Hvem skabte den første transistor? Dette spørgsmål bekymrer mange mennesker. Det første patent på felteffekttransistorprincippet blev indgivet i Canada af den østrig-ungarske fysiker Julius Edgar Lilienfeld den 22. oktober 1925, men Lilienfeld udgav ingen videnskabelige artikler om sine enheder, og hans arbejde blev ignoreret af industrien. Dermed er verdens første transistor sunket ind i historien. I 1934 patenterede den tyske fysiker Dr. Oskar Heil endnu en FET. Der er ingen direkte beviser for, at disse enheder blev bygget, men senere arbejde i 1990'erne viste, at et af Lilienfelds designs fungerede som beskrevet og gav et væsentligt resultat. Det er nu en velkendt og generelt accepteret kendsgerning, at William Shockley og hans assistent Gerald Pearson skabte fungerende versioner af apparatet ud fra Lilienfelds patenter, som selvfølgelig aldrig blev nævnt i nogen af deres senere videnskabelige artikler eller historiske artikler. De første transistoriserede computere blev selvfølgelig bygget meget senere.
Bella Lab
Bell Labs arbejdede på en transistor bygget til at producere ekstremt rene germanium "krystal" mixerdioder, der bruges i radarinstallationer som en del af frekvensmixeren. Parallelt med dette projekt var der mange andre, inklusive germaniumdiodetransistoren. Tidlige rørbaserede kredsløb havde ikke mulighed for hurtig omskiftning, og Bell-teamet brugte i stedet solid-state dioder. De første transistorcomputere arbejdede efter et lignende princip.
Yderligere udforskning af Shockley
Efter krigen besluttede Shockley at prøve at bygge en triode-lignende halvlederenhed. Han sikrede finansieringen og laboratoriepladsen og arbejdede derefter på problemet med Bardeen og Bratten. John Bardeen udviklede til sidst en ny gren af kvantemekanikken kendt som overfladefysik for at forklare hans tidlige fejl, og disse videnskabsmænd lykkedes til sidst med at skabe en fungerende enhed.
Nøglen til udviklingen af transistoren var den videre forståelse af processen med elektronmobilitet i en halvleder. Det blev bevist, at hvis der var en måde at kontrollere strømmen af elektroner fra emitter til samler af denne nyopdagede diode (opdaget 1874, patenteret 1906), kunne en forstærker bygges. Hvis du f.eks. placerer kontakter på hver side af én type krystal, vil der ikke flyde nogen strøm gennem den.
Faktisk viste det sig at være meget svært at gøre. Størrelsenkrystallen skulle være mere gennemsnitlig, og antallet af formodede elektroner (eller huller), der skulle "injiceres", var meget stort, hvilket ville gøre det mindre nyttigt end en forstærker, fordi det ville kræve en stor injektionsstrøm. Men hele ideen med krystaldioden var, at krystallen selv kunne holde elektroner på meget kort afstand, mens den næsten var på randen af udtømning. Nøglen var tilsyneladende at holde input- og outputbenene meget tæt på hinanden på overfladen af krystallen.
Brattens værker
Bratten begyndte at arbejde på sådan en enhed, og antydninger af succes fortsatte med at dukke op, mens holdet arbejdede på problemet. Opfindelse er hårdt arbejde. Nogle gange virker systemet, men så opstår der endnu en fejl. Nogle gange begyndte resultaterne af Brattens arbejde at virke uventet i vand, tilsyneladende på grund af dets høje ledningsevne. Elektroner i enhver del af krystallen migrerer på grund af nærliggende ladninger. Elektronerne i emitterne eller "hullerne" i kollektorerne akkumulerede direkte på toppen af krystallen, hvor de modtager den modsatte ladning, "svævende" i luften (eller vandet). De kunne dog skubbes væk fra overfladen ved at påføre en lille mængde ladning fra et hvilket som helst andet sted på krystallen. I stedet for at kræve en stor forsyning af injicerede elektroner, vil et meget lille antal på det rigtige sted på chippen gøre det samme.
Forskernes nye erfaringer var til en vis grad med til at løsedet tidligere stødte problem med et lille kontrolområde. I stedet for at skulle bruge to separate halvledere forbundet med et fælles, men lillebitte område, vil en stor overflade blive brugt. Emitter- og kollektorudgangene ville være øverst, og kontrolkablet ville blive placeret i bunden af krystallen. Når en strøm blev tilført til "base" terminalen, ville elektronerne blive skubbet gennem halvlederblokken og opsamlet på den fjerne overflade. Så længe emitteren og solfangeren var meget tæt på hinanden, ville dette skulle give nok elektroner eller huller mellem dem til at begynde at lede.
Bray Joining
Et tidligt vidne til dette fænomen var Ralph Bray, en ung kandidatstuderende. Han sluttede sig til udviklingen af germaniumtransistoren ved Purdue University i november 1943 og fik den vanskelige opgave at måle lækagemodstanden af en metal-halvlederkontakt. Bray fandt mange anomalier, såsom interne højresistensbarrierer i nogle germaniumprøver. Det mest mærkelige fænomen var den usædvanligt lave modstand, der blev observeret, når spændingsimpulser blev påført. De første sovjetiske transistorer blev udviklet på basis af disse amerikanske udviklinger.
Bybrud
Den 16. december 1947, ved hjælp af en topunktskontakt, blev der skabt kontakt med en germanium-overflade anodiseret til 90 volt, elektrolytten blev vasket ind i H2O, og derefter der faldt noget guld på dens pletter. Guldkontakter blev presset mod bare overflader. Opdeling mellemprikkerne var omkring 4 × 10-3 cm. Den ene prik blev brugt som et gitter og den anden prik som en plade. Afvigelsen (DC) på nettet skulle være positiv for at få en spændingseffektforstærkning over pladeforspændingen på omkring femten volt.
Opfindelsen af den første transistor
Der er mange spørgsmål forbundet med historien om denne mirakelmekanisme. Nogle af dem er bekendte for læseren. For eksempel: hvorfor var de første transistorer af USSR PNP-typen? Svaret på dette spørgsmål ligger i fortsættelsen af hele denne historie. Bratten og H. R. Moore demonstrerede for flere kolleger og ledere på Bell Labs om eftermiddagen den 23. december 1947 det resultat, de havde opnået, hvorfor denne dag ofte omtales som transistorens fødselsdato. En PNP-kontakt germanium transistor fungerede som en taleforstærker med en effektforstærkning på 18. Dette er svaret på spørgsmålet, hvorfor de første transistorer i USSR var PNP-type, fordi de blev købt fra amerikanerne. I 1956 blev John Bardeen, W alter Houser Bratten og William Bradford Shockley tildelt Nobelprisen i fysik for deres forskning i halvledere og opdagelsen af transistoreffekten.
Tolv personer krediteres for at være direkte involveret i opfindelsen af transistoren hos Bell Labs.
De allerførste transistorer i Europa
Samtidig blev nogle europæiske videnskabsmænd begejstrede for ideen om solid-state forstærkere. I august 1948, de tyske fysikere Herbert F. Matare og Heinrich Welker, som arbejdede på Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse i Aulnay-sous-Bois, Frankrig, ansøgte om patent på en forstærker baseret på et mindretal af det, de kaldte "transistor". Fordi Bell Labs ikke udgav transistoren før juni 1948, blev transistoren betragtet som selvstændigt udviklet. Mataré observerede først virkningerne af transkonduktans i produktionen af siliciumdioder til tysk radarudstyr under Anden Verdenskrig. Transistorer blev kommercielt fremstillet til det franske telefonselskab og militæret, og i 1953 blev en fire-transistor solid state radio demonstreret på en radiostation i Düsseldorf.
Bell Telephone Laboratories havde brug for et navn til en ny opfindelse: Semiconductor Triode, Tried States Triode, Crystal Triode, Solid Triode og Iotatron blev alle overvejet, men "transistor" opfundet af John R. Pierce var den klare vinder af en intern afstemning (delvist takket være den nærhed, Bell-ingeniører udviklede til det "-historiske" suffiks).
Verdens første kommercielle transistorproduktionslinje var på Western Electric-fabrikken på Union Boulevard i Allentown, Pennsylvania. Produktionen begyndte den 1. oktober 1951 med en punktkontakt germaniumtransistor.
Yderligere ansøgning
Op til begyndelsen af 1950'erne blev denne transistor brugt i alle typer fremstilling, men der var stadig betydelige problemer med at forhindre dens bredere anvendelse, såsom følsomhed over for fugt og skrøbeligheden af ledninger knyttet til germaniumkrystaller.
Shockley blev ofte anklaget forplagiat på grund af, at hans arbejde lå meget tæt på den store, men uanerkendte ungarske ingeniørs arbejde. Men Bell Labs advokater løste hurtigt problemet.
Ikke desto mindre var Shockley forarget over angrebene fra kritikere og besluttede at demonstrere, hvem der var den virkelige hjerne i hele det store epos om opfindelsen af transistoren. Blot et par måneder senere opfandt han en helt ny type transistor med en meget ejendommelig "sandwichstruktur". Denne nye form var meget mere pålidelig end det skrøbelige punktkontaktsystem, og det var denne form, der endte med at blive brugt i alle transistorer i 1960'erne. Det udviklede sig hurtigt til det bipolære forbindelsesapparat, som blev grundlaget for den første bipolære transistor.
Den statiske induktionsenhed, det første koncept af højfrekvenstransistoren, blev opfundet af de japanske ingeniører Jun-ichi Nishizawa og Y. Watanabe i 1950 og var endelig i stand til at skabe eksperimentelle prototyper i 1975. Det var den hurtigste transistor i 1980'erne.
Yderligere udvikling inkluderede udvidede koblede enheder, overfladebarrieretransistor, diffusion, tetrode og pentode. Diffusionssilicium "mesa transistor" blev udviklet i 1955 hos Bell og kommercielt tilgængelig fra Fairchild Semiconductor i 1958. Rummet var en type transistor udviklet i 1950'erne som en forbedring i forhold til punktkontakttransistoren og den senere legeringstransistor.
I 1953 udviklede Filco verdens første højfrekvente overfladebarriereanordning, som også var den første transistor, der var egnet til højhastighedscomputere. Verdens første transistoriserede bilradio, fremstillet af Philco i 1955, brugte overfladebarrieretransistorer i sit kredsløb.
Problemløsning og omarbejde
Med løsningen af problemerne med skrøbelighed forblev problemet med renlighed. At producere germanium af den krævede renhed viste sig at være en stor udfordring og begrænsede antallet af transistorer, der rent faktisk kunne arbejde fra et givet parti materiale. Temperaturfølsomheden af germanium begrænsede også dets anvendelighed.
Forskere har spekuleret i, at silicium ville være lettere at fremstille, men få har undersøgt muligheden. Morris Tanenbaum hos Bell Laboratories var de første til at udvikle en fungerende siliciumtransistor den 26. januar 1954. Et par måneder senere udviklede Gordon Teal, der arbejdede på egen hånd hos Texas Instruments, en lignende enhed. Begge disse enheder blev lavet ved at kontrollere dopingen af enkelte siliciumkrystaller, da de blev dyrket fra smeltet silicium. En højere metode blev udviklet af Morris Tanenbaum og Calvin S. Fuller ved Bell Laboratories i begyndelsen af 1955 ved gasformig diffusion af donor- og acceptorurenheder til enkeltkrystal siliciumkrystaller.
Felteffekttransistorer
FET'en blev først patenteret af Julis Edgar Lilienfeld i 1926 og Oskar Hale i 1934, men praktiske halvlederenheder (overgangsfelteffekttransistorer [JFET]) blev udvikletsenere, efter at transistoreffekten blev observeret og forklaret af William Shockleys team på Bell Labs i 1947, lige efter at den tyveårige patentperiode var udløbet.
Den første type JFET var den statiske induktionstransistor (SIT) opfundet af de japanske ingeniører Jun-ichi Nishizawa og Y. Watanabe i 1950. SIT er en type JFET med en kort kanallængde. Metal-oxid-halvleder-halvleder-felteffekttransistoren (MOSFET), som stort set fortrængte JFET og dybt påvirkede udviklingen af elektronisk elektronik, blev opfundet af Dawn Kahng og Martin Atalla i 1959.
FET'er kan være enheder til majoritetsopladning, hvor strømmen overvejende føres af de fleste bærere, eller enheder med mindre ladebærere, hvor strømmen primært drives af minoritetsbærerstrøm. Enheden består af en aktiv kanal, gennem hvilken ladningsbærere, elektroner eller huller strømmer fra kilden til kloakken. Kilde- og drænterminalerne er forbundet til halvlederen gennem ohmske kontakter. Kanalledningsevnen er en funktion af potentialet påført over gate- og kildeterminalerne. Dette driftsprincip gav anledning til de første transistorer med alle bølger.
Alle FET'er har source-, drain- og gateterminaler, der nogenlunde svarer til BJT'ens emitter, kollektor og base. De fleste FET'er har en fjerde terminal kaldet krop, base, jord eller substrat. Denne fjerde terminal tjener til at forspænde transistoren i drift. Det er sjældent, at man gør ikke-triviel brug af pakketerminaler i kredsløb, men dets tilstedeværelse er vigtig, når man opsætter det fysiske layout af et integreret kredsløb. Størrelsen af porten, længden L i diagrammet, er afstanden mellem kilden og afløbet. Bredde er udvidelsen af transistoren i en retning vinkelret på tværsnittet i diagrammet (dvs. ind/ud af skærmen). Norm alt er bredden meget større end længden af porten. En portlængde på 1 µm begrænser den øvre frekvens til ca. 5 GHz, fra 0,2 til 30 GHz.
