Cat’s-whisker detectorEdit
Semiconductoren werden al enige tijd voor de uitvinding van de transistor in de elektronica gebruikt. Rond de eeuwwisseling van de 20e eeuw werden zij vrij algemeen gebruikt als detectoren in radio’s, in een apparaat dat “cat’s whisker” werd genoemd en door Jagadish Chandra Bose en anderen was ontwikkeld. Deze detectoren waren echter nogal problematisch: de operator moest een kleine wolfraamdraad (de snor) rond het oppervlak van een galena- (loodsulfide) of carborundum- (siliciumcarbide) kristal bewegen tot het plotseling begon te werken. Dan, over een periode van een paar uur of dagen, stopte de snorhaar langzaam met werken en moest het proces worden herhaald. In die tijd was de werking ervan volkomen mysterieus. Na de invoering van de betrouwbaardere en versterkte vacuümbuisradio’s verdwenen de “cat’s whisker”-systemen snel. De “cat’s whisker” is een primitief voorbeeld van een speciaal type diode dat vandaag de dag nog steeds populair is, een Schottky diode genoemd.
MetaalgelijkrichterEdit
Een ander vroeg type halfgeleiderapparaat is de metaalgelijkrichter waarin de halfgeleider koperoxide of selenium is. Westinghouse Electric (1886) was een belangrijke fabrikant van deze gelijkrichters.
Tweede WereldoorlogEdit
Tijdens de Tweede Wereldoorlog zorgde radaronderzoek er al snel voor dat radarontvangers op steeds hogere frequenties moesten gaan werken en de traditionele op buizen gebaseerde radio-ontvangers niet meer goed werkten. De introductie van de holtemagnetron van Groot-Brittannië in de Verenigde Staten in 1940 tijdens de Tizard-missie resulteerde in een dringende behoefte aan een praktische versterker voor hoge frequenties.
In een opwelling besloot Russell Ohl van Bell Laboratories een kattensnorhaar uit te proberen. Op dat moment waren ze al een aantal jaren niet meer in gebruik, en niemand in de laboratoria had er een. Nadat hij er een had gevonden in een tweedehands radiozaak in Manhattan, ontdekte hij dat deze veel beter werkte dan op buizen gebaseerde systemen.
Ohl onderzocht waarom de kattensnorhaar zo goed functioneerde. Hij besteedde het grootste deel van 1939 aan het kweken van meer zuivere versies van de kristallen. Hij ontdekte al snel dat met kristallen van hogere kwaliteit hun pietluttige gedrag verdween, maar ook hun vermogen om als radiodetector te werken. Op een dag vond hij een van zijn zuiverste kristallen die toch goed werkte, en die een duidelijk zichtbare barst in de buurt van het midden had. Toen hij zich echter door de kamer bewoog om het te testen, werkte de detector op mysterieuze wijze, en stopte er dan weer mee. Na enig onderzoek ontdekte hij dat het gedrag werd bepaald door het licht in de kamer – meer licht veroorzaakte meer geleiding in het kristal. Hij nodigde verschillende andere mensen uit om het kristal te bekijken, en Walter Brattain realiseerde zich onmiddellijk dat er een soort knooppunt was bij de barst.
Verder onderzoek loste het resterende mysterie op. Het kristal was gebarsten omdat beide zijden zeer verschillende hoeveelheden van de onzuiverheden bevatten die Ohl niet kon verwijderen – ongeveer 0,2%. De ene kant van het kristal had onzuiverheden die extra elektronen (de dragers van elektrische stroom) toevoegden en er een “geleider” van maakten. De andere kant had onzuiverheden die zich aan deze elektronen wilden binden, waardoor het (wat hij noemde) een “isolator” werd. Omdat de twee delen van het kristal met elkaar in contact stonden, konden de elektronen uit de geleidende kant, die extra elektronen had (spoedig bekend als de emitter), worden geduwd en vervangen door nieuwe die werden toegevoerd (bijvoorbeeld uit een batterij), waar zij in het isolerende deel zouden stromen en zouden worden opgevangen door de snorhaardraad (de collector genoemd). Wanneer de spanning echter werd omgekeerd, zouden de elektronen die in de collector worden geduwd, snel de “gaten” (de onzuiverheden die elektronen nodig hebben) opvullen, en de geleiding zou vrijwel onmiddellijk ophouden. Deze kruising van de twee kristallen (of delen van een kristal) creëerde een diode in vaste toestand, en het concept werd al snel bekend als halfgeleiding. Het werkingsmechanisme wanneer de diode is uitgeschakeld, heeft te maken met de scheiding van ladingsdragers rond de junctie. Dit wordt een “depletion region” genoemd.
Ontwikkeling van de diodeEdit
Gewapend met de kennis over de werking van deze nieuwe diodes, begon men hard te werken om te leren hoe ze op aanvraag konden worden gebouwd. Teams van Purdue University, Bell Labs, MIT en de Universiteit van Chicago bundelden hun krachten om betere kristallen te bouwen. Binnen een jaar was de germaniumproductie geperfectioneerd tot het punt waarop diodes van militaire kwaliteit werden gebruikt in de meeste radarsets.
Ontwikkeling van de transistorEdit
Na de oorlog besloot William Shockley een poging te wagen om een triode-achtig halfgeleiderapparaat te bouwen. Hij verzekerde zich van financiering en laboratoriumruimte, en ging aan het probleem werken met Brattain en John Bardeen.
De sleutel tot de ontwikkeling van de transistor was het verdere begrip van het proces van de elektronenmobiliteit in een halfgeleider. Men realiseerde zich dat als er een manier was om de stroom van de elektronen van de emitter naar de collector van deze pas ontdekte diode te controleren, er een versterker gebouwd kon worden. Als bijvoorbeeld aan beide zijden van een enkel type kristal contacten worden geplaatst, zal er geen stroom door het kristal vloeien. Maar als een derde contact dan elektronen of gaten in het materiaal zou kunnen “injecteren”, zou er wel stroom vloeien.
Het bleek in de praktijk heel moeilijk te zijn om dit te doen. Als het kristal van om het even welke redelijke grootte was, zou het aantal te injecteren elektronen (of gaten) zeer groot moeten zijn, waardoor het als versterker minder nuttig zou worden omdat het om te beginnen een grote injectiestroom zou vereisen. Het idee achter de kristaldiode was echter dat het kristal zelf de elektronen kon leveren over een zeer kleine afstand, het depletiegebied. De sleutel bleek te zijn om de ingangs- en uitgangscontacten zeer dicht bij elkaar te plaatsen op het oppervlak van het kristal aan weerszijden van dit gebied.
Brattain begon te werken aan de bouw van een dergelijk apparaat, en prikkelende hints van versterking bleven verschijnen terwijl het team aan het probleem werkte. Soms werkte het systeem, maar stopte er dan onverwacht mee. In één geval begon een niet-werkend systeem te werken wanneer het in water werd geplaatst. Ohl en Brattain ontwikkelden uiteindelijk een nieuwe tak van de kwantummechanica, die bekend werd als oppervlaktefysica, om het gedrag te verklaren. De elektronen in een bepaald deel van het kristal zouden zich verplaatsen als gevolg van ladingen in de buurt. Elektronen in de emittenten, of de “gaten” in de collectoren, zouden zich groeperen aan het oppervlak van het kristal waar zij hun tegengestelde lading zouden kunnen vinden “rondzwevend” in de lucht (of het water). Toch kunnen zij van het oppervlak worden weggeduwd door een kleine hoeveelheid lading van een andere plaats op het kristal aan te brengen. In plaats van een grote toevoer van geïnjecteerde elektronen, zou een zeer klein aantal op de juiste plaats op het kristal hetzelfde bewerkstelligen.
Hun inzicht loste het probleem van de behoefte aan een zeer klein controlegebied tot op zekere hoogte op. In plaats van twee afzonderlijke halfgeleiders nodig te hebben die door een gemeenschappelijk, maar uiterst klein gebied worden verbonden, zou één enkel groter oppervlak dienen. De elektronenuitzendende en verzamelende geleiders zouden beide zeer dicht bij elkaar op de top worden geplaatst, met de controleleidende geleider geplaatst op de basis van het kristal. Wanneer stroom door dit “basis”-snoer vloeit, worden de elektronen of gaten naar buiten geduwd, over het blok halfgeleider, en verzamelen zich op het verre oppervlak. Zolang de emitter en de collector zeer dicht bij elkaar lagen, zou dit voldoende elektronen of gaten tussen hen moeten toelaten om geleiding op gang te brengen.
De eerste transistorEdit
Het Bell-team deed vele pogingen om zo’n systeem te bouwen met verschillende gereedschappen, maar slaagde daar meestal niet in. Opstellingen waarbij de contacten dicht genoeg bij elkaar lagen, waren steevast even kwetsbaar als de oorspronkelijke kattensnorhaar-detectoren waren geweest, en werkten slechts kort, als ze al werkten. Uiteindelijk kwam er een praktische doorbraak. Een stukje goudfolie werd op de rand van een plastic wig gelijmd, en vervolgens werd de folie met een scheermesje aan de punt van de driehoek doorgesneden. Het resultaat waren twee zeer dicht bij elkaar liggende goudcontacten. Wanneer de wig werd neergedrukt op het oppervlak van een kristal en spanning werd toegepast op de andere kant (op de basis van het kristal), begon er stroom te lopen van het ene contact naar het andere omdat de basisspanning de elektronen wegduwde van de basis naar de andere kant in de buurt van de contacten. De puntcontacttransistor was uitgevonden.
Hoewel het apparaat een week eerder was geconstrueerd, beschrijven Brattain’s aantekeningen de eerste demonstratie aan hoger geplaatsten bij Bell Labs op de middag van 23 december 1947, vaak gegeven als de geboortedatum van de transistor. Wat nu bekend staat als de “p-n-p punt-contact germanium transistor” werkte als een spraakversterker met een vermogensversterking van 18 in die proef. John Bardeen, Walter Houser Brattain en William Bradford Shockley kregen de Nobelprijs voor natuurkunde voor hun werk in 1956.
Oorsprong van de term “transistor “bewerken
Bell Telephone Laboratories hadden een algemene naam nodig voor hun nieuwe uitvinding: “Semiconductor Triode’, ‘Solid Triode’, ‘Surface States Triode’, ‘Crystal Triode’ en ‘Iotatron’ werden allemaal overwogen, maar ’transistor’, bedacht door John R. Pierce, won een interne stemming. De beweegredenen voor de naam worden beschreven in het volgende uittreksel uit de Technical Memoranda van het bedrijf (28 mei 1948) waarin om stemmen wordt gevraagd:
Transistor. Dit is een afgekorte combinatie van de woorden “transconductance” of “transfer”, en “varistor”. Het apparaat behoort logischerwijs tot de varistorfamilie, en heeft de transgeleiding of overdrachtsimpedantie van een apparaat met versterking, zodat deze combinatie beschrijvend is.
Verbetering in transistorontwerpEdit
Shockley was boos over het feit dat het apparaat werd gecrediteerd aan Brattain en Bardeen, die het volgens hem “achter zijn rug om” hadden gebouwd om met de eer te gaan strijken. De zaken werden nog erger toen de advocaten van Bell Labs ontdekten dat enkele van Shockley’s eigen geschriften over de transistor zo dicht bij die van een eerder patent uit 1925 van Julius Edgar Lilienfeld lagen, dat zij het beter vonden dat zijn naam van de patentaanvraag werd weggelaten.
Shockley was woedend, en besloot aan te tonen wie het echte brein van de operatie was. Een paar maanden later vond hij een geheel nieuw, aanzienlijk robuuster type transistor uit met een lagen- of ‘sandwich’-structuur. Deze structuur werd tot in de jaren zestig voor de overgrote meerderheid van alle transistors gebruikt en ontwikkelde zich tot de bipolaire junctietransistor.
Nadat de problemen met de kwetsbaarheid waren opgelost, bleef er nog een probleem over: de zuiverheid. Het maken van germanium met de vereiste zuiverheid bleek een ernstig probleem te zijn, en beperkte de opbrengst van transistors die werkelijk werkten uit een gegeven partij materiaal. Ook de temperatuurgevoeligheid van germanium beperkte de bruikbaarheid ervan. Wetenschappers theoretiseerden dat silicium gemakkelijker te fabriceren zou zijn, maar slechts weinigen onderzochten deze mogelijkheid. Gordon K. Teal was de eerste die een werkende siliciumtransistor ontwikkelde, en zijn bedrijf, het opkomende Texas Instruments, profiteerde van de technologische voorsprong. Vanaf het eind van de jaren 1960 waren de meeste transistors op silicium gebaseerd. Binnen enkele jaren verschenen er op transistor gebaseerde producten op de markt, met name gemakkelijk draagbare radio’s.
De statische inductietransistor, de eerste transistor voor hoge frequenties, werd in 1950 uitgevonden door de Japanse ingenieurs Jun-ichi Nishizawa en Y. Watanabe. Het was de snelste transistor tot in de jaren 1980.
Een belangrijke verbetering van het fabricagerendement kwam er toen een chemicus de bedrijven die halfgeleiders fabriceerden, adviseerde gedestilleerd water te gebruiken in plaats van leidingwater: de in leidingwater aanwezige calciumionen waren de oorzaak van de slechte rendementen. Het “smelten van zones”, een techniek waarbij een band van gesmolten materiaal door het kristal beweegt, verhoogde de kristalzuiverheid nog meer.
Metaal-oxide halfgeleider (MOS)bewerken
In de jaren vijftig onderzocht Mohamed Atalla de oppervlakte-eigenschappen van siliciumhalfgeleiders bij Bell Labs, waar hij een nieuwe methode voor de fabricage van halfgeleiders voorstelde, waarbij een siliciumwafer met een isolerende laag siliciumoxide werd bekleed, zodat elektriciteit op betrouwbare wijze kon doordringen tot het geleidende silicium eronder, waardoor de oppervlaktetoestanden die verhinderden dat elektriciteit de halfgeleidende laag kon bereiken, werden overwonnen. Dit staat bekend als oppervlaktepassivering, een methode die van cruciaal belang werd voor de halfgeleiderindustrie omdat zij de massaproductie van silicium geïntegreerde schakelingen (IC’s) mogelijk maakte. Voortbouwend op zijn oppervlaktepassiveringsmethode ontwikkelde hij het metaaloxidehalfgeleiderproces (MOS), waarvan hij voorstelde dat het kon worden gebruikt om de eerste werkende silicium-veldeffecttransistor (FET) te bouwen. Dit leidde tot de uitvinding van de MOSFET (MOS field-effect transistor) door Mohamed Atalla en Dawon Kahng in 1959. Door zijn schaalbaarheid, veel lager stroomverbruik en hogere dichtheid dan bipolaire junctie-transistoren, werd de MOSFET het meest gebruikte type transistor in computers, elektronica en communicatietechnologie, zoals smartphones. Het US Patent and Trademark Office noemt de MOSFET een “baanbrekende uitvinding die het leven en de cultuur over de hele wereld heeft veranderd”.
CMOS (complementaire MOS) werd in 1963 uitgevonden door Chih-Tang Sah en Frank Wanlass bij Fairchild Semiconductor. De eerste melding van een floating-gate MOSFET werd gemaakt door Dawon Kahng en Simon Sze in 1967. FinFET (fin field-effect transistor), een soort 3D multi-gate MOSFET, werd in 1989 ontwikkeld door Digh Hisamoto en zijn team van onderzoekers bij Hitachi Central Research Laboratory.