История транзистора и транзисторного компьютера

Рассвет транзисторов

Транзисторы – это полупроводниковые устройства, которые выполняют две основные функции в электронной схеме – усилитель и переключатель. До эры транзисторов электронные лампы в основном использовались в качестве усилителя или переключателя в первой половине двадцатого века. Однако требования к высокому рабочему напряжению, высокое энергопотребление и высокое тепловыделение привели к тому, что электронные лампы со временем стали неэффективными и ненадежными. Не говоря уже о том, что эти трубки громоздкие и хрупкие, потому что корпус сделан из стекла. Чтобы решить эту дилемму, разные производители провели годы исследований в поисках подходящей замены.
Наконец, в декабре 1947 года трое физиков из Bell Laboratories успешно изобрели первый рабочий транзистор. Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли потратили годы исследований, чтобы наконец разработать рабочий точечный транзистор. В 1948 году Шокли усовершенствовал устройство, превратив его в транзистор с биполярным переходом, который широко использовался в 1950-х годах. Их изобретение было настолько важным, что Бардин, Браттейн и Шокли были удостоены известной Нобелевской премии 1956 года.

Подведем итоги

• Биполярные транзисторы проводят ток, используя и электроны, и дырки в одном приборе.
• Функционирование биполярного транзистора, как усилителя тока, требует, чтобы на переход коллектор-база было подано обратное смещение, а на переход эмиттер-база – прямое.
• Транзистор отличается от пары соединенных «спина к спине» диодов тем, что база (центральный слой) очень тонкая. Это позволяет основным носителям заряд из эмиттера диффундировать, как неосновные носители, через базу в обедненную область перехода база-коллектор, где их подбирает сильное электрическое поле.
• Эффективность эмиттера улучшается более сильным легированием по сравнению с коллектором. Эффективность эмиттера: α = IC/IE, составляет 0,99 для маломощных транзисторов.
• Усиление по току: β=IC/IB, для маломощных транзисторов лежит в диапазоне от 100 до 300.

Оригинал статьи:

• Bipolar Junction Transistors

Эволюция транзисторов

Как и любое другое устройство, транзисторы претерпели несколько нововведений. Еще в конце 1950-х годов германий сыграл решающую роль в разработке транзисторов. Однако транзисторы на основе германия имеют серьезные недостатки, такие как утечка тока и непереносимость температур выше 75 ° C. Кроме того, германий редок и дорог. Это побудило исследователей Bell Labs искать лучшую альтернативу.

Гордон Тил – громкое имя в эволюции транзисторов. Американский инженер Bell Labs, Тил разработал метод производства чистых кристаллов германия, которые будут использоваться в транзисторах на основе германия. Точно так же Тил экспериментировал с кремнием в качестве возможной замены германия. В 1953 году он вернулся в Техас после того, как ему предложили должность директора по исследованиям в Texas Instruments (TI). Используя свой опыт и знания в области полупроводниковых кристаллов, он продолжил работу над очищенным кремнием как заменой германия. В апреле 1954 года Тил и его команда в TI разработали первый кремниевый транзистор, о котором было объявлено миру в мае того же года. Благодаря своим превосходным характеристикам кремний постепенно вытеснил германий в качестве полупроводника, используемого для транзисторов.

Читать 7 советов по маркетингу в социальных сетях 2022. Тенденции SMM, к которым нужно быть готовым!

С появлением кремниевых транзисторов исследователи Bell Labs достигли еще одного прорыва, разработав транзистор, который может превзойти по характеристикам транзистор с биполярным переходом. В 1959 году Мохамед Аталла и Давон Канг изобрели полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET) с более низким энергопотреблением и большей плотностью, чем биполярный транзистор. Эти ценные характеристики значительно сделали полевой МОП-транзистор, который с тех пор стал самым широко производимым устройством в истории.

Первыми серийными отечественными транзисторами, не считая опытных КС1 — КС8 (1953 год), были точечные германиевые p-n-p триоды С1 и С2 (1954 — 1960 годы). Длинна корпуса без выводов 12 мм, диаметр 6,5 мм. Длинна выводов 4 мм. Вес 2 г. Учитывая, что выводы очень короткие, вес самого транзистора довольно внушительный. Для сравнения, например транзисторы МП40 с длинными выводами весят всего 1,5 г. Большой вес С1 и С2 обусловлен их конструктивными особенностями. Я пожертвовал одним из имеющихся у меня транзисторов С2 для изучения его внутренностей. После снятия внешнего корпуса выяснилось, что под ним находится латунный цилиндр диаметром 6 мм, внутри которого и находится кристалл германия. В цилиндре посередине имеются два технологических отверстия диаметром 2,5 мм. Толщина стенки цилиндра в районе отверстия — 0,4 мм. Внешний корпус изготовлен из сплава, похожего на никелевый. Подробную информацию о многих старых транзисторах можно найти здесь

Фотографии можно увеличивать

Через отверстие в латунном корпусе виден кристалл германия с контактными проводниками

На фото видно, что внешний корпус отвечает только за герметичность, а прочность конструкции обеспечивает второй — латунный корпус, внутри которого находится кристалл германия

Конструкция транзисторов С1 и С2

Транзисторы упаковывались в бумажные конверты по 1 штуке

Американским аналогом транзисторов С1 и С2 является точечный p-n-p транзистор 2N25 . Производить их начали в 1953 году, то есть на год раньше, чем отечественные аналоги. Конструктивно они похожи, но у 2N25 вместо металлического кожуха, закрывающего отверстия в корпусе, используется пластиковое кольцо. Размеры корпуса без выводов 12 х 5,5 мм. Вес 1 г. Имеющиеся у меня экземпляры имеют маркировки даты изготовления 8-53 и 10-53. Информацию о многих старых транзисторах можно найти на сайте wylie.org.uk

При снятом защитном кольце видно, что заполнитель видимо занимает всё внутреннее пространство корпуса

П1, П2 — первые отечественные германиевые плоскостные p-n-p транзисторы (1955 — 1960 годы). Реальные размеры 19 х 9 мм (по паспорту 20 х 10 мм). Длинна выводов 30 мм. Вес 2,5 г.

Транзисторы упаковывались в бумажные конверты по 1 штуке

П3 — первые отечественные германиевые плоскостные p-n-p транзисторы повышенной мощности (1955 — 1960 годы). Размеры 24 х 27 мм. Диаметр радиатора 25 мм. Вес 8 г.

П4БЭ — первый отечественный мощный германиевый плоскостной триод p-n-p типа. Мощность 10 вт. Производился вероятно с 1957 года. Размеры 30 х 9 мм без выводов. Вес 14 г.

П411А — германиевый диффузионный СВЧ триод p-n-p типа (разработка 1959 г). Мое внимание он привлек необычной конструкцией корпуса.

П309 — кремниевые n-p-n транзисторы начала 60-х годов. Производились до недавнего времени, но уже в других корпусах. Первоначально корпус имел размеры — высота 11 мм, диаметр — 10мм, диаметр с ободком 13 мм. Вес 2 г. На фото показаны транзисторы П309, изготовленные в 1964 и 1985 г.

П16 — германиевые плоскостные p-n-p транзисторы. Производились с 1959 года. Один из имеющихся у меня экземпляров я вскрыл для изучения конструкции

Ниже можно посмотреть конструкции некоторых отечественных и иностранных транзисторов

Отечественный германиевый p-n-p транзистор ГТ310Б. Диаметр корпуса 3 мм.

Отечественный германиевый p-n-p транзистор ГТ402А

Германиевый p-n-p транзистор 2SB257 (60-е годы)

Германиевый p-n-p транзистор OC38 (50-е годы)

Германиевый p-n-p транзистор OC71A. Производился предположительно с 1954 года. Интересен конструкцией в виде стеклянной колбы, заполненной защитным гелем.

В журнале «Radio & TV News» за январь 1959 года я нашел эти интересные картинки, объясняющие устройство первых транзисторов разных типов

Направления развития первых транзисторных технологий из журнала «Radio & TV News» за август 1956 года

Интересны также и старинные полупроводниковые выпрямители, например отечественные медно-закисные диоды типа 7-1а. Их также называли купроксными выпрямителями, или вентилями. Это полупроводниковые диоды на основе закиси меди. На фото ниже диоды 7-1а, изготовленные в 1961 г. Подробнее в википедии

На фото ниже одни из первых серийных отечественных германиевых диодов,- точечные ДГ-Ц7 и плоскостные ДГ-Ц21, ДГ-Ц24, ДГ-Ц27. Производить их начали в середине 50-х годов. Подробнее здесь

Конструкция диодов ДГ-Ц21 — ДГ-Ц27

Преобразование компьютерных технологий

Изобретение транзисторов также было революционным в миниатюризации компьютеров. Как и в более ранних электронных устройствах, в компьютерах первого поколения в качестве переключателей и усилителей использовались электронные лампы. После появления транзисторов производители также использовали небольшие устройства для создания более эффективных компьютеров меньшего размера. В последующие годы электронные лампы были полностью заменены транзисторами, что привело к появлению второго поколения транзисторных компьютеров.

Первым компьютером, в котором использовались транзисторы, был Транзисторный компьютер Манчестерского университета. Транзисторный компьютер был построен в качестве прототипа, состоящего из транзисторов с 92 точками контакта и 550 диодов, и был полностью введен в эксплуатацию в 1953 году. В 1955 году была представлена ​​полноразмерная версия этого компьютера с транзисторами с 200 точками контакта и 1300 диодами. Хотя в большинстве схем использовались транзисторы, это устройство не считалось полностью транзисторным компьютером, поскольку в его тактовом генераторе все еще использовались электронные лампы.

В середине 1950-х годов начали появляться похожие машины. Позже дизайн Манчестерского университета был принят компанией Metropolitan-Vickers, которая в 1956 году произвела семь машин, использующих биполярные переходные транзисторы. Однако устройство под названием Metrovick 950 не было коммерчески доступным и использовалось только внутри компании. Аналогичным образом, Bell Labs изобрела устройство TRADIC в 1954 году, но, как и в случае с транзисторным компьютером, TRADIC использовал вакуумные лампы в качестве тактовой энергии.

Компьютер управления Burroughs Atlas Mod 1-J1, построенный для ВВС США в 1955 году, был первым компьютером, полностью отказавшим от использования электронных ламп, и эта модель была первым полностью транзисторным компьютером. Массачусетский технологический институт также разработал TX-0, свой собственный транзисторный компьютер в 1956 году. Транзисторные компьютеры также начали появляться в других частях мира. Первым устройством, появившимся в Азии, стал японский ETL Mark III, выпущенный в 1956 году. DRTE, выпущенный в 1957 году, и австрийский Mailüfterl, выпущенный в 1958 году, были первыми транзисторными компьютерами в Канаде и Европе соответственно. В 1959 году Италия также выпустила свой первый транзисторный компьютер Olivetti Elea 9003 , который позже стал доступен на частном рынке.

Читать 5 лучших ноутбуков с двумя экранами

Хотя транзисторные компьютеры появились во всем мире в 1950-х годах, они не были коммерчески доступны до 1959 года, когда General Electric выпустила General Electric 210 . Следовательно, другие производители также представили свои собственные флагманские модели транзисторных компьютеров. IBM 7070 и RCA 501 были одними из первых моделей , выпущенных, среди других. Крупномасштабные компьютеры также следовали этой тенденции. В Филко сделки модели S-1000 и S-2000 были один из первых коммерчески доступных крупномасштабных транзисторных компьютеров.

Развитие конструкции транзисторов привело к серьезным изменениям в конструкции компьютеров. Производство компьютеров на транзисторах росло со временем, поскольку технология стала доступной на рынке. В конце концов, интегральные схемы были приняты в 1960-х, уступив место третьему поколению компьютеров.