Η ανακάλυψη του τρανζίστορ

Posted on 21/11/2014

2


Οι εφευρέτες του τρανζίστορ:  John Bardeen, William Shockley και Walter Brattain στα εργαστήρια Bells, το 1948

Οι τρεις εφευρέτες του τρανζίστορ, το 1948 στα εργαστήρια Bell. Από αριστερά προς τα δεξιά: John Bardeen, William Shockley και Walter Brattain . Για την ανακάλυψή τους αυτή βραβεύθηκαν με το νόμπελ Φυσικής  το 1956 (ο Bardeen πήρε και δεύτερο βραβείο νόμπελ για την εργασία του σχετικά με την υπεραγωγιμότητα και είναι ο μοναδικός στη ιστορία των βραβείων με δυο νόμπελ φυσικής)

Η ιστορία του πρώτου τρανζίστορ αρχίζει πολύ πριν οι επιστήμονες των εργαστηρίων Bell αρχίσουν να ασχολούνται με την κατασκευή του στη δεκαετία του 1930.

Προηγήθηκαν οι επιστήμονες του 19ου αιώνα – συμπεριλαμβανομένων των Maxwell, Hertz, και Faraday – με τις δραματικές επιστημονικές ανακαλύψεις που κατέστησαν δυνατή την αξιοποίηση της ηλεκτρικής ενέργειας από τον άνθρωπο, ενώ οι εφευρέτες εφάρμοσαν αυτή τη γνώση για την ανάπτυξη χρήσιμων ηλεκτρικών συσκευών όπως το ραδιόφωνο.

Η ασύρματη επικοινωνία γεννήθηκε το 1895, όταν Marconi έστειλε με επιτυχία ένα ραδιοσήμα σε απόσταση μεγαλύτερη από ένα μίλι. Αλλά για να γίνει αυτή η ανακάλυψη πρακτική, έπρεπε να κατασκευαστούν καλύτερες διατάξεις που θα ανίχνευαν το ραδιοφωνικό σήμα και την μεταφερόμενη από αυτό πληροφορία.

Έτσι, αρχικά χρησιμοποιήθηκαν στα ραδιόφωνα κρυσταλλικοί ανιχνευτές  (π.χ. γαληνίτης, οι πρόγονοι της διόδου) οι οποίοι μπορούσαν να κάνουν την λεγόμενη απο-διαμόρφωση (φώραση) του ραδιοφωνικού σήματος, δηλαδή να διαχωρίσουν από το φέρον κύμα το τμήμα του σήματος που περιέχει την πληροφορία.

Όμως, δεδομένου ότι οι κρυσταλλικοί αποδιαμορφωτές δούλευαν μόνο με ισχυρά ραδιοκύματα, τα οποία εξασθενούν ανάλογα με την απόσταση και τα επίγεια εμπόδια, ήταν απαραίτητη η ενίσχυση.

Ο Άγγλος φυσικός John Ambrose Fleming έκανε το πρώτο βήμα για την επίλυση του προβλήματος με την εφεύρεση της ηλεκτρονικής λυχνίας,  συγκεκριμένα την δίοδο λυχνία κενού, που διαθέτει δυο ηλεκτρόδια και αποδιαμορφώνει το ραδιοφωνικό σήμα.

Ο Αμερικανός εφευρέτης Lee DeForest προσθέτει μια επιπλέον καινοτομία: ένα τρίτο ηλεκτρόδιο, που ονομάζεται πλέγμα και αποτελείται από ένα δίκτυο μικρών συρμάτων γύρω από την κάθοδο, με ένα αρνητικό δυναμικό μέσω του οποίου ελέγχεται η ροή των ηλεκτρονίων από την κάθοδο προς την άνοδο, παράγοντας ένα ρεύμα ενίσχυσης.

Ο λυχνίες κενού ενίσχυσης (τρίοδοι) ήταν όχι μόνο ένα απαραίτητο συστατικό στην κατασκευή του ραδιοφώνου, αλλά και των πρώτων τηλεφωνικών δικτύων, των πρώτων τηλεοράσεων και υπολογιστών.

Όμως, οι λυχνίες κενού κατανάλωναν αρκετή ενέργεια, θερμαίνονταν, καταλάμβαναν πολύ χώρο, κόστιζαν ακριβά και όταν καιγόντουσαν έπρεπε να αντικατασταθούν. (Ο υπολογιστής ENIAC στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια, ο οποίος διέθετε χιλιάδες λυχνίες κενού, καταλάμβανε τον χώρο αρκετών μεγάλων αιθουσών και κατανάλωνε τόση ενέργεια που έφτανε για την ηλεκτροδότηση δέκα σπιτιών).

Όλα αυτά τα μειονεκτήματα οδήγησαν τον μηχανικό των εργαστηρίων Bell, J. R. Pierce, να δηλώσει ότι «η φύση απεχθάνεται την λυχνία κενού».

Στη δεκαετία του 1930 οι ερευνητές των εργαστηρίων Bell δοκίμαζαν πολύ υψηλές συχνότητες κυμάτων στις τηλεφωνικές επικοινωνίες και χρειάζονταν μια πιο αξιόπιστη μέθοδο ανίχνευσης από την λυχνία κενού, η οποία αποδείχθηκε αναξιόπιστη στις υψηλές συχνότητες.

Άρχισαν να μελετούν πάλι τους κρυσταλλικούς ανορθωτές επικεντρώνοντας την έρευνά τους σε ένα από τα πιο αξιόλογα ημιαγώγιμα υλικά: το πυρίτιο. Ανακάλυψαν την  επαφή p-n, δυο διακριτές περιοχές πυριτίου ενωμένες μεταξύ τους: στη μια κυριαρχεί ηλεκτρικό ρεύμα αρνητικών φορτίων από ηλεκτρόνια (ημιαγωγός τύπου-n) και στην άλλη ηλεκτρικό ρεύμα θετικών φορτίων από οπές (ημιαγωγός τύπου-p).

Η ανακάλυψη της επαφής p-n και η ικανότητα ελέγχου των ιδιοτήτων της έθεσε τα θεμέλια της ανακάλυψης του τρανζίστορ.

Oι ερευνητές John Bardeen, Walter Brattain και William Shockley, που εργάζονταν στα εργαστήρια Bell, προσπαθώντας να κατασκευάσουν ένα νέο μέσο ενίσχυσης, τοποθέτησαν ένα τρίτο ηλεκτρόδιο σε μια επαφή p-n, το οποίο θα μπορούσε να ελέγχει την ποσότητα του ρεύματος που ρέει στον ημιαγωγό. Η προκύπτουσα διάταξη, θεωρητικά, θα ενίσχυε όπως ακριβώς και οι λυχνίες κενού, αλλά με πολύ μικρότερη κατανάλωση ενέργειας και καταλαμβάνοντας πολύ μικρότερο χώρο.

transistorΟι ερευνητικές προσπάθειες κορυφώθηκαν στο χρονικό διάστημα, από 17 Νοεμβρίου μέχρι 23 Δεκεμβρίου το 1947.

Στην περίοδο αυτή πειραματιζόμενοι αρχικά με ημιαγωγό πυριτίου, που στη συνέχεια αντικαταστάθηκε με ημιαγωγό γερμανίου, κατάφεραν να τοποθετήσουν τα κατάλληλα ηλεκτρόδια από χρυσό και να κατασκευάσουν το πρώτο τρανζίστορ, που λειτούργησε ως ενισχυτής σε υψηλές συχνότητες

Με τα σημερινά δεδομένα το πρώτο τρανζίστορ ήταν τεράστιο, με μέγεθος μεγαλύτερο από ένα εκατοστό. Ήταν όμως το πρώτο τρανζίστορ στερεάς κατάστασης, που έκανε ενίσχυση όπως μια λυχνία κενού.

Έτσι, ενώ οι Bardeen, Brattain και Shockley βραβεύονταν με το Νόμπελ Φυσικής το 1956, άρχιζε μια ολοκληρωτική τεχνολογική επανάσταση που καθόρισε σε σημαντικό βαθμό την εξέλιξη της κοινωνία μας.

Πως λειτουργεί το τρανζίστορ

Το τρανζίστορ είναι η πιο σημαντική εφαρμογή των ημιαγωγών. Συνίσταται από δυο επαφές ημιαγωγών.  Η επαφή p-n επιτρέπει το ρεύμα να περνάει μόνο προς τη μια κατεύθυνση όταν εφαρμόζεται σ’ αυτή μια τάση.Έστω ότι κατασκευάσαμε μια μικρή ράβδο από ημιαγωγό (π.χ. γερμάνιο) με τρεις διακριτές περιοχές, μια περιοχή τύπου p, μια περιοχή τύπου n και μια ακόμη περιοχή τύπου p. Αυτός ο συνδυασμός ονομάζεται τρανζίστορ p-n-p και συνίσταται από δυο επαφές p-n.

Αν οι δυο περιοχές τύπου p έχουν τις ίδιες εσωτερικές ιδιότητες, η μεταβολή στο δυναμικό κατά μήκος του κρυστάλλου φαίνεται στο παρακάτω σχήμα:

transistor1

Το δυναμικό κατά μήκος ενός τρανζίστορ χωρίς να εφαρμόζονται εξωτερικές τάσεις

Συνδέουμε τις τρεις περιοχές με εξωτερικές πηγές τάσης, όπως βλέπουμε στο τμήμα (α) του επόμενου σχήματος. Θα αναφέρουμε όλες τις τάσεις ως προς το δυναμικό του ακροδέκτη e που συνδέεται με την αριστερή περιοχή p και ονομάζεται εκπομπός. Το δυναμικό του εκπομπού θα το θεωρούμε μηδέν. Η περιοχή τύπου n ονομάζεται βάση και έχει λίγο μικρότερο δυναμικό σε σχέση με τον εκπομπό. Η περιοχή τύπου p δεξιό τμήμα, ονομάζεται συλλέκτης και βρίσκεται σε υψηλότερο (αρνητικό) δυναμικό.

transistor2

Το δυναμικό ενός τρανζίστορ που βρίσκεται σε λειτουργία

Κάτω από αυτές τις προϋποθέσεις το δυναμικό κατά μήκος του κρυστάλλου γίνεται όπως φαίνεται στο διάγραμμα του τμήματος (β) της παραπάνω εικόνας.

Ας δούμε πρώτα τι συμβαίνει με τους θετικούς φορείς (οπές), γιατί από την συμπεριφορά τους εξαρτάται κυρίως η λειτουργία του p-n-p τρανζίστορ.

Επειδή ο εκπομπός έχει υψηλότερο δυναμικό από τη βάση, ένα ρεύμα θετικών φορέων ρέει από την περιοχή του εκπομπού προς την περιοχή της βάσης. Αυτό το ρεύμα που είναι αρκετά μεγάλο, θα μπορούσε να πει κανείς ότι θα έρρεε έξω από την περιοχή τύπου n διαμέσου του ακροδέκτη της βάσης b. Αλλά εδώ βρίσκεται το μυστικό του τρανζίστορ. Η περιοχή τύπου n είναι πολύ λεπτή. Αυτό σημαίνει ότι καθώς οι οπές εισέρχονται στην περιοχή τύπου-n, έχουν την δυνατότητα να διαχυθούν στην δεξιά περιοχή τύπου-p, πριν εξαφανιστούν εξαιτίας των ηλεκτρονίων της περιοχής τύπου-n. Η δεξιά περιοχή τύπου-p ονομάζεται συλλέκτης διότι «συλλέγει» τις οπές που κατάφεραν να διασχίσουν την περιοχή τύπου-n.

Σε ένα τυπικό τρανζίστορ, όλες οι οπές, εκτός από ένα μικρό κλάσμα που συνεισφέρουν στο καθαρό ρεύμα της βάσης, συλλέγονται στην περιοχή του συλλέκτη. Το άθροισμα των ρευμάτων της βάσης και του συλλέκτη, προφανώς είναι ίσο με το ρεύμα του εκπομπού.

Φανταστείτε τώρα τι θα συμβεί αν μεταβάλλουμε λίγο το δυναμικό Vb του τερματικού της βάσης. Επειδή βρισκόμαστε σε ένα σχετικά απότομο τμήμα της καμπύλης (βλέπε το παραπάνω διάγραμμα), μια μικρή μεταβολή στο δυναμικό Vb θα προκαλέσει μια εχετικά μεγάλη μεταβολή στο ρεύμα Ie του εκπομπού. Επειδή το δυναμικό Vc του συλλέκτη είναι πολύ περισσότερο αρνητικό σε σχέση με το δυναμικό της βάσης, αυτή η μικρή μεταβολή δυναμικού δεν επηρεάζει σημαντικά την κλίση του δυναμικού μεταξύ βάσης και συλλέκτη.

Οι περισσότεροι από τους θετικούς φορείς που εισέρχονται στην περιοχή-n θα συνεχίσουν να συλλαμβάνονται από τον συλλέκτη. Έτσι, καθώς μεταβάλλεται το δυναμικό της βάσης, μεταβάλλεται αντίστοιχα και το ρεύμα στον συλλέκτη Ic. Όμως, τo ουσιώδες σημείο είναι ότι το ρεύμα στη βάση Ib παραμένει πάντα ένα μικρό κλάσμα του ρεύματος του συλλέκτη.
Το τρανζίστορ είναι ένας ενισχυτής. Ένα μικρό ρεύμα Ibπου εισάγεται στο ηλεκτόδιο της βάσης δίνει ένα μεγαλύτερο ρεύμα – 100 φορές ή και περισσότερο – Ic στον συλλέκτη.

Και όσον αφορά τους αρνητικούς φορείς του ρεύματος, τα ηλεκτρόνια, που αγνοήθηκαν εντελώς μέχρι τώρα, δεν περιμένουμε σημαντικό ρεύμα ηλεκτρονίων να ρέει μεταξύ βάσης και συλλέκτη. Με το μεγάλο αρνητικό δυναμικό στον συλλέκτη, τα ηλεκτρόνια στην βάση θα πρέπει να υπερπηδήσουν ένα πολύ υψηλό λόφο δυναμικού και η πιθανότητα για κάτι τέτοιο είναι πολύ μικρή. Στην περιοχή του συλλέκτη υπάρχει πολύ μικρό ρεύμα ηλεκτρονίων.

Από την άλλη πλευρά, τα ηλεκτρόνια της βάσης μπορούν να μεταβούν στην περιοχή του εκπομπού. Στην πραγματικότητα περιμένουμε το ρεύμα των ηλεκτρονίων προς την κατεύθυνση αυτή να είναι συγκρίσιμο με το ρεύμα των οπών από τον εκπομπό προς τη βάση. Ένα τέτοιο ρεύμα ηλεκτρονίων όχι μόνο δεν είναι χρήσιμο, αλλά αντιθέτως είναι ανεπιθύμητο, αφού αυξάνει το συνολικό ρεύμα της βάσης που απαιτείται για ένα δεδομένο ρεύμα οπών προς τον συλλέκτη. Το τρανζίστορ συνεπώς είναι σχεδιασμένο έτσι ώστε να ελαχιστοποιεί το ρεύμα των ηλεκτρονίων προς τον εκπομπό.

Το ρεύμα των ηλεκτρονίων είναι ανάλογο της πυκνότητας των αρνητικών φορέων του υλικού της βάσης, ενώ το ρεύμα των οπών από τον εκπομπό εξαρτάται από την πυκνότητα των θετικών φορέων στην περιοχή του εκπομπού.

Το τρανζίστορ εμπλουτίζεται έτσι ώστε οι προσμίξεις (που δημιουργούν τους δότες ηλεκτρονίων) στην περιοχή-n να είναι σχετικά μικρότερες από τις προσμίξεις στην περιοχή-p (που δημιουργούν τους δέκτες ή τις οπές) και η περιοχή της βάσης γίνεται πολύ μικρή.

Το τελικό αποτέλεσμα είναι ότι το ρεύμα των ηλεκτρονίων κατά μήκος της επαφής εκπομπού-βάσης γίνει πολύ μικρότερο σε σχέση με το ρεύμα των οπών από τον εκπομπό προς τη βάση, έτσι ώστε τα ηλεκτρόνια να μην παίζουν κανένα σημαντικό ρόλο στην λειτουργία του p-n-p τρανζίστορ. Τα ρεύματα οφείλονται στην κίνηση των οπών και το τρανζίστορ λειτουργεί σαν ένας ενισχυτής με τον τρόπο που περιγράφηκε παραπάνω.

Είναι επίσης δυνατή η κατασκευή ενός τρανζίστορ n-p-n εναλλάσσοντας τις θέσεις των περιοχών τύπου-n και τύπου-p. Στο τρανζίστορ n-p-n οι φορείς των κυρίων ρευμάτων είναι τα ηλεκτρόνια που ρέουν από τον εκπομπό προς τη βάση και από εκεί προς τον συλλέκτη. Προφανώς, όλα τα σχετικά με το τρανζίστορ p-n-p που αναφέρθηκαν παραπάνω εφαρμόζονται επίσης και για το τρανζίστορ n-p-n, αρκεί τα δυναμικά στα ηλεκτρόδια να έχουν αντίθετα πρόσημα.

Βίντεο: Οι εφευρέτες του τρανζίστορ μιλούν για το επίτευγμά τους

Διαβάστε περισσότερα: www.feynmanlectures.caltech.edu – www.aps.org