента № 439457 представлена на Рис. 4.7 где:

            1 – управляющий электрод

            2 – тонкий слой полупроводника(теллур, йод, окись меди, пятиокись ванадия)

            3,4 – омические контакты к полупроводнику

            5 – источник постоянного тока

            6 – источник переменного напряжения

            7 – амперметр

 Управляющий электрод (1) выполняет роль затвора, электрод (3) выполняет роль стока, электрод (4) роль истока. Подавая переменный сигнал на затвор, расположенный очень близко к проводнику, получаем изменение сопротивления полупроводника (2) между стоком и истоком. При низкой частоте можно наблюдать колебание стрелки амперметра (7). Данное изобретение является прототипом полевого транзистора с изолированным затвором.

 4.4.3

 Следующий период волны изобретений по транзисторам наступил в 1939 году, когда после трехлетних изысканий по твердотельному усилителю в фирме "BTL" (Bell Telephone Laboratories) Шокли был приглашен включиться в исследование Браттейна по медноокисному выпрямителю. Работа была прервана второй мировой войной, но уже перед отъездом на фронт Шокли предложил два транзистора. Исследования по транзисторам возобновились после войны, когда в середине 1945 г. Шокли вернулся в "BTL", а в 1946 г. туда же пришел Бардин.

 В 1952 г. Шокли описал униполярный(полевой) транзистор с управляющим электродом, состоящим, как показано на рис. 4.8, из обратно смещенного p-n – перехода. Предложенный Шокли полевой транзистор состоит из полупроводникового стержня n-типа (канал n-типа) с омическими выводами на торцах. В качестве полупроводника использован кремний(Si). На поверхности канала с противоположных сторон формируется p-n-переход, таким образом, чтобы он был параллелен направлению тока в канале. Рассмотрим как течет ток между омическими контактами истока и стока. Проводимость канала определяют основные носители заряда для данного канала. В нашем случае электроны в канале n-типа. Вывод, от которого носители начинают свой путь, называется истоком. На рис. 4.8 – это отрицательный электрод. Второй омический электрод, к которому подходят электроны, – сток. Третий вывод от p-n-перехода называют затвор.

 Точное описание процессов в полевом транзисторе представляет определенные трудности. Поэтому, Шокли предложил упрощенную теорию униполярного транзистора в основном объясняющую свойства этого прибора. При изменении входного напряжения (исток-затвор) изменяется обратное напряжение на p-n-переходе, что приводит к изменению толщины запирающего слоя. Соответственно изменяется площадь поперечного сечения n-канала, через который проходит поток основных носителей заряда, т.е. выходной ток. При высоком напряжении затвора запирающий слой становится все толще и площадь поперечного сечения уменьшается до нуля, а сопротивление канала увеличивается до бесконечности и транзистор запирается.

 4.4.4

 В 1963 г. Хофштейн и Хайман описали другую конструкцию полевого транзистора, где используется поле в диэлектрике, расположенном между пластиной полупроводника и металлической пленкой. Такие транзисторы со структурой металл-диэлектрик-полупроводник называются МДП-транзисторы. В период с 1952 по 1970 гг. полевые транзисторы оставались на лабораторной стадии развития. Три фактора способствовали стремительному развитию полевых транзисторов в 70-е годы:

1) Развитие физики полупроводников и прогресс в технологии полупроводников, что позволило получить приборы с заданными характеристиками.

2) Создание новых технологических методов, таких как тонкопленочные технологии для получения структуры с изолированным затвором.

3) Широкое внедрение транзисторов в электрическое оборудование.

 4.5 История развития серийного производства транзисторов в США и СССР

 4.5.1

 Ускоренная разработка и производство транзисторов развернулись в США в кремниевой долине, расположенной в 80-ти км от Сан-Франциско. Возникновение кремниевой долины связывают с именем Ф. Термена – декана инженерного факультета Стенфордского университета, когда его студенты Хьюлетт, Паккард и братья Вариан создали фирмы, прославившие их имена во время второй мировой войны.

 Бурное развитие кремниевой долины началось, когда Шокли покинул "BTL" и основал собственную фирму по производству кремниевых транзисторов при финансовой помощи питомца Калифорнийского политехнического института А. Беккмана. Его фирма начала работу осенью 1955 г., как отделение фирмы "Beckman Instruments" в армейских казармах Паоло-Алто. Шокли пригласил 12 специалистов (Хорсли, Нойс, Мур, Гринич, Робертс, Хорни, Ласт, Джонс, Клейнер, Блэнк, Нэпик, Са). В 1957 г. фирма изменила свое название на "Shockly Transistor Corporation". Вскоре 8 специалистов (Нойс, Мур, Гринич, Робертс, Хорни, Ласт, Клейнер, Блэнк) договорились с Беккманом и создали отдельную самостоятельную фирму "Fairchild Semiconductor Corporation" в основе деятельности, которой лежало массовое производство высококачественных кремниевых биполярных транзисторов. В качестве первого изделия был выбран в 1957 г. кремниевый n-p-n мезатранзистор с двойной диффузией типа 2N696. Он требовал всего лишь два процесса фотолитографии для создания эмиттера и металлических контактов. Термин мезатранзистор был предложен Эрли из "BTL". Введя дополнительную операцию фотолитографии, Хорни заменил мезаструктуру коллектора диффузионным карманом и закрыл место пересечения эмиторного и коллекторного переходов с поверхностью термическим оксидом(1000 oС). Технологию таких транзисторов Хорни назвал планарным процессом. В 1961 г. был начат крупносерийный выпуск двух планарных кремниевых биполярных транзисторов 2N613(n-p-n), 2N869(p-n-p)

 Институт полупроводниковых материалов и оборудования (США) составил генеалогическое дерево и первые ветви отпочкованные от фирмы Shockley выглядят так: Ласт и Хорни в 1961 году основали Amelco, которая позже превратилась в Teledyne Semiconductor. Хорни в 1964 году создал Union Corbide Electronics, в 1967 году – Intersil. Ежегодно создавалось по четыре фирмы, и за период с 1957 по 1983 г. в кремниевой долине было создано более 100 фирм. Рост продолжается и сейчас. Он стимулируется близостью Стенфордского и Калифорнийского университета и активным участием их сотрудников в деле организации фирм (Рис. 4.9).

                        Рис. 4.9  Динамика развития кремниевой долины.