اولین ترانزیستور را چه کسی ایجاد کرد؟ این سوال خیلی ها را نگران می کند. اولین حق اختراع برای اصل ترانزیستور اثر میدانی توسط فیزیکدان اتریش-مجارستانی جولیوس ادگار لیلینفلد در 22 اکتبر 1925 در کانادا ثبت شد، اما لیلینفلد هیچ مقاله علمی بر روی دستگاه های خود منتشر نکرد و کار او توسط صنعت نادیده گرفته شد. بنابراین، اولین ترانزیستور جهان در تاریخ غرق شد. در سال 1934، دکتر اسکار هایل، فیزیکدان آلمانی، یک FET دیگر را ثبت کرد. هیچ مدرک مستقیمی مبنی بر ساخته شدن این دستگاه ها وجود ندارد، اما کار بعدی در دهه 1990 نشان داد که یکی از طرح های لیلینفلد همانطور که توضیح داده شد کار می کند و نتیجه قابل توجهی به همراه دارد. اکنون این یک واقعیت شناخته شده و عموما پذیرفته شده است که ویلیام شاکلی و دستیارش جرالد پیرسون نسخه های کاری دستگاه را از اختراعات لیلینفلد ایجاد کردند که البته در هیچ یک از مقالات علمی بعدی یا مقالات تاریخی آنها هرگز ذکر نشد. البته اولین کامپیوترهای ترانزیستوری شده خیلی دیرتر ساخته شدند.
آزمایشگاه بلا
آزمایشگاه‌های بل روی ترانزیستوری کار کردند که برای تولید دیودهای میکسر «کریستال» ژرمانیوم بسیار خالص که در تأسیسات راداری به عنوان بخشی از میکسر فرکانس استفاده می‌شود، ساخته شد. به موازات این پروژه، پروژه های بسیار دیگری از جمله ترانزیستور دیود ژرمانیوم وجود داشت. مدارهای مبتنی بر لوله اولیه قابلیت سوئیچینگ سریع نداشتند و تیم بل به جای آن از دیودهای حالت جامد استفاده می کرد. اولین کامپیوترهای ترانزیستوری بر اساس یک اصل مشابه کار می کردند.
اکتشاف بیشتر شاکلی
بعد از جنگ، شاکلی تصمیم گرفت سعی کند یک دستگاه نیمه هادی تریود مانند بسازد. او بودجه و فضای آزمایشگاهی را تضمین کرد و سپس با باردین و براتن روی مشکل کار کرد. جان باردین در نهایت شاخه جدیدی از مکانیک کوانتومی به نام فیزیک سطح را برای توضیح شکست های اولیه خود توسعه داد و این دانشمندان در نهایت موفق به ایجاد یک دستگاه کار شدند.
کلید توسعه ترانزیستور، درک بیشتر فرآیند تحرک الکترون در یک نیمه هادی بود. ثابت شد که اگر راهی برای کنترل جریان الکترون ها از امیتر به جمع کننده این دیود تازه کشف شده (کشف شده در سال 1874، ثبت اختراع 1906) وجود داشته باشد، می توان یک تقویت کننده ساخت. برای مثال، اگر مخاطبین را در دو طرف یک نوع کریستال قرار دهید، هیچ جریانی از آن عبور نخواهد کرد.
در واقع، معلوم شد که انجام آن بسیار دشوار است. اندازهکریستال باید متوسط‌تر باشد، و تعداد الکترون‌ها (یا حفره‌های) فرضی که باید "تزریق" شوند، بسیار زیاد است، که باعث می‌شود آن را کمتر از تقویت‌کننده استفاده کنیم، زیرا به جریان تزریق زیادی نیاز دارد. با این حال، کل ایده دیود کریستالی این بود که خود کریستال می تواند الکترون ها را در فاصله بسیار کوتاهی نگه دارد، در حالی که تقریباً در آستانه تخلیه است. ظاهراً، کلید این بود که پایه‌های ورودی و خروجی را روی سطح کریستال بسیار نزدیک به یکدیگر نگه دارید.
آثار براتن
Bratten کار بر روی چنین دستگاهی را آغاز کرد، و با کار تیم بر روی این مشکل، نکات موفقیت همچنان ظاهر شد. اختراع کار سختی است. گاهی اوقات سیستم کار می کند، اما پس از آن شکست دیگری رخ می دهد. گاهی اوقات نتایج کار براتن به طور غیرمنتظره ای در آب شروع به کار می کرد، ظاهراً به دلیل رسانایی بالای آن. الکترون ها در هر قسمت از کریستال به دلیل بارهای مجاور مهاجرت می کنند. الکترون‌ها در تابش‌کننده‌ها یا «سوراخ‌ها» در کلکتورها مستقیماً در بالای کریستال جمع می‌شوند، جایی که بار مخالف دریافت می‌کنند و در هوا (یا آب) شناور هستند. با این حال، می‌توان آنها را با اعمال مقدار کمی بار از هر جای دیگری روی کریستال از سطح خارج کرد. به جای نیاز به منبع زیادی از الکترون های تزریق شده، تعداد بسیار کمی در جای مناسب روی تراشه همین کار را انجام می دهد.
تجربه جدید محققان تا حدی به حل کمک کردمشکل قبلی یک منطقه کنترل کوچک. به جای نیاز به استفاده از دو نیمه هادی مجزا که توسط یک ناحیه مشترک اما کوچک به هم متصل شده اند، از یک سطح بزرگ استفاده می شود. خروجی های امیتر و کلکتور در بالا و سیم کنترل در پایه کریستال قرار می گیرد. هنگامی که جریانی به ترمینال "پایه" اعمال می شود، الکترون ها از طریق بلوک نیمه هادی رانده می شوند و در سطح دور جمع می شوند. تا زمانی که امیتر و کلکتور بسیار نزدیک بودند، باید الکترون ها یا حفره های کافی بین آنها برای شروع رسانایی فراهم شود.
پیوستن بری
شاهد اولیه این پدیده رالف بری، دانشجوی جوان فارغ التحصیل بود. او در نوامبر 1943 به توسعه ترانزیستور ژرمانیوم در دانشگاه پردو پیوست و وظیفه دشوار اندازه گیری مقاومت نشتی یک تماس فلز-نیمه هادی را بر عهده گرفت. بری ناهنجاری های زیادی مانند موانع داخلی با مقاومت بالا در برخی از نمونه های ژرمانیوم پیدا کرد. عجیب ترین پدیده مقاومت استثنایی کم بود که هنگام اعمال پالس های ولتاژ مشاهده شد. اولین ترانزیستورهای شوروی بر اساس این پیشرفت های آمریکایی ساخته شدند.
دستیابی به موفقیت
16 دسامبر 1947، با استفاده از یک تماس دو نقطه ای، تماس با سطح ژرمانیوم آنودایزه شده تا نود ولت ایجاد شد، الکترولیت در H2O شسته شد و سپس مقداری طلا بر روی آن افتاد کنتاکت های طلا بر روی سطوح لخت فشار داده شدند. تقسیم بیننقطه ها حدود 4 × 10-3 سانتی متر بودند.یک نقطه به عنوان شبکه و نقطه دیگر به عنوان صفحه استفاده می شد. انحراف (DC) در شبکه باید مثبت باشد تا یک افزایش توان ولتاژ در سراسر بایاس صفحه حدود پانزده ولت داشته باشد.
اختراع اولین ترانزیستور
سوالات زیادی در رابطه با تاریخچه این مکانیسم معجزه وجود دارد. برخی از آنها برای خواننده آشنا هستند. به عنوان مثال: چرا اولین ترانزیستورهای اتحاد جماهیر شوروی از نوع PNP بودند؟ پاسخ این سوال در ادامه کل این داستان نهفته است. براتن و اچ آر مور در بعدازظهر 23 دسامبر 1947 به چندین همکار و مدیران در آزمایشگاه بل نشان دادند که نتیجه ای را که به دست آورده بودند، به همین دلیل است که این روز اغلب به عنوان تاریخ تولد ترانزیستور نامیده می شود. یک ترانزیستور ژرمانیوم با تماس PNP به عنوان تقویت کننده گفتار با افزایش توان 18 کار می کرد. این پاسخ به این سوال است که چرا اولین ترانزیستورهای اتحاد جماهیر شوروی از نوع PNP بودند، زیرا از آمریکایی ها خریداری شده بودند. در سال 1956، جان باردین، والتر هاوسر براتن و ویلیام برادفورد شاکلی به خاطر تحقیقاتشان در مورد نیمه هادی ها و کشف اثر ترانزیستور، جایزه نوبل فیزیک را دریافت کردند.
دوازده نفر به طور مستقیم در اختراع ترانزیستور در آزمایشگاه بل نقش داشته اند.
اولین ترانزیستور در اروپا
در همان زمان، برخی از دانشمندان اروپایی درباره ایده تقویت‌کننده‌های حالت جامد هیجان‌زده شدند. در آگوست 1948، فیزیکدانان آلمانی، هربرت اف. Bois، فرانسه، برای ثبت اختراع برای تقویت کننده بر اساس اقلیتی از آنچه آنها "ترانزیستور" نامیده اند، درخواست داد. از آنجایی که آزمایشگاه بل تا ژوئن 1948 ترانزیستور را منتشر نکرد، ترانزیستور به طور مستقل توسعه یافته در نظر گرفته شد. ماتاره برای اولین بار اثرات رسانایی را در تولید دیودهای سیلیکونی برای تجهیزات رادار آلمانی در طول جنگ جهانی دوم مشاهده کرد. ترانزیستورها به صورت تجاری برای شرکت تلفن فرانسوی و ارتش ساخته شدند و در سال 1953 یک رادیو حالت جامد با چهار ترانزیستور در ایستگاه رادیویی در دوسلدورف نمایش داده شد.
آزمایشگاه های تلفن بل برای یک اختراع جدید نیاز به یک نام داشتند: تریود نیمه هادی، تریود حالت های آزمایش شده، تریود کریستال، تریود جامد و آیوتاترون همگی در نظر گرفته شده بودند، اما ترانزیستور ابداع شده توسط جان آر. پیرس برنده آشکار یک اختراع بود. رای داخلی (تا حدی به لطف مجاورت مهندسان بل برای پسوند "-historic" ایجاد شده است).
اولین خط تولید ترانزیستور تجاری جهان در کارخانه وسترن الکتریک در بلوار یونیون در آلن تاون، پنسیلوانیا بود. تولید در 1 اکتبر 1951 با ترانزیستور ژرمانیوم تماس نقطه ای آغاز شد.
برنامه بیشتر
تا اوایل دهه 1950، این ترانزیستور در همه انواع تولید استفاده می شد، اما هنوز مشکلات قابل توجهی وجود داشت که مانع استفاده گسترده از آن می شد، مانند حساسیت به رطوبت و شکنندگی سیم های متصل به کریستال های ژرمانیوم..
شاکلی اغلب به آن متهم می شدسرقت ادبی به دلیل این واقعیت است که کار او بسیار نزدیک به کار مهندس بزرگ، اما ناشناخته مجارستانی بود. اما وکلای آزمایشگاه بل به سرعت مشکل را حل کردند.
با این وجود، شاکلی از حملات منتقدان خشمگین شد و تصمیم گرفت نشان دهد که مغز واقعی کل حماسه بزرگ اختراع ترانزیستور کیست. تنها چند ماه بعد، او نوع کاملاً جدیدی از ترانزیستور را با "ساختار ساندویچی" بسیار عجیب و غریب اختراع کرد. این فرم جدید بسیار قابل اعتمادتر از سیستم شکننده نقطه تماس بود، و این فرم بود که در نهایت در تمام ترانزیستورهای دهه 1960 استفاده شد. به زودی به دستگاه اتصال دوقطبی تبدیل شد که پایه و اساس اولین ترانزیستور دوقطبی شد.
دستگاه القایی استاتیک، اولین مفهوم ترانزیستور فرکانس بالا، توسط مهندسان ژاپنی Jun-ichi Nishizawa و Y. Watanabe در سال 1950 اختراع شد و در نهایت توانست نمونه های آزمایشی را در سال 1975 ایجاد کند. این سریعترین ترانزیستور در دهه 1980 بود.
پیشرفت‌های بیشتر شامل دستگاه‌های جفت شده توسعه‌یافته، ترانزیستور مانع سطحی، انتشار، تترود و پنتود بود. سیلیکون انتشار "مزا ترانزیستور" در سال 1955 در بل توسعه یافت و به صورت تجاری از Fairchild Semiconductor در سال 1958 در دسترس بود. Space نوعی ترانزیستور بود که در دهه 1950 به عنوان پیشرفتی نسبت به ترانزیستور تماس نقطه ای و ترانزیستور آلیاژی بعدی توسعه یافت.
در سال 1953، Filco اولین سطح فرکانس بالا در جهان را توسعه داد.دستگاه مانع که اولین ترانزیستور مناسب برای کامپیوترهای پرسرعت نیز بود. اولین رادیو ماشین ترانزیستوری شده جهان که توسط فیلکو در سال 1955 ساخته شد، از ترانزیستورهای مانع سطحی در مدار خود استفاده کرد.
حل مشکل و دوباره کاری
با حل مشکلات شکنندگی، مشکل نظافت باقی ماند. ثابت شد که تولید ژرمانیوم با خلوص لازم یک چالش بزرگ است و تعداد ترانزیستورهایی را که واقعاً می توانند از یک دسته معین از مواد کار کنند، محدود می کند. حساسیت دمایی ژرمانیوم نیز کاربرد آن را محدود کرد.
دانشمندان حدس می زنند که ساخت سیلیکون آسان تر است، اما تعداد کمی از این احتمال را بررسی کرده اند. موریس تاننباوم در آزمایشگاه‌های بل اولین کسی بود که در 26 ژانویه 1954 یک ترانزیستور سیلیکونی کارساز را توسعه داد. چند ماه بعد، گوردون تیل که به تنهایی در تگزاس اینسترومنتز کار می‌کرد، دستگاه مشابهی را توسعه داد. هر دوی این دستگاه ها با کنترل دوپینگ تک کریستال های سیلیکونی که از سیلیکون مذاب رشد می کردند ساخته شدند. روش بالاتری توسط موریس تاننباوم و کالوین اس فولر در آزمایشگاه‌های بل در اوایل سال 1955 با انتشار گازی ناخالصی‌های اهداکننده و گیرنده به کریستال‌های سیلیکون تک کریستالی توسعه یافت.
ترانزیستورهای اثر میدان
FET برای اولین بار توسط جولیس ادگار لیلینفلد در سال 1926 و اسکار هیل در سال 1934 به ثبت رسید، اما دستگاه های نیمه هادی عملی (ترانزیستورهای اثر میدان انتقال [JFET]) توسعه یافتند.بعدها، پس از مشاهده و توضیح اثر ترانزیستور توسط تیم ویلیام شاکلی در آزمایشگاه بل در سال 1947، درست پس از انقضای دوره ثبت اختراع بیست ساله.
اولین نوع JFET ترانزیستور القایی ساکن (SIT) بود که توسط مهندسان ژاپنی Jun-ichi Nishizawa و Y. Watanabe در سال 1950 اختراع شد. SIT نوعی JFET با طول کانال کوتاه است. ترانزیستور اثر میدانی نیمه هادی فلز-اکسید-نیمه هادی (MOSFET)، که تا حد زیادی جایگزین JFET شد و عمیقاً بر توسعه الکترونیک الکترونیک تأثیر گذاشت، توسط داون کاهنگ و مارتین آتالا در سال 1959 اختراع شد.
FET ها می توانند دستگاه های اکثر شارژ باشند، که در آنها جریان عمدتاً توسط حامل های اکثریت حمل می شود، یا دستگاه های حامل بار کمتر، که در آنها جریان عمدتاً توسط جریان حامل اقلیت هدایت می شود. این دستگاه از یک کانال فعال تشکیل شده است که از طریق آن حامل های بار، الکترون ها یا سوراخ هایی از منبع به فاضلاب جریان می یابد. پایانه های منبع و تخلیه از طریق کنتاکت های اهمی به نیمه هادی متصل می شوند. رسانایی کانال تابعی از پتانسیل اعمال شده در سرتاسر دروازه و پایانه های منبع است. این اصل کار باعث پیدایش اولین ترانزیستورهای تمام موج شد.
همه FET ها دارای پایانه های منبع، تخلیه و دروازه هستند که تقریباً با امیتر، کلکتور و پایه BJT مطابقت دارند. اکثر FET ها یک پایانه چهارم به نام بدنه، پایه، زمین یا بستر دارند. این ترمینال چهارم برای هدایت ترانزیستور به سمت سرویس کار می کند.استفاده غیر ضروری از پایانه های بسته در مدارها به ندرت اتفاق می افتد، اما وجود آن هنگام تنظیم طرح فیزیکی یک مدار مجتمع مهم است. اندازه دروازه، طول L در نمودار، فاصله بین منبع و تخلیه است. عرض عبارت است از انبساط ترانزیستور در جهت عمود بر سطح مقطع در نمودار (یعنی داخل/خارج از صفحه). معمولا عرض بسیار بزرگتر از طول دروازه است. طول دروازه 1 میکرومتر فرکانس بالایی را به تقریباً 5 گیگاهرتز، از 0.2 تا 30 گیگاهرتز محدود می کند.
