Chi ha creato il primo transistor? Questa domanda preoccupa molte persone. Il primo brevetto per il principio del transistor ad effetto di campo fu depositato in Canada dal fisico austro-ungarico Julius Edgar Lilienfeld il 22 ottobre 1925, ma Lilienfeld non pubblicò alcun articolo scientifico sui suoi dispositivi e il suo lavoro fu ignorato dall'industria. Così, il primo transistor al mondo è entrato nella storia. Nel 1934, il fisico tedesco Dr. Oskar Heil brevettò un altro FET. Non ci sono prove dirette che questi dispositivi siano stati costruiti, ma il lavoro successivo negli anni '90 ha mostrato che uno dei progetti di Lilienfeld ha funzionato come descritto e ha prodotto un risultato sostanziale. È ormai un fatto ben noto e generalmente accettato che William Shockley e il suo assistente Gerald Pearson abbiano creato versioni funzionanti dell'apparato dai brevetti di Lilienfeld, che, ovviamente, non sono mai stati menzionati in nessuno dei loro successivi articoli scientifici o articoli storici. I primi computer a transistor, ovviamente, furono costruiti molto più tardi.
Bella Lab
Bell Labs ha lavorato su un transistor costruito per produrre diodi mixer "cristallo" di germanio estremamente puro utilizzati nelle installazioni radar come parte del mixer di frequenza. Parallelamente a questo progetto, ce n'erano molti altri, incluso il transistor a diodi al germanio. I primi circuiti a valvole non avevano capacità di commutazione rapida e il team Bell utilizzava invece diodi a stato solido. I primi computer a transistor funzionavano secondo un principio simile.
Ulteriori esplorazioni di Shockley
Dopo la guerra, Shockley decise di provare a costruire un dispositivo semiconduttore simile a un triodo. Si è assicurato il finanziamento e lo spazio in laboratorio, quindi ha lavorato al problema con Bardeen e Bratten. John Bardeen alla fine sviluppò una nuova branca della meccanica quantistica nota come fisica delle superfici per spiegare i suoi primi fallimenti, e questi scienziati alla fine riuscirono a creare un dispositivo funzionante.
La chiave per lo sviluppo del transistor è stata l'ulteriore comprensione del processo di mobilità degli elettroni in un semiconduttore. È stato dimostrato che se ci fosse un modo per controllare il flusso di elettroni dall'emettitore al collettore di questo diodo appena scoperto (scoperto nel 1874, brevettato nel 1906), si potrebbe costruire un amplificatore. Ad esempio, se si posizionano i contatti su entrambi i lati di un tipo di cristallo, la corrente non scorrerà attraverso di esso.
In effetti, si è rivelato molto difficile da fare. La dimensioneil cristallo dovrebbe essere più nella media e il numero di presunti elettroni (o buchi) che dovevano essere "iniettati" era molto grande, il che lo renderebbe meno utile di un amplificatore perché richiederebbe una grande corrente di iniezione. Tuttavia, l'intera idea del diodo di cristallo era che il cristallo stesso potesse contenere elettroni a una distanza molto breve, pur essendo quasi sull'orlo dell'esaurimento. Apparentemente, la chiave era mantenere i pin di input e output molto vicini l'uno all' altro sulla superficie del cristallo.
Lavori di Bratten
Bratten ha iniziato a lavorare su un dispositivo del genere e suggerimenti di successo hanno continuato a emergere mentre il team lavorava al problema. L'invenzione è un duro lavoro. A volte il sistema funziona, ma poi si verifica un altro errore. A volte i risultati del lavoro di Bratten iniziavano a funzionare inaspettatamente in acqua, apparentemente a causa della sua elevata conduttività. Gli elettroni in qualsiasi parte del cristallo migrano a causa delle cariche vicine. Gli elettroni negli emettitori o "buchi" nei collettori si accumulavano direttamente sopra il cristallo, dove ricevono la carica opposta, "galleggiando" nell'aria (o nell'acqua). Tuttavia, potrebbero essere spinti fuori dalla superficie applicando una piccola quantità di carica da qualsiasi altra parte del cristallo. Invece di richiedere una grande quantità di elettroni iniettati, un numero molto piccolo nel posto giusto sul chip farà la stessa cosa.
La nuova esperienza dei ricercatori in una certa misura ha aiutato a risolvereil problema riscontrato in precedenza di una piccola area di controllo. Invece di dover utilizzare due semiconduttori separati collegati da un'area comune ma minuscola, verrà utilizzata un'ampia superficie. Le uscite dell'emettitore e del collettore sarebbero in alto e il filo di controllo sarebbe posizionato alla base del cristallo. Quando una corrente veniva applicata al terminale "di base", gli elettroni venivano spinti attraverso il blocco semiconduttore e raccolti sulla superficie lontana. Finché l'emettitore e il collettore erano molto vicini, questo dovrebbe fornire abbastanza elettroni o lacune tra di loro per iniziare a condurre.
Arrivo a Bray
Uno dei primi testimoni di questo fenomeno fu Ralph Bray, un giovane studente laureato. Si unì allo sviluppo del transistor al germanio presso la Purdue University nel novembre 1943 e gli fu affidato il difficile compito di misurare la resistenza di dispersione di un contatto metallo-semiconduttore. Bray ha riscontrato molte anomalie, come le barriere interne ad alta resistenza in alcuni campioni di germanio. Il fenomeno più curioso è stata la resistenza eccezionalmente bassa osservata quando sono stati applicati impulsi di tensione. I primi transistor sovietici furono sviluppati sulla base di questi sviluppi americani.
Svolta
16 dicembre 1947, utilizzando un contatto a due punti, il contatto fu stabilito con una superficie di germanio anodizzata a novanta volt, l'elettrolita fu lavato in H2O, e poi un po' d'oro è caduto su di esso. I contatti d'oro sono stati premuti contro le superfici nude. Divisione trai punti erano circa 4 × 10-3 cm Un punto era usato come griglia e l' altro punto come piatto. La deviazione (CC) sulla griglia doveva essere positiva per ottenere un guadagno di potenza di tensione attraverso la polarizzazione della piastra di circa quindici volt.
Invenzione del primo transistor
Ci sono molte domande legate alla storia di questo meccanismo miracoloso. Alcuni di loro sono familiari al lettore. Ad esempio: perché i primi transistor del tipo PNP dell'URSS? La risposta a questa domanda sta nella continuazione di tutta questa storia. Bratten e H. R. Moore hanno dimostrato a diversi colleghi e manager dei Bell Labs nel pomeriggio del 23 dicembre 1947 il risultato che avevano raggiunto, motivo per cui questo giorno viene spesso definito la data di nascita del transistor. Un transistor al germanio con contatto PNP funzionava come amplificatore vocale con un guadagno di potenza di 18. Questa è la risposta alla domanda sul perché i primi transistor dell'URSS fossero di tipo PNP, perché furono acquistati dagli americani. Nel 1956 John Bardeen, W alter Houser Bratten e William Bradford Shockley ricevettero il Premio Nobel per la Fisica per le loro ricerche sui semiconduttori e la scoperta dell'effetto transistor.
Dodici persone sono direttamente coinvolte nell'invenzione del transistor presso i Bell Labs.
I primissimi transistor in Europa
Allo stesso tempo, alcuni scienziati europei si sono entusiasmati all'idea degli amplificatori a stato solido. Nell'agosto del 1948, i fisici tedeschi Herbert F. Matare e Heinrich Welker, che lavoravano presso la Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse di Aulnay-sous-Bois, in Francia, ha richiesto un brevetto per un amplificatore basato su una minoranza di quello che chiamavano "transistor". Poiché Bell Labs non pubblicò il transistor fino al giugno 1948, il transistor era considerato sviluppato in modo indipendente. Mataré osservò per la prima volta gli effetti della transconduttanza nella produzione di diodi al silicio per apparecchiature radar tedesche durante la seconda guerra mondiale. I transistor furono prodotti in commercio per la compagnia telefonica francese e l'esercito, e nel 1953 una radio a stato solido a quattro transistor fu dimostrata in una stazione radio a Düsseldorf.
Bell Telephone Laboratories aveva bisogno di un nome per una nuova invenzione: Semiconductor Triode, Tried States Triode, Crystal Triode, Solid Triode e Iotatron erano tutti considerati, ma "transistor" coniato da John R. Pierce è stato il chiaro vincitore di un voto interno (in parte grazie alla vicinanza che gli ingegneri Bell hanno sviluppato per il suffisso "-storico").
La prima linea di produzione commerciale di transistor al mondo è stata presso lo stabilimento Western Electric su Union Boulevard ad Allentown, in Pennsylvania. La produzione iniziò il 1 ottobre 1951 con un transistor al germanio a contatto puntuale.
Ulteriori applicazioni
Fino all'inizio degli anni '50, questo transistor veniva utilizzato in tutti i tipi di produzione, ma c'erano ancora problemi significativi che ne impedivano un uso più ampio, come la sensibilità all'umidità e la fragilità dei fili attaccati ai cristalli di germanio.
Shockley è stato spesso accusatoplagio dovuto al fatto che il suo lavoro era molto vicino a quello del grande, ma non riconosciuto ingegnere ungherese. Ma gli avvocati di Bell Labs hanno risolto rapidamente la questione.
Tuttavia, Shockley fu indignato dagli attacchi della critica e decise di dimostrare chi fosse il vero cervello di tutta la grande epopea dell'invenzione del transistor. Solo pochi mesi dopo, ha inventato un tipo di transistor completamente nuovo con una "struttura a sandwich" molto particolare. Questa nuova forma era molto più affidabile del fragile sistema a punti di contatto, ed è stata questa forma che finì per essere utilizzata in tutti i transistor degli anni '60. Ben presto si sviluppò nell'apparato di giunzione bipolare, che divenne la base per il primo transistor bipolare.
Il dispositivo a induzione statica, il primo concetto di transistor ad alta frequenza, è stato inventato dagli ingegneri giapponesi Jun-ichi Nishizawa e Y. Watanabe nel 1950 ed è stato finalmente in grado di creare prototipi sperimentali nel 1975. Era il transistor più veloce negli anni '80.
Ulteriori sviluppi includevano dispositivi accoppiati estesi, transistor a barriera di superficie, diffusione, tetrodo e pentodo. Il "mesa transistor" in silicio a diffusione è stato sviluppato nel 1955 da Bell e disponibile in commercio da Fairchild Semiconductor nel 1958. Lo spazio era un tipo di transistor sviluppato negli anni '50 come miglioramento rispetto al transistor a contatto puntuale e al successivo transistor in lega.
Nel 1953, Filco ha sviluppato la prima superficie ad alta frequenza al mondodispositivo di barriera, che è stato anche il primo transistor adatto per computer ad alta velocità. La prima autoradio transistorizzata al mondo, prodotta da Philco nel 1955, utilizzava transistor a barriera di superficie nei suoi circuiti.
Risoluzione dei problemi e rielaborazione
Con la soluzione dei problemi di fragilità, il problema della pulizia è rimasto. La produzione di germanio della purezza richiesta si è rivelata una sfida importante e ha limitato il numero di transistor che potevano effettivamente funzionare da un determinato lotto di materiale. Anche la sensibilità alla temperatura del germanio ne limitava l'utilità.
Gli scienziati hanno ipotizzato che il silicio sarebbe più facile da produrre, ma pochi hanno esplorato la possibilità. Morris Tanenbaum dei Bell Laboratories fu il primo a sviluppare un transistor al silicio funzionante il 26 gennaio 1954. Pochi mesi dopo, Gordon Teal, lavorando da solo presso la Texas Instruments, sviluppò un dispositivo simile. Entrambi questi dispositivi sono stati realizzati controllando il drogaggio di singoli cristalli di silicio mentre venivano cresciuti dal silicio fuso. Un metodo superiore fu sviluppato da Morris Tanenbaum e Calvin S. Fuller presso i Bell Laboratories all'inizio del 1955 mediante diffusione gassosa di impurità di donatori e accettori in cristalli di silicio monocristallino.
Transistor ad effetto di campo
Il FET fu brevettato per la prima volta da Julis Edgar Lilienfeld nel 1926 e Oskar Hale nel 1934, ma furono sviluppati pratici dispositivi a semiconduttore (transition field effect transistor [JFET])più tardi, dopo che l'effetto transistor è stato osservato e spiegato dal team di William Shockley presso i Bell Labs nel 1947, subito dopo la scadenza del periodo di brevetto di vent'anni.
Il primo tipo di JFET è stato lo Static Induction Transistor (SIT) inventato dagli ingegneri giapponesi Jun-ichi Nishizawa e Y. Watanabe nel 1950. SIT è un tipo di JFET con una breve lunghezza del canale. Il transistor a effetto di campo a semiconduttore a semiconduttore di ossido di metallo (MOSFET), che ha ampiamente soppiantato il JFET e ha influenzato profondamente lo sviluppo dell'elettronica elettronica, è stato inventato da Dawn Kahng e Martin Atalla nel 1959.
I FET possono essere dispositivi a carica maggioritaria, in cui la corrente è trasportata prevalentemente da vettori di maggioranza, o dispositivi portatori di carica minori, in cui la corrente è guidata principalmente dal flusso di portatori di minoranza. Il dispositivo è costituito da un canale attivo attraverso il quale i portatori di carica, gli elettroni o le lacune scorrono dalla sorgente alla fogna. I terminali di source e drain sono collegati al semiconduttore tramite contatti ohmici. La conduttanza del canale è una funzione del potenziale applicato ai terminali di gate e source. Questo principio di funzionamento ha dato origine ai primi transistor all-wave.
Tutti i FET hanno terminali di source, drain e gate che corrispondono grosso modo all'emettitore, al collettore e alla base del BJT. La maggior parte dei FET ha un quarto terminale chiamato corpo, base, terra o substrato. Questo quarto terminale serve a polarizzare il transistor in servizio. È raro fare un uso non banale dei terminali a pacchetto nei circuiti, ma la sua presenza è importante quando si imposta il layout fisico di un circuito integrato. La dimensione del cancello, la lunghezza L nel diagramma, è la distanza tra la sorgente e lo scarico. La larghezza è l'espansione del transistor in una direzione perpendicolare alla sezione trasversale nel diagramma (cioè dentro/fuori dallo schermo). Di solito la larghezza è molto più grande della lunghezza del cancello. Una lunghezza del gate di 1 µm limita la frequenza superiore a circa 5 GHz, da 0,2 a 30 GHz.
