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História do transistor
Uma das invenções significativas do século XX é considerada invenção transistorque vieram substituir as lâmpadas eletrônicas.
Durante muito tempo, as lâmpadas foram o único componente ativo de todos os dispositivos eletrônicos, embora apresentassem muitas deficiências. Antes de tudo, é um grande consumo de energia, grandes dimensões, vida útil curta e baixa resistência mecânica. Essas deficiências foram sentidas de maneira cada vez mais acentuada com a melhoria e sofisticação dos equipamentos eletrônicos.
Uma revolução revolucionária na engenharia de rádio ocorreu quando lâmpadas desatualizadas foram substituídas por dispositivos de amplificação de semicondutores - transistores, desprovidos de todas as desvantagens mencionadas.
O primeiro transistor operacional nasceu em 1947, graças aos esforços dos funcionários da empresa americana Bell Telephone Laboratories. Seus nomes são agora conhecidos em todo o mundo. Estes são cientistas - físicos W. Shockley, D. Bardin e W. Brighten. Já em 1956, todos os três receberam o Prêmio Nobel de Física por esta invenção.
Mas, como muitas grandes invenções, o transistor não foi percebido imediatamente. Apenas em um dos jornais americanos foi mencionado que os Laboratórios Telefônicos Bell demonstraram seu dispositivo chamado transistor. Também foi dito que ele pode ser usado em algumas áreas da engenharia elétrica, em vez de tubos de elétrons.
O transistor mostrado estava na forma de um pequeno cilindro metálico de 13 mm de comprimento e foi demonstrado em um receptor que não possuía tubos de elétrons. Para todo o resto, a empresa alegou que o dispositivo pode ser usado não apenas para amplificação, mas também para a geração ou conversão de um sinal elétrico.
Fig. 1. O primeiro transistor
Fig. 2. John Bardin, William Shockley e Walter Brattain. Por sua colaboração no desenvolvimento do primeiro transistor operacional do mundo em 1948, eles compartilharam o Prêmio Nobel de 1956.
Mas as capacidades do transistor, como, de fato, de muitas outras grandes descobertas, não foram imediatamente entendidas e apreciadas. Para despertar interesse no novo dispositivo, a Bell o anunciou firmemente em seminários e artigos e concedeu a todos uma licença para fabricá-lo.
Os fabricantes de lâmpadas eletrônicas não viram um concorrente sério no transistor, porque era impossível, de uma só vez, descontar a história de trinta anos da produção de lâmpadas de várias centenas de projetos e investimentos multimilionários em seu desenvolvimento e produção. Portanto, o transistor entrou na eletrônica não tão rápido, pois a era dos tubos de elétrons ainda estava em andamento.
Fig. 3. Transistor e lâmpada eletrônica
Primeiros Passos para Semicondutores
Desde os tempos antigos, dois tipos de materiais eram usados principalmente em engenharia elétrica - condutores e dielétricos (isoladores). Metais, soluções salinas e alguns gases têm a capacidade de conduzir corrente. Essa habilidade se deve à presença nos condutores de portadores de carga gratuitos - elétrons. Nos condutores, os elétrons são facilmente desconectados do átomo, mas os metais com baixa resistência (cobre, alumínio, prata, ouro) são mais adequados para a transferência de energia elétrica.
Os isoladores incluem substâncias com alta resistência, seus elétrons estão fortemente ligados ao átomo. São porcelana, vidro, borracha, cerâmica, plástico. Portanto, não há cobrança gratuita nessas substâncias e, portanto, não há corrente elétrica.
É apropriado recordar a redação dos manuais de física de que corrente elétrica é o movimento direcional de partículas eletricamente carregadas sob a influência de um campo elétrico. Nos isoladores, simplesmente não há nada para se mover sob a influência de um campo elétrico.
No entanto, no processo de estudar fenômenos elétricos em vários materiais, alguns pesquisadores conseguiram "sentir" os efeitos dos semicondutores.Por exemplo, o primeiro detector cristalino (diodo) foi criado em 1874 pelo físico alemão Karl Ferdinand Brown com base no contato de chumbo e pirita. (A pirita é uma pirita de ferro; quando bate em uma cadeira, uma faísca é esculpida, e é por isso que recebeu o nome da “festa” grega - fogo). Mais tarde, esse detector substituiu com sucesso o coerente nos primeiros receptores, o que aumentou significativamente sua sensibilidade.
Em 1907, Beddecker, enquanto estudava a condutividade do cobre iodo, descobriu que sua condutividade aumenta 24 vezes na presença de uma impureza iodada, embora o próprio iodo não seja um condutor. Mas todas essas foram descobertas aleatórias que não puderam receber uma justificativa científica. Um estudo sistemático de semicondutores começou apenas em 1920 - 1930 anos.
Uma grande contribuição para o estudo de semicondutores foi feita por um cientista soviético no famoso laboratório de rádio Nizhny Novgorod O.V. Losev. Ele entrou na história principalmente como o inventor da cristadina (um oscilador e amplificador baseado em um diodo) e um LED. Veja mais sobre isso aqui: História dos LEDs. Brilho de Losev.
No início da produção de transistores, o principal semicondutor era o germânio (Ge). Em termos de consumo de energia, é muito econômico, a tensão para desbloquear sua junção pn é de apenas 0,1 ... 0,3V, mas muitos parâmetros são instáveis, então o silício (Si) veio substituí-lo.
A temperatura na qual os transistores de germânio são operáveis não é superior a 60 graus, enquanto os transistores de silício podem continuar operando a 150. O silício, como semicondutor, ultrapassa o germânio em outras propriedades, principalmente em frequência.
Além disso, as reservas de silício (areia comum na praia) na natureza são ilimitadas, e a tecnologia para limpeza e processamento é mais simples e barata do que o raro elemento natural do germânio. O primeiro transistor de silício apareceu logo após o primeiro transistor de germânio - em 1954. Este evento até trouxe um novo nome "era do silício", que não deve ser confundido com a pedra!
Fig. 4. A evolução dos transistores
Microprocessadores e semicondutores. Pôr do sol da era do silício
Você já se perguntou por que recentemente quase todos os computadores se tornaram multi-core? Os termos dual-core ou quad-core são comuns a todos. O fato é que o aumento no desempenho do microprocessador, aumentando a frequência do clock e aumentando o número de transistores em um pacote, para estruturas de silício, está quase perto do limite.
Um aumento no número de semicondutores em um compartimento é obtido através da redução de suas dimensões físicas. Em 2011, a INTEL já desenvolveu uma tecnologia de processo de 32 nm, na qual o comprimento do canal do transistor é de apenas 20 nm. No entanto, essa diminuição não traz um aumento perceptível na frequência do relógio, pois era uma tecnologia de até 90 nm. É óbvio que é hora de avançar para algo fundamentalmente novo.
Fig. 5. História dos transistores
Grafeno - o semicondutor do futuro
Em 2004, os físicos descobriram um novo material semicondutor. grafeno. Esse grande candidato à substituição de silício também é um material do grupo carbono. Basicamente, é criado um transistor que opera em três modos diferentes.
Fig. 6. Grafeno
Fig. 7. Imagem de um transistor de grafeno de campo obtido usando um microscópio eletrônico de varredura
Comparado com as tecnologias existentes, isso permitirá reduzir o número de transistores em um caso em exatamente três vezes. Além disso, de acordo com os cientistas, as frequências operacionais do novo material semicondutor podem chegar a 1000 GHz. Os parâmetros, é claro, são muito tentadores, mas até agora o novo semicondutor está no estágio de desenvolvimento e estudo, e o silício ainda é um cavalo de batalha. Sua idade ainda não acabou.
Boris Aladyshkin
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