Алғашқы транзисторды кім жасады? Бұл сұрақ көп адамды мазалайды. Өріс әсерінің транзисторлық принципіне бірінші патентті 1925 жылы 22 қазанда австро-венгр физигі Юлиус Эдгар Лилиенфельд Канадада берді, бірақ Лилиенфельд өз құрылғыларында ешбір ғылыми мақала жарияламады және оның жұмысын өнеркәсіп назардан тыс қалдырды. Осылайша, әлемдегі алғашқы транзистор тарихқа еніп кетті. 1934 жылы неміс физигі доктор Оскар Хейл тағы бір FET патентін алды. Бұл құрылғылардың жасалғаны туралы тікелей дәлелдер жоқ, бірақ 1990 жылдардағы кейінгі жұмыстар Лилиенфельдтің бір дизайны сипатталғандай жұмыс істеп, айтарлықтай нәтиже бергенін көрсетті. Уильям Шокли мен оның көмекшісі Джералд Пирсонның Лилиенфельд патенттерінен аппараттың жұмыс нұсқаларын жасағаны белгілі және жалпы қабылданған факт, әрине, бұл туралы олардың кейінгі ғылыми еңбектерінде немесе тарихи мақалаларында ешқашан айтылмаған. Алғашқы транзисторлы компьютерлер, әрине, әлдеқайда кейінірек жасалды.
Белла зертханасы
Bell Labs жиілік араластырғышының бөлігі ретінде радар қондырғыларында қолданылатын өте таза германий «кристалды» араластырғыш диодтарын шығару үшін жасалған транзисторда жұмыс істеді. Осы жобаға параллель басқа да көптеген, соның ішінде германий диодты транзисторы болды. Ерте түтікке негізделген тізбектердің жылдам ауысу мүмкіндігі болмады, ал Bell командасы оның орнына қатты күйдегі диодтарды пайдаланды. Алғашқы транзисторлық компьютерлер ұқсас принцип бойынша жұмыс істеді.
Шоклиді әрі қарай зерттеу
Соғыстан кейін Шокли триод тәрізді жартылай өткізгіш құрылғы жасап көруді ұйғарды. Ол қаржыландыруды және зертханалық кеңістікті қамтамасыз етті, содан кейін Бардин мен Браттенмен проблемамен жұмыс істеді. Ақырында Джон Бардин өзінің алғашқы сәтсіздіктерін түсіндіру үшін кванттық механиканың беттік физика деп аталатын жаңа саласын әзірледі және бұл ғалымдар жұмыс істейтін құрылғыны жасай алды.
Транзистордың дамуының кілті жартылай өткізгіштегі электрондардың қозғалғыштығы процесін одан әрі түсіну болды. Егер осы жаңадан ашылған диодтың эмитентінен коллекторға электрондар ағынын басқарудың қандай да бір жолы болса (1874 жылы ашылған, 1906 жылы патенттелген), күшейткіш құрастыруға болатыны дәлелденді. Мысалы, контактілерді кристалдың бір түрінің екі жағына орналастырсаңыз, ол арқылы ток өтпейді.
Негізі мұны істеу өте қиын болып шықты. Көлемікристалдың орташа болуы керек еді және «инъекцияға» қажет болжанған электрондардың (немесе саңылаулардың) саны өте үлкен болды, бұл оны күшейткішке қарағанда пайдалы емес етеді, өйткені ол үлкен инъекциялық токты қажет етеді. Дегенмен, кристалдық диодтың бүкіл идеясы кристалдың өзі азайып кету алдында тұрған кезде электрондарды өте қысқа қашықтықта ұстай алатындығы болды. Кіру және шығыс түйреуіштерін кристалдың бетінде бір-біріне өте жақын ұстау кілті болса керек.
Браттеннің жұмыстары
Браттен мұндай құрылғыда жұмыс істей бастады және топ проблемамен жұмыс істеген кезде сәттілік туралы кеңестер көріне берді. Өнертабыс - ауыр жұмыс. Кейде жүйе жұмыс істейді, бірақ содан кейін басқа сәтсіздік орын алады. Кейде Браттен жұмысының нәтижелері суда күтпеген жерден жұмыс істей бастады, шамасы оның жоғары өткізгіштігіне байланысты. Кристалдың кез келген бөлігіндегі электрондар жақын орналасқан зарядтардың әсерінен орын ауыстырады. Эмиттердегі электрондар немесе коллекторлардағы «саңылаулар» тікелей кристалдың жоғарғы жағында жинақталған, онда олар ауада (немесе суда) «қалқыған» қарама-қарсы заряд алады. Дегенмен, оларды кристалдың кез келген басқа жерінен аз мөлшерде зарядтау арқылы бетінен итеріп тастауға болады. Инъекцияланған электрондардың көп қорын талап етудің орнына, чиптің дұрыс жеріндегі өте аз сан дәл осылай жасайды.
Зерттеушілердің жаңа тәжірибесі белгілі бір дәрежеде мәселені шешуге көмектестішағын басқару аймағының бұрын кездескен мәселесі. Ортақ, бірақ кішкентай аймақпен қосылған екі бөлек жартылай өткізгішті пайдаланудың орнына бір үлкен бет қолданылады. Эмитент пен коллектордың шығыстары жоғарғы жағында болады, ал басқару сымы кристалдың түбіне орналастырылады. «Негізгі» терминалға ток қолданылғанда, электрондар жартылай өткізгіш блок арқылы итеріп, алыс бетке жиналады. Эмитент пен коллектор өте жақын болған кезде, өткізе бастау үшін олардың арасында жеткілікті электрондар немесе тесіктер болуы керек.
Брейге қосылу
Бұл құбылыстың алғашқы куәгері жас аспирант Ральф Брей болды. Ол 1943 жылы қарашада Пурдю университетінде германий транзисторын әзірлеуге қосылды және оған металл-жартылай өткізгіш контактінің ағып кетуге төзімділігін өлшеу қиын тапсырма берілді. Брей кейбір германий үлгілерінде ішкі жоғары кедергісі бар кедергілер сияқты көптеген ауытқуларды тапты. Ең қызық құбылыс кернеу импульстерін қолданған кезде байқалатын өте төмен қарсылық болды. Алғашқы кеңестік транзисторлар осы американдық әзірлемелердің негізінде жасалған.
Серпінді
1947 жылы 16 желтоқсанда екі нүктелі контактіні пайдаланып, тоқсан вольтке анодталған германий бетімен контакт жасалды, электролит H2O-ға жуылды, содан кейін оның дақтарына біраз алтын түсті. Алтын контактілер жалаңаш беттерге басылды. арасындағы бөлунүктелер шамамен 4 × 10-3 см болды. Бір нүкте тор, ал екіншісі тақта ретінде пайдаланылды. Пластинаның ығысуы бойынша шамамен он бес вольт болатын кернеу қуатын алу үшін тордағы ауытқу (тұрақты ток) оң болуы керек.
Бірінші транзистордың өнертабысы
Бұл ғажайып механизмнің тарихына байланысты көптеген сұрақтар бар. Олардың кейбіреулері оқырманға таныс. Мысалы: КСРО-ның алғашқы транзисторлары неліктен ПНП типті болды? Бұл сұрақтың жауабы осы әңгіменің жалғасында жатыр. Браттен мен ХР Мур 1947 жылы 23 желтоқсанда түстен кейін Bell Labs зертханасында бірнеше әріптестері мен менеджерлеріне қол жеткізген нәтижені көрсетті, сондықтан бұл күн жиі транзистордың туған күні деп аталады. PNP-контактілі германий транзисторы сөйлеу күшейткіші ретінде 18-ге тең қуатты күшейту арқылы жұмыс істеді. Бұл КСРО-ның алғашқы транзисторлары американдықтардан сатып алынғандықтан, неге PNP типті болды деген сұраққа жауап. 1956 жылы Джон Бардин, Уолтер Хаусер Браттен және Уильям Брэдфорд Шокли жартылай өткізгіштер туралы зерттеулері және транзисторлық эффектіні ашқаны үшін физика бойынша Нобель сыйлығымен марапатталды.
Белл зертханасында транзисторды ойлап табуға он екі адам тікелей қатысты.
Еуропадағы ең алғашқы транзисторлар
Сонымен бірге кейбір еуропалық ғалымдар қатты денелі күшейткіштер идеясына қатты қуанды. 1948 жылы тамызда неміс физигі Герберт Ф. Матаре мен Генрих Уэлкер, олар Аулнай-сустағы Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse-да жұмыс істеді. Боис, Франция, олар «транзистор» деп атайтын азшылыққа негізделген күшейткішке патент алуға өтініш берді. Bell Labs транзисторды 1948 жылдың маусымына дейін жарияламағандықтан, транзистор тәуелсіз әзірленген деп саналды. Матаре алғаш рет Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде неміс радиолокациялық жабдықтары үшін кремний диодтарын өндіруде өткізгіштіктің әсерін байқады. Транзисторлар коммерциялық мақсатта француз телефон компаниясы мен әскерилер үшін жасалды және 1953 жылы Дюссельдорфтағы радиостанцияда төрт транзисторлы қатты күйдегі радио көрсетілді.
Bell телефон зертханаларына жаңа өнертабысқа атау қажет болды: жартылай өткізгіш триод, сыналған күйлер триоды, кристалдық триод, қатты триод және иотатрон қарастырылды, бірақ Джон Р. Пирс ойлап тапқан «транзистор» жаңа өнертабыстың айқын жеңімпазы болды. ішкі дауыс ("-тарихи" жұрнағы үшін әзірленген жақындық Bell инженерлерінің ішінара арқасында).
Әлемдегі алғашқы коммерциялық транзисторларды өндіру желісі Аллентаундағы, Пенсильваниядағы Юнион бульварындағы Western Electric зауытында болды. Өндіріс 1951 жылдың 1 қазанында нүктелік контактілі германий транзисторымен басталды.
Қосымша қолданба
1950 жылдардың басына дейін бұл транзистор өндірістің барлық түрлерінде қолданылды, бірақ оны кеңінен қолдануға кедергі келтіретін ылғалға сезімталдық және германий кристалдарына бекітілген сымдардың сынғыштығы сияқты елеулі проблемалар әлі де болды.
Шоклиді жиі айыптадыоның жұмысының ұлы, бірақ танылмаған венгр инженерінің жұмысына өте жақын болуына байланысты плагиат. Бірақ Bell Labs адвокаттары мәселені тез шешті.
Соған қарамастан, Шокли сыншылардың шабуылдарына ашуланып, транзистордың өнертабысы туралы бүкіл ұлы эпопеяның нағыз миы кім екенін көрсетуге шешім қабылдады. Бірнеше айдан кейін ол өте ерекше «сэндвич құрылымы» бар транзистордың мүлдем жаңа түрін ойлап тапты. Бұл жаңа пішін нәзік нүкте-контакт жүйесіне қарағанда әлдеқайда сенімді болды және дәл осы пішін 1960 жылдардағы барлық транзисторларда қолданыла бастады. Көп ұзамай ол бірінші биполярлы транзистордың негізіне айналған биполярлық қосылыс аппаратына айналды.
Жоғары жиілікті транзистордың алғашқы тұжырымдамасы статикалық индукциялық құрылғыны 1950 жылы жапондық инженерлер Джун-ичи Нишизава мен Ю. Ватанабе ойлап тапты және ақыры 1975 жылы тәжірибелік прототиптерді жасай алды. Бұл 1980 жылдардағы ең жылдам транзистор болды.
Одан әрі әзірлемелер кеңейтілген біріктірілген құрылғыларды, беттік кедергі транзисторын, диффузияны, тетродты және пентодты қамтиды. Диффузиялық кремний «меза транзисторы» 1955 жылы Bell-де әзірленді және 1958 жылы Fairchild Semiconductor-тен коммерциялық түрде қол жетімді. Ғарыш 1950 жылдары нүктелік контактілі транзисторға және кейінгі легірленген транзисторға қарағанда жақсарту ретінде жасалған транзистордың бір түрі болды.
1953 жылы Филко әлемдегі бірінші жоғары жиілікті бетті жасадытосқауыл құрылғысы, ол сонымен қатар жоғары жылдамдықты компьютерлер үшін қолайлы бірінші транзистор болды. 1955 жылы Philco шығарған әлемдегі алғашқы транзисторлы автомобиль радиосы өз схемасында беткі тосқауыл транзисторларын пайдаланды.
Мәселені шешу және қайта өңдеу
Нәзіктік мәселелерін шешумен тазалық мәселесі сақталды. Қажетті тазалықтағы германийді өндіру үлкен қиындық болып шықты және материалдың берілген партиясынан нақты жұмыс істей алатын транзисторлардың санын шектеді. Германийдің температураға сезімталдығы да оның пайдалылығын шектеді.
Ғалымдар кремнийді өндіру оңайырақ болады деп жорамалдады, бірақ бұл мүмкіндікті зерттеген адамдар аз. Bell Laboratories-тегі Моррис Таненбаум 1954 жылы 26 қаңтарда жұмыс істейтін кремний транзисторын алғаш жасап шығарды. Бірнеше айдан кейін Техас Инструментсте өз бетімен жұмыс істейтін Гордон Тил ұқсас құрылғыны жасады. Бұл құрылғылардың екеуі де балқытылған кремнийден өсірілген жалғыз кремний кристалдарының қоспаларын бақылау арқылы жасалған. Неғұрлым жоғары әдісті 1955 жылдың басында Белл зертханаларында Моррис Таненбаум және Кальвин С. Фуллер донорлық және акцепторлық қоспаларды монокристалды кремний кристалдарына газды диффузиялау арқылы әзірледі.
Өріс әсерлі транзисторлар
FET алғаш рет 1926 жылы Джулис Эдгар Лилиенфельдпен және 1934 жылы Оскар Хейлмен патенттелген, бірақ практикалық жартылай өткізгіш құрылғылар (өтпелі өріс эффектісі транзисторлары [JFET]) әзірленді.кейінірек, транзистор эффектісін 1947 жылы Bell Labs зертханасында Уильям Шокли командасы байқап, түсіндіргеннен кейін, жиырма жылдық патент мерзімі аяқталғаннан кейін ғана.
JFET-тің бірінші түрі 1950 жылы жапон инженерлері Джун-ичи Нишизава мен Ю. Ватанабе ойлап тапқан статикалық индукциялық транзистор (SIT) болды. SIT - қысқа арна ұзындығы бар JFET түрі. Негізінен JFET-ті ығыстырып, электронды электрониканың дамуына қатты әсер еткен металл-оксидті-жартылай өткізгішті жартылай өткізгіш өрістік транзисторды (MOSFET) 1959 жылы Даун Кан және Мартин Аталла ойлап тапты.
FET негізгі зарядтағыш құрылғылар болуы мүмкін, оларда ток негізінен негізгі тасымалдаушылар арқылы тасымалданады немесе ток негізінен азшылық тасымалдаушы ағынымен басқарылатын аз зарядты тасымалдаушы құрылғылар. Құрылғы белсенді арнадан тұрады, ол арқылы заряд тасымалдаушылар, электрондар немесе саңылаулар көзден канализацияға өтеді. Көз және ағызу терминалдары жартылай өткізгішке омдық контактілер арқылы қосылады. Арнаның өткізгіштігі қақпа мен көз терминалдарында қолданылатын потенциалдың функциясы болып табылады. Бұл жұмыс принципі бірінші толық толқынды транзисторларды тудырды.
Барлық FET құрылғыларында BJT эмитентіне, коллекторына және негізіне сәйкес келетін бастапқы, төгу және қақпа терминалдары бар. Көптеген FET құрылғыларында корпус, негіз, жер немесе субстрат деп аталатын төртінші терминал бар. Бұл төртінші терминал транзисторды қызметке бейімдеу үшін қызмет етеді. Схемаларда пакеттік терминалдарды тривиальды емес пайдалану сирек кездеседі, бірақ оның болуы интегралды схеманың физикалық орналасуын орнату кезінде маңызды. Қақпаның өлшемі, диаграммадағы L ұзындығы - бұл көз мен дренаж арасындағы қашықтық. Ені - транзистордың диаграммадағы көлденең қимаға перпендикуляр бағытта кеңеюі (яғни экранның ішіне/шығасына). Әдетте ені қақпаның ұзындығынан әлдеқайда үлкен. 1 мкм қақпаның ұзындығы жоғарғы жиілікті шамамен 5 ГГц, 0,2-ден 30 ГГц-ке дейін шектейді.
