Kissanviiksidetektori Muokkaa
Puolijohteita oli käytetty elektroniikan alalla jo jonkin aikaa ennen transistorin keksimistä. 1900-luvun vaihteen tienoilla ne olivat varsin yleisiä ilmaisimina radioissa, joita käytettiin Jagadish Chandra Bosen ja muiden kehittämässä ”kissanviikseksi” kutsutussa laitteessa. Nämä ilmaisimet olivat kuitenkin jokseenkin hankalia, sillä niiden käyttäjä joutui liikuttamaan pientä volframihehkulankaa (vispilää) lyijysulfidikiteen tai karborundumkiteen (piikarbidi) pinnalla, kunnes se yhtäkkiä alkoi toimia. Sitten muutaman tunnin tai päivän kuluessa kissanviikset lakkasivat hitaasti toimimasta, ja prosessi oli toistettava. Tuolloin niiden toiminta oli täysin salaperäistä. Luotettavampien ja vahvistetumpien tyhjiöputkipohjaisten radioiden käyttöönoton jälkeen kissanviiksijärjestelmät katosivat nopeasti. ”Kissanviiksi” on alkeellinen esimerkki erityisestä, vielä nykyäänkin suositusta diodityypistä, jota kutsutaan Schottky-diodiksi.
Metallinen tasasuuntaajaEdit
Toinen varhainen puolijohdelaitetyyppi on metallinen tasasuuntaaja, jossa puolijohde on kuparioksidia tai seleeniä. Westinghouse Electric (1886) oli merkittävä näiden tasasuuntaajien valmistaja.
Toinen maailmansotaTiedosto
Toisen maailmansodan aikana tutkatutkimus ajoi tutkanvastaanottimet nopeasti toimimaan yhä korkeammilla taajuuksilla, eivätkä perinteiset putkipohjaiset radiovastaanottimet enää toimineet hyvin. Ontelomagnetronin tuominen Britanniasta Yhdysvaltoihin vuonna 1940 Tizard-operaation aikana johti siihen, että tarvittiin kipeästi käytännöllistä suurtaajuusvahvistinta.
Bell Laboratoriesin Russell Ohl päätti hetken mielijohteesta kokeilla kissanviiksiä. Tässä vaiheessa niitä ei ollut käytetty enää moneen vuoteen, eikä kenelläkään laboratorioissa ollut sellaista. Metsästettyään sellaisen Manhattanilla sijaitsevasta käytetyn radion liikkeestä hän huomasi, että se toimi paljon paremmin kuin putkipohjaiset järjestelmät.
Ohl tutki, miksi kissanviiksikello toimi niin hyvin. Hän käytti suurimman osan vuodesta 1939 yrittäessään kasvattaa puhtaampia versioita kiteistä. Pian hän huomasi, että laadukkaammilla kiteillä niiden hankala käyttäytyminen hävisi, mutta samalla hävisi myös niiden kyky toimia radioilmaisimena. Eräänä päivänä hän löysi yhden puhtaimmista kiteistään, joka kuitenkin toimi hyvin, ja siinä oli selvästi näkyvä särö lähellä keskiosaa. Kun hän kuitenkin liikkui huoneessa ja yritti testata sitä, ilmaisin salaperäisesti toimi ja sitten taas lakkasi toimimasta. Joidenkin tutkimusten jälkeen hän huomasi, että käyttäytymistä ohjasi huoneen valo – enemmän valoa aiheutti enemmän johtavuutta kiteessä. Hän kutsui useita muita ihmisiä katsomaan tätä kristallia, ja Walter Brattain tajusi heti, että halkeaman kohdalla oli jonkinlainen liitos.
Jatkotutkimukset selvittivät jäljellä olevan mysteerin. Kide oli haljennut, koska kumpikin puoli sisälsi hyvin vähän eri määrän epäpuhtauksia, joita Ohl ei pystynyt poistamaan – noin 0,2 %. Kiteen toisella puolella oli epäpuhtauksia, jotka lisäsivät ylimääräisiä elektroneja (sähkövirran kantajia) ja tekivät siitä ”johtimen”. Toisella puolella oli epäpuhtauksia, jotka halusivat sitoutua näihin elektroneihin ja tekivät siitä (jota hän kutsui) ”eristeen”. Koska kiteen kaksi osaa olivat kosketuksissa toisiinsa, elektroneja voitiin työntää pois johtavalta puolelta, jossa oli ylimääräisiä elektroneja (joka pian tunnettiin nimellä emitteri), ja korvata ne uusilla (esimerkiksi paristosta tulevilla) elektroneilla, jolloin ne virtasivat eristävään osaan ja kerättiin viiksisäikeellä (jota kutsuttiin nimellä keräin). Kun jännite kuitenkin käännetään, kollektoriin työntyvät elektronit täyttävät nopeasti ”reiät” (elektronia tarvitsevat epäpuhtaudet), ja johtuminen loppuu lähes välittömästi. Tämä kahden kiteen (tai yhden kiteen osan) yhtymäkohta loi kiinteän diodin, ja käsite tuli pian tunnetuksi puolijohtamisena. Toimintamekanismi diodin ollessa pois päältä liittyy varauksenkuljettajien erottumiseen liitoskohdan ympärillä. Tätä kutsutaan ”tyhjentymisalueeksi”.
Diodin kehittäminenEdit
Tietäen, miten nämä uudet diodit toimivat, ryhdyttiin tarmokkaasti opettelemaan, miten niitä voidaan rakentaa tilauksesta. Purduen yliopiston, Bell Labsin, MIT:n ja Chicagon yliopiston tiimit yhdistivät voimansa parempien kiteiden rakentamiseksi. Vuoden kuluessa germaniumin valmistus oli saatu täydelliseksi siinä määrin, että useimmissa tutkalaitteissa käytettiin sotilasluokan diodeja.
Transistorin kehittäminenEdit
Sodan jälkeen William Shockley päätti kokeilla triodin kaltaisen puolijohdelaitteen rakentamista. Hän hankki rahoituksen ja laboratoriotilan ja ryhtyi työskentelemään ongelman parissa Brattainin ja John Bardeenin kanssa.
Transistorin kehittämisen avain oli elektronien liikkuvuuden prosessin tarkempi ymmärtäminen puolijohteessa. Ymmärrettiin, että jos olisi jokin keino ohjata elektronien virtausta tämän vasta löydetyn diodin emitteristä kollektoriin, voitaisiin rakentaa vahvistin. Jos esimerkiksi yhden kidetyypin kiteen molemmille puolille sijoitetaan koskettimet, virta ei virtaa niiden välillä kiteen läpi. Jos kuitenkin kolmas kosketin voisi sitten ”ruiskuttaa” elektroneja tai reikiä materiaaliin, virta virtaisi.
Todellisuudessa tämän tekeminen näytti olevan hyvin vaikeaa. Jos kide olisi kohtuullisen kokoinen, injektoitavien elektronien (tai reikien) määrän täytyisi olla hyvin suuri, mikä tekisi siitä vähemmän käyttökelpoisen vahvistimena, koska se vaatisi aluksi suuren injektointivirran. Kidediodin koko idea oli kuitenkin se, että kide itse voisi tuottaa elektronit hyvin pienellä etäisyydellä, tyhjenemisalueella. Avain näytti olevan tulo- ja lähtökontaktien sijoittaminen hyvin lähelle toisiaan kiteen pinnalle tämän alueen molemmin puolin.
Brattain alkoi työskennellä tällaisen laitteen rakentamiseksi, ja houkuttelevia vihjeitä vahvistuksesta ilmaantui jatkuvasti, kun ryhmä työskenteli ongelman parissa. Joskus järjestelmä toimi, mutta lakkasi sitten yllättäen toimimasta. Eräässä tapauksessa toimimaton järjestelmä alkoi toimia, kun se laitettiin veteen. Ohl ja Brattain kehittivät lopulta uuden kvanttimekaniikan haaran, joka tuli tunnetuksi nimellä pintafysiikka, selittämään käyttäytymistä. Elektronit jossakin kiteen osassa vaelsivat ympäriinsä lähellä olevien varausten vuoksi. Emittoreissa olevat elektronit tai keräimissä olevat ”reiät” keskittyisivät kiteen pinnalle, jossa ne löytäisivät vastakkaisen varauksensa ”kellumasta” ilmassa (tai vedessä). Ne voitaisiin kuitenkin työntää pois pinnalta, kun niihin kohdistetaan pieni määrä varausta mistä tahansa kiteen muusta kohdasta. Sen sijaan, että olisi tarvittu suuri määrä injektoituja elektroneja, hyvin pieni määrä oikeassa paikassa kiteessä saisi aikaan saman asian.
Heidän ymmärryksensä ratkaisi jossain määrin ongelman, että tarvittiin hyvin pientä ohjausaluetta. Sen sijaan, että olisi tarvittu kahta erillistä puolijohdetta, joita yhdisti yhteinen, mutta pieni alue, riittäisi yksi suurempi pinta. Elektronia lähettävä ja keräävä johto sijoitettaisiin molemmat hyvin lähelle toisiaan kiteen yläosaan, ja ohjausjohto sijoitettaisiin kiteen pohjaan. Kun virta kulkee tämän ”perusjohdon” läpi, elektronit tai reiät työntyvät ulos puolijohdekappaleen poikki ja kerääntyvät kauempana olevalle pinnalle. Kunhan emitteri ja kollektori olisivat hyvin lähellä toisiaan, niiden väliin pitäisi mahtua riittävästi elektroneja tai reikiä, jotta johtuminen voisi alkaa.
Ensimmäinen transistoriEdit
Bellin työryhmä yritti useita kertoja valmistaa tällaista järjestelmää erilaisilla apuvälineillä, mutta epäonnistui siinä yleensä. Kokoonpanot, joissa kontaktit olivat riittävän lähellä, olivat poikkeuksetta yhtä hauraita kuin alkuperäiset kissanviiksitunnistimet olivat olleet, ja ne toimivat lyhytaikaisesti, jos ollenkaan. Lopulta he tekivät käytännön läpimurron. Muovikiilan reunaan liimattiin pala kultakalvoa, ja sitten kalvo leikattiin partakoneella kolmion kärjestä. Tuloksena oli kaksi hyvin lähekkäin olevaa kultakontaktia. Kun kiila työnnettiin alaspäin kiteen pinnalle ja toiselle puolelle (kiteen pohjaan) kytkettiin jännite, virta alkoi virrata kontaktista toiseen, kun pohjajännite työnsi elektronit pois pohjasta toiselle puolelle lähelle kontakteja. Pistekontaktitransistori oli keksitty.
Vaikka laite oli rakennettu viikkoa aiemmin, Brattainin muistiinpanot kuvaavat ensimmäistä esittelyä Bell Labsin ylemmille tahoille 23. joulukuuta 1947 iltapäivällä, joka usein annetaan transistorin syntymäpäiväksi. Se, mikä nykyään tunnetaan nimellä ”p-n-p-pistekosketusgermaanitransistori”, toimi tuossa kokeilussa puhevahvistimena, jonka tehovahvistus oli 18. John Bardeen, Walter Houser Brattain ja William Bradford Shockley saivat työstään Nobelin fysiikan palkinnon vuonna 1956.
Termin ”transistori” synty Muokkaa
Bell Telephone Laboratories tarvitsi uudelle keksinnölleen yleisnimen: ”Semiconductor Triode”, ”Solid Triode”, ”Surface States Triode” , ”Crystal Triode” ja ”Iotatron” olivat kaikki harkinnassa, mutta John R. Piercen keksimä ”transistor” voitti sisäisen äänestyksen. Nimen perusteluita kuvataan seuraavassa otteessa yhtiön teknisistä muistioista (28. toukokuuta 1948), joissa pyydettiin äänestämään:
Transistori. Tämä on lyhennetty yhdistelmä sanoista ”transkonduktanssi” tai ”siirto” ja ”varistori”. Laite kuuluu loogisesti varistoriperheeseen, ja sillä on vahvistuksen omaavan laitteen transkonduktanssi tai siirtoimpedanssi, joten tämä yhdistelmä on kuvaava.
Parannuksia transistorin suunnittelussaEdit
Shockley oli järkyttynyt siitä, että laite oli merkitty Brattainin ja Bardeenin ansioksi, jotka hänen mielestään olivat rakentaneet sen ”hänen selkänsä takana” ottaakseen kunniaa. Tilanne paheni, kun Bell Labsin lakimiehet huomasivat, että osa Shockleyn omista transistoria koskevista kirjoituksista oli niin lähellä Julius Edgar Lilienfeldin aikaisemman vuoden 1925 patentin kirjoituksia, että he pitivät parhaana, että Shockleyn nimi jätettäisiin pois patenttihakemuksesta.
Shockley suuttui ja päätti osoittaa, kuka oli operaation todelliset aivot. Muutamaa kuukautta myöhemmin hän keksi kokonaan uuden, huomattavasti kestävämmän transistorityypin, jossa oli kerros- tai ”sandwich”-rakenne. Tätä rakennetta käytettiin suurimmassa osassa transistoreita 1960-luvulle asti, ja siitä kehittyi bipolaarinen liitostransistori.
Kun haurausongelmat oli ratkaistu, jäljelle jäi vielä yksi ongelma, puhtaus. Vaaditun puhtausasteen germaniumin valmistaminen osoittautui vakavaksi ongelmaksi, ja se rajoitti sellaisten transistorien tuottoa, jotka todella toimivat tietystä materiaalierästä. Germaniumin herkkyys lämpötilalle rajoitti myös sen käyttökelpoisuutta. Tutkijat arvelivat, että pii olisi helpompi valmistaa, mutta vain harvat tutkivat tätä mahdollisuutta. Gordon K. Teal kehitti ensimmäisenä toimivan piitransistorin, ja hänen yrityksensä, syntymässä oleva Texas Instruments, hyötyi sen teknologisesta etulyöntiasemasta. 1960-luvun lopusta lähtien useimmat transistorit olivat piipohjaisia. Muutamassa vuodessa markkinoille ilmestyi transistoreihin perustuvia tuotteita, etenkin helposti kannettavia radioita.
Stattisen induktiotransistorin, ensimmäisen suurtaajuustransistorin, keksivät japanilaiset insinöörit Jun-ichi Nishizawa ja Y. Watanabe vuonna 1950. Se oli nopein transistori aina 1980-luvulle asti.
Huomattava parannus valmistustulokseen saatiin, kun eräs kemisti neuvoi puolijohteita valmistavia yrityksiä käyttämään tislattua vettä vesijohtoveden sijasta: vesijohtoveden sisältämät kalsiumionit olivat syynä huonoon tulokseen. ”Vyöhykesulatus”, tekniikka, jossa sulan materiaalin kaistale liikkuu kiteen läpi, lisäsi edelleen kiteen puhtautta.
Metallioksidipuolijohde (MOS)Muokkaa
1950-luvulla Mohamed Atalla tutki piipuolijohteiden pintaominaisuuksia Bell Labsissa, jossa hän ehdotti uutta puolijohdekomponenttien valmistusmenetelmää, jossa piikiekko päällystettiin piikiekolla eristävällä piioksidikerroksella niin, että sähkö pystyi luotettavasti tunkeutumaan alapuolella olevaan johtavaan piihin, ja näin voitettiin pintatiloja, jotka estivät sähköä pääsemästä puolijohtavaan kerrokseen. Menetelmästä tuli tärkeä puolijohdeteollisuudelle, koska se mahdollisti integroitujen piipiirien massatuotannon. Pintapassivointimenetelmän pohjalta hän kehitti metallioksidipuolijohdeprosessin (MOS-prosessin), jota hänen mukaansa voitaisiin käyttää ensimmäisen toimivan piikenttäefektitransistorin (FET) rakentamiseen. Mohamed Atalla ja Dawon Kahng keksivät MOSFET:n (MOS-kenttäefektitransistori) vuonna 1959. MOSFET:stä tuli sen skaalautuvuuden, paljon pienemmän virrankulutuksen ja suuremman tiheyden ansiosta yleisin transistorityyppi tietokoneissa, elektroniikassa ja viestintätekniikassa, kuten älypuhelimissa. Yhdysvaltain patentti- ja tavaramerkkivirasto kutsuu MOSFETiä ”uraauurtavaksi keksinnöksi, joka muutti elämää ja kulttuuria kaikkialla maailmassa”.
CMOS:n (complementary MOS) keksivät Chih-Tang Sah ja Frank Wanlass Fairchild Semiconductorissa vuonna 1963. Ensimmäisen raportin kelluvan portin MOSFET:stä tekivät Dawon Kahng ja Simon Sze vuonna 1967. FinFET:n (fin field-effect transistor), eräänlaisen 3D-moniporttisen MOSFET:n, kehittivät Digh Hisamoto ja hänen tutkijaryhmänsä Hitachi Central Research Laboratory’ssa vuonna 1989.