Hvem laget den første transistoren? Dette spørsmålet bekymrer mange mennesker. Det første patentet for felteffekttransistorprinsippet ble innlevert i Canada av den østerriksk-ungarske fysikeren Julius Edgar Lilienfeld 22. oktober 1925, men Lilienfeld publiserte ingen vitenskapelige artikler om enhetene hans, og arbeidet hans ble ignorert av industrien. Dermed har verdens første transistor sunket inn i historien. I 1934 patenterte den tyske fysikeren Dr. Oskar Heil en annen FET. Det er ingen direkte bevis for at disse enhetene ble bygget, men senere arbeid på 1990-tallet viste at en av Lilienfelds design fungerte som beskrevet og ga et betydelig resultat. Det er nå et velkjent og allment akseptert faktum at William Shockley og hans assistent Gerald Pearson skapte fungerende versjoner av apparatet fra Lilienfelds patenter, som selvfølgelig aldri ble nevnt i noen av deres senere vitenskapelige artikler eller historiske artikler. De første transistoriserte datamaskinene ble selvfølgelig bygget mye senere.
Bella Lab
Bell Labs jobbet med en transistor bygget for å produsere ekstremt rene germanium "krystall"-mikserdioder brukt i radarinstallasjoner som en del av frekvensmikseren. Parallelt med dette prosjektet var det mange andre, inkludert germaniumdiodetransistoren. Tidlige rørbaserte kretser hadde ikke rask svitsjingsevne, og Bell-teamet brukte solid-state dioder i stedet. De første transistordatamaskinene fungerte etter et lignende prinsipp.
Ytterligere utforskning av Shockley
Etter krigen bestemte Shockley seg for å prøve å bygge en triode-lignende halvlederenhet. Han sikret finansieringen og laboratorieplassen, og jobbet deretter med problemet med Bardeen og Bratten. John Bardeen utviklet etter hvert en ny gren av kvantemekanikk kjent som overflatefysikk for å forklare hans tidlige feil, og disse forskerne lyktes til slutt i å lage en fungerende enhet.
Nøkkelen til utviklingen av transistoren var den videre forståelsen av prosessen med elektronmobilitet i en halvleder. Det ble bevist at hvis det var noen måte å kontrollere strømmen av elektroner fra emitter til samler av denne nyoppdagede dioden (oppdaget 1874, patentert 1906), kunne en forsterker bygges. Hvis du for eksempel plasserer kontakter på hver side av én type krystall, vil det ikke flyte strøm gjennom den.
Faktisk viste det seg å være veldig vanskelig å gjøre. Størrelsenkrystallen måtte være mer gjennomsnittlig, og antallet antatte elektroner (eller hull) som måtte "injiseres" var veldig stort, noe som ville gjøre den mindre nyttig enn en forsterker fordi den ville kreve en stor injeksjonsstrøm. Imidlertid var hele ideen med krystalldioden at krystallen i seg selv kunne holde elektroner på veldig kort avstand, mens den nesten var på randen av utarming. Tilsynelatende var nøkkelen å holde inngangs- og utgangspinnene svært nær hverandre på overflaten av krystallen.
Brattens verk
Bratten begynte å jobbe med en slik enhet, og hint om suksess fortsatte å dukke opp mens teamet jobbet med problemet. Oppfinnelse er hardt arbeid. Noen ganger fungerer systemet, men så oppstår en ny feil. Noen ganger begynte resultatene av Brattens arbeid å virke uventet i vann, tilsynelatende på grunn av dens høye ledningsevne. Elektroner i hvilken som helst del av krystallen migrerer på grunn av nærliggende ladninger. Elektronene i emitterne eller "hullene" i kollektorene samlet seg direkte på toppen av krystallen, hvor de mottar motsatt ladning, "svevende" i luften (eller vannet). Imidlertid kan de skyves av overflaten ved å bruke en liten mengde ladning fra et annet sted på krystallen. I stedet for å kreve en stor tilførsel av injiserte elektroner, vil et svært lite antall på riktig sted på brikken gjøre det samme.
Den nye erfaringen til forskere var til en viss grad med på å løsedet tidligere oppståtte problemet med et lite kontrollområde. I stedet for å måtte bruke to separate halvledere koblet sammen med et felles, men lite område, vil én stor overflate brukes. Emitter- og kollektorutgangene vil være på toppen, og kontrollledningen vil bli plassert ved bunnen av krystallen. Når en strøm ble tilført "base"-terminalen, ville elektronene bli presset gjennom halvlederblokken og samlet på den fjerne overflaten. Så lenge emitteren og solfangeren var veldig nærme, ville dette måtte gi nok elektroner eller hull mellom dem til å begynne å lede.
Bray Joining
Et tidlig vitne til dette fenomenet var Ralph Bray, en ung doktorgradsstudent. Han ble med i utviklingen av germaniumtransistoren ved Purdue University i november 1943 og fikk den vanskelige oppgaven med å måle lekkasjemotstanden til en metall-halvlederkontakt. Bray fant mange anomalier, for eksempel interne høymotstandsbarrierer i noen germaniumprøver. Det mest merkelige fenomenet var den eksepsjonelt lave motstanden som ble observert når spenningspulser ble påført. De første sovjetiske transistorene ble utviklet på grunnlag av denne amerikanske utviklingen.
Gjennombrudd
16. desember 1947, ved hjelp av en topunktskontakt, ble det tatt kontakt med en germanium-overflate anodisert til nitti volt, elektrolytten ble vasket inn i H2O, og deretter noe gull f alt på flekkene. Gullkontakter ble presset mot nakne overflater. Deling mellomprikkene var omtrent 4 × 10-3 cm. Den ene prikken ble brukt som et rutenett og den andre prikken som en plate. Avviket (DC) på nettet måtte være positivt for å få en spenningsforsterkning over plateforspenningen på omtrent femten volt.
Oppfinnelsen av den første transistoren
Det er mange spørsmål knyttet til historien til denne mirakelmekanismen. Noen av dem er kjent for leseren. For eksempel: hvorfor var de første transistorene av USSR PNP-typen? Svaret på dette spørsmålet ligger i fortsettelsen av hele denne historien. Bratten og H. R. Moore demonstrerte for flere kolleger og ledere ved Bell Labs på ettermiddagen 23. desember 1947, resultatet de hadde oppnådd, og det er derfor denne dagen ofte omtales som fødselsdatoen til transistoren. En PNP-kontakt germaniumtransistor fungerte som en taleforsterker med en effektforsterkning på 18. Dette er svaret på spørsmålet hvorfor de første transistorene i USSR var PNP-type, fordi de ble kjøpt fra amerikanerne. I 1956 ble John Bardeen, W alter Houser Bratten og William Bradford Shockley tildelt Nobelprisen i fysikk for sin forskning på halvledere og oppdagelsen av transistoreffekten.
Tolv personer er kreditert for å være direkte involvert i oppfinnelsen av transistoren ved Bell Labs.
De aller første transistorene i Europa
Samtidig ble noen europeiske forskere begeistret for ideen om solid-state forsterkere. I august 1948, de tyske fysikerne Herbert F. Matare og Heinrich Welker, som jobbet ved Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse i Aulnay-sous-Bois, Frankrike, søkte patent på en forsterker basert på et mindretall av det de k alte "transistor". Fordi Bell Labs ikke publiserte transistoren før i juni 1948, ble transistoren ansett som uavhengig utviklet. Mataré observerte først effekten av transkonduktans i produksjonen av silisiumdioder for tysk radarutstyr under andre verdenskrig. Transistorer ble kommersielt laget for det franske telefonselskapet og militæret, og i 1953 ble en fire-transistor solid state radio demonstrert på en radiostasjon i Düsseldorf.
Bell Telephone Laboratories trengte et navn for en ny oppfinnelse: Semiconductor Triode, Tried States Triode, Crystal Triode, Solid Triode og Iotatron ble alle vurdert, men "transistor" laget av John R. Pierce var den klare vinneren av en intern avstemning (delvis takket være nærheten Bell-ingeniører utviklet for det "-historiske" suffikset).
Verdens første kommersielle transistorproduksjonslinje var på Western Electric-anlegget på Union Boulevard i Allentown, Pennsylvania. Produksjonen startet 1. oktober 1951 med en punktkontakt germaniumtransistor.
Ytterligere søknad
Frem til tidlig på 1950-tallet ble denne transistoren brukt i alle typer produksjon, men det var fortsatt betydelige problemer med å hindre den bredere bruken, for eksempel følsomhet for fuktighet og skjørheten til ledninger festet til germaniumkrystaller.
Shockley ble ofte anklaget forplagiat på grunn av det faktum at hans arbeid var svært nær arbeidet til den store, men ukjente ungarske ingeniøren. Men Bell Labs-advokater løste raskt problemet.
Likevel ble Shockley rasende over angrepene fra kritikere og bestemte seg for å demonstrere hvem som var den virkelige hjernen til hele det store eposet om oppfinnelsen av transistoren. Bare noen måneder senere oppfant han en helt ny type transistor med en veldig særegen «sandwichstruktur». Denne nye formen var mye mer pålitelig enn det skjøre punktkontaktsystemet, og det var denne formen som endte opp med å bli brukt i alle transistorer på 1960-tallet. Det utviklet seg snart til det bipolare koblingsapparatet, som ble grunnlaget for den første bipolare transistoren.
Den statiske induksjonsenheten, det første konseptet med høyfrekvenstransistoren, ble oppfunnet av de japanske ingeniørene Jun-ichi Nishizawa og Y. Watanabe i 1950 og var endelig i stand til å lage eksperimentelle prototyper i 1975. Det var den raskeste transistoren på 1980-tallet.
Ytterligere utviklinger inkluderte utvidede koblede enheter, overflatebarrieretransistor, diffusjon, tetrode og pentode. Diffusjonssilisium "mesa transistor" ble utviklet i 1955 hos Bell og kommersielt tilgjengelig fra Fairchild Semiconductor i 1958. Space var en type transistor utviklet på 1950-tallet som en forbedring i forhold til punktkontakttransistoren og den senere legeringstransistoren.
I 1953 utviklet Filco verdens første høyfrekvente overflatebarriereanordning, som også var den første transistoren egnet for høyhastighetsdatamaskiner. Verdens første transistoriserte bilradio, produsert av Philco i 1955, brukte overflatebarrieretransistorer i kretsløpet.
Problemløsning og omarbeid
Med løsningen av skjørhetsproblemene gjensto problemet med renslighet. Å produsere germanium av den nødvendige renheten viste seg å være en stor utfordring og begrenset antall transistorer som faktisk kunne fungere fra en gitt gruppe med materiale. Temperaturfølsomheten til germanium begrenset også nytten.
Forskere har spekulert i at silisium ville være lettere å produsere, men få har undersøkt muligheten. Morris Tanenbaum ved Bell Laboratories var de første som utviklet en fungerende silisiumtransistor 26. januar 1954. Noen måneder senere utviklet Gordon Teal, som jobbet på egen hånd hos Texas Instruments, en lignende enhet. Begge disse enhetene ble laget ved å kontrollere dopingen av enkelt silisiumkrystaller mens de ble dyrket fra smeltet silisium. En høyere metode ble utviklet av Morris Tanenbaum og Calvin S. Fuller ved Bell Laboratories tidlig i 1955 ved gassformig diffusjon av donor- og akseptorurenheter til enkrystall silisiumkrystaller.
Felteffekttransistorer
FET ble først patentert av Julis Edgar Lilienfeld i 1926 og Oskar Hale i 1934, men praktiske halvlederenheter (overgangsfelteffekttransistorer [JFET]) ble utvikletsenere, etter at transistoreffekten ble observert og forklart av William Shockleys team ved Bell Labs i 1947, like etter at den tjue år lange patentperioden var utløpt.
Den første typen JFET var Static Induction Transistor (SIT) oppfunnet av de japanske ingeniørene Jun-ichi Nishizawa og Y. Watanabe i 1950. SIT er en type JFET med kort kanallengde. Metalloksyd-halvleder-halvleder-felteffekttransistoren (MOSFET), som i stor grad erstattet JFET og sterkt påvirket utviklingen av elektronisk elektronikk, ble oppfunnet av Dawn Kahng og Martin Atalla i 1959.
FET-er kan være majoritetsladeenheter, der strømmen hovedsakelig bæres av majoritetsbærere, eller mindre ladebærerenheter, der strømmen primært drives av minoritetsbærerstrøm. Enheten består av en aktiv kanal som ladningsbærere, elektroner eller hull strømmer gjennom fra kilden til kloakken. Kilde- og avløpsklemmene er koblet til halvlederen gjennom ohmske kontakter. Kanalledningsevnen er en funksjon av potensialet som påføres over gate- og kildeterminalene. Dette operasjonsprinsippet ga opphav til de første allbølgetransistorene.
Alle FET-er har kilde-, avløps- og gateterminaler som omtrent tilsvarer BJT-ens emitter, kollektor og base. De fleste FET-er har en fjerde terminal k alt kropp, base, jord eller substrat. Denne fjerde terminalen tjener til å forspenne transistoren i drift. Det er sjelden å gjøre ikke-triviell bruk av pakketerminaler i kretser, men dens tilstedeværelse er viktig når du setter opp den fysiske utformingen av en integrert krets. Størrelsen på porten, lengden L i diagrammet, er avstanden mellom kilden og avløpet. Bredde er ekspansjonen av transistoren i en retning vinkelrett på tverrsnittet i diagrammet (dvs. inn/ut av skjermen). Vanligvis er bredden mye større enn lengden på porten. En portlengde på 1 µm begrenser den øvre frekvensen til omtrent 5 GHz, fra 0,2 til 30 GHz.
