Kas sukūrė pirmąjį tranzistorių? Šis klausimas kelia nerimą daugeliui žmonių. Pirmąjį lauko efekto tranzistoriaus principo patentą 1925 m. spalio 22 d. Kanadoje pateikė Austrijos-Vengrijos fizikas Julius Edgaras Lilienfeldas, tačiau Lilienfeldas nepaskelbė jokių mokslinių darbų apie savo prietaisus ir pramonė ignoravo jo darbą. Taigi pirmasis pasaulyje tranzistorius nugrimzdo į istoriją. 1934 m. vokiečių fizikas daktaras Oskaras Heilas užpatentavo kitą FET. Nėra tiesioginių įrodymų, kad šie įrenginiai buvo sukurti, tačiau vėlesnis darbas 1990-aisiais parodė, kad vienas iš Lilienfeldo projektų veikė taip, kaip aprašyta, ir davė reikšmingų rezultatų. Dabar gerai žinomas ir visuotinai priimtas faktas, kad William Shockley ir jo padėjėjas Geraldas Pearsonas sukūrė darbines aparato versijas pagal Lilienfeldo patentus, kurie, žinoma, niekada nebuvo paminėti jokiuose vėlesniuose jų moksliniuose straipsniuose ar istoriniuose straipsniuose. Pirmieji tranzistoriniai kompiuteriai, žinoma, buvo sukurti daug vėliau.
Bella Lab
Bell Labs sukūrė tranzistorių, sukurtą ypač gryno germanio „kristaliniams“maišytuvų diodams, naudojamiems radaro įrenginiuose kaip dažnio maišytuvo dalis, gaminti. Lygiagrečiai su šiuo projektu buvo daug kitų, įskaitant germanio diodo tranzistorių. Ankstyvosios vamzdžių grandinės neturėjo greito perjungimo galimybių, o Bell komanda naudojo kietojo kūno diodus. Pirmieji tranzistoriniai kompiuteriai veikė panašiu principu.
Tolesnis Shockley tyrinėjimas
Po karo Shockley nusprendė pabandyti sukurti į triodą panašų puslaidininkinį įrenginį. Jis užsitikrino finansavimą ir laboratorijos patalpas, o vėliau dirbo su Bardeenu ir Brattenu. Johnas Bardeenas galiausiai sukūrė naują kvantinės mechanikos šaką, vadinamą paviršiaus fizika, kad paaiškintų savo ankstyvąsias nesėkmes, ir šiems mokslininkams galiausiai pavyko sukurti veikiantį įrenginį.
Raktas kuriant tranzistorių buvo tolesnis elektronų judėjimo puslaidininkyje proceso supratimas. Buvo įrodyta, kad jei būtų koks nors būdas kontroliuoti šio naujai atrasto diodo (atrasta 1874 m., patentuota 1906 m.) elektronų srautą nuo emiterio iki kolektoriaus, būtų galima pastatyti stiprintuvą. Pavyzdžiui, jei įdėsite kontaktus abiejose vieno tipo kristalo pusėse, srovė per jį netekės.
Tiesą sakant, tai padaryti buvo labai sunku. Dydiskristalas turėtų būti labiau vidutinis, o tariamų elektronų (arba skylių), kuriuos reikia "įleisti" skaičius buvo labai didelis, todėl jis būtų mažiau naudingas nei stiprintuvas, nes jam reikės didelės įpurškimo srovės. Tačiau visa kristalinio diodo idėja buvo ta, kad pats kristalas gali laikyti elektronus labai nedideliu atstumu, o tuo pačiu yra beveik ant išeikvojimo ribos. Matyt, svarbiausia buvo laikyti įvesties ir išvesties kaiščius labai arti vienas kito kristalo paviršiuje.
Brateno darbai
Bratten pradėjo dirbti su tokiu įrenginiu, o užuominos apie sėkmę ir toliau sklandė, kai komanda sprendė problemą. Išradimas yra sunkus darbas. Kartais sistema veikia, bet tada įvyksta kitas gedimas. Kartais Bratteno darbo rezultatai netikėtai imdavo veikti vandenyje, matyt, dėl didelio laidumo. Elektronai bet kurioje kristalo dalyje migruoja dėl netoliese esančių krūvių. Elektronai emiteriuose arba kolektorių „skylėse“susikaupė tiesiai ant kristalo viršaus, kur gauna priešingą krūvį, „plaukiojantį“ore (arba vandenyje). Tačiau juos galima nustumti nuo paviršiaus pritaikius nedidelį krūvį iš bet kurios kristalo vietos. Užuot reikalavęs daug įpuršktų elektronų, labai mažas skaičius tinkamoje lusto vietoje padarys tą patį.
Nauja mokslininkų patirtis tam tikru mastu padėjo išspręstianksčiau iškilusi nedidelės valdymo zonos problema. Vietoj to, kad tektų naudoti du atskirus puslaidininkius, sujungtus bendru, bet mažu plotu, bus naudojamas vienas didelis paviršius. Emiterio ir kolektoriaus išėjimai būtų viršuje, o valdymo laidas būtų kristalo apačioje. Kai srovė buvo nukreipta į "bazinį" gnybtą, elektronai būtų stumiami per puslaidininkinį bloką ir surinkti tolimame paviršiuje. Kol emiteris ir kolektorius yra labai arti, tarp jų turi būti pakankamai elektronų arba skylių, kad jie pradėtų laidumą.
Bray prisijungia
Ankstyvas šio reiškinio liudininkas buvo Ralphas Bray, jaunas abiturientas. Jis prisijungė prie germanio tranzistoriaus kūrimo Purdue universitete 1943 m. lapkritį ir gavo sunkią užduotį išmatuoti metalo ir puslaidininkio kontakto atsparumą nuotėkiui. Bray rado daug anomalijų, pavyzdžiui, vidinių didelio atsparumo barjerų kai kuriuose germanio mėginiuose. Įdomiausias reiškinys buvo išskirtinai mažas pasipriešinimas, pastebėtas taikant įtampos impulsus. Pirmieji sovietiniai tranzistoriai buvo sukurti remiantis šiais Amerikos pokyčiais.
Proveržis
1947 m. gruodžio 16 d., naudojant dviejų taškų kontaktą, buvo kontaktuojamas su germanio paviršiumi, anoduotu iki devyniasdešimt voltų, elektrolitas buvo išplautas į H2O ir tada šiek tiek aukso nukrito ant jo dėmių. Auksiniai kontaktai buvo prispausti prie plikų paviršių. Skirstymas tarptaškai buvo apie 4 × 10-3 cm. Vienas taškas buvo naudojamas kaip tinklelis, o kitas kaip plokštelė. Nuokrypis (DC) tinkle turėjo būti teigiamas, kad plokštės poslinkio įtampa padidėtų maždaug penkiolika voltų.
Pirmojo tranzistoriaus išradimas
Yra daug klausimų, susijusių su šio stebuklingo mechanizmo istorija. Kai kurie iš jų yra žinomi skaitytojui. Pavyzdžiui: kodėl pirmieji SSRS PNP tranzistoriai buvo? Atsakymas į šį klausimą slypi visos šios istorijos tęsinyje. Brattenas ir H. R. Moore'as keliems kolegoms ir vadovams „Bell Labs“1947 m. gruodžio 23 d. popietę pademonstravo savo pasiektą rezultatą, todėl ši diena dažnai vadinama tranzistoriaus gimimo data. PNP kontaktinis germanio tranzistorius veikė kaip kalbos stiprintuvas, kurio galios padidėjimas buvo 18. Tai atsakymas į klausimą, kodėl pirmieji SSRS tranzistoriai buvo PNP tipo, nes buvo pirkti iš amerikiečių. 1956 m. Johnas Bardeenas, W alteris Houseris Brattenas ir Williamas Bradfordas Shockley buvo apdovanoti Nobelio fizikos premija už puslaidininkių tyrimus ir tranzistoriaus efekto atradimą.
Dvylika žmonių yra tiesiogiai prisidėję prie „Bell Labs“tranzistoriaus išradimo.
Patys pirmieji tranzistoriai Europoje
Tuo pačiu metu kai kurie Europos mokslininkai susižavėjo kietojo kūno stiprintuvų idėja. 1948 m. rugpjūčio mėn. vokiečių fizikai Herbertas F. Matare'as ir Heinrichas Welkeris, dirbę Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse, Aulnay-sous-Boisas (Prancūzija) pateikė paraišką patentuoti stiprintuvą, pagrįstą mažuma to, ką jie vadino „tranzistoriumi“. Kadangi Bell Labs paskelbė tranzistorių tik 1948 m. birželio mėn., Tranzistorius buvo laikomas savarankiškai sukurtu. Mataré pirmą kartą pastebėjo translaidumo poveikį gaminant silicio diodus vokiečių radarų įrangai Antrojo pasaulinio karo metais. Tranzistoriai buvo komerciškai pagaminti Prancūzijos telefonų kompanijai ir kariuomenei, o 1953 m. Diuseldorfo radijo stotyje buvo parodytas keturių tranzistorių kietojo kūno radijas.
Bell Telephone Laboratories reikėjo pavadinimo naujam išradimui: puslaidininkinis triodas, išbandytų būsenų triodas, kristalinis triodas, kietasis triodas ir jotatronas buvo svarstomi, tačiau Johno R. Pierce'o sukurtas "tranzistorius" buvo aiškus nugalėtojas. vidinis balsavimas (iš dalies dėl artumo, kurį Bell inžinieriai sukūrė priesagai „-istorinis“).
Pirmoji pasaulyje komercinė tranzistorių gamybos linija buvo „Western Electric“gamykloje Union Boulevard mieste Alentaune, Pensilvanijoje. 1951 m. spalio 1 d. pradėta gaminti taškinio kontaktinio germanio tranzistorius.
Tolimesnė paraiška
Iki šeštojo dešimtmečio pradžios šis tranzistorius buvo naudojamas visų tipų gamyboje, tačiau vis dar buvo didelių problemų, trukdančių jį naudoti plačiau, pvz., jautrumas drėgmei ir laidų, pritvirtintų prie germanio kristalų, trapumas.
Shockley dažnai buvo k altinamasplagiatas dėl to, kad jo darbas buvo labai artimas didžiojo, bet nepripažinto vengrų inžinieriaus darbui. Tačiau „Bell Labs“advokatai greitai išsprendė problemą.
Vis dėlto Shockley pasipiktino kritikų išpuoliais ir nusprendė parodyti, kas buvo tikrosios visos didžiosios tranzistoriaus išradimo epo smegenys. Vos po kelių mėnesių jis išrado visiškai naujo tipo tranzistorius su labai savita „sumuštinių struktūra“. Ši nauja forma buvo daug patikimesnė nei trapi taškinio kontakto sistema, ir būtent ši forma buvo naudojama visuose septintojo dešimtmečio tranzistoriuose. Netrukus jis išsivystė į dvipolio jungties aparatą, kuris tapo pirmojo dvipolio tranzistoriaus pagrindu.
Statinės indukcijos įtaisą, pirmąją aukšto dažnio tranzistoriaus koncepciją, 1950 m. išrado japonų inžinieriai Jun-ichi Nishizawa ir Y. Watanabe, o 1975 m. jam pagaliau pavyko sukurti eksperimentinius prototipus. Tai buvo greičiausias tranzistorius devintajame dešimtmetyje.
Tolesni patobulinimai apėmė išplėstinius prijungtus įrenginius, paviršiaus barjerinį tranzistorių, difuziją, tetrodą ir pentodą. Difuzinis silicio „mesa tranzistorius“buvo sukurtas 1955 m. Bell ir buvo parduodamas iš Fairchild Semiconductor 1958 m. Erdvė buvo tranzistorių tipas, sukurtas XX a. šeštajame dešimtmetyje, patobulindamas taškinį kontaktinį tranzistorių ir vėlesnį lydinio tranzistorių.
1953 m. Filco sukūrė pirmąjį pasaulyje aukšto dažnio paviršiųbarjerinis įrenginys, kuris taip pat buvo pirmasis tranzistorius, tinkamas didelės spartos kompiuteriams. Pirmojo pasaulyje tranzistorinio automobilinio radijo, kurį 1955 m. pagamino Philco, grandinėje buvo naudojami paviršiniai barjeriniai tranzistoriai.
Problemų sprendimas ir pertvarkymas
Išsprendus trapumo problemas, švaros problema išliko. Reikalingo grynumo germanio gamyba pasirodė esąs didelis iššūkis ir apribojo tranzistorių, galinčių iš tikrųjų dirbti iš tam tikros medžiagos partijos, skaičių. Germanio jautrumas temperatūrai taip pat apribojo jo naudingumą.
Mokslininkai spėliojo, kad silicį būtų lengviau gaminti, tačiau tik nedaugelis ištyrė galimybę. Morrisas Tanenbaumas iš Bell Laboratories 1954 m. sausio 26 d. pirmasis sukūrė veikiantį silicio tranzistorių. Po kelių mėnesių Gordonas Tealas, dirbdamas savarankiškai „Texas Instruments“, sukūrė panašų įrenginį. Abu šie prietaisai buvo pagaminti kontroliuojant pavienių silicio kristalų dopingą, kai jie buvo auginami iš išlydyto silicio. 1955 m. pradžioje Morrisas Tanenbaumas ir Calvinas S. Fulleris iš Bell Laboratories sukūrė dujinę donorų ir akceptorių priemaišų difuziją į monokristalinius silicio kristalus.
Lauko efekto tranzistoriai
FET pirmą kartą patentavo Julis Edgar Lilienfeld 1926 m. ir Oskar Hale 1934 m., tačiau buvo sukurti praktiški puslaidininkiniai įtaisai (pereinamojo lauko efekto tranzistoriai [JFET]).vėliau, kai 1947 m. William Shockley komanda iš Bell Labs pastebėjo ir paaiškino tranzistoriaus efektą, iškart pasibaigus dvidešimties metų patento galiojimo laikui.
Pirmasis JFET tipas buvo statinis indukcijos tranzistorius (SIT), kurį 1950 m. išrado japonų inžinieriai Jun-ichi Nishizawa ir Y. Watanabe. SIT yra JFET tipas su trumpu kanalo ilgiu. Metalo oksido puslaidininkių puslaidininkinį lauko efekto tranzistorių (MOSFET), kuris iš esmės išstūmė JFET ir padarė didelę įtaką elektroninės elektronikos vystymuisi, 1959 m. išrado Dawn Kahng ir Martin Atalla.
FET gali būti daugumos įkrovimo įrenginiai, kuriuose srovę daugiausia neša daugumos nešikliai, arba mažesnio krūvio nešiklio įrenginiai, kuriuose srovę daugiausia varo mažojo nešiklio srautas. Prietaisas susideda iš aktyvaus kanalo, kuriuo iš š altinio į kanalizaciją teka krūvininkai, elektronai ar skylės. Š altinio ir nutekėjimo gnybtai yra prijungti prie puslaidininkio per ominius kontaktus. Kanalo laidumas yra potencialo, taikomo per vartus ir š altinio gnybtus, funkcija. Dėl šio veikimo principo atsirado pirmieji visų bangų tranzistoriai.
Visi FET turi š altinio, nutekėjimo ir vartų gnybtus, kurie maždaug atitinka BJT emiterį, kolektorius ir bazę. Dauguma FET turi ketvirtąjį terminalą, vadinamą korpusu, pagrindu, įžeminimu arba substratu. Šis ketvirtasis terminalas skirtas tranzistoriaus įjungimui. Retai retai naudojami nebanalūs paketų gnybtai grandinėse, tačiau jų buvimas yra svarbus nustatant fizinį integrinio grandyno išdėstymą. Vartų dydis, ilgis L diagramoje, yra atstumas tarp š altinio ir kanalizacijos. Plotis yra tranzistoriaus plėtimasis kryptimi, statmena diagramos skerspjūviui (t. y. į ekraną / iš jo). Paprastai plotis yra daug didesnis nei vartų ilgis. 1 µm vartų ilgis riboja viršutinį dažnį iki maždaug 5 GHz, nuo 0,2 iki 30 GHz.
