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Historia del transistor
Se considera uno de los inventos significativos del siglo XX. invención del transistorquien vino a reemplazar las lámparas electrónicas.
Durante mucho tiempo, las lámparas fueron el único componente activo de todos los dispositivos electrónicos, aunque tenían muchas deficiencias. En primer lugar, es un gran consumo de energía, grandes dimensiones, corta vida y baja resistencia mecánica. Estas deficiencias se sintieron cada vez más bruscamente con la mejora y la sofisticación de los equipos electrónicos.
Una revolución revolucionaria en la ingeniería de radio ocurrió cuando las lámparas anticuadas fueron reemplazadas por dispositivos amplificadores de semiconductores - transistores, desprovistos de todas las desventajas mencionadas.
El primer transistor operacional nació en 1947, gracias a los esfuerzos de los empleados de la compañía estadounidense Bell Telephone Laboratories. Sus nombres ahora son conocidos en todo el mundo. Estos son científicos: físicos W. Shockley, D. Bardin y W. Brighten. Ya en 1956, los tres recibieron el Premio Nobel de Física por esta invención.
Pero, como muchos grandes inventos, el transistor no se notó de inmediato. Solo en uno de los periódicos estadounidenses se mencionó que los Laboratorios Bell Telephone demostraron que su dispositivo se llamaba transistor. También se dijo que se puede usar en algunas áreas de ingeniería eléctrica en lugar de tubos de electrones.
El transistor que se muestra tenía la forma de un pequeño cilindro metálico de 13 mm de largo y se demostró en un receptor que no tenía tubos de electrones. Para todo lo demás, la compañía afirmó que el dispositivo puede usarse no solo para la amplificación, sino también para la generación o conversión de una señal eléctrica.
Fig. 1. El primer transistor
Fig. 2. John Bardin, William Shockley y Walter Brattain. Por su colaboración en el desarrollo del primer transistor operacional del mundo en 1948, compartieron el Premio Nobel de 1956.
Pero las capacidades del transistor, como, de hecho, de muchos otros grandes descubrimientos, no se entendieron ni apreciaron de inmediato. Para despertar interés en el nuevo dispositivo, Bell lo publicitó firmemente en seminarios y artículos, y otorgó a todos una licencia para fabricarlo.
Los fabricantes de lámparas electrónicas no vieron un competidor serio en el transistor, porque era imposible de una vez, de un solo golpe, descontar la historia de treinta años de la producción de lámparas de varios cientos de diseños, e inversiones multimillonarias en su desarrollo y producción. Por lo tanto, el transistor ingresó a la electrónica no tan rápido, ya que la era de los tubos de electrones aún estaba en curso.
Fig. 3. Transistor y lámpara electrónica.
Primeros pasos para semiconductores
Desde la antigüedad, dos tipos de materiales se usaban principalmente en ingeniería eléctrica: conductores y dieléctricos (aislantes). Los metales, las soluciones salinas y algunos gases tienen la capacidad de conducir corriente. Esta capacidad se debe a la presencia en los conductores de portadores de carga gratuita: electrones. En los conductores, los electrones se desprenden con bastante facilidad del átomo, pero los metales que tienen baja resistencia (cobre, aluminio, plata, oro) son los más adecuados para transferir energía eléctrica.
Los aisladores incluyen sustancias con alta resistencia, sus electrones están muy unidos al átomo. Estos son porcelana, vidrio, caucho, cerámica, plástico. Por lo tanto, no hay cargas gratuitas en estas sustancias y, por lo tanto, no hay corriente eléctrica.
Es apropiado recordar la redacción de los libros de texto de física de que la corriente eléctrica es el movimiento direccional de partículas cargadas eléctricamente bajo la influencia de un campo eléctrico. En los aisladores, simplemente no hay nada que mover bajo la influencia de un campo eléctrico.
Sin embargo, en el proceso de estudiar fenómenos eléctricos en diversos materiales, algunos investigadores pudieron "sentir" los efectos de los semiconductores.Por ejemplo, el primer detector cristalino (diodo) fue creado en 1874 por el físico alemán Karl Ferdinand Brown basándose en el contacto del plomo y la pirita. (La pirita es una pirita de hierro; cuando golpea una silla, se talla una chispa, por eso obtuvo el nombre del griego "fiesta" - fuego). Más tarde, este detector reemplazó con éxito el coherente en los primeros receptores, lo que aumentó significativamente su sensibilidad.
En 1907, Beddecker, al estudiar la conductividad del cobre de yodo, descubrió que su conductividad aumenta 24 veces en presencia de una impureza de yodo, aunque el yodo en sí no es un conductor. Pero todos estos fueron descubrimientos aleatorios a los que no se podía dar una justificación científica. Un estudio sistemático de semiconductores comenzó solo en 1920 - 1930 años.
Una gran contribución al estudio de los semiconductores fue realizada por un científico soviético en el famoso laboratorio de radio Nizhny Novgorod O.V. Losev. Pasó a la historia principalmente como inventor de cristadina (un oscilador y amplificador basado en un diodo) y un LED. Vea más sobre esto aquí: Historia de los LED. Resplandor de Losev.
En los albores de la producción de transistores, el principal semiconductor era germanio (Ge). En términos de consumo de energía, es muy económico, el voltaje para desbloquear su unión pn es de solo 0.1 ... 0.3V, pero muchos parámetros son inestables, por lo que reemplazó al silicio (Si).
La temperatura a la cual los transistores de germanio son operables no es más de 60 grados, mientras que los transistores de silicio pueden continuar operando a 150ºC. El silicio, como semiconductor, supera el germanio en otras propiedades, principalmente en frecuencia.
Además, las reservas de silicio (arena ordinaria en la playa) en la naturaleza son ilimitadas, y la tecnología para limpiarlo y procesarlo es más simple y más barata que el elemento de germanio de naturaleza rara. El primer transistor de silicio apareció poco después del primer transistor de germanio, en 1954. ¡Este evento incluso conllevó un nuevo nombre "edad de silicio", que no debe confundirse con la piedra!
Fig. 4. La evolución de los transistores.
Microprocesadores y semiconductores. Puesta de sol de la Edad del Silicio
¿Alguna vez te has preguntado por qué recientemente casi todas las computadoras se han convertido en multi-core? Los términos dual-core o quad-core son comunes a todos. El hecho es que el aumento en el rendimiento del microprocesador al aumentar la frecuencia del reloj y aumentar el número de transistores en un paquete para estructuras de silicio está casi cerca del límite.
Un aumento en el número de semiconductores en una carcasa se logra al reducir sus dimensiones físicas. En 2011, INTEL ya desarrolló una tecnología de proceso de 32 nm en la que la longitud del canal del transistor es de solo 20 nm. Sin embargo, tal disminución no trae un aumento notable en la frecuencia del reloj, ya que fue hasta la tecnología de 90 nm. Es obvio que es hora de pasar a algo fundamentalmente nuevo.
Fig. 5. Historia de los transistores.
Grafeno: el semiconductor del futuro
En 2004, los físicos descubrieron un nuevo material semiconductor. grafeno. Este importante candidato para el reemplazo de silicio también es un material de grupo de carbono. Sobre esta base, se crea un transistor que funciona en tres modos diferentes.
Fig. 6. Grafeno
Fig. 7. Imagen de un transistor de grafeno de campo obtenido usando un microscopio electrónico de barrido
En comparación con las tecnologías existentes, esto permitirá reducir la cantidad de transistores en un caso exactamente tres veces. Además, según los científicos, las frecuencias de funcionamiento del nuevo material semiconductor pueden alcanzar hasta 1000 GHz. Los parámetros, por supuesto, son muy tentadores, pero hasta ahora el nuevo semiconductor está en la etapa de desarrollo y estudio, y el silicio sigue siendo un caballo de batalla. Su edad aún no ha terminado.
Boris Aladyshkin
Ver también en electro-es.tomathouse.com
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