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미국 주변의 기술, 기술, 개체의 역사
트랜지스터. 발명과 생산의 역사
반도체 XNUMX극관인 트랜지스터는 일반적으로 XNUMX개의 단자가 있는 반도체 재료로 만들어진 전자 부품으로, 입력 신호가 전기 회로의 전류를 제어할 수 있도록 합니다. 일반적으로 전기 신호를 증폭, 생성 및 변환하는 데 사용됩니다. 일반적으로 트랜지스터는 제어 전극의 신호가 변경될 때 두 가지 다른 상태 사이에서 신호가 변경되는 트랜지스터의 주요 특성을 모방하는 장치입니다.
40년대 후반 트랜지스터의 발명은 전자공학 역사상 가장 큰 이정표 중 하나였습니다. 그동안 모든 라디오 및 전자 기기의 필수 요소이자 핵심 요소였던 진공관은 많은 단점이 있었습니다. 무선 장비의 복잡성과 그에 대한 일반적인 요구 사항이 증가함에 따라 이러한 단점이 점점 더 심각하게 느껴졌습니다. 여기에는 우선 램프의 기계적 취약성, 짧은 서비스 수명, 큰 치수 및 양극에서의 큰 열 손실로 인한 낮은 효율이 포함됩니다. 따라서 나열된 결함이 없는 반도체 소자가 XNUMX세기 후반에 진공관을 대체했을 때 무선 공학 및 전자공학에 진정한 혁명이 일어났습니다. 반도체는 그 놀라운 특성을 인간에게 즉시 드러내지 않았다고 말해야 합니다. 오랫동안 전기 공학에서는 도체와 유전체 만 사용되었습니다. 그들 사이의 중간 위치를 차지하는 많은 재료 그룹은 응용 프로그램을 찾지 못했고 때때로 전기의 특성을 연구하는 소수의 연구원 만이 전기적 특성에 관심을 보였습니다. 그래서 1874년 브라운은 납과 황철석이 접촉하는 지점에서 전류 정류 현상을 발견하고 최초의 수정 검출기를 만들었습니다. 다른 연구자들은 그 안에 포함된 불순물이 반도체의 전도도에 상당한 영향을 미친다는 것을 발견했습니다. 예를 들어, 1907년에 Beddecker는 구리 요오드화물의 전도도가 그 자체로 전도체가 아닌 요오드 혼합물이 있을 때 24배 증가한다는 것을 발견했습니다. 반도체의 특성을 설명하는 것은 무엇이며 전자 제품에서 반도체가 그토록 중요해진 이유는 무엇입니까? 게르마늄과 같은 전형적인 반도체를 생각해 봅시다. 정상적인 조건에서 저항은 구리의 30천만 배, 유리의 1000000억 배입니다. 따라서 특성면에서 여전히 유전체보다 도체에 더 가깝습니다. 아시다시피, 전류를 전도하거나 전도하지 않는 물질의 능력은 그 안에 자유 전하 입자의 존재 여부에 달려 있습니다.
이러한 의미에서 게르마늄도 예외는 아닙니다. 각각의 원자는 2가이며 인접한 원자와 10개의 전자 결합을 형성해야 합니다. 그러나 열 작용으로 인해 일부 전자는 원자를 떠나 결정 격자의 노드 사이에서 자유롭게 움직이기 시작합니다. 이는 10억 개의 원자당 약 2개의 전자입니다. 게르마늄 XNUMXg에는 약 XNUMX억 개의 원자, 즉 약 XNUMX억 개의 자유 전자가 있습니다. 이것은 예를 들어 구리나 은보다 백만 배 적지만 게르마늄이 자체적으로 작은 전류를 통과시키기에는 충분합니다.
그러나 이미 언급했듯이 게르마늄의 전도성은 격자에 불순물, 예를 들어 비소 또는 안티몬의 1가 원자를 도입함으로써 크게 증가할 수 있습니다. 그런 다음 10개의 비소 전자가 게르마늄 원자와 원자가 결합을 형성하지만 다섯 번째 전자는 자유로 유지됩니다. 그것은 원자에 약하게 결합되어 결정에 가해지는 작은 전압으로 분리되어 자유 전자로 바뀌기에 충분할 것입니다(이 경우 비소 원자는 양전하를 띤 이온이 되는 것이 분명합니다). 이 모든 것이 게르마늄의 전기적 특성을 현저하게 변화시킵니다. 불순물 함량은 적지만 게르마늄 원자 XNUMX천만 개당 원자 XNUMX개에 불과하지만 그 존재로 인해 게르마늄 결정에서 자유 음으로 하전된 입자(전자)의 수는 몇 배 이상 증가합니다. 이러한 반도체는 일반적으로 n형 반도체(음에서 음으로)라고 합니다.
XNUMX가 불순물(예: 알루미늄, 갈륨 또는 인듐)이 게르마늄 결정에 도입되는 경우 다른 그림이 나타납니다. 각 불순물 원자는 XNUMX개의 게르마늄 원자와 결합을 형성하며 네 번째 결합 대신 자유 공간이 있습니다. 구멍은 전자로 쉽게 채워질 수 있습니다(이 경우 불순물 원자는 음으로 이온화됨). 이 전자가 이웃 게르마늄 원자에서 불순물로 전달되면 후자는 차례로 구멍을 갖게됩니다. 이러한 결정에 전압을 인가함으로써 "정공 변위"라고 할 수 있는 효과를 얻을 수 있습니다. 실제로 외부 소스의 음극이있는 쪽에서 전자가 XNUMX가 원자의 구멍을 채 웁니다. 따라서 전자는 양극에 더 가깝게 이동하고 음극에 더 가까운 인접 원자에는 새로운 정공이 형성됩니다. 그런 다음 다른 원자에서도 동일한 현상이 발생합니다. 새로운 구멍은 차례로 전자로 채워져 양극에 접근하고 이렇게 형성된 구멍은 음극에 접근합니다. 그리고 그러한 움직임의 결과로 전자가 양극에 도달하면 전류 소스로 가는 곳에서 정공이 음극에 도달하고 여기에서 전류 소스에서 오는 전자로 채워질 것입니다. 정공은 마치 양전하를 띤 입자처럼 움직이며 여기에서 양전하로 인해 전류가 생성된다고 말할 수 있습니다. 이러한 반도체를 p형 반도체(positiv-positive)라고 합니다. 자체적으로 불순물 전도성 현상은 아직 그다지 중요하지 않지만 두 개의 반도체가 연결될 때 하나는 n-전도성이고 다른 하나는 p-전도성입니다(예: 하나의 게르마늄 결정에서 n-전도성이 생성되는 경우 측면 및 p-전도도-전도도) - 매우 흥미로운 현상이 발생합니다. p 영역의 음으로 이온화된 원자는 n 영역의 자유 전자를 천이에서 밀어내고, n 영역의 양으로 이온화된 원자는 p 영역의 정공을 천이에서 밀어냅니다. 즉, pn 접합은 두 영역 사이에 일종의 장벽이 됩니다. 이로 인해 결정은 뚜렷한 단방향 전도도를 얻습니다. 일부 전류의 경우 도체처럼 동작하고 다른 전류의 경우 절연체처럼 동작합니다. 실제로, pn 접합의 "차단" 전압보다 큰 전압이 결정에 적용되고 양극이 p-영역에 연결되고 음극이 n-영역에 연결되는 경우 , 그러면 전자와 정공이 서로를 향해 움직이는 결정에 전류가 흐를 것입니다. 외부 소스의 전위가 반대 방향으로 변경되면 전류가 중지됩니다(또는 오히려 매우 미미할 것입니다). 결과적으로 두 영역 사이의 경계에서 전자와 정공만 유출됩니다. 그들 사이의 잠재적인 장벽이 증가할 것입니다. 이 경우 반도체 결정은 다이오드 진공관과 정확히 같은 방식으로 동작하므로 이 원리를 기반으로 하는 장치를 반도체 다이오드라고 합니다. 튜브 다이오드와 마찬가지로 감지기, 즉 전류 정류기 역할을 할 수 있습니다. 훨씬 더 흥미로운 현상은 반도체 결정에 하나가 아닌 두 개의 pn 접합이 형성될 때 관찰될 수 있습니다. 이러한 반도체 소자를 트랜지스터라고 합니다. 바깥쪽 영역 중 하나는 이미 터라고 하고 다른 하나는 컬렉터라고 하며 중간 영역(일반적으로 매우 얇게 만들어짐)을 베이스라고 합니다. 트랜지스터의 에미터와 컬렉터에 전압을 인가하면 극성을 반대로 해도 전류가 흐르지 않습니다.
그러나 이미 터와베이스 사이에 작은 전위차를 생성하면 pn 접합을 극복 한 이미 터의 자유 전자가베이스로 떨어집니다. 그리고 베이스가 매우 얇기 때문에 이 전자의 소수만이 p 영역에 있는 정공을 채울 수 있습니다. 따라서 대부분은 컬렉터로 전달되어 두 번째 전환의 잠금 장벽을 극복하고 트랜지스터에 전류가 나타납니다. 이 현상은 이미 터-베이스 회로의 전류가 일반적으로 이미 터-컬렉터 회로에 흐르는 전류보다 XNUMX 배 적기 때문에 더욱 두드러집니다. 이것으로부터 트랜지스터는 어떤 의미에서 XNUMX 전극 램프의 아날로그로 간주 될 수 있음을 알 수 있습니다 (물리적 프로세스는 완전히 다르지만) 여기의베이스는 배치 된 그리드의 역할을합니다 양극과 음극 사이. 램프에서와 같이 그리드 전위의 작은 변화가 애노드 전류의 큰 변화를 일으키고 트랜지스터의 경우 베이스 회로의 작은 변화가 컬렉터 전류의 큰 변화를 유발합니다. 따라서 트랜지스터는 증폭기 및 전기 신호 발생기로 사용할 수 있습니다. 반도체 소자는 40년대 초반부터 점차적으로 진공관을 대체하기 시작했습니다. 1940년 이래로 포인트 게르마늄 다이오드는 레이더 장치에 널리 사용되었습니다. 레이더는 일반적으로 고주파 에너지의 고전력 소스를 위한 전자 장치의 급속한 발전을 위한 자극제 역할을 했습니다. 이러한 범위에서 작동할 수 있는 전자 장치를 만드는 데 있어 데시미터 및 센티미터 파동에 대한 관심이 증가하는 것으로 나타났습니다. 한편, 고주파 및 초고주파 영역에서 사용되는 전자관은 자체 노이즈가 감도를 크게 제한하기 때문에 만족스럽지 못한 동작을 했습니다. 무선 수신기의 입력에 포인트 게르마늄 다이오드를 사용하면 고유 노이즈를 대폭 줄이고 감도 및 물체 감지 범위를 늘릴 수 있습니다.
그러나 반도체의 진정한 시대는 포인트 트랜지스터가 발명된 제1948차 세계대전 이후에 시작되었습니다. 100년 미국 회사인 "Bell" Shockley, Bardeen 및 Brattain의 직원들이 많은 실험을 거쳐 만든 제품입니다. 게르마늄 결정에 두 개의 점 접점을 서로 짧은 거리에 놓고 그 중 하나에 순방향 바이어스를 적용하고 다른 하나에 역방향 바이어스를 적용하여 두 번째 점에 흐르는 전류를 사용하여 두 번째에 흐르는 전류를 제어할 수 있었습니다. 첫 번째 연락. 이 첫 번째 트랜지스터는 약 XNUMX의 이득을 가졌습니다. 새로운 발명은 빠르게 널리 퍼졌습니다. 첫 번째 포인트 트랜지스터는 베이스 역할을 하는 n-전도성을 가진 게르마늄 결정으로 구성되며, 그 위에 두 개의 얇은 청동 포인트가 놓여 있고 서로 매우 가깝게 수 미크론의 거리에 있습니다. 그 중 하나(보통 베릴륨 청동)는 이미 터 역할을 하고 다른 하나(인청동으로 만든)는 수집기 역할을 했습니다. 트랜지스터 제조시 팁에는 XNUMX암페어 정도의 전류가 흘렀다. 게르마늄이 녹고 점의 끝이 녹았습니다. 구리와 그 안에 존재하는 불순물은 게르마늄으로 전달되어 점 접촉 바로 근처에 정공 전도성이 있는 층을 형성했습니다. 이 트랜지스터는 설계의 불완전성으로 인해 신뢰할 수 없었습니다. 그들은 불안정했고 높은 힘으로 작동할 수 없었습니다. 그들의 비용은 컸다. 그러나 진공관보다 훨씬 안정적이고 습기를 두려워하지 않으며 유사한 진공관보다 수백 배 적은 전력을 소비합니다. 동시에 전원 공급을 위해 0,5-1V 정도의 매우 작은 전류가 필요하고 별도의 배터리가 필요하지 않았기 때문에 매우 경제적이었습니다. 그들의 효율은 70%에 도달했지만 램프는 거의 10%를 초과하지 않았습니다. 트랜지스터는 가열이 필요하지 않았기 때문에 전압을 가한 직후에 작동하기 시작했습니다. 또한 고유 노이즈 수준이 매우 낮기 때문에 트랜지스터에 조립된 장비가 더 민감한 것으로 나타났습니다.
점차적으로 새로운 장치가 개선되었습니다. 1952년에 최초의 평면 도핑 게르마늄 트랜지스터가 등장했습니다. 그들의 제조는 복잡한 기술 과정이었습니다. 먼저 게르마늄을 불순물로부터 정제하여 단결정을 형성하였다. (일반 게르마늄 조각은 무질서하게 접합된 많은 수의 결정으로 구성됩니다. 이러한 물질 구조는 반도체 장치에 적합하지 않습니다. 여기에서는 전체 조각에 대해 동일한 예외적으로 규칙적인 결정 격자가 필요합니다.) 이를 위해, 게르마늄이 녹고 씨앗이 그 안에 내려졌습니다. 올바르게 배향된 격자가 있는 작은 결정입니다. 축을 중심으로 씨앗을 회전시키면서 천천히 들어 올렸습니다. 그 결과 씨앗 주변의 원자들은 규칙적인 결정 격자로 정렬되었습니다. 반도체 물질이 응고되어 종자를 덮었다. 결과는 단결정 막대였습니다. 동시에 p 또는 n 유형의 불순물이 용융물에 첨가되었습니다. 그런 다음 단결정을 작은 판으로 절단하여 기초로 사용했습니다. 이미터와 컬렉터는 다양한 방식으로 만들어졌습니다. 가장 간단한 방법은 게르마늄 판의 양면에 작은 인듐 조각을 놓고 빠르게 600도까지 가열하는 것이었습니다. 이 온도에서 인듐은 아래의 게르마늄과 융합되었습니다. 냉각 시, 인듐으로 포화된 영역은 p형 전도성을 획득했습니다. 그런 다음 크리스탈을 케이스에 넣고 리드를 부착했습니다. 1955년 Bell System 회사는 확산 게르마늄 트랜지스터를 만들었습니다. 확산 방법은 에미터와 컬렉터를 형성해야 하는 불순물 증기를 포함하는 가스 분위기에서 반도체 판을 놓고 융점에 가까운 온도로 판을 가열하는 것으로 구성되었습니다. 이 경우 불순물 원자가 점차적으로 반도체에 침투합니다. 저자: Ryzhov K.V.
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