ТРАНЗИСТОР (Transistor)
- Незнайкин. — Одним словом, транзистор представляет собой своеобразный бутерброд из двух толстых кусков хлеба, между которыми положен тоненький кусочек ветчины.
- Любознайкин. — Да, если хочешь, это так.
- Е. Айсберг. «Транзистор?.. Это очень просто!»
Первый действующий транзистор был создан группой ученых лаборатории Bell Labs (У. Шокли, Дж. Бардин и У. Браттейн) в 1947 г. и официально представлен ими 23 декабря того же года.
С тех пор именно этот день считается днем открытия транзистора, но лишь в 1956 году его разработчикам была присуждена Нобелевская премия по физике «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта». Интересно, что Дж. Бардин вскоре был удостоен Нобелевской премии во второй раз за создание теории сверхпроводимости. < Следует отметить, что параллельно с США к созданию транзисторов в то время вплотную приблизились очень многие страны, поэтому с полной уверенностью можно говорить, что «транзистор — дитя многих родителей».В структуре любого транзистора есть три вывода — это база (затвор), эмиттер (исток) и коллектор (сток) (рис. 1). Управление током в выходной цепи осуществляется либо за счет изменения входного тока, либо входного напряжения. При этом даже небольшое варьирование входных величин может приводить к существенному изменению выходного напряжения и тока. Принцип работы транзистора во многом похож на принцип действия такого известного всем устройства, как рупор. Достаточно произнести что-нибудь перед его узким отверстием, направив широкое в сторону другого человека, стоящего в нескольких десятках метров, и голос, усиленный рупором, будет хорошо слышен вдалеке. Вот так и в случае транзистора — если пропустить через участок «база — эмиттер» слабый ток, он будет усилен транзистором в десятки и даже сотни раз, а усиленный ток потечет через участок «коллектор — эмиттер». Это явление связано с тем, что внеш¬ние электрические поля и токи могут изменять плотность носителей заряда в полупроводнике и оказывать существенное влияние на его электропроводность.
Усиливающая способность транзисторов
используется в аналоговой технике, например в аналоговом телевидении и радио. Другим важнейшим применением является цифровая техника (память, процессоры, компьютеры, цифровая связь и т.п.), где транзисторы выполняют роль переключателей, заменив вакуумные лампы в большинстве электронных устройств и совершив революцию в создании интегральных схем и компьютеров. В настоящий момент вся современная цифровая техника основана на так называемых МОП — транзисторах, из-готовленных на основе слоев металл — оксид — полупроводник. При этом транзистор может работать как единичный (дискретный) прибор и являться элементом интегральной схемы (рис. 1). Последние изготавливаются в рамках планарной интегральной технологии на одном кремниевом кристалле, который называется чипом, и составляют элементарный «кирпичик» для построения памяти, процессора и т.п. На одном чипе, обычно размером 1-2 см2, размещаются десятки миллионов МОП-транзисторов, размеры каждого из которых не превышают 45-60 нанометров (это размер базовой части транзистора). На протяжении последних десятков лет происходит стремительная миниатюризация МОП (т.е. уменьшение их размеров) и увеличение степени их интеграции (т.е. количества на одном чипе), причем в ближайшие годы ожидается увеличение степени интеграции вплоть до миллиарда транзисторов на одном чипе (см. Наноэлектроника). Однако полупроводниковая кремниевая электроника фактически подошла к пределу своих возможностей, связанному с фундаментальными физическими ограничениями, не позволяющими в дальнейшем на ее основе создавать все более производительные и миниатюрные устройства. Традиционный затвор с диэлектриком из двуокиси кремния (SiO2) имеет толщину всего в несколько атомных слоев (~1,2нм). Дальнейшее уменьшение его толщины приводит к значительным утечкам за счет туннельного тока (проявление квантовых эффектов) и, как следствие, к увеличению потребления энергии и тепловыделения транзистора. Поэтому качественным выходом из сложившегося «тупика» может быть только переход к электронным приборам и схемам, построенным на совершенно иных принципах (см. Наноэлектроника, Молекулярная электроника, Квантовые компьютеры). Уже сегодня разработка новых функциональных наноматериалов позволяет шагнуть далеко за пределы традиционной полупроводниковой технологии изготовления транзисторов.