Cine a creat primul tranzistor? Această întrebare îngrijorează mulți oameni. Primul brevet pentru principiul tranzistorului cu efect de câmp a fost depus în Canada de către fizicianul austro-ungar Julius Edgar Lilienfeld la 22 octombrie 1925, dar Lilienfeld nu a publicat nicio lucrare științifică despre dispozitivele sale, iar munca sa a fost ignorată de industrie. Astfel, primul tranzistor din lume s-a scufundat în istorie. În 1934, fizicianul german Dr. Oskar Heil a brevetat un alt FET. Nu există dovezi directe că aceste dispozitive au fost construite, dar lucrările ulterioare din anii 1990 au arătat că unul dintre modelele lui Lilienfeld a funcționat așa cum este descris și a dat un rezultat substanțial. Acum este un fapt binecunoscut și general acceptat că William Shockley și asistentul său Gerald Pearson au creat versiuni de lucru ale aparatului din brevetele lui Lilienfeld, care, desigur, nu a fost menționat niciodată în niciuna dintre lucrările lor științifice sau articolele istorice ulterioare. Desigur, primele computere cu tranzistori au fost construite mult mai târziu.
Bella Lab
Bell Labs a lucrat la un tranzistor construit pentru a produce diode de amestecare cu „cristal” de germaniu extrem de pur utilizate în instalațiile radar ca parte a mixerului de frecvență. Paralel cu acest proiect, au existat multe altele, inclusiv tranzistorul cu diodă cu germaniu. Primele circuite bazate pe tuburi nu aveau capacitate de comutare rapidă, iar echipa Bell a folosit în schimb diode cu stare solidă. Primele calculatoare cu tranzistori au funcționat pe un principiu similar.
Explorare ulterioară a lui Shockley
După război, Shockley a decis să încerce să construiască un dispozitiv semiconductor asemănător triodei. A asigurat finanțarea și spațiul de laborator, apoi a lucrat la problema cu Bardeen și Bratten. John Bardeen a dezvoltat în cele din urmă o nouă ramură a mecanicii cuantice cunoscută sub numele de fizica suprafeței pentru a explica eșecurile sale timpurii, iar acești oameni de știință au reușit în cele din urmă să creeze un dispozitiv funcțional.
Cheia dezvoltării tranzistorului a fost înțelegerea în continuare a procesului de mobilitate a electronilor într-un semiconductor. S-a dovedit că, dacă există o modalitate de a controla fluxul de electroni de la emițător la colector al acestei diode recent descoperite (descoperită în 1874, patentată în 1906), ar putea fi construit un amplificator. De exemplu, dacă plasați contacte pe fiecare parte a unui tip de cristal, niciun curent nu va trece prin el.
De fapt, s-a dovedit a fi foarte greu de făcut. Marimeacristalul ar trebui să fie mai mediu, iar numărul de presupuși electroni (sau găuri) care trebuiau „injectați” era foarte mare, ceea ce l-ar face mai puțin util decât un amplificator deoarece ar necesita un curent de injecție mare. Cu toate acestea, întreaga idee a diodei de cristal a fost că cristalul însuși ar putea deține electroni la o distanță foarte mică, în timp ce era aproape pe punctul de a se epuiza. Aparent, cheia era să menținem pinii de intrare și de ieșire foarte aproape unul de celăl alt pe suprafața cristalului.
Opere lui Bratten
Bratten a început să lucreze la un astfel de dispozitiv, iar indicii de succes au continuat să apară pe măsură ce echipa a lucrat la problemă. Invenția este o muncă grea. Uneori sistemul funcționează, dar apoi apare o altă defecțiune. Uneori, rezultatele muncii lui Bratten au început să funcționeze în mod neașteptat în apă, aparent datorită conductivității sale ridicate. Electronii din orice parte a cristalului migrează datorită sarcinilor din apropiere. Electronii din emițători sau „găuri” din colectori s-au acumulat direct deasupra cristalului, unde primesc sarcina opusă, „plutind” în aer (sau apă). Cu toate acestea, ele ar putea fi împinse de pe suprafață prin aplicarea unei cantități mici de încărcare de oriunde altundeva pe cristal. În loc să necesite o cantitate mare de electroni injectați, un număr foarte mic în locul potrivit de pe cip va face același lucru.
Noua experiență a cercetătorilor a ajutat într-o oarecare măsură la rezolvareproblema întâlnită anterior a unei zone mici de control. În loc să fie nevoie să utilizați doi semiconductori separati conectați printr-o zonă comună, dar mică, va fi folosită o suprafață mare. Ieșirile emițătorului și colectorului ar fi în partea de sus, iar firul de control ar fi plasat la baza cristalului. Când un curent era aplicat la terminalul „bază”, electronii erau împinși prin blocul semiconductor și colectați pe suprafața îndepărtată. Atâta timp cât emițătorul și colectorul sunt foarte aproape, acesta ar trebui să furnizeze destui electroni sau găuri între ele pentru a începe să conducă.
Bray Joining
Un martor timpuriu al acestui fenomen a fost Ralph Bray, un tânăr student absolvent. Sa alăturat dezvoltării tranzistorului cu germaniu la Universitatea Purdue în noiembrie 1943 și i s-a dat sarcina dificilă de a măsura rezistența la scurgere a unui contact metal-semiconductor. Bray a găsit multe anomalii, cum ar fi bariere interne de în altă rezistență în unele mostre de germaniu. Cel mai curios fenomen a fost rezistența excepțional de scăzută observată la aplicarea impulsurilor de tensiune. Primele tranzistoare sovietice au fost dezvoltate pe baza acestor dezvoltări americane.
Renovare
16 decembrie 1947, folosind un contact în două puncte, contactul a fost realizat cu o suprafață de germaniu anodizată la nouăzeci de volți, electrolitul a fost spălat în H2O și apoi niște aur a căzut pe pete. Contactele de aur au fost presate pe suprafețele goale. Împărțirea întrepunctele erau aproximativ 4 × 10-3 cm. Un punct a fost folosit ca grilă, iar celăl alt punct ca o placă. Deviația (DC) de pe rețea trebuia să fie pozitivă pentru a obține un câștig de putere de tensiune peste polarizarea plăcii de aproximativ cincisprezece volți.
Invenția primului tranzistor
Există multe întrebări legate de istoria acestui mecanism minune. Unele dintre ele sunt familiare cititorului. De exemplu: de ce au fost primele tranzistoare ale URSS de tip PNP? Răspunsul la această întrebare constă în continuarea întregii povești. Bratten și H. R. Moore le-au demonstrat mai multor colegi și manageri de la Bell Labs în după-amiaza zilei de 23 decembrie 1947, rezultatul pe care l-au obținut, motiv pentru care această zi este adesea menționată ca data de naștere a tranzistorului. Un tranzistor de germaniu cu contact PNP a funcționat ca amplificator de vorbire cu un câștig de putere de 18. Acesta este răspunsul la întrebarea de ce primele tranzistoare ale URSS au fost de tip PNP, deoarece au fost achiziționate de la americani. În 1956, John Bardeen, W alter Houser Bratten și William Bradford Shockley au primit Premiul Nobel pentru fizică pentru cercetările lor asupra semiconductorilor și descoperirea efectului tranzistorului.
Doisprezece persoane sunt considerate implicate direct în inventarea tranzistorului la Bell Labs.
Primii tranzistori din Europa
În același timp, unii oameni de știință europeni au fost entuziasmați de ideea amplificatoarelor cu stare solidă. În august 1948, fizicienii germani Herbert F. Matare și Heinrich Welker, care lucrau la Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse din Aulnay-sous-Bois, Franța, a solicitat un brevet pentru un amplificator bazat pe o minoritate din ceea ce ei au numit „tranzistor”. Deoarece Bell Labs nu a publicat tranzistorul până în iunie 1948, tranzistorul a fost considerat dezvoltat independent. Mataré a observat pentru prima dată efectele transconductanței în producția de diode de siliciu pentru echipamentele radar germane în timpul celui de-al Doilea Război Mondial. Tranzistoarele au fost fabricate comercial pentru compania de telefonie franceză și pentru armată, iar în 1953 un radio cu patru tranzistori a fost demonstrat la o stație de radio din Düsseldorf.
Bell Telephone Laboratories aveau nevoie de un nume pentru o nouă invenție: Semiconductor Triode, Tried States Triode, Crystal Triode, Solid Triode și Iotatron au fost toate considerate, dar „tranzistorul” inventat de John R. Pierce a fost câștigătorul clar al unui vot intern (parțial datorită proximității dezvoltate de inginerii Bell pentru sufixul „-istoric”).
Prima linie comercială de producție de tranzistori din lume a fost la uzina Western Electric de pe Union Boulevard din Allentown, Pennsylvania. Producția a început la 1 octombrie 1951 cu un tranzistor cu germaniu cu contact punctual.
Cerere ulterioară
Până la începutul anilor 1950, acest tranzistor a fost folosit în toate tipurile de producție, dar au existat încă probleme semnificative care împiedicau utilizarea sa mai largă, cum ar fi sensibilitatea la umiditate și fragilitatea firelor atașate la cristalele de germaniu.
Shockley a fost adesea acuzat deplagiat datorită faptului că opera sa era foarte apropiată de opera marelui, dar nerecunoscutul inginer maghiar. Dar avocații Bell Labs au rezolvat rapid problema.
Cu toate acestea, Shockley a fost revoltat de atacurile criticilor și a decis să demonstreze cine a fost adevăratul creier al întregii epopee a invenției tranzistorului. Doar câteva luni mai târziu, el a inventat un tip complet nou de tranzistor cu o „structură sandwich” foarte particulară. Această nouă formă era mult mai fiabilă decât sistemul fragil de punct de contact și tocmai această formă a ajuns să fie folosită în toate tranzistoarele din anii 1960. Curând s-a dezvoltat în aparatul de joncțiune bipolară, care a devenit baza primului tranzistor bipolar.
Dispozitivul de inducție statică, primul concept al tranzistorului de în altă frecvență, a fost inventat de inginerii japonezi Jun-ichi Nishizawa și Y. Watanabe în 1950 și a reușit în sfârșit să creeze prototipuri experimentale în 1975. A fost cel mai rapid tranzistor din anii 1980.
Dezvoltările ulterioare au inclus dispozitive cuplate extinse, tranzistori cu barieră de suprafață, difuzie, tetrodă și pentodă. „Tranzistorul Mesa” de siliciu de difuzie a fost dezvoltat în 1955 la Bell și disponibil comercial de la Fairchild Semiconductor în 1958. Space a fost un tip de tranzistor dezvoltat în anii 1950 ca o îmbunătățire față de tranzistorul de contact punctual și tranzistorul din aliaj de mai târziu.
În 1953, Filco a dezvoltat prima suprafață de în altă frecvență din lumedispozitiv de barieră, care a fost și primul tranzistor potrivit pentru calculatoare de mare viteză. Primul radio auto cu tranzistori din lume, fabricat de Philco în 1955, a folosit tranzistori cu barieră de suprafață în circuitele sale.
Rezolvarea problemelor și reluare
Odată cu rezolvarea problemelor de fragilitate a rămas problema curățeniei. Producerea de germaniu cu puritatea necesară s-a dovedit a fi o provocare majoră și a limitat numărul de tranzistori care ar putea funcționa efectiv dintr-un anumit lot de material. Sensibilitatea la temperatură a germaniului i-a limitat, de asemenea, utilitatea.
Oamenii de știință au speculat că siliciul ar fi mai ușor de produs, dar puțini au explorat această posibilitate. Morris Tanenbaum de la Bell Laboratories a fost primul care a dezvoltat un tranzistor de siliciu funcțional pe 26 ianuarie 1954. Câteva luni mai târziu, Gordon Teal, lucrând pe cont propriu la Texas Instruments, a dezvoltat un dispozitiv similar. Ambele dispozitive au fost realizate prin controlul dopajului cristalelor de siliciu unice pe măsură ce acestea au fost crescute din siliciu topit. O metodă superioară a fost dezvoltată de Morris Tanenbaum și Calvin S. Fuller la Bell Laboratories la începutul anului 1955 prin difuzia gazoasă a impurităților donor și acceptor în cristale de siliciu monocristal.
Tranzistori cu efect de câmp
FET-ul a fost brevetat pentru prima dată de Julis Edgar Lilienfeld în 1926 și Oskar Hale în 1934, dar au fost dezvoltate dispozitive practice semiconductoare (tranzistori cu efect de câmp de tranziție [JFET])mai târziu, după ce efectul tranzistorului a fost observat și explicat de echipa lui William Shockley de la Bell Labs în 1947, imediat după expirarea perioadei de brevet de douăzeci de ani.
Primul tip de JFET a fost tranzistorul cu inducție statică (SIT) inventat de inginerii japonezi Jun-ichi Nishizawa și Y. Watanabe în 1950. SIT este un tip de JFET cu o lungime scurtă a canalului. Tranzistorul cu efect de câmp semiconductor de oxid de metal și semiconductor (MOSFET), care a înlocuit în mare măsură JFET și a influențat profund dezvoltarea electronicii electronice, a fost inventat de Dawn Kahng și Martin Atalla în 1959.
FET-urile pot fi dispozitive de încărcare majoritară, în care curentul este transportat predominant de purtători majoritari, sau dispozitive de purtător de încărcare mai mic, în care curentul este condus în principal de fluxul purtătorului minoritar. Dispozitivul constă dintr-un canal activ prin care purtătorii de sarcină, electronii sau găurile curg de la sursă la canalizare. Bornele sursă și de scurgere sunt conectate la semiconductor prin contacte ohmice. Conductanța canalului este o funcție a potențialului aplicat la bornele porții și sursei. Acest principiu de funcționare a dat naștere primelor tranzistoare cu toate undele.
Toate FET-urile au terminale de sursă, de scurgere și de poartă care corespund aproximativ emițătorului, colectorului și bazei BJT. Majoritatea FET-urilor au un al patrulea terminal numit corp, bază, masă sau substrat. Acest al patrulea terminal servește la polarizarea tranzistorului în funcțiune. Este rar să se facă o utilizare netrivială a terminalelor de pachet în circuite, dar prezența acestuia este importantă atunci când se configurează aspectul fizic al unui circuit integrat. Mărimea porții, lungimea L din diagramă, este distanța dintre sursă și scurgere. Lățimea este expansiunea tranzistorului într-o direcție perpendiculară pe secțiunea transversală din diagramă (adică în interior/în afara ecranului). De obicei, lățimea este mult mai mare decât lungimea porții. O lungime de poartă de 1 µm limitează frecvența superioară la aproximativ 5 GHz, de la 0,2 la 30 GHz.
