Tko je stvorio prvi tranzistor? Ovo pitanje zabrinjava mnoge ljude. Prvi patent za princip tranzistora s efektom polja podnio je u Kanadi austro-ugarski fizičar Julius Edgar Lilienfeld 22. listopada 1925., ali Lilienfeld nije objavio nikakve znanstvene radove o svojim uređajima i njegov rad je industrija ignorirala. Tako je prvi tranzistor na svijetu potonuo u povijest. Godine 1934. njemački fizičar dr. Oskar Heil patentirao je još jedan FET. Nema izravnih dokaza da su ovi uređaji napravljeni, ali kasniji rad u 1990-ima pokazao je da je jedan od Lilienfeldovih dizajna radio kako je opisano i dao značajne rezultate. Danas je dobro poznata i općeprihvaćena činjenica da su William Shockley i njegov pomoćnik Gerald Pearson stvorili radne verzije aparata iz Lilienfeldovih patenata, što, naravno, nikada nije spomenuto ni u jednom od njihovih kasnijih znanstvenih radova ili povijesnih članaka. Prva tranzistorizirana računala, naravno, izgrađena su mnogo kasnije.
Bella Lab
Bell Labs je radio na tranzistoru izgrađenom za proizvodnju izuzetno čistih germanijevih "kristalnih" dioda za miješanje koje se koriste u radarskim instalacijama kao dio miješalice frekvencije. Paralelno s ovim projektom, postojali su mnogi drugi, uključujući germanij diodni tranzistor. Rani krugovi bazirani na cijevima nisu imali mogućnost brzog prebacivanja, a Bellov tim je umjesto njih koristio diode u čvrstom stanju. Prva tranzistorska računala radila su na sličnom principu.
Daljnje istraživanje Shockleyja
Nakon rata, Shockley je odlučio pokušati izgraditi poluvodički uređaj nalik triodi. Osigurao je financiranje i laboratorijski prostor, a zatim je radio na problemu s Bardeenom i Brattenom. John Bardeen je na kraju razvio novu granu kvantne mehanike poznatu kao fizika površine kako bi objasnio svoje rane neuspjehe, a ti su znanstvenici na kraju uspjeli stvoriti radni uređaj.
Ključ razvoja tranzistora bilo je daljnje razumijevanje procesa mobilnosti elektrona u poluvodiču. Dokazano je da ako postoji neki način da se kontrolira protok elektrona od emitera do kolektora ove novootkrivene diode (otkrivena 1874., patentirana 1906.), može se izgraditi pojačalo. Na primjer, ako postavite kontakte s obje strane jedne vrste kristala, struja neće teći kroz njega.
Zapravo, pokazalo se da je to vrlo teško izvedivo. Veličinakristal bi morao biti prosječniji, a broj navodnih elektrona (ili rupa) koje je trebalo "ubrizgati" bio je vrlo velik, što bi ga činilo manje korisnim od pojačala jer bi zahtijevalo veliku struju ubrizgavanja. Međutim, cijela ideja kristalne diode bila je da sam kristal može zadržati elektrone na vrlo maloj udaljenosti, dok je gotovo na rubu iscrpljivanja. Očigledno, ključ je bio držati ulazne i izlazne igle vrlo blizu jedna drugoj na površini kristala.
Bratten's Works
Bratten je počeo raditi na takvom uređaju, a naznake uspjeha su se nastavile pojavljivati dok je tim radio na problemu. Izum je težak posao. Ponekad sustav radi, ali tada se dogodi još jedan kvar. Ponekad su rezultati Brattenovog rada neočekivano počeli djelovati u vodi, očito zbog njene visoke vodljivosti. Elektroni u bilo kojem dijelu kristala migriraju zbog obližnjih naboja. Elektroni u emiterima ili "rupama" u kolektorima nakupljaju se izravno na vrhu kristala, gdje primaju suprotan naboj, "lebdeći" u zraku (ili vodi). Međutim, mogli bi se odgurnuti s površine primjenom male količine naboja s bilo kojeg drugog mjesta na kristalu. Umjesto da zahtijeva veliku količinu ubrizganih elektrona, vrlo mali broj na pravom mjestu na čipu učinit će istu stvar.
Novo iskustvo istraživača donekle je pomoglo u rješavanjuprethodno naišli problem malog kontrolnog područja. Umjesto korištenja dva odvojena poluvodiča povezana zajedničkim, ali malim prostorom, koristit će se jedna velika površina. Izlazi emitera i kolektora bili bi na vrhu, a kontrolna žica bi bila postavljena na dnu kristala. Kada bi se struja primijenila na "bazni" terminal, elektroni bi bili gurnuti kroz poluvodički blok i skupljeni na udaljenoj površini. Sve dok su emiter i kolektor bili vrlo blizu, to bi moralo osigurati dovoljno elektrona ili rupa između njih da počnu provoditi.
Bray Joining
Rani svjedok ovog fenomena bio je Ralph Bray, mladi diplomirani student. Pridružio se razvoju germanijevog tranzistora na Sveučilištu Purdue u studenom 1943. i dobio je težak zadatak mjerenja otpornosti na curenje kontakta metal-poluvodič. Bray je pronašao mnoge anomalije, kao što su unutarnje barijere visokog otpora u nekim uzorcima germanija. Najzanimljiviji fenomen bio je iznimno nizak otpor uočen pri primjeni naponskih impulsa. Prvi sovjetski tranzistori razvijeni su na temelju ovih američkih razvoja.
Proboj
16. prosinca 1947., korištenjem kontakta u dvije točke, ostvaren je kontakt s površinom germanija anodiziranom na devedeset volti, elektrolit je ispran u H2O, a zatim nešto zlata palo je na to mjesto. Zlatni kontakti bili su pritisnuti na gole površine. Podjela izmeđutočke su bile oko 4 × 10-3 cm. Jedna točka je korištena kao mreža, a druga točka kao ploča. Devijacija (DC) na mreži mora biti pozitivna kako bi se dobilo pojačanje naponske snage na ploči od oko petnaest volti.
Izum prvog tranzistora
Mnoga su pitanja povezana s poviješću ovog čudotvornog mehanizma. Neki od njih su čitatelju poznati. Na primjer: zašto su prvi tranzistori SSSR-a bili PNP-tipa? Odgovor na ovo pitanje leži u nastavku cijele ove priče. Bratten i H. R. Moore demonstrirali su nekoliko kolega i menadžera u Bell Labsu 23. prosinca 1947. poslijepodne rezultat koji su postigli, zbog čega se ovaj dan često naziva datumom rođenja tranzistora. Germanijev tranzistor s PNP kontaktom radio je kao govorno pojačalo s pojačanjem snage od 18. Ovo je odgovor na pitanje zašto su prvi tranzistori SSSR-a bili PNP tipa, jer su kupljeni od Amerikanaca. Godine 1956., John Bardeen, W alter Houser Bratten i William Bradford Shockley dobili su Nobelovu nagradu za fiziku za svoja istraživanja poluvodiča i otkriće učinka tranzistora.
Dvanaest ljudi zaslužno je za izravno sudjelovanje u izumu tranzistora u Bell Labsu.
Prvi tranzistori u Europi
U isto vrijeme, neki su se europski znanstvenici oduševili idejom čvrstih pojačala. U kolovozu 1948. njemački fizičari Herbert F. Matare i Heinrich Welker, koji su radili u Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse u Aulnay-sous-Bois, Francuska, prijavio se za patent za pojačalo koje se temelji na manjini onoga što su zvali "tranzistor". Budući da Bell Labs nije objavio tranzistor do lipnja 1948., smatralo se da je tranzistor neovisno razvijen. Mataré je prvi promatrao učinke transkonduktivnosti u proizvodnji silikonskih dioda za njemačku radarsku opremu tijekom Drugog svjetskog rata. Tranzistori su se komercijalno proizvodili za francusku telefonsku tvrtku i vojsku, a 1953. godine na radio stanici u Düsseldorfu demonstriran je radio s četiri tranzistora.
Bell Telephone Laboratories trebao je naziv za novi izum: poluvodička trioda, trioda isprobanih država, kristalna trioda, čvrsta trioda i jotatron, ali "tranzistor" koji je skovao John R. Pierce bio je očiti pobjednik interno glasovanje (djelomično zahvaljujući blizini koje su Bell inženjeri razvili za sufiks "-historic").
Prva svjetska komercijalna proizvodna linija tranzistora bila je u tvornici Western Electric na Union Boulevardu u Allentownu, Pennsylvania. Proizvodnja je započela 1. listopada 1951. s germanijevim tranzistorom s točkastim kontaktom.
Daljnja prijava
Sve do ranih 1950-ih, ovaj tranzistor se koristio u svim vrstama proizvodnje, ali su i dalje postojali značajni problemi koji su spriječili njegovu širu upotrebu, kao što su osjetljivost na vlagu i krhkost žica pričvršćenih na kristale germanija.
Shockleyja su često optuživaliplagijat zbog činjenice da je njegov rad bio vrlo blizak djelu velikog, ali nepriznatog mađarskog inženjera. Ali odvjetnici Bell Labsa brzo su riješili problem.
Unatoč tome, Shockley je bio ogorčen napadima kritičara i odlučio je pokazati tko je bio pravi mozak cijele velike epopeje izuma tranzistora. Samo nekoliko mjeseci kasnije izumio je potpuno novi tip tranzistora s vrlo osebujnom "sendvič strukturom". Ovaj novi oblik bio je mnogo pouzdaniji od krhkog sustava točkastih kontakta, i upravo je taj oblik na kraju bio korišten u svim tranzistorima 1960-ih. Ubrzo se razvio u bipolarni spojni aparat, koji je postao osnova za prvi bipolarni tranzistor.
Uređaj za statičnu indukciju, prvi koncept visokofrekventnog tranzistora, izumili su japanski inženjeri Jun-ichi Nishizawa i Y. Watanabe 1950. godine i konačno je mogao stvoriti eksperimentalne prototipove 1975. godine. Bio je to najbrži tranzistor 1980-ih.
Daljnji razvoj uključivao je proširene spojene uređaje, tranzistor s površinskom barijerom, difuziju, tetrodu i pentodu. Difuzijski silicijski "mesa tranzistor" razvijen je 1955. u Bellu i komercijalno dostupan od Fairchild Semiconductora 1958. godine. Svemir je bila vrsta tranzistora razvijena 1950-ih kao poboljšanje u odnosu na tranzistor s točkastim kontaktom i kasniji tranzistor od legure.
1953. godine, Filco je razvio prvu na svijetu visokofrekventnu površinubarijere, koji je ujedno bio i prvi tranzistor prikladan za brza računala. Prvi tranzistorizirani auto radio na svijetu, proizveden od strane Philcoa 1955., koristio je tranzistore s površinskom barijerom u svom strujnom krugu.
Rješavanje problema i prerada
Rješenjem problema krhkosti ostao je problem čistoće. Proizvodnja germanija potrebne čistoće pokazala se velikim izazovom i ograničila je broj tranzistora koji bi stvarno mogli raditi iz dane serije materijala. Temperaturna osjetljivost germanija također je ograničila njegovu korisnost.
Znanstvenici su nagađali da bi silicij bilo lakše proizvesti, ali malo njih je istražilo tu mogućnost. Morris Tanenbaum iz Bell Laboratories prvi je razvio radni silicijski tranzistor 26. siječnja 1954. Nekoliko mjeseci kasnije, Gordon Teal, radeći samostalno u Texas Instrumentsu, razvio je sličan uređaj. Oba ova uređaja napravljena su kontroliranjem dopinga pojedinačnih kristala silicija kako su uzgajani iz rastaljenog silicija. Višu metodu razvili su Morris Tanenbaum i Calvin S. Fuller u Bell Laboratories početkom 1955. godine plinovitom difuzijom nečistoća donora i akceptora u kristale silicija od jednog kristala.
Tranzistori s efektom polja
FET su prvi patentirali Julis Edgar Lilienfeld 1926. i Oskar Hale 1934., ali su razvijeni praktični poluvodički uređaji (tranzistori s prijelaznim efektom polja [JFET])kasnije, nakon što je učinak tranzistora uočio i objasnio tim Williama Shockleyja u Bell Labsu 1947., neposredno nakon što je isteklo dvadesetogodišnje razdoblje patentiranja.
Prvi tip JFET bio je statički indukcijski tranzistor (SIT) koji su izumili japanski inženjeri Jun-ichi Nishizawa i Y. Watanabe 1950. godine. SIT je tip JFET s kratkom duljinom kanala. Metal-oksid-poluvodički poluvodički tranzistor s efektom polja (MOSFET), koji je uvelike zamijenio JFET i duboko utjecao na razvoj elektroničke elektronike, izumili su Dawn Kahng i Martin Atalla 1959.
FET-ovi mogu biti uređaji većinskog naboja, u kojima struju uglavnom prenose većinski nosioci, ili uređaji s manjim nosiocima naboja, u kojima se struja prvenstveno pokreće protokom manjinskih nositelja. Uređaj se sastoji od aktivnog kanala kroz koji nosioci naboja, elektroni ili rupe teku od izvora do kanalizacije. Stezaljke izvora i odvoda spojene su na poluvodič preko omskih kontakata. Vodljivost kanala je funkcija potencijala koji se primjenjuje na terminalima ulaza i izvora. Ovaj princip rada doveo je do nastanka prvih tranzistora svih valova.
Svi FET-ovi imaju terminale za izvor, odvod i vrata koji otprilike odgovaraju emiteru, kolektoru i bazi BJT-a. Većina FET-ova ima četvrti terminal koji se naziva tijelo, baza, uzemljenje ili supstrat. Ovaj četvrti terminal služi za preusmjeravanje tranzistora u rad. Rijetko je netrivijalno koristiti terminale paketa u krugovima, ali njegova je prisutnost važna pri postavljanju fizičkog izgleda integriranog kruga. Veličina vrata, duljina L u dijagramu, je udaljenost između izvora i odvoda. Širina je širenje tranzistora u smjeru okomitom na poprečni presjek na dijagramu (tj. unutar/van ekrana). Obično je širina mnogo veća od duljine vrata. Duljina vrata od 1 µm ograničava gornju frekvenciju na približno 5 GHz, od 0,2 do 30 GHz.
