Vem skapade den första transistorn? Den här frågan oroar många människor. Det första patentet för fälteffekttransistorprincipen lämnades in i Kanada av den österrikisk-ungerske fysikern Julius Edgar Lilienfeld den 22 oktober 1925, men Lilienfeld publicerade inga vetenskapliga artiklar om sina enheter och hans arbete ignorerades av industrin. Därmed har världens första transistor sjunkit in i historien. 1934 patenterade den tyske fysikern Dr. Oskar Heil en annan FET. Det finns inga direkta bevis för att dessa enheter byggdes, men senare arbete på 1990-talet visade att en av Lilienfelds konstruktioner fungerade som beskrivits och gav ett betydande resultat. Det är nu ett välkänt och allmänt accepterat faktum att William Shockley och hans assistent Gerald Pearson skapade fungerande versioner av apparaten från Lilienfelds patent, som naturligtvis aldrig nämndes i någon av deras senare vetenskapliga artiklar eller historiska artiklar. De första transistoriserade datorerna byggdes naturligtvis mycket senare.
Bella Lab
Bell Labs arbetade på en transistor byggd för att producera extremt rena germanium-"kristall"-mixerdioder som används i radarinstallationer som en del av frekvensmixern. Parallellt med detta projekt fanns det många andra, inklusive germaniumdiodtransistorn. Tidiga rörbaserade kretsar hade inte snabb omkopplingsförmåga, och Bell-teamet använde solid-state dioder istället. De första transistordatorerna fungerade på en liknande princip.
Ytterligare utforskning av Shockley
Efter kriget bestämde sig Shockley för att försöka bygga en triodliknande halvledarenhet. Han säkrade finansieringen och labbutrymmet och arbetade sedan på problemet med Bardeen och Bratten. John Bardeen utvecklade så småningom en ny gren av kvantmekaniken känd som ytfysik för att förklara hans tidiga misslyckanden, och dessa forskare lyckades så småningom skapa en fungerande enhet.
Nyckeln till utvecklingen av transistorn var den ytterligare förståelsen av processen för elektronmobilitet i en halvledare. Det bevisades att om det fanns något sätt att styra flödet av elektroner från sändare till samlare av denna nyupptäckta diod (upptäckt 1874, patenterad 1906), kunde en förstärkare byggas. Om du till exempel placerar kontakter på vardera sidan av en typ av kristall kommer ingen ström att flyta genom den.
Det visade sig faktiskt vara väldigt svårt att göra. Storlekenkristallen skulle behöva vara mer genomsnittlig, och antalet förmodade elektroner (eller hål) som behövde "injiceras" var mycket stort, vilket skulle göra den mindre användbar än en förstärkare eftersom den skulle kräva en stor injektionsström. Hela idén med kristalldioden var dock att själva kristallen kunde hålla elektroner på mycket kort avstånd, samtidigt som den nästan var på gränsen till utarmning. Tydligen var nyckeln att hålla ingångs- och utgångsstiften väldigt nära varandra på kristallens yta.
Brattens verk
Bratten började arbeta på en sådan enhet, och antydningar om framgång fortsatte att dyka upp när teamet arbetade med problemet. Uppfinning är hårt arbete. Ibland fungerar systemet, men sedan uppstår ett nytt fel. Ibland började resultaten av Brattens arbete oväntat fungera i vatten, uppenbarligen på grund av dess höga ledningsförmåga. Elektroner i någon del av kristallen migrerar på grund av närliggande laddningar. Elektronerna i emittrarna eller "hålen" i kollektorerna ackumulerades direkt ovanpå kristallen, där de får motsatt laddning, "svävar" i luften (eller vattnet). Men de kan tryckas bort från ytan genom att applicera en liten mängd laddning från någon annanstans på kristallen. Istället för att kräva ett stort utbud av injicerade elektroner kommer ett mycket litet antal på rätt plats på chipet att göra samma sak.
Forskarnas nya erfarenhet bidrog till viss del att lösadet tidigare påträffade problemet med ett litet kontrollområde. Istället för att behöva använda två separata halvledare sammankopplade med en gemensam men liten yta, kommer en stor yta att användas. Emitter- och kollektorutgångarna skulle vara på toppen, och kontrolltråden skulle placeras vid basen av kristallen. När en ström applicerades på "bas"-terminalen, skulle elektronerna tryckas genom halvledarblocket och samlas på den bortre ytan. Så länge som sändaren och kollektorn var mycket nära, måste detta ge tillräckligt med elektroner eller hål mellan dem för att börja leda.
Bray Joining
Ett tidigt vittne till detta fenomen var Ralph Bray, en ung doktorand. Han gick med i utvecklingen av germaniumtransistorn vid Purdue University i november 1943 och fick den svåra uppgiften att mäta läckmotståndet hos en metall-halvledarkontakt. Bray fann många anomalier, såsom interna högresistensbarriärer i vissa germaniumprover. Det mest märkliga fenomenet var det exceptionellt låga motståndet som observerades när spänningspulser applicerades. De första sovjetiska transistorerna utvecklades på basis av denna amerikanska utveckling.
Genombrott
Den 16 december 1947, med hjälp av en tvåpunktskontakt, kom kontakt med en germaniumyta anodiserad till nittio volt, elektrolyten tvättades in i H2O, och sedan lite guld föll på fläckarna. Guldkontakter pressades mot kala ytor. Uppdelning mellanprickarna var ungefär 4 × 10-3 cm. En punkt användes som ett rutnät och den andra pricken som en platta. Avvikelsen (DC) på nätet måste vara positiv för att få en spänningsförstärkning över plattförspänningen på cirka femton volt.
Uppfinnandet av den första transistorn
Det finns många frågor kopplade till historien bakom denna mirakelmekanism. En del av dem är bekanta för läsaren. Till exempel: varför var de första transistorerna av USSR PNP-typ? Svaret på denna fråga ligger i fortsättningen av hela denna historia. Bratten och H. R. Moore demonstrerade för flera kollegor och chefer på Bell Labs på eftermiddagen den 23 december 1947 det resultat de hade uppnått, varför denna dag ofta kallas transistorns födelsedatum. En PNP-kontakt germaniumtransistor fungerade som en talförstärkare med en effektförstärkning på 18. Detta är svaret på frågan varför de första transistorerna i USSR var PNP-typ, eftersom de köptes från amerikanerna. 1956 tilldelades John Bardeen, W alter Houser Bratten och William Bradford Shockley Nobelpriset i fysik för sin forskning om halvledare och upptäckten av transistoreffekten.
Tolv personer krediteras för att ha varit direkt involverade i uppfinningen av transistorn på Bell Labs.
De allra första transistorerna i Europa
Samtidigt blev vissa europeiska forskare entusiastiska över idén med halvledarförstärkare. I augusti 1948, de tyska fysikerna Herbert F. Matare och Heinrich Welker, som arbetade på Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse i Aulnay-sous-Bois, Frankrike, ansökte om patent på en förstärkare baserad på en minoritet av vad de kallade "transistor". Eftersom Bell Labs inte publicerade transistorn förrän i juni 1948, ansågs transistorn vara oberoende utvecklad. Mataré observerade först effekterna av transkonduktans i produktionen av kiseldioder för tysk radarutrustning under andra världskriget. Transistorer tillverkades kommersiellt för det franska telefonbolaget och militären, och 1953 demonstrerades en fyra-transistor solid state-radio vid en radiostation i Düsseldorf.
Bell Telephone Laboratories behövde ett namn för en ny uppfinning: Semiconductor Triode, Tried States Triode, Crystal Triode, Solid Triode och Iotatron övervägdes alla, men "transistor" myntad av John R. Pierce var den klara vinnaren av en intern omröstning (delvis tack vare den närhet som Bell-ingenjörerna utvecklat för det "-historiska" suffixet).
Världens första kommersiella transistorproduktionslinje fanns vid Western Electric-fabriken på Union Boulevard i Allentown, Pennsylvania. Produktionen började den 1 oktober 1951 med en punktkontakt germaniumtransistor.
Ytterligare ansökan
Fram till början av 1950-talet användes denna transistor i alla typer av tillverkning, men det fanns fortfarande betydande problem som förhindrade dess bredare användning, såsom känslighet för fukt och bräckligheten hos ledningar fästa vid germaniumkristaller.
Shockley anklagades ofta förplagiat på grund av att hans arbete låg mycket nära den store, men okända ungerske ingenjörens arbete. Men Bell Labs advokater löste snabbt problemet.
Icke desto mindre blev Shockley upprörd över attackerna från kritiker och bestämde sig för att visa vem som var den verkliga hjärnan i hela det stora eposet av uppfinningen av transistorn. Bara några månader senare uppfann han en helt ny typ av transistor med en mycket säregen "sandwichstruktur". Denna nya form var mycket mer tillförlitlig än det ömtåliga punktkontaktsystemet, och det var denna form som till slut användes i alla transistorer på 1960-talet. Den utvecklades snart till den bipolära kopplingsapparaten, som blev grunden för den första bipolära transistorn.
Den statiska induktionsanordningen, det första konceptet med högfrekvenstransistorn, uppfanns av de japanska ingenjörerna Jun-ichi Nishizawa och Y. Watanabe 1950 och kunde äntligen skapa experimentella prototyper 1975. Det var den snabbaste transistorn på 1980-talet.
Ytterligare utvecklingar inkluderade utökade kopplade enheter, ytbarriärtransistor, diffusion, tetrode och pentode. Diffusionskisel "mesa transistor" utvecklades 1955 på Bell och kommersiellt tillgänglig från Fairchild Semiconductor 1958. Space var en typ av transistor som utvecklades på 1950-talet som en förbättring jämfört med punktkontakttransistorn och den senare legeringstransistorn.
År 1953 utvecklade Filco världens första högfrekventa ytabarriäranordning, som också var den första transistorn som lämpade sig för höghastighetsdatorer. Världens första transistoriserade bilradio, tillverkad av Philco 1955, använde ytbarriärtransistorer i sina kretsar.
Problemlösning och omarbetning
Med lösningen av bräcklighetsproblemen kvarstod problemet med renlighet. Att producera germanium av den renhet som krävdes visade sig vara en stor utmaning och begränsade antalet transistorer som faktiskt kunde arbeta från en given sats av material. Temperaturkänsligheten hos germanium begränsade också dess användbarhet.
Forskare har spekulerat i att kisel skulle vara lättare att tillverka, men få har undersökt möjligheten. Morris Tanenbaum vid Bell Laboratories var de första som utvecklade en fungerande kiseltransistor den 26 januari 1954. Några månader senare utvecklade Gordon Teal, som arbetade på egen hand på Texas Instruments, en liknande enhet. Båda dessa enheter tillverkades genom att kontrollera dopningen av enkla kiselkristaller när de odlades från smält kisel. En högre metod utvecklades av Morris Tanenbaum och Calvin S. Fuller vid Bell Laboratories i början av 1955 genom gasdiffusion av donator- och acceptorföroreningar till enkristalliska kiselkristaller.
Fälteffekttransistorer
FET patenterades först av Julis Edgar Lilienfeld 1926 och Oskar Hale 1934, men praktiska halvledarenheter (transistor field effect transistor [JFET]) utveckladessenare, efter att transistoreffekten observerades och förklarades av William Shockleys team vid Bell Labs 1947, strax efter att den tjugoåriga patentperioden hade löpt ut.
Den första typen av JFET var den statiska induktionstransistorn (SIT) som uppfanns av de japanska ingenjörerna Jun-ichi Nishizawa och Y. Watanabe 1950. SIT är en typ av JFET med kort kanallängd. Metall-oxid-halvledarhalvledarfälteffekttransistorn (MOSFET), som till stor del ersatte JFET och djupt påverkade utvecklingen av elektronisk elektronik, uppfanns av Dawn Kahng och Martin Atalla 1959.
FET:er kan vara majoritetsladdningsanordningar, där ström till övervägande del bärs av majoritetsbärare, eller mindre laddningsbärare, där strömmen huvudsakligen drivs av minoritetsbärares flöde. Enheten består av en aktiv kanal genom vilken laddningsbärare, elektroner eller hål strömmar från källan till avloppet. Käll- och drain-anslutningarna är anslutna till halvledaren via ohmska kontakter. Kanalkonduktansen är en funktion av potentialen som appliceras över gate- och source-terminalerna. Denna funktionsprincip gav upphov till de första allvågstransistorerna.
Alla FET:er har source-, drain- och gateterminaler som ungefär motsvarar BJT:s emitter, kollektor och bas. De flesta FET:er har en fjärde terminal som kallas kropp, bas, jord eller substrat. Denna fjärde terminal tjänar till att förspänna transistorn i drift. Det är sällsynt att använda paketterminaler i kretsar utan trivial användning, men dess närvaro är viktig när man ställer upp den fysiska layouten för en integrerad krets. Storleken på grinden, längden L i diagrammet, är avståndet mellan källan och avloppet. Bredd är transistorns expansion i en riktning vinkelrät mot tvärsnittet i diagrammet (dvs in/ut ur skärmen). Vanligtvis är bredden mycket större än portens längd. En grindlängd på 1 µm begränsar den övre frekvensen till cirka 5 GHz, från 0,2 till 30 GHz.
