İlk transistör: buluş tarihi ve tarihi, çalışma prensibi, amacı ve uygulaması
İlk transistörü kim yarattı? Bu soru birçok insanı endişelendiriyor. Alan etkili transistör ilkesi için ilk patent 22 Ekim 1925'te Avusturya-Macaristanlı fizikçi Julius Edgar Lilienfeld tarafından Kanada'da dosyalandı, ancak Lilienfeld cihazları hakkında herhangi bir bilimsel makale yayınlamadı ve çalışmaları endüstri tarafından göz ardı edildi. Böylece dünyanın ilk transistörü tarihe gömüldü. 1934'te Alman fizikçi Dr. Oskar Heil başka bir FET'in patentini aldı. Bu cihazların yapıldığına dair doğrudan bir kanıt yoktur, ancak daha sonra 1990'larda yapılan çalışmalar, Lilienfeld'in tasarımlarından birinin tanımlandığı gibi çalıştığını ve önemli bir sonuç verdiğini gösterdi. William Shockley ve asistanı Gerald Pearson'ın cihazın çalışan versiyonlarını Lilienfeld'in patentlerinden oluşturdukları bilinen ve genel olarak kabul edilen bir gerçektir ve elbette daha sonraki bilimsel çalışmalarında veya tarihi makalelerinde hiç bahsedilmemiştir. Transistörlere dayalı ilk bilgisayarlar elbette çok daha sonra yapıldı.
Bell Laboratuvarı
Bell Labs, frekans karıştırıcısının bir parçası olarak radar kurulumlarında kullanılan son derece saf germanyum "kristal" karıştırıcı diyotları üretmek için inşa edilmiş bir transistör üzerinde çalıştı. Bu projeye paralel olarak, germanyum diyot transistörü de dahil olmak üzere birçok başka proje vardı. İlk tüp tabanlı devrelerin hızlı anahtarlama özelliği yoktu ve Bell ekibi bunun yerine katı hal diyotları kullandı. İlk transistörlü bilgisayarlar benzer bir prensipte çalıştı.
Shockley'in daha fazla keşfi
Savaştan sonra Shockley, triyot benzeri bir yarı iletken cihaz inşa etmeye karar verdi. Finansman ve laboratuvar alanı sağladı ve ardından Bardeen ve Bratten ile sorun üzerinde çalıştı. John Bardeen sonunda ilk başarısızlıklarını açıklamak için yüzey fiziği olarak bilinen yeni bir kuantum mekaniği dalı geliştirdi ve bu bilim adamları sonunda çalışan bir cihaz yaratmayı başardılar.
Transistörün gelişiminin anahtarı, bir yarı iletkende elektron hareketliliği sürecinin daha iyi anlaşılmasıydı. Bu yeni keşfedilen diyotun (1874'te keşfedildi, 1906'da patentli) emitörden toplayıcıya elektron akışını kontrol etmenin bir yolu varsa, bir amplifikatör inşa edilebileceği kanıtlandı. Örneğin, bir tür kristalin her iki tarafına kontaklar yerleştirirseniz, içinden akım geçmez.
Aslında, bunu yapmanın çok zor olduğu ortaya çıktı. Kristal boyutu daha ortalama olmalıdır ve "enjekte edilmesi" gereken varsayılan elektronların (veya deliklerin) sayısı çok büyük olacaktır, bu da onu bir amplifikatörden daha az kullanışlı hale getirecektir çünkü büyük bir enjeksiyon akımı gerektirecektir. Bununla birlikte, kristal diyotun tüm fikri, kristalin kendisinin neredeyse tükenme eşiğindeyken elektronları çok kısa bir mesafede tutabilmesiydi. Görünüşe göre anahtar, giriş ve çıkış pinlerini kristal yüzeyinde birbirine çok yakın tutmaktı.
Bratten Bildirileri
Bratten böyle bir cihaz üzerinde çalışmaya başladı ve ekip sorun üzerinde çalışırken başarının ipuçları su yüzüne çıkmaya devam etti. Buluş zor iştir. Bazen sistem çalışır, ancak daha sonra başka bir arıza meydana gelir. Bazen Bratten'in çalışmasının sonuçları, görünüşe göre yüksek iletkenliği nedeniyle suda beklenmedik bir şekilde çalışmaya başladı. Kristalin herhangi bir yerindeki elektronlar, yakındaki yükler nedeniyle göç eder. Yayıcılardaki elektronlar veya toplayıcılardaki "delikler", doğrudan kristalin üzerinde birikir ve burada zıt yükü alırlar, havada (veya suda) "yüzer". Bununla birlikte, kristalin herhangi bir yerinden küçük bir miktar yük uygulanarak yüzeyden itilebilirler. Çok sayıda enjekte edilmiş elektrona ihtiyaç duymak yerine, çip üzerinde doğru yerde bulunan çok küçük bir sayı aynı şeyi yapacaktır.
Araştırmacıların yeni deneyimi, bir dereceye kadar, daha önce karşılaşılan küçük bir kontrol alanı sorununu çözmeye yardımcı oldu. Ortak ama küçük bir alanla birbirine bağlanan iki ayrı yarı iletken kullanmak yerine, büyük bir yüzey kullanılacaktır. Verici ve toplayıcı çıkışları en üstte olacak ve kontrol teli kristalin tabanına yerleştirilecektir. "Temel" terminale bir akım uygulandığında, elektronlar yarı iletken bloğun içinden itilir ve uzak yüzeyde toplanır. Yayıcı ve toplayıcı birbirine çok yakın olduğu sürece, bu, iletimi başlatmak için aralarında yeterli elektron veya boşluk sağlamalıdır.
Bray'in Katılımı
Bu fenomenin erken tanığı genç bir yüksek lisans öğrencisi olan Ralph Bray'di. Kasım 1943'te Purdue Üniversitesi'nde germanyum transistörün geliştirilmesine katıldı ve kendisine metal-yarı iletken kontağının sızıntı direncini ölçmek gibi zor bir görev verildi. Bray, bazı germanyum örneklerinde dahili yüksek dirençli bariyerler gibi birçok anormallik buldu. En ilginç fenomen, voltaj darbeleri uygulandığında gözlemlenen olağanüstü düşük dirençti. İlk Sovyet transistörleri, bu Amerikan gelişmeleri temelinde geliştirildi.
atılım
16 Aralık 1947'de, iki noktalı bir temas kullanılarak, doksan volta anodize edilmiş bir germanyum yüzeyi ile temas sağlandı, elektrolit H20 ile yıkandı ve ardından üzerine birkaç altın leke düştü. Altın kontaklar çıplak yüzeylere bastırıldı. Noktalar arasındaki mesafe yaklaşık 4×10 -3 cm idi.Bir nokta ızgara, diğer nokta plaka olarak kullanıldı. Yaklaşık on beş voltluk plaka öngeriliminde bir voltaj güç kazancı elde etmek için şebekedeki sapmanın (DC) pozitif olması gerekiyordu.
İlk transistörün icadı
Bu mucize mekanizmasının tarihi ile ilgili birçok soru var. Bazıları okuyucuya tanıdık geliyor. Örneğin: neden SSCB PNP tipinin ilk transistörleriydi? Bu sorunun cevabı tüm hikayenin devamında saklı. Bratten ve H. R. Moore 23 Aralık 1947 günü öğleden sonra Bell Laboratuarlarında birkaç meslektaşına ve yöneticiye elde ettikleri sonucu gösterdiler, bu yüzden bu gün genellikle transistörün doğum tarihi olarak anılır. PNP kontaklı bir germanyum transistörü, 18 güç kazancı olan bir konuşma amplifikatörü olarak çalıştı. Bu, SSCB'nin ilk transistörlerinin Amerikalılardan satın alındıkları için neden PNP tipi olduğu sorusunun cevabı. 1956'da John Bardeen, Walter Houser Bratten ve William Bradford Shockley, yarı iletkenler üzerindeki araştırmaları ve transistör etkisinin keşfi nedeniyle Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldü.
Bell Laboratuarlarında transistörün icadına doğrudan katılan on iki kişiden söz edilmektedir.
Avrupa'daki ilk transistörler
Aynı zamanda, bazı Avrupalı bilim adamları katı hal yükselteçleri fikri konusunda heyecanlandılar. Ağustos 1948'de, Fransa'nın Aulnay-sous-Bois kentindeki Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse'da çalışan Alman fizikçiler Herbert F. Matare ve Heinrich Welker, bir azınlığa "transistör" adını verdikleri bir amplifikatör için patent başvurusunda bulundular. . Bell Labs, transistörü Haziran 1948'e kadar yayınlamadığından, transistörün bağımsız olarak geliştirilmiş olduğu kabul edildi. Mataré, ilk olarak II. Dünya Savaşı sırasında Alman radar ekipmanı için silikon diyot üretiminde transkondüktansın etkilerini gözlemledi. Transistörler ticari olarak Fransız telefon şirketi ve ordu için yapıldı ve 1953'te Düsseldorf'taki bir radyo istasyonunda dört transistörlü katı hal radyosu gösterildi.
Bell Telefon Laboratuvarları yeni bir buluş için bir isme ihtiyaç duyuyordu: Yarı İletken Üçlü, Denenmiş Durumlar Üçlü, Kristal Üçlü, Katı Üçlü ve Iotatron hepsi düşünüldü, ancak John R. Pierce'in "transistörü" bir iç oylamanın açık galibiydi (kısmen nedeniyle). mühendisler Bell'in "-istor" son eki için geliştirilmiştir.
Dünyanın ilk ticari transistör üretim hattı, Pennsylvania, Allentown'daki Union Bulvarı'ndaki Western Electric fabrikasındaydı. Üretim 1 Ekim 1951'de nokta temaslı germanyum transistör ile başladı.
Daha fazla uygulama
1950'lerin başına kadar, bu transistör her türlü imalatta kullanılıyordu, ancak neme duyarlılık ve germanyum kristallerine bağlı tellerin kırılganlığı gibi daha geniş kullanımını engelleyen önemli sorunlar hala vardı.
Shockley, çalışmalarının büyük ama tanınmayan Macar mühendisin çalışmasına çok yakın olması nedeniyle sık sık intihalle suçlandı. Ancak Bell Labs avukatları sorunu çabucak çözdü.
Bununla birlikte, Shockley eleştirmenlerin saldırılarına öfkelendi ve transistörün icadıyla ilgili tüm büyük destanının gerçek beyninin kim olduğunu göstermeye karar verdi. Sadece birkaç ay sonra, çok tuhaf bir "sandviç yapısı" olan tamamen yeni bir transistör tipi icat etti. Bu yeni form, kırılgan nokta temas sisteminden çok daha güvenilirdi ve 1960'ların tüm transistörlerinde kullanılmaya başlanan bu form oldu. Kısa süre sonra ilk bipolar transistörün temeli haline gelen bipolar bağlantı aparatına dönüştü.
Yüksek frekanslı bir transistörün ilk konsepti olan statik endüksiyon cihazı, 1950'de Japon mühendisler Jun-ichi Nishizawa ve Y. Watanabe tarafından icat edildi ve nihayet 1975'te deneysel prototipler oluşturabildi. Yirminci yüzyılın 80'lerinde en hızlı transistördü.
Diğer gelişmeler arasında genişletilmiş bağlantı, yüzey bariyeri, difüzyon, tetrode ve pentot transistörleri yer aldı. Difüzyon silikon "mesa transistör" 1955'te Bell'de geliştirildi ve 1958'de Fairchild Semiconductor'dan ticari olarak temin edildi. Uzay, 1950'lerde nokta temaslı transistör ve daha sonraki alaşımlı transistör üzerinde bir gelişme olarak geliştirilen bir tür transistördü.
1953'te Filco, aynı zamanda yüksek hızlı bilgisayarlar için uygun ilk transistör olan dünyanın ilk yüksek frekanslı yüzey bariyer cihazını geliştirdi. 1955'te Philco tarafından yapılan dünyanın ilk transistörlü araba radyosu, devrelerinde yüzey bariyerli transistörler kullandı.
Problem çözme ve iyileştirme
Kırılganlık sorunlarının çözümü ile temizlik sorunu kaldı. Gerekli saflıkta germanyum üretmenin büyük bir zorluk olduğu ortaya çıktı ve belirli bir malzeme partisinden gerçekten çalışabilecek transistörlerin sayısını sınırladı. Germanyumun sıcaklık duyarlılığı da kullanışlılığını sınırladı.
Bilim adamları, silikonun üretilmesinin daha kolay olacağını tahmin ettiler, ancak çok azı bu olasılığı araştırdı. 26 Ocak 1954'te Bell Laboratuvarlarında çalışan Morris Tanenbaum, çalışan bir silikon transistör geliştiren ilk kişilerdi. Birkaç ay sonra, Texas Instruments'ta kendi başına çalışan Gordon Teal, benzer bir cihaz geliştirdi. Bu cihazların her ikisi de erimiş silikondan büyütüldükleri için tekli silikon kristallerinin dopinginin kontrol edilmesiyle yapılmıştır. Daha yüksek bir yöntem, 1955 başlarında, donör ve alıcı safsızlıkların tek kristal silikon kristallerine gaz difüzyonu ile Bell Laboratories'de Morris Tanenbaum ve Calvin S. Fuller tarafından geliştirildi.
FET'ler
FET ilk olarak 1926'da Julis Edgar Lilienfeld ve 1934'te Oskar Hale tarafından patentlendi, ancak pratik yarı iletken cihazlar (geçiş alanı etkili transistörler) daha sonra, transistörün etkisinin gözlemlenmesinden ve William Shockley'in ekibi tarafından 1947'de Bell Laboratuarlarında açıklanmasından sonra geliştirildi. yirmi yıllık patent süresinin bitiminden hemen sonra.
JFET'in ilk türü, 1950'de Japon mühendisler Jun-ichi Nishizawa ve Y. Watanabe tarafından icat edilen statik indüksiyon transistörü (SIT) idi. SIT, kısa kanal uzunluğuna sahip bir JFET türüdür. Büyük ölçüde JFET'in yerini alan ve elektronik elektroniğin gelişimini derinden etkileyen metal oksit yarı iletken yarı iletken alan etkili transistör (MOSFET), 1959'da Dawn Kahng ve Martin Atalla tarafından icat edildi.
FET'ler, akımın ağırlıklı olarak çoğunluk taşıyıcıları tarafından taşındığı çoğunluk şarj cihazları veya akımın öncelikle azınlık taşıyıcı akışı tarafından yönlendirildiği daha az şarj taşıyıcı cihazlar olabilir. Cihaz, kaynaktan kanalizasyona yük taşıyıcıların, elektronların veya deliklerin aktığı aktif bir kanaldan oluşur. Kaynak ve boşaltma terminalleri, omik kontaklar aracılığıyla yarı iletkene bağlanır. Kanal iletkenliği, kapı ve kaynak terminalleri boyunca uygulanan potansiyelin bir fonksiyonudur. Bu çalışma prensibi, ilk tüm dalga transistörlerini ortaya çıkardı.
Tüm FET'ler, BJT'nin emitörü, toplayıcısı ve tabanına kabaca karşılık gelen kaynak, tahliye ve kapı terminallerine sahiptir. Çoğu FET'in gövde, taban, toprak veya altlık adı verilen dördüncü bir terminali vardır. Bu dördüncü terminal, transistörü hizmete sokmaya yarar. Devrelerde paket terminallerin önemsiz olmayan kullanımı nadirdir, ancak varlığı, bir entegre devrenin fiziksel düzenini kurarken önemlidir. Geçidin boyutu, şemadaki L uzunluğu, kaynak ve drenaj arasındaki mesafedir. Genişlik, transistörün diyagramdaki enine kesite dik bir yönde genişlemesidir (yani ekranın içinde/dışında). Genellikle genişlik, kapının uzunluğundan çok daha büyüktür. 1 µm'lik bir geçit uzunluğu, üst frekansı 0,2'den 30 GHz'e kadar yaklaşık 5 GHz ile sınırlar.