Kuka loi ensimmäisen transistorin? Tämä kysymys huolestuttaa monia ihmisiä. Ensimmäisen patentin kenttätransistoriperiaatteelle haki Kanadassa itäv altalais-unkarilainen fyysikko Julius Edgar Lilienfeld 22. lokakuuta 1925, mutta Lilienfeld ei julkaissut laitteistaan tieteellisiä artikkeleita ja teollisuus jätti huomiotta hänen työnsä. Näin ollen maailman ensimmäinen transistori on uppoutunut historiaan. Vuonna 1934 saksalainen fyysikko tohtori Oskar Heil patentoi toisen FET:n. Ei ole suoraa näyttöä näiden laitteiden rakentamisesta, mutta myöhemmät työt 1990-luvulla osoittivat, että yksi Lilienfeldin suunnitelmista toimi kuvatulla tavalla ja tuotti merkittävän tuloksen. Nyt on hyvin tunnettu ja yleisesti hyväksytty tosiasia, että William Shockley ja hänen avustajansa Gerald Pearson loivat laitteesta työversiot Lilienfeldin patenteista, joita ei tietenkään koskaan mainittu missään heidän myöhemmissä tieteellisissä kirjoissaan tai historiallisissa artikkeleissaan. Ensimmäiset transistoroidut tietokoneet rakennettiin tietysti paljon myöhemmin.
Bella Lab
Bell Labs työskenteli transistorin parissa, joka oli rakennettu tuottamaan erittäin puhdasta germaniumista "kide"sekoitindiodeja, joita käytetään tutka-asennuksissa osana taajuussekoitinta. Tämän projektin rinnalla oli monia muita, mukaan lukien germaniumdioditransistori. Varhaisissa putkipohjaisissa piireissä ei ollut nopeaa kytkentäkykyä, ja Bell-tiimi käytti sen sijaan puolijohdediodeja. Ensimmäiset transistoritietokoneet toimivat samalla periaatteella.
Shockleyn lisätutkimusta
Sodan jälkeen Shockley päätti yrittää rakentaa triodimaisen puolijohdelaitteen. Hän varmisti rahoituksen ja laboratoriotilan ja työskenteli sitten ongelman parissa Bardeenin ja Brattenin kanssa. John Bardeen kehitti lopulta uuden kvanttimekaniikan haaran, joka tunnetaan nimellä pintafysiikka selittääkseen varhaiset epäonnistumisensa, ja nämä tiedemiehet onnistuivat lopulta luomaan toimivan laitteen.
Avain transistorin kehitykseen oli elektronien liikkumisprosessin ymmärtäminen puolijohteessa. Todettiin, että jos tämän äskettäin löydetyn diodin (löydettiin 1874, patentoitu 1906) elektronien virtausta emitteristä keräilijään voitaisiin jollain tavalla ohjata, vahvistin voitaisiin rakentaa. Jos esimerkiksi asetat koskettimet yhden tyyppisen kiteen molemmille puolille, sen läpi ei kulje virtaa.
Itse asiassa se osoittautui erittäin vaikeaksi tehdä. Kokokiteen pitäisi olla keskimääräisempi, ja oletettujen elektronien (tai reikien) määrä, jotka piti "injektoida", oli erittäin suuri, mikä tekisi siitä vähemmän hyödyllisen kuin vahvistimesta, koska se vaatisi suuren ruiskutusvirran. Kuitenkin koko kidediodin idea oli, että kide itse pystyi pitämään elektroneja hyvin lyhyellä etäisyydellä, samalla kun se oli melkein ehtymisen partaalla. Ilmeisesti tärkeintä oli pitää tulo- ja lähtönastat hyvin lähellä toisiaan kiteen pinnalla.
Brattenin teokset
Bratten aloitti työskentelyn tällaisen laitteen parissa, ja vihjeitä menestyksestä ilmaantui edelleen, kun tiimi työskenteli ongelman parissa. Keksintö on kovaa työtä. Joskus järjestelmä toimii, mutta sitten tapahtuu uusi vika. Joskus Brattenin työn tulokset alkoivat toimia yllättäen vedessä, ilmeisesti sen korkean johtavuuden vuoksi. Elektronit missä tahansa kiteen osassa liikkuvat lähellä olevien varausten vuoksi. Säteilijöissä tai keräilijöiden "rei'issä" olevat elektronit kerääntyivät suoraan kiteen päälle, missä ne saavat vastakkaisen varauksen "kelluvat" ilmassa (tai vedessä). Ne voidaan kuitenkin työntää pois pinnasta kohdistamalla pieni määrä varausta mistä tahansa muu alta kiteen. Sen sijaan, että vaadittaisiin suuri määrä injektoituja elektroneja, hyvin pieni määrä oikeassa paikassa sirulla tekee saman.
Tutkijoiden uudet kokemukset auttoivat jossain määrin ratkaisemaanpienen valvonta-alueen aiemmin kohtaama ongelma. Sen sijaan, että joutuisi käyttämään kahta erillistä puolijohdetta, jotka on yhdistetty yhteisellä mutta pienellä alueella, käytetään yhtä suurta pintaa. Emitteri- ja kollektorilähdöt olisivat yläosassa ja ohjausjohto sijoitettaisiin kiteen pohjalle. Kun virta kohdistettiin "kanta"-liittimeen, elektronit työnnetään puolijohdelohkon läpi ja kerätään kaukaiselle pinnalle. Niin kauan kuin emitteri ja kollektori ovat hyvin lähellä, niiden väliin tulee olla tarpeeksi elektroneja tai reikiä, jotta ne alkaisivat johtaa.
Bray liittyy
Tämän ilmiön varhainen todistaja oli Ralph Bray, nuori jatko-opiskelija. Hän liittyi germaniumtransistorin kehittämiseen Purduen yliopistossa marraskuussa 1943 ja sai vaikean tehtävän mitata metalli-puolijohdekoskettimen vuotovastus. Bray löysi monia poikkeavuuksia, kuten sisäisiä korkearesistenssiä esteitä joistakin germaniumnäytteistä. Mielenkiintoisin ilmiö oli jännitepulsseja käytettäessä havaittu poikkeuksellisen alhainen resistanssi. Ensimmäiset Neuvostoliiton transistorit kehitettiin näiden amerikkalaisten kehitysten pohj alta.
Läpimurto
16.12.1947 kaksipistekosketinta käyttäen tehtiin kosketus germaniumpintaan, joka oli anodisoitu 90 volttiin, elektrolyytti pestiin H2O:han ja sitten hieman kultaa putosi sen kohtiin. Kultaiset koskettimet puristettiin paljaita pintoja vasten. Jako välilläpisteet olivat noin 4 × 10-3 cm Yksi piste käytettiin ruudukkona ja toinen piste levynä. Verkon poikkeaman (DC) oli oltava positiivinen, jotta jännitteen tehovahvistus levyesijännityksen yli olisi noin 15 volttia.
Ensimmäisen transistorin keksintö
Tämän ihmemekanismin historiaan liittyy monia kysymyksiä. Jotkut niistä ovat lukijalle tuttuja. Esimerkiksi: miksi ensimmäiset Neuvostoliiton PNP-tyyppiset transistorit olivat? Vastaus tähän kysymykseen on koko tämän tarinan jatkossa. Bratten ja H. R. Moore esittelivät useille kollegoille ja johtajille Bell Labsissa iltapäivällä 23. joulukuuta 1947 saavuttamansa tuloksen, minkä vuoksi tätä päivää kutsutaan usein transistorin syntymäpäiväksi. PNP-kontakti germaniumtransistori toimi puhevahvistimena tehovahvistuksella 18. Tämä on vastaus kysymykseen, miksi Neuvostoliiton ensimmäiset transistorit olivat PNP-tyyppisiä, koska ne ostettiin amerikkalaisilta. Vuonna 1956 John Bardeen, W alter Houser Bratten ja William Bradford Shockley saivat fysiikan Nobelin palkinnon puolijohteiden tutkimuksesta ja transistoriefektin löytämisestä.
Kahdentoista ihmisen arvostetaan osallistuneen suoraan transistorin keksimiseen Bell Labsissa.
Ensimmäiset transistorit Euroopassa
Samaan aikaan jotkut eurooppalaiset tiedemiehet innostuivat ajatuksesta solid-state-vahvistimista. Elokuussa 1948 saksalaiset fyysikot Herbert F. Matare ja Heinrich Welker, jotka työskentelivät Compagnie des Freins et Signaux Westinghousessa Aulnay-sous-Bois, Ranska, haki patenttia vahvistimelle, joka perustui vähemmistöön "transistoriksi". Koska Bell Labs julkaisi transistorin vasta kesäkuussa 1948, transistorin katsottiin olevan itsenäisesti kehitetty. Mataré havaitsi ensimmäisen kerran transkonduktanssin vaikutukset piidiodien valmistuksessa saksalaisille tutkalaitteistoille toisen maailmansodan aikana. Transistorit valmistettiin kaupallisesti ranskalaiselle puhelinyhtiölle ja armeijalle, ja vuonna 1953 neljän transistorin puolijohderadiota esiteltiin radioasemalla Düsseldorfissa.
Bell Telephone Laboratories tarvitsi nimen uudelle keksinnölle: Semiconductor Triode, Tried States Triode, Crystal Triode, Solid Triode ja Iotatron otettiin huomioon, mutta John R. Piercen keksimä "transistori" oli selvä voittaja sisäinen äänestys (osittain kiitos läheisyydestä, jonka Bell-insinöörit ovat kehittäneet "-historiallinen"-liitteelle).
Maailman ensimmäinen kaupallinen transistorien tuotantolinja oli Western Electricin tehtaalla Union Boulevardilla Allentownissa, Pennsylvaniassa. Tuotanto aloitettiin 1. lokakuuta 1951 pistekosketusgermaniumtransistorilla.
Lisähakemus
1950-luvun alkuun asti tätä transistoria käytettiin kaikenlaisessa valmistuksessa, mutta silti sen laajempaa käyttöä estivät merkittävät ongelmat, kuten herkkyys kosteudelle ja germaniumkiteisiin kiinnitettyjen johtojen hauraus.
Shockleya syytettiin useinplagiointi johtui siitä, että hänen työnsä oli hyvin lähellä suuren, mutta tunnustamattoman unkarilaisen insinöörin työtä. Mutta Bell Labsin asianajajat ratkaisivat asian nopeasti.
Shockley oli kuitenkin tyrmistynyt kriitikkojen hyökkäyksistä ja päätti osoittaa, kuka oli transistorin keksimisen koko suuren eeposen todellinen aivot. Vain muutamaa kuukautta myöhemmin hän keksi täysin uudentyyppisen transistorin, jolla oli hyvin erikoinen "sandwich-rakenne". Tämä uusi muoto oli paljon luotettavampi kuin hauras pistekosketusjärjestelmä, ja juuri tätä muotoa käytettiin kaikissa 1960-luvun transistoreissa. Siitä kehittyi pian bipolaarinen liitoslaite, josta tuli ensimmäisen bipolaarisen transistorin perusta.
Japanilaiset insinöörit Jun-ichi Nishizawa ja Y. Watanabe keksivät vuonna 1950 japanilaiset insinöörit Jun-ichi Nishizawa ja Y. Watanabe staattisen induktiolaitteen, ensimmäisen korkeataajuisen transistorin konseptin, ja lopulta se pystyi luomaan kokeellisia prototyyppejä vuonna 1975. Se oli nopein transistori 1980-luvulla.
Lisäkehitys sisälsi laajennetut kytketyt laitteet, pintasulkutransistori, diffuusio, tetrodi ja pentodi. Diffuusiopiin "mesatransistori" kehitettiin vuonna 1955 Bellissä ja se oli kaupallisesti saatavilla Fairchild Semiconductorilta vuonna 1958. Avaruus oli eräänlainen transistori, joka kehitettiin 1950-luvulla parannuksena pistekontaktitransistoriin ja myöhempään seostransistoriin verrattuna.
Vuonna 1953 Filco kehitti maailman ensimmäisen suurtaajuuspinnanestelaite, joka oli myös ensimmäinen nopeille tietokoneille sopiva transistori. Maailman ensimmäinen transistorisoitu autoradio, jonka Philco valmisti vuonna 1955, käytti piireissään pintasulkutransistoreja.
Ongelmanratkaisu ja uudelleenkäsittely
Haurauden ongelmien ratkaisun myötä puhtausongelma säilyi. Vaaditun puhtauden germaniumin valmistaminen osoittautui suureksi haasteeksi ja rajoitti transistorien määrää, jotka voisivat todella toimia annetusta materiaalierästä. Germaniumin lämpötilaherkkyys rajoitti myös sen käyttökelpoisuutta.
Tutkijat ovat spekuloineet, että piitä olisi helpompi valmistaa, mutta harvat ovat tutkineet mahdollisuutta. Morris Tanenbaum Bell Laboratoriesista kehitti ensimmäisenä toimivan piitransistorin 26. tammikuuta 1954. Muutamaa kuukautta myöhemmin Gordon Teal, joka työskenteli yksin Texas Instrumentsissa, kehitti samanlaisen laitteen. Molemmat laitteet valmistettiin kontrolloimalla yksittäisten piikiteiden seostusta, kun niitä kasvatettiin sulasta piistä. Morris Tanenbaum ja Calvin S. Fuller kehittivät korkeamman menetelmän Bell Laboratoriesissa vuoden 1955 alussa diffuusiosta luovuttaja- ja akseptoriepäpuhtaudet yksikiteisiksi piikiteiksi.
Kenttätehotransistorit
Julis Edgar Lilienfeld patentoi ensimmäisen kerran FETin vuonna 1926 ja Oskar Hale vuonna 1934, mutta käytännöllisiä puolijohdelaitteita (siirtymäkenttätransistorit [JFET]) kehitettiin.myöhemmin, kun William Shockleyn Bell Labsin tiimi havaitsi ja selitti transistoriefektin vuonna 1947, juuri 20 vuoden patenttiajan umpeutumisen jälkeen.
Ensimmäinen JFET-tyyppi oli japanilaisten insinöörien Jun-ichi Nishizawa ja Y. Watanabe vuonna 1950 keksimä staattinen induktiotransistori (SIT). SIT on JFET-tyyppi, jolla on lyhyt kanavapituus. Dawn Kahng ja Martin Atalla keksivät vuonna 1959 metallioksidi-puolijohdepuolijohde-kenttäefektitransistorin (MOSFET), joka suurelta osin syrjäytti JFET:n ja vaikutti syvästi elektroniikan kehitykseen.
FETit voivat olla enemmistövarauslaitteita, joissa virtaa kuljettavat pääasiassa enemmistökantaajat, tai pienemmän varauksen kantoaallon laitteita, joissa virtaa ohjaa ensisijaisesti vähemmistökantoa altovirta. Laite koostuu aktiivisesta kanavasta, jonka kautta varauksenkantajat, elektronit tai reiät virtaavat lähteestä viemäriin. Lähde- ja nieluliittimet on kytketty puolijohteeseen ohmisilla koskettimilla. Kanavan johtavuus on potentiaalin funktio, joka on kohdistettu hila- ja lähdeliittimiin. Tämä toimintaperiaate synnytti ensimmäiset all-a altotransistorit.
Kaikissa FETeissä on lähde-, nielu- ja porttiliittimet, jotka vastaavat suunnilleen BJT:n emitteriä, kollektoria ja kantaa. Useimmissa FETeissä on neljäs liitin nimeltä runko, pohja, maa tai substraatti. Tämä neljäs liitin ohjaa transistorin käyttöön. On harvinaista käyttää ei-triviaalia pakettipäätteitä piireissä, mutta sen läsnäolo on tärkeää integroidun piirin fyysistä asettelua määritettäessä. Portin koko, kaavion pituus L, on lähteen ja viemärin välinen etäisyys. Leveys on transistorin laajeneminen kaavion poikkileikkaukseen nähden kohtisuorassa suunnassa (eli näytöstä sisään/ulos). Yleensä leveys on paljon suurempi kuin portin pituus. 1 µm:n portin pituus rajoittaa ylemmän taajuuden noin 5 GHz:iin, 0,2 - 30 GHz.
