Транзи́стор (, придуманный в 1947 году акроним — от + — для устройства пропуска тока через сопротивление), полупроводнико́вый трио́д — электронный компонент из полупроводникового материала, способный небольшим входным сигналом управлять значительным током в выходной цепи, что позволяет использовать его для усиления, генерирования, коммутации и преобразования электрических сигналов. В настоящее время транзистор является основой схемотехники подавляющего большинства электронных устройств и интегральных микросхем.
Транзисторы по структуре, принципу действия и параметрам делятся на два класса — биполярные и полевые (униполярные). В биполярном транзисторе используются полупроводники с обоими типами проводимости, он работает за счёт взаимодействия двух близко расположенных на кристалле p-n-переходов и управляется изменением тока через база-эмиттерный переход, при этом вывод эмиттера в схеме «с общим эмиттером» является общим для управляющего и выходного токов. Существуют также схемы «с общим коллектором (эмиттерный повторитель)» и «с общей базой». В полевом транзисторе используется полупроводник только одного типа проводимости, расположенный в виде тонкого канала, на который воздействует электрическое поле изолированного от канала затвораВ качестве изолятора используется обратно смещённый внешним напряжением p-n-переход или тонкий слой окисла (МОП-структура)., управление осуществляется изменением напряжения между затвором и истоком. Полевой транзистор, в отличие от биполярного, управляется напряжением, а не током. В настоящее время в аналоговой технике доминируют биполярные транзисторы (БТ) (международный термин — BJT, bipolar junction transistor). В цифровой технике, в составе микросхем (логика, память, процессоры, компьютеры, цифровая связь и т. п.), напротив, биполярные транзисторы почти полностью вытеснены полевыми. В 1990-е годы был разработан новый тип гибридных биполярно-полевых транзисторов — IGBT, которые сейчас широко применяются в силовой электронике.
В 1956 году за исследования транзисторного эффекта Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн получили Нобелевскую премию по физике.
К 1980-м годам транзисторы, благодаря своей миниатюрности, экономичности, устойчивости к механическим воздействиям и невысокой стоимости, практически полностью вытеснили электронные лампы из малосигнальной электроники. Благодаря своей способности работать при низких напряжениях и значительных токах, транзисторы позволили уменьшить потребность в электромагнитных реле и механических переключателях в оборудовании, а благодаря способности к миниатюризации и интеграции позволили создать интегральные схемы, заложив основы микроэлектроники. С 1990-х в связи с появлением новых мощных транзисторов, стали активно вытесняться электронными устройствами трансформаторы, электромеханические и тиристорные ключи в силовой электротехнике, начал активно развиваться частотно-регулируемый привод и инверторные преобразователи напряжения.
На принципиальных схемах транзистор обычно обозначается «VT» или «Q» с добавлением позиционного индекса, например, VT12. В русскоязычной литературе и документации в XX веке до 70-х годов применялись также обозначения «Т», «ПП» (полупроводниковый прибор) или «ПТ» (полупроводниковый триод).
История
В 1874 году немецкий физик Карл Фердинанд Браун впервые обнаружил явление односторонней проводимости контакта металлического усика с кристаллом сульфида свинца, а затем и с другими кристаллами полупроводников. Точечный полупроводниковый диод-детектор, основанный на этом явлении, был запатентован в 1906 году инженером Гринлифом Виттером Пиккардом.
Изобретение в 1904 году Джоном Флемингом вакуумного диода и последующее за этим в 1906 году изобретение Ли де Форестом усилительного вакуумного триода, стало началом развития вакуумной электроники. Стабильные в работе и основанные на понятных физических принципах электронные лампы на 50 лет замедлили развитие полупроводниковой электроники в мире. В этот период физика полупроводников была ещё плохо изучена, все достижения являлись следствием экспериментов. Учёные затруднялись объяснить, что происходит внутри кристалла. Часто выдвигались ошибочные гипотезы.
В 1910 году английский физик Уильям Икклз обнаружил у некоторых полупроводниковых диодов способность генерировать электрические колебания, а инженер Олег Лосев в 1922 году самостоятельно разработал диоды, обладающие при некоторых напряжениях смещения отрицательным дифференциальным сопротивлением, с помощью которых впервые успешно использовал усилительные и генераторные свойства полупроводников (кристадинный эффект) в детекторных и гетеродинных радиоприёмниках собственной конструкции.
В то же время на рубеже 1920—1930 годов в радиотехнике началась эпоха бурного индустриального развития электронных ламп, в этом направлении работала основная масса учёных-радиотехников. Хрупкие и капризные полупроводниковые детекторы открытой конструкции, в которых нужно было при помощи металлической иглы вручную искать на кристалле «активные точки», стали уделом кустарей-одиночек и радиолюбителей, строивших на них простейшие радиоприёмники. Потенциальных перспектив полупроводников никто не видел.
Создание биполярного и полевого транзисторов произошло разными путями.
Полевой транзистор Первый шаг в создании полевого транзистора сделал австро-венгерский физик Юлий Эдгар Лилиенфельд, предложивший метод управления током в образце подачей на него поперечного электрического поля, воздействующего на носители заряда. Патенты были получены в Канаде (22 октября 1925 года) и Германии (1928 год)Vardalas, John, Twists and Turns in the Development of the Transistor IEEE-USA Today’s Engineer, May 2003.Lilienfeld, Julius Edgar, «Method and apparatus for controlling electric current» 1930-01-28 (filed in Canada 1925-10-22, in US 1926-10-08).. В 1934 году немецкий физик Оскар Хайл в Великобритании также запатентовал «бесконтактное реле», основанное на аналогичном принципе. В 1938 году Р. Поль и Р. Хильш впервые получили усиление от прототипа полевого транзистора, но усиление было очень низким, а рабочая частота не выше 1 Гц.
Несмотря на то, что полевые транзисторы основаны на простом электростатическом эффекте поля и по протекающим в них физическим процессам проще биполярных (экспериментаторы часто пытались повторить в кристалле конструкцию трехэлектродной лампы — триода), создать работоспособный образец полевого транзистора не удавалось. Создатели не могли обойти неизвестные на тот момент явления в поверхностном слое полупроводника, которые не позволяли управлять электрическим полем внутри кристалла у транзисторов такого типа (МДП-транзистор — «металл-диэлектрик-полупроводник»). Работоспособный полевой транзистор был создан уже после открытия биполярного транзистора. В 1952 году Уильям Шокли теоретически описал модель полевого транзистора другого типа, модуляция тока в котором, в отличие от ранее предложенных МДП структур, осуществлялась изменением толщины проводящего канала за счёт расширения или сужения обеднённой области, прилегающей к каналу p-n-перехода. Это происходило при подаче на переход управляющего напряжения запирающей полярности затворного диода. Транзистор получил название «полевой транзистор с управляющим р-n-переходом» () — мешающие работе поверхностные явления устранялись, так как проводящий канал находился внутри кристалла.
Первый полевой МДП-транзистор, запатентованный ещё в 1920-е годы, впервые был создан в 1960 году после работ американцев Канга и Аталлы, предложивших в качестве слоя затворного диэлектрика формировать на поверхности кремниевого кристалла с помощью окисления поверхности кремния тончайший слой диоксида кремния, изолирующий металлический затвор от проводящего канала, такая структура получила название МОП-структура («металл-оксид-полупроводник»).
Первые серийные МОП-транзисторы () вышли на рынок в 1964 году, в 1970-е годы МОП-микросхемы завоевали рынки микросхем памяти и микропроцессоров, а в начале XXI века доля МОП-микросхем достигла 99 % от общего числа выпускаемых интегральных схем.
Биполярный транзистор
В отличие от полевого, первый биполярный транзистор создавался экспериментально, а его физический принцип действия был объяснён уже позднее.
В 1929—1933 годы в ЛФТИ Олег Лосев под руководством академика Иоффе провёл ряд экспериментов с полупроводниковым устройством, конструктивно повторяющим точечный транзистор на кристалле карборунда (SiC), однако достаточного коэффициента усиления получить тогда не удалось. Изучая явления электролюминесценции в полупроводниках, Лосев исследовал около 90 различных материалов, особенно выделяя кремний, и в 1939 году он вновь упоминает о работах над трёхэлектродными системами в своих записях, но начавшаяся война и гибель инженера в блокадном Ленинграде зимой 1942 года привели к тому, что некоторые его работы оказались утеряны и сейчас неизвестно, насколько далеко он продвинулся в создании транзистора. В начале 1930-х годов точечные трёхэлектродные усилители изготовили также радиолюбители Ларри Кайзер из Канады и Роберт Адамс из Новой Зеландии, однако их работы не были запатентованы и не подвергались научному анализу.
Успеха добилось опытно-конструкторское подразделение Bell Telephone Laboratories фирмы American Telephone and Telegraph, с 1936 года в нём, под руководством Джозефа Бекера, работала группа учёных специально нацеленная на создание твердотельных усилителей. До 1941 года изготовить полупроводниковый усилительный прибор не удалось (предпринимались попытки создания прототипа полевого транзистора). После войны, в 1945 году, исследования возобновились под руководством физика-теоретика Уильяма Шокли. После ещё двух лет неудач, 16 декабря 1947 года, исследователь Уолтер Браттейн, пытаясь преодолеть поверхностный эффект в германиевом кристалле и экспериментируя с двумя игольчатыми электродами, перепутал полярность приложенного напряжения и неожиданно получил устойчивое усиление сигнала. Последующее изучение открытия им совместно с теоретиком Джоном Бардиным показало, что никакого эффекта поля нет, в кристалле идут ещё не изученные процессы. Это был не полевой, а неизвестный прежде биполярный транзистор. 23 декабря 1947 года состоялась презентация действующего макета изделия руководству фирмы, эта дата стала считаться датой рождения транзистора. Узнав об успехе, уже отошедший от дел Уильям Шокли вновь подключается к исследованиям и за короткое время создаёт теорию биполярного транзистора, в которой уже наметил замену точечной технологии изготовления более перспективной, плоскостной.
Первоначально новый прибор назывался «германиевый триод» или «полупроводниковый триод», по аналогии с вакуумным триодом — электронной лампой схожей структуры. В мае 1948 года в лаборатории прошел конкурс на оригинальное название изобретения, в котором победил Джон Пирс, предложивший слово «transistor», образованное путём соединения терминов «transconductance» (активная межэлектродная проводимость) и «variable resistor» или «varistor» (переменное сопротивление, варистор) или, по другим версиям, от слов «transfer» — передача и «resist» — сопротивление.
30 июня 1948 года в штаб-квартире фирмы в Нью-Йорке состоялась официальная презентация нового прибора, на транзисторах был собран радиоприёмник. Однако открытие не оценили по достоинству, так как первые точечные транзисторы, в сравнении с электронными лампами, имели очень плохие и неустойчивые характеристики.
В 1956 году Уильям Шокли, Уолтер Браттейн и Джон Бардин были награждены Нобелевской премией по физике «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта»Малашевич Б. М. Технологии. 60 лет транзистору. Виртуальный компьютерный музей. 6.01.2008. Интересно, что Джон Бардин вскоре был удостоен Нобелевской премии вторично за создание теории сверхпроводимости.
Создание биполярного транзистора в Европе