Дан портрет ученого выбери его изобретение марк 1 транзистор 2 транзистор лампа транзистор

Добавил пользователь Alex
Обновлено: 19.09.2024

Практически каждая статья посвящённая транзисторам или их разработчикам, вызывает шквал комментариев, в коих непременно заводится дискуссия о вкладе советского изобретателя и исследователя в области радиотехники Олега Владимировича Лосева в сей важный для человечества процесс. Причём комментарии разнятся от категоричных: "Это Лосев изобрёл транзистор, и всё!", до осторожных: "Если бы не Лосев, никаких транзисторов не было бы".

Давайте спокойно разберёмся в этом вопросе. Я уже писал как то, что такие изобретения как транзистор, ядерный реактор, радио, не способен сделать один человек. К подобным открытиям приходят постепенно, используя опыт и результаты исследований других людей, часто и не подозревающих, какой вклад они внесли в то или иное изобретение. Посудите сами, стал бы Попов заниматься исследованием распространения радиоволн, если бы не работы Герца? Именно поэтому ни Лосев, ни Шокли, ни Бардин, не могли вот так просто по щелчку пальцев взять и изобрести транзистор. Кстати, Шокли и Бардин получили Нобелевскую премию вовсе не за изобретение транзистора, а за исследование транзисторного эффекта, что не есть одно и то же. Так что же изобрёл Олег Лосев. По сути - ничего. Он лишь обнаружил способность кристалла полупроводника на основе цинкита, усиливать, а значит и генерировать незатухающие колебания. Иначе говоря,он случайно "нащупал" отрицательный участок вольт-амперной характеристики полупроводника. Исследования он проводил в домашней мастерской используя батарейки от карманного фонаря. Дело в том, что на момент этого открытия, Лосев даже не имел высшего образования и работал в Нижегородской радиолаборатории простым рассыльным. Я считаю его изобретение случайным, по той простой причине, что Лосев стал экспериментировать с кристаллом и батарейками, будучи совершенно уваренным, что природа радиоволн, обязательно связана с искровым разрядом и искал этот микроразряд в кристалле рассматривая его под микроскопом. Как часто бывает в таких случаях, вместо искомого он нашёл то, что нашёл -отрицательный участок вольт-амперной характеристики. Давайте рассмотрим, что же это такое.

Вольт-амперная характеристика кристалла (ВАХ), это график зависимости тока протекающего через него, от напряжения к нему же приложенного. Профессионалов прошу не напрягаться, я стараюсь сделать материал максимально популярным. Изображена ВАХ цинкита Лосева на фото выше. Как видим, при увеличении напряжения приложенного к полюсам кристалла ток растёт, как и должно быть исходя из закона Ома, но при определённом напряжении от U1 до U2, ток начинает падать. Это и есть отрицательный участок ВАХ, позволяющий кристаллу усиливать или генерировать электромагнитные колебания. Собрав простенькую установку, Лосев выстроил этот график и использовал возможности кристалла.

Вот эта установка на картинке выше. С помощью реостата R на кристалле D устанавливается напряжение необходимое для вывода его на отрицательный участок ВАХ. Это изобретение Лосева быстро забыли, ибо оно требовало серьёзных научных исследований, а появившиеся к тому времени радиолампы, легче и проще кристадина решали задачи усиления и генерации электромагнитных колебаний. Можно ли считать, что открытие Лосева опередило время? Думаю - да! Можно ли считать, что открытие Лосева является прообразом транзистора? Категорически нет! Давайте рассмотрим ещё одну вольт-амперную характеристику, хорошо ныне известного полупроводникового прибора - туннельного диода.

Ничего не напоминает? Ба! Да это же кристадин Лосева! А вот и нет. И даже изобретателем туннельного диода Лосева назвать никак нельзя, ибо он работал с монокристаллом, а современный полупроводниковый диод, это "сэндвич" из двух слоёв полупроводника, имеющий так называемый p-n переход. Помните я говорил о научных изысканиях. Только они и позволили создать готовый туннельный диод.

Транзистор же, прибор ещё более сложный, его "сэндвич" содержит уже три слоя и имеет принцип действия совершенно иной нежели туннельный диод, а уж тем более, чем кристадин. Для начала давайте посмотрим на его вольт-амперную характеристику.

Видите что нибудь общее с кристадином или туннельным диодом? И не увидите. Это совершенно разные приборы, не имеющие между собой ничего общего. Усиление транзистором происходит не за счёт использования ниспадающего участка ВАХ, а за счёт управления большим током коллектора, слабым током базы. Даже радиолампа в известном приближении ближе к транзистору, нежели кристадин Лосева. Нисколько не желая умалять его труды, должен сказать, что за всей этой транзисторно - кристадинной шелухой, все забыли о настоящем открытии Олега Лосева - электролюминесценции в кристалле полупроводника. Вот эти его исследования и легли в основу разработки современных светодиодов. Кстати именно это его открытие заинтересовало руководство радиолаборатории, но работы пришлось свернуть, так как не существовало необходимых приборов. И ещё. Как часто у нас бывало, работы Лосева не имели патентов и потому, его открытия в области электролюминисценции в 1944 году "переоткрыл" французский физик Ж. Дестрио. Вот так. А на вопрос заданный в заголовке статьи, я лично отвечаю категорическим - нет!

О чём речь?

— Где бревно?
— Чёрт его знает, говорят, на спутнике макаку чешет.
Перевод:
— Где капитан Деревянко?
— Не знаю, но, говорят, что работает по закрытому каналу связи и отслеживает американские испытания прототипа торпеды Мk-48.

Попробуем разобраться с аспектом космической гонки, связанным с использованием транзисторов, т.е., по сути, с началом использования полупроводниковой электроники в космосе. Мы постараемся найти источники возникших мифов и, по возможности, их развеять — по крайней мере, в части, касающейся аппаратуры первых спутников.

Первые транзисторы

Рис. 2 Сравнение лампы и полупроводникового транзистора из [10].

За время, прошедшее после изобретения транзистора Шокли, Бардином и Браттейном в конце 1940-х и до начала космической эры, транзисторы изменились довольно заметно. Точечные транзисторы были вытеснены плоскостными, плоскостные — сплавными, и так далее, пока их все не вытеснили планарные [11]. Кремниевые транзисторы вытеснили германиевые, хотя и далеко не сразу. Первый кремниевый транзистор сделала в 1954 году компания Texas Instruments [12] 5 , и, забегая вперёд, транзисторы именно этой компании использовали в первых американских спутниках [14].

Рис. 3 Бардин, Шокли и Браттейн в лаборатории Bell

Рис. 4 Сплавной транзистор. Квадратная пластина — база, с одной стороны к ней приварена бусина эмиттера, с другой — бусина коллектора (из Википедии)

Первые кремниевые сплавные транзисторы появились в СССР в 1956 году (П104-П106), затем в 1956-1957 гг. — германиевые П401-П-403 (30-120 МГц), а также П418 (500 МГц). Как видим, к запуску первого искусственного спутника Земли в СССР было производство как германиевых, так и кремниевых транзисторов, хотя даже 1960-е годы процент выхода годных кремниевых транзисторов составлял всего 19,3% [15]. По данным [15], в 1957 году советская промышленность выпустила 2,7 миллионов транзисторов (для сравнения, в США выпуск транзисторов в этом году составил 28 миллионов штук, а число различных типов достигло 600). Первые германиевые транзисторы работали в диапазоне температур до +85 o C [11] 6 и их характеристики были нестабильны, что отвращало от транзисторов как военных, так и политическое руководство СССР.

Транзисторы и военные

В начале сентября 1951 года Bell Labs провели симпозиумы в Мюррей Хилл, штат Нью-Джерси, в ходе которых инженеры в довольно общих чертах объясняли, как сделать точечные транзисторы, и рассказывали о текущем прогрессе со сплавными транзисторами. При этом ничего не говорили о конкретном процессе изготовления и о военных применениях. Первый симпозиум посетили свыше 300 человек (в основном, военные), каждый из которых заплатил взнос $25000 (двадцать пять тысяч долларов 1951 года 8 ) [21]. Многие фирмы хотели производить транзисторы самостоятельно, а не покупать их, и многие в этом преуспели. Фирма Philips и вовсе изготовила транзистор без посещения этих семинаров, пользуясь только информацией из американских газет. Надо отметить, что AT&T не способствовала, но и не препятствовала тому, чтобы другие фирмы производили транзисторы [21].

В 1951 году было всего лишь четыре американских компании, изготавливающих транзисторы для коммерческих применений: Texas Instruments, International Business Machines (IBM), Hewlett-Packard и Motorola. Они получили лицензии за те самые $25000 с низким роялти. Их пригласили на второй симпозиум в апреле 1952 года, где секреты изготовления транзисторов были полностью раскрыты. К 1952 году фирм-производителей стало восемь, к 1953 — пятнадцать, а к 1956 году было, по крайней мере, двадцать шесть компаний, производящих германиевые транзисторы, с доходом более 14 миллионов долларов в год. При этом американские военные были основным потребителем транзисторов. В 1952 году производители полупроводников из Bell Labs подписали военных контрактов на сумму свыше 5 миллионов долларов [21]. Доля финансирования исследований (R&D, Research and Development) со стороны военных с 1953 по 1955 гг выросла до 50% [22].

А что со слуховыми аппаратами? Они действительно появились в США в 1952-1953 годах [25], [21], и это стало первым невоенным использованием транзистора. AT&T выдала бесплатные лицензии на использование в слуховых аппаратах в память о работе Александра Белла с глухими [21].

Если не транзистор, то что?

Июнь 1946 года. Совмин СССР поручает Заводу 617 (в скором будущем — Союзному научно-исследовательский институт № 617 (НИИ-617) с опытным заводом Госкомитета Совета Министров СССР по радиоэлектронике) в Новосибирске разработку сверхминиатюрных и особопрочных ламп для бортовых вычислительных комплексов авиационной техники. Руководить работами назначили В.Н. Авдеева.

Рис. 10 Валентин Николаевич Авдеев

За создание стержневых радиоламп В.Н. Авдеев был избран членом-корреспондентом АН СССР в 1958 году (в тот же год, когда С.П. Королёва избрали действительным членом). Это при том, что В.Н. Авдеев никогда не защищал диссертаций — ни кандидатской, ни тем более докторской.

Транзисторы в первых спутниках

Soviet Army's RED STAR:
Uncle Sam thought of launching a Sputnik into the sky.
He announced it to the whole world, not two days but two years in advance.
The boastful and rich uncle called his Sputnik Vanguard.
The name was beautiful and quite chic,
But it turned out to be pshik.

Для наглядности, в таблице ниже представлены даты запуска и основные массо-габаритные характеристики первых искусственных спутников Земли.

На схеме нет ни одного транзистора, зато есть стержневые радиолампы 2П19Б. Получается, правы те, кто считает, что первые транзисторы появились только в американском Explorer 1?

Рис. 13 Уильям Пикеринг, Джеймс Ван Аллен и Вернер фон Браун демонстрируют полномасштабную модель спутника Explorer 1 на пресс-конференции в Вашингтоне после подтверждения вывода спутника на орбиту

Рис. 14 Джордж Людвиг с резервной копией Explorer 1

Так в каком же советском аппарате впервые использовали транзисторы? Достоверно известно только о Спутнике-3 [5]. Спутник-2 запущен всего лишь через месяц после Спутника-1 — какова вероятность попадания на борт транзисторов, в любом качестве? Честно говоря, мала, учитывая не только отношение к транзисторам в руководстве СССР, но и другие соображения. Как уже отмечалось ранее, германиевые транзисторы (а именно их в основном выпускала советская промышленность и о них было известно достаточно, чтобы судить о надёжности) нестабильны в диапазоне температур, и там, где нужна температуры выше +85 o C, их не применяли. С другой стороны, американские германиевые транзисторы страдали от тех же болезней [37], но их в Explorer 1, по свидетельству Людвига, применяли наряду с кремниевыми, поскольку германиевые имели меньшее напряжение база-эмиттер (0,2 В против 0,5 В у кремниевых), поэтому в ряде схем с напряжением питания 2,8 В применяли именно их 10 .

Первые транзисторные радиоприёмники

В схеме без труда можно найти и П401, и П402, и другие транзисторы. Первые образцы были произведены в апреле 1957 года, за 5 месяцев до запуска Спутника-1. Корпус был выполнен из высушенной сосны, пропитанной спиртовым раствором целлюлозы, и обтянут декоративным пластиком.

Габариты — 185х125х49 мм, вес с аккумуляторами — 950 г. На верхней грани корпуса находилась солнечная батарея! Стоимость аппарата составляла 514 рублей — это была примерно средняя зарплата рабочего в то время.

И что из этого следует?

1 Руководитель группы разработчиков электронной аппаратуры первых американских спутников Explorer I, II, III и др. и соавтор открытия естественных радиационных поясов Земли (поясов Ван Аллена).

2 Рудольф Бакитько, начальник отдела АО „Российские космические системы“: „Это был первый в мире приемо-передатчик для дальней космической связи. Он работал в ультракоротковолновом диапазоне, был сделан на первых транзисторах, которые только создали в НИИ-35 и сразу нам привезли“.

3 Кстати, аналоговая система управления использовалась в космических кораблях „Союз“ вплоть до модификации „Союз-ТМА-М“, впервые отправившейся к Международной Космической Станции
в 2010 году и на которой впервые перешли на цифровую систему [9].

4 Любопытный факт: книга сдана в набор 11 июля 1953 года, т.е. в год смерти Сталина и менее чем через неделю после Июльского пленума ЦК КПСС, где была „разоблачена“ деятельность Л.П.
Берии.

5 В литературе можно встретить утверждение о том, что первые кремниевые транзисторы сделали в 1958 году в Fairchild Semiconductor (см., например, [13]). На самом деле, в 1954 году Texas Instruments сделали первый кремниевый транзистор плоскостного типа (grown-junction), а Fairchild
в 1958 году разработали кремниевый меза-транзистор 2N697, после чего в 1959 году — планарный
2N1613.

6 Военный температурный диапазон в СССР и России — от -60 o C до +125 o C. В США — -55 o C. +125 o C.

8 Не верится, но так в источнике: [21]. Правда, другой источник не упоминает о размере взноса сентябрьского симпозиума, а говорит лишь о том, что за сумму $25000 компании получили лицензии и доступ к симпозиуму 1952 года [22].

9 В зарубежной литературе они называются поясами Ван Аллена (Van Allen belts), а в СССР одно время использовали термин „пояса Ван Аллена-Вернова“. [33]

10 Всего в Explorer 1 использовали 29 транзисторов, не считая транзисторов в одном усилителе. Это были транзисторы Western Electric WE 53194, 2N64, 2N328, 1N496 и 2N335. Подробнее см. в [37]

Одним из значительных изобретений XX века по праву считается изобретение транзистора, пришедшего на замену электронным лампам.

Долгое время лампы были единственным активным компонентом всех радиоэлектронных устройств, хотя и имели множество недостатков. Прежде всего, это большая потребляемая мощность, большие габариты, малый срок службы и малая механическая прочность. Эти недостатки все острее ощущались по мере усовершенствования и усложнения электронной аппаратуры.

Электронные лампы

Революционный переворот в радиотехнике произошел, когда на смену устаревшим лампам пришли полупроводниковые усилительные приборы – транзисторы, лишенные всех упомянутых недостатков.

Первый работоспособный транзистор появился на свет в 1947 году, благодаря стараниям сотрудников американской фирмы Bell Telephone Laboratories. Их имена теперь известны всему миру. Это ученые – физики У. Шокли, Д. Бардин и У. Брайтен. Уже в 1956 году за это изобретение все трое были удостоены нобелевской премии по физике.

Но, как и многие великие изобретения, транзистор был замечен не сразу. Лишь в одной из американских газет было упомянуто, что фирма Bell Telephone Laboratories продемонстрировала созданный ею прибор под названием транзистор. Там же было сказано, что его можно использовать в некоторых областях электротехники вместо электронных ламп.

Первый транзистор

Показанный транзистор имел форму маленького металлического цилиндрика длиной 13 мм и демонстрировался в приемнике, не имевшем электронных ламп. Ко всему прочему, фирма уверяла, что прибор может использоваться не только для усиления, но и для генерации или преобразования электрического сигнала.

Изобретение транзистора, Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Браттейн

За сотрудничество в разработке первого в мире действующего транзистора в 1948 году они разделили Нобелевскую премию 1956 года.

Но возможности транзистора, как, впрочем, и многих других великих открытий, были поняты и оценены не сразу. Чтобы вызвать интерес к новому прибору, фирма Bell усиленно рекламировала его на семинарах и в статьях, и предоставляла всем желающим лицензии на его производство.

Производители электронных ламп не видели в транзисторе серьезного конкурента, ведь нельзя было так сразу, одним махом, сбросить со счетов тридцатилетнюю историю производства ламп нескольких сотен конструкций, и многомиллионные денежные вложения в их развитие и производство. Поэтому транзистор вошел в электронику не так быстро, поскольку эпоха электронных ламп еще продолжалась.

Как это было, первые шаги к полупроводникам

С давних времен в электротехнике использовались в основном два вида материалов – проводники и диэлектрики (изоляторы). Способностью проводить ток обладают металлы, растворы солей, некоторые газы. Эта способность обусловлена наличием в проводниках свободных носителей заряда – электронов. В проводниках электроны достаточно легко отрываются от атома, но для передачи электрической энергии наиболее пригодны те металлы, которые обладают низким сопротивлением (медь, алюминий, серебро, золото).

К изоляторам относятся вещества с высоким сопротивлением, у них электроны очень крепко связаны с атомом. Это фарфор, стекло, резина, керамика, пластик. Поэтому свободных зарядов в этих веществах нет, а значит нет и электрического тока.

Здесь уместно вспомнить формулировку из учебников физики, что электрический ток это есть направленное движение электрически заряженных частиц под действием электрического поля.

В изоляторах двигаться под действием электрического поля просто нечему.

В 1907 году Беддекер, исследуя проводимость йодистой меди обнаружил, что ее проводимость возрастает в 24 раза при наличии примеси йода, хотя сам йод проводником не является. Но все это были случайные открытия, которым не могли дать научного обоснования. Систематическое изучение полупроводников началось лишь в 1920 — 1930 годы.

Большой вклад в изучение полупроводников внес советский ученый сотрудник знаменитой Нижегородской радио-лаборатории О.В. Лосев. Он вошел в историю в первую очередь как изобретатель кристадина (генератор колебаний и усилитель на основе диода) и светодиода.

На заре производства транзисторов основным полупроводником являлся германий (Ge). В плане энергозатрат он весьма экономичен, напряжение отпирания его pn – перехода составляет всего 0,1…0,3В, но вот многие параметры нестабильны, поэтому на замену ему пришел кремний (Si).

Изобретение транзистора

Температура, при которой работоспособны германиевые транзисторы не более 60 градусов, в то время, как кремниевые транзисторы могут продолжать работать при 150. Кремний, как полупроводник, превосходит германий и по другим свойствам, прежде всего по частотным.

Вы никогда не задумывались над тем, почему в последнее время практически все компьютеры стали многоядерными? Термины двухъядерный или четырехъядерный у всех на слуху. Дело в том, что увеличение производительности микропроцессоров методом повышения тактовой частоты, и увеличения количества транзисторов в одном корпусе, для кремниевых структур практически приблизилось к пределу.

Увеличение количества полупроводников в одном корпусе достигается за счет уменьшения их физических размеров. В 2011 году фирма INTEL уже разработала 32 нм техпроцесс, при котором длина канала транзистора всего 20 нм. Однако, такое уменьшение не приносит ощутимого прироста тактовой частоты, как это было вплоть до 90 нм технологий. Совершенно очевидно, что пора переходить на что-то принципиально новое.

Графен – полупроводник будущего

В 2004 году учеными–физиками был открыт новый полупроводниковый материал графен. Этот основной претендент на замену кремнию также является материалом углеродной группы. На его основе создается транзистор, работающий в трех разных режимах.

Изобретение транзистора на основе графена

По сравнению с существующими технологиями это позволит ровно в три раза сократить количество транзисторов в одном корпусе. Кроме того, по мнению ученых рабочие частоты нового полупроводникового материала могут достигать до 1000 ГГц. Параметры, конечно, очень заманчивые, но пока новый полупроводник находится на стадии разработки и изучения, а кремний до сих пор остается рабочей лошадкой. Его век еще не закончился.

Видео

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

Виды транзисторов

Устройство и принцип действия полевых и биполярных транзисторов — это так же темы отдельных статей, поэтому останавливаться на данных тонкостях не будем, а рассмотрим предмет с чисто практической точки зрения на конкретных примерах.

Полевые и биполярные транзисторы

По технологии изготовления транзисторы подразделяются на два типа: полевые и биполярные. Биполярные в свою очередь делятся по проводимости на n-p-n – транзисторы обратной проводимости, и p-n-p – транзисторы прямой проводимости. Полевые транзисторы бывают, соответственно, с каналом n-типа и p-типа. Затвор полевого транзистора может быть изолированным (IGBT-транзисторы) или в виде p-n-перехода. IGBT-транзисторы бывают со встроенным каналом или с индуцированным каналом.

Виды транзисторов, p –n–p и n–p–n проводимость

Области применения транзисторов определяются их характеристиками, а работать транзисторы могут в двух режимах: в ключевом или в усилительном. В первом случае транзистор в процессе работы или полностью открыт или полностью закрыт, что позволяет управлять питанием значительных нагрузок, используя малый ток для управления. А в усилительном, или по-другому — в динамическом режиме, используется свойство транзистора изменять выходной сигнал при малом изменении входного, управляющего сигнала. Далее рассмотрим примеры различных транзисторов.

2N3055 – биполярный n-p-n-транзистор в корпусе ТО-3

Популярен в качестве элемента выходных каскадов высококачественных звуковых усилителей, где он работает в динамическом режиме. Как правило, используется совместно с комплементарным p-n-p собратом MJ2955. Данный транзистор может работать и в ключевом режиме, например в трансформаторных НЧ инверторах 12 на 220 вольт 50 Гц, пара 2n3055 управляет двухтактным преобразователем.

Примечательно, что напряжение коллектор-эмиттер для данного транзистора в процессе работы может достигать 70 вольт, а ток 15 ампер. Корпус ТО-3 позволяет удобно закрепить его на радиатор в случае необходимости. Статический коэффициент передачи тока — от 15 до 70, этого достаточно для эффективного управления даже мощными нагрузками, при том, что база транзистора выдерживает ток до 7 ампер. Данный транзистор может работать на частотах до 3 МГц.

КТ315 — легенда среди отечественных биполярных транзисторов малой мощности

Данный транзистор n-p-n – типа впервые увидел свет 1967 году, и по сей день пользуется популярностью в радиолюбительской среде. Комплементарной парой к нему является КТ361. Идеален для динамических и ключевых режимов в схемах малой мощности.

При максимально допустимом напряжении коллектор-эмиттер 60 вольт, этот высокочастотный транзистор способен пропускать через себя ток до 100 мА, а граничная частота у него не менее 250 МГц. Коэффициент передачи тока достигает 350, при том, что ток базы ограничен 50 мА.

Изначально транзистор выпускался только в пластмассовом корпусе KT-13, 7 мм в ширину и 6 мм высотой, но в последнее время можно его встретить и в корпусе ТО-92.

КП501 — полевой n-канальный транзистор малой мощности с изолированным затвором

Имеет обогащенный n-канал, сопротивление которого составляет от 10 до 15 Ом, в зависимости от модификации (А,Б,В). Предназначен данный транзистор, как его позиционирует производитель, для использования в аппаратуре связи, в телефонных аппаратах и другой радиоэлектронной аппаратуре.

Этот транзистор можно назвать сигнальным. Небольшой корпус ТО-92, максимальное напряжение сток-исток — до 240 вольт, максимальный ток стока — до 180 мА. Емкость затвора менее 100 пф. Особенно примечательно то, что пороговое напряжение затвора составляет от 1 до 3 вольт, что позволяет реализовать управление с очень-очень малыми затратами. Идеален в качестве преобразователя уровней сигналов.

irf3205 – n-канальный полевой транзистор, изготовленный по технологии HEXFET

Популярен в качестве силового ключа для повышающих высокочастотных инверторов, например автомобильных. Посредством параллельного включения нескольких корпусов представляется возможность построения преобразователей, рассчитанных на значительные токи.

Максимальный ток для одного такого транзистора достигает 75А (ограничение вносит конструкция корпуса ТО-220), а максимальное напряжение сток-исток составляет 55 вольт. Сопротивление канала при этом всего 8 мОм. Емкость затвора в 3250 пф требует применения мощного драйвера для управления на высоких частотах, но сегодня это не является проблемой.

FGA25N120ANTD мощный биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT-транзистор)

Способен выдержать напряжение сток-исток 1200 вольт, максимальный ток стока составляет 50 ампер. Особенность изготовления современных IGBT-транзисторов такого уровня позволяет отнести их к классу высоковольтных.

Область применения — силовые преобразователи инверторного типа, такие как индукционные нагреватели, сварочные аппараты и другие высокочастотные преобразователи, рассчитанные на питание высоким напряжением. Идеален для мощных мостовых и полумостовых резонансных преобразователей, а также для работы в условиях жесткого переключения, имеется встроенный высокоскоростной диод.

Видео, виды транзисторов

Дорога к твердотельным переключателям была долгой и сложной. Она началась с открытия, что определённые материалы странно ведут себя в присутствии электричества – не так, как предсказывали существовавшие тогда теории. За этим последовала история о том, как в XX веке технология становилась всё более научной и институциональной дисциплиной. Дилетанты, новички и профессиональные изобретатели практически без всякого научного образования делали серьёзные вклады в становление телеграфа, телефонии и радио. Но, как мы увидим, почти все продвижения в истории твердотельной электроники случились благодаря учёным, учившимся в университетах (и обычно имеющим степень доктора наук по физике), и работавшим при университетах или корпоративных исследовательских лабораториях.

Любой человек с доступом к мастерской и с базовыми навыками работы с материалами может собрать реле из проводов, металла и дерева. Для создания электронных ламп требуются более специализированные инструменты, способные создать стеклянную колбу и откачать из неё воздух. Твердотельные же устройства исчезли в кроличьей норе, из которой цифровой переключатель так и не вернулся, и погружались всё глубже в миры, понятные только абстрактной математике и доступные только при помощи безумно дорогого оборудования.

История реле

Галенит

Фердинанд Браун

Примерно в то же время исследователи обнаружили и другие странные свойства таких материалов, как, например, селен, который можно было выплавить из некоторых сульфидных руд металлов. Под воздействием света селен увеличивал проводимость и даже начинал генерировать электричество, а также его можно было использовать для выпрямления. Была ли тут какая-то связь с кристаллами сульфидов? Без теоретических моделей, способных объяснить происходящее, в этой области царило замешательство.

Однако отсутствие теории не останавливало попытки практического применения результатов. В конце 1890-х Браун стал профессором Страсбургского университета – недавно аннексированного у Франции в ходе Франко-Прусской войны и переименованного в Университет кайзера Вильгельма. Там его засосал захватывающий новый мир радиотелеграфии. Он ответил согласием на предложение группы предпринимателей о совместном создании беспроводной системы связи, основанной на передаче радиоволн сквозь воду. Однако они с подельниками вскоре отказались от первоначальной идеи в пользу воздушной передачи сигналов, которую использовал Маркони и другие.

Среди аспектов радио, которые группа Брауна стремилась улучшить, был стандартный в то время приёмник, когерер. Он основывался на том факте, что радиоволны заставляли металлические опилки собираться в комочек, что позволяло току от батареи проходить к сигнальному устройству. Это сработало, но система отзывалась только на относительно сильные сигналы, а для разбивания комочка опилок требовалось постоянно ударять по устройству. Браун вспомнил свои старые эксперименты с кристаллами сульфида, и в 1899 году воссоздал свою старую экспериментальную установку с новой целью – служить детектором беспроводных сигналов. Эффект выпрямления он использовал для преобразования крохотного колеблющегося тока, порождаемого проходящими радиоволнами, в постоянный ток, который мог питать небольшой динамик, выдававший слышимые щелчки для каждой точки или тире. Это устройство позже стало известно под именем "детектор кошачий ус" из-за внешнего вида проводочка, который легко прикасался к верхней части кристалла. В Британской Индии (где сегодня находится Бангладеш) учёный и изобретатель Джагадиш Бозе построил сходное устройство, возможно даже в 1894 году. Остальные вскоре начали делать подобные детекторы на основе кремния и карборунда (карбида кремния).

Однако именно галенит, сульфид свинца, который плавили для получения свинца с древних времён, стал предпочтительным материалом для кристаллических детекторов. Они получались простыми в изготовлении и дешёвыми, и в результате стали безумно популярны среди раннего поколения радиолюбителей. Более того, в отличие от двоичного когерера (с опилками, которые либо сбивались в комочек, либо нет), кристаллический выпрямитель мог воспроизводить непрерывный сигнал. Поэтому он мог выдавать слышимые ухом передачи голоса и музыки, а не только азбуку Морзе с её точками и тире.

Однако, как вскоре установили раздосадованные радиолюбители, на поиск волшебной точки на поверхности кристалла, которая давала бы хорошее выпрямление, могли уйти минуты или даже часы. А сигналы без усиления были слабыми и имели металлический призвук. К 1920-м годам приёмники на электронных лампах с триодными усилителями практически вывели кристаллические детекторы из употребления почти везде. Их привлекательной чертой оставалось только дешевизна.

Это краткое появление на арене радиоприёмников, казалось, было пределом практического применения странных электрических свойств материала, открытых Брауном и другими.

Оксид меди

Затем в 1920-х другой физик по имени Ларс Грондал открыл нечто странное при помощи своей экспериментальной установки. Грондал, первый из цепочки умных и неугомонных мужей из истории американского Запада, был сыном инженера-строителя. Его отец, эмигрировавший из Норвегии в 1880-м несколько десятилетий работал на железных дорогах в Калифорнии, Орегоне и Вашингтоне. Сначала Грондал, казалось, решил оставить позади инженерный мир отца, и отправился в институт Джонса Хопкинса за получением докторской по физике, чтобы пойти по академическому пути. Но затем и он вовлёкся в железнодорожный бизнес и устроился на позицию директора по исследованиям компании Union Switch and Signal, подразделения промышленного гиганта Westinghouse, поставлявшего оборудование для ж/д индустрии.

В различных источниках указываются противоречивые причины, мотивировавшие Грондаля на его исследования, но как бы там ни было, он начал экспериментировать с медными дисками, разогретыми с одной стороны для создания окисленного слоя. Работая с ними, он обратил внимание на асимметричность тока – сопротивление в одну сторону было в три раза больше, чем в другую. Диск из меди и оксида меди выпрямлял ток, прямо как кристалл сульфида.

Схема выпрямителя из оксида меди

Следующие шесть лет Грондал разрабатывал на основе этого явления готовый к использованию коммерческий выпрямитель, заручившись помощью другого исследователя из США, Поля Гейгера, а потом отправил заявку на патент и объявил о своём открытии в Американском физическом обществе в 1926. Прибор сразу стал коммерческим хитом. Благодаря отсутствию хрупких нитей он был гораздо надёжнее выпрямителя на электронных лампах, основанного на клапанном принципе Флеминга, и был дёшев в производстве. В отличии от брауновских кристаллов-выпрямителей, он работал с первой попытки, а благодаря большей площади контакта металла и оксида, он работал с большим диапазоном токов и напряжений. Он мог заряжать аккумуляторы, обнаруживать сигналы в различных электрических системах, работать шунтом безопасности в мощных генераторах. При использовании в качестве фотоэлемента диски могли работать как измерители количества света, и были особенно полезны в фотографии. Другие исследователи примерно в то же время разработали выпрямители из селена, нашедшие сходные варианты применения.

Пачка выпрямителей на основе оксида меди. Сборка из нескольких дисков увеличивала обратное сопротивление, что позволяло использовать их с высоким напряжением.

Через несколько лет два физика из Лабораторий Белла, Джозеф Беккер и Уолтер Браттейн, решили изучить принцип работы медного выпрямителя – им было интересно узнать, как он работает, и как его можно использовать в компании Bell System.

Браттейн в пожилом возрасте – ок. 1950

Браттейн был родом из тех же мест, что и Грондал, с Тихоокеанского северо-запада, где он рос на ферме, расположенной в нескольких километрах от канадской границы. В старших классах его стала интересовать физика, он проявлял способности в этой области, и в итоге получил докторскую степень в Миннесотском университете в конце 1920-х, и устроился на работу в Лаборатории Белла в 1929. Среди прочего, в университете он изучал новейшую теоретическую физику, набиравшую в Европе популярность, и известную, как квантовая механика (его куратором был Джон Хазбрук Ван Флек, также наставлявший и Джона Атанасова).

Квантовая революция

Новая теоретическая платформа медленно развивалась в последние три десятилетия, и в своё время она сможет объяснить все странные явления, много лет наблюдавшиеся в таких материалах, как галенит, селен и оксид меди. Целая когорта преимущественно молодых физиков, в основном из Германии и соседних стран, вызвала квантовый переворот в физике. Везде, где ни посмотри, они обнаруживали не плавный и непрерывный мир, которому их учили, а странные дискретные комочки.

Вскоре после этого Эйнштейн обнаружил, что то же выполняется и с поглощением света (первый намёк на фотоны), а Дж. Дж. Томсон показал, что электричество также переносится не непрерывной жидкостью или волной, а дискретными частицами – электронами. Затем Нильс Бор создал модель, объяснявшую, как возбуждённые атомы испускают излучение, назначив электронам отдельные орбиты в атоме, каждая из которых обладает своей энергией. Однако это название вводит в заблуждение, поскольку они ведут себя нисколько не похоже на орбиты планет – в модели Бора электроны мгновенно переходили с одной орбиты, или энергетического уровня, на другой, не проходя через промежуточное состояние. И, наконец, в 1920-х, Эрвин Шрёдингер, Вернер Гейзенберг, Макс Борн и другие создали обобщённую математическую платформу, известную, как квантовая механика, включившую в себя все особые квантовые модели, создававшиеся за предыдущие двадцать лет.

Теперь у физиков появились как математические инструменты квантовой механики, так и новый класс материалов, к которому можно было их применять. Британский теоретик Алан Уилсон первым собрал всё это вместе и построил общую модель полупроводников и принципа их работы в 1931.

Сначала Уилсон утверждал, что проводящие материалы отличаются от диэлектриков состоянием энергетических зон. Квантовая механика утверждает, что электроны могут существовать на ограниченном количестве энергетических уровней, присущих оболочкам, или орбиталям отдельных атомов. Если сжать эти атомы вместе в структуре какого-либо материала, то правильнее будет представлять себе непрерывные энергетические зоны, проходящие его насквозь. В проводниках в высоких энергетических зонах есть свободные места, и электрическое поле свободно может перемещать туда электроны. В изоляторах зоны заполнены, а до более высокой, проводящей зоны, по которой электричеству идти легче, карабкаться довольно далеко.

Это привело его к заключению, что примеси – чужие атомы в структуре материала – должны вносить вклад в его полупроводниковые свойства. Они могут либо поставлять лишние электроны, которые легко выходят в зону проводимости, или же дырки – отсутствие электронов по сравнению с остальным материалом – что создаёт пустые энергетические места, куда могут двигаться свободные электроны. Первый вариант позднее назвали полупроводниками n-типа (или электронными) – за излишний отрицательный заряд, а вторые – p-типа, или дырочными – за излишний положительный заряд.

Наконец, Уилсон предположил, что выпрямление тока полупроводниками можно объяснить в терминах квантового туннельного эффекта, внезапного прыжка электронов через тонкий электрический барьер в материале. Теория выглядела правдоподобной, однако предсказывала, что в выпрямителе ток должен течь от оксида к меди, хотя в реальности всё было наоборот.

Вот так, несмотря на все прорывы Уилсона, полупроводники оставались сложными для объяснения. Как постепенно становилось понятно, микроскопические изменения кристаллической структуры и концентрации примесей несоразмерно сильно влияли на их макроскопическое электрическое поведение. Не обращая внимания на отсутствие понимания – поскольку никто так и не мог объяснить экспериментальные наблюдения, сделанные Брауном за 60 лет до этого – Браттейн и Беккер разработали эффективный производственный процесс медно-оксидных выпрямителей для своего работодателя. Bell System быстро стала заменять выпрямители на электронных лампах по всей системе на новое устройство, которое их инженеры назвали варистором, поскольку его сопротивление менялось в зависимости от направления.

Золотая медаль

Мервин Келли, физик и бывший глава департамента электронных ламп Лабораторий Белла, очень заинтересовался этим достижением. За пару десятков лет электронные лампы сослужили Беллу бесценную службу, и могли выполнять функции, недоступные предыдущему поколению механических и электромеханических компонентов. Но они сильно грелись, регулярно перегревались, потребляли много энергии и были сложны в обслуживании. Келли собирался перестроить систему Белла заново на основе более надёжных и выносливых твердотельных электронных компонентов, таких, как варистор, которым не требовались ни герметичные корпуса, заполненные газом или пустые, ни раскалённые нити. В 1936 он стал главой исследовательского отдела Лабораторий Белла, и начал перенаправлять организацию на новый путь.

Получив твердотельный выпрямитель, следующим очевидным шагом было создать твердотельный усилитель. Естественно, что, как и ламповый усилитель, такое устройство могло бы работать и как цифровой переключатель. Это особенно интересовало фирму Белла, поскольку в телефонных коммутаторах до сих пор работало огромное количество электромеханических цифровых переключателей. Компания искала более надёжную, компактную, энергоэффективную и холодную замену электронной лампе в телефонных системах, радиоприёмниках, радарах и другом аналоговом оборудовании, где они использовались для усиления слабых сигналов до уровня, доступного человеческому уху.

Браттейн и Беккер в это время продолжали свои исследования выпрямителя на оксиде меди, стремясь получить улучшенный твердотельный усилитель. Самым очевидным способом его изготовить было идти по аналогии с электронной лампой. Точно так же, как Ли де Форест взял ламповый усилитель и поместил электрическую сетку между катодом и анодом, так и Браттейн с Беккером представили, как можно вставить сетку в место соприкосновения меди и оксида меди, где, как предполагалось, происходит выпрямление. Однако из-за малой толщины слоя они посчитали невозможным это сделать, и не преуспели в этом.

Тем временем другие разработки показали, что Лаборатории Белла были не единственной компанией, интересующейся твердотельной электроникой. В 1938 Рудольф Хилш и Роберт Пол опубликовали результаты экспериментов, проводимых в Гёттингенском университете над работающим твердотельным усилителем, созданным через внедрение сетки в кристалл бромида калия. Практической ценности это лабораторное устройство не представляло – в основном, поскольку работало на частоте не более 1 Гц. И всё же это достижение не могло не обрадовать всех интересующихся твердотельной электроникой. В том же году Келли определил Шокли в новую независимую группу исследований твердотельных устройств и выдал ему с коллегами – Фостером Никсом и Дином Вулриджем – карт-бланш на изучение их возможностей.

По меньшей мере, ещё двое изобретателей сумели создать твердотельные усилители до Второй мировой. В 1922 году советский физик и изобретатель Олег Владимирович Лосев опубликовал результаты успешных опытов с цинкитовыми полупроводниками, но его работы остались незамеченными западным сообществом; в 1926 году американский изобретатель Джулиус Лиленфилд подал заявку на патент на твердотельный усилитель, однако нет никаких свидетельств работоспособности его изобретения.

Затем вмешалась война, оставив новую исследовательскую программу Келли в беспорядке. Келли встал во главе рабочей группы по радарам в Лабораториях Белла, работавшей при поддержке главного радарного исследовательского центра США в MIT. Браттейн недолго поработал у него, а затем перешёл к исследованиям магнитного обнаружения подводных лодок по заказу военного флота. Вулридж работал над системами управления огнём, Никс – над диффузией газов для Манхэттенского проекта, а Шокли ушёл в операционные исследования, и сначала занимался борьбой с подлодками в Атлантике, а потом стратегическими бомбардировками в Тихом океане.

Но, несмотря на это вмешательство, война не остановила развитие твердотельной электроники. Наоборот, она организовала массивное вливание ресурсов в эту область, и привела к концентрации исследований на двух материалах: германии и кремнии.

Читайте также: