Kto stworzył pierwszy tranzystor? To pytanie niepokoi wiele osób. Pierwszy patent na zasadę tranzystora polowego został złożony w Kanadzie przez austro-węgierskiego fizyka Juliusa Edgara Lilienfelda 22 października 1925 r., ale Lilienfeld nie opublikował żadnych prac naukowych na temat swoich urządzeń, a jego praca została zignorowana przez przemysł. W ten sposób pierwszy na świecie tranzystor przeszedł do historii. W 1934 roku niemiecki fizyk dr Oskar Heil opatentował kolejny FET. Nie ma bezpośrednich dowodów na to, że urządzenia te zostały zbudowane, ale późniejsze prace w latach 90. wykazały, że jeden z projektów Lilienfelda działał zgodnie z opisem i przyniósł znaczące rezultaty. Jest obecnie dobrze znanym i powszechnie akceptowanym faktem, że William Shockley i jego asystent Gerald Pearson stworzyli robocze wersje aparatu na podstawie patentów Lilienfelda, o których oczywiście nigdy nie wspomniano w żadnej z ich późniejszych prac naukowych ani artykułów historycznych. Oczywiście pierwsze komputery tranzystorowe zbudowano znacznie później.
Laboratorium Bella
Bell Labs pracował nad tranzystorem zbudowanym do produkcji ekstremalnie czystych "kryształowych" diod mieszających germanu używanych w instalacjach radarowych jako część miksera częstotliwości. Równolegle do tego projektu było wiele innych, w tym tranzystor z diodą germanową. Wczesne obwody lampowe nie miały możliwości szybkiego przełączania, a zespół Bella zamiast tego zastosował diody półprzewodnikowe. Na podobnej zasadzie działały pierwsze komputery tranzystorowe.
Dalsze odkrywanie Shockley
Po wojnie Shockley postanowił spróbować zbudować urządzenie półprzewodnikowe podobne do triody. Zabezpieczył fundusze i przestrzeń laboratoryjną, a następnie pracował nad problemem z Bardeenem i Brattenem. John Bardeen ostatecznie opracował nową gałąź mechaniki kwantowej znaną jako fizyka powierzchni, aby wyjaśnić jego wczesne niepowodzenia, a tym naukowcom w końcu udało się stworzyć działające urządzenie.
Kluczem do opracowania tranzystora było dalsze zrozumienie procesu ruchliwości elektronów w półprzewodniku. Udowodniono, że gdyby istniał sposób sterowania przepływem elektronów od emitera do kolektora tej nowo odkrytej diody (odkrytej w 1874 r., opatentowanej w 1906 r.), można by zbudować wzmacniacz. Na przykład, jeśli umieścisz styki po obu stronach kryształu jednego rodzaju, żaden prąd nie będzie przez niego przepływać.
W rzeczywistości okazało się to bardzo trudne do zrobienia. Rozmiarkryształ musiałby być bardziej przeciętny, a liczba rzekomych elektronów (lub dziur), które trzeba „wstrzyknąć” była bardzo duża, co czyniłoby go mniej użytecznym niż wzmacniacz, ponieważ wymagałby dużego prądu wtrysku. Jednak cała idea diody krystalicznej polegała na tym, aby sam kryształ mógł utrzymywać elektrony na bardzo krótkiej odległości, będąc prawie na skraju wyczerpania. Najwyraźniej kluczem było utrzymanie pinów wejściowych i wyjściowych bardzo blisko siebie na powierzchni kryształu.
Prace Brattena
Bratten rozpoczął pracę nad takim urządzeniem, a wskazówki dotyczące sukcesu wciąż pojawiały się, gdy zespół pracował nad problemem. Wynalazki to ciężka praca. Czasami system działa, ale potem pojawia się kolejna awaria. Czasami wyniki pracy Brattena zaczęły działać w wodzie niespodziewanie, najwyraźniej ze względu na jej wysoką przewodność. Elektrony w dowolnej części kryształu migrują z powodu pobliskich ładunków. Elektrony w emiterach lub „dziurach” w kolektorach gromadzą się bezpośrednio na krysztale, gdzie otrzymują przeciwny ładunek, „pływając” w powietrzu (lub wodzie). Można je jednak zepchnąć z powierzchni, nakładając niewielką ilość ładunku z dowolnego innego miejsca na krysztale. Zamiast wymagać dużej ilości wstrzykiwanych elektronów, bardzo mała liczba we właściwym miejscu na chipie zrobi to samo.
Nowe doświadczenie badaczy w pewnym stopniu pomogło rozwiązaćwcześniej napotkany problem małego obszaru kontrolnego. Zamiast dwóch oddzielnych półprzewodników połączonych wspólnym, ale niewielkim obszarem, wykorzystana zostanie jedna duża powierzchnia. Wyjścia emitera i kolektora byłyby na górze, a przewód sterujący byłby umieszczony u podstawy kryształu. Kiedy prąd został przyłożony do zacisku „bazy”, elektrony byłyby przepychane przez blok półprzewodnikowy i zbierane na odległej powierzchni. Dopóki emiter i kolektor znajdowały się bardzo blisko, musiałoby to zapewnić wystarczającą liczbę elektronów lub dziur między nimi, aby zacząć przewodzić.
Dołączanie Bray
Wczesnym świadkiem tego zjawiska był Ralph Bray, młody doktorant. Przyłączył się do prac nad tranzystorem germanowym na Uniwersytecie Purdue w listopadzie 1943 i otrzymał trudne zadanie zmierzenia rezystancji upływu styku metal-półprzewodnik. Bray znalazł wiele anomalii, takich jak wewnętrzne bariery o wysokiej odporności w niektórych próbkach germanu. Najciekawszym zjawiskiem była wyjątkowo niska rezystancja obserwowana po przyłożeniu impulsów napięciowych. Pierwsze sowieckie tranzystory zostały opracowane na podstawie tych amerykańskich rozwiązań.
Przełom
16 grudnia 1947, przy użyciu dwupunktowego styku, dokonano kontaktu z powierzchnią germanu anodowaną na dziewięćdziesiąt woltów, elektrolit został przemyty do H2O, a następnie trochę złota spadło na to plamy. Złote styki były dociskane do nagich powierzchni. Podział międzykropki miały około 4 × 10-3 cm. Jedna kropka była używana jako siatka, a druga jako płytka. Odchylenie (DC) na siatce musiało być dodatnie, aby uzyskać wzmocnienie napięcia na płytce polaryzacji około piętnastu woltów.
Wynalezienie pierwszego tranzystora
Istnieje wiele pytań związanych z historią tego cudownego mechanizmu. Niektóre z nich są czytelnikowi znajome. Na przykład: dlaczego były pierwsze tranzystory ZSRR typu PNP? Odpowiedź na to pytanie tkwi w kontynuacji całej tej historii. Bratten i H. R. Moore zademonstrowali kilku kolegom i menedżerom z Bell Labs po południu 23 grudnia 1947 r. osiągnięty wynik, dlatego ten dzień jest często określany jako data narodzin tranzystora. Tranzystor germanowy kontaktowy PNP pracował jako wzmacniacz mowy ze wzmocnieniem mocy 18. To jest odpowiedź na pytanie, dlaczego pierwsze tranzystory ZSRR były typu PNP, ponieważ zostały zakupione od Amerykanów. W 1956 roku John Bardeen, W alter Houser Bratten i William Bradford Shockley otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za badania nad półprzewodnikami i odkrycie efektu tranzystorowego.
Dwunastu osobom przypisuje się bezpośredni udział w wynalezieniu tranzystora w Bell Labs.
Pierwsze tranzystory w Europie
W tym samym czasie niektórzy europejscy naukowcy byli podekscytowani pomysłem wzmacniaczy półprzewodnikowych. W sierpniu 1948 r. niemieccy fizycy Herbert F. Matare i Heinrich Welker, którzy pracowali w Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse w Aulnay-sous-Bois we Francji złożył wniosek o patent na wzmacniacz oparty na mniejszości tego, co nazwali „tranzystorem”. Ponieważ Bell Labs nie opublikowało tranzystora do czerwca 1948, uznano, że tranzystor został opracowany niezależnie. Mataré po raz pierwszy zaobserwował efekty transkonduktancji w produkcji diod krzemowych do niemieckiego sprzętu radarowego podczas II wojny światowej. Tranzystory były produkowane komercyjnie dla francuskiej firmy telefonicznej i wojska, aw 1953 roku w stacji radiowej w Düsseldorfie zademonstrowano czterotranzystorowe radio półprzewodnikowe.
Bell Telephone Laboratories potrzebowało nazwy dla nowego wynalazku: brano pod uwagę triody półprzewodnikowe, triody stanów próbnych, triody kryształowe, triody stałe i jotatron, ale „tranzystor” wymyślony przez Johna R. Pierce'a był wyraźnym zwycięzcą głosowanie wewnętrzne (częściowo dzięki bliskości, jaką inżynierowie Bell opracowali dla przyrostka „-historyczny”).
Pierwsza na świecie komercyjna linia produkcyjna tranzystorów znajdowała się w fabryce Western Electric na Union Boulevard w Allentown w Pensylwanii. Produkcja rozpoczęła się 1 października 1951 roku z tranzystorem punktowym germanu.
Dalsze zastosowanie
Do wczesnych lat pięćdziesiątych ten tranzystor był używany we wszystkich rodzajach produkcji, ale nadal istniały poważne problemy uniemożliwiające jego szersze zastosowanie, takie jak wrażliwość na wilgoć i kruchość przewodów przymocowanych do kryształów germanu.
Shockley był często oskarżanyplagiat ze względu na to, że jego praca była bardzo zbliżona do pracy wielkiego, ale nierozpoznanego węgierskiego inżyniera. Jednak prawnicy Bell Labs szybko rozwiązali problem.
Niemniej jednak Shockley był oburzony atakami krytyków i postanowił zademonstrować, kto był prawdziwym mózgiem całej wielkiej epopei o wynalezieniu tranzystora. Zaledwie kilka miesięcy później wynalazł zupełnie nowy typ tranzystora o bardzo osobliwej „strukturze kanapkowej”. Ta nowa forma była znacznie bardziej niezawodna niż delikatny system punktowy i to właśnie ta forma została wykorzystana we wszystkich tranzystorach lat sześćdziesiątych. Wkrótce rozwinął się w aparaturę złącza bipolarnego, która stała się podstawą pierwszego tranzystora bipolarnego.
Statyczne urządzenie indukcyjne, pierwsza koncepcja tranzystora wysokiej częstotliwości, została wynaleziona przez japońskich inżynierów Jun-ichi Nishizawa i Y. Watanabe w 1950 roku i wreszcie była w stanie stworzyć eksperymentalne prototypy w 1975 roku. Był to najszybszy tranzystor w latach 80.
Kolejne opracowania obejmowały rozszerzone urządzenia sprzężone, tranzystor z barierą powierzchniową, dyfuzję, tetrodę i pentodę. Dyfuzyjny krzemowy „tranzystor mesa” został opracowany w 1955 roku w firmie Bell i dostępny na rynku w firmie Fairchild Semiconductor w 1958 roku. Przestrzeń była rodzajem tranzystora opracowanym w latach 50. XX wieku jako ulepszenie w stosunku do tranzystora z kontaktem punktowym i późniejszego tranzystora ze stopu.
W 1953 Filco opracowało pierwszą na świecie powierzchnię o wysokiej częstotliwościurządzenie barierowe, które było również pierwszym tranzystorem odpowiednim dla szybkich komputerów. Pierwsze na świecie tranzystorowe radio samochodowe, wyprodukowane przez firmę Philco w 1955, wykorzystywało w swoich obwodach tranzystory z barierą powierzchniową.
Rozwiązywanie problemów i przerabianie
Po rozwiązaniu problemów kruchości pozostał problem czystości. Wytworzenie germanu o wymaganej czystości okazało się dużym wyzwaniem i ograniczyło liczbę tranzystorów, które mogłyby faktycznie pracować z danej partii materiału. Wrażliwość na temperaturę germanu również ograniczała jego przydatność.
Naukowcy spekulowali, że krzem byłby łatwiejszy do wyprodukowania, ale niewielu zbadało tę możliwość. Morris Tanenbaum z Bell Laboratories jako pierwszy opracował działający tranzystor krzemowy 26 stycznia 1954 r. Kilka miesięcy później Gordon Teal, pracując samodzielnie w Texas Instruments, opracował podobne urządzenie. Oba te urządzenia zostały wykonane przez kontrolowanie domieszkowania pojedynczych kryształów krzemu podczas ich wzrostu ze stopionego krzemu. Wyższa metoda została opracowana przez Morrisa Tanenbauma i Calvina S. Fullera w Bell Laboratories na początku 1955 roku poprzez dyfuzję gazową zanieczyszczeń donorowych i akceptorowych do monokrystalicznych kryształów krzemu.
Tranzystory polowe
FET został po raz pierwszy opatentowany przez Julisa Edgara Lilienfelda w 1926 roku i Oskara Hale'a w 1934 roku, ale opracowano praktyczne urządzenia półprzewodnikowe (tranzystory polowe przejściowe [JFET])później, po zaobserwowaniu i wyjaśnieniu efektu tranzystora przez zespół Williama Shockleya w Bell Labs w 1947 roku, tuż po wygaśnięciu dwudziestoletniego okresu patentowego.
Pierwszym typem JFET był tranzystor indukcyjny statyczny (SIT) wynaleziony przez japońskich inżynierów Jun-ichi Nishizawa i Y. Watanabe w 1950 roku. SIT to typ JFET o krótkiej długości kanału. Półprzewodnikowy tranzystor polowy typu metal-tlenek-półprzewodnik (MOSFET), który w dużej mierze wyparł JFET i miał głęboki wpływ na rozwój elektroniki elektronicznej, został wynaleziony przez Dawn Kahng i Martina Atallę w 1959 roku.
FET mogą być urządzeniami z ładunkiem większościowym, w których prąd jest przenoszony głównie przez większość nośników, lub urządzeniami z mniejszym ładunkiem, w których prąd jest napędzany głównie przez przepływ nośników mniejszościowych. Urządzenie składa się z aktywnego kanału, przez który przepływają nośniki ładunku, elektrony lub dziury ze źródła do kanału. Zaciski źródła i spustu są połączone z półprzewodnikiem poprzez styki omowe. Przewodność kanału jest funkcją potencjału przyłożonego na zaciskach bramki i źródła. Ta zasada działania dała początek pierwszym tranzystorom pełnofalowym.
Wszystkie FET mają zaciski źródła, odpływu i bramki, które z grubsza odpowiadają emiterowi, kolektorowi i podstawie BJT. Większość FET ma czwarty terminal zwany korpusem, podstawą, uziemieniem lub podłożem. Ten czwarty zacisk służy do uruchamiania tranzystora. Rzadko zdarza się nietrywialne wykorzystanie terminali w obwodach, ale ich obecność jest istotna przy tworzeniu fizycznego układu układu scalonego. Rozmiar bramki, długość L na schemacie, to odległość między źródłem a odpływem. Szerokość to rozszerzenie tranzystora w kierunku prostopadłym do przekroju na schemacie (tj. Wejście/wyjście z ekranu). Zazwyczaj szerokość jest znacznie większa niż długość bramy. Długość bramki 1 µm ogranicza górną częstotliwość do około 5 GHz, od 0,2 do 30 GHz.
