Kdo vytvořil první tranzistor? Tato otázka znepokojuje mnoho lidí. První patent na princip tranzistoru s efektem pole podal v Kanadě rakousko-uherský fyzik Julius Edgar Lilienfeld 22. října 1925, ale Lilienfeld nepublikoval žádné vědecké práce o svých zařízeních a jeho práce byla průmyslem ignorována. Do historie se tak zapsal první tranzistor na světě. V roce 1934 patentoval německý fyzik Dr. Oskar Heil další FET. Neexistují žádné přímé důkazy, že tato zařízení byla postavena, ale pozdější práce v 90. letech ukázaly, že jeden z Lilienfeldových návrhů fungoval tak, jak je popsáno, a přinesl podstatný výsledek. Dnes je již známou a všeobecně přijímanou skutečností, že William Shockley a jeho asistent Gerald Pearson vytvořili pracovní verze aparátu z Lilienfeldových patentů, což samozřejmě nebylo nikdy zmíněno v žádné z jejich pozdějších vědeckých prací nebo historických článků. První tranzistorové počítače byly samozřejmě postaveny mnohem později.
Bella Lab
Společnost Bell Labs pracovala na tranzistoru postaveném pro výrobu extrémně čistých germaniových „krystalových“směšovacích diod používaných v radarových instalacích jako součást frekvenčního směšovače. Paralelně s tímto projektem existovalo mnoho dalších, včetně tranzistoru s germaniovou diodou. Rané elektronkové obvody neměly schopnost rychlého přepínání a tým Bell místo toho používal polovodičové diody. První tranzistorové počítače fungovaly na podobném principu.
Další průzkum Shockley
Po válce se Shockley rozhodl pokusit sestrojit polovodičové zařízení podobné triodě. Zajistil financování a prostor v laboratoři a pak pracoval na problému s Bardeenem a Brattenem. John Bardeen nakonec vyvinul nové odvětví kvantové mechaniky známé jako povrchová fyzika, aby vysvětlil své rané selhání, a těmto vědcům se nakonec podařilo vytvořit funkční zařízení.
Klíčem k vývoji tranzistoru bylo další pochopení procesu pohybu elektronů v polovodiči. Bylo prokázáno, že pokud by existoval způsob, jak řídit tok elektronů od emitoru ke kolektoru této nově objevené diody (objevena 1874, patentována 1906), mohl by být sestrojen zesilovač. Pokud například umístíte kontakty na obě strany jednoho typu krystalu, neprotéká jím žádný proud.
Ve skutečnosti se ukázalo, že je to velmi obtížné. Velikostkrystal by musel být průměrnější a počet předpokládaných elektronů (nebo děr), které bylo třeba "vstříknout", byl velmi velký, což by jej činilo méně užitečným než zesilovač, protože by vyžadoval velký injekční proud. Celá myšlenka krystalové diody však spočívala v tom, že samotný krystal mohl držet elektrony na velmi krátkou vzdálenost, přičemž byl téměř na pokraji vyčerpání. Klíčem bylo zjevně udržet vstupní a výstupní kolíky velmi blízko sebe na povrchu krystalu.
Bratten's Works
Bratten začal na takovém zařízení pracovat a náznaky úspěchu se stále objevovaly, když tým na problému pracoval. Vynález je dřina. Někdy systém funguje, ale pak dojde k dalšímu selhání. Někdy výsledky Brattenovy práce začaly ve vodě nečekaně působit, zřejmě kvůli její vysoké vodivosti. Elektrony v jakékoli části krystalu migrují kvůli blízkým nábojům. Elektrony v emitorech nebo "otvorech" v kolektorech se hromadily přímo na povrchu krystalu, kde dostávají opačný náboj, "vznášející se" ve vzduchu (nebo vodě). Mohly by však být vytlačeny z povrchu aplikací malého množství náboje odkudkoli jinde na krystal. Namísto velkého množství vstřikovaných elektronů udělá totéž velmi malý počet na správném místě na čipu.
Nové zkušenosti výzkumníků do jisté míry pomohly vyřešitdříve zjištěný problém malé kontrolní oblasti. Namísto použití dvou samostatných polovodičů spojených společnou, ale malou oblastí, bude použita jedna velká plocha. Výstupy emitoru a kolektoru by byly nahoře a ovládací vodič by byl umístěn na základně krystalu. Když byl na "základní" terminál aplikován proud, elektrony by byly protlačeny polovodičovým blokem a shromážděny na vzdáleném povrchu. Dokud by byly emitor a kolektor velmi blízko, muselo by mezi nimi být dostatek elektronů nebo děr, aby mohly začít vést.
Bray Joining
Prvním svědkem tohoto fenoménu byl Ralph Bray, mladý postgraduální student. V listopadu 1943 se zapojil do vývoje germaniového tranzistoru na Purdue University a dostal nelehký úkol změřit svodový odpor kontaktu kov-polovodič. Bray našel mnoho anomálií, jako jsou vnitřní vysoce odolné bariéry v některých vzorcích germania. Nejkurióznějším jevem byl výjimečně nízký odpor pozorovaný při aplikaci napěťových impulsů. První sovětské tranzistory byly vyvinuty na základě tohoto amerického vývoje.
Průlom
16. prosince 1947 byl pomocí dvoubodového kontaktu proveden kontakt s povrchem germania eloxovaným na devadesát voltů, elektrolyt byl promyt do H2O a poté nějaké zlato padlo na skvrny. Zlaté kontakty byly přitlačeny na holé povrchy. Rozdělení mezitečky byly asi 4 × 10-3 cm. Jedna tečka byla použita jako mřížka a druhá tečka jako talíř. Odchylka (DC) na rozvodné síti musela být kladná, aby se dosáhlo napěťového výkonu na desce asi patnácti voltů.
Vynález prvního tranzistoru
S historií tohoto zázračného mechanismu je spojeno mnoho otázek. Některé z nich jsou čtenáři známé. Například: proč byly první tranzistory SSSR typu PNP? Odpověď na tuto otázku spočívá v pokračování celého tohoto příběhu. Bratten a H. R. Moore předvedli několika kolegům a manažerům v Bellových laboratořích odpoledne 23. prosince 1947 výsledek, kterého dosáhli, a proto je tento den často označován jako datum narození tranzistoru. Jako zesilovač řeči fungoval kontaktní germaniový tranzistor PNP s výkonovým zesílením 18. To je odpověď na otázku, proč byly první tranzistory SSSR typu PNP, protože byly zakoupeny od Američanů. V roce 1956 získali John Bardeen, W alter Houser Bratten a William Bradford Shockley Nobelovu cenu za fyziku za výzkum polovodičů a objev tranzistorového jevu.
Za přímou účast na vynálezu tranzistoru v Bellových laboratořích se připisuje dvanácti lidem.
Úplně první tranzistory v Evropě
Ve stejné době se někteří evropští vědci nadchli pro myšlenku polovodičových zesilovačů. V srpnu 1948 němečtí fyzici Herbert F. Matare a Heinrich Welker, kteří pracovali v Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse v Aulnay-sous-Bois, Francie, požádal o patent na zesilovač založený na menšině toho, co nazývali "tranzistor". Protože Bell Labs nezveřejnily tranzistor až do června 1948, byl tranzistor považován za nezávisle vyvinutý. Mataré poprvé pozoroval účinky transkonduktance při výrobě křemíkových diod pro německé radarové zařízení během druhé světové války. Tranzistory byly komerčně vyráběny pro francouzskou telefonní společnost a armádu a v roce 1953 bylo na rozhlasové stanici v Düsseldorfu předvedeno čtyřtranzistorové polovodičové rádio.
Bell Telephone Laboratories potřebovaly jméno pro nový vynález: zvažovaly se polovodičová trioda, trioda Tried States, krystalová trioda, pevná trioda a iotatron, ale „tranzistor“vytvořený Johnem R. Piercem byl jasným vítězem interní hlasování (částečně díky blízkosti, kterou inženýři Bell vyvinuli pro příponu „-historic“).
První komerční linka na výrobu tranzistorů na světě byla v závodě Western Electric na Union Boulevard v Allentown, Pennsylvania. Výroba začala 1. října 1951 s germaniovým tranzistorem s bodovým kontaktem.
Další přihláška
Až do počátku 50. let se tento tranzistor používal ve všech typech výroby, ale stále existovaly značné problémy bránící jeho širšímu použití, jako je citlivost na vlhkost a křehkost drátů připojených ke krystalům germania.
Shockley byl často obviňovánplagiátorství kvůli tomu, že jeho práce byla velmi blízká práci velkého, ale neuznaného maďarského inženýra. Ale právníci Bell Labs problém rychle vyřešili.
Přesto byl Shockley útoky kritiků pobouřen a rozhodl se ukázat, kdo byl skutečným mozkem celého velkého eposu o vynálezu tranzistoru. Jen o pár měsíců později vynalezl zcela nový typ tranzistoru s velmi zvláštní "sendvičovou strukturou". Tato nová forma byla mnohem spolehlivější než křehký bodový kontaktní systém a byla to právě tato forma, která se nakonec používala ve všech tranzistorech 60. let. Brzy se vyvinul do bipolárního spojovacího aparátu, který se stal základem pro první bipolární tranzistor.
Statické indukční zařízení, první koncept vysokofrekvenčního tranzistoru, vynalezli japonští inženýři Jun-ichi Nishizawa a Y. Watanabe v roce 1950 a nakonec byl schopen vytvořit experimentální prototypy v roce 1975. V 80. letech to byl nejrychlejší tranzistor.
Další vývoj zahrnoval rozšířená spřažená zařízení, tranzistor s povrchovou bariérou, difúzi, tetrodu a pentodu. Difúzní křemíkový „mesa tranzistor“byl vyvinut v roce 1955 v Bell a komerčně dostupný od Fairchild Semiconductor v roce 1958. Space byl typ tranzistoru vyvinutý v 50. letech minulého století jako vylepšení oproti bodovému kontaktnímu tranzistoru a pozdějšímu slitinovému tranzistoru.
V roce 1953 společnost Filco vyvinula první vysokofrekvenční povrch na světěbariérové zařízení, které bylo zároveň prvním tranzistorem vhodným pro vysokorychlostní počítače. První tranzistorové autorádio na světě, vyrobené společností Philco v roce 1955, používalo ve svých obvodech tranzistory s povrchovou bariérou.
Řešení problémů a přepracování
Při řešení problémů křehkosti zůstal problém čistoty. Výroba germania požadované čistoty se ukázala být velkou výzvou a omezila počet tranzistorů, které by mohly skutečně pracovat z dané šarže materiálu. Teplotní citlivost germania také omezovala jeho použitelnost.
Vědci spekulovali, že výroba křemíku by byla jednodušší, ale jen málokdo tuto možnost prozkoumal. Morris Tanenbaum z Bell Laboratories byl první, kdo 26. ledna 1954 vyvinul funkční křemíkový tranzistor. O několik měsíců později Gordon Teal, pracující samostatně v Texas Instruments, vyvinul podobné zařízení. Obě tato zařízení byla vyrobena řízením dopování jednotlivých krystalů křemíku, když byly vypěstovány z roztaveného křemíku. Vyšší metoda byla vyvinuta Morrisem Tanenbaumem a Calvinem S. Fullerem v Bell Laboratories na počátku roku 1955 plynnou difúzí donorových a akceptorových nečistot do monokrystalických křemíkových krystalů.
tranzistory s efektem pole
FET byl poprvé patentován Julisem Edgarem Lilienfeldem v roce 1926 a Oskarem Halem v roce 1934, ale byla vyvinuta praktická polovodičová zařízení (tranzistory s efektem přechodového pole [JFET])později, poté, co byl pozorován a vysvětlen tranzistorový efekt týmem Williama Shockleyho v Bellových laboratořích v roce 1947, těsně po vypršení dvacetiletého patentového období.
Prvním typem JFET byl statický indukční tranzistor (SIT) vynalezený japonskými inženýry Jun-ichi Nishizawa a Y. Watanabe v roce 1950. SIT je typ JFET s krátkou délkou kanálu. Metal-oxid-semiconductor semiconductor field-effect tranzistor (MOSFET), který z velké části nahradil JFET a hluboce ovlivnil vývoj elektronické elektroniky, vynalezli Dawn Kahng a Martin Atalla v roce 1959.
FET mohou být zařízení s většinovým nábojem, ve kterých je proud přenášen převážně většinovými nosiči, nebo zařízeními s menšími nosiči náboje, ve kterých je proud poháněn primárně tokem menšinového nosiče. Zařízení se skládá z aktivního kanálu, kterým proudí nosiče náboje, elektrony nebo otvory ze zdroje do kanalizace. Svorky zdroje a odvodu jsou připojeny k polovodičům přes ohmické kontakty. Vodivost kanálu je funkcí potenciálu aplikovaného na svorky brány a zdroje. Tento princip činnosti dal vzniknout prvním celovlnovým tranzistorům.
Všechny FETy mají zdrojové, vypouštěcí a hradlové terminály, které zhruba odpovídají emitoru, kolektoru a základně BJT. Většina FETů má čtvrtý terminál nazývaný tělo, základna, zem nebo substrát. Tato čtvrtá svorka slouží k předpětí tranzistoru do provozu. Je vzácné netriviálně používat koncovky pouzdra v obvodech, ale jejich přítomnost je důležitá při nastavování fyzického uspořádání integrovaného obvodu. Velikost brány, délka L ve schématu, je vzdálenost mezi zdrojem a odtokem. Šířka je roztažení tranzistoru ve směru kolmém na průřez ve schématu (tj. dovnitř/ven ze stínítka). Obvykle je šířka mnohem větší než délka brány. Délka brány 1 µm omezuje horní frekvenci na přibližně 5 GHz, od 0,2 do 30 GHz.
