Перший транзистор: дата і історія винаходу, принцип роботи, призначення та застосування

Хто створив перший транзистор? Це питання хвилює дуже багатьох. Перший патент для польового транзисторного принципу був оформлений в Канаді австро-угорським фізиком Юлієм Едгаром Лилиенфельдом 22 жовтня 1925 року, але Лилиенфельд не опублікував жодних наукових статей про своїх пристроях, і його робота була проігнорована промисловістю. Таким чином перший в світі транзистор канув в історію. У 1934 році німецький фізик доктор Оскар Хайль запатентував інший польовий транзистор. Немає прямих доказів того, що ці пристрої були побудовані, але пізніше робота в 1990-х роках показала, що один з проектів Лілієнфельда працював так, як описано, і давав істотний результат. Нині відомим і загальноприйнятим фактом є те, що Вільям Шоклі і його помічник Джеральд Пірсон створили робочі версії апаратів з патентів Лілієнфельда, про що, звісно, ніколи не згадували ні в одній з своїх більш пізніх наукових робіт або історичних статей. Перші комп'ютери на транзисторах, зрозуміло, були побудовані значно пізніше.

Лабораторія Белла

Лабораторія Белла працювала на транзисторі, побудованому для виробництва надзвичайно чистих германієвих «кристальних» міксерів-діодів, що використовуються в радіолокаційних установках як елемента частотного мікшера. Паралельно з цим проектом існувало безліч інших, у їх числі - транзистор на германієвих діодах. Ранні схеми на основі трубки не мали функцією швидкого перемикання, і замість них команда Bell використовувала твердотільні діоди. Перші комп'ютери на транзисторах працювали по схожому принципом.

Подальші дослідження Шоклі

Після війни Шоклі вирішив спробувати побудувати триодоподобное напівпровідниковий пристрій. Він забезпечив фінансування та лабораторне простір, і потім став розбиратися з виниклою проблемою спільно з Бардіном і Браттеном. Джон Бардін в кінцевому підсумку розробив нову гілку квантової механіки, відому як фізика поверхні, щоб пояснити свої перші невдачі, і цим ученим в кінцевому підсумку вдалося створити робоче пристрій.


Ключем до розвитку транзистора стало подальше розуміння процесу рухливості електронів в напівпровіднику. Було доведено, що якщо б був якийсь спосіб контролювати потік електронів від емітера до колектора цього знову виявленого діода (виявлений 1874 р., запатентований 1906 р.), можна було б побудувати підсилювач. Наприклад, якщо помістити контакти по обидві сторони від одного типу кристала, струм не пройде через нього. Насправді робити це виявилося дуже складно. Розмір кристала мав би бути більш усередненим, а число передбачуваних електронів (або отворів), які необхідно було "впорскувати", було дуже великим, що зробило б його менш корисним, ніж підсилювач, тому що для цього потрібен був би великий струм уприскування. Тим не менше вся ідея кристалічного діода полягала в тому, що сам кристал міг утримувати електрони на дуже невеликій відстані, знаходячись при цьому практично на межі виснаження. Мабуть, ключ полягав у тому, щоб контакти введення і виведення були дуже близькі один до одного на поверхні кристала.

Праці Браттена

Браттен почав працювати над створенням такого пристрою, і натяки на успіх все також продовжують з'являтися, коли команда працювала над проблемою. Винахідництво - це складна робота. Іноді система працює, але потім відбувається черговий збій. Деколи результати роботи Браттена несподівано починали працювати у воді, мабуть, з-за її високої провідності. Електрони в будь-якій частині кристала мігрують через близьких зарядів. Електрони в эмиттерах або «дірки» в колекторах акумулювалися безпосередньо зверху кристала, де і отримують протилежний заряд, «плаваючий» в повітрі або воді). Однак їх можна було відштовхнути з поверхні з застосуванням невеликої кількості заряду з будь-якого іншого місця на кристалі. Замість того, щоб вимагати великий запас інжектованих електронів, дуже невелике число в потрібному місці на кристалі виконає одне і те ж. Новий досвід дослідників, якоюсь мірою допоміг вирішити раніше виниклу проблему невеликий контрольної області. Замість необхідність використання двох окремих напівпровідників, з'єднаних загальною, але крихітної областю, буде використовуватися одна велика поверхня. Виходи емітера і колектора були б розташовані зверху, а контрольний провід розміщений на підставі кристала. Коли струм був застосований до «базового» висновку, електрони выталкивались б через блок напівпровідника і збиралися на дальній поверхні. Поки випромінювач і колектор були дуже близько розташовані, це повинно було б забезпечувати достатню кількість електронів або дірок між ними, щоб почати проведення.

Приєднання Брея

Рано свідком цього явища був Ральф Брей, молодий аспірант. Він приєднався до розробки германієвого транзистора в Університеті Пердью в листопаді 1943 року і отримав складну задачу вимірювання опору розсіювання на контакті метал-напівпровідник. Брей виявив безліч аномалій, таких як внутрішні бар'єри високого опору в деяких зразках німеччина. Найбільш цікавим явищем було виключно низький опір, що спостерігається при застосуванні імпульсів напруги. Перші радянські транзистори розроблялися на основі цих американських напрацювань.

Прорив

16 грудня 1947 року, використовуючи двоточковий контакт, було зроблено контакт з поверхнею німеччина, анодованої до дев'яносто вольт, електроліт змився H 2 O, а потім на ньому випало кілька золотих плям. Золоті контакти були притиснуті до голим поверхонь. Поділ між точками було близько 4 x 10 -3 див. Одна точка використовувалася як сітка, а інша точка - як платівка. Ухилення (DC) на сітці повинно було бути позитивним, щоб отримати підсилення потужності напруги на зміщенні пластини близько п'ятнадцяти вольт.

Винахід першого транзистора

З історією цього чудомеханизма пов'язано безліч питань. Частина з них знайома читачеві. До прикладу: чому перші транзистори СРСР були PNP-типу? Відповідь на це питання криється у продовження всієї цієї історії. Браттен і Х. Р. Мур продемонстрували кільком колегам і менеджерам в Bell Labs у другій половині дня 23 грудня 1947 року результат, яких вони досягли, тому цей день часто згадується в якості дати народження транзистора. PNP-контактний германієвий транзистор працював в якості мовного підсилювача з коефіцієнтом підсилення потужності 18. Це відповідь на питання, чому перші транзистори СРСР були PNP-типу, адже їх закупили саме у американців. У 1956 році Джон Бардін, Уолтер Хаузер Браттен і Вільям Бредфорд Шоклі були удостоєні Нобелівської премії з фізики за дослідження напівпровідників і відкриття ефекту транзистора.

Дванадцять чоловік згадуються як безпосередню участь у винаході транзистора в лабораторії Bell.

Перші транзистори в Європі

У той же час деякі європейські вчені загорілися ідеєю твердотільних підсилювачів. У серпні 1948 німецькі фізики Герберт Ф. Матарі і Генріх Велькер, які працювали в інституті Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse в Ольне-су-Буа, Франція, подали заявку на патент на підсилювач, заснований на меншості які вони назвали «транзистором». Оскільки Bell Labs не публікував транзистор до червня 1948 року, транзистор вважався незалежно розробленим. Вперше Matar? спостерігала ефекти крутизни при виробництві кремнієвих діодів для німецького радіолокаційного обладнання під час Другої світової війни. Транзистори були комерційно виготовлені для французької телефонної компанії і військових, а в 1953 році на радіостанції в Дюссельдорфі була продемонстрована твердотільна радіоприймач з чотирма транзисторами.
Bell Telephone Laboratories потребувало назві для нового винаходи: Semiconductor Triode, Tried States Triode, Crystal Triode, Solid Triode і Iotatron були розглянуті, але «транзистор», придуманий Джоном Р. Пірсом, був явним переможцем внутрішнього голосування (частково завдяки близькості, яку інженери Белла розробили для суфікса «-істор»). Перша комерційна лінія з виробництва транзисторів в світі була на заводі Western Electric на Union Boulevard в Аллентауні, штат Пенсільванія. Виробництво розпочалося 1 жовтня 1951 р. з точкового контактного германієвого транзистора.

Подальше застосування

Аж до початку 1950-х цей транзистор використовувався у всіх видах виробництва, але все ще існували значні проблеми, що перешкоджають його широкому застосуванню такі, як чутливість до вологи і крихкість проводів, прикріплених до кристалам німеччина. Шоклі часто звинувачували в плагіаті з-за того, що його твори були дуже наближені до праць великого, але невизнаного угорського інженера. Але адвокати Bell Labs швидко залагодили цю проблему. Тим не менш Шоклі був обурений нападками з боку критиків і вирішив продемонструвати, хто був справжнім мозком всієї великої епопеї щодо винаходу транзистора. Всього через кілька місяців він винайшов абсолютно новий тип транзистора, що володіє дуже своєрідною «бутербродной структурою». Ця нова форма була значно більш надійною, ніж тендітна система точкового контакту, і в підсумку саме вона почала використовуватися у всіх транзисторах 60-х років ХХ століття. Незабаром вона розвинулася в апарат біполярного переходу, який став основою для першого біполярного транзистора. Статичний індукційний прилад, перша концепція високочастотного транзистора, був винайдений японськими інженерами Jun-ichi Nishizawa і Y. Watanabe в 1950 році і, нарешті, зміг створити експериментальні прототипи у 1975 році. Це був найшвидший транзистор у 80-ті роки ХХ століття. Подальші розробки включали в себе прилади з розширеним з'єднанням, поверхнево-бар'єрний транзистор, дифузійний, тетродный і пентодный. Дифузійний кремнієвий «меза-транзистор» був розроблений в 1955 році в Bell і комерційно доступний Fairchild Semiconductor в 1958 році. Простір було типом транзистора, розробленого в 1950-х роках як поліпшення в порівнянні з контактним точковим транзистором і більш пізнім транзистором з сплаву. У 1953 році Філко розробив перший у світі високочастотний поверхнево-бар'єрний прилад, який також був першим транзистором, підходящим для високошвидкісних комп'ютерів. Перше в світі транзисторне автомобільне радіо, виготовлене Philco в 1955 році, використовувало поверхнево-бар'єрні транзистори в своїй схемі.

Рішення проблем і доробка

З вирішенням проблем крихкості залишилася проблема чистоти. Створення німеччина необхідної чистоти виявилося серйозною проблемою і обмежило кількість транзисторів, які фактично працювали з даної партії матеріалу. Чутливість німеччина до температури також обмежувала його корисність. Вчені припустили, що кремній буде легше виготовити, але мало хто вивчив цю можливість. Morris Tanenbaum в Bell Laboratories були першими, хто розробив робочий кремнієвий транзистор 26 січня 1954 р. Кілька місяців потому, Гордон Тіл, що працює самостійно в Texas Instruments, розробив аналогічний пристрій. Обидва ці пристрої були зроблені шляхом контролю легування кристалів одного кремнію, коли вони вирощувалися з розплавленого кремнію. Більш високий метод був розроблений Моррісом Таненбаумом і Кальвіном С. Фуллером в Bell Laboratories початку 1955 року шляхом газової дифузії донорних і акцепторних домішок в монокристалічні кремнієві кристали.

Польові транзистори

Польовий транзистор був уперше запатентований Юлисом Едгаром Лилиенфельдом в 1926 році і Оскаром Хейлом в 1934 році, але практичні напівпровідникові прилади (транзистори з польовим ефектом переходу[JFET]) були розроблені пізніше, після того як ефект транзистора спостерігався і пояснювався командою Вільяма Шоклі в Bell Labs в 1947 році, відразу ж після закінчення двадцятирічного патентного періоду. Першим типом JFET був статичний індукційний транзистор (SIT), винайдений японськими інженерами Jun-ichi Nishizawa і Y. Watanabe в 1950 році. SIT - це тип JFET з короткою довжиною каналу. Напівпровідниковий польовий транзистор (МОП-транзистор) з металу-оксиду-напівпровідника, який значною мірою витіснив JFET і зробив глибокий вплив на розвиток електронної електронної техніки, був винайдений Дауном Кахнгом і Мартіном Аталлой в 1959 році. Польові транзистори можуть бути пристроями з мажоритарних зарядом, в яких струм переноситься переважно мажоритарними носіями або пристроями з носіями менших зарядів, в яких струм в основному обумовлений потоком неосновних носіїв. Прилад складається з активного каналу, через який носії заряду електрони або отвори надходять з джерела в каналізацію. Кінцеві висновки джерела і стоку підключаються до напівпровідника через омічні контакти. Провідність каналу є функцією потенціалу, що застосовується через клеми затвора і джерела. Цей принцип роботи дав початок першим всеволновым транзисторів. Всі польові транзистори мають клеми джерела, стоку і затвору, які приблизно відповідають емітером, колектора і бази BJT. Більшість польових транзисторів мають четвертий термінал, званий корпусом, базою, масою або субстратом. Цей термінал служить для зміщення транзистора в експлуатацію. Рідко доводиться робити нетривіальне використання терміналів корпусу в схемах, але його присутність важливо при налаштуванні фізичної компонування інтегральної схеми. Розмір воріт, довжина L на діаграмі, - це відстань між джерелом і стоком. Ширина - це розширення транзистора в напрямку, перпендикулярному поперечному перерізу на діаграмі (тобто в/з екрану). Зазвичай ширина набагато більше, ніж довжина воріт. Довжина затвора 1 мкм обмежує верхню частоту приблизно до 5 ГГц, від 02 до 30 ГГц.