John Bardeen
| John Bardeen | |
 | |
| Rođenje | 23. svibnja1908. Madison, Wisconsin,SAD |
|---|---|
| Smrt | 30. siječnja1991.(82 godine) Boston, Massachusetts,SAD |
| Državljanstvo | Amerikanac |
| Polje | Fizika |
| Institucija | Bell Labs, Sveučilište Illinois |
| Alma mater | Sveučilište Wisconsin–Madison, Sveučilište Princeton |
| Akademski mentor | Eugene Wigner |
| Istaknuti studenti | John Robert Schrieffer Nick Holonyak |
| Poznat po | Tranzistor BCS-teorija Supravodljivost |
| Istaknute nagrade | Nobelova nagrada za fiziku(1956.) Nobelova nagrada za fiziku (1972.) |
John Bardeen(Madison,Wisconsin,23. svibnja1908.-Boston,Massachussetts,30. siječnja1991.),američkifizičar. Od 1951. do 1975.profesorna Sveučilištu Illinois. SWilliamom Bradfordom ShockleyemiWalterom Houserom Brattainomdobio 1956.Nobelovu nagradu za fizikuza istraživanjapoluvodičai otkrićetranzistora.Godine 1972. podijelio Nobelovu nagradu za fiziku sLeonom Neilom CooperomiJohnom Robertom Schriefferomza teoriju osupravodljivosti(BCS-teorija). Za sada je Bardeen jedini dobitnik dviju Nobelovih nagrada za istoznanstvenopodručje.[1]
John Bardeen je diplomirao i magistriraoelektrotehnikuna Sveučilištu uWisconsinu(Madison), a doktorat iz poljamatematičke fizikeje primio na SveučilištuPrinceton.Radio je u više ustanova, a nakon rata 1945. pridružuje seBell Telephone laboratorijimauMurray Hill,N.J, gdje zajedno s Brattainom i Shockleyem izvodi istraživanja o svojstvimavodljivostielektronau supravodičima i osupravodljivostisamoj. Nekoliko dana prijeBožića,23. prosinca,1947.otkrili su tranzistor koji je, kao što je dobro poznato, pokrenuo pravu tehnološku revoluciju.
Ranih50-ihgodina prošlog stoljeća, Bardeen nastavlja istraživanja o supravodljivosti koje je započeo još 1930. i za svoja teoretska objašnjenja pojave supravodljivosti prima svoju drugu Nobelovu nagradu. Teorija koju je uspješno plasirao sa svojim kolegama, danas je poznata kaoBCS-teorija,a slova BCS dolaze kao inicijali Barddena, Coopera i Schrieffera. Svoj je rad nastavio i dalje - posvećujući se u prvom redu supravodičima. Na SveučilištuIllinoisje radio kao profesor elektrotehnike od 1951. do 1975. godine.
Genij Bardeen je umro 30. siječnja, 1991. godine. Po prirodi je bio miran i tih čovjek, ali je njegova briljantnost ostala i nakon njega.[2]
Tranzistor(engl.transistor,odtrans[fer] [res]istor:prijenosni otpornik) je aktivnipoluvodičkielement s trima elektrodama. Razlikuju se bipolarni i unipolarni tranzistori. Promjenom ulaznestrujebipolarnoga tranzistora ili ulaznoganaponaunipolarnoga tranzistora upravlja se strujom u izlaznom krugu. U analognim sklopovima tranzistori se primjenjuju ponajprije za pojačanjesignala,a u digitalnim sklopovima kao upravljane sklopke. Naziv tranzistor potječe iz 1947., kada su američki istraživači John Bardeen, Walter Houser Brattain i William Bradford Shockley konstruirali prvigermanijskibipolarni tranzistor.
Bipolarni tranzistor sastoji se od triju slojeva poluvodiča, s kontaktima emitera (E), baze (B) i kolektora (C). Postojenpn-tranzistori ipnp-tranzistori (poluvodiči). Kodnpn-tranzistora bazap-tipa poluvodiča napravljena je između emitera i kolektora koji sun-tipa, dok su kodpnp-tranzistora slojevi emitera, baze i kolektora suprotnoga tipa. U radu bipolarnoga tranzistora sudjeluju oba tipa nosilaca. U normalnom aktivnom području rada tranzistora emiter injektira nosioce u bazu. Manji dio nosilaca gubi se (rekombinira) u uskoj bazi, čineći malu struju baze, a veći dio prolazi kroz bazu u kolektor, uzrokujući struju kolektora. Kodnpn-tranzistora osnovnu struju čineelektroni,a kodpnp-tranzistora šupljine. Struje emitera, baze i kolektora međusobno su proporcionalne. U najčešće korištenom spoju zajedničkog emitera mala promjena ulazne struje baze uzrokuje veliku promjenu izlazne struje kolektora, čime se ostvaruje pojačavajuće djelovanje tranzistora u pojačanju signala. Bipolarni tranzistor upotrebljava se i kao sklopka. Ovisno o ulaznoj struji baze, tranzistor se prebacuje iz područja zapiranja u područje zasićenja i obratno; u području zapiranja radi kao isključena sklopka uz zanemarive struje, a u području zasićenja kao uključena sklopka uz mali pad napona između kolektora i emitera.
Unipolarni tranzistor označava se kraticom FET (engl.Field Effect Transistor:tranzistor upravljan poljem). FET ima tri osnovne elektrode: uvod (S), upravljačku elektrodu (G) i odvod (D).Naponompriključenim između uvoda i upravljačke elektrode modulira se poluvodički otpor (nazvan kanal) između uvoda i odvoda, čime se upravlja strujom odvoda. Ovisno o tipu poluvodiča u kanalu razlikuju sen-kanalni ip-kanalni FET-ovi. Rad FET-ova određuje tok samo jednoga tipa nosilaca – elektrona kodn-kanalnih i FET-ova šupljina kodp-kanalnih. Upravljačka elektrodaelektrički je izoliranaod kanala te se FET-ovi odlikuju velikim ulaznim otporom. Ovisno o konstrukciji rabi se više tipova FET-ova. Kod JFET-a (engl.Junction FET:spojni FET) kanal i upravljačka elektroda čine zaporno polariziranipn-spoj, a kod MESFET-a (engl.Metal-Semiconductor FET:metalni poluvodički FET) zaporno polariziranipn-spoj zamijenjen je zaporno polariziranim spojemmetal-poluvodič. Kod MOSFET-a (engl.Metal-Oxide-Semiconductor FET:metalnooksidni poluvodički FET) metalna ili polisilicijska upravljačka elektroda izolirana je od kanala tankim slojemsilicijeva dioksida(SiO2). MOSFET ima četvrtu elektrodu, podlogu (B), koja se najčešće spaja s uvodom. Posebna vrsta FET-ova je HEMT (engl.High Electron Mobility Transistor:tranzistor s visokom pokretljivosti elektrona). Poput bipolarnoga tranzistora, FET-ovi se rabe kao pojačavajući elementi ili kao naponom upravljane sklopke.
Bipolarni tranzistori strujno su upravljani elementi, a FET-ovi naponski upravljivi. Bipolarni tranzistori imaju veću strminu, pa su pojačanja pojačala realiziranih s bipolarnim tranzistorima veća od pojačanja pojačala s FET-ovima. Uz to su bipolarni tranzistori brži i uz iste dimenzije daju jaču struju od FET-ova. Bipolarni se tranzistori mogu upravljati svjetlosnim snopom, što se primjenjuje u izvedbi fototranzistora (fotomultiplikator), elemenata za pretvorbu svjetlosnoga signala u optički. Glavna je prednost FET-ova velik ulazniotpor.Temperaturni je koeficijent izlazne struje FET-ova negativan, a bipolarnih tranzistora pozitivan, pa su FET-ovi pogodniji tranzistori za konstrukcijupojačala snage.
Osnovni poluvodički materijal za realizaciju bipolarnih tranzistora, JFET-ova i MOSFET-ova, i dalje jesilicij.U nekim se izvedbama bipolarnih tranzistora i MOSFET-ova silicij kombinira sgermanijem(silicijsko-germanijski tranzistori, SiGe), ponajprije radi povećanja brzine rada. Većom brzinom rada odlikuju se tranzistori koji se kao poluvodičkim materijalom koristegalijevimarsenidom(GaAs). Od galijeva arsenida izrađuju se MESFET-ovi, a od kombinacije galijeva arsenida ialuminij-galijeva arsenida (AlGaAs) proizvode se heterospojni bipolarni tranzistori (HBT-ovi – od engl.Heterojunction Bipolar Transistor) i HEMT-ovi. Naziv HBT upotrebljava se i za silicijsko-germanijske bipolarne tranzistore.
Zahvaljujući dobrim svojstvima poput velike brzine rada, male potrošnje, velike pouzdanosti i male cijene, tranzistori su osnovni elementielektroničkihsklopova različitih funkcija poputpojačala,stabilizatora, modulatora, generatora signala, digitalnihlogičkih sklopova,poluvodičkih memorijai slično. Kao diskretne komponente u zasebnim kućištima, tranzistori se proizvode za različite namjene. Uz tranzistore opće namjene, s ujednačenim karakteristikama, izrađuju se tranzistori s optimiranim karakteristikama za pojedine primjene, na primjer visokofrekvencijski tranzistori, tranzistorske sklopke, visokonaponski tranzistori i tranzistori snage.
U većoj mjeri tranzistori se rabe kao diointegriranih sklopovau kojima se u istoj, najčešće silicijskoj, pločici integrira velik broj tranzistora i ostalih elemenata (dioda,otpornika,kondenzatora). Analogni integrirani sklopovi poput operacijskih pojačala i stabilizatora temelje se pretežno na primjeni bipolarnih tranzistora. Ulazni tranzistori integriranih operacijskih pojačala često su JFET-ovi, koji osiguravaju veliki ulazni otpor pojačala. Većina digitalnih integriranih sklopova izvodi se u komplementarnoj MOS-tehnici (CMOS), u kojoj se upotrebljavaju komplementarni parovin-kanalnih ip-kanalnih MOSFET-ova. Zahvaljujući jednostavnosti i malim dimenzijama MOSFET-ova te maloj potrošnji, u komplementarnoj MOS-tehnici realiziraju se integrirani sklopovi velike složenosti poputmikroprocesorai memorijskih sklopova s više od 109 tranzistora. Često se u komplementarnoj MOS-tehnici u istom integriranom sklopu uz digitalne funkcije izvode i analogne. Optimalna svojstva složenih integriranih sklopova postižu se kombinacijom MOSFET-a i bipolarnih tranzistora u BiCMOS-tehnici (naziv BiCMOS upućuje na istodobno korištenje bipolarnih komplementarnih MOS-tranzistora na istoj silicijskoj pločici). Najbrži su integrirani sklopovi od galijeva arsenida temeljeni na primjeni MESFET-ova i HEMT-ova. Takvi se sklopovi najčešće rabe u visokofrekvencijskimkomunikacijskimuređajima, na primjer umobilnoj telefoniji.[3]
Supravodljivostje stanje pojedinihtvarikoje se na niskimtemperaturamaočituje u nestanku njihovaelektričnoga otpora,prolaskuelektrične strujekroz tankuizolatorskubarijeru unutar njih bez električnoga otpora (Josephsonov učinak-Brian Josephson) i lebdenjumagnetaiznad njihove površine (Meissnerov učinak-Walther Meissner).[4]Supravodljivost jekvantnomehaničkapojava i ne može se objasnitiklasičnom fizikom.Tipično nastaje u nekimmaterijalimana jako niskimtemperaturama(nižim od -200°C).
BCS-teorijailiBardeen-Cooper-Schriefferova teorijaje prva mikroskopska teorija supravodljivosti (1957.). Polazi od pretpostavke da na vrlo niskimtemperaturamaukristalnoj rešetkisupravodiča privlačno međudjelovanjeelektron–rešetka–elektron nadjačava odbojnuelektričnu silu među elektronima,tj. da elektroni pri prolasku kroz rešetku privlače njezineione,što rezultira povećanjem gustoćepozitivnog nabojau tom području i, dok se rešetka ne vrati u ravnotežno stanje, privlači druge elektrone. U takvim uvjetima elektroni kojima suspinoviikoličine gibanjesuprotni gibaju se u parovima (Cooperovi parovi), a svaki par elektrona na međusobnoj udaljenosti od približno 100nmgiba se kroz kristalnu rešetku bez gubitkaenergijei možetuneliratikrozizolatorskubarijeru. Porastom temperatureatomirešetke sve jačetitraju,iznad kritične temperature razdvajaju elektronske parove, elektroni se više ne mogu gibati bez gubitaka i pojavljuje seelektrični otpor.Za razvoj BCS-teorije John Bardeen,Leon Neil CooperiJohn Robert Schriefferdobili suNobelovu nagradu za fiziku1972.[5]
- ↑Bardeen, John,[1]"Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2014.
- ↑John Bardeen,CroEOS.netArhivirano2004-05-23 naWayback Machine-uwww.croeos.net
- ↑tranzistor,[2]"Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2014.
- ↑supravodljivost,[3]"Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2014.
- ↑BCS-teorija,[4]"Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2014.