Kto vytvoril prvý tranzistor? Táto otázka znepokojuje veľa ľudí. Prvý patent na princíp tranzistora s efektom poľa podal v Kanade rakúsko-uhorský fyzik Julius Edgar Lilienfeld 22. októbra 1925, ale Lilienfeld nepublikoval žiadne vedecké práce o svojich zariadeniach a jeho prácu priemysel ignoroval. Do histórie sa tak zapísal prvý tranzistor na svete. V roku 1934 si nemecký fyzik Dr. Oskar Heil patentoval ďalší FET. Neexistujú žiadne priame dôkazy o tom, že tieto zariadenia boli vyrobené, ale neskoršie práce v 90. rokoch ukázali, že jeden z Lilienfeldových návrhov fungoval tak, ako je popísaný, a priniesol významný výsledok. Dnes je už všeobecne známym a všeobecne akceptovaným faktom, že William Shockley a jeho asistent Gerald Pearson vytvorili pracovné verzie prístroja z Lilienfeldových patentov, čo, samozrejme, nikdy nebolo spomenuté v žiadnej z ich neskorších vedeckých prác alebo historických článkov. Prvé tranzistorové počítače, samozrejme, boli postavené oveľa neskôr.
Bella Lab
Bell Labs pracovali na tranzistore postavenom na výrobu extrémne čistých germániových „kryštálových“zmiešavacích diód používaných v radarových inštaláciách ako súčasť frekvenčného zmiešavača. Paralelne s týmto projektom existovalo mnoho ďalších, vrátane tranzistora s germániovou diódou. Skoré elektrónkové obvody nemali schopnosť rýchleho prepínania a tím Bell namiesto toho používal polovodičové diódy. Prvé tranzistorové počítače fungovali na podobnom princípe.
Ďalší prieskum Shockley
Po vojne sa Shockley rozhodol, že skúsi zostrojiť polovodičové zariadenie podobné trióde. Zabezpečil financovanie a priestor v laboratóriu a potom pracoval na probléme s Bardeenom a Brattenom. John Bardeen nakoniec vyvinul nové odvetvie kvantovej mechaniky známe ako fyzika povrchu, aby vysvetlil svoje skoré zlyhania, a týmto vedcom sa nakoniec podarilo vytvoriť fungujúce zariadenie.
Kľúčom k vývoju tranzistora bolo ďalšie pochopenie procesu mobility elektrónov v polovodiči. Bolo dokázané, že ak by existoval nejaký spôsob, ako riadiť tok elektrónov od žiariča ku kolektoru tejto novoobjavenej diódy (objavená v roku 1874, patentovaná v roku 1906), mohol by sa postaviť zosilňovač. Napríklad, ak umiestnite kontakty na obe strany jedného typu kryštálu, nebude cez ne tiecť žiadny prúd.
V skutočnosti sa to ukázalo ako veľmi ťažké. Veľkosťkryštál by musel byť priemernejší a počet predpokladaných elektrónov (alebo dier), ktoré bolo potrebné "vstreknúť", bol veľmi veľký, čo by ho robilo menej užitočným ako zosilňovač, pretože by vyžadoval veľký vstrekovací prúd. Celá myšlienka kryštálovej diódy však spočívala v tom, že samotný kryštál môže držať elektróny na veľmi krátku vzdialenosť, pričom je takmer na pokraji vyčerpania. Zjavne bolo kľúčové, aby boli vstupné a výstupné kolíky na povrchu kryštálu veľmi blízko seba.
Bratten's Works
Bratten začal na takomto zariadení pracovať a náznaky úspechu sa neustále objavovali, keď tím pracoval na probléme. Vynález je tvrdá práca. Niekedy systém funguje, ale potom dôjde k ďalšiemu zlyhaniu. Niekedy výsledky Brattenovej práce začali vo vode pôsobiť nečakane, zrejme kvôli jej vysokej vodivosti. Elektróny v ktorejkoľvek časti kryštálu migrujú v dôsledku blízkych nábojov. Elektróny v žiaričoch alebo „otvoroch“v kolektoroch sa nahromadili priamo na vrchu kryštálu, kde dostávajú opačný náboj, „plávajúce“vo vzduchu (alebo vo vode). Mohli by sa však odtlačiť z povrchu aplikáciou malého množstva náboja odkiaľkoľvek inde na kryštál. Namiesto toho, aby sa vyžadovala veľká zásoba vstreknutých elektrónov, veľmi malý počet na správnom mieste na čipe urobí to isté.
Nová skúsenosť výskumníkov do určitej miery pomohla vyriešiťpredtým sa vyskytoval problém malej kontrolnej oblasti. Namiesto toho, aby ste museli použiť dva samostatné polovodiče spojené spoločnou, ale malou plochou, použije sa jedna veľká plocha. Výstupy žiariča a kolektora by boli navrchu a ovládací vodič by bol umiestnený na základni kryštálu. Keď sa na "základnú" svorku aplikuje prúd, elektróny budú pretlačené cez polovodičový blok a zhromaždené na vzdialenom povrchu. Pokiaľ by boli emitor a kolektor veľmi blízko, muselo by to medzi nimi poskytnúť dostatok elektrónov alebo dier, aby mohli začať viesť.
Bray Joining
Prvým svedkom tohto fenoménu bol Ralph Bray, mladý postgraduálny študent. V novembri 1943 sa zapojil do vývoja germániového tranzistora na Purdue University a dostal neľahkú úlohu zmerať zvodový odpor kontaktu kov-polovodič. Bray našiel v niektorých vzorkách germánia veľa anomálií, ako napríklad vnútorné bariéry s vysokým odporom. Najkurióznejším javom bol výnimočne nízky odpor pozorovaný pri aplikácii napäťových impulzov. Prvé sovietske tranzistory boli vyvinuté na základe tohto amerického vývoja.
Prelomový
16. decembra 1947 sa pomocou dvojbodového kontaktu uskutočnil kontakt s povrchom germánia eloxovaným na deväťdesiat voltov, elektrolyt sa premyl do H2O a potom padlo na to nejaké zlato. Zlaté kontakty boli pritlačené na holé povrchy. Delenie medzibodky boli asi 4 × 10-3 cm. Jedna bodka bola použitá ako mriežka a druhá bodka ako doska. Odchýlka (DC) na sieti musela byť kladná, aby sa získalo napäťové výkonové zosilnenie na doske asi pätnásť voltov.
Vynález prvého tranzistora
S históriou tohto zázračného mechanizmu je spojených veľa otázok. Niektoré z nich sú čitateľom známe. Napríklad: prečo boli prvé tranzistory ZSSR typu PNP? Odpoveď na túto otázku spočíva v pokračovaní celého tohto príbehu. Bratten a H. R. Moore predviedli 23. decembra 1947 popoludní niekoľkým kolegom a manažérom v Bellových laboratóriách výsledok, ktorý dosiahli, a preto sa tento deň často označuje ako dátum narodenia tranzistora. Ako zosilňovač reči fungoval kontaktný PNP germániový tranzistor s výkonom 18. Toto je odpoveď na otázku, prečo boli prvé tranzistory ZSSR typu PNP, pretože boli zakúpené od Američanov. V roku 1956 dostali John Bardeen, W alter Houser Bratten a William Bradford Shockley Nobelovu cenu za fyziku za výskum polovodičov a objav tranzistorového javu.
Dvanástim ľuďom sa pripisuje zásluha za to, že sa priamo podieľali na vynáleze tranzistora v Bell Labs.
Úplne prvé tranzistory v Európe
V tom istom čase sa niektorí európski vedci nadchli myšlienkou polovodičových zosilňovačov. V auguste 1948 nemeckí fyzici Herbert F. Matare a Heinrich Welker, ktorí pracovali v Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse v Aulnay-sous-Bois, Francúzsko, požiadalo o patent na zosilňovač založený na menšine toho, čo nazývali "tranzistor". Pretože Bell Labs publikoval tranzistor až v júni 1948, tranzistor bol považovaný za nezávisle vyvinutý. Mataré prvýkrát pozoroval účinky transkonduktancie pri výrobe kremíkových diód pre nemecké radarové zariadenia počas druhej svetovej vojny. Tranzistory boli komerčne vyrábané pre francúzsku telefónnu spoločnosť a armádu a v roku 1953 bolo na rozhlasovej stanici v Düsseldorfe predvedené štvortranzistorové polovodičové rádio.
Bell Telephone Laboratories potrebovali názov pre nový vynález: zvažovali sa polovodičová trióda, trióda Tried States, kryštálová trióda, pevná trióda a iotatron, ale „tranzistor“, ktorý vytvoril John R. Pierce, bol jasným víťazom interné hlasovanie (čiastočne vďaka blízkosti, ktorú vyvinuli inžinieri Bell pre príponu „-historický“).
Prvá komerčná výrobná linka tranzistorov na svete bola v závode Western Electric na Union Boulevard v Allentowne v Pensylvánii. Výroba začala 1. októbra 1951 s germániovým tranzistorom s bodovým kontaktom.
Ďalšia prihláška
Až do začiatku 50. rokov 20. storočia sa tento tranzistor používal vo všetkých typoch výroby, no stále existovali značné problémy, ktoré bránili jeho širšiemu použitiu, ako napríklad citlivosť na vlhkosť a krehkosť drôtov pripojených ku kryštálom germánia.
Shockley bol často obviňovanýplagiát z toho dôvodu, že jeho dielo bolo veľmi blízke dielu veľkého, no neuznávaného maďarského inžiniera. Právnici Bell Labs však problém rýchlo vyriešili.
Napriek tomu bol Shockley útokmi kritikov pobúrený a rozhodol sa ukázať, kto bol skutočným mozgom celého veľkého eposu o vynáleze tranzistora. Len o pár mesiacov neskôr vynašiel úplne nový typ tranzistora s veľmi zvláštnou „sendvičovou štruktúrou“. Táto nová forma bola oveľa spoľahlivejšia ako krehký bodový kontaktný systém a bola to práve táto forma, ktorá sa nakoniec používala vo všetkých tranzistoroch 60. rokov. Čoskoro sa vyvinul do bipolárneho spojovacieho aparátu, ktorý sa stal základom pre prvý bipolárny tranzistor.
Statické indukčné zariadenie, prvý koncept vysokofrekvenčného tranzistora, vynašli japonskí inžinieri Jun-ichi Nishizawa a Y. Watanabe v roku 1950 a v roku 1975 bol konečne schopný vytvoriť experimentálne prototypy. V osemdesiatych rokoch to bol najrýchlejší tranzistor.
Ďalší vývoj zahŕňal rozšírené spojené zariadenia, tranzistor s povrchovou bariérou, difúziu, tetrodu a pentódu. Difúzny kremíkový „mesa tranzistor“bol vyvinutý v roku 1955 v Bell a komerčne dostupný od Fairchild Semiconductor v roku 1958. Space bol typ tranzistora vyvinutý v 50-tych rokoch minulého storočia ako vylepšenie oproti bodovému kontaktnému tranzistoru a neskoršiemu zliatinovému tranzistoru.
V roku 1953 spoločnosť Filco vyvinula prvý vysokofrekvenčný povrch na svetebariérové zariadenie, ktoré bolo zároveň prvým tranzistorom vhodným pre vysokorýchlostné počítače. Prvé tranzistorové autorádio na svete, vyrobené spoločnosťou Philco v roku 1955, používalo vo svojich obvodoch tranzistory s povrchovou bariérou.
Riešenie problémov a prepracovanie
Pri riešení problémov krehkosti ostal problém čistoty. Výroba germánia požadovanej čistoty sa ukázala ako veľká výzva a obmedzila počet tranzistorov, ktoré by mohli skutočne pracovať z danej šarže materiálu. Teplotná citlivosť germánia tiež obmedzovala jeho užitočnosť.
Vedci špekulovali, že výroba kremíka by bola jednoduchšia, no len málokto túto možnosť preskúmal. Morris Tanenbaum z Bell Laboratories ako prvý vyvinul funkčný kremíkový tranzistor 26. januára 1954. O niekoľko mesiacov neskôr, Gordon Teal, pracujúci samostatne v Texas Instruments, vyvinul podobné zariadenie. Obe tieto zariadenia boli vyrobené riadením dopovania jednotlivých kremíkových kryštálov, keď boli pestované z roztaveného kremíka. Vyššiu metódu vyvinuli Morris Tanenbaum a Calvin S. Fuller v Bellových laboratóriách začiatkom roku 1955 plynnou difúziou donorových a akceptorových nečistôt do monokryštálov kremíka.
tranzistory s efektom poľa
FET prvýkrát patentovali Julis Edgar Lilienfeld v roku 1926 a Oskar Hale v roku 1934, ale boli vyvinuté praktické polovodičové zariadenia (tranzistory s efektom prechodového poľa [JFET]).neskôr, po tom, čo tím Williama Shockleyho v Bellových laboratóriách v roku 1947 pozoroval a vysvetlil tranzistorový efekt, hneď po uplynutí dvadsaťročného patentového obdobia.
Prvým typom JFET bol statický indukčný tranzistor (SIT), ktorý vynašli japonskí inžinieri Jun-ichi Nishizawa a Y. Watanabe v roku 1950. SIT je typ JFET s krátkou dĺžkou kanála. Metal-oxid-semiconductor semiconductor field-effect tranzistor (MOSFET), ktorý do značnej miery nahradil JFET a hlboko ovplyvnil vývoj elektronickej elektroniky, vynašli Dawn Kahng a Martin Atalla v roku 1959.
FET môžu byť väčšinové nabíjacie zariadenia, v ktorých je prúd prenášaný prevažne väčšinovými nosičmi, alebo zariadenia s menšími nosičmi náboja, v ktorých je prúd poháňaný predovšetkým tokom menšinových nosičov. Zariadenie pozostáva z aktívneho kanála, cez ktorý prúdia nosiče náboja, elektróny alebo otvory zo zdroja do kanalizácie. Svorky zdroja a odtoku sú pripojené k polovodiču cez ohmické kontakty. Vodivosť kanála je funkciou potenciálu aplikovaného cez hradlové a zdrojové terminály. Tento princíp činnosti viedol k vzniku prvých celovlnových tranzistorov.
Všetky FETy majú zdrojové, odtokové a hradlové terminály, ktoré zhruba zodpovedajú vysielaču, kolektoru a základni BJT. Väčšina FETov má štvrtý terminál nazývaný telo, základňa, zem alebo substrát. Tento štvrtý terminál slúži na predpätie tranzistora do prevádzky. Zriedkavo sa netriviálne používajú svorky obalu v obvodoch, ale ich prítomnosť je dôležitá pri nastavovaní fyzického usporiadania integrovaného obvodu. Veľkosť brány, dĺžka L v diagrame, je vzdialenosť medzi zdrojom a odtokom. Šírka je rozšírenie tranzistora v smere kolmom na prierez v diagrame (t. j. dovnútra/von z obrazovky). Zvyčajne je šírka oveľa väčšia ako dĺžka brány. Dĺžka brány 1 µm obmedzuje hornú frekvenciu približne na 5 GHz, od 0,2 do 30 GHz.
