Что такое транзистор и история его создания
Транзистор — это ключевой полупроводниковый прибор, предназначенный для управления электрическим током, его усиления и генерации колебаний. Его изобретение в 1948 году группой американских физиков — Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли — стало настоящей революцией в электронике, положив начало эпохе миниатюризации. Все современные транзисторы делятся на два фундаментальных класса: униполярные (полевые) и биполярные.
Классификация и принцип действия
Основное различие между классами заключается в природе носителей тока. В униполярных транзисторах ток создается носителями заряда только одного типа — либо электронами, либо дырками. В биполярных транзисторах в процессе участвуют носители обоих знаков.
Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый кристалл с тремя областями разной проводимости, которые образуют два p-n перехода. Эти области называются эмиттер, база и коллектор. В зависимости от порядка чередования слоев с электронной (n) и дырочной (p) проводимостью различают транзисторы n-p-n и p-n-p типа. Узкая средняя область — база — играет ключевую роль в управлении током между эмиттером и коллектором.
Разнообразие типов и технологий
Транзисторы классифицируются по множеству признаков, что отражает широту их применения:
- По механизму работы: бездрейфовые (перенос заряда за счет диффузии) и дрейфовые (с участием электрического поля).
- По назначению: маломощные, мощные генераторные, импульсные, ключевые, малошумящие (для усилителей), фототранзисторы и специальные.
- По частотному диапазону: низкочастотные, высокочастотные (до 300 МГц) и сверхвысокочастотные (свыше 300 МГц).
Основными материалами для производства служат кремний и германий. Технологии изготовления также разнообразны: сплавные, диффузионные, планарные, эпитаксиальные и их комбинации. Наибольшее распространение получили планарные и планарно-эпитаксиальные кремниевые транзисторы, которые могут выпускаться как в защитных корпусах, так и в бескорпусном исполнении.
Преимущества и роль в техническом прогрессе
Появление транзистора ознаменовало переход ко второму поколению электронной аппаратуры. По сравнению с громоздкими и энергоемкими лампами, устройства на транзисторах обладают в сотни раз меньшими габаритами и массой, значительно выше надежностью (до 100 000 часов работы) и экономичностью. Они могут работать с ничтожными токами в микроамперах, а мощные модели способны коммутировать десятки ампер при напряжении до 30 В, отдавая мощность до 100 Вт.
Современные транзисторы эффективно работают вплоть до частот в 10 ГГц, а по уровню шума на низких частотах превосходят даже специальные лампы.
Транзистор как основа микроэлектроники
Транзистор стал фундаментальным «кирпичиком» для создания интегральных микросхем (ИС). На одном крошечном кристалле полупроводника площадью в несколько квадратных миллиметров сегодня размещаются десятки тысяч транзисторов. Это позволило создать радиоэлектронную аппаратуру третьего поколения, примером которой служат наручные электронные часы или карманные калькуляторы. Развитие микроэлектроники на базе ИС открыло путь к созданию суперкомпьютеров, бортовых систем космических аппаратов и миниатюрной бытовой техники.
Недостатки и ограничения
При всех достоинствах транзисторы имеют и определенные недостатки. Главный из них — ограниченный температурный диапазон работы. Их параметры могут существенно меняться при нагреве или охлаждении. Кроме того, полупроводниковые приборы довольно чувствительны к воздействию ионизирующего излучения, что накладывает ограничения на их применение в экстремальных условиях, например, в космосе или рядом с ядерными реакторами.