מי יצר את הטרנזיסטור הראשון? השאלה הזו מטרידה הרבה אנשים. הפטנט הראשון על עקרון הטרנזיסטור של אפקט שדה הוגש בקנדה על ידי הפיזיקאי האוסטרו-הונגרי יוליוס אדגר לילינפלד ב-22 באוקטובר 1925, אך לילינפלד לא פרסם כל מאמרים מדעיים על מכשיריו ועבודתו זכתה להתעלמות מהתעשייה. כך, הטרנזיסטור הראשון בעולם שקע בהיסטוריה. בשנת 1934, הפיזיקאי הגרמני ד ר אוסקר הייל רשם פטנט על FET נוסף. אין עדות ישירה לכך שהמכשירים הללו נבנו, אך עבודה מאוחרת יותר בשנות ה-90 הראתה שאחד מהעיצובים של לילינפלד עבד כמתואר והניב תוצאה משמעותית. עובדה ידועה ומקובלת כיום היא שוויליאם שוקלי ועוזרו ג'רלד פירסון יצרו גרסאות עבודה של המנגנון מהפטנטים של לילינפלד, שכמובן מעולם לא הוזכר באף אחד מהמאמרים המדעיים המאוחרים שלהם או במאמרים היסטוריים. המחשבים הטרנזיסטוריים הראשונים, כמובן, נבנו הרבה יותר מאוחר.
Bella Lab
Bell Labs עבדה על טרנזיסטור שנבנה לייצור דיודות מיקסר "קריסטל" גרמניום טהורות במיוחד המשמשות במתקני מכ"ם כחלק ממערבל התדרים. במקביל לפרויקט הזה, היו רבים אחרים, כולל טרנזיסטור דיודה גרמניום. למעגלים מוקדמים מבוססי צינור לא הייתה יכולת מיתוג מהירה, וצוות בל השתמש במקום זאת בדיודות מצב מוצק. מחשבי הטרנזיסטור הראשונים עבדו על עיקרון דומה.
חקירה נוספת של Shockley
לאחר המלחמה, שוקלי החליט לנסות לבנות מכשיר מוליכים למחצה דמוי טריודה. הוא הבטיח את המימון ואת שטח המעבדה, ולאחר מכן עבד על הבעיה עם ברדין וברטן. ג'ון ברדין פיתח בסופו של דבר ענף חדש של מכניקת הקוונטים המכונה פיזיקת פני השטח כדי להסביר את הכישלונות המוקדמים שלו, ומדענים אלה הצליחו בסופו של דבר ליצור מכשיר עובד.
המפתח לפיתוח הטרנזיסטור היה הבנה נוספת של תהליך ניידות אלקטרונים במוליך למחצה. הוכח שאם הייתה דרך כלשהי לשלוט בזרימת האלקטרונים מהפולט לאספן של הדיודה שזה עתה התגלתה (שנתגלתה ב-1874, בפטנט ב-1906), ניתן היה לבנות מגבר. לדוגמה, אם תציב אנשי קשר משני הצדדים של סוג אחד של גביש, שום זרם לא יזרום דרכו.
למעשה, התברר שזה מאוד קשה לביצוע. הגודלהגביש יצטרך להיות ממוצע יותר, ומספר האלקטרונים (או החורים) כביכול שצריך "להזריק" היה גדול מאוד, מה שיהפוך אותו לפחות שימושי ממגבר כי הוא ידרוש זרם הזרקה גדול. עם זאת, כל הרעיון של דיודת הגביש היה שהגביש עצמו יכול להחזיק אלקטרונים במרחק קצר מאוד, תוך שהוא כמעט על סף דלדול. ככל הנראה, המפתח היה לשמור את פיני הקלט והפלט קרובים מאוד זה לזה על פני הגביש.
Bratten's Works
בראטן החל לעבוד על מכשיר כזה, ורמזים להצלחה המשיכו לצוץ כשהצוות עבד על הבעיה. המצאה היא עבודה קשה. לפעמים המערכת עובדת, אבל אז מתרחש כשל נוסף. לפעמים תוצאות עבודתו של ברטן החלו לפעול באופן בלתי צפוי במים, ככל הנראה בשל המוליכות הגבוהה שלו. אלקטרונים בכל חלק של הגביש נודדים עקב מטענים קרובים. האלקטרונים בפולטים או ה"חורים" בקולטים הצטברו ישירות על גבי הגביש, שם הם מקבלים את המטען ההפוך, "צף" באוויר (או במים). עם זאת, ניתן היה לדחוף אותם מהשטח על ידי החלת כמות קטנה של מטען מכל מקום אחר על גביש. במקום לדרוש אספקה גדולה של אלקטרונים מוזרקים, מספר קטן מאוד במקום הנכון בשבב יעשה את אותו הדבר.
הניסיון החדש של חוקרים עזר במידה מסוימת לפתורהבעיה שנתקלה בה בעבר של אזור בקרה קטן. במקום צורך להשתמש בשני מוליכים למחצה נפרדים המחוברים על ידי שטח משותף אך זעיר, ישמש משטח אחד גדול. יציאות הפולט והאספן יהיו בחלק העליון, וחוט הבקרה ימוקם בבסיס הגביש. כאשר הופעל זרם על מסוף ה"בסיס", האלקטרונים היו נדחפים דרך בלוק המוליכים למחצה ונאספים על פני השטח הרחוקים. כל עוד הפולט והקולטן היו קרובים מאוד, זה יצטרך לספק מספיק אלקטרונים או חורים ביניהם כדי להתחיל להוביל.
Bray Joining
עד מוקדם לתופעה זו היה ראלף בריי, סטודנט צעיר לתואר שני. הוא הצטרף לפיתוח טרנזיסטור הגרמניום באוניברסיטת פרדו בנובמבר 1943 וקיבל את המשימה הקשה של מדידת התנגדות הדליפה של מגע מתכת-מוליכים למחצה. בריי מצא חריגות רבות, כמו מחסומים פנימיים בעלי התנגדות גבוהה בחלק מדגימות הגרמניום. התופעה המוזרה ביותר הייתה ההתנגדות הנמוכה במיוחד שנצפתה כאשר הופעלו פולסי מתח. הטרנזיסטורים הסובייטיים הראשונים פותחו על בסיס ההתפתחויות האמריקאיות הללו.
פריצת דרך
16 בדצמבר 1947, באמצעות מגע דו-נקודתי, נוצר מגע עם משטח גרמניום שעבר אנודיה לתשעים וולט, האלקטרוליט נשטף לתוך H2O, ולאחר מכן קצת זהב נפל על כתמים. מגעי זהב נלחצו על משטחים חשופים. חלוקה ביןהנקודות היו בערך 4 × 10-3 ס מ. נקודה אחת שימשה כרשת והנקודה השנייה כצלחת. הסטייה (DC) על הרשת הייתה חייבת להיות חיובית כדי לקבל תוספת מתח על פני הטיית הלוח של כחמישה עשר וולט.
המצאת הטרנזיסטור הראשון
ישנן שאלות רבות הקשורות להיסטוריה של מנגנון הנס הזה. חלקם מוכרים לקורא. לדוגמה: מדוע היו הטרנזיסטורים הראשונים מסוג PNP של ברית המועצות? התשובה לשאלה זו נמצאת בהמשך כל הסיפור הזה. ברטן וה.ר. מור הדגימו לכמה עמיתים ומנהלים במעבדות בל אחר הצהריים של 23 בדצמבר 1947, את התוצאה שהם השיגו, וזו הסיבה שיום זה מכונה לעתים קרובות תאריך הלידה של הטרנזיסטור. טרנזיסטור גרמניום מגע PNP עבד כמגבר דיבור עם רווח כוח של 18. זו התשובה לשאלה מדוע הטרנזיסטורים הראשונים של ברית המועצות היו מסוג PNP, כי הם נרכשו מהאמריקאים. בשנת 1956, ג'ון ברדין, וולטר האוזר ברטן וויליאם ברדפורד שוקלי זכו בפרס נובל לפיזיקה על מחקרם על מוליכים למחצה וגילוי אפקט הטרנזיסטור.
12 אנשים מיוחסים להיות מעורבים ישירות בהמצאת הטרנזיסטור ב-Bell Labs.
הטרנזיסטורים הראשונים באירופה
במקביל, כמה מדענים אירופאים התלהבו מהרעיון של מגברים במצב מוצק. באוגוסט 1948, הפיזיקאים הגרמנים הרברט פ. מאטרה והיינריך וולקר, שעבדו ב-Compannie des Freins et Signaux Westinghouse ב-Aulnay-sous-Bois, צרפת, הגיש בקשה לפטנט על מגבר המבוסס על מיעוט של מה שהם כינו "טרנזיסטור". מכיוון שמעבדות בל לא פרסמו את הטרנזיסטור עד יוני 1948, הטרנזיסטור נחשב לפותח באופן עצמאי. Mataré צפה לראשונה בהשפעות של טרנסמוליכות בייצור של דיודות סיליקון עבור ציוד מכ"ם גרמני במהלך מלחמת העולם השנייה. טרנזיסטורים יוצרו באופן מסחרי עבור חברת הטלפון הצרפתית והצבא, ובשנת 1953 הודגם רדיו מוצק בעל ארבעה טרנזיסטורים בתחנת רדיו בדיסלדורף.
מעבדות הטלפון בל היו זקוקות לשם להמצאה חדשה: טריודת מוליכים למחצה, טריוד מדינות ניסו, טריודת קריסטל, טריודה מוצקה ואיוטטרון נחשבו כולם, אבל "טרנזיסטור" שטבע ג'ון ר. פירס היה המנצח המובהק של הצבעה פנימית (חלקית הודות לקירבה שפיתחו מהנדסי בל עבור הסיומת "-היסטורית").
קו ייצור הטרנזיסטור המסחרי הראשון בעולם היה במפעל Western Electric ב-Union Boulevard באלנטאון, פנסילבניה. הייצור החל ב-1 באוקטובר 1951 עם טרנזיסטור גרמניום מגע נקודתי.
יישום נוסף
עד תחילת שנות ה-50, טרנזיסטור זה שימש בכל סוגי הייצור, אך עדיין היו בעיות משמעותיות שמנעו את השימוש הרחב יותר, כגון רגישות ללחות ושבריריות של חוטים המחוברים לגבישי גרמניום.
שוקלי הואשם לעתים קרובותפלגיאט בשל העובדה שעבודתו הייתה קרובה מאוד לעבודתו של המהנדס ההונגרי הגדול, אך הלא מוכר. אבל עורכי הדין של Bell Labs התיישבו במהירות את הנושא.
למרות זאת, שוקלי זעם על התקפות המבקרים והחליט להדגים מיהו המוח האמיתי של כל האפוס הגדול של המצאת הטרנזיסטור. רק כמה חודשים לאחר מכן, הוא המציא סוג חדש לחלוטין של טרנזיסטור עם "מבנה סנדוויץ' מאוד מוזר". צורה חדשה זו הייתה אמינה הרבה יותר ממערכת מגע נקודתית שברירית, וצורה זו היא שבסופו של דבר שימשה בכל הטרנזיסטורים של שנות ה-60. עד מהרה הוא התפתח למנגנון הצומת הדו-קוטבי, שהפך לבסיס לטרנזיסטור הדו-קוטבי הראשון.
התקן האינדוקציה הסטטי, הרעיון הראשון של הטרנזיסטור בתדר גבוה, הומצא על ידי המהנדסים היפניים Jun-ichi Nishizawa ו-Y. Watanabe ב-1950 ולבסוף הצליח ליצור אבות טיפוס ניסיוניים ב-1975. זה היה הטרנזיסטור המהיר ביותר בשנות ה-80.
פיתוחים נוספים כללו התקנים משולבים מורחבים, טרנזיסטור מחסום משטח, דיפוזיה, טטרודה ופנטוד. "טרנזיסטור המסה" של סיליקון דיפוזיה פותח ב-1955 ב-Bell וזמין מסחרית מ-Fairchild Semiconductor ב-1958. החלל היה סוג של טרנזיסטור שפותח בשנות החמישים כשיפור על פני טרנזיסטור המגע הנקודתי וטרנזיסטור הסגסוגת המאוחר יותר.
בשנת 1953, פילקו פיתחה את המשטח הראשון בעולם בתדר גבוהמכשיר מחסום, שהיה גם הטרנזיסטור הראשון המתאים למחשבים מהירים. רדיו המכונית הטרנזיסטור הראשון בעולם, שיוצר על ידי Philco ב-1955, השתמש בטרנזיסטורי מחסום עילי במעגלים שלו.
פתרון בעיות ועיבוד מחדש
עם פתרון בעיות השבריריות נותרה בעיית הניקיון. ייצור גרמניום בטוהר הנדרש הוכיח את עצמו כאתגר גדול והגביל את מספר הטרנזיסטורים שיכולים למעשה לעבוד מאצווה נתונה של חומר. רגישות הטמפרטורה של גרמניום גם הגבילה את התועלת שלו.
מדענים שיערו שסיליקון יהיה קל יותר לייצור, אך מעטים בדקו את האפשרות. מוריס טננבאום במעבדות בל היו הראשונים שפיתחו טרנזיסטור סיליקון עובד ב-26 בינואר 1954. כמה חודשים לאחר מכן, גורדון טיאל, שעבד לבדו בטקסס אינסטרומנטס, פיתח מכשיר דומה. שני המכשירים הללו נוצרו על ידי שליטה בסימום של גבישי סיליקון בודדים כאשר הם גדלו מסיליקון מותך. שיטה גבוהה יותר פותחה על ידי מוריס טננבאום וקלווין ס. פולר ב-Bell Laboratories בתחילת 1955 על ידי דיפוזיה גזית של זיהומי תורם ומקבל לתוך גבישי סיליקון גבישי יחיד.
טרנזיסטורי אפקט שדה
ה-FET רשם לראשונה פטנט על ידי ג'וליס אדגר לילינפלד ב-1926 ואוסקר הייל ב-1934, אך פותחו התקני מוליכים למחצה מעשיים (טרנזיסטורי אפקט שדה מעבר [JFET])מאוחר יותר, לאחר שאפקט הטרנזיסטור נצפה והוסבר על ידי הצוות של וויליאם שוקלי ב-Bell Labs ב-1947, ממש לאחר שתקופת הפטנט של עשרים שנה תמה.
הסוג הראשון של JFET היה טרנזיסטור אינדוקציה סטטי (SIT) שהומצא על ידי המהנדסים היפנים Jun-ichi Nishizawa ו-Y. Watanabe ב-1950. SIT הוא סוג של JFET עם אורך ערוץ קצר. טרנזיסטור אפקט-שדה מתכת-תחמוצת-מוליכים למחצה (MOSFET), שהחליף במידה רבה את ה-JFET והשפיע עמוקות על התפתחות האלקטרוניקה האלקטרונית, הומצא על ידי דאון קאהנג ומרטין אטאלה ב-1959.
FETs יכולים להיות התקני טעינה של רוב, שבהם הזרם מועבר בעיקר על ידי ספקי מטען, או התקני נושאי טעינה פחותים, שבהם הזרם מונע בעיקר על ידי זרימת נושאי מיעוט. המכשיר מורכב מערוץ פעיל שדרכו זורמים נושאי מטען, אלקטרונים או חורים מהמקור לביוב. מסופי המקור והניקוז מחוברים למוליך למחצה באמצעות מגעים אוהם. מוליכות הערוץ היא פונקציה של הפוטנציאל המופעל על פני מסופי השער והמקור. עקרון הפעולה הזה הוליד את הטרנזיסטורים הכל-גלים הראשונים.
לכל ה-FETs יש מסופי מקור, ניקוז ושער שמתאימים בערך לפולט, הקולט והבסיס של ה-BJT. לרוב ה-FETs יש טרמינל רביעי הנקרא גוף, בסיס, קרקע או מצע. טרמינל רביעי זה משמש להטיית הטרנזיסטור לשימוש.נדיר לעשות שימוש לא טריוויאלי במסופי חבילה במעגלים, אך נוכחותו חשובה בעת הגדרת הפריסה הפיזית של מעגל משולב. גודל השער, אורך L בתרשים, הוא המרחק בין המקור לניקוז. רוחב הוא התרחבות הטרנזיסטור בכיוון הניצב לחתך בתרשים (כלומר פנימה/מחוץ למסך). לרוב הרוחב גדול בהרבה מאורך השער. אורך שער של 1 מיקרומטר מגביל את התדר העליון לכ-5 GHz, מ-0.2 עד 30 GHz.
