Ko je stvorio prvi tranzistor? Ovo pitanje zabrinjava mnoge ljude. Prvi patent za princip tranzistora sa efektom polja podnio je u Kanadi austrougarski fizičar Julius Edgar Lilienfeld 22. oktobra 1925. godine, ali Lilienfeld nije objavio nijedan naučni rad o svojim uređajima i njegov rad je ignorirala industrija. Tako je prvi tranzistor na svijetu potonuo u historiju. Godine 1934. njemački fizičar dr. Oskar Heil patentirao je još jedan FET. Ne postoje direktni dokazi da su ovi uređaji napravljeni, ali kasniji radovi 1990-ih su pokazali da je jedan od Lilienfeldovih dizajna radio kako je opisano i dao značajne rezultate. Sada 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 naučnih radova ili povijesnih članaka. Prvi tranzistorizovani kompjuteri su, naravno, napravljeni mnogo kasnije.
Bella Lab
Bell Labs je radio na tranzistoru napravljenom za proizvodnju izuzetno čistih germanijumskih "kristalnih" mikser dioda koje se koriste u radarskim instalacijama kao dio miksera frekvencije. Paralelno sa ovim projektom, postojali su mnogi drugi, uključujući germanijumski diodni tranzistor. Rana kola bazirana na cijevima nisu imala mogućnost brzog prebacivanja, a Bellov tim je umjesto toga koristio diode u čvrstom stanju. Prvi tranzistorski računari radili su na sličnom principu.
Dalje istraživanje Shockleyja
Nakon rata, Šokli je odlučio da pokuša da napravi poluprovodnički uređaj nalik triodi. Osigurao je sredstva 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 ovi naučnici su na kraju uspjeli stvoriti radni uređaj.
Ključ za razvoj tranzistora bilo je dalje razumijevanje procesa mobilnosti elektrona u poluprovodniku. Dokazano je da ako postoji neki način da se kontroliše protok elektrona od emitera do kolektora ove novootkrivene diode (otkrivena 1874, patentirana 1906), moglo bi se napraviti pojačalo. Na primjer, ako postavite kontakte na obje strane jedne vrste kristala, struja neće teći kroz njega.
U stvari, pokazalo se da je to veoma teško izvodljivo. Veličinakristal bi morao biti prosječniji, a broj navodnih elektrona (ili rupa) koje je trebalo "ubrizgati" bio je vrlo velik, što bi ga učinilo manje korisnim od pojačala jer bi zahtijevao 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 ulazni i izlazni pinovi veoma blizu jedan drugom na površini kristala.
Bratten's Works
Bratten je počeo raditi na takvom uređaju, a nagoveštaji uspjeha su nastavili da se pojavljuju dok je tim radio na problemu. Invencija je težak posao. Ponekad sistem radi, ali onda se dogodi još jedan kvar. Ponekad su rezultati Brattenovog rada počeli neočekivano djelovati u vodi, očito zbog njene visoke provodljivosti. Elektroni u bilo kojem dijelu kristala migriraju zbog obližnjih naboja. Elektroni u emiterima ili "rupama" u kolektorima akumulirani su direktno 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 će učiniti istu stvar.
Novo iskustvo istraživača donekle je pomoglo u rješavanjuranije naišli problem male kontrolne oblasti. Umjesto korištenja dva odvojena poluprovodnika povezana zajedničkom, ali malom površinom, koristit će se jedna velika površina. Izlazi emitera i kolektora bili bi na vrhu, a kontrolna žica bi bila postavljena na dnu kristala. Kada se struja primeni na "bazni" terminal, elektroni bi bili gurnuti kroz poluprovodnički blok i sakupljeni na udaljenoj površini. Sve dok su emiter i kolektor bili veoma blizu, ovo bi moralo da obezbedi dovoljno elektrona ili rupa između njih da počnu da provode.
Bray Joining
Rani svjedok ovog fenomena bio je Ralph Bray, mladi diplomirani student. Pridružio se razvoju germanijumskog tranzistora na Univerzitetu Purdue u novembru 1943. i dobio je težak zadatak da izmeri otpornost na curenje kontakta metal-poluprovodnik. Bray je pronašao mnoge anomalije, kao što su unutrašnje barijere visokog otpora u nekim uzorcima germanija. Najzanimljiviji fenomen bio je izuzetno nizak otpor uočen kada se primjenjuju naponski impulsi. Prvi sovjetski tranzistori razvijeni su na osnovu ovih američkih razvoja.
Proboj
16. decembra 1947., korištenjem kontakta u dvije tačke, ostvaren je kontakt sa površinom germanijuma anodiziranom na devedeset volti, elektrolit je ispran u H2O, a zatim nešto zlata je palo na ta mesta. Zlatni kontakti su pritisnuti na gole površine. Podjela izmeđutačke su bile oko 4 × 10-3 cm. Jedna tačka je korišćena kao mreža, a druga kao ploča. Devijacija (DC) na mreži je morala biti pozitivna da bi se dobilo pojačanje naponske snage na ploči od oko petnaest volti.
Izum prvog tranzistora
Mnoga su pitanja povezana sa istorijom ovog čudotvornog mehanizma. Neki od njih su poznati čitaocu. 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 Labs-u popodne 23. decembra 1947. rezultat koji su postigli, zbog čega se ovaj dan često naziva datumom rođenja tranzistora. PNP-kontaktni germanijumski tranzistor je radio kao govorno pojačalo sa 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 poluprovodnika i otkriće tranzistorskog efekta.
Dvanaest ljudi je zaslužno za direktno uključenje u pronalazak tranzistora u Bell Labs.
Prvi tranzistori u Evropi
U isto vrijeme, neki evropski naučnici su se oduševili idejom čvrstih pojačala. U avgustu 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 zasnovano na manjini onoga što su zvali "tranzistor". Budući da Bell Labs nije objavio tranzistor do juna 1948., smatralo se da je tranzistor nezavisno razvijen. Mataré je prvi posmatrao efekte transkonduktivnosti u proizvodnji silicijumskih dioda za nemačku radarsku opremu tokom Drugog svetskog rata. Tranzistori su komercijalno pravljeni za francusku telefonsku kompaniju i vojsku, a 1953. radio sa četiri tranzistora je demonstriran na radio stanici u Dizeldorfu.
Bell Telephone Laboratories trebalo je ime za novi izum: poluprovodnička trioda, trioda isprobanih država, kristalna trioda, čvrsta trioda i jotatron, ali "tranzistor" koji je skovao John R. Pierce bio je jasni pobjednik interno glasanje (djelimično 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 počela 1. oktobra 1951. sa germanijumskim tranzistorom sa tačkom kontakta.
Daljnja prijava
Sve do ranih 1950-ih, ovaj tranzistor se koristio u svim vrstama proizvodnje, ali su i dalje postojali značajni problemi koji su sprečavali njegovu širu upotrebu, kao što su osjetljivost na vlagu i krhkost žica pričvršćenih za kristale germanija.
Shockley je često optuženplagijat zbog činjenice da je njegov rad bio vrlo blizak djelu velikog, ali nepriznatog mađarskog inženjera. Ali advokati Bell Labsa su brzo riješili problem.
Ipak, Šokli je bio ogorčen napadima kritičara i odlučio je da pokaže ko je bio pravi mozak čitavog velikog epa pronalaska tranzistora. Samo nekoliko mjeseci kasnije, izumio je potpuno novi tip tranzistora sa vrlo osebujnom "sendvič strukturom". Ovaj novi oblik bio je mnogo pouzdaniji od krhkog sistema sa tačkastim kontaktom, i upravo je ovaj oblik na kraju korišćen u svim tranzistorima 1960-ih. Ubrzo se razvio u bipolarni spojni aparat, koji je postao osnova za prvi bipolarni tranzistor.
Uređaj za statičku 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.
Dalji razvoj uključivao je proširene spregnute uređaje, tranzistor sa površinskom barijerom, difuziju, tetrodu i pentodu. Difuzijski silicijum "mesa tranzistor" razvijen je 1955. u Bellu i komercijalno dostupan od Fairchild Semiconductor-a 1958. godine. Svemir je bio tip tranzistora koji je razvijen 1950-ih kao poboljšanje u odnosu na tranzistor sa tačkastim kontaktom i kasniji tranzistor od legure.
1953. godine, Filco je razvio prvu na svijetu visokofrekventnu površinubarijerni uređaj, koji je ujedno bio i prvi tranzistor pogodan za brze računare. Prvi tranzistorizirani auto radio na svijetu, proizveden od strane Philco 1955., koristio je tranzistore s površinskom barijerom u svom krugu.
Rješavanje problema i prerada
Sa rješavanjem problema krhkosti ostao je problem čistoće. Proizvodnja germanijuma potrebne čistoće pokazala se kao veliki izazov i ograničila je broj tranzistora koji bi zaista mogli da rade od date serije materijala. Temperaturna osjetljivost germanija je također ograničila njegovu korisnost.
Naučnici su spekulisali da bi silicijum bio lakši za proizvodnju, ali malo njih je istražilo tu mogućnost. Morris Tanenbaum iz Bell Laboratories bio je prvi koji je razvio radni silicijumski tranzistor 26. januara 1954. Nekoliko mjeseci kasnije, Gordon Teal, radeći samostalno u Texas Instruments, razvio je sličan uređaj. Oba ova uređaja napravljena su kontrolom dopinga pojedinačnih kristala silicijuma kako su uzgajani iz rastopljenog silicijuma. Višu metodu razvili su Morris Tanenbaum i Calvin S. Fuller u Bell Laboratories početkom 1955. godine gasovitom difuzijom donorskih i akceptorskih nečistoća u kristale silicijuma od jednog kristala.
Tranzistori sa efektom polja
FET su prvi patentirali Julis Edgar Lilienfeld 1926. i Oskar Hale 1934. godine, ali su razvijeni praktični poluvodički uređaji (tranzistori s prijelaznim efektom polja [JFET])kasnije, nakon što je efekat tranzistora uočio i objasnio tim Williama Shockleya u Bell Labs-u 1947. godine, neposredno nakon što je istekao dvadesetogodišnji period patentiranja.
Prvi tip JFET bio je statički indukcioni tranzistor (SIT) koji su izumili japanski inženjeri Jun-ichi Nishizawa i Y. Watanabe 1950. godine. SIT je tip JFET sa kratkom dužinom kanala. Metal-oksid-poluvodički poluprovodnički tranzistor sa efektom polja (MOSFET), koji je u velikoj mjeri zamijenio JFET i duboko utjecao na razvoj elektronske elektronike, izumili su Dawn Kahng i Martin Atalla 1959. godine.
FET-ovi mogu biti uređaji sa većinskim punjenjem, u kojima se struja prenosi pretežno od strane većinskih nosilaca, ili uređaji sa manjim nosiocima naboja, u kojima se struja pokreće prvenstveno protokom manjinskih nosilaca. Uređaj se sastoji od aktivnog kanala kroz koji nosioci naboja, elektroni ili rupe teku od izvora do kanalizacije. Izlazni i odvodni terminali su povezani na poluvodič preko omskih kontakata. Provodljivost kanala je funkcija potencijala koji se primjenjuje na terminalima gejta i izvora. Ovaj princip rada doveo je do prvih tranzistora sa svim talasima.
Svi FET-ovi imaju terminale za izvor, odvod i gejt koji otprilike odgovaraju emiteru, kolektoru i bazi BJT-a. Većina FET-ova ima četvrti terminal koji se zove tijelo, baza, uzemljenje ili supstrat. Ovaj četvrti terminal služi za pristrasnost tranzistora u rad. Rijetko je netrivijalno koristiti terminale paketa u kolima, ali njegovo prisustvo je važno pri postavljanju fizičkog izgleda integriranog kola. Veličina kapije, dužina L na 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 dužine kapije. Dužina kapije od 1 µm ograničava gornju frekvenciju na približno 5 GHz, od 0,2 do 30 GHz.
