Wie heeft de eerste transistor gemaakt? Deze vraag baart veel mensen zorgen. Het eerste patent voor het veldeffecttransistorprincipe werd op 22 oktober 1925 in Canada ingediend door de Oostenrijks-Hongaarse natuurkundige Julius Edgar Lilienfeld, maar Lilienfeld publiceerde geen wetenschappelijke artikelen over zijn apparaten en zijn werk werd door de industrie genegeerd. Zo is 's werelds eerste transistor in de geschiedenis verzonken. In 1934 patenteerde de Duitse natuurkundige Dr. Oskar Heil een andere FET. Er is geen direct bewijs dat deze apparaten zijn gebouwd, maar later werk in de jaren negentig toonde aan dat een van Lilienfelds ontwerpen werkte zoals beschreven en een substantieel resultaat opleverde. Het is nu een bekend en algemeen aanvaard feit dat William Shockley en zijn assistent Gerald Pearson werkende versies van het apparaat hebben gemaakt op basis van Lilienfelds patenten, die natuurlijk nooit in hun latere wetenschappelijke artikelen of historische artikelen zijn genoemd. De eerste getransistoriseerde computers werden natuurlijk veel later gebouwd.
Bella Lab
Bell Labs werkte aan een transistor die is gebouwd om extreem zuivere germanium "kristal" mixerdiodes te produceren die worden gebruikt in radarinstallaties als onderdeel van de frequentiemixer. Parallel aan dit project waren er nog vele andere, waaronder de germaniumdiodetransistor. Vroege op buizen gebaseerde circuits hadden geen snelle schakelmogelijkheden en het Bell-team gebruikte in plaats daarvan solid-state diodes. De eerste transistorcomputers werkten volgens een soortgelijk principe.
Verdere verkenning van Shockley
Na de oorlog besloot Shockley te proberen een triode-achtig halfgeleiderapparaat te bouwen. Hij zorgde voor de financiering en laboratoriumruimte, en werkte vervolgens samen met Bardeen en Bratten aan het probleem. John Bardeen ontwikkelde uiteindelijk een nieuwe tak van kwantummechanica die bekend staat als oppervlaktefysica om zijn vroege mislukkingen te verklaren, en deze wetenschappers slaagden er uiteindelijk in om een werkend apparaat te creëren.
De sleutel tot de ontwikkeling van de transistor was een beter begrip van het proces van elektronenmobiliteit in een halfgeleider. Het werd bewezen dat als er een manier was om de stroom van elektronen van de zender naar de collector van deze nieuw ontdekte diode (ontdekt in 1874, gepatenteerd in 1906) te regelen, een versterker zou kunnen worden gebouwd. Als u bijvoorbeeld contacten aan weerszijden van één type kristal plaatst, zal er geen stroom doorheen vloeien.
In feite bleek het erg moeilijk om te doen. De groottehet kristal zou gemiddelder moeten zijn en het aantal veronderstelde elektronen (of gaten) dat moest worden "geïnjecteerd" was erg groot, waardoor het minder bruikbaar zou zijn dan een versterker omdat er een grote injectiestroom voor nodig zou zijn. Het hele idee van de kristaldiode was echter dat het kristal zelf elektronen op een zeer korte afstand kon vasthouden, terwijl het bijna op het punt stond uit te putten. Blijkbaar was de sleutel om de invoer- en uitvoerpinnen heel dicht bij elkaar op het oppervlak van het kristal te houden.
Bratten's Works
Bratten begon aan zo'n apparaat te werken, en hints van succes bleven naar boven komen terwijl het team aan het probleem werkte. Uitvinden is hard werken. Soms werkt het systeem, maar dan treedt er weer een storing op. Soms begonnen de resultaten van Brattens werk onverwacht te werken in water, blijkbaar vanwege de hoge geleidbaarheid. Elektronen in elk deel van het kristal migreren vanwege nabijgelegen ladingen. De elektronen in de emitters of "gaten" in de collectoren verzamelden zich direct bovenop het kristal, waar ze de tegenovergestelde lading ontvangen, "zwevend" in de lucht (of water). Ze kunnen echter van het oppervlak worden geduwd door een kleine hoeveelheid lading van ergens anders op het kristal aan te brengen. In plaats van een grote voorraad geïnjecteerde elektronen te vereisen, zal een heel klein aantal op de juiste plaats op de chip hetzelfde doen.
De nieuwe ervaring van onderzoekers heeft tot op zekere hoogte geholpen bij het oplossen vanhet eerder ondervonden probleem van een klein controlegebied. In plaats van twee afzonderlijke halfgeleiders te moeten gebruiken die zijn verbonden door een gemeenschappelijk maar klein gebied, wordt één groot oppervlak gebruikt. De emitter- en collectoruitgangen zouden bovenaan zijn en de stuurdraad zou aan de basis van het kristal worden geplaatst. Wanneer een stroom werd toegepast op de "basis" -aansluiting, zouden de elektronen door het halfgeleiderblok worden geduwd en op het verre oppervlak worden verzameld. Zolang de zender en de collector heel dicht bij elkaar waren, zou dit voldoende elektronen of gaten ertussen moeten opleveren om te gaan geleiden.
Bray Joining
Een vroege getuige van dit fenomeen was Ralph Bray, een jonge afgestudeerde student. Hij nam deel aan de ontwikkeling van de germaniumtransistor aan de Purdue University in november 1943 en kreeg de moeilijke taak om de lekweerstand van een metaal-halfgeleidercontact te meten. Bray vond veel anomalieën, zoals interne barrières met hoge weerstand in sommige germaniummonsters. Het meest merkwaardige fenomeen was de uitzonderlijk lage weerstand die werd waargenomen wanneer spanningspulsen werden toegepast. Op basis van deze Amerikaanse ontwikkelingen werden de eerste Sovjet-transistors ontwikkeld.
Doorbraak
16 december 1947, met behulp van een tweepuntscontact, werd contact gemaakt met een tot negentig volt geanodiseerd germaniumoppervlak, de elektrolyt werd gewassen in H2O en vervolgens wat goud viel op het plekken. Gouden contacten werden tegen kale oppervlakken gedrukt. Verdeling tussende stippen waren ongeveer 4 × 10-3 cm, één stip werd gebruikt als raster en de andere stip als plaat. De afwijking (DC) op het net moest positief zijn om een spanningsversterking over de plaatbias van ongeveer vijftien volt te krijgen.
Uitvinding van de eerste transistor
Er zijn veel vragen in verband met de geschiedenis van dit wondermechanisme. Sommige zijn bekend bij de lezer. Bijvoorbeeld: waarom waren de eerste transistors van het USSR PNP-type? Het antwoord op deze vraag ligt in het vervolg van dit hele verhaal. Bratten en H. R. Moore demonstreerden in de middag van 23 december 1947 aan verschillende collega's en managers van Bell Labs het resultaat dat ze hadden bereikt, en daarom wordt deze dag vaak de geboortedatum van de transistor genoemd. Een germaniumtransistor met PNP-contact werkte als spraakversterker met een vermogensversterking van 18. Dit is het antwoord op de vraag waarom de eerste transistors van de USSR van het PNP-type waren, omdat ze van de Amerikanen waren gekocht. In 1956 kregen John Bardeen, W alter Houser Bratten en William Bradford Shockley de Nobelprijs voor de natuurkunde voor hun onderzoek naar halfgeleiders en de ontdekking van het transistoreffect.
Twaalf mensen worden gecrediteerd voor directe betrokkenheid bij de uitvinding van de transistor bij Bell Labs.
De allereerste transistors in Europa
Tegelijkertijd raakten sommige Europese wetenschappers enthousiast over het idee van solid-state versterkers. In augustus 1948 kwamen de Duitse natuurkundigen Herbert F. Matare en Heinrich Welker, werkzaam bij de Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse in Aulnay-sous-Bois, Frankrijk, vroeg een patent aan voor een versterker die gebaseerd was op een minderheid van wat zij "transistor" noemden. Omdat Bell Labs de transistor pas in juni 1948 publiceerde, werd de transistor als onafhankelijk ontwikkeld beschouwd. Mataré observeerde voor het eerst de effecten van transconductantie bij de productie van siliciumdiodes voor Duitse radarapparatuur tijdens de Tweede Wereldoorlog. Transistors werden commercieel gemaakt voor de Franse telefoonmaatschappij en het leger, en in 1953 werd een solid-state radio met vier transistoren gedemonstreerd op een radiostation in Düsseldorf.
Bell Telephone Laboratories had een naam nodig voor een nieuwe uitvinding: Semiconductor Triode, Tried States Triode, Crystal Triode, Solid Triode en Iotatron werden allemaal overwogen, maar "transistor" bedacht door John R. Pierce was de duidelijke winnaar van een interne stemming (mede dankzij de nabijheid die Bell-ingenieurs ontwikkelden voor het achtervoegsel "-historisch").
'S Werelds eerste commerciële productielijn voor transistors was in de Western Electric-fabriek aan Union Boulevard in Allentown, Pennsylvania. De productie begon op 1 oktober 1951 met een germaniumtransistor met puntcontact.
Verdere toepassing
Tot het begin van de jaren vijftig werd deze transistor in alle soorten fabricage gebruikt, maar er waren nog steeds aanzienlijke problemen die het bredere gebruik ervan in de weg stonden, zoals gevoeligheid voor vocht en de kwetsbaarheid van draden die aan germaniumkristallen waren bevestigd.
Shockley werd vaak beschuldigd vanplagiaat vanwege het feit dat zijn werk heel dicht bij het werk van de grote, maar niet-erkende Hongaarse ingenieur stond. Maar de advocaten van Bell Labs losten het probleem snel op.
Desalniettemin was Shockley verontwaardigd over de aanvallen van critici en besloot te demonstreren wie het echte brein was van het hele grote epos van de uitvinding van de transistor. Slechts een paar maanden later vond hij een volledig nieuw type transistor uit met een zeer eigenaardige "sandwichstructuur". Deze nieuwe vorm was veel betrouwbaarder dan het fragiele puntcontactsysteem, en het was deze vorm die uiteindelijk in alle transistors van de jaren zestig werd gebruikt. Het ontwikkelde zich al snel tot het bipolaire junctieapparaat, dat de basis werd voor de eerste bipolaire transistor.
Het statische inductieapparaat, het eerste concept van de hoogfrequente transistor, werd uitgevonden door de Japanse ingenieurs Jun-ichi Nishizawa en Y. Watanabe in 1950 en was uiteindelijk in staat om experimentele prototypen te maken in 1975. Het was de snelste transistor in de jaren 80.
Verdere ontwikkelingen waren onder meer uitgebreide gekoppelde apparaten, oppervlaktebarrièretransistor, diffusie, tetrode en pentode. De diffusie-silicium "mesa-transistor" werd in 1955 ontwikkeld bij Bell en in 1958 in de handel verkrijgbaar bij Fairchild Semiconductor. Ruimte was een type transistor dat in de jaren vijftig werd ontwikkeld als een verbetering ten opzichte van de puntcontacttransistor en de latere legeringstransistor.
In 1953 ontwikkelde Filco 's werelds eerste hoogfrequente oppervlakbarrièreapparaat, dat ook de eerste transistor was die geschikt was voor snelle computers. 's Werelds eerste getransistoriseerde autoradio, vervaardigd door Philco in 1955, gebruikte oppervlaktebarrièretransistors in zijn circuits.
Problemen oplossen en herwerken
Met de oplossing van de kwetsbaarheidsproblemen bleef het probleem van reinheid bestaan. Het produceren van germanium met de vereiste zuiverheid bleek een grote uitdaging te zijn en beperkte het aantal transistors dat daadwerkelijk kon werken uit een bepaalde partij materiaal. De temperatuurgevoeligheid van germanium beperkte ook de bruikbaarheid ervan.
Wetenschappers hebben gespeculeerd dat silicium gemakkelijker te produceren zou zijn, maar weinigen hebben de mogelijkheid onderzocht. Morris Tanenbaum van Bell Laboratories was de eerste die op 26 januari 1954 een werkende siliciumtransistor ontwikkelde. Een paar maanden later ontwikkelde Gordon Teal, in zijn eentje bij Texas Instruments, een soortgelijk apparaat. Beide apparaten zijn gemaakt door de dotering van enkelvoudige siliciumkristallen te regelen terwijl ze uit gesmolten silicium werden gekweekt. Een hogere methode werd begin 1955 ontwikkeld door Morris Tanenbaum en Calvin S. Fuller bij Bell Laboratories door gasdiffusie van donor- en acceptoronzuiverheden in monokristallijne siliciumkristallen.
Veldeffecttransistors
De FET werd voor het eerst gepatenteerd door Julis Edgar Lilienfeld in 1926 en Oskar Hale in 1934, maar er werden praktische halfgeleiderapparaten (transition field effect transistors [JFET]) ontwikkeldlater, nadat het transistoreffect was waargenomen en verklaard door het team van William Shockley bij Bell Labs in 1947, net nadat de octrooiperiode van twintig jaar was verstreken.
Het eerste type JFET was de Static Induction Transistor (SIT), uitgevonden door de Japanse ingenieurs Jun-ichi Nishizawa en Y. Watanabe in 1950. SIT is een type JFET met een korte kanaallengte. De metaaloxide-halfgeleider halfgeleider-veldeffecttransistor (MOSFET), die de JFET grotendeels verdrong en de ontwikkeling van elektronische elektronica diepgaand beïnvloedde, werd in 1959 uitgevonden door Dawn Kahng en Martin Atalla.
FET's kunnen apparaten met meerderheidslading zijn, waarbij de stroom voornamelijk wordt gedragen door meerderheidsdragers, of apparaten met mindere ladingsdragers, waarbij de stroom voornamelijk wordt aangedreven door de stroom van minderheidsdragers. Het apparaat bestaat uit een actief kanaal waardoor ladingsdragers, elektronen of gaten van de bron naar het riool stromen. De source- en drainterminals zijn via ohmse contacten met de halfgeleider verbonden. De kanaalgeleiding is een functie van de potentiaal die wordt aangelegd over de poort- en bronaansluitingen. Dit werkingsprincipe leidde tot de eerste all-wave transistors.
Alle FET's hebben source-, drain- en gate-aansluitingen die ruwweg overeenkomen met de emitter, collector en basis van de BJT. De meeste FET's hebben een vierde terminal genaamd body, base, ground of substraat. Deze vierde klem dient om de transistor in bedrijf te stellen. Het is zeldzaam om niet-triviaal gebruik te maken van pakketterminals in circuits, maar de aanwezigheid ervan is belangrijk bij het opzetten van de fysieke lay-out van een geïntegreerd circuit. De maat van de poort, de lengte L in het schema, is de afstand tussen de bron en de afvoer. Breedte is de uitzetting van de transistor in een richting loodrecht op de doorsnede in het diagram (d.w.z. in/uit het scherm). Meestal is de breedte veel groter dan de lengte van de poort. Een poortlengte van 1 µm beperkt de bovenfrequentie tot ongeveer 5 GHz, van 0,2 tot 30 GHz.
