| Tranzistor | ||||
| S rostoucími
nároky na elektronická zařízení rostla i jejich složitost, rozměry,
váha a samozřejmě i cena. Osmnáctitisícielektronkový počítač
zaujímal prostor několika místností, cena elektronického vybavení
bombardovacího letadla činila několikanásobek ceny samotného
letadla. Se složitostí rostla i poruchovost a náročnost na obsluhu.
Snaha zvýšit spolehlivost vedla ke
zdvojování důležitých částí zařízení, takže ta byla ještě
těžkopádnější. Bylo zřejmé,
že pro další vývoj dosavadní
prostředky nestačí a že bude nutno využít nových, kvalitativně
odlišných materiálů a jejich
vlastností.
Na základě určitých předválečných zkušeností s polovodiči, padla volba právě na ně. A tak byl v lednu 1946 v Bellových telefonních laboratořích v USA založen "polovodičový" tým ve složení William Shockley, John Bardeen a Walter Brattain. Hned v lednu 1946 udělali první zásadní rozhodnutí: svoji pozornost zaměřili na krystaly křemíku a germania a zcela ignorovali ostatní materiály používané v předchozích výzkumech. Ke konci roku 1947 se snažili modifikovat vlastnosti povrchové vrstvy germania elektrolyty obklopujícími kovové kontakty. Později nahradili elektrolyty napařeným zlatým bodem, vytvářejícím bodový kontakt. Brattain nakonec umístil kontakty na dva proužky zlaté fólie uložené těsně vedle sebe a zalisované do povrchu germania. Při zapojení do elektrického obvodu zjistil přírůstek energie: "tranzistorový" efekt byl objeven! To se stalo 16. prosince 1947, téměř po dvou a půl letech od založení týmu. Na Štědrý den byl nový vynález předveden vrcholovému managementu Bellových laboratoří (zapojení tvořilo oscilátor). Zveřejnění vynálezu však bylo odloženo o 6 měsíců, až do června 1948: jednak kvůli porozumění vynálezu a zejména k přípravě patentové "pozice". Fyzikální základy vynálezu však stále ještě nebyly jasné. . . Ale transfer resistor už byl na světě! První krok k objasnění fyzikálních základů tranzistoru učinil Shockley svou formulací teorie pozitivně-negativních (p-n) přechodů a role, kterou hrálo vysílání (emitování) pohyblivých nosičů nábojů na jedné straně a jejich přijímání (sbírání) na protilehlé straně. Svoji analýzu brilantně zakončil vynálezem přechodového (plošného) tranzistoru, který si představoval jako sendvičové uspořádání slabé destičky materiálu typu n mezi dvěma oblastmi typu p (nebo naopak). O měsíc později - v únoru 1948 - udělal zásadní experiment John Shive: přiložil dva fosforbronzové kontakty k protilehlým stranám germaniové destičky silné 0,1 mm. Chování tohoto tranzistoru se přesně shodovalo s Shockleyovou teorií. Shockley pokračoval v jiném týmu spolupracovníků dál a po řadě pokusů dopracoval svoji přechodovou teorii a dal tak "tranzistorovému" jevu solidní základ (tuto teorii publikoval v roce 1950 v dnes klasickém díle Electrons and Holes in Semiconductors). Stručná podstata Shockleyovy přechodové teorie spočívá ve vhodném uspořádání oblastí typu p a n. Co jsou tyto oblasti? Zcela čistý polovodičový materiál (tj. materiál, kde na zhruba 100 miliónů atomů čistého polovodiče připadá 1 atom nečistot) má elektrický odpor niminálně třicetpětmiliónkrát větší (germanium, křemík ještě asi čtyřtisíckrát větší) než je odpor mědi.Přidá-li se však nepatrné množství příměsí (řádově 10 000 000:1), vzroste vodivost o několik řádů a zejména se objeví kvalitativně nové vlastnosti. Např. přidají-li se k chemicky čtyřmocnému germaniu stopy pětimocného arsenu, vznikne tzv. polovodič (oblast) typu n, jehož vodivost je způsobena přebytkem elektronů (tzv. elektronová vodivost). Naopak, přidá-li se pouze trojmocné indium, vznikne polovodič (oblast) typu p, jehož vodivost je způsobena nedostatkem elektronů (tzv. děrová vodivost). Spojí-li se tyto oblasti např. v pořadí n-p-n, a přiložíme vhodně (-,+,+) póly zdrojů napětí, budou elektrony volně přecházet z levé oblasti n (emitor) do střední oblasti p (báze) a odtud do pravé oblasti n (kolektor), přičemž proud procházející kolektorem bude mnohonásobně větší než proud emitoru. Takto zapojený tranzistor tedy funguje jako zesilovač. Teorie byla tedy jasná, nicméně existovaly tu dva druhy konstrukčního provedení tranzistorů, žádné však ještě nebylo zralé pro průmyslovou výrobu. V prvém případě se jednalo o tzv. hrotový tranzistor (tj. typ vytvořený jako první), v druhém o plošný (přechodový) tranzistor vytvořený Shockleyem. Hrotový byl za stávajícího stavu vývoje dříve vyrobitelný, měl však mnoho nedostatků. zejména to byl velký rozptyl elektrických vlastností, s trochou nadsázky by se dalo říci, co kus to originál. Přesto se později vyráběly více než 10 let, např. jako telefonní oscilátory nebo naslouchadla pro nedoslýchavé (ta musela být pro svou špatnou kvalitu stažena z trhu).V druhém případě se jednalo o plošné tranzistory, jejichž vlastnosti byly v předpokládaných mezích, byly však složitější na výrobu a náročnější na jakost materiálu. Jak už bylo konstatováno na začátku, materiály se používaly dva: germanium a křemík. Už od začátku se vědělo, že křemík má vhodnější vlastnosti. Je např. energeticky výhodnější, je méně závislý na změně teploty a proud v závěrném směru je menší. Zpočátku však výrobu křemíku požadované kvality ztěžoval náročný chemický a metalurgický proces. Např. tavicí teplota křemíku je 1415 °C ve srovnání s 937 °C germania. Teprve v roce 1953 se našel způsob výroby křemíku zaručující čistotu porovnatelnou s čistotou germania. Mezitím (v roce 1952) Bellovy laboratoře prodaly patentní práva na tranzistor každé společnosti, která byla ochotna za ně zaplatit 25 000 $. Hromadné výrobě tranzistorů už nic nestálo v cestě. V roce 1952 se tloušťku destičky báze podařilo snížit na 10 mikromilimetrů a tím se podařilo zvýšit mezní kmitočet tranzistoru na 10 MHz, v roce 1954 byl vyroben první difusní germaniový mesa tranzistor s mezním kmitočtem 500 MHz a o rok později i křemíkový. V roce 1956 dostává původní "tranzistorový" tým Nobelovu cenu . . . Další vývoj k miniaturizaci v této oblasti byl uspíšen ruským úspěchem s prvními družicemi Země typu Sputnik. Vznikl tzv. integrovaný obvod. První úspěch zaznamenal Jack Kilby koncem srpna 1958. Jeho integrovaný obvod byl tvořen miniaturními rezistory, kondenzátory, diodami a tranzistory na jediné křemíkové destičce. Vzájemné propojení bylo provedeno "klasicky": dráty. V lednu příštího roku se o totéž pokusil Robert Noyce: ten však vytvořil spoje fotografickou cestou a leptáním hliníkové nebo zlaté fólie. Soupeření o autorská práva mezi oběma vynálezci a jejich společnostmi trvalo až do poloviny 60. let, tedy déle, než vlastní vývoj . . |
|
|||
| Text převzat se svolením ze stránek: http://www.quido.cz | Obrázky převzaty se svolením ze stránek: http://www.quido.cz | |||
