Ki készítette az első tranzisztort? Ez a kérdés sok embert aggaszt. A térhatású tranzisztorelv első szabadalmát Julius Edgar Lilienfeld osztrák-magyar fizikus nyújtotta be Kanadában 1925. október 22-én, de Lilienfeld semmilyen tudományos közleményt nem publikált készülékeiről, és munkásságát az ipar figyelmen kívül hagyta. Így a világ első tranzisztorja a történelembe süllyedt. 1934-ben Dr. Oskar Heil német fizikus szabadalmaztatott egy másik FET-et. Nincs közvetlen bizonyíték arra, hogy ezeket az eszközöket gyártották volna, de a későbbi, az 1990-es években végzett munka azt mutatta, hogy Lilienfeld egyik terve a leírtak szerint működött, és jelentős eredményt hozott. Ma már közismert és általánosan elfogadott tény, hogy William Shockley és asszisztense, Gerald Pearson Lilienfeld szabadalmai alapján megalkották a készülék működő változatait, amelyekről természetesen soha nem tettek említést későbbi tudományos közleményeikben vagy történelmi cikkeikben. Az első tranzisztoros számítógépeket természetesen sokkal később építették.
Bella Lab
A Bell Labs egy olyan tranzisztoron dolgozott, amely rendkívül tiszta germánium „kristály” keverődiódákat gyártott, amelyeket radarberendezésekben használnak a frekvenciakeverő részeként. Ezzel a projekttel párhuzamosan sok más is volt, köztük a germánium dióda tranzisztor. A korai csőalapú áramkörök nem rendelkeztek gyors kapcsolási képességgel, és a Bell csapata szilárdtestdiódákat használt helyette. Az első tranzisztoros számítógépek hasonló elven működtek.
Shockley további felfedezése
A háború után Shockley úgy döntött, hogy megpróbál egy triódaszerű félvezető eszközt építeni. Biztosította a finanszírozást és a laborterületet, majd Bardeennel és Brattennel dolgozott a problémán. John Bardeen végül kifejlesztette a kvantummechanika új ágát, amelyet felületfizikának neveznek, hogy megmagyarázza korai kudarcait, és ezeknek a tudósoknak végül sikerült létrehozniuk egy működő eszközt.
A tranzisztor fejlesztésének kulcsa az elektronok félvezetőben való mobilitási folyamatának további megértése volt. Bebizonyosodott, hogy ha lenne valamilyen mód ennek az újonnan felfedezett (1874-ben felfedezett, 1906-ban szabadalmaztatott) diódának az emittertől a kollektorig terjedő elektronáramlásának szabályozására, akkor erősítőt lehetne építeni. Például, ha érintkezőket helyez el az egyik típusú kristály mindkét oldalára, akkor nem folyik rajta áram.
Valójában nagyon nehéznek bizonyult. A méreta kristálynak átlagosabbnak kell lennie, és a feltételezett elektronok (vagy lyukak) száma, amelyeket "injektálni" kellett, nagyon nagy, ami kevésbé lenne hasznos, mint egy erősítő, mert nagy befecskendezési áramot igényel. A kristálydióda teljes ötlete azonban az volt, hogy maga a kristály nagyon kis távolságra képes elektronokat tartani, miközben szinte a kimerülés határán van. Úgy tűnik, a kulcs az volt, hogy a bemeneti és kimeneti érintkezők nagyon közel legyenek egymáshoz a kristály felületén.
Bratten művei
Bratten elkezdett dolgozni egy ilyen eszközön, és a siker jelei továbbra is felbukkantak, miközben a csapat dolgozott a problémán. A feltalálás kemény munka. Néha a rendszer működik, de akkor újabb hiba lép fel. Néha Bratten munkájának eredményei váratlanul működni kezdtek a vízben, nyilvánvalóan a magas vezetőképesség miatt. A kristály bármely részében az elektronok a közeli töltések miatt vándorolnak. Az emitterekben vagy a kollektorokban lévő "lyukak" elektronjai közvetlenül a kristály tetején halmozódtak fel, ahol ellentétes töltést kapnak, "lebegve" a levegőben (vagy vízben). Azonban le lehet lökni a felületről, ha kis mennyiségű töltést alkalmaznak a kristály bármely más helyéről. Ahelyett, hogy nagy mennyiségű beinjektált elektronra lenne szükség, a chipen a megfelelő helyen lévő nagyon kis szám ugyanezt teszi.
A kutatók új tapasztalatai bizonyos mértékig segítettek a megoldásbanegy kis szabályozási terület korábban felmerült problémája. Ahelyett, hogy két külön félvezetőt kellene használni, amelyeket közös, de apró terület köt össze, egy nagy felületet használnak. Az emitter és a kollektor kimenetek a tetején, a vezérlővezeték pedig a kristály alján helyezkedne el. Amikor áramot vezettek az "alap" kivezetésre, az elektronok átnyomódnak a félvezető blokkon, és a távoli felületen összegyűlnek. Amíg az emitter és a kollektor nagyon közel vannak, ennek elegendő elektront vagy lyukat kell biztosítania közöttük ahhoz, hogy elkezdjenek vezetni.
Bray csatlakozik
A jelenség korai tanúja Ralph Bray, egy fiatal végzős diák volt. 1943 novemberében csatlakozott a germánium tranzisztor fejlesztéséhez a Purdue Egyetemen, és azt a nehéz feladatot kapta, hogy megmérje egy fém-félvezető érintkező szivárgási ellenállását. Bray sok anomáliát talált, például belső, nagy ellenállású gátakat egyes germánium mintákban. A legkülönösebb jelenség a feszültségimpulzusok alkalmazásakor észlelt kivételesen alacsony ellenállás volt. Az első szovjet tranzisztorokat ezen amerikai fejlesztések alapján fejlesztették ki.
Áttörés
1947. december 16-án kétpontos érintkezővel érintkezés történt egy kilencven voltra eloxált germánium felülettel, az elektrolitot H2O-ba mostuk, majd néhány arany hullott rá foltokra. Az arany érintkezőket a csupasz felületekhez nyomták. Felosztás közöttA pontok körülbelül 4 × 10-3 cm-esek voltak, az egyik pontot rácsként, a másikat pedig lemezként használták. A rács eltérésének (DC) pozitívnak kell lennie ahhoz, hogy körülbelül tizenöt voltos feszültségerősítést kapjon a lemez előfeszítésen.
Az első tranzisztor feltalálása
Sok kérdés kapcsolódik ennek a csodamechanizmusnak a történetéhez. Némelyikük ismerős az olvasó számára. Például: miért voltak a Szovjetunió első tranzisztorai PNP típusúak? A válasz erre a kérdésre az egész történet folytatásában rejlik. Bratten és H. R. Moore 1947. december 23-án délután a Bell Labs több kollégájának és vezetőjének bemutatta az általuk elért eredményt, ezért is szokták ezt a napot a tranzisztor születési dátumaként emlegetni. Beszéderősítőként egy PNP-érintkezős germánium tranzisztor működött 18-as teljesítményerősítéssel. Ez a válasz arra a kérdésre, hogy a Szovjetunió első tranzisztorai miért voltak PNP típusúak, mert az amerikaiaktól vásárolták őket. 1956-ban John Bardeen, W alter Houser Bratten és William Bradford Shockley fizikai Nobel-díjat kapott a félvezetőkkel kapcsolatos kutatásaiért és a tranzisztorhatás felfedezéséért.
Tizenkét embernek tulajdonítható, hogy közvetlenül részt vettek a Bell Labs tranzisztorjának feltalálásában.
A legelső tranzisztorok Európában
Ugyanakkor néhány európai tudóst fellelkesített a szilárdtest-erősítők ötlete. 1948 augusztusában Herbert F. Matare és Heinrich Welker német fizikusok, akik az aulnay-sous-i Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse-ban dolgoztak. Bois (Franciaország) szabadalmat kért egy olyan erősítőre, amely az általuk "tranzisztornak" nevezett kisebbségeken alapul. Mivel a Bell Labs csak 1948 júniusában adta ki a tranzisztort, a tranzisztort önálló fejlesztésűnek tekintették. Mataré először figyelte meg a transzkonduktivitás hatásait a német radarberendezések szilíciumdiódáinak gyártásában a második világháború idején. A tranzisztorokat kereskedelmi forgalomba helyezték a francia telefontársaság és a katonaság számára, és 1953-ban egy düsseldorfi rádióállomáson bemutattak egy négytranzisztoros szilárdtest-rádiót.
A Bell Telephone Laboratoriesnek nevet kellett adnia egy új találmánynak: a Semiconductor Triode, a Tried States Triode, a Crystal Triode, a Solid Triode és a Iotatron mind figyelembe vették, de a John R. Pierce által megalkotott "tranzisztor" egyértelműen nyertes volt. belső szavazás (részben a Bell mérnökei által a "-történelmi" utótaghoz kifejlesztett közelségnek köszönhetően).
A világ első kereskedelmi tranzisztor gyártósora a Western Electric gyárában volt, a Union Boulevardon, Allentownban, Pennsylvaniában. A gyártás 1951. október 1-jén kezdődött egy pontkontaktus germánium tranzisztorral.
További jelentkezés
Az 1950-es évek elejéig ezt a tranzisztort a gyártás minden típusában használták, de továbbra is jelentős problémák akadályozták szélesebb körű használatát, például a nedvességre való érzékenység és a germániumkristályokhoz rögzített vezetékek törékenysége.
Shockley-t gyakran vádolták veleplágium amiatt, hogy munkássága nagyon közel állt a nagy, de még el nem ismert magyar mérnök munkásságához. De a Bell Labs ügyvédei gyorsan megoldották a kérdést.
Mindazonáltal Shockleyt felháborították a kritikusok támadásai, és úgy döntött, hogy bemutatja, ki volt az igazi agya a tranzisztor feltalálásának egész nagy eposzának. Alig néhány hónappal később feltalált egy teljesen új típusú tranzisztort, nagyon sajátos "szendvicsszerkezettel". Ez az új forma sokkal megbízhatóbb volt, mint a törékeny pontérintkezős rendszer, és végül ezt a formát használták az 1960-as évek összes tranzisztorjában. Hamarosan a bipoláris csomóponti berendezéssé fejlődött, amely az első bipoláris tranzisztor alapja lett.
A statikus indukciós eszközt, a nagyfrekvenciás tranzisztor első koncepcióját Jun-ichi Nishizawa és Y. Watanabe japán mérnökök találták fel 1950-ben, és végül 1975-ben kísérleti prototípusokat tudott létrehozni. Ez volt a leggyorsabb tranzisztor az 1980-as években.
A további fejlesztések kiterjedtek a kiterjesztett csatolású eszközökre, a felületi gát tranzisztorra, a diffúzióra, a tetródára és a pentódára. A diffúziós szilícium "mesa tranzisztort" 1955-ben fejlesztették ki a Bellnél, és 1958-ban a Fairchild Semiconductor cégtől szerezték be. Az űr egyfajta tranzisztor volt, amelyet az 1950-es években fejlesztettek ki a pontérintkezős tranzisztorhoz és a későbbi ötvözet tranzisztorhoz képest.
1953-ban a Filco kifejlesztette a világ első nagyfrekvenciás felületétsorompó berendezés, amely egyben az első nagy sebességű számítógépekhez alkalmas tranzisztor volt. A világ első tranzisztoros autórádiója, amelyet a Philco 1955-ben gyártott, felületi gát tranzisztorokat használt az áramkörében.
Problémamegoldás és átdolgozás
A törékenység problémáinak megoldásával megmaradt a tisztaság problémája. A szükséges tisztaságú germánium előállítása komoly kihívásnak bizonyult, és korlátozta azon tranzisztorok számát, amelyek ténylegesen működni tudtak egy adott anyagtételből. A germánium hőmérséklet-érzékenysége is korlátozta hasznosságát.
A tudósok azt feltételezték, hogy a szilíciumot könnyebb lenne előállítani, de kevesen vizsgálták meg a lehetőséget. Morris Tanenbaum, a Bell Laboratories volt az első, aki 1954. január 26-án működő szilícium tranzisztort fejlesztett ki. Néhány hónappal később Gordon Teal, aki egyedül dolgozott a Texas Instrumentsnél, kifejlesztett egy hasonló eszközt. Mindkét eszközt az olvadt szilíciumból előállított szilíciumkristályok adalékolásának szabályozásával készítették. Morris Tanenbaum és Calvin S. Fuller a Bell Laboratories-tól 1955 elején fejlesztettek ki egy magasabb módszert donor és akceptor szennyeződések egykristályos szilíciumkristályokká történő gázdiffundálásával.
Mezőhatás-tranzisztorok
A FET-et először Julis Edgar Lilienfeld 1926-ban és Oskar Hale 1934-ben szabadalmaztatta, de praktikus félvezető eszközöket (átmeneti térhatású tranzisztorokat [JFET]) fejlesztettek ki.később, miután William Shockley csapata a Bell Labsnál 1947-ben megfigyelte és megmagyarázta a tranzisztorhatást, közvetlenül a húszéves szabadalmi időszak lejárta után.
A JFET első típusa a statikus indukciós tranzisztor (SIT) volt, amelyet Jun-ichi Nishizawa és Y. Watanabe japán mérnökök találtak fel 1950-ben. A SIT egy rövid csatornahosszú JFET típus. A fém-oxid-félvezető félvezető térhatású tranzisztort (MOSFET), amely nagymértékben kiszorította a JFET-et, és nagymértékben befolyásolta az elektronikus elektronika fejlődését, Dawn Kahng és Martin Atalla találta fel 1959-ben.
A FET-ek lehetnek többségi töltésű eszközök, amelyekben az áramot túlnyomórészt többségi hordozók szállítják, vagy kisebb töltéshordozó eszközök, amelyekben az áramot elsősorban a kisebbségi hordozó áramlása hajtja. A készülék egy aktív csatornából áll, amelyen keresztül töltéshordozók, elektronok vagy lyukak áramlanak a forrásból a csatornába. A forrás és a leeresztő kivezetések ohmos érintkezőkön keresztül csatlakoznak a félvezetőhöz. A csatorna vezetőképessége a kapu és a forráskapcsokon alkalmazott potenciál függvénye. Ez a működési elv hozta létre az első összhullámú tranzisztorokat.
Minden FET-nek van forrás-, leeresztő- és kaputerminálja, amelyek nagyjából megfelelnek a BJT emitterének, kollektorának és alapjának. A legtöbb FET-nek van egy negyedik terminálja, amelyet testnek, alapnak, földnek vagy hordozónak neveznek. Ez a negyedik terminál a tranzisztor üzembe helyezésére szolgál. Ritka, hogy nem triviálisan használják a csomagterminálokat az áramkörökben, de jelenléte fontos az integrált áramkörök fizikai elrendezésének beállításakor. A kapu mérete, az ábrán L hossza a forrás és a lefolyó közötti távolság. A szélesség a tranzisztor tágulása a diagramban szereplő keresztmetszetre merőleges irányban (azaz a képernyőn be/kifelé). Általában a szélesség sokkal nagyobb, mint a kapu hossza. Az 1 µm-es kapuhossz a felső frekvenciát körülbelül 5 GHz-re korlátozza, 0,2 és 30 GHz között.
