Transistor là gì

Một transistor là một thiết bị bán dẫn sử dụng để khuếch đại hoặc chuyển điện tử tín hiệu và năng lượng điện . Nó bao gồm vật liệu bán dẫn thường có ít nhất ba thiết bị đầu cuối để kết nối với mạch ngoài. Một điện áp hoặc dòng điện áp dụng cho một cặp cực của bóng bán dẫn điều khiển dòng điện qua một cặp cực khác. Bởi vì điều khiển (đầu ra) điện có thể cao hơn so với kiểm soát (đầu vào) điện, một transistor có thể khuếch đại tín hiệu. Ngày nay, một số bóng bán dẫn được đóng gói riêng lẻ, nhưng nhiều bóng bán dẫn khác được tìm thấy nhúng trongmạch tích hợp . Bạn đã biết transistor là gì rồi phải không ạ?

Nhà vật lý người Áo-Hung Julius Edgar Lilienfeld đã đề xuất khái niệm về một bóng bán dẫn hiệu ứng trường vào năm 1926, nhưng không thể thực sự chế tạo một thiết bị làm việc tại thời điểm đó. [1] Thiết bị hoạt động đầu tiên được chế tạo là một bóng bán dẫn tiếp xúc điểm được phát minh vào năm 1947 bởi các nhà vật lý người Mỹ John Bardeen và Walter Brattain khi làm việc dưới thời William Shockley tại Bell Labs . Họ đã chia sẻ giải thưởng Nobel Vật lý năm 1956 vì thành tích của họ. [2] Transitor được sử dụng rộng rãi nhất là MOSFET(kim loại-oxide-bán dẫn transistor hiệu ứng trường), còn được gọi là transitor MOS, được phát minh bởi kỹ sư Ai Cập Mohamed Atalla với kỹ sư Hàn Quốc Dawon Kahng tại Bell Labs vào năm 1959. [3] [4] [5] Các MOSFET là bóng bán dẫn thực sự nhỏ gọn đầu tiên có thể được thu nhỏ và sản xuất hàng loạt cho nhiều mục đích sử dụng. [6]

Các bóng bán dẫn đã cách mạng hóa lĩnh vực điện tử, và mở đường cho radio , máy tính và máy tính nhỏ hơn và rẻ hơn , trong số những thứ khác. Transitor đầu tiên và MOSFET nằm trong danh sách các cột mốc của IEEE trong ngành điện tử. [7] [8] MOSFET là khối xây dựng cơ bản của các thiết bị điện tử hiện đại và có mặt khắp nơi trong các hệ thống điện tử hiện đại. [9] Tổng cộng có 13 sextillion MOSFET đã được sản xuất từ năm 1960 đến 2018 (ít nhất 99,9% tổng số bóng bán dẫn), biến MOSFET trở thành thiết bị được sản xuất rộng rãi nhất trong lịch sử. [10]

Hầu hết các bóng bán dẫn được làm từ silicon rất tinh khiết , và một số từ gecmani , nhưng một số vật liệu bán dẫn khác cũng có thể được sử dụng. Một bóng bán dẫn có thể chỉ có một loại sóng mang điện tích, trong một bóng bán dẫn hiệu ứng trường hoặc có thể có hai loại sóng mang điện tích trong các thiết bị bóng bán dẫn lưỡng cực . So với ống chân không , bóng bán dẫn thường nhỏ hơn và cần ít năng lượng hơn để hoạt động. Một số ống chân không có lợi thế hơn các bóng bán dẫn ở tần số hoạt động rất cao hoặc điện áp hoạt động cao. Nhiều loại bóng bán dẫn được chế tạo theo tiêu chuẩn kỹ thuật của nhiều nhà sản xuất.
Các thermionic triode , một ống chân không phát minh ra vào năm 1907, cho phép Amplified đài phát thanh công nghệ và đường dài điện thoại . Tuy nhiên, triode là một thiết bị mỏng manh tiêu thụ một lượng điện năng đáng kể. Năm 1909, nhà vật lý William Ecotta đã phát hiện ra bộ dao động diode tinh thể. [11] Nhà vật lý người Áo-Hung Julius Edgar Lilienfeld đã nộp bằng sáng chế cho một bóng bán dẫn hiệu ứng trường (FET) ở Canada vào năm 1925, [12] được dự định là một sự thay thế trạng thái rắn cho triode. [13] [14]Lilienfeld cũng đã nộp bằng sáng chế giống hệt ở Hoa Kỳ vào năm 1926 [15] và 1928. [16] [17] Tuy nhiên, Lilienfeld không công bố bất kỳ bài báo nghiên cứu nào về các thiết bị của mình cũng như bằng sáng chế của ông trích dẫn bất kỳ ví dụ cụ thể nào về nguyên mẫu hoạt động. Bởi vì việc sản xuất vật liệu bán dẫn chất lượng cao vẫn còn cách đây hàng thập kỷ, những ý tưởng khuếch đại trạng thái rắn của Lilienfeld sẽ không được sử dụng thực tế trong những năm 1920 và 1930, ngay cả khi một thiết bị như vậy đã được chế tạo. [18] Năm 1934, nhà phát minh người Đức Oskar Heil đã cấp bằng sáng chế cho một thiết bị tương tự ở châu Âu. [19]
Transitor lưỡng cực
Từ ngày 17 tháng 11 năm 1947 đến ngày 23 tháng 12 năm 1947, John Bardeen và Walter Brattain tại Phòng thí nghiệm Bell của AT & T ở Murray Hill, New Jersey , đã thực hiện các thí nghiệm và quan sát thấy rằng khi hai điểm tiếp xúc điểm vàng được áp dụng cho một tinh thể Germanium , một tín hiệu được sản xuất với công suất đầu ra lớn hơn đầu vào. [20] Lãnh đạo Tập đoàn Vật lý chất rắn William Shockley đã nhìn thấy tiềm năng trong việc này, và trong vài tháng tới đã làm việc để mở rộng đáng kể kiến thức về chất bán dẫn. Thuật ngữ bóng bán dẫn được đặt ra bởi John R. Pierce như là một sự co lại của thuật ngữ transresistance. [21] [22] [23] Theo Lillian Hoddeson và Vicki Daitch, tác giả của tiểu sử của John Bardeen, Shockley đã đề xuất rằng bằng sáng chế đầu tiên của Bell Labs cho một bóng bán dẫn nên dựa trên hiệu ứng trường và ông được đặt tên là nhà phát minh. Sau khi khai quật được các bằng sáng chế của Lilienfeld đã bị che khuất nhiều năm trước đó, các luật sư tại Bell Labs đã khuyên chống lại đề xuất của Shockley vì ý tưởng về một bóng bán dẫn hiệu ứng trường sử dụng điện trường làm "lưới điện" không phải là mới. Thay vào đó, những gì Bardeen, Brattain và Shockley đã phát minh ra vào năm 1947 là bóng bán dẫn tiếp xúc điểm đầu tiên . [18] Để ghi nhận thành tựu này, Shockley, Bardeen và Brattain đã cùng được trao giải thưởng Nobel Vật lý năm 1956"Cho các nghiên cứu của họ về chất bán dẫn và khám phá của họ về hiệu ứng bóng bán dẫn". [24] [25]

Nhóm nghiên cứu Shockley của ban đầu đã cố gắng xây dựng một transistor hiệu ứng trường (FET), bằng cách cố gắng để điều chỉnh độ dẫn điện của một chất bán dẫn , nhưng đã không thành công, chủ yếu là do vấn đề với các trạng thái bề mặt , các trái phiếu treo lủng lẳng , và germanium và đồng vật liệu hợp chất . Trong quá trình cố gắng tìm hiểu những lý do bí ẩn đằng sau việc họ không xây dựng được FET hoạt động, điều này đã khiến họ thay vào đó phát minh ra các bóng bán dẫn tiếp xúc điểm lưỡng cực và tiếp giáp . [26] [27]


Herbert Mataré vào năm 1950. Ông đã độc lập phát minh ra một bóng bán dẫn tiếp xúc điểm vào tháng 6 năm 1948.
Năm 1948, bóng bán dẫn tiếp xúc điểm được phát minh độc lập bởi các nhà vật lý người Đức Herbert Mataré và Heinrich Welker khi làm việc tại Compagnie des Freins et Signaux , một công ty con của Westinghouse ở Paris . Mataré đã có kinh nghiệm trước đây trong việc phát triển các bộ chỉnh lưu tinh thể từ silicon và gecmani trong nỗ lực radar của Đức trong Thế chiến II. Sử dụng kiến thức này, ông bắt đầu nghiên cứu hiện tượng "nhiễu" vào năm 1947. Đến tháng 6 năm 1948, chứng kiến các dòng chảy qua các điểm tiếp xúc, Mataré đã tạo ra kết quả nhất quán bằng cách sử dụng các mẫu Germanium do Welker sản xuất, tương tự như những gì Bardeen và Brattain đã đạt được trước đó trong Tháng 12 năm 1947. Nhận ra rằng các nhà khoa học của Bell Labs đã phát minh ra bóng bán dẫn trước họ, công ty đã vội vã đưa "bóng bán dẫn" của mình vào sản xuất để sử dụng khuếch đại trong mạng điện thoại của Pháp và nộp đơn xin cấp bằng sáng chế bóng bán dẫn đầu tiên vào ngày 13 tháng 8 năm 1948. [28] [29] [30]

Các bóng bán dẫn tiếp giáp lưỡng cực đầu tiên được phát minh bởi William Shockley của Bell Labs, đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế (2.569.347) vào ngày 26 tháng 6 năm 1948. Vào ngày 12 tháng 4 năm 1950, các nhà hóa học của Bell Labs Gordon Teal và Morgan Sparks đã sản xuất thành công bộ khuếch đại NPN lưỡng cực hoạt động. bóng bán dẫn Germanium. Bell Labs đã công bố phát hiện ra bóng bán dẫn "sandwich" mới này trong một thông cáo báo chí vào ngày 4 tháng 7 năm 1951. [31] [32]


Transitor rào cản bề mặt Philco được phát triển và sản xuất vào năm 1953
Transitor tần số cao đầu tiên là bóng bán dẫn Germanium rào cản bề mặt được phát triển bởi Philco vào năm 1953, có khả năng hoạt động lên đến 60 MHz . [33] Những đã được thực hiện bằng cách ăn mòn lõm vào một N-type germanium cơ sở từ cả hai phía với máy bay phản lực của Indi (III) sulfat cho đến khi nó là một vài mười phần nghìn của một inch dày. Indium được mạ điện vào các chỗ lõm tạo thành bộ thu và bộ phát. [34] [35]

Đài phát thanh bóng bán dẫn bỏ túi "nguyên mẫu" đầu tiên được trình bày bởi INTERMETALL (một công ty do Herbert Mataré thành lập năm 1952) tại Internationale Funkausstellung Düsseldorf giữa ngày 29 tháng 8 năm 1953 đến ngày 9 tháng 9 năm 1953. [36] Đài phát thanh bóng bán dẫn bỏ túi "sản xuất" đầu tiên là [36] các Regency TR-1 , phát hành vào tháng Mười 1954. [25] được sản xuất như là một liên doanh giữa Bộ phận Regency Phát triển Kỹ thuật Công nghiệp Associates, IDEA và Texas Instrumentscủa Dallas Texas, TR-1 được sản xuất tại Indianapolis, Indiana. Đó là một đài phát thanh bỏ túi có 4 bóng bán dẫn và một diode Germanium. Thiết kế công nghiệp được gia công cho công ty Họa sĩ, Teague và Peteces ở Chicago. Ban đầu nó được phát hành với một trong bốn màu khác nhau: đen, trắng xương, đỏ và xám. Các màu khác là để làm theo ngay. [37] [38] [39]

Đài phát thanh xe bán dẫn "sản xuất" đầu tiên được phát triển bởi các tập đoàn Chrysler và Philco và nó đã được công bố trong ấn bản ngày 28 tháng 4 năm 1955 của Tạp chí Phố Wall. Chrysler đã chế tạo đài phát thanh xe hơi bán dẫn, Mopar model 914HR, có sẵn như là một tùy chọn bắt đầu vào mùa thu năm 1955 cho dòng xe Chrysler và Imperial mới 1956, lần đầu tiên lên sàn showroom đại lý vào ngày 21 tháng 10 năm 1955. [40] [41 ] [42]

Các Sony TR-63, phát hành vào năm 1957, là chiếc đài bán dẫn sản xuất hàng loạt đầu tiên, dẫn đến việc thâm nhập thị trường đại chúng của radio transistor. [43] TR-63 tiếp tục bán được bảy triệu chiếc trên toàn thế giới vào giữa thập niên 1960. [44] Thành công của Sony với radio bóng bán dẫn đã dẫn đến các bóng bán dẫn thay thế ống chân không là công nghệ điện tử thống trị vào cuối những năm 1950. [45]

Transitor silicon hoạt động đầu tiên được phát triển tại Bell Labs vào ngày 26 tháng 1 năm 1954 bởi Morris Tanenbaum . Transitor silicon thương mại đầu tiên được sản xuất bởi Texas Cụ vào năm 1954. Đây là công trình của Gordon Teal , một chuyên gia về phát triển tinh thể có độ tinh khiết cao, người trước đây đã làm việc tại Bell Labs. [46] [47] [48]