トランジスタ。発明と生産の歴史

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トランジスタ。発明と生産の歴史

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トランジスタ、半導体三極管 - 半導体材料で作られた無線電子部品。通常は XNUMX つの端子があり、入力信号によって電気回路内の電流を制御できます。通常、電気信号の増幅、生成、変換に使用されます。一般に、トランジスタとは、制御電極の信号が変化したときに XNUMX つの異なる状態の間で信号を変化させるという、トランジスタの主な特性をシミュレートするデバイスのことです。

世界で初めて動くトランジスタのコピー

40 年代後半のトランジスタの発明は、エレクトロニクスの歴史における最大のマイルストーンの XNUMX つです。それまでラジオや電子機器に欠かすことのできない主要な要素であった真空管には、多くの欠点がありました。

無線機器の複雑さとそれに対する一般的な要件の増加に伴い、これらの欠点はますます深刻に感じられました。これらには、まず第一に、ランプの機械的な脆弱性、短い耐用年数、大きな寸法、およびアノードでの大きな熱損失による低効率が含まれます。したがって、リストされた欠陥のいずれも持たない半導体素子がXNUMX世紀後半に真空管に取って代わったとき、無線工学と電子工学に真の革命が起こりました.

半導体は、その驚くべき特性をすぐに人間に明らかにしたわけではないと言わなければなりません。長い間、電気工学では導体と誘電体のみが使用されていました。それらの間の中間の位置を占める材料の大規模なグループは用途を見つけられず、時々電気の性質を研究している少数の研究者だけがそれらの電気特性に関心を示しました。そこで、1874 年にブラウンは鉛と黄鉄鉱の接点で電流が整流される現象を発見し、最初の結晶検出器を作成しました。

他の研究者は、それらに含まれる不純物が半導体の導電率に大きな影響を与えることを発見しました。たとえば、1907 年に Beddecker は、それ自体は導体ではないヨウ素の混合物の存在下で、ヨウ化銅の導電率が 24 倍になることを発見しました。

半導体の特性を説明するものは何ですか?また、半導体がエレクトロニクスで非常に重要になったのはなぜですか? ゲルマニウムのような典型的な半導体を考えてみましょう。通常の状態では、銅の 30 万倍、ガラスの 1000000 億倍の抵抗率があります。したがって、その特性に関しては、誘電体よりも導体にやや近いです。ご存知のように、物質が電流を伝導するか伝導しないかは、その中の自由荷電粒子の有無に依存します。

トランジスタ
ゲルマニウム結晶格子

この意味でゲルマニウムも例外ではありません。その原子はそれぞれ 2 価であり、隣接する原子と 10 つの電子結合を形成する必要があります。しかし、熱作用により、一部の電子は原子を離れ、結晶格子のノード間を自由に移動し始めます。これは、10 億個の原子ごとに約 2 個の電子です。ゲルマニウム XNUMX グラムには約 XNUMX 万個の原子が含まれています。つまり、約 XNUMX 千億個の自由電子があります。これは、たとえば銅や銀の XNUMX 万分の XNUMX ですが、ゲルマニウム自体が小さな電流を流すには十分です。

トランジスタ
p型半導体の穴の動き

しかし、すでに述べたように、ゲルマニウムの導電率は、その格子に不純物、たとえばヒ素またはアンチモンの五価原子を導入することによって大幅に増加させることができます。次に、1 つのヒ素電子がゲルマニウム原子と原子価結合を形成しますが、10 番目の電子は自由なままです。それは原子に弱く結合されるため、結晶に印加される小さな電圧は、結晶が壊れて自由電子に変わるのに十分です (この場合、ヒ素原子が正に帯電したイオンになることは明らかです)。これらすべてが、ゲルマニウムの電気特性を著しく変化させます。その中の不純物含有量はわずかですが、ゲルマニウム原子 XNUMX 万個あたりわずか XNUMX 個ですが、その存在により、ゲルマニウム結晶内の自由な負に帯電した粒子 (電子) の数は何倍にも増加します。このような半導体は、通常、n型半導体（負から負）と呼ばれます。

トランジスタ

pn接合を通る電流の通過

ゲルマニウム結晶に XNUMX 価の不純物 (たとえば、アルミニウム、ガリウム、インジウム) が導入された場合は、別の状況になります。各不純物原子は XNUMX つのゲルマニウム原子のみと結合を形成し、XNUMX 番目の結合の代わりに自由空間、つまり任意の電子で簡単に満たすことができる穴があります (この場合、不純物原子は負にイオン化されます)。この電子が隣接するゲルマニウム原子から不純物に渡されると、後者は今度は正孔を持ちます。

このような結晶に電圧をかけることで、「正孔変位」と呼べる効果が得られます。確かに、外部ソースの陰極が配置されている側から見ると、電子は XNUMX 価原子の穴を埋めます。したがって、電子は正極に近づき、負極に近い隣接原子に新しい正孔が形成されます。すると、別の原子でも同じ現象が起こります。次に、新しい正孔は電子で満たされ、正の極に近づき、こうして形成された正孔は負の極に近づきます。そして、そのような動きの結果、電子が正極に到達すると、そこから電流源に移動し、正孔は負極に到達し、そこで電流源からの電子で満たされます。正孔は正電荷を持った粒子のように動きますが、ここで電流は正電荷によって作られていると言えます。このような半導体は、p型半導体と呼ばれます（正から - 正）。

それ自体では、不純物導電性の現象はまだそれほど重要ではありませんが、XNUMXつの半導体が接続されている場合-一方はn導電性で、もう一方はp導電性です（たとえば、一方のゲルマニウム結晶でn導電性が作成される場合）側、および反対側の p 導電率 - 導電率) - 非常に奇妙な現象が発生します。ｐ領域の負にイオン化された原子は遷移からｎ領域の自由電子を反発し、ｎ領域の正にイオン化された原子は遷移からｐ領域の正孔を反発する。つまり、pn接合はXNUMXつの領域の間の一種の障壁になります。これにより、結晶は顕著な片側伝導性を獲得します。一部の電流では導体のように動作し、他の電流では絶縁体のように動作します。

実際、pn 接合の「遮断」電圧よりも高い電圧が結晶に印加され、正電極が p 領域に接続され、負電極が n 領域に接続される場合、すると、電子と正孔が互いに移動することによって形成された結晶に電流が流れます。

外部ソースの電位が逆に変化した場合、電流は停止します (または、非常に重要ではありません)。結果として、XNUMX つの領域間の境界から電子と正孔が流出するだけです。それらの間の潜在的な障壁が増加します。

この場合、半導体結晶はダイオード真空管とまったく同じように動作するため、この原理に基づくデバイスは半導体ダイオードと呼ばれます。真空管ダイオードと同様に、検出器、つまり電流整流器として機能します。

半導体結晶中にXNUMXつではなくXNUMXつのpn接合が形成されると、さらに興味深い現象が見られます。このような半導体素子をトランジスタと呼びます。その外側の領域の XNUMX つはエミッタと呼ばれ、もう XNUMX つの領域はコレクタと呼ばれ、中央の領域 (通常は非常に薄く作られています) はベースと呼ばれます。

トランジスタのエミッタとコレクタに電圧をかけると、極性を逆にしても電流は流れません。

（クリックして拡大）

しかし、エミッタとベースの間に小さな電位差を作ると、pn接合を乗り越えたエミッタからの自由電子がベースに落ちます。また、ベースは非常に薄いため、少数の電子だけで p 領域にある正孔を埋めることができます。したがって、それらのほとんどはコレクタに入り、XNUMX番目の遷移のロック障壁を克服します-電流がトランジスタに現れます。エミッターベース回路の電流は通常、エミッターコレクター回路を流れる電流の XNUMX 分の XNUMX であるため、この現象はなおさら顕著です。

このことから、その動作において、トランジスタはある意味でXNUMX電極ランプの類似物と見なすことができ（それらの物理的プロセスは完全に異なりますが）、ここでのベースは配置されたグリッドの役割を果たしていることがわかりますアノードとカソードの間。ランプの場合、グリッド電位の小さな変化がアノード電流の大きな変化を引き起こすように、トランジスタでは、ベース回路の小さな変化がコレクタ電流の大きな変化を引き起こします。したがって、トランジスタは、増幅器および電気信号発生器として使用することができます。

40年代初頭から徐々に真空管が半導体素子に置き換わり始めました。 1940 年以来、ポイントゲルマニウムダイオードはレーダー装置で広く使用されてきました。レーダーは一般に、高出力の高周波エネルギー源用の電子機器の急速な発展の刺激となりました。これらの範囲で動作できる電子デバイスの作成において、デシメートル波とセンチメートル波への関心の高まりが示されました。一方、真空管は、高周波および超高周波の領域で使用されると、それ自体のノイズによって感度が大幅に制限されるため、満足のいく動作をしませんでした。ラジオ受信機の入力にポイントゲルマニウムダイオードを使用することで、固有ノイズを大幅に減らし、感度と物体の検出範囲を広げることができました。

トランジスタ

しかし、ポイントトランジスタが発明された第二次世界大戦後、半導体の本当の時代が始まりました。これは、1948 年にアメリカの会社「ベル」ショックレー、バーディーン、ブラッテンの従業員によって多くの実験を経て作成されました。ゲルマニウム結晶上に100つの点接触を少し離して配置し、一方に順バイアス、もう一方に逆バイアスを印加することで、XNUMXつ目の電流を、XNUMXつ目の結晶に流れる電流で制御することができました。第一接触。この最初のトランジスタのゲインは約 XNUMX でした。

新しい発明はすぐに広まった。最初のポイントトランジスタは、ベースとして機能するn導電性のゲルマニウム結晶で構成され、その上にXNUMXつの薄いブロンズポイントが置かれ、数ミクロンの距離で互いに非常に近くに配置されました。そのうちの XNUMX つ (通常はベリリウム青銅) がエミッターとして機能し、もう XNUMX つ (リン青銅製) がコレクターとして機能しました。トランジスタの製造では、約XNUMXアンペアの電流がチップに流れました。ポイントの先端と同様に、ゲルマニウムが溶けました。銅とその中に存在する不純物はゲルマニウムに移行し、点接触のすぐ近くに正孔伝導性の層を形成しました。

これらのトランジスタは、設計が不完全なため信頼性がありませんでした。それらは不安定で、高出力では機能しませんでした。彼らの代償は大きかった。しかし、真空管よりもはるかに信頼性が高く、湿気を恐れず、同様の真空管よりも消費電力が数百分の 0,5 でした。同時に、電源に必要な電流が 1 ～ 70 V と非常に小さく、別のバッテリーを必要としないため、非常に経済的でした。それらの効率は10％に達しましたが、ランプがXNUMX％を超えることはめったにありませんでした。トランジスタは加熱を必要としなかったため、電圧を印加するとすぐに動作し始めました。さらに、固有ノイズのレベルが非常に低いため、トランジスタで組み立てられた機器はより敏感であることが判明しました。

ドットトランジスタ設計

徐々に、新しいデバイスが改善されました。 1952 年に、最初の平面ドープゲルマニウムトランジスタが登場しました。それらの製造は複雑な技術プロセスでした。まず、ゲルマニウムを不純物から精製し、単結晶を形成しました。 (通常のゲルマニウム片は、無秩序に接合された多数の結晶から構成されています。このような材料の構造は、半導体デバイスには適していません。ここでは、例外的に規則的な結晶格子が必要です。これは、片全体と同じです。)これは、ゲルマニウムが溶かされ、その中に種が降ろされました - 正しい向きの格子を持つ小さな結晶です。軸を中心に種を回転させながら、ゆっくりと上げていきました。その結果、シードの周りの原子は規則的な結晶格子に整列しました。半導体材料は凝固し、シードを包み込んだ。その結果、単結晶ロッドができました。

同時に、ｐ型またはｎ型の不純物が溶融物に添加された。次に、単結晶を小さなプレートにカットし、それをベースとして使用しました。エミッタとコレクタはさまざまな方法で作成されました。最も簡単な方法は、ゲルマニウムプレートの両面にインジウムの小片を置き、600度まで急速に加熱することでした. この温度で、インジウムは下のゲルマニウムと融合します。冷却すると、インジウムで飽和した領域は p 型の導電性を獲得しました。その後、クリスタルをケースに入れ、リードを取り付けました。

1955 年、Bell System 社は拡散ゲルマニウムトランジスタを開発しました。拡散法は、エミッターとコレクターを形成するはずの不純物蒸気を含むガスの雰囲気に半導体プレートを置き、プレートを融点に近い温度に加熱することから成っていました。この場合、不純物原子は徐々に半導体に侵入した。

著者：Ryzhov K.V.

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