Detectorul Cat’s-whiskerEdit
Semiconductorii au fost folosiți în domeniul electronicii cu ceva timp înainte de inventarea tranzistorului. Pe la începutul secolului al XX-lea erau destul de răspândiți ca detectori în radiouri, fiind folosiți într-un dispozitiv numit „mustață de pisică” dezvoltat de Jagadish Chandra Bose și alții. Totuși, aceste detectoare erau oarecum supărătoare, necesitând ca operatorul să deplaseze un mic filament de tungsten (mustața) pe suprafața unui cristal de galenă (sulfură de plumb) sau carborundum (carbură de siliciu) până când acesta începea brusc să funcționeze. Apoi, pe o perioadă de câteva ore sau zile, mustața de pisică înceta încet să mai funcționeze și procesul trebuia repetat. La vremea respectivă, funcționarea lor era complet misterioasă. După introducerea aparatelor de radio mai fiabile și mai amplificate, bazate pe tuburi cu vid, sistemele de tip cat’s whisker au dispărut rapid. „Mustața pisicii” este un exemplu primitiv al unui tip special de diodă încă populară astăzi, numită diodă Schottky.
Redresor metalicEdit
Un alt tip timpuriu de dispozitiv semiconductor este redresorul metalic, în care semiconductorul este oxidul de cupru sau seleniul. Westinghouse Electric (1886) a fost un producător important al acestor redresoare.
Al Doilea Război MondialEdit
În timpul celui de-al Doilea Război Mondial, cercetarea în domeniul radarului a împins rapid receptoarele radar să funcționeze la frecvențe din ce în ce mai mari, iar receptoarele radio tradiționale pe bază de tuburi nu mai funcționau bine. Introducerea magnetronului cu cavitate din Marea Britanie în Statele Unite în 1940, în timpul Misiunii Tizard, a dus la o nevoie urgentă de un amplificator practic de înaltă frecvență.
Prin capriciu, Russell Ohl de la Bell Laboratories a decis să încerce o mustață de pisică. În acel moment, acestea nu mai fuseseră folosite de câțiva ani și nimeni din laboratoare nu avea una. După ce a vânat una la un magazin de radiouri uzate din Manhattan, a constatat că funcționa mult mai bine decât sistemele bazate pe tuburi.
Ohl a investigat de ce funcționa atât de bine mustața de pisică. Și-a petrecut cea mai mare parte a anului 1939 încercând să cultive versiuni mai pure ale cristalelor. În curând a constatat că, cu cristale de calitate superioară, comportamentul lor pretențios a dispărut, dar și capacitatea lor de a funcționa ca detector radio. Într-o zi, a găsit unul dintre cele mai pure cristale ale sale care funcționa totuși bine și care avea o fisură clar vizibilă aproape de mijloc. Cu toate acestea, în timp ce se deplasa prin cameră încercând să îl testeze, detectorul funcționa în mod misterios, apoi se oprea din nou. După câteva studii, a descoperit că acest comportament era controlat de lumina din încăpere – mai multă lumină provoca o conductanță mai mare în cristal. El a invitat alte câteva persoane să vadă acest cristal, iar Walter Brattain și-a dat seama imediat că exista un fel de joncțiune la fisură.
Cercetarea ulterioară a elucidat misterul rămas. Cristalul se fisurase deoarece fiecare parte conținea cantități foarte ușor diferite de impurități pe care Ohl nu le putea elimina – aproximativ 0,2%. O parte a cristalului avea impurități care adăugau electroni în plus (purtătorii de curent electric) și îl făceau „conductor”. Cealaltă parte avea impurități care doreau să se lege de acești electroni, făcându-l (ceea ce el a numit) un „izolator”. Deoarece cele două părți ale cristalului erau în contact una cu cealaltă, electronii puteau fi împinși în afara părții conductoare care avea electroni în plus (denumită în curând „emițător”) și înlocuiți cu alții noi care erau furnizați (de la o baterie, de exemplu), de unde se scurgeau în porțiunea izolatoare și erau colectați de filamentul de mustăți (denumit „colector”). Cu toate acestea, atunci când tensiunea este inversată, electronii împinși în colector ar umple rapid „găurile” (impuritățile care au nevoie de electroni), iar conducția s-ar opri aproape instantaneu. Această joncțiune a celor două cristale (sau părți ale unui cristal) a creat o diodă de stare solidă, iar conceptul a devenit curând cunoscut sub numele de semiconducție. Mecanismul de acțiune atunci când dioda este oprită are de-a face cu separarea purtătorilor de sarcină în jurul joncțiunii. Aceasta se numește „regiune de epuizare”.
Dezvoltarea diodeiEdit
Înarmați cu cunoștințele despre cum funcționează aceste noi diode, a început un efort viguros pentru a învăța cum să le construiască la cerere. Echipe de la Universitatea Purdue, Bell Labs, MIT și Universitatea din Chicago și-au unit forțele pentru a construi cristale mai bune. În decurs de un an, producția de germaniu a fost perfecționată până la punctul în care diodele de calitate militară erau folosite în majoritatea aparatelor radar.
Dezvoltarea tranzistoruluiEdit
După război, William Shockley a decis să încerce construirea unui dispozitiv semiconductor de tip triode. El a obținut finanțare și spațiu de laborator și a început să lucreze la această problemă împreună cu Brattain și John Bardeen.
Cheia pentru dezvoltarea tranzistorului a fost înțelegerea mai profundă a procesului de mobilitate a electronilor într-un semiconductor. S-a realizat că dacă ar exista o modalitate de a controla fluxul de electroni de la emitor la colector al acestei diode nou descoperite, s-ar putea construi un amplificator. De exemplu, dacă contactele sunt plasate pe ambele părți ale unui singur tip de cristal, curentul nu va trece între ele prin cristal. Cu toate acestea, dacă un al treilea contact ar putea apoi „injecta” electroni sau găuri în material, curentul ar curge.
De fapt, realizarea acestui lucru părea să fie foarte dificilă. Dacă cristalul ar avea o dimensiune rezonabilă, numărul de electroni (sau găuri necesare pentru a fi injectați ar trebui să fie foarte mare, ceea ce îl face mai puțin util ca amplificator, deoarece ar necesita un curent de injecție mare pentru început. Acestea fiind spuse, întreaga idee a diodei de cristal a fost aceea că cristalul însuși ar putea furniza electronii pe o distanță foarte mică, regiunea de epuizare. Cheia părea să fie plasarea contactelor de intrare și de ieșire foarte apropiate pe suprafața cristalului, de o parte și de alta a acestei regiuni.
Brattain a început să lucreze la construirea unui astfel de dispozitiv, iar indicii tentante de amplificare au continuat să apară pe măsură ce echipa a lucrat la această problemă. Uneori, sistemul funcționa, dar apoi se oprea în mod neașteptat. Într-un caz, un sistem care nu funcționa a început să funcționeze atunci când a fost plasat în apă. Ohl și Brattain au dezvoltat în cele din urmă o nouă ramură a mecanicii cuantice, care a devenit cunoscută sub numele de fizica suprafețelor, pentru a explica acest comportament. Electronii din orice bucată a cristalului ar fi migrat din cauza sarcinilor din apropiere. Electronii din emițători, sau „găurile” din colectori, s-ar grupa la suprafața cristalului, unde ar putea găsi sarcina lor opusă „plutind” în aer (sau în apă). Cu toate acestea, ei ar putea fi împinși departe de suprafață prin aplicarea unei cantități mici de sarcină din orice alt loc de pe cristal. În loc să fie nevoie de o cantitate mare de electroni injectați, un număr foarte mic în locul potrivit pe cristal ar realiza același lucru.
Înțelegerea lor a rezolvat într-o oarecare măsură problema necesității unei zone de control foarte mici. În loc să fie nevoie de doi semiconductori separați conectați printr-o regiune comună, dar minusculă, ar servi o singură suprafață mai mare. Conductorii emițători și colectori de electroni ar fi plasați amândoi foarte aproape unul de celălalt, pe partea superioară, iar conductorul de control ar fi plasat la baza cristalului. Când curentul ar trece prin acest conductor „de bază”, electronii sau găurile ar fi împinși afară, peste blocul de semiconductor, și s-ar colecta pe suprafața îndepărtată. Atâta timp cât emițătorul și colectorul erau foarte apropiate, acest lucru ar trebui să permită destui electroni sau găuri între ele pentru a permite începerea conducției.
Primul tranzistorEdit
Echipa Bell a făcut multe încercări de a construi un astfel de sistem cu diverse instrumente, dar în general a eșuat. Instalațiile în care contactele erau suficient de apropiate erau invariabil la fel de fragile ca și detectoarele originale ale mustăților de pisică și funcționau pentru scurt timp, dacă funcționau. În cele din urmă, au făcut o descoperire practică. O bucată de folie de aur a fost lipită de marginea unei pene de plastic, iar apoi folia a fost tăiată cu o lamă de ras la vârful triunghiului. Rezultatul a fost două contacte de aur foarte apropiate între ele. Atunci când cuanta a fost împinsă în jos pe suprafața unui cristal și s-a aplicat o tensiune pe cealaltă parte (pe baza cristalului), curentul a început să circule de la un contact la celălalt, deoarece tensiunea de bază împingea electronii de la bază spre cealaltă parte, în apropierea contactelor. Tranzistorul cu contact punctual fusese inventat.
În timp ce dispozitivul fusese construit cu o săptămână mai devreme, notele lui Brattain descriu prima demonstrație făcută în fața superiorilor de la Bell Labs în după-amiaza zilei de 23 decembrie 1947, dată adesea ca fiind data de naștere a tranzistorului. Ceea ce este cunoscut acum sub numele de „tranzistorul de germaniu cu contact punctual p-n-p” a funcționat ca un amplificator de vorbire cu un câștig de putere de 18 în acea încercare. John Bardeen, Walter Houser Brattain și William Bradford Shockley au primit Premiul Nobel pentru fizică în 1956 pentru munca lor.
Bell Telephone Laboratories avea nevoie de un nume generic pentru noua lor invenție: „Semiconductor Triode”, „Solid Triode”, „Surface States Triode” , „Crystal Triode” și „Iotatron” au fost toate luate în considerare, dar „tranzistor”, inventat de John R. Pierce, a câștigat un vot intern. Raționamentul pentru acest nume este descris în următorul extras din Memorandumurile tehnice ale companiei (28 mai 1948) prin care se solicită voturi:
Transistor. Aceasta este o combinație prescurtată a cuvintelor „transconductanță” sau „transfer”, și „varistor”. Dispozitivul aparține în mod logic familiei varistoarelor și are transconductanța sau impedanța de transfer a unui dispozitiv care are câștig, astfel încât această combinație este descriptivă.
Îmbunătățiri în proiectarea tranzistoruluiEdit
Shockley era supărat de faptul că dispozitivul era creditat lui Brattain și Bardeen, despre care considera că îl construiseră „pe la spatele lui” pentru a lua gloria. Lucrurile s-au înrăutățit când avocații de la Bell Labs au descoperit că unele dintre scrierile lui Shockley despre tranzistor erau suficient de apropiate de cele ale unui brevet anterior, din 1925, al lui Julius Edgar Lilienfeld, încât au considerat că este mai bine ca numele său să nu fie trecut în cererea de brevet.
Shockley a fost revoltat și a decis să demonstreze cine a fost adevăratul creier al operațiunii. Câteva luni mai târziu a inventat un tip de tranzistor cu totul nou, considerabil mai robust, cu o structură în straturi sau „sandwich”. Această structură a continuat să fie folosită pentru marea majoritate a tuturor tranzistoarelor până în anii 1960 și a evoluat în tranzistorul bipolar cu joncțiune.
După ce problemele de fragilitate au fost rezolvate, o problemă rămasă era puritatea. Fabricarea germaniului cu puritatea necesară s-a dovedit a fi o problemă serioasă și a limitat randamentul tranzistoarelor care funcționau cu adevărat dintr-un anumit lot de material. Sensibilitatea germaniului la temperatură îi limita, de asemenea, utilitatea. Oamenii de știință au emis o teorie conform căreia siliciul ar fi mai ușor de fabricat, dar puțini au investigat această posibilitate. Gordon K. Teal a fost primul care a dezvoltat un tranzistor de siliciu funcțional, iar compania sa, Texas Instruments, aflată la început de drum, a profitat de avantajul său tehnologic. De la sfârșitul anilor 1960, majoritatea tranzistoarelor au fost pe bază de siliciu. În câțiva ani au apărut pe piață produse pe bază de tranzistori, mai ales radiouri ușor portabile.
Transistorul cu inducție statică, primul tranzistor de înaltă frecvență, a fost inventat de inginerii japonezi Jun-ichi Nishizawa și Y. Watanabe în 1950. A fost cel mai rapid tranzistor până în anii 1980.
O îmbunătățire majoră a randamentului de fabricație a venit atunci când un chimist a sfătuit companiile care fabricau semiconductori să folosească apă distilată în loc de apă de la robinet: ionii de calciu prezenți în apa de la robinet erau cauza randamentelor slabe. „Topirea pe zone”, o tehnică care folosește o bandă de material topit care se deplasează prin cristal, a crescut și mai mult puritatea cristalului.
Semiconductor metal-oxid (MOS)Edit
În anii 1950, Mohamed Atalla a investigat proprietățile de suprafață ale semiconductorilor de siliciu la Bell Labs, unde a propus o nouă metodă de fabricare a dispozitivelor semiconductoare, acoperind o placă de siliciu cu un strat izolator de oxid de siliciu, astfel încât electricitatea să poată pătrunde în mod fiabil până la siliciul conductor de dedesubt, depășind stările de suprafață care împiedicau electricitatea să ajungă la stratul semiconductor. Acest procedeu este cunoscut sub numele de pasivare de suprafață, o metodă care a devenit esențială pentru industria semiconductorilor, deoarece a făcut posibilă producerea în masă a circuitelor integrate (IC) din siliciu. Bazându-se pe metoda sa de pasivare a suprafeței, a dezvoltat procesul MOS (Metal Oxide Semiconductor), despre care a propus că ar putea fi folosit pentru a construi primul tranzistor cu efect de câmp (FET) din siliciu funcțional. Acest lucru a dus la inventarea MOSFET (tranzistor cu efect de câmp MOS) de către Mohamed Atalla și Dawon Kahng în 1959. Datorită scalabilității sale, precum și a consumului de energie mult mai mic și a densității mai mari decât tranzistorii cu joncțiune bipolară, MOSFET-ul a devenit cel mai răspândit tip de tranzistor în computere, electronică și tehnologia comunicațiilor, cum ar fi smartphone-urile. US Patent and Trademark Office numește MOSFET-ul o „invenție revoluționară care a transformat viața și cultura din întreaga lume”.
CMOS (complementary MOS) a fost inventat de Chih-Tang Sah și Frank Wanlass la Fairchild Semiconductor în 1963. Primul raport al unui MOSFET cu poartă flotantă a fost realizat de Dawon Kahng și Simon Sze în 1967. FinFET (fin field-effect transistor), un tip de MOSFET multi-gate 3D, a fost dezvoltat de Digh Hisamoto și echipa sa de cercetători de la Hitachi Central Research Laboratory în 1989.
.