Перший транзистор: дата та історія винаходу, принцип роботи, призначення та застосування
Хто створив перший транзистор? Це питання хвилює дуже багатьох. Перший патент для польового транзисторного принципу був оформлений у Канаді австро-угорським фізиком Юлієм Едгаром Лілієнфельдом 22 жовтня 1925 року, але Лілієнфельд не опублікував жодних наукових статей про свої пристрої, і його робота була проігнорована промисловістю. Таким чином, перший у світі транзистор канув в історію. 1934 року 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 із проектів Лілієнфельда працював так, як описано, і давав суттєвий результат. Нині відомим і загальноприйнятим фактом вважається те, що Вільям Шоклі та його помічник Джеральд Пірсон створили робочі версії апаратів з патентів Лілієнфельда, про що, зрозуміло, ніколи не згадували в жодній зі своїх пізніших наукових праць чи історичних статей. Перші комп'ютери на транзисторах, зрозуміло, були збудовані значно пізніше.
Лабораторія Белла
Лабораторія Белла працювала на транзисторі, побудованому для виробництва надзвичайно чистих германієвих «кристальних» міксерів-діодів, що використовуються в радіолокаційних установках як елемент частотного мікшера. Паралельно з цим проектом існувало безліч інших, серед них - транзистор на германієвих діодах. Ранні схеми на основі трубки не мали функції швидкого перемикання, і замість них команда Bell використовувала твердотільні діоди. Перші комп'ютери на транзисторах працювали за схожим принципом.
Подальші дослідження Шоклі
Після війни Шоклі вирішив спробувати збудувати тріодоподібний напівпровідниковий пристрій. Він забезпечив фінансування і лабораторний простір, а потім почав розбиратися з проблемою спільно з Бардіном і Браттеном. Джон Бардін зрештою розробив нову галузь квантової механіки, відому як фізика поверхні, щоб пояснити свої перші невдачі, і цим ученим зрештою вдалося створити робочий пристрій.
Ключем до розвитку транзистора стало подальше розуміння процесу рухливості електронів у напівпровіднику. Було доведено, що якби був якийсь спосіб контролювати потік електронів від емітера до колектора цього знову виявленого діода (виявлений 1874, запатентований 1906), можна було б побудувати підсилювач. Наприклад, якщо помістити контакти з обох боків від одного типу кристала, струм не пройде через нього.
Насправді робити це виявилося дуже складно. Розмір кристала повинен був бути більш усередненим, а кількість передбачуваних електронів (або отворів), які необхідно було "впорскувати", було дуже великим, що зробило б його менш корисним, ніж підсилювач, тому що для цього знадобився великий струм упорскування. Проте вся ідея кристалічного діода полягала в тому, що сам кристал міг утримувати електрони на дуже невеликій відстані, перебуваючи при цьому на межі виснаження. Очевидно, ключ у тому, щоб контакти введення і виведення були дуже близькі друг до друга лежить на поверхні кристала.
Праці Браттена
Браттен почав працювати над створенням такого пристрою, і натяки на успіх продовжували з'являтися, коли команда працювала над проблемою. Винахідництво – складна робота. Іноді система працює, але потім відбувається черговий збій. Іноді результати роботи Браттена починали несподівано працювати у воді, мабуть, через її високу провідність. Електрони у будь-якій частині кристала мігрують через близькі заряди. Електрони в емітерах або «дірки» в колекторах акумулювали безпосередньо зверху кристала, де і отримують протилежний заряд, що «плаває» в повітрі (або воді). Однак їх можна було відштовхнути з поверхні із застосуванням невеликої кількості заряду з іншого місця на кристалі. Замість того, щоб вимагати великий запас інжектованих електронів, дуже невелика кількість у потрібному місці на кристалі виконає те саме.
Новий досвід дослідників певною мірою допоміг вирішити проблему невеликої контрольної області, що виникла раніше. Замість необхідності використання двох окремих напівпровідників, з'єднаних загальною, але крихітною областю, використовуватиметься одна велика поверхня. Виходи емітера та колектора були б розташовані зверху, а контрольний провід розміщений на підставі кристала. Коли струм був застосований до «базового» висновку, електрони виштовхувалися через блок напівпровідника і збиралися на дальній поверхні. Поки випромінювач і колектор були дуже близько розташовані, це мало б забезпечувати достатню кількість електронів або дірок між ними, щоб розпочати проведення.
Приєднання Брея
Раннім свідком цього явища був Ральф Брей, молодий аспірант. Він приєднався до розробки германієвого транзистора в Університеті Пердью у листопаді 1943 року і отримав складне завдання вимірювання опору розсіювання на контакті метал-напівпровідник. Брей виявив безліч аномалій, таких як внутрішні бар'єри високого опору деяких зразках германію. Найбільш цікавим явищем був виключно низький опір, що спостерігається при застосуванні імпульсів напруги. Перші радянські транзистори розроблялися з урахуванням цих американських напрацювань.
Прорив
16 грудня 1947 року, використовуючи двоточковий контакт, було зроблено контакт із поверхнею германію, анодованої до дев'яносто вольт, електроліт змився в H 2 O, та був у ньому випало кілька золотих плям. Золоті контакти були притиснуті до голих поверхонь. Поділ між крапками був близько 4 × 10 -3 см. Одна точка використовувалася як сітка, а інша точка - як платівка. Ухилення (DC) на сітці мало бути позитивним, щоб отримати посилення потужності напруги на зміщенні пластини близько п'ятнадцяти вольт.
Винахід першого транзистора
З історією цього чудомеханізму пов'язано багато питань. Частина знайома читачеві. Наприклад: чому перші транзистори СРСР були PNP-типу? Відповідь це питання у продовженні всієї цієї історії. Браттен і Х. Р. Мур продемонстрували кільком колегам і менеджерам у Bell Labs у другій половині дня 23 грудня 1947 року результат, яких вони досягли, тому цей день часто згадується як дата народження транзистора. PNP-контактний германієвий транзистор працював мовленнєвим підсилювачем з коефіцієнтом посилення потужності 18. Це відповідь на питання, чому перші транзистори СРСР були PNP-типу, адже їх закупили саме у американців. В 1956 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 безпосередня участь у винаході транзистора у лабораторії Bell.
Найперші транзистори в Європі
Водночас, деякі європейські вчені зайнялися ідеєю твердотілих підсилювачів. У серпні 1948 року німецькі фізики Герберт Ф. Матаре та Генріх Велькер, які працювали в інституті Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse в Ольні-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, транзистор вважався незалежно розробленим. Вперше Mataré спостерігала ефекти крутості під час виробництва кремнієвих діодів для німецького радіолокаційного обладнання під час Другої світової війни. Транзистори були комерційно виготовлені для французької телефонної компанії та військових, а в 1953 році на радіостанції в Дюссельдорфі було продемонстровано твердотільний радіоприймач із чотирма транзисторами.
Bell Telephone Laboratories потребувало назву для нового винаходу: Semiconductor Triode, Tried States Triode, Crystal Triode, Solid Triode та 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 у світі була на заводі Western Electric на Union Boulevard в Аллентауні, штат Пенсільванія. Виробництво почалося 1 жовтня 1951 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 ширшому застосуванню, такі як чутливість до вологи і крихкість проводів, прикріплених до кристалів германію.
Шоклі часто звинувачували у плагіаті через те, що його роботи були дуже наближені до праць великого, але невизнаного угорського інженера. Але адвокати Bell Labs швидко вирішили цю проблему.
Тим не менш, Шоклі був обурений нападками з боку критиків і вирішив продемонструвати, хто був справжнім мозком усієї великої епопеї щодо винаходу транзистора. Лише через кілька місяців він винайшов зовсім новий тип транзистора, який має дуже своєрідну «бутербродну структуру». Ця нова форма була значно надійнішою, ніж тендітна система точкового контакту, і саме вона почала використовуватися в усіх транзисторах 60-х років ХХ століття. Незабаром вона розвинулася в апарат біполярного переходу, який став основою першого біполярного транзистора.
Статичний індукційний прилад, перша концепція високочастотного транзистора, був винайдений японськими інженерами Jun-ichi Nishizawa та Y. Watanabe у 1950 році та, нарешті, зміг створити експериментальні прототипи у 1975 році. Це був найшвидший транзистор у 80-х роках ХХ століття.
Подальші розробки включали прилади з розширеним з'єднанням, поверхнево-бар'єрний транзистор, дифузійний, тетродний і пентодний. Дифузійний кремнієвий "меза-транзистор" був розроблений в 1955 році в Bell і комерційно доступний Fairchild Semiconductor в 1958 році. Простір був типом транзистора, розробленого в 1950-х роках як покращення порівняно з точковим контактним транзистором та пізнішим транзистором зі сплаву.
В 1953 Філко розробив перший у світі високочастотний поверхнево-бар'єрний прилад, який також був першим транзистором, придатним для високошвидкісних комп'ютерів. Перше у світі транзисторне автомобільне радіо, виготовлене Philco у 1955 році, використало поверхнево-бар'єрні транзистори у своїй схемі.
Вирішення проблем та доопрацювання
Із вирішенням проблем крихкості залишилася проблема чистоти. Створення германію необхідної чистоти виявилося серйозною проблемою та обмежило кількість транзисторів, які фактично працювали з цієї партії матеріалу. Чутливість германію до температури також обмежувала його корисність.
Вчені припустили, що кремній легше буде виготовити, але мало хто вивчив цю можливість. Morris Tanenbaum в Bell Laboratories були першими, хто розробив робочий кремнієвий транзистор 26 січня 1954 р. Через кілька місяців, Гордон Тіл, що працює самостійно в Texas Instruments, розробив аналогічний пристрій. Обидва 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 у Bell Laboratories на початку 1955 року шляхом газової дифузії донорних та акцепторних домішок у монокристалічні кремнієві кристали.
Польові транзистори
Польовий транзистор був вперше запатентований Юлісом Едгаром Лілієнфельдом у 1926 році та Оскаром Хейлом у 1934 році, але практичні напівпровідникові пристрої (транзистори з польовим ефектом переходу) були розроблені пізніше, після того як ефект транзистора спостерігався і пояснювався командою Уільяма7 , відразу після закінчення двадцятирічного патентного періоду.
Першим типом JFET був статичний індукційний транзистор (SIT), винайдений японськими інженерами Jun-ichi Nishizawa та Y. Watanabe у 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 вплинув на розвиток електронної електронної техніки, був винайдений Дауном Кахнгом і Мартіном Аталою в 1959 році.
Польові транзистори можуть бути пристроями з мажоритарним зарядом, в яких струм переноситься переважно мажоритарними носіями або пристроями з носіями менших зарядів, в яких струм переважно обумовлений потоком неосновних носіїв. Прилад складається з активного каналу, через який носії заряду, електрони або отвори надходять із джерела каналізацію. Кінцеві висновки джерела та стоку підключаються до напівпровідника через омічні контакти. Провідність каналу є функцією потенціалу, що застосовується через клеми затвора та джерела. Цей принцип роботи дав початок першим всехвильовим транзисторам.
Всі польові транзистори мають клеми джерела, стоку та затвора, які приблизно відповідають емітеру, колектору та базі BJT. Більшість польових транзисторів мають четвертий термінал, який називається корпусом, базою, масою або субстратом. Цей четвертий термінал служить зміщення транзистора в експлуатацію. Рідко доводиться робити нетривіальне використання терміналів корпусу в схемах, але його присутність важлива при налаштуванні фізичного компонування інтегральної схеми. Розмір воріт, довжина L на діаграмі - це відстань між джерелом і стоком. Ширина - це розширення транзистора у напрямі, перпендикулярному поперечному перерізу на діаграмі (тобто в/з екрана). Зазвичай ширина набагато більша, ніж довжина воріт. Довжина затвора 1 мкм обмежує верхню частоту приблизно 5 ГГц, від 0,2 до 30 ГГц.