Кой създаде първия транзистор? Този въпрос тревожи много хора. Първият патент за принципа на полевия транзистор е подаден в Канада от австро-унгарския физик Юлиус Едгар Лилиенфелд на 22 октомври 1925 г., но Лилиенфелд не публикува никакви научни статии за своите устройства и работата му е игнорирана от индустрията. Така първият транзистор в света потъна в историята. През 1934 г. немският физик д-р Оскар Хайл патентова друг FET. Няма преки доказателства, че тези устройства са били построени, но по-късно работата през 90-те години на миналия век показа, че един от проектите на Лилиенфелд работи, както е описано, и е довел до значителен резултат. Вече е добре известен и общоприет факт, че Уилям Шокли и неговият асистент Джералд Пиърсън са създали работещи версии на апарата от патентите на Лилиенфелд, което, разбира се, никога не е споменато в нито един от по-късните им научни статии или исторически статии. Първите транзисторни компютри, разбира се, са построени много по-късно.
Bella Lab
Bell Labs работи върху транзистор, създаден за производство на изключително чисти германиеви "кристални" диоди, използвани в радарни инсталации като част от честотния миксер. Паралелно с този проект имаше много други, включително транзистора с германиев диод. Ранните схеми, базирани на тръби, не са имали възможност за бързо превключване и вместо това екипът на Bell използва твърдотелни диоди. Първите транзисторни компютри работеха на подобен принцип.
По-нататъшно изследване на Шокли
След войната Шокли решава да се опита да построи полупроводниково устройство, подобно на триод. Той осигури финансирането и лабораторното пространство, а след това работи по проблема с Бардийн и Братън. Джон Бардийн в крайна сметка разработи нов клон на квантовата механика, известен като физика на повърхността, за да обясни своите ранни неуспехи и тези учени в крайна сметка успяха да създадат работещо устройство.
Ключът към развитието на транзистора беше по-нататъшното разбиране на процеса на мобилност на електроните в полупроводника. Доказано е, че ако има някакъв начин да се контролира потокът от електрони от емитер към колектор на този новооткрит диод (открит през 1874 г., патентован през 1906 г.), може да се създаде усилвател. Например, ако поставите контакти от двете страни на един вид кристал, през него няма да тече ток.
Всъщност се оказа много трудно изпълнимо. Размеръткристалът трябва да бъде по-среден, а броят на предполагаемите електрони (или дупки), които трябва да бъдат „инжектирани“, е много голям, което би го направило по-малко полезен от усилвателя, защото ще изисква голям инжекционен ток. Въпреки това, цялата идея на кристалния диод беше, че самият кристал може да задържи електрони на много кратко разстояние, като същевременно е почти на ръба на изчерпване. Очевидно ключът е да се поддържат входните и изходните щифтове много близо един до друг на повърхността на кристала.
Bratten's Works
Bratten започна да работи върху такова устройство и намеци за успех продължиха да се появяват, докато екипът работеше по проблема. Изобретението е трудна работа. Понякога системата работи, но след това се появява друга повреда. Понякога резултатите от работата на Братен започват да работят неочаквано във вода, очевидно поради високата й проводимост. Електроните във всяка част на кристала мигрират поради близки заряди. Електроните в емитерите или "дупките" в колекторите се натрупват директно върху кристала, където получават противоположния заряд, "плувайки" във въздуха (или водата). Въпреки това, те биха могли да бъдат изтласкани от повърхността чрез прилагане на малко количество заряд от всяко друго място върху кристала. Вместо да изисква голямо количество инжектирани електрони, много малък брой на правилното място на чипа ще направи същото.
Новият опит на изследователите до известна степен помогна за решаванетопо-рано срещан проблем с малка контролна зона. Вместо да се налага да се използват два отделни полупроводника, свързани с обща, но малка площ, ще се използва една голяма повърхност. Изходите на емитера и колектора ще бъдат в горната част, а контролният проводник ще бъде поставен в основата на кристала. Когато към "базовия" терминал се приложи ток, електроните ще бъдат изтласкани през полупроводниковия блок и ще бъдат събрани на далечната повърхност. Докато емитерът и колекторът са много близо, това ще трябва да осигури достатъчно електрони или дупки между тях, за да започне проводимост.
Bray Joining
Ран свидетел на този феномен беше Ралф Брей, млад аспирант. Той се присъединява към разработването на германиевия транзистор в университета Пърдю през ноември 1943 г. и получава трудната задача да измерва устойчивостта на изтичане на контакт метал-полупроводник. Брей открива много аномалии, като вътрешни бариери с високо съпротивление в някои германиеви проби. Най-любопитното явление беше изключително ниското съпротивление, наблюдавано при прилагане на импулси на напрежение. Първите съветски транзистори са разработени на базата на тези американски разработки.
Пробив
16 декември 1947 г., използвайки двуточков контакт, се осъществява контакт с германиева повърхност, анодизирана до деветдесет волта, електролитът се промива в H2O и след това малко злато падна върху петна. Златните контакти бяха притиснати към голи повърхности. Разделяне междуточките бяха около 4 × 10-3 см. Едната точка беше използвана като решетка, а другата точка като плоча. Отклонението (DC) в мрежата трябваше да бъде положително, за да се получи усилване на мощността на напрежението в отклонението на плочата от около петнадесет волта.
Изобретението на първия транзистор
Има много въпроси, свързани с историята на този чудо-механизъм. Някои от тях са познати на читателя. Например: защо първите транзистори от СССР бяха тип PNP? Отговорът на този въпрос се крие в продължението на цялата тази история. Братън и Х. Р. Мур демонстрираха на няколко колеги и мениджъри в Bell Labs следобеда на 23 декември 1947 г. резултата, който са постигнали, поради което този ден често се споменава като рождената дата на транзистора. Германиев транзистор с PNP контакт работеше като усилвател на реч с коефициент на усилване 18. Това е отговорът на въпроса защо първите транзистори на СССР са от тип PNP, защото са закупени от американците. През 1956 г. Джон Бардийн, Уолтър Хаузър Братън и Уилям Брадфорд Шокли са удостоени с Нобелова награда по физика за изследванията си върху полупроводниците и откриването на ефекта на транзистора.
На дванадесет души се приписва пряко участие в изобретяването на транзистора в Bell Labs.
Първите транзистори в Европа
В същото време някои европейски учени се вълнуваха от идеята за твърдотелни усилватели. През август 1948 г. немските физици Херберт Ф. Матаре и Хайнрих Велкер, които работят в Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse в Aulnay-sous-Боа, Франция, кандидатства за патент за усилвател, базиран на малка част от това, което те наричат "транзистор". Тъй като Bell Labs не публикува транзистора до юни 1948 г., транзисторът се счита за независимо разработен. Матаре за първи път наблюдава ефектите на транспроводимостта при производството на силициеви диоди за германско радарно оборудване по време на Втората световна война. Транзисторите се произвеждат в търговската мрежа за френската телефонна компания и военните, а през 1953 г. четиритранзисторно твърдотелно радио е демонстрирано в радиостанция в Дюселдорф.
Bell Telephone Laboratories се нуждаеха от име за ново изобретение: полупроводников триод, триод изпитани състояния, кристален триод, плътен триод и йотатрон, но "транзисторът", измислен от Джон Р. Пиърс, беше категоричен победител в вътрешно гласуване (отчасти благодарение на близостта, която инженерите на Bell разработиха за наставката "-historic").
Първата в света търговска линия за производство на транзистори беше в завода Western Electric на булевард Юниън в Алънтаун, Пенсилвания. Производството започва на 1 октомври 1951 г. с германиев транзистор с точков контакт.
Допълнително приложение
До началото на 50-те години на миналия век този транзистор се използва във всички видове производство, но все още има значителни проблеми, предотвратяващи по-широкото му използване, като чувствителност към влага и крехкостта на проводниците, прикрепени към германиеви кристали.
Шокли често беше обвиняванплагиатство поради факта, че работата му е много близка до работата на великия, но непризнат унгарски инженер. Но адвокатите на Bell Labs бързо решиха проблема.
Въпреки това Шокли беше възмутен от атаките на критиците и реши да демонстрира кой е истинският мозък на цялата велика епопея на изобретяването на транзистора. Само няколко месеца по-късно той изобретява напълно нов тип транзистор с много особена "сандвич структура". Тази нова форма беше много по-надеждна от крехката система с точков контакт и именно тази форма в крайна сметка се използва във всички транзистори от 60-те години на миналия век. Скоро се превърна в апарат за биполярни връзки, който стана основа за първия биполярен транзистор.
Статичното индукционно устройство, първата концепция на високочестотния транзистор, е изобретено от японските инженери Джун-ичи Нишизава и Ю. Ватанабе през 1950 г. и най-накрая успя да създаде експериментални прототипи през 1975 г. Това беше най-бързият транзистор през 1980-те.
По-нататъшните разработки включват удължени свързани устройства, транзистор с повърхностна бариера, дифузия, тетрод и пентод. Дифузионният силициев "меза транзистор" е разработен през 1955 г. в Bell и се предлага в търговската мрежа от Fairchild Semiconductor през 1958 г. Космосът е вид транзистор, разработен през 50-те години на миналия век като подобрение спрямо транзистора с точков контакт и по-късния транзистор от сплав.
През 1953 г. Filco разработва първата в света високочестотна повърхностбариерно устройство, което е и първият транзистор, подходящ за високоскоростни компютри. Първото в света транзисторно радио за кола, произведено от Philco през 1955 г., използва транзистори с повърхностни бариери в своята схема.
Решаване на проблеми и преработка
С решението на проблемите с крехкостта остава проблемът с чистотата. Производството на германий с необходимата чистота се оказва голямо предизвикателство и ограничава броя на транзисторите, които действително могат да работят от дадена партида материал. Температурната чувствителност на германия също ограничава неговата полезност.
Учените спекулират, че силиций ще бъде по-лесен за производство, но малцина са проучили възможността. Морис Таненбаум от Bell Laboratories е първият, който разработва работещ силициев транзистор на 26 януари 1954 г. Няколко месеца по-късно Гордън Тийл, работещ самостоятелно в Texas Instruments, разработи подобно устройство. И двете устройства са направени чрез контролиране на легирането на единични силициеви кристали, тъй като те са отгледани от разтопен силиций. По-висок метод е разработен от Морис Таненбаум и Калвин С. Фулър в Bell Laboratories в началото на 1955 г. чрез газова дифузия на донорни и акцепторни примеси в монокристални силициеви кристали.
Транзистори с полеви ефект
FET е патентован за първи път от Юлис Едгар Лилиенфелд през 1926 г. и Оскар Хейл през 1934 г., но са разработени практични полупроводникови устройства (транзистори с преходно поле [JFET])по-късно, след като ефектът на транзистора е наблюдаван и обяснен от екипа на Уилям Шокли в Bell Labs през 1947 г., точно след изтичането на двадесетгодишния патентен период.
Първият тип JFET е статичният индукционен транзистор (SIT), изобретен от японските инженери Джун-ичи Нишизава и Ю. Ватанабе през 1950 г. SIT е вид JFET с къса дължина на канала. Метал-оксид-полупроводниковият полупроводников полеви транзистор (MOSFET), който до голяма степен измести JFET и повлия дълбоко върху развитието на електронната електроника, е изобретен от Доун Канг и Мартин Атала през 1959 г.
FET могат да бъдат устройства с мажоритарно зареждане, в които токът се пренася предимно от носители на мнозинство, или устройства с по-малък носител на заряд, в които токът се задвижва предимно от поток от миноритарен носител. Устройството се състои от активен канал, през който носители на заряд, електрони или дупки текат от източника към канализацията. Клемите за източник и източване са свързани към полупроводника чрез омични контакти. Проводимостта на канала е функция от потенциала, приложен през клемите на порта и източника. Този принцип на действие доведе до първите транзистори с всички вълни.
Всички полеви транзистори имат изходни, източващи и гейт терминали, които приблизително съответстват на емитера, колектора и базата на BJT. Повечето FET имат четвърти терминал, наречен тяло, основа, земя или субстрат. Този четвърти терминал служи за пренасочване на транзистора към работа. Рядко се случва нетривиалното използване на пакетни терминали в схеми, но присъствието му е важно при настройка на физическото оформление на интегрална схема. Размерът на портата, дължината L в диаграмата, е разстоянието между източника и дренажа. Ширината е разширяването на транзистора в посока, перпендикулярна на напречното сечение на диаграмата (т.е. навътре/извън екрана). Обикновено ширината е много по-голяма от дължината на портата. Дължина на порта от 1 µm ограничава горната честота до приблизително 5 GHz, от 0,2 до 30 GHz.
