Cat’s-whisker detectorEdit
Półprzewodniki były stosowane w elektronice już od jakiegoś czasu przed wynalezieniem tranzystora. Około przełomu XIX i XX wieku były dość powszechne jako detektory w radioodbiornikach, stosowane w urządzeniu zwanym „kocim wąsem” opracowanym przez Jagadisha Chandrę Bose i innych. Detektory te były nieco kłopotliwe, jednak, wymagające operatora, aby przenieść małe włókno wolframu (wisker) wokół powierzchni galeny (siarczek ołowiu) lub karborund (węglik krzemu) kryształ aż nagle zaczął działać. Następnie, w ciągu kilku godzin lub dni, koci wisker powoli przestanie działać i proces musiałby być powtórzony. W owym czasie ich działanie było całkowicie tajemnicze. Po wprowadzeniu bardziej niezawodnych i wzmacniających radioodbiorników opartych na lampach próżniowych, systemy „kocich trzepaczek” szybko zniknęły. Koci wąsik” jest prymitywnym przykładem popularnego do dziś specjalnego typu diody, zwanej diodą Schottky’ego.
Prostownik metalowyEdit
Innym wczesnym typem urządzenia półprzewodnikowego jest prostownik metalowy, w którym półprzewodnikiem jest tlenek miedzi lub selen. Firma Westinghouse Electric (1886) była głównym producentem tych prostowników.
II wojna światowaEdit
Podczas II wojny światowej badania nad radarem szybko popchnęły odbiorniki radarowe do pracy na coraz wyższych częstotliwościach, a tradycyjne odbiorniki radiowe oparte na lampach nie działały już dobrze. Wprowadzenie magnetronu wnękowego z Wielkiej Brytanii do Stanów Zjednoczonych w 1940 roku podczas misji Tizard spowodowało pilne zapotrzebowanie na praktyczny wzmacniacz wysokiej częstotliwości.
Dla kaprysu, Russell Ohl z Bell Laboratories postanowił wypróbować koci wąsik. W tym momencie nie były one używane od wielu lat i nikt w laboratorium ich nie posiadał. Po upolowaniu jednego w sklepie z używanymi radiami na Manhattanie stwierdził, że działa on znacznie lepiej niż systemy oparte na lampach.
Ohl zbadał, dlaczego koci wąs działał tak dobrze. Większość 1939 roku spędził na próbach wyhodowania czystszych wersji kryształów. Wkrótce odkrył, że z kryształami wyższej jakości ich delikatne zachowanie zniknęło, ale zniknęła też ich zdolność do działania jako detektor radiowy. Pewnego dnia znalazł jeden ze swoich najczystszych kryształów, który jednak działał dobrze i miał wyraźnie widoczne pęknięcie w pobliżu środka. Jednak gdy poruszał się po pokoju, próbując go przetestować, wykrywacz w tajemniczy sposób działał, a potem znów się zatrzymywał. Po pewnych badaniach odkrył, że zachowanie to było kontrolowane przez światło w pokoju – więcej światła powodowało większe przewodnictwo w krysztale. Zaprosił kilka innych osób do obejrzenia tego kryształu, a Walter Brattain natychmiast zdał sobie sprawę, że w miejscu pęknięcia znajduje się jakiś rodzaj złącza.
Dalsze badania wyjaśniły pozostałą tajemnicę. Kryształ pękł, ponieważ po obu stronach znajdowały się bardzo nieznacznie różne ilości zanieczyszczeń, których Ohl nie mógł usunąć – około 0,2%. Jedna strona kryształu miała zanieczyszczenia, które dodały dodatkowe elektrony (nośniki prądu elektrycznego) i uczyniły go „przewodnikiem”. Druga strona zawierała zanieczyszczenia, które chciały związać się z tymi elektronami, czyniąc ją (jak to nazwał) „izolatorem”. Ponieważ te dwie części kryształu stykały się ze sobą, elektrony mogły być wypychane ze strony przewodzącej, która posiadała dodatkowe elektrony (wkrótce nazwanej emiterem) i zastępowane nowymi, które były dostarczane (na przykład z baterii), gdzie przepływały do części izolującej i były zbierane przez włókno wiskera (nazwane kolektorem). Jednakże, gdy napięcie zostanie odwrócone, elektrony wpychane do kolektora szybko wypełnią „dziury” (zanieczyszczenia wymagające elektronów) i przewodzenie zostanie niemal natychmiast przerwane. Takie połączenie dwóch kryształów (lub części jednego kryształu) stworzyło diodę półprzewodnikową, a koncepcja ta wkrótce stała się znana jako półprzewodnictwo. Mechanizm działania, gdy dioda jest wyłączona, związany jest z separacją nośników ładunku wokół złącza. Nazywa się to „regionem zubożenia”.
Rozwój diodyEdit
Uzbrojeni w wiedzę o tym, jak działały te nowe diody, podjęliśmy energiczne wysiłki, aby nauczyć się budować je na zamówienie. Zespoły z Purdue University, Bell Labs, MIT i University of Chicago połączyły siły, aby zbudować lepsze kryształy. W ciągu roku produkcja germanu została udoskonalona do tego stopnia, że diody klasy wojskowej były używane w większości zestawów radarowych.
Rozwój tranzystoraEdit
Po wojnie William Shockley postanowił podjąć próbę zbudowania triodopodobnego urządzenia półprzewodnikowego. Zapewnił sobie finansowanie i miejsce w laboratorium, po czym wraz z Brattainem i Johnem Bardeenem przystąpił do pracy nad problemem.
Kluczem do rozwoju tranzystora było dalsze zrozumienie procesu ruchliwości elektronów w półprzewodniku. Zdano sobie sprawę, że gdyby istniał jakiś sposób na kontrolowanie przepływu elektronów z emitera do kolektora tej nowo odkrytej diody, można by zbudować wzmacniacz. Na przykład, jeśli styki są umieszczone po obu stronach jednego typu kryształu, prąd nie będzie płynął pomiędzy nimi przez kryształ. Jeśli jednak trzeci kontakt mógłby „wstrzyknąć” elektrony lub dziury do materiału, prąd by popłynął.
Właściwie zrobienie tego okazało się bardzo trudne. Jeśli kryształ byłby jakiejkolwiek rozsądnej wielkości, liczba elektronów (lub dziur) wymaganych do wstrzyknięcia musiałaby być bardzo duża, co czyni go mniej niż użytecznym jako wzmacniacz, ponieważ wymagałby dużego prądu wstrzyknięcia na początek. Cała idea diody krystalicznej polegała na tym, że sam kryształ mógł dostarczać elektrony na bardzo małą odległość, region zubożenia. Kluczem okazało się umieszczenie styków wejściowych i wyjściowych bardzo blisko siebie na powierzchni kryształu, po obu stronach tego regionu.
Brattain rozpoczął pracę nad zbudowaniem takiego urządzenia, a tantalizujące wskazówki wzmocnienia nadal się pojawiały, gdy zespół pracował nad problemem. Czasami system działał, ale potem niespodziewanie przestawał działać. W jednym przypadku niedziałający układ zaczął działać po umieszczeniu go w wodzie. Ohl i Brattain w końcu opracowali nową gałąź mechaniki kwantowej, która stała się znana jako fizyka powierzchni, aby wyjaśnić to zachowanie. Elektrony w każdym fragmencie kryształu migrowałyby z powodu pobliskich ładunków. Elektrony w emiterach, lub „dziury” w kolektorach, skupiały się przy powierzchni kryształu, gdzie mogły znaleźć swój przeciwny ładunek „unoszący się” w powietrzu (lub wodzie). Jednak mogłyby one zostać odepchnięte od powierzchni poprzez przyłożenie niewielkiej ilości ładunku z dowolnego innego miejsca na krysztale. Zamiast potrzebować duży zapas wstrzykniętych elektronów, bardzo mała liczba w odpowiednim miejscu na krysztale osiągnęłaby to samo.
Ich zrozumienie rozwiązało problem potrzeby bardzo małego obszaru kontrolnego do pewnego stopnia. Zamiast potrzebować dwa oddzielne półprzewodniki połączone przez wspólnego, ale maleńki, region, pojedynczy większa powierzchnia będzie służyć. Przewody emitujące i zbierające elektrony byłyby umieszczone bardzo blisko siebie na górze, a przewód sterujący znajdowałby się na podstawie kryształu. Gdy prąd płynął przez to wyprowadzenie „bazowe”, elektrony lub dziury byłyby wypychane na zewnątrz, w poprzek bloku półprzewodnika i gromadziłyby się na dalszej powierzchni. Tak długo, jak emiter i kolektor były bardzo blisko siebie, powinno to pozwolić na wystarczającą ilość elektronów lub dziur pomiędzy nimi, aby umożliwić rozpoczęcie przewodzenia.
Pierwszy tranzystorEdit
Zespół Bella podjął wiele prób zbudowania takiego układu za pomocą różnych narzędzi, ale na ogół kończyły się one niepowodzeniem. Układy, w których styki były wystarczająco blisko siebie, były niezmiennie tak kruche, jak oryginalne detektory kocich wąsów, i działały krótko, jeśli w ogóle. W końcu udało się dokonać praktycznego przełomu. Kawałek złotej folii został przyklejony do krawędzi plastikowego klina, a następnie folia została przecięta brzytwą na czubku trójkąta. W rezultacie otrzymano dwa bardzo blisko siebie położone styki złota. Kiedy klin został wciśnięty na powierzchnię kryształu i przyłożono napięcie po drugiej stronie (na podstawie kryształu), prąd zaczął płynąć z jednego styku do drugiego, ponieważ napięcie podstawy wypychało elektrony z podstawy w kierunku drugiej strony w pobliżu styków. Tranzystor punktowy został wynaleziony.
Pomimo, że urządzenie zostało skonstruowane tydzień wcześniej, notatki Brattaina opisują pierwszą demonstrację dla wyższych urzędników w Bell Labs po południu 23 grudnia 1947 roku, co często podaje się jako datę narodzin tranzystora. To, co obecnie znane jest jako „tranzystor germanowy p-n-p point-contact”, działało w tej próbie jako wzmacniacz mowy o wzmocnieniu 18 stopni. Za swoją pracę John Bardeen, Walter Houser Brattain i William Bradford Shockley otrzymali w 1956 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.
Pochodzenie terminu „tranzystor „Edycja
Bell Telephone Laboratories potrzebowało nazwy ogólnej dla swojego nowego wynalazku: „Semiconductor Triode”, „Solid Triode”, „Surface States Triode” , „Crystal Triode” i „Iotatron” były brane pod uwagę, ale „tranzystor”, ukuty przez Johna R. Pierce’a, wygrał wewnętrzne głosowanie. Uzasadnienie nazwy jest opisane w poniższym fragmencie z firmowego Memorandum Technicznego (28 maja 1948) wzywającego do głosowania:
Tranzystor. Jest to skrótowa kombinacja słów „transconductance” lub „transfer”, oraz „varistor”. Urządzenie logicznie należy do rodziny warystorów i ma transkonduktancję lub impedancję przenoszenia urządzenia posiadającego wzmocnienie, tak że ta kombinacja jest opisowa.
Ulepszenia w projektowaniu tranzystorówEdit
Shockley był zdenerwowany tym, że urządzenie zostało przypisane Brattainowi i Bardeenowi, którzy, jak czuł, zbudowali je „za jego plecami”, aby zgarnąć chwałę. Sprawy pogorszyły się, gdy prawnicy Bell Labs odkryli, że niektóre z tekstów Shockleya na temat tranzystora były na tyle zbliżone do tych z wcześniejszego patentu Juliusa Edgara Lilienfelda z 1925 roku, że uznali, iż najlepiej będzie, jeśli jego nazwisko zostanie usunięte z wniosku patentowego.
Shockley był wściekły i postanowił pokazać, kto jest prawdziwym mózgiem całej operacji. Kilka miesięcy później wynalazł zupełnie nowy, znacznie bardziej wytrzymały typ tranzystora o strukturze warstwowej lub „kanapkowej”. Struktura ta była wykorzystywana w większości tranzystorów w latach sześćdziesiątych i przekształciła się w bipolarny tranzystor złączowy.
Po rozwiązaniu problemów z kruchością, pozostałym problemem była czystość. Uzyskanie germanu o wymaganej czystości okazywało się poważnym problemem i ograniczało wydajność tranzystorów, które rzeczywiście działały z danej partii materiału. Wrażliwość germanu na temperaturę również ograniczała jego użyteczność. Naukowcy teoretyzowali, że krzem byłby łatwiejszy w produkcji, ale niewielu zbadało tę możliwość. Gordon K. Teal jako pierwszy opracował działający tranzystor krzemowy, a jego firma, powstająca właśnie Texas Instruments, skorzystała z przewagi technologicznej. Od końca lat 60. większość tranzystorów była oparta na krzemie. W ciągu kilku lat na rynku pojawiły się produkty oparte na tranzystorach, przede wszystkim łatwe do przenoszenia radia.
Statyczny tranzystor indukcyjny, pierwszy tranzystor wysokiej częstotliwości, został wynaleziony przez japońskich inżynierów Jun-ichi Nishizawę i Y. Watanabe w 1950 roku. Był to najszybszy tranzystor aż do lat 80-tych.
Znacząca poprawa wydajności produkcji nastąpiła, gdy chemik doradził firmom produkującym półprzewodniki, aby używały wody destylowanej, a nie kranowej: jony wapnia obecne w wodzie kranowej były przyczyną słabej wydajności. „Topienie strefowe”, technika wykorzystująca pasmo stopionego materiału przesuwające się przez kryształ, jeszcze bardziej zwiększyła czystość kryształu.
Półprzewodnik metal-tlenek (MOS)Edycja
W latach pięćdziesiątych Mohamed Atalla badał właściwości powierzchniowe półprzewodników krzemowych w Bell Labs, gdzie zaproponował nową metodę wytwarzania przyrządów półprzewodnikowych, pokrywając płytkę krzemową izolacyjną warstwą tlenku krzemu, aby elektryczność mogła niezawodnie przenikać do przewodzącego krzemu poniżej, pokonując stany powierzchniowe, które uniemożliwiały elektryczności dotarcie do warstwy półprzewodzącej. Metoda ta stała się kluczowa dla przemysłu półprzewodnikowego, ponieważ umożliwiła masową produkcję krzemowych układów scalonych (IC). Opierając się na swojej metodzie pasywacji powierzchniowej, opracował proces wytwarzania półprzewodników z tlenków metali (MOS), który według jego propozycji mógł być wykorzystany do budowy pierwszego działającego krzemowego tranzystora polowego (FET). Doprowadziło to do wynalezienia tranzystora MOSFET (MOS field-effect transistor) przez Mohameda Atalla i Dawona Kahng w 1959 roku. Dzięki swojej skalowalności, znacznie niższemu zużyciu energii i większej gęstości niż tranzystory bipolarne, MOSFET stał się najbardziej rozpowszechnionym typem tranzystora w komputerach, elektronice i technologiach komunikacyjnych, takich jak smartfony. US Patent and Trademark Office nazywa MOSFET „przełomowym wynalazkiem, który odmienił życie i kulturę na całym świecie”.
CMOS (komplementarny MOS) został wynaleziony przez Chih-Tang Sah i Franka Wanlassa w Fairchild Semiconductor w 1963 roku. Pierwsze doniesienie o MOSFET z pływającą bramką zostało wykonane przez Dawona Kahng i Simona Sze w 1967 roku. FinFET (fin field-effect transistor), rodzaj wielobramkowego tranzystora MOSFET 3D, został opracowany przez Digh Hisamoto i jego zespół badaczy z Hitachi Central Research Laboratory w 1989 roku.
.