Ποιος δημιούργησε το πρώτο τρανζίστορ; Αυτή η ερώτηση ανησυχεί πολύ κόσμο. Το πρώτο δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για την αρχή του τρανζίστορ φαινομένου πεδίου κατατέθηκε στον Καναδά από τον Αυστρο-Ούγγρο φυσικό Julius Edgar Lilienfeld στις 22 Οκτωβρίου 1925, αλλά ο Lilienfeld δεν δημοσίευσε καμία επιστημονική εργασία στις συσκευές του και η δουλειά του αγνοήθηκε από τη βιομηχανία. Έτσι, το πρώτο τρανζίστορ στον κόσμο έχει βυθιστεί στην ιστορία. Το 1934, ο Γερμανός φυσικός Dr. Oskar Heil κατοχύρωσε ένα άλλο FET. Δεν υπάρχουν άμεσες ενδείξεις ότι αυτές οι συσκευές κατασκευάστηκαν, αλλά μεταγενέστερη εργασία στη δεκαετία του 1990 έδειξε ότι ένα από τα σχέδια του Lilienfeld λειτούργησε όπως περιγράφεται και απέδωσε ένα ουσιαστικό αποτέλεσμα. Είναι πλέον γνωστό και γενικά αποδεκτό γεγονός ότι ο William Shockley και ο βοηθός του Gerald Pearson δημιούργησαν λειτουργικές εκδόσεις της συσκευής από τις πατέντες του Lilienfeld, οι οποίες, φυσικά, δεν αναφέρθηκαν ποτέ σε καμία από τις μεταγενέστερες επιστημονικές εργασίες ή ιστορικά άρθρα τους. Οι πρώτοι υπολογιστές με τρανζίστορ, φυσικά, κατασκευάστηκαν πολύ αργότερα.
Bella Lab
Η Bell Labs εργάστηκε σε ένα τρανζίστορ που κατασκευάστηκε για την παραγωγή διόδων μίκτη «κρυστάλλου» εξαιρετικά καθαρού γερμανίου που χρησιμοποιούνται σε εγκαταστάσεις ραντάρ ως μέρος του μείκτη συχνοτήτων. Παράλληλα με αυτό το έργο, υπήρχαν πολλά άλλα, συμπεριλαμβανομένου του τρανζίστορ διόδου γερμανίου. Τα πρώιμα κυκλώματα που βασίζονταν σε σωλήνες δεν είχαν δυνατότητα γρήγορης μεταγωγής και η ομάδα Bell χρησιμοποίησε αντ' αυτού διόδους στερεάς κατάστασης. Οι πρώτοι υπολογιστές τρανζίστορ λειτουργούσαν με παρόμοια αρχή.
Περαιτέρω εξερεύνηση του Shockley
Μετά τον πόλεμο, ο Shockley αποφάσισε να προσπαθήσει να κατασκευάσει μια συσκευή ημιαγωγών που μοιάζει με τρίοδο. Εξασφάλισε τη χρηματοδότηση και τον εργαστηριακό χώρο και στη συνέχεια εργάστηκε για το πρόβλημα με τον Bardeen και τον Bratten. Ο John Bardeen τελικά ανέπτυξε έναν νέο κλάδο της κβαντικής μηχανικής, γνωστό ως επιφανειακή φυσική για να εξηγήσει τις πρώιμες αποτυχίες του, και αυτοί οι επιστήμονες κατάφεραν τελικά να δημιουργήσουν μια λειτουργική συσκευή.
Το κλειδί για την ανάπτυξη του τρανζίστορ ήταν η περαιτέρω κατανόηση της διαδικασίας της κινητικότητας των ηλεκτρονίων σε έναν ημιαγωγό. Αποδείχθηκε ότι εάν υπήρχε κάποιος τρόπος να ελεγχθεί η ροή των ηλεκτρονίων από τον πομπό στον συλλέκτη αυτής της διόδου που ανακαλύφθηκε πρόσφατα (ανακαλύφθηκε το 1874, κατοχυρώθηκε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας το 1906), θα μπορούσε να κατασκευαστεί ένας ενισχυτής. Για παράδειγμα, εάν τοποθετήσετε επαφές σε κάθε πλευρά ενός τύπου κρυστάλλου, δεν θα ρέει ρεύμα μέσω αυτού.
Στην πραγματικότητα, αποδείχτηκε πολύ δύσκολο να γίνει. Το μέγεθοςο κρύσταλλος θα έπρεπε να είναι πιο μέσος και ο αριθμός των υποτιθέμενων ηλεκτρονίων (ή οπών) που χρειαζόταν να "έγχυση" ήταν πολύ μεγάλος, γεγονός που θα τον καθιστούσε λιγότερο χρήσιμο από έναν ενισχυτή επειδή θα απαιτούσε μεγάλο ρεύμα έγχυσης. Ωστόσο, η όλη ιδέα της κρυσταλλικής διόδου ήταν ότι ο ίδιος ο κρύσταλλος μπορούσε να κρατήσει ηλεκτρόνια σε πολύ μικρή απόσταση, ενώ ήταν σχεδόν στα πρόθυρα της εξάντλησης. Προφανώς, το κλειδί ήταν να διατηρηθούν οι ακίδες εισόδου και εξόδου πολύ κοντά η μία στην άλλη στην επιφάνεια του κρυστάλλου.
Bratten's Works
Ο Bratten άρχισε να εργάζεται σε μια τέτοια συσκευή και οι υπαινιγμοί επιτυχίας συνέχισαν να εμφανίζονται καθώς η ομάδα εργαζόταν για το πρόβλημα. Η εφεύρεση είναι σκληρή δουλειά. Μερικές φορές το σύστημα λειτουργεί, αλλά στη συνέχεια παρουσιάζεται μια άλλη αποτυχία. Μερικές φορές τα αποτελέσματα της δουλειάς του Bratten άρχισαν να λειτουργούν απροσδόκητα στο νερό, προφανώς λόγω της υψηλής αγωγιμότητάς του. Τα ηλεκτρόνια σε οποιοδήποτε μέρος του κρυστάλλου μεταναστεύουν λόγω γειτονικών φορτίων. Τα ηλεκτρόνια στους εκπομπούς ή τις «τρύπες» στους συλλέκτες συσσωρεύονται απευθείας στην κορυφή του κρυστάλλου, όπου δέχονται το αντίθετο φορτίο, «επιπλέοντας» στον αέρα (ή στο νερό). Ωστόσο, θα μπορούσαν να ωθηθούν από την επιφάνεια εφαρμόζοντας μια μικρή ποσότητα φόρτισης από οπουδήποτε αλλού στον κρύσταλλο. Αντί να απαιτείται μεγάλη παροχή ηλεκτρονίων με έγχυση, ένας πολύ μικρός αριθμός στη σωστή θέση στο τσιπ θα κάνει το ίδιο πράγμα.
Η νέα εμπειρία των ερευνητών σε κάποιο βαθμό βοήθησε στην επίλυσητο πρόβλημα που αντιμετωπίστηκε προηγουμένως μιας μικρής περιοχής ελέγχου. Αντί να χρειάζεται να χρησιμοποιείτε δύο ξεχωριστούς ημιαγωγούς που συνδέονται με μια κοινή αλλά μικροσκοπική περιοχή, θα χρησιμοποιηθεί μια μεγάλη επιφάνεια. Οι έξοδοι του εκπομπού και του συλλέκτη θα βρίσκονται στην κορυφή και το σύρμα ελέγχου θα τοποθετείται στη βάση του κρυστάλλου. Όταν εφαρμοζόταν ρεύμα στο τερματικό της «βάσης», τα ηλεκτρόνια θα ωθούσαν μέσα από το μπλοκ ημιαγωγών και θα συλλέγονταν στην μακρινή επιφάνεια. Εφόσον ο πομπός και ο συλλέκτης ήταν πολύ κοντά, αυτό θα έπρεπε να παρέχει αρκετά ηλεκτρόνια ή οπές μεταξύ τους για να αρχίσουν να αγώγουν.
Bray Joining
Πρώτος μάρτυρας αυτού του φαινομένου ήταν ο Ralph Bray, ένας νεαρός μεταπτυχιακός φοιτητής. Συμμετείχε στην ανάπτυξη του τρανζίστορ γερμανίου στο Πανεπιστήμιο Purdue τον Νοέμβριο του 1943 και του δόθηκε το δύσκολο έργο να μετρήσει την αντίσταση διαρροής μιας επαφής μετάλλου-ημιαγωγού. Ο Bray βρήκε πολλές ανωμαλίες, όπως εσωτερικά φράγματα υψηλής αντοχής σε ορισμένα δείγματα γερμανίου. Το πιο περίεργο φαινόμενο ήταν η εξαιρετικά χαμηλή αντίσταση που παρατηρήθηκε όταν εφαρμόστηκαν παλμοί τάσης. Τα πρώτα σοβιετικά τρανζίστορ αναπτύχθηκαν με βάση αυτές τις αμερικανικές εξελίξεις.
Ανακάλυψις
16 Δεκεμβρίου 1947, χρησιμοποιώντας μια επαφή δύο σημείων, έγινε επαφή με επιφάνεια γερμανίου ανοδιωμένη στα ενενήντα βολτ, ο ηλεκτρολύτης πλύθηκε σε H2O και στη συνέχεια λίγο χρυσάφι έπεσε πάνω του κηλίδες. Οι χρυσές επαφές πιέζονταν πάνω σε γυμνές επιφάνειες. Διαίρεση μεταξύοι κουκκίδες ήταν περίπου 4 × 10-3 εκ. Η μία κουκκίδα χρησιμοποιήθηκε ως πλέγμα και η άλλη ως πλάκα. Η απόκλιση (DC) στο δίκτυο έπρεπε να είναι θετική για να ληφθεί ένα κέρδος ισχύος τάσης κατά μήκος της πόλωσης της πλάκας περίπου δεκαπέντε βολτ.
Εφεύρεση του πρώτου τρανζίστορ
Υπάρχουν πολλά ερωτήματα που συνδέονται με την ιστορία αυτού του θαυματουργού μηχανισμού. Μερικά από αυτά είναι γνωστά στον αναγνώστη. Για παράδειγμα: γιατί τα πρώτα τρανζίστορ της ΕΣΣΔ ήταν τύπου PNP; Η απάντηση σε αυτό το ερώτημα βρίσκεται στη συνέχεια όλης αυτής της ιστορίας. Οι Bratten και H. R. Moore έδειξαν σε αρκετούς συναδέλφους και διευθυντές στα Bell Labs το απόγευμα της 23ης Δεκεμβρίου 1947, το αποτέλεσμα που είχαν επιτύχει, γι' αυτό η ημέρα αυτή αναφέρεται συχνά ως η ημερομηνία γέννησης του τρανζίστορ. Ένα τρανζίστορ γερμανίου επαφής PNP λειτούργησε ως ενισχυτής ομιλίας με απολαβή ισχύος 18. Αυτή είναι η απάντηση στο ερώτημα γιατί τα πρώτα τρανζίστορ της ΕΣΣΔ ήταν τύπου PNP, επειδή αγοράστηκαν από τους Αμερικανούς. Το 1956, οι John Bardeen, W alter Houser Bratten και William Bradford Shockley τιμήθηκαν με το Νόμπελ Φυσικής για την έρευνά τους στους ημιαγωγούς και την ανακάλυψη του φαινομένου του τρανζίστορ.
Δώδεκα άτομα πιστώνονται ότι συμμετείχαν άμεσα στην εφεύρεση του τρανζίστορ στα Bell Labs.
Τα πρώτα τρανζίστορ στην Ευρώπη
Ταυτόχρονα, ορισμένοι Ευρωπαίοι επιστήμονες ενθουσιάστηκαν με την ιδέα των ενισχυτών στερεάς κατάστασης. Τον Αύγουστο του 1948, οι Γερμανοί φυσικοί Herbert F. Matare και Heinrich Welker, οι οποίοι εργάστηκαν στο Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse στο Aulnay-sous-Ο Bois, Γαλλία, υπέβαλε αίτηση για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για έναν ενισχυτή που βασίζεται σε μια μειοψηφία αυτού που αποκαλούσαν "τρανζίστορ". Επειδή η Bell Labs δεν δημοσίευσε το τρανζίστορ μέχρι τον Ιούνιο του 1948, το τρανζίστορ θεωρήθηκε ότι αναπτύχθηκε ανεξάρτητα. Ο Mataré παρατήρησε για πρώτη φορά τα αποτελέσματα της διαγωγιμότητας στην παραγωγή διόδων πυριτίου για γερμανικό εξοπλισμό ραντάρ κατά τη διάρκεια του Β 'Παγκοσμίου Πολέμου. Τα τρανζίστορ κατασκευάστηκαν εμπορικά για τη γαλλική τηλεφωνική εταιρεία και τον στρατό και το 1953 παρουσιάστηκε ένα ραδιόφωνο στερεάς κατάστασης με τέσσερα τρανζίστορ σε έναν ραδιοφωνικό σταθμό στο Ντίσελντορφ.
Τα εργαστήρια τηλεφώνων Bell χρειάζονταν ένα όνομα για μια νέα εφεύρεση: Το Semiconductor Triode, Tried States Triode, Crystal Triode, Solid Triode και Iotatron ελήφθησαν υπόψη, αλλά το "τρανζίστορ" που επινοήθηκε από τον John R. Pierce ήταν ο ξεκάθαρος νικητής ενός εσωτερική ψηφοφορία (εν μέρει χάρη στην εγγύτητα που ανέπτυξαν οι μηχανικοί της Bell για το επίθημα "-historic").
Η πρώτη εμπορική γραμμή παραγωγής τρανζίστορ στον κόσμο ήταν στο εργοστάσιο της Western Electric στη Union Boulevard στο Allentown της Πενσυλβάνια. Η παραγωγή ξεκίνησε την 1η Οκτωβρίου 1951 με ένα τρανζίστορ γερμανίου επαφής σημείου.
Περαιτέρω αίτηση
Μέχρι τις αρχές της δεκαετίας του 1950, αυτό το τρανζίστορ χρησιμοποιήθηκε σε όλους τους τύπους κατασκευής, αλλά εξακολουθούσαν να υπάρχουν σημαντικά προβλήματα που εμποδίζουν την ευρύτερη χρήση του, όπως η ευαισθησία στην υγρασία και η ευθραυστότητα των συρμάτων που συνδέονται με τους κρυστάλλους γερμανίου.
Το Shockley κατηγορήθηκε συχνά γιαλογοκλοπή λόγω του γεγονότος ότι το έργο του ήταν πολύ κοντά στο έργο του μεγάλου, αλλά μη αναγνωρισμένου Ούγγρου μηχανικού. Αλλά οι δικηγόροι της Bell Labs έλυσαν γρήγορα το ζήτημα.
Παρόλα αυτά, ο Σόκλεϊ εξοργίστηκε από τις επιθέσεις των κριτικών και αποφάσισε να αποδείξει ποιος ήταν ο πραγματικός εγκέφαλος ολόκληρου του μεγάλου έπους της εφεύρεσης του τρανζίστορ. Μόλις λίγους μήνες αργότερα, εφηύρε ένα εντελώς νέο τύπο τρανζίστορ με μια πολύ περίεργη «δομή σάντουιτς». Αυτή η νέα μορφή ήταν πολύ πιο αξιόπιστη από το εύθραυστο σύστημα σημείου επαφής και ήταν αυτή η μορφή που κατέληξε να χρησιμοποιηθεί σε όλα τα τρανζίστορ της δεκαετίας του 1960. Σύντομα εξελίχθηκε στη συσκευή διπολικής διασταύρωσης, η οποία έγινε η βάση για το πρώτο διπολικό τρανζίστορ.
Η συσκευή στατικής επαγωγής, η πρώτη ιδέα του τρανζίστορ υψηλής συχνότητας, εφευρέθηκε από τους Ιάπωνες μηχανικούς Jun-ichi Nishizawa και Y. Watanabe το 1950 και τελικά μπόρεσε να δημιουργήσει πειραματικά πρωτότυπα το 1975. Ήταν το ταχύτερο τρανζίστορ τη δεκαετία του 1980.
Περαιτέρω εξελίξεις περιελάμβαναν συσκευές εκτεταμένης σύζευξης, τρανζίστορ φραγμού επιφάνειας, διάχυση, τετρόδιο και πεντόδιο. Το "mesa transistor" πυριτίου διάχυσης αναπτύχθηκε το 1955 στο Bell και διατίθεται στο εμπόριο από την Fairchild Semiconductor το 1958. Το Space ήταν ένας τύπος τρανζίστορ που αναπτύχθηκε τη δεκαετία του 1950 ως βελτίωση σε σχέση με το τρανζίστορ επαφής σημείου και το μεταγενέστερο τρανζίστορ κράματος.
Το 1953, η Filco ανέπτυξε την πρώτη επιφάνεια υψηλής συχνότητας στον κόσμοσυσκευή φραγμού, η οποία ήταν επίσης το πρώτο τρανζίστορ κατάλληλο για υπολογιστές υψηλής ταχύτητας. Το πρώτο ραδιόφωνο αυτοκινήτου με τρανζίστορ στον κόσμο, που κατασκευάστηκε από τη Philco το 1955, χρησιμοποίησε τρανζίστορ φραγμού επιφάνειας στα κυκλώματά του.
Επίλυση προβλημάτων και επανάληψη
Με την επίλυση των προβλημάτων ευθραυστότητας, το πρόβλημα της καθαριότητας παρέμεινε. Η παραγωγή γερμανίου της απαιτούμενης καθαρότητας αποδείχθηκε μεγάλη πρόκληση και περιόρισε τον αριθμό των τρανζίστορ που θα μπορούσαν πραγματικά να λειτουργήσουν από μια δεδομένη παρτίδα υλικού. Η ευαισθησία του γερμανίου στη θερμοκρασία περιόρισε επίσης τη χρησιμότητά του.
Επιστήμονες εικάζουν ότι το πυρίτιο θα ήταν ευκολότερο να κατασκευαστεί, αλλά λίγοι έχουν εξερευνήσει την πιθανότητα. Ο Morris Tanenbaum στα Bell Laboratories ήταν ο πρώτος που ανέπτυξε ένα λειτουργικό τρανζίστορ πυριτίου στις 26 Ιανουαρίου 1954. Λίγους μήνες αργότερα, ο Gordon Teal, δουλεύοντας μόνος του στην Texas Instruments, ανέπτυξε μια παρόμοια συσκευή. Και οι δύο αυτές συσκευές κατασκευάστηκαν ελέγχοντας το ντόπινγκ απλών κρυστάλλων πυριτίου καθώς αναπτύχθηκαν από τηγμένο πυρίτιο. Μια ανώτερη μέθοδος αναπτύχθηκε από τους Morris Tanenbaum και Calvin S. Fuller στα Bell Laboratories στις αρχές του 1955 με αέρια διάχυση ακαθαρσιών δότη και δέκτη σε κρυστάλλους μονοκρυστάλλου πυριτίου.
Τρανζίστορ εφέ πεδίου
Το FET κατοχυρώθηκε για πρώτη φορά από τον Julis Edgar Lilienfeld το 1926 και τον Oskar Hale το 1934, αλλά αναπτύχθηκαν πρακτικές συσκευές ημιαγωγών (transition field effect transistors [JFET]).αργότερα, αφού το φαινόμενο τρανζίστορ παρατηρήθηκε και εξηγήθηκε από την ομάδα του William Shockley στα Bell Labs το 1947, αμέσως μετά τη λήξη της εικοσαετούς περιόδου διπλώματος ευρεσιτεχνίας.
Ο πρώτος τύπος JFET ήταν το Στατικό Τρανζίστορ Επαγωγής (SIT) που εφευρέθηκε από τους Ιάπωνες μηχανικούς Jun-ichi Nishizawa και Y. Watanabe το 1950. Το SIT είναι ένας τύπος JFET με μικρό μήκος καναλιού. Το τρανζίστορ πεδίου ημιαγωγού ημιαγωγού μετάλλου-οξειδίου (MOSFET), το οποίο αντικατέστησε σε μεγάλο βαθμό το JFET και επηρέασε βαθιά την ανάπτυξη των ηλεκτρονικών, εφευρέθηκε από τους Dawn Kahng και Martin Atalla το 1959.
Τα FET μπορεί να είναι συσκευές πλειοψηφικής φόρτισης, στις οποίες το ρεύμα μεταφέρεται κυρίως από φορείς της πλειοψηφίας, ή συσκευές μικρότερου φορέα φόρτισης, στις οποίες το ρεύμα οδηγείται κυρίως από τη μειοψηφική ροή φορέα. Η συσκευή αποτελείται από ένα ενεργό κανάλι μέσω του οποίου ρέουν φορείς φορτίου, ηλεκτρόνια ή οπές από την πηγή προς την αποχέτευση. Οι ακροδέκτες πηγής και αποστράγγισης συνδέονται με τον ημιαγωγό μέσω ωμικών επαφών. Η αγωγιμότητα του καναλιού είναι συνάρτηση του δυναμικού που εφαρμόζεται στους ακροδέκτες της πύλης και της πηγής. Αυτή η αρχή λειτουργίας προκάλεσε τα πρώτα τρανζίστορ όλων των κυμάτων.
Όλα τα FET διαθέτουν ακροδέκτες πηγής, αποστράγγισης και πύλης που αντιστοιχούν κατά προσέγγιση στον εκπομπό, τον συλλέκτη και τη βάση του BJT. Τα περισσότερα FET έχουν ένα τέταρτο τερματικό που ονομάζεται σώμα, βάση, γείωση ή υπόστρωμα. Αυτό το τέταρτο τερματικό χρησιμεύει για να ωθήσει το τρανζίστορ σε λειτουργία. Είναι σπάνιο να κάνετε μη τετριμμένη χρήση τερματικών πακέτων σε κυκλώματα, αλλά η παρουσία τους είναι σημαντική κατά τη ρύθμιση της φυσικής διάταξης ενός ολοκληρωμένου κυκλώματος. Το μέγεθος της πύλης, το μήκος L στο διάγραμμα, είναι η απόσταση μεταξύ της πηγής και της αποχέτευσης. Το πλάτος είναι η διαστολή του τρανζίστορ σε κατεύθυνση κάθετη στη διατομή στο διάγραμμα (δηλαδή μέσα/έξω από την οθόνη). Συνήθως το πλάτος είναι πολύ μεγαλύτερο από το μήκος της πύλης. Ένα μήκος πύλης 1 μm περιορίζει την ανώτερη συχνότητα σε περίπου 5 GHz, από 0,2 έως 30 GHz.
