Џон Бардин

Џон Бардин (|John Bardeen) (, – , ) – американски физичар. Од 1951 до 1975 година бил професор на Универзитетот Илиноис. Во 1956 година, заедно со Вилијам Шокли и Волтер Братејн ја добил Нобеловата награда за физика за истражувањето на полуспроводниците и откритието на транзисторот. Во 1972 година ја поделил Нобеловата награда за физика со Леон Купер и Џон Роберт Шрифер за теоријата на суперспроводливост. Засега единствен двократен добитник на Нобелова награда од исто научно подрачје.
1 Животопис
Џон Бардин дипломирал и магистрирал електротехника на Универзитетот во Висконсин, а докторирал на Универзитетот Принстон на математичка физика. Работел во повеќе установи, а после војната, во 1945 година, им се придружува на лабораториите Бел Телефон во Мареј Хил, каде заедно со Братејн и Шокли спроведува истражувања за својствата на спроводливост на електроните во супраспроводиници и за самата супраспроводливост. Неколку дена пред Божик, на 23 декември 1947 година го откриле транзисторот кој покренал права технолошка револуција.
Во раните педесетти години на минатиот век, Бардин ги продолжува истражувањата за супраспроводливоста кои ги започнал уште во 1930 година и за своите теориски објаснувања на појавата на супраспроводливост ја прима својата втора Нобелова награда. Теоријата која успешно ја пласирал со своите колеги, денес е позната како БКШ-теорија (BSC-theory) според првите букви од презимињата на авторите. Својата работа ја продолжил, посветувајќи се во прв ред на супраспроводниците. На Универзитетот Илиноис работел како професор по електротехника од 1951 до 1975 година.
Генијот Бардин починал на 30 јануари 1991 година.
1.1 Транзистор
Транзисоторот (|transistor од trans(fer) (res)istor, преносен отпорник) — активен полуспроводнички елемент со три електроди. Се разликуваат биполарни и униполарни транзистори. Со промена на влезната струја на биполарниот транзистор или влезниот напон на униполарниот транзистор, се управува струјата во излезниот круг. Во аналогните склопови, транзисторите се применуваат пред сè за засилување на сигнали, а во дигиталните склопови за управување на прекинувач. Името транзистор потекнува од 1947 година кога американските истражувачи Џон Бардин, Волтер Братејн и Вилијам Шокли го конструирале првиот германиумски биполарен транзистор.
1.1.1 Биполарен транзистор
Биполарниот транзистор се состои од три слоја полуспроводници, со контакти на емитерот (Е), базата (В) и колекторот (С). Постојат npn и pnp транзистори. Кај npn-транзисторите, базата од p-тип е направена меѓу емитерот и колекторот кои се од n-тип, додека кај pnp-транзисторот слоевите на полуспроводници се обратни. Во работата на биполарниот транзистор учествуваат двата типа на носители. Во нормалното активно подрачје на работа на транзисторот, емитерот инјектира носители во базата. Помалиот дел од носителите се губи (рекомбинира) во тесната база, генерирајќи мала струја на базата, а поголемиот дел поминува низ базата во колекторот, предизвикувајќи ја струјата на колекторот. Кај npn-транзисторот основната струја ја прават електроните, а кај npn-транзисторите шуплините. Струите на емитерот, базата и колекторот меѓусебно се пропорционални. Во најчесто користениот спој со заеднички емитер, мала промена на влезната струја на базата предизвикува голема промена на излезната струја на колекторот, со што се остварува засилувачкото делување на транзисторот на сигналот. Биполарниот транзистор се употребува и како прекинувач. Во зависност од влезната струја на базата, транзисторот се префрла од запирното подрачје во подрачјето на заситување и обратно; во запирното подрачје работи како исклучен прекинувач со занемарлива струја, а во подрачјето на заситување како вклучен прекинувач со мал пад на напонот меѓу колекторот и емитерот.
1.1.2 Униполарен транзистор
Униполарниот транзистор се означува со кратенката FET (|Field Effect Transistor, транзистор управуван со поле). Униполарниот транзистор има три основни електроди: сорс (S) (извор), управувачка електрода гејт (G) и дрејн (D). Со напонот приклучен меѓу изворот и управувачката електрода се модулира полуспроводничкиот отпор (наречен канал) меѓу сорсот и дрејнот, со што се управува струјата на дрејнот. Во зависност од типот на полуспроводници во каналот се разликуваат n-канални и p-канални FET-ови. Работата на FET-овите ја одредува текот само на еден тип на носители – електроните кај n-каналните и шуплините кај p-каналните. Управувачката електрода е електрични изолирана од каналот, па FET-овите се одликуваат со голема влезна отпорност. Во зависност од конструкцијата има повеќе видови FET-ови. Кај JFET-от (|Junction FET, споен FET) каналот и управувачката електрода формираат неспроведувачки поларизиран pn-спој, а кај MESFET-от (|Metal-Semiconductor FET, метален полуспроводнички FET) неспроведувачкиот поларизиран pn-спој заменет е со неспроведувачко поларизиран спој метал-полуспроводник. Кај MOSFET-от (|Metal-Oxyde-Semiconductor FET, металнооксидни полуспроводнички FET) метална или полисилициумска управувачка електрода е изолирана од каналот со тенок слој силициум оксид (SiO2). MOSFET-от има четврта електрода, боди (В), која најчесто се спојува со сорсот. Посебен вид на FET е HEMT (|. High Electron Mobility Transistor, транзистор со висока подвижност на електроните). Како и биполарните транзистори, FET-овите се користат како засилувачки елементи или како напонско управувани прекинувачи.
Биполарните транзистгори се струјно управувани елементи, а FET-овите се напонски управувани. Биполарните транзистори имаат поголема стрмнина, па засилувањата на засилувачите реализирани со биполарни транзистори се поголеми од засилувањата на засилувачите реализирани со FET-ови. Биполарните транзистори може да се управуваат со светлосен сноп, што се применува во изведбата на фототранзистор, елемент за претворање на светлосниот сигнал во електричен. Главна предност на FET-от е големата влезна отпорност. FET-овите се попогодни за конструкција на засилувачи на снага со оглед дека нивниот температурен коефициент на излезната струја е негативен, за разлика од оној на биполарните транзистори кој е позитивен.
Основниот полуспроводнички материјал за производство на транзистори (биполарни и униполарни) и понатаму е силициумот. Кај некои изведби на биполарни транзистори и MOSFET-и силициумот се комбинира со германиум, пред сè заради зголемување на брзината на работа. Со поголема брзина на работа се одликуваат транзисторите кои како полуспроводнички материјал користат галиум арсенид (GaAs). Од галиум арсенид се изработуваат MESFET-ите, а од комбинација на галиум арсенид и алуминиум-галиум арсенид (AlGaAs) се произведуваат хетероспојни биполарни транзистори HBT и HEMT. Називот HBT се употребува и за силициум-германиумски биполарни транзистори.
Благодарение на добрите својства како што е големата брзина на работа, малата потрошувачка, големата доверливост и малата цена, транзисторите се основни елементи на електронските склопови за различни функции како што се засилувачи, стабилизатори, модулатори, генератори на сигнали, дигитални логички склопови, полуспроводнички мемории и слично. Како дискретни компоненти во засебни куќишта, транзисторите се произведуваат за различни намени. Со транзисторите за општа намена, се изработуваат и транзистори оптимизирани одлики за посебни примени, на пример високофреквенциски транзистори, транзисторски прекинувачки, високонапонски транзистори и транзистори за снага.
Во поголема мерка транзисторите се користат како интегрирани склопови кај кои во иста, најчесто силициумска, плочка се интегрира голем број на транзистори и останати елементи (диоди, отпорници, кондензатори). Аналогните интегрирани склопови како што се операциските засилувачи и стабилизатори, претежно се темелат на примена на биполарните транзистори. Влезните транзистори на интегрираните операциски засилувачи често се JFET-и, кои осигуруваат висока влезна отпорност на засилувачите. Поголемиот дел дигитални интегрирани склопови се изведуваат во комплементарната MOS-техника (CMOS), во која се употребуваат комплементарни парови на n-канални и p-канални MOSFET-и. Благодарение на едноставноста и малите димензии на MOSFET-ите, како и малата потрошувачка, во комплементарна MOS-техника се реализираат интегрирани склопови со голема сложеност како микрообработувачи и мемориски склопови со повеќе од 109 транзистори. Во комплементарната MOS-техника, често во ист интегриран склоп со дигиталните се изведуваат и аналогни функции. Оптимални својства на сложените интегрирани кола се постигнува со комбинација на MOSFET-и и биполарни транзистори во BICMOS-техника (истовремено користење на биполарни и MOS-транзистори на иста силициумска плочка). Најбрзи се интегрираните кола од галиум арсенид темелени на примена на MESFET-ови и HEMT-ови. Овие кола најчесто се користат во високофреквенциските комуникациски уреди, на пример во мобилната телефонија
1.2 Суперспроводливост
Суперспроводливост е состојба на поедини материјали која на ниски температури се одликува со губење на нивната електрична отпорност, поминување на електричната струја низ тенката изолаторска бариера во нив без електрична отпорност и лебдење на магнет над нивната површина. Суперспроводливоста е квантномеханичка појава и не може да се објасни со класичната физика. Типично се појавува кај некои материјали на многу ниски температури (пониски од -200 °C).
1.2.1 БКШ-теорија
Бардин-Купер-Шриферовата теорија е прва микроскопска теорија на суперспроводливоста (1957). Поаѓа од претпоставката дека на многу ниски температури во кристалната решетка на суперспроводникот, привлечното меѓусебно делување електрон-решетка-електрон ја надминува одбивната електрична сила меѓу електроните, т.е. електроните при поминување низ решетката ги привлекуваат нејзините јони, што резултира со зголемување на густината на позитивниот набој во тоа подрачје, и додека решетката не се врати во рамнотежна состојба , ги привлекува другите електрони. Во такви услови, електроните чии спинови и моментуми се спротивни, се движат во парови (Куперови парови), а секој пар електрони на меѓусебно растојание од приближно 100 nm се движи низ кристалната решетка без губење на енергија и може да тунелира низ изолаторската бариера. Со зголемување на температурата атомите на решетката сè повеќе осцилираат, над критичната температура ги разделуваат електронските парови, електроните не можат повеќе да се движат без губитоци и се појавува електрична отпорност. За развојот на БКШ-теоријата Џон Бардин, Леон Купер и Џон Шрифер ја добиле Нобеловата награда за физика во 1972 година.
2 Поврзано
* Волтер Братејн
* Вилијам Шокли