Halvlederanordning

KattehårdetektorRediger

Halvledere havde været brugt inden for elektronikområdet i nogen tid før opfindelsen af transistoren. Omkring århundredeskiftet var de ret almindelige som detektorer i radioer, anvendt i en anordning kaldet “cat’s whisker”, udviklet af Jagadish Chandra Bose og andre. Disse detektorer var imidlertid noget besværlige, idet de krævede, at operatøren flyttede en lille wolframtråd (whisker) rundt på overfladen af en krystal af galena (blysulfid) eller carborundum (siliciumcarbid), indtil den pludselig begyndte at virke. Derefter ville kattehårene i løbet af et par timer eller dage langsomt holde op med at virke, og processen skulle gentages. På det tidspunkt var deres funktion helt mystisk. Efter indførelsen af de mere pålidelige og forstærkede radioer baseret på vakuumrør forsvandt kattens whiskersystemer hurtigt. “Kattens whisker” er et primitivt eksempel på en speciel type diode, der stadig er populær i dag, nemlig en Schottky-diode.

MetaldiskrettereRediger

En anden tidlig type af halvlederanordning er metalligteren, hvor halvlederen er kobberoxid eller selen. Westinghouse Electric (1886) var en stor producent af disse ensrettere.

Anden VerdenskrigRediger

Under Anden Verdenskrig pressede radarforskningen hurtigt radarmodtagere til at fungere ved stadig højere frekvenser, og de traditionelle rørbaserede radiomodtagere fungerede ikke længere godt. Indførelsen af kavitetsmagnetronen fra Storbritannien til USA i 1940 under Tizard-missionen resulterede i et presserende behov for en praktisk højfrekvensforstærker.

I et indfald besluttede Russell Ohl fra Bell Laboratories at prøve et kattehår. På dette tidspunkt havde de ikke været i brug i en årrække, og ingen på laboratorierne havde en sådan. Efter at have jagtet et i en brugt radioforretning på Manhattan fandt han ud af, at det fungerede meget bedre end rørbaserede systemer.

Ohl undersøgte, hvorfor kattehårene fungerede så godt. Han brugte det meste af 1939 på at forsøge at dyrke mere rene udgaver af krystallerne. Han fandt snart ud af, at med krystaller af højere kvalitet forsvandt deres finurlige adfærd, men det samme gjaldt deres evne til at fungere som radiodetektor. En dag fandt han et af sine reneste krystaller, som alligevel fungerede godt, og det havde en tydeligt synlig revne nær midten. Men når han bevægede sig rundt i rummet for at teste den, virkede detektoren på mystisk vis og stoppede derefter igen. Efter nogle undersøgelser fandt han ud af, at denne adfærd blev styret af lyset i rummet – mere lys gav mere ledningsevne i krystallet. Han inviterede flere andre mennesker til at se dette krystal, og Walter Brattain indså straks, at der var en slags samlingspunkt ved revnen.

Den videre forskning ryddede op i det resterende mysterium. Krystallen var sprunget, fordi hver side indeholdt meget lidt forskellige mængder af de urenheder, som Ohl ikke kunne fjerne – ca. 0,2 %. Den ene side af krystallen havde urenheder, der tilføjede ekstra elektroner (bærere af elektrisk strøm) og gjorde den til en “leder”. Den anden side havde urenheder, der ønskede at binde sig til disse elektroner, hvilket gjorde den til (hvad han kaldte) en “isolator”. Fordi de to dele af krystallen var i kontakt med hinanden, kunne elektronerne skubbes ud af den ledende side, som havde ekstra elektroner (snart kendt som emitteren), og erstattes af nye, der blev tilført (f.eks. fra et batteri), hvor de ville strømme ind i den isolerende del og blive opsamlet af whiskerfilamentet (kaldet kollektoren). Men når spændingen blev vendt, ville de elektroner, der blev skubbet ind i kollektoren, hurtigt fylde “hullerne” (de elektronkrævende urenheder), og ledningen ville stoppe næsten øjeblikkeligt. Denne sammenkobling af de to krystaller (eller dele af et krystal) skabte en faststofdiode, og konceptet blev hurtigt kendt som halvledelse. Virkningsmekanismen, når dioden er slukket, har at gøre med adskillelsen af ladningsbærere omkring krydset. Dette kaldes et “depletionsområde”.

Udvikling af diodenRediger

Med viden om, hvordan disse nye dioder fungerede, begyndte en energisk indsats for at lære at bygge dem på efterspørgsel. Hold på Purdue University, Bell Labs, MIT og University of Chicago slog sig alle sammen sammen for at bygge bedre krystaller. Inden for et år var germaniumproduktionen blevet perfektioneret til det punkt, hvor dioder af militær kvalitet blev brugt i de fleste radarsæt.

Udvikling af transistorenRediger

Efter krigen besluttede William Shockley at forsøge at bygge en triode-lignende halvlederenhed. Han sikrede sig finansiering og laboratorieplads og gik i gang med at arbejde på problemet sammen med Brattain og John Bardeen.

Nøglen til udviklingen af transistoren var den yderligere forståelse af processen med elektronmobiliteten i en halvleder. Man indså, at hvis der var en måde at styre strømmen af elektroner fra emitteren til kollektoren i denne nyopdagede diode på, kunne man bygge en forstærker. Hvis der f.eks. anbringes kontakter på begge sider af en enkelt type krystal, vil strømmen ikke flyde mellem dem gennem krystallet. Men hvis en tredje kontakt så kunne “injicere” elektroner eller huller ind i materialet, ville strømmen flyde.

Det viste sig faktisk at være meget vanskeligt at gøre dette. Hvis krystallen var af nogen rimelig størrelse, skulle antallet af elektroner (eller huller), der skulle injiceres, være meget stort, hvilket gjorde den mindre brugbar som forstærker, fordi den ville kræve en stor injektionsstrøm til at begynde med. Når det er sagt, var hele idéen med krystaldioden, at krystallen selv kunne levere elektronerne over en meget lille afstand, nemlig depletionsområdet. Nøglen syntes at være at placere ind- og udgangskontakterne meget tæt på hinanden på krystallets overflade på hver side af dette område.

Brattain begyndte at arbejde på at bygge en sådan anordning, og der dukkede fortsat lokkende antydninger af forstærkning op, efterhånden som holdet arbejdede på problemet. Nogle gange virkede systemet, men stoppede så uventet med at fungere. I et tilfælde begyndte et system, der ikke fungerede, at virke, når det blev lagt i vand. Ohl og Brattain udviklede til sidst en ny gren af kvantemekanikken, som blev kendt som overfladefysik, for at forklare denne adfærd. Elektronerne i et hvilket som helst stykke af krystallen ville vandre rundt på grund af nærliggende ladninger. Elektronerne i emitterne eller “hullerne” i opsamlerne ville samle sig ved krystallets overflade, hvor de kunne finde deres modsatte ladning “svævende” rundt i luften (eller vandet). De kunne dog skubbes væk fra overfladen ved at tilføre en lille mængde ladning fra et hvilket som helst andet sted på krystallet. I stedet for at have brug for en stor forsyning af injicerede elektroner ville et meget lille antal på det rigtige sted på krystallet kunne opnå det samme.

Deres forståelse løste i nogen grad problemet med at have brug for et meget lille kontrolområde. I stedet for at have brug for to separate halvledere, der er forbundet af et fælles, men lille område, ville en enkelt større overflade kunne bruges. De elektronemitterende og -opsamlende ledninger ville begge blive placeret meget tæt sammen på toppen, mens kontrolledningen ville blive placeret på bunden af krystallen. Når strømmen strømmer gennem denne “base”-ledning, vil elektronerne eller hullerne blive skubbet ud over halvlederblokken og samle sig på den fjerneste overflade. Så længe emitteren og kollektoren var meget tæt på hinanden, skulle dette tillade nok elektroner eller huller mellem dem til, at ledningen kunne begynde.

Den første transistorRediger

En stiliseret kopi af den første transistor

Bell-holdet gjorde mange forsøg på at bygge et sådant system med forskellige værktøjer, men det mislykkedes generelt. Opsætninger, hvor kontakterne var tæt nok på hinanden, var uvægerligt lige så skrøbelige som de oprindelige kattehårdetektorer havde været, og de virkede kun kortvarigt, hvis de overhovedet virkede. Til sidst fik de et praktisk gennembrud. Et stykke guldfolie blev limet fast på kanten af en plastikkile, og derefter blev folien skåret over med en barberkniv på spidsen af trekanten. Resultatet var to meget tætliggende kontakter af guld. Når kilen blev skubbet ned på overfladen af et krystal og der blev lagt spænding på den anden side (på bunden af krystallen), begyndte der at løbe strøm fra den ene kontakt til den anden, da grundspændingen skubbede elektronerne væk fra bunden til den anden side nær kontakterne. Punktkontakttransistoren var blevet opfundet.

Mens apparatet var blevet konstrueret en uge tidligere, beskriver Brattain i sine notater den første demonstration for de højere chefer i Bell Labs om eftermiddagen den 23. december 1947, der ofte angives som transistorens fødselsdato. Det, der nu er kendt som “p-n-p punkt-kontakt germaniumtransistor”, fungerede som en taleforstærker med en effektforstærkning på 18 i dette forsøg. John Bardeen, Walter Houser Brattain og William Bradford Shockley fik Nobelprisen i fysik i 1956 for deres arbejde.

Oprindelse af begrebet “transistor “Rediger

Bell Telephone Laboratories havde brug for et fællesnavn til deres nye opfindelse: “Semiconductor Triode”, “Solid Triode”, “Surface States Triode” , “Crystal Triode” og “Iotatron” blev alle overvejet, men “transistor”, der blev opfundet af John R. Pierce, vandt en intern afstemning. Begrundelsen for navnet er beskrevet i følgende uddrag af selskabets tekniske memoranda (28. maj 1948), hvor der blev opfordret til at stemme:

Transistor. Dette er en forkortet kombination af ordene “transkonduktans” eller “overførsel” og “varistor”. Anordningen hører logisk set til varistorfamilien og har transkonduktans eller overførselsimpedans for en anordning med forstærkning, så denne kombination er beskrivende.

Forbedringer i transistordesignRediger

Shockley var oprørt over, at anordningen blev krediteret Brattain og Bardeen, som han mente havde bygget den “bag hans ryg” for at tage æren. Sagen blev værre, da Bell Labs’ advokater fandt ud af, at nogle af Shockleys egne skrifter om transistoren lå så tæt på dem i et tidligere patent fra 1925 af Julius Edgar Lilienfeld, at de fandt det bedst, at hans navn blev udeladt fra patentansøgningen.

Shockley var rasende og besluttede sig for at vise, hvem der var den egentlige hjerne bag operationen. Et par måneder senere opfandt han en helt ny, betydeligt mere robust transistortype med en lag- eller “sandwich”-struktur. Denne struktur kom til at blive brugt til langt de fleste af alle transistorer ind i 1960’erne og udviklede sig til den bipolære junctionstransistor.

Med problemerne med skrøbelighed løst, var der et tilbageværende problem med renhed. Det viste sig at være et alvorligt problem at fremstille germanium med den nødvendige renhed, og det begrænsede udbyttet af transistorer, der rent faktisk fungerede fra et givet parti materiale. Germaniums følsomhed over for temperatur begrænsede også dets anvendelighed. Forskere teoretiserede, at silicium ville være lettere at fremstille, men kun få undersøgte denne mulighed. Gordon K. Teal var den første til at udvikle en fungerende siliciumtransistor, og hans firma, det spirende Texas Instruments, nød godt af dette teknologiske forspring. Fra slutningen af 1960’erne var de fleste transistorer siliciumbaserede. I løbet af få år dukkede der transistorbaserede produkter, især let bærbare radioer, op på markedet.

Den statiske induktionstransistor, den første højfrekvente transistor, blev opfundet af de japanske ingeniører Jun-ichi Nishizawa og Y. Watanabe i 1950. Den var den hurtigste transistor frem til 1980’erne.

En væsentlig forbedring af produktionsudbyttet kom, da en kemiker rådede de virksomheder, der fremstillede halvledere, til at bruge destilleret vand i stedet for vandhanevand: kalkioner i vandhanevand var årsagen til det dårlige udbytte. “Zonesmeltning”, en teknik, der anvender et bånd af smeltet materiale, der bevæger sig gennem krystallen, øgede yderligere krystalrenheden.

Metal-oxidhalvleder (MOS)Rediger