Detektor kočičího vláknaUpravit
Polovodiče se v elektronice používaly již nějakou dobu před vynálezem tranzistoru. Na přelomu 19. a 20. století byly zcela běžné jako detektory v rádiích, které se používaly v zařízení zvaném „kočičí fousek“, jež vyvinul Jagadish Chandra Bose a další. Tyto detektory však byly poněkud problematické a vyžadovaly, aby obsluha pohybovala malým wolframovým vláknem (fouskem) po povrchu krystalu galenitu (sulfidu olova) nebo karborundu (karbidu křemíku), dokud náhle nezačal fungovat. Pak v průběhu několika hodin nebo dní kočičí fousek pomalu přestával fungovat a proces se musel opakovat. V té době byla jejich činnost zcela záhadná. Po zavedení spolehlivějších a zesílených rádií na bázi vakuových elektronek systémy kočičího fousku rychle vymizely. „Kočičí fousek“ je primitivním příkladem speciálního typu dodnes oblíbené diody, která se nazývá Schottkyho dioda.
Kovový usměrňovačUpravit
Druhá světová válkaUpravit
Během druhé světové války výzkum radarů rychle tlačil na to, aby radarové přijímače pracovaly na stále vyšších frekvencích a tradiční elektronkové radiopřijímače již nefungovaly dobře. Zavedení dutinového magnetronu z Británie do Spojených států v roce 1940 během Tizardovy mise vedlo k naléhavé potřebě praktického vysokofrekvenčního zesilovače.
Russell Ohl z Bellových laboratoří se z rozmaru rozhodl vyzkoušet kočičí fousek. V té době se již řadu let nepoužívaly a v laboratořích je nikdo neměl. Poté, co jeden ulovil v obchodě s použitými rádii na Manhattanu, zjistil, že funguje mnohem lépe než elektronkové systémy.
Ohl zkoumal, proč kočičí fousek funguje tak dobře. Většinu roku 1939 se snažil vypěstovat čistší verze krystalů. Brzy zjistil, že s kvalitnějšími krystaly zmizelo jejich jemné chování, ale také jejich schopnost fungovat jako rádiový detektor. Jednoho dne zjistil, že jeden z jeho nejčistších krystalů přesto funguje dobře a má blízko středu jasně viditelnou trhlinu. Když se však pohyboval po místnosti a snažil se ho otestovat, detektor záhadně fungoval a pak zase přestal. Po delším studiu zjistil, že toto chování je řízeno světlem v místnosti – více světla způsobilo větší vodivost krystalu. Pozval několik dalších lidí, aby se na tento krystal podívali, a Walter Brattain si okamžitě uvědomil, že v prasklině je nějaký druh spoje.
Další výzkum objasnil zbývající záhadu. Krystal praskl, protože na obou stranách obsahoval velmi mírně odlišné množství nečistot, které Ohl nedokázal odstranit – asi 0,2 %. Jedna strana krystalu měla nečistoty, které přidávaly další elektrony (nosiče elektrického proudu) a dělaly z ní „vodič“. Druhá strana měla nečistoty, které se chtěly na tyto elektrony vázat, čímž se stala (jak on říkal) „izolátorem“. Protože obě části krystalu byly ve vzájemném kontaktu, mohly být elektrony vytlačovány z vodivé strany, která měla elektrony navíc (brzy se jí začalo říkat emitor), a nahrazovány novými dodávanými elektrony (například z baterie), odkud proudily do izolační části a byly shromažďovány metličkovým vláknem (nazvaným kolektor). Když se však napětí obrátí, elektrony, které se tlačí do kolektoru, rychle zaplní „díry“ (nečistoty, které potřebují elektrony) a vedení se téměř okamžitě zastaví. Tímto spojením dvou krystalů (nebo částí jednoho krystalu) vznikla polovodičová dioda a tento koncept se brzy stal známým jako polovodič. Mechanismus působení při vypnuté diodě souvisí s oddělením nosičů náboje v okolí přechodu. Tomu se říká „vyčerpávací oblast“.
Vývoj diodyUpravit
Vyzbrojeni znalostmi o tom, jak tyto nové diody fungují, se začali intenzivně učit, jak je vyrábět na zakázku. Týmy z Purdueovy univerzity, Bellových laboratoří, MIT a Chicagské univerzity spojily své síly, aby sestrojily lepší krystaly. Během jednoho roku byla výroba germania zdokonalena do té míry, že se diody vojenské kvality používaly ve většině radarových souprav.
Vývoj tranzistoruUpravit
Klíčem k vývoji tranzistoru bylo další pochopení procesu pohyblivosti elektronů v polovodiči. Uvědomili si, že kdyby existoval nějaký způsob, jak řídit tok elektronů z emitoru do kolektoru této nově objevené diody, bylo by možné sestrojit zesilovač. Například pokud jsou kontakty umístěny na obou stranách jednoho typu krystalu, proud mezi nimi krystalem neprotéká. Pokud by však třetí kontakt dokázal „vstříknout“ elektrony nebo díry do materiálu, proud by tekl.
Ve skutečnosti se ukázalo, že je to velmi obtížné. Pokud by měl krystal nějakou rozumnou velikost, musel by být počet elektronů (nebo děr) potřebných k injektáži velmi velký, což by jej činilo méně použitelným jako zesilovač, protože by pro začátek vyžadoval velký injektovaný proud. Celá myšlenka krystalové diody spočívala v tom, že samotný krystal může poskytovat elektrony na velmi malé vzdálenosti, v oblasti vyčerpání. Klíčem se zdálo být umístění vstupních a výstupních kontaktů velmi blízko sebe na povrchu krystalu na obou stranách této oblasti.
Brattain začal pracovat na konstrukci takového zařízení a během práce týmu na problému se stále objevovaly lákavé náznaky zesílení. Někdy systém fungoval, ale pak nečekaně přestal fungovat. V jednom případě začal nefunkční systém fungovat, když byl umístěn do vody. Ohl a Brattain nakonec vyvinuli nové odvětví kvantové mechaniky, které se stalo známým jako fyzika povrchu, aby toto chování vysvětlili. Elektrony v každém kousku krystalu migrovaly díky nábojům v okolí. Elektrony v emitorech nebo „díry“ v kolektorech by se shlukovaly na povrchu krystalu, kde by mohly najít svůj opačný náboj „plující“ ve vzduchu (nebo ve vodě). Přesto by mohly být z povrchu vytlačeny přiložením malého množství náboje z jakéhokoli jiného místa na krystalu. Místo toho, aby bylo zapotřebí velké zásoby vstřikovaných elektronů, by stejného účelu dosáhl velmi malý počet na správném místě krystalu.
Jejich pochopení do jisté míry vyřešilo problém potřeby velmi malé kontrolní oblasti. Místo potřeby dvou samostatných polovodičů spojených společnou, ale malou oblastí by posloužila jediná větší plocha. Vývody vyzařující a sbírající elektrony by byly umístěny velmi blízko sebe na horní straně, přičemž řídicí vývod by byl umístěn na základně krystalu. Když by tímto „základním“ vodičem protékal proud, elektrony nebo díry by byly vytlačovány ven, přes blok polovodiče, a shromažďovaly by se na vzdálenějším povrchu. Pokud by emitor a kolektor byly velmi blízko u sebe, mělo by mezi nimi být dostatek elektronů nebo děr, aby se mohla spustit vodivost.
První tranzistorUpravit
Bellův tým podnikl mnoho pokusů o sestrojení takového systému pomocí různých nástrojů, ale většinou neuspěl. Sestavy, kde byly kontakty dostatečně blízko, byly vždy stejně křehké jako původní detektory kočičího fousku a fungovaly jen krátce, pokud vůbec. Nakonec se jim podařil praktický průlom. Na okraj plastového klínu byl přilepen kousek zlaté fólie a poté byla fólie naříznuta břitvou na špičce trojúhelníku. Výsledkem byly dva velmi blízko sebe umístěné zlaté kontakty. Když byl klín přitlačen na povrch krystalu a na druhou stranu (na základnu krystalu) bylo přivedeno napětí, začal protékat proud z jednoho kontaktu na druhý, protože základní napětí vytlačovalo elektrony ze základny směrem k druhé straně v blízkosti kontaktů. Tranzistor s bodovým kontaktem byl vynalezen.
Přestože zařízení bylo zkonstruováno o týden dříve, Brattainovy poznámky popisují první demonstraci před vyššími pracovníky Bellových laboratoří odpoledne 23. prosince 1947, což se často uvádí jako datum zrodu tranzistoru. To, co je dnes známo jako „germaniový tranzistor s bodovým kontaktem p-n-p“, fungovalo při této zkoušce jako zesilovač řeči se zesílením 18. John Bardeen, Walter Houser Brattain a William Bradford Shockley získali za svou práci v roce 1956 Nobelovu cenu za fyziku.
Vznik pojmu „tranzistor „Upravit
Telefonní laboratoře Bell potřebovaly pro svůj nový vynález obecný název: „Polovodičová trioda“, „Trioda pevných látek“, „Trioda povrchových stavů“ , „Krystalová trioda“ a „Iotatron“, ale v interním hlasování zvítězil „tranzistor“, který vymyslel John R. Pierce. Odůvodnění tohoto názvu je popsáno v následujícím výňatku z technického memoranda společnosti (28. května 1948) vyzývajícího k hlasování:
Tranzistor. Jedná se o zkrácené spojení slov „transconductance“ nebo „transfer“ a „varistor“. Zařízení logicky patří do rodiny varistorů a má transvodivost nebo přenosovou impedanci zařízení, které má zesílení, takže toto spojení je popisné.
Zlepšení v konstrukci tranzistorůUpravit
Shockley byl naštvaný, že zařízení bylo připsáno Brattainovi a Bardeenovi, kteří ho podle něj sestrojili „za jeho zády“, aby se připravili o slávu. Situace se ještě zhoršila, když právníci Bellových laboratoří zjistili, že některé Shockleyho vlastní texty o tranzistoru jsou natolik podobné textům dřívějšího patentu Julia Edgara Lilienfelda z roku 1925, že považovali za nejlepší, aby jeho jméno nebylo v patentové přihlášce uvedeno.
Shockley byl rozzuřen a rozhodl se ukázat, kdo je skutečným mozkem operace. O několik měsíců později vynalezl zcela nový, podstatně robustnější typ tranzistoru s vrstvenou nebo „sendvičovou“ strukturou. Tato struktura se pak používala pro naprostou většinu všech tranzistorů až do 60. let a vyvinula se v tranzistor s bipolárním přechodem.
Po vyřešení problémů s křehkostí zbýval problém čistoty. Výroba germania požadované čistoty se ukázala být vážným problémem a omezovala výtěžnost tranzistorů, které z dané dávky materiálu skutečně fungovaly. Použitelnost germania omezovala také jeho citlivost na teplotu. Vědci předpokládali, že výroba křemíku bude snazší, ale jen málokdo tuto možnost zkoumal. Gordon K. Teal byl první, kdo vyvinul funkční křemíkový tranzistor, a jeho společnost, vznikající Texas Instruments, profitovala z jeho technologického náskoku. Od konce 60. let byla většina tranzistorů založena na křemíku. Během několika let se na trhu objevily výrobky na bázi tranzistorů, především snadno přenosná rádia.
Statický indukční tranzistor, první vysokofrekvenční tranzistor, vynalezli japonští inženýři Jun-ichi Nishizawa a Y. Watanabe v roce 1950. Byl to nejrychlejší tranzistor až do 80. let 20. století.
Významné zlepšení výtěžnosti výroby přišlo, když chemik poradil společnostem vyrábějícím polovodiče, aby používaly destilovanou vodu místo vody z vodovodu: vápenaté ionty přítomné ve vodovodní vodě byly příčinou špatné výtěžnosti. „Zónové tavení“, technika využívající pás roztaveného materiálu pohybujícího se skrz krystal, dále zvýšilo čistotu krystalů.
Polovodič z oxidu kovu (MOS)Upravit
CMOS (complementary MOS) vynalezli Chih-Tang Sah a Frank Wanlass ve společnosti Fairchild Semiconductor v roce 1963. První zprávu o MOSFETu s plovoucím hradlem podali Dawon Kahng a Simon Sze v roce 1967. FinFET (fin field-effect transistor), typ 3D vícebránového MOSFETu, vyvinul Digh Hisamoto a jeho tým výzkumníků v Hitachi Central Research Laboratory v roce 1989.
.