Kas radīja pirmo tranzistoru? Šis jautājums satrauc daudzus cilvēkus. Pirmo patentu lauka efekta tranzistora principam Kanādā iesniedza Austroungārijas fiziķis Jūlijs Edgars Lilienfelds 1925. gada 22. oktobrī, taču Lilienfelds nepublicēja nekādus zinātniskus rakstus par savām ierīcēm un viņa darbu nozare ignorēja. Tādējādi pasaulē pirmais tranzistors ir iegrimis vēsturē. 1934. gadā vācu fiziķis doktors Oskars Heils patentēja vēl vienu FET. Nav tiešu pierādījumu, ka šīs ierīces būtu būvētas, taču vēlākais darbs 90. gados parādīja, ka viens no Lilienfelda projektiem darbojās, kā aprakstīts, un deva ievērojamu rezultātu. Tagad ir labi zināms un vispārpieņemts fakts, ka Viljams Šoklijs un viņa palīgs Džeralds Pīrsons izveidoja aparāta darba versijas no Lilienfelda patentiem, kas, protams, nekad netika pieminēti nevienā viņu vēlākajos zinātniskajos rakstos vai vēsturiskajos rakstos. Pirmie tranzistorizētie datori, protams, tika uzbūvēti daudz vēlāk.
Bella Lab
Bell Labs strādāja pie tranzistora, kas izveidots, lai ražotu īpaši tīras germānijas "kristāla" mikserdiodes, ko izmanto radaru instalācijās kā daļu no frekvenču maisītāja. Paralēli šim projektam bija daudzi citi, tostarp germānija diodes tranzistors. Agrīnās lampu shēmās nebija ātras pārslēgšanas iespēju, un Bell komanda tā vietā izmantoja cietvielu diodes. Pirmie tranzistoru datori darbojās pēc līdzīga principa.
Šoklija turpmāka izpēte
Pēc kara Šoklijs nolēma mēģināt izveidot triodei līdzīgu pusvadītāju ierīci. Viņš nodrošināja finansējumu un laboratorijas telpas un pēc tam strādāja pie problēmas ar Bārdīnu un Bretenu. Džons Bārdīns galu galā izstrādāja jaunu kvantu mehānikas nozari, kas pazīstama kā virsmas fizika, lai izskaidrotu savas agrīnās neveiksmes, un šiem zinātniekiem beidzot izdevās izveidot funkcionējošu ierīci.
Tranzistora attīstības atslēga bija tālāka izpratne par elektronu mobilitātes procesu pusvadītājā. Tika pierādīts, ka, ja būtu kāds veids, kā kontrolēt šīs jaunatklātās diodes (atklāta 1874, patentēta 1906) elektronu plūsmu no emitera līdz kolektoram, varētu uzbūvēt pastiprinātāju. Piemēram, ja novietojat kontaktus abās viena veida kristāla pusēs, caur to neplūdīs strāva.
Patiesībā tas izrādījās ļoti grūti izdarāms. Izmērskristālam vajadzētu būt vidējam, un šķietamo elektronu (vai caurumu) skaits, kas "jāievada", bija ļoti liels, tāpēc tas būtu mazāk noderīgs nekā pastiprinātājs, jo tam būtu nepieciešama liela injekcijas strāva. Tomēr visa kristāla diodes ideja bija tāda, ka pats kristāls varētu turēt elektronus ļoti nelielā attālumā, vienlaikus esot gandrīz uz izsīkuma robežas. Acīmredzot galvenais bija turēt ievades un izvades tapas ļoti tuvu viena otrai uz kristāla virsmas.
Bretena darbi
Bratens sāka strādāt pie šādas ierīces, un, komandai strādājot pie problēmas, turpinājās gūt panākumus. Izgudrojums ir smags darbs. Dažreiz sistēma darbojas, bet tad rodas cita kļūme. Dažreiz Bretena darba rezultāti negaidīti sāka darboties ūdenī, acīmredzot tā augstās vadītspējas dēļ. Elektroni jebkurā kristāla daļā migrē tuvumā esošo lādiņu dēļ. Elektroni emitētājos jeb "caurumos" kolektoros uzkrājās tieši uz kristāla, kur tie saņem pretēju lādiņu, "peldējot" gaisā (vai ūdenī). Tomēr tos var nostumt no virsmas, uzliekot nelielu lādiņa daudzumu no jebkuras citas kristāla vietas. Tā vietā, lai pieprasītu lielu ievadīto elektronu daudzumu, ļoti mazs skaitlis pareizajā vietā mikroshēmā darīs to pašu.
Pētnieku jaunā pieredze zināmā mērā palīdzēja atrisinātiepriekš sastaptā neliela kontroles zonas problēma. Tā vietā, lai izmantotu divus atsevišķus pusvadītājus, kas savienoti ar kopīgu, bet niecīgu laukumu, tiks izmantota viena liela virsma. Emitera un kolektora izejas būtu augšpusē, un vadības vads būtu novietots kristāla pamatnē. Kad strāva tika pievadīta "bāzes" spailei, elektroni tiktu izspiesti cauri pusvadītāju blokam un savākti tālākajā virsmā. Kamēr emitents un kolektors atrodas ļoti tuvu, starp tiem ir jānodrošina pietiekami daudz elektronu vai caurumu, lai tie sāktu vadīt.
Brejs pievienojas
Agrīns šīs parādības liecinieks bija Ralfs Brejs, jauns absolvents. Viņš pievienojās germānija tranzistora izstrādei Purdjū universitātē 1943. gada novembrī, un viņam tika dots grūts uzdevums izmērīt metāla un pusvadītāja kontakta noplūdes pretestību. Brejs konstatēja daudzas anomālijas, piemēram, iekšējās augstas pretestības barjeras dažos germānijas paraugos. Visziņkārīgākā parādība bija ārkārtīgi zemā pretestība, kas novērota, kad tika pielietoti sprieguma impulsi. Pirmie padomju tranzistori tika izstrādāti, pamatojoties uz šiem Amerikas sasniegumiem.
Izrāviens
1947. gada 16. decembrī, izmantojot divu punktu kontaktu, tika izveidots kontakts ar germānija virsmu, kas anodēta līdz deviņdesmit voltiem, elektrolīts tika mazgāts H2O un pēc tam nedaudz zelta nokrita uz tā plankumiem. Zelta kontakti tika nospiesti pret kailām virsmām. Sadalījums starppunkti bija aptuveni 4 × 10-3 cm. Viens punkts tika izmantots kā režģis, bet otrs punkts kā plāksne. Novirzei (DC) uz tīkla bija jābūt pozitīvai, lai iegūtu sprieguma jaudas pieaugumu pāri plāksnes nobīdei aptuveni piecpadsmit voltu apmērā.
Pirmā tranzistora izgudrojums
Ar šī brīnummehānisma vēsturi ir saistīti daudzi jautājumi. Daži no tiem lasītājam ir pazīstami. Piemēram: kāpēc pirmie PSRS tranzistori bija PNP tipa? Atbilde uz šo jautājumu slēpjas visa šī stāsta turpinājumā. Bretens un H. R. Mūrs 1947. gada 23. decembra pēcpusdienā Bell Labs vairākiem kolēģiem un vadītājiem demonstrēja sasniegto rezultātu, tāpēc šo dienu mēdz dēvēt par tranzistora dzimšanas datumu. Kā runas pastiprinātājs darbojās PNP kontakta germānija tranzistors ar jaudas pieaugumu 18. Tā ir atbilde uz jautājumu, kāpēc pirmie PSRS tranzistori bija PNP tipa, jo pirkti no amerikāņiem. 1956. gadā Džonam Bārdīnam, V alteram Hausram Bretenam un Viljamam Bredfordam Šoklijam tika piešķirta Nobela prēmija fizikā par pētījumiem par pusvadītājiem un tranzistora efekta atklāšanu.
Transistora izgudrošanā uzņēmumā Bell Labs ir tieši iesaistīti divpadsmit cilvēki.
Paši pirmie tranzistori Eiropā
Tajā pašā laikā dažus Eiropas zinātniekus aizrāva ideja par cietvielu pastiprinātājiem. 1948. gada augustā vācu fiziķi Herberts F. Matare un Heinrihs Velkers, kas strādāja Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse in Aulnay-sous-Bois, Francija, iesniedza pieteikumu pastiprinātāja patentam, pamatojoties uz to, ko viņi sauca par "tranzistoru". Tā kā Bell Labs šo tranzistoru publicēja tikai 1948. gada jūnijā, tranzistors tika uzskatīts par neatkarīgi izstrādātu. Mataré pirmo reizi novēroja transvadītspējas ietekmi, ražojot silīcija diodes vācu radaru iekārtām Otrā pasaules kara laikā. Tranzistori tika komerciāli izgatavoti Francijas telefonu kompānijai un militārpersonām, un 1953. gadā Diseldorfas radiostacijā tika demonstrēts četru tranzistoru cietvielu radio.
Bell Telephone Laboratories bija nepieciešams nosaukums jaunam izgudrojumam: Semiconductor Triode, Tried States Triode, Crystal Triode, Solid Triode un Iotatron tika apsvērti, bet Džona R. Pīrsa radītais "tranzistors" bija nepārprotams uzvarētājs. iekšējais balsojums (daļēji pateicoties tuvumam, ko Bell inženieri izstrādāja sufiksam "-vēsturisks").
Pasaulē pirmā komerciālā tranzistoru ražošanas līnija atradās Western Electric rūpnīcā Union Boulevard Alentaunā, Pensilvānijas štatā. Ražošana sākās 1951. gada 1. oktobrī ar punktkontakta germānija tranzistoru.
Papildu pieteikšanās
Līdz 1950. gadu sākumam šis tranzistors tika izmantots visu veidu ražošanā, taču joprojām pastāvēja nopietnas problēmas, kas neļāva to plašāk izmantot, piemēram, jutīgums pret mitrumu un germānija kristāliem piestiprināto vadu trauslums.
Šoklijs bieži tika apsūdzētsplaģiāts sakarā ar to, ka viņa darbs bija ļoti tuvu izcilā, bet neatzītā ungāru inženiera darbam. Taču Bell Labs advokāti ātri atrisināja problēmu.
Tomēr Šoklijs bija sašutis par kritiķu uzbrukumiem un nolēma parādīt, kas ir visas lielās tranzistora izgudrošanas epopejas īstās smadzenes. Tikai dažus mēnešus vēlāk viņš izgudroja pilnīgi jauna veida tranzistoru ar ļoti savdabīgu "sviestmaižu struktūru". Šī jaunā forma bija daudz uzticamāka par trauslo punktu kontaktu sistēmu, un tieši šī forma tika izmantota visos 60. gadu tranzistoros. Tas drīz vien attīstījās par bipolāru savienojuma iekārtu, kas kļuva par pamatu pirmajam bipolārajam tranzistoram.
Statiskās indukcijas ierīci, pirmo augstfrekvences tranzistora koncepciju, 1950. gadā izgudroja japāņu inženieri Jun-ichi Nishizawa un Y. Watanabe, un 1975. gadā tā beidzot varēja izveidot eksperimentālus prototipus. Tas bija ātrākais tranzistors 80. gados.
Turpmākā attīstība ietvēra paplašinātas savienotas ierīces, virsmas barjeras tranzistoru, difūziju, tetrodu un pentodu. Difūzijas silīcija "mesa tranzistors" tika izstrādāts 1955. gadā uzņēmumā Bell un komerciāli pieejams no Fairchild Semiconductor 1958. gadā. Kosmoss bija tranzistoru veids, kas tika izstrādāts 1950. gados, lai uzlabotu punktkontakta tranzistoru un vēlāko sakausējuma tranzistoru.
1953. gadā Filco izstrādāja pasaulē pirmo augstfrekvences virsmubarjerierīce, kas bija arī pirmais tranzistors, kas piemērots ātrdarbīgiem datoriem. Pasaulē pirmā tranzistorizētā automašīnas radio, ko 1955. gadā ražoja uzņēmums Philco, savā shēmā izmantoja virsmas barjeras tranzistorus.
Problēmu risināšana un pārstrādāšana
Līdz ar trausluma problēmu risināšanu palika tīrības problēma. Nepieciešamās tīrības pakāpes germānija ražošana izrādījās liels izaicinājums un ierobežoja tranzistoru skaitu, kas faktiski varētu darboties no noteiktas materiāla partijas. Arī germānija temperatūras jutība ierobežoja tā lietderību.
Zinātnieki ir pieņēmuši, ka silīciju būtu vieglāk ražot, taču tikai daži ir izpētījuši šo iespēju. Moriss Tanenbaums uzņēmumā Bell Laboratories bija pirmais, kurš 1954. gada 26. janvārī izstrādāja funkcionējošu silīcija tranzistoru. Dažus mēnešus vēlāk Gordons Tīls, kurš pats strādāja Texas Instruments, izstrādāja līdzīgu ierīci. Abas šīs ierīces tika izgatavotas, kontrolējot atsevišķu silīcija kristālu dopingu, kad tie tika audzēti no kausēta silīcija. Augstāku metodi izstrādāja Moriss Tanenbaums un Kalvins S. Fullers 1955. gada sākumā, veicot donoru un akceptoru piemaisījumu gāzveida difūziju monokristāla silīcija kristālos.
Lauku efekta tranzistori
FET pirmo reizi patentēja Jūlis Edgars Lilienfelds 1926. gadā un Oskars Heils 1934. gadā, taču tika izstrādātas praktiskas pusvadītāju ierīces (pārejas lauka efekta tranzistori [JFET]).vēlāk, pēc tam, kad Viljama Šoklija komanda Bell Labs 1947. gadā novēroja un izskaidroja tranzistora efektu, tūlīt pēc divdesmit gadu patenta perioda beigām.
Pirmais JFET veids bija statiskās indukcijas tranzistors (SIT), ko 1950. gadā izgudroja japāņu inženieri Jun-ichi Nishizawa un Y. Watanabe. SIT ir JFET veids ar īsu kanāla garumu. Metāla oksīda pusvadītāju pusvadītāju lauka efekta tranzistoru (MOSFET), kas lielā mērā aizstāja JFET un būtiski ietekmēja elektroniskās elektronikas attīstību, 1959. gadā izgudroja Dons Kāns un Mārtins Atalla.
FET var būt lielākās lādiņa ierīces, kurās strāvu pārsvarā pārnēsā lielākās daļas nesēji, vai mazāku lādiņu nesēju ierīces, kurās strāvu galvenokārt virza mazākuma nesēja plūsma. Ierīce sastāv no aktīva kanāla, pa kuru lādiņu nesēji, elektroni vai caurumi plūst no avota uz kanalizāciju. Avota un iztukšošanas spailes ir savienotas ar pusvadītāju caur omiskiem kontaktiem. Kanāla vadītspēja ir funkcija no potenciāla, kas tiek pielietots pāri vārtiem un avota spailēm. Šis darbības princips radīja pirmos visu viļņu tranzistorus.
Visiem FET ir avota, kanalizācijas un vārtu spailes, kas aptuveni atbilst BJT emitētājam, kolektoram un bāzei. Lielākajai daļai FET ir ceturtais terminālis, ko sauc par korpusu, pamatni, zemi vai substrātu. Šis ceturtais terminālis kalpo, lai tranzistoru ieslēgtu. Pakešu spaiļus shēmās reti izmanto netriviāli, taču to klātbūtne ir svarīga, iestatot integrētās shēmas fizisko izkārtojumu. Vārtu izmērs, garums L diagrammā, ir attālums starp avotu un noteci. Platums ir tranzistora izplešanās virzienā, kas ir perpendikulārs šķērsgriezumam diagrammā (t.i., ekrāna iekšpusē/ārā). Parasti platums ir daudz lielāks par vārtu garumu. Vārtu garums 1 µm ierobežo augšējo frekvenci līdz aptuveni 5 GHz, no 0,2 līdz 30 GHz.
