Halvledarenhet

KattvischanalysdetektorRedigera

Halvledare hade använts inom elektronikområdet en tid innan transistorn uppfanns. Runt sekelskiftet 1900 var de ganska vanliga som detektorer i radioapparater, och användes i en anordning som kallades ”cat’s whisker” och som utvecklades av Jagadish Chandra Bose och andra. Dessa detektorer var dock något besvärliga, eftersom de krävde att operatören flyttade en liten volframtråd (whiskern) runt ytan på en kristall av galena (blysulfid) eller karborundum (kiselkarbid) tills den plötsligt började fungera. Sedan, under en period av några timmar eller dagar, slutade kattens morrhår långsamt att fungera och processen måste upprepas. På den tiden var deras funktion helt mystisk. Efter introduktionen av de mer tillförlitliga och förstärkta vakuumrörsbaserade radioapparaterna försvann kattvischanordningarna snabbt. ”Kattens whisker” är ett primitivt exempel på en speciell typ av diod som fortfarande är populär idag, kallad Schottky-diod.

MetalllikriktareRedigera

En annan tidig typ av halvledaranordning är metalllikriktare där halvledaren är kopparoxid eller selen. Westinghouse Electric (1886) var en stor tillverkare av dessa likriktare.

Andra världskrigetRedigera

Under andra världskriget drev radarforskningen snabbt fram radarmottagare till att arbeta vid allt högre frekvenser och de traditionella rörbaserade radiomottagarna fungerade inte längre bra. Införandet av kavitetsmagnetronen från Storbritannien till USA 1940 under Tizard-uppdraget resulterade i ett trängande behov av en praktisk högfrekvensförstärkare.

På ett infall bestämde sig Russell Ohl på Bell Laboratories för att prova ett kattvajer. Vid det här laget hade de inte använts på ett antal år och ingen på laboratorierna hade en sådan. Efter att ha letat upp en i en begagnad radioaffär på Manhattan fann han att den fungerade mycket bättre än rörbaserade system.

Ohl undersökte varför kattens whisker fungerade så bra. Han ägnade större delen av 1939 åt att försöka odla renare versioner av kristallerna. Han fann snart att med kristaller av högre kvalitet försvann deras finurliga beteende, men även deras förmåga att fungera som radiodetektor. En dag hittade han en av sina renaste kristaller som ändå fungerade bra, och den hade en tydligt synlig spricka nära mitten. När han rörde sig i rummet och försökte testa den fungerade detektorn på ett mystiskt sätt och stannade sedan igen. Efter en del studier fann han att beteendet styrdes av ljuset i rummet – mer ljus orsakade mer konduktivitet i kristallen. Han bjöd in flera andra personer för att se denna kristall, och Walter Brattain insåg genast att det fanns någon form av förbindelse vid sprickan.

Närmare forskning klargjorde det återstående mysteriet. Kristallen hade spruckit på grund av att båda sidorna innehöll mycket lite olika mängder av de föroreningar som Ohl inte kunde avlägsna – cirka 0,2 procent. Den ena sidan av kristallen hade föroreningar som tillförde extra elektroner (bärare av elektrisk ström) och gjorde den till en ”ledare”. Den andra sidan hade föroreningar som ville binda sig till dessa elektroner och gjorde den till (vad han kallade) en ”isolator”. Eftersom de två delarna av kristallen var i kontakt med varandra kunde elektronerna tryckas ut från den ledande sidan som hade extra elektroner (som snart kom att kallas emittern) och ersättas av nya som tillfördes (från ett batteri, till exempel) där de flödade in i den isolerande delen och samlades upp av whiskerfilamentet (som kallades kollektorn). När spänningen vändes skulle emellertid de elektroner som pressades in i kollektorn snabbt fylla ”hålen” (de elektronbehövande orenheterna), och ledningen skulle upphöra nästan omedelbart. Denna sammanfogning av de två kristallerna (eller delar av en kristall) skapade en halvledardiod, och konceptet blev snart känt som halvledning. Verkningsmekanismen när dioden är avstängd har att göra med separationen av laddningsbärare runt övergångsstället. Detta kallas en ”depletion region”.

Utveckling av diodEdit

Med kunskapen om hur dessa nya dioder fungerade inleddes ett kraftfullt arbete för att lära sig att bygga dem på beställning. Grupper vid Purdue University, Bell Labs, MIT och University of Chicago slog sig samman för att bygga bättre kristaller. Inom ett år hade germaniumproduktionen fulländats till den grad att dioder av militär kvalitet användes i de flesta radarapparater.

Utveckling av transistornRedigera

Efter kriget bestämde sig William Shockley för att försöka bygga en triodliknande halvledarenhet. Han säkrade finansiering och laboratorieutrymme och började arbeta med problemet tillsammans med Brattain och John Bardeen.

Nyckeln till utvecklingen av transistorn var den ytterligare förståelsen av processen för elektronernas rörlighet i en halvledare. Man insåg att om det fanns något sätt att styra elektronernas flöde från emittern till kollektorn i denna nyupptäckta diod, skulle man kunna bygga en förstärkare. Om kontakter till exempel placeras på båda sidor av en enda typ av kristall kommer strömmen inte att flöda mellan dem genom kristallen. Men om en tredje kontakt sedan kunde ”injicera” elektroner eller hål i materialet skulle strömmen flöda.

Det visade sig faktiskt vara mycket svårt att göra detta. Om kristallen var av någon rimlig storlek skulle antalet elektroner (eller hål) som krävdes för att injiceras behöva vara mycket stort, vilket gjorde den mindre användbar som förstärkare eftersom det skulle krävas en stor injektionsström till att börja med. Hela idén med kristalldioden var dock att kristallen i sig själv skulle kunna tillhandahålla elektronerna över ett mycket litet avstånd, utarmningsområdet. Nyckeln tycktes vara att placera ingångs- och utgångskontakterna mycket nära varandra på kristallens yta på vardera sidan av detta område.

Brattain började arbeta med att bygga en sådan anordning, och lockande antydningar om förstärkning fortsatte att dyka upp allteftersom teamet arbetade med problemet. Ibland fungerade systemet men slutade sedan oväntat att fungera. I ett fall började ett icke fungerande system fungera när det placerades i vatten. Ohl och Brattain utvecklade så småningom en ny gren av kvantmekaniken, som blev känd som ytfysik, för att förklara beteendet. Elektronerna i en del av kristallen skulle vandra runt på grund av närliggande laddningar. Elektroner i emittenterna, eller ”hålen” i kollektorerna, skulle samlas vid kristallens yta där de kunde hitta sin motsatta laddning som ”flyter runt” i luften (eller vattnet). De kan dock skjutas bort från ytan med hjälp av en liten mängd laddning från någon annan plats på kristallen. Istället för att behöva en stor mängd injicerade elektroner skulle ett mycket litet antal på rätt plats på kristallen åstadkomma samma sak.

Deras förståelse löste i viss mån problemet med att behöva ett mycket litet kontrollområde. Istället för att behöva två separata halvledare som är förbundna med ett gemensamt, men litet, område, skulle en enda större yta fungera. Den elektronemitterande och den elektronuppsamlande ledningen skulle båda placeras mycket nära varandra på ovansidan, med kontrollledningen placerad på kristallens bas. När strömmen flödade genom denna ”bas”-ledning skulle elektronerna eller hålen skjutas ut över halvledarblocket och samlas på den bortre ytan. Så länge emittern och kollektorn låg mycket nära varandra skulle detta tillåta tillräckligt många elektroner eller hål mellan dem för att ledningen skulle starta.

Den första transistornRedigera

En stiliserad kopia av den första transistorn

Bell-teamet gjorde många försök att bygga ett sådant system med olika verktyg, men misslyckades i allmänhet. Uppställningar där kontakterna var tillräckligt nära varandra var undantagslöst lika bräckliga som de ursprungliga kattfjärilsdetektorerna hade varit, och fungerade kortvarigt, om ens alls. Så småningom fick de ett praktiskt genombrott. En bit guldfolie limmades fast på kanten av en plastkil, och sedan skars folien upp med ett rakblad vid triangelns spets. Resultatet blev två mycket tätt intill varandra liggande guldkontakter. När kilen trycktes ner på ytan av en kristall och spänning lades på den andra sidan (på kristallens bas) började strömmen flöda från den ena kontakten till den andra eftersom basspänningen tryckte bort elektronerna från basen till den andra sidan nära kontakterna. Punktkontakttransistorn hade uppfunnits.

Men även om anordningen konstruerades en vecka tidigare, beskriver Brattain i sina anteckningar den första demonstrationen för högre chefer vid Bell Labs på eftermiddagen den 23 december 1947, vilket ofta anges som transistorens födelsedatum. Det som nu är känt som ”p-n-p point-contact germaniumtransistor” fungerade som en talförstärkare med en effektförstärkning på 18 i det försöket. John Bardeen, Walter Houser Brattain och William Bradford Shockley tilldelades 1956 Nobelpriset i fysik för sitt arbete.

Ursprunget till termen ”transistor ”Edit

Bell Telephone Laboratories behövde ett generiskt namn för sin nya uppfinning: Man övervägde ”Semiconductor Triode”, ”Solid Triode”, ”Surface States Triode”, ”Crystal Triode” och ”Iotatron”, men ”transistor”, som myntades av John R. Pierce, vann en intern omröstning. Motiveringen till namnet beskrivs i följande utdrag ur företagets Technical Memoranda (28 maj 1948) där man uppmanade till röstning:

Transistor. Detta är en förkortad kombination av orden ”transkonduktans” eller ”överföring” och ”varistor”. Anordningen hör logiskt sett till varistorfamiljen och har transkonduktans eller överföringsimpedans för en anordning med förstärkning, så att denna kombination är beskrivande.

Förbättringar i transistordesignRedigera

Shockley var upprörd över att anordningen krediterades Brattain och Bardeen, som han ansåg hade byggt den ”bakom hans rygg” för att ta åt sig äran. Saker och ting blev värre när Bell Labs jurister upptäckte att vissa av Shockleys egna skrifter om transistorn låg tillräckligt nära dem i ett tidigare patent från 1925 av Julius Edgar Lilienfeld för att de tyckte att det var bäst att hans namn inte fanns med i patentansökan.

Shockley var rasande och bestämde sig för att visa vem som var den riktiga hjärnan bakom operationen. Några månader senare uppfann han en helt ny, betydligt robustare typ av transistor med en lager- eller ”sandwich”-struktur. Denna struktur kom att användas för den stora majoriteten av alla transistorer fram till 1960-talet och utvecklades till den bipolära junctiontransistorn.

När problemen med bräcklighet var lösta fanns det ett återstående problem med renhet. Att framställa germanium med den renhet som krävdes visade sig vara ett allvarligt problem och begränsade utbytet av transistorer som faktiskt fungerade från en given sats material. Germaniums temperaturkänslighet begränsade också dess användbarhet. Forskare teoretiserade att kisel skulle vara lättare att tillverka, men få undersökte denna möjlighet. Gordon K. Teal var den förste som utvecklade en fungerande kiseltransistor, och hans företag, det framväxande Texas Instruments, drog nytta av det tekniska försprånget. Från slutet av 1960-talet var de flesta transistorer kiselbaserade. Inom några år dök transistorbaserade produkter, framför allt lätt bärbara radioapparater, upp på marknaden.

Den statiska induktionstransistorn, den första högfrekventa transistorn, uppfanns av de japanska ingenjörerna Jun-ichi Nishizawa och Y. Watanabe 1950. Den var den snabbaste transistorn fram till 1980-talet.

En stor förbättring av tillverkningsavkastningen kom när en kemist rådde de företag som tillverkade halvledare att använda destillerat vatten i stället för kranvatten: kalciumjoner som fanns i kranvatten var orsaken till den dåliga avkastningen. ”Zonsmältning”, en teknik som använder ett band av smält material som rör sig genom kristallen, ökade kristallrenheten ytterligare.

Metalloxidhalvledare (MOS)Redigera