Wer hat den ersten Transistor gebaut? Diese Frage beschäftigt viele Menschen. Das erste Patent für das Feldeffekttransistor-Prinzip wurde am 22. Oktober 1925 in Kanada vom österreichisch-ungarischen Physiker Julius Edgar Lilienfeld eingereicht, aber Lilienfeld veröffentlichte keine wissenschaftlichen Arbeiten zu seinen Geräten und seine Arbeit wurde von der Industrie ignoriert. Damit ist der erste Transistor der Welt in die Geschichte eingegangen. 1934 patentierte der deutsche Physiker Dr. Oskar Heil einen weiteren FET. Es gibt keine direkten Beweise dafür, dass diese Geräte gebaut wurden, aber spätere Arbeiten in den 1990er Jahren zeigten, dass einer von Lilienfelds Entwürfen wie beschrieben funktionierte und ein beachtliches Ergebnis lieferte. Es ist heute eine wohlbekannte und allgemein akzeptierte Tatsache, dass William Shockley und sein Assistent Gerald Pearson Arbeitsversionen des Apparats aus Lilienfelds Patenten erstellten, was natürlich in keiner ihrer späteren wissenschaftlichen Arbeiten oder historischen Artikel erwähnt wurde. Die ersten Transistorcomputer wurden natürlich viel später gebaut.
Bella Lab
Bell Labs arbeitete an einem Transistor, der gebaut wurde, um extrem reine Germanium-"Kristall"-Mischerdioden herzustellen, die in Radarinstallationen als Teil des Frequenzmischers verwendet werden. Parallel zu diesem Projekt gab es viele andere, einschließlich des Germanium-Diodentransistors. Frühe Sch altungen auf Röhrenbasis hatten keine schnelle Sch altfähigkeit, und das Bell-Team verwendete stattdessen Festkörperdioden. Die ersten Transistorcomputer arbeiteten nach einem ähnlichen Prinzip.
Weitere Erkundung von Shockley
Nach dem Krieg beschloss Shockley, zu versuchen, ein Trioden-ähnliches Halbleiterbauelement zu bauen. Er sicherte sich die Finanzierung und den Laborraum und arbeitete dann mit Bardeen und Bratten an dem Problem. John Bardeen entwickelte schließlich einen neuen Zweig der Quantenmechanik, der als Oberflächenphysik bekannt ist, um seine frühen Fehler zu erklären, und diesen Wissenschaftlern gelang es schließlich, ein funktionierendes Gerät zu entwickeln.
Der Schlüssel zur Entwicklung des Transistors war das weitere Verständnis des Prozesses der Elektronenmobilität in einem Halbleiter. Es wurde bewiesen, dass, wenn es eine Möglichkeit gäbe, den Elektronenfluss vom Emitter zum Kollektor dieser neu entdeckten Diode (entdeckt 1874, patentiert 1906) zu kontrollieren, ein Verstärker gebaut werden könnte. Wenn Sie beispielsweise Kontakte auf beiden Seiten eines Kristalltyps platzieren, fließt kein Strom durch ihn.
Tatsächlich stellte sich heraus, dass es sehr schwierig war. Die GrößeDer Kristall müsste durchschnittlicher sein, und die Anzahl der angenommenen Elektronen (oder Löcher), die "injiziert" werden müssten, war sehr groß, was ihn weniger nützlich als einen Verstärker machen würde, da er einen großen Injektionsstrom erfordern würde. Die ganze Idee der Kristalldiode war jedoch, dass der Kristall selbst Elektronen in sehr kurzer Entfernung h alten konnte, während er fast am Rande der Erschöpfung war. Anscheinend lag der Schlüssel darin, die Eingangs- und Ausgangsstifte auf der Oberfläche des Kristalls sehr nahe beieinander zu h alten.
Brattens Werke
Bratten begann mit der Arbeit an einem solchen Gerät, und während das Team an dem Problem arbeitete, tauchten weiterhin Hinweise auf Erfolge auf. Erfindungen sind harte Arbeit. Manchmal funktioniert das System, aber dann tritt ein anderer Fehler auf. Manchmal begannen die Ergebnisse von Brattens Arbeit unerwartet in Wasser zu wirken, anscheinend aufgrund seiner hohen Leitfähigkeit. Elektronen in jedem Teil des Kristalls wandern aufgrund von Ladungen in der Nähe. Die Elektronen in den Emittern oder "Löchern" in den Kollektoren sammelten sich direkt auf dem Kristall, wo sie die entgegengesetzte Ladung erh alten und in der Luft (oder im Wasser) "schweben". Sie konnten jedoch von der Oberfläche abgestoßen werden, indem eine kleine Menge Ladung von einer anderen Stelle des Kristalls aufgebracht wurde. Anstatt einen großen Vorrat an injizierten Elektronen zu benötigen, wird eine sehr kleine Anzahl an der richtigen Stelle auf dem Chip dasselbe bewirken.
Die neuen Erfahrungen der Forscher halfen bis zu einem gewissen Grad bei der Lösungdas zuvor aufgetretene Problem einer kleinen Regelzone. Anstatt zwei separate Halbleiter verwenden zu müssen, die durch eine gemeinsame, aber winzige Fläche verbunden sind, wird eine große Oberfläche verwendet. Die Emitter- und Kollektorausgänge wären oben und der Steuerdraht würde an der Basis des Kristalls platziert. Wenn ein Strom an den „Basis“-Anschluss angelegt wird, werden die Elektronen durch den Halbleiterblock geschoben und auf der entfernten Oberfläche gesammelt. Solange Emitter und Kollektor sehr nahe beieinander liegen, müsste dies genügend Elektronen oder Löcher zwischen ihnen bereitstellen, um zu leiten.
Bray Joining
Ein früher Zeuge dieses Phänomens war Ralph Bray, ein junger Doktorand. Er trat im November 1943 in die Entwicklung des Germanium-Transistors an der Purdue University ein und erhielt die schwierige Aufgabe, den Ableitwiderstand eines Metall-Halbleiter-Kontakts zu messen. Bray fand viele Anomalien, wie z. B. interne hochohmige Barrieren in einigen Germaniumproben. Das merkwürdigste Phänomen war der außergewöhnlich niedrige Widerstand, der beim Anlegen von Spannungsimpulsen beobachtet wurde. Auf Basis dieser amerikanischen Entwicklungen wurden die ersten sowjetischen Transistoren entwickelt.
Durchbruch
Am 16. Dezember 1947 wurde unter Verwendung eines Zweipunktkontakts ein Kontakt mit einer auf neunzig Volt anodisierten Germaniumoberfläche hergestellt, der Elektrolyt wurde in H2O gewaschen, und dann etwas Gold fiel darauf Flecken. Goldkontakte wurden gegen blanke Oberflächen gepresst. Teilung zwischendie Punkte waren etwa 4 × 10-3 cm groß, wobei ein Punkt als Gitter und der andere Punkt als Platte verwendet wurde. Die Abweichung (DC) am Gitter musste positiv sein, um eine Spannungsleistungsverstärkung über der Plattenvorspannung von etwa fünfzehn Volt zu erh alten.
Erfindung des ersten Transistors
Es gibt viele Fragen, die mit der Geschichte dieses Wundermechanismus verbunden sind. Einige davon sind dem Leser bekannt. Zum Beispiel: Warum waren die ersten Transistoren vom PNP-Typ der UdSSR? Die Antwort auf diese Frage liegt in der Fortsetzung dieser ganzen Geschichte. Bratten und H. R. Moore demonstrierten am Nachmittag des 23. Dezember 1947 mehreren Kollegen und Managern der Bell Labs ihr erzieltes Ergebnis, weshalb dieser Tag oft als Geburtsdatum des Transistors bezeichnet wird. Ein Germaniumtransistor mit PNP-Kontakt arbeitete als Sprachverstärker mit einer Leistungsverstärkung von 18. Dies ist die Antwort auf die Frage, warum die ersten Transistoren der UdSSR vom PNP-Typ waren, weil sie von den Amerikanern gekauft wurden. 1956 erhielten John Bardeen, W alter Houser Bratten und William Bradford Shockley den Nobelpreis für Physik für ihre Halbleiterforschung und die Entdeckung des Transistoreffekts.
Zwölf Personen sollen direkt an der Erfindung des Transistors bei Bell Labs beteiligt gewesen sein.
Die allerersten Transistoren in Europa
Gleichzeitig begeisterten sich einige europäische Wissenschaftler für die Idee von Festkörperverstärkern. Im August 1948 haben die deutschen Physiker Herbert F. Matare und Heinrich Welker, die bei der Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse in Aulnay-sous-Bois, Frankreich, meldete ein Patent für einen Verstärker an, der auf einer Minderheit dessen basiert, was sie "Transistor" nannten. Da Bell Labs den Transistor erst im Juni 1948 veröffentlichte, g alt der Transistor als unabhängig entwickelt. Mataré beobachtete erstmals die Auswirkungen der Transkonduktanz bei der Herstellung von Siliziumdioden für deutsche Radargeräte während des Zweiten Weltkriegs. Transistoren wurden kommerziell für die französische Telefongesellschaft und das Militär hergestellt, und 1953 wurde ein Festkörperradio mit vier Transistoren bei einem Radiosender in Düsseldorf vorgeführt.
Bell Telephone Laboratories brauchte einen Namen für eine neue Erfindung: Semiconductor Triode, Tried States Triode, Crystal Triode, Solid Triode und Iotatron wurden alle in Betracht gezogen, aber der von John R. Pierce geprägte "Transistor" war der klare Gewinner eines interne Abstimmung (teilweise dank der Nähe, die die Bell-Ingenieure für das Suffix "-historic" entwickelt haben).
Die weltweit erste kommerzielle Produktionslinie für Transistoren befand sich im Werk von Western Electric am Union Boulevard in Allentown, Pennsylvania. Die Produktion begann am 1. Oktober 1951 mit einem Punktkontakt-Germanium-Transistor.
Weitere Bewerbung
Bis in die frühen 1950er Jahre wurde dieser Transistor in allen Arten der Fertigung verwendet, aber es gab immer noch erhebliche Probleme, die eine breitere Verwendung verhinderten, wie z. B. die Empfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit und die Zerbrechlichkeit von Drähten, die an Germaniumkristallen befestigt sind
Shockley wurde oft vorgeworfenPlagiat aufgrund der Tatsache, dass seine Arbeit der Arbeit des großen, aber verkannten ungarischen Ingenieurs sehr nahe stand. Aber die Anwälte von Bell Labs haben das Problem schnell gelöst.
Trotzdem war Shockley empört über die Angriffe der Kritiker und beschloss, zu demonstrieren, wer der wahre Kopf des ganzen großen Epos der Erfindung des Transistors war. Nur wenige Monate später erfand er einen völlig neuen Transistortyp mit einer sehr eigenartigen „Sandwich-Struktur“. Diese neue Form war viel zuverlässiger als das zerbrechliche Punktkontaktsystem, und diese Form wurde schließlich in allen Transistoren der 1960er Jahre verwendet. Es entwickelte sich bald zum Bipolar-Junction-Apparat, der die Grundlage für den ersten Bipolartransistor wurde.
Das statische Induktionsgerät, das erste Konzept des Hochfrequenztransistors, wurde 1950 von den japanischen Ingenieuren Jun-ichi Nishizawa und Y. Watanabe erfunden und konnte schließlich 1975 experimentelle Prototypen erstellen. Es war der schnellste Transistor in den 1980er Jahren.
Weitere Entwicklungen umfassten Extended Coupled Devices, Surface Barrier Transistor, Diffusion, Tetrode und Pentode. Der "Mesa-Transistor" aus Diffusionssilizium wurde 1955 bei Bell entwickelt und war 1958 bei Fairchild Semiconductor im Handel erhältlich. Space war ein Transistortyp, der in den 1950er Jahren als Verbesserung gegenüber dem Punktkontakttransistor und dem späteren Legierungstransistor entwickelt wurde.
1953 entwickelte Filco die weltweit erste Hochfrequenz-OberflächeSperrvorrichtung, die auch der erste Transistor war, der für Hochgeschwindigkeitscomputer geeignet war. Das weltweit erste Autoradio mit Transistoren, das 1955 von Philco hergestellt wurde, verwendete Oberflächenbarrieretransistoren in seiner Sch altung.
Problemlösung und Nachbesserung
Mit der Lösung der Zerbrechlichkeitsprobleme blieb das Sauberkeitsproblem bestehen. Die Herstellung von Germanium in der erforderlichen Reinheit erwies sich als große Herausforderung und begrenzte die Anzahl der Transistoren, die mit einer bestimmten Materialcharge tatsächlich funktionieren konnten. Die Temperaturempfindlichkeit von Germanium schränkte auch seine Nützlichkeit ein.
Wissenschaftler haben spekuliert, dass Silizium einfacher herzustellen wäre, aber nur wenige haben die Möglichkeit untersucht. Morris Tanenbaum in den Bell Laboratories war der erste, der am 26. Januar 1954 einen funktionierenden Siliziumtransistor entwickelte. Einige Monate später entwickelte Gordon Teal, der alleine bei Texas Instruments arbeitete, ein ähnliches Gerät. Beide dieser Vorrichtungen wurden hergestellt, indem die Dotierung von Siliziumeinkristallen gesteuert wurde, während sie aus geschmolzenem Silizium gezüchtet wurden. Eine höhere Methode wurde Anfang 1955 von Morris Tanenbaum und Calvin S. Fuller in den Bell Laboratories durch Gasdiffusion von Donor- und Akzeptorverunreinigungen in Einkristall-Siliziumkristalle entwickelt.
Feldeffekttransistoren
Der FET wurde erstmals 1926 von Julis Edgar Lilienfeld und 1934 von Oskar Hale patentiert, aber praktische Halbleiterbauelemente (Übergangsfeldeffekttransistoren [JFET]) wurden entwickeltspäter, nachdem der Transistoreffekt 1947 von William Shockleys Team in den Bell Labs beobachtet und erklärt worden war, kurz nachdem die zwanzigjährige Patentlaufzeit abgelaufen war.
Der erste JFET-Typ war der statische Induktionstransistor (SIT), der 1950 von den japanischen Ingenieuren Jun-ichi Nishizawa und Y. Watanabe erfunden wurde. SIT ist eine Art JFET mit kurzer Kanallänge. Der Metall-Oxid-Halbleiter-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), der den JFET weitgehend verdrängte und die Entwicklung der elektronischen Elektronik nachh altig beeinflusste, wurde 1959 von Dawn Kahng und Martin Atalla erfunden.
FETs können Majority Charge Devices sein, in denen Strom überwiegend von Majority Carriers getragen wird, oder Low Charge Carrier Devices, in denen Strom hauptsächlich durch Minority Carrier Flow getrieben wird. Das Gerät besteht aus einem aktiven Kanal, durch den Ladungsträger, Elektronen oder Löcher von der Quelle zum Abwasserkanal fließen. Die Source- und Drain-Anschlüsse sind über ohmsche Kontakte mit dem Halbleiter verbunden. Die Kanalleitfähigkeit ist eine Funktion des über die Gate- und Source-Anschlüsse angelegten Potentials. Dieses Funktionsprinzip führte zu den ersten All-Wave-Transistoren.
Alle FETs haben Source-, Drain- und Gate-Anschlüsse, die ungefähr Emitter, Kollektor und Basis des BJT entsprechen. Die meisten FETs haben einen vierten Anschluss, der Body, Base, Ground oder Substrat genannt wird. Dieser vierte Anschluss dient dazu, den Transistor in Betrieb vorzuspannen. Es ist selten, dass Gehäuseanschlüsse in Sch altkreisen nicht trivial verwendet werden, aber ihr Vorhandensein ist wichtig, wenn das physikalische Layout einer integrierten Sch altung eingerichtet wird. Die Größe des Gates, die Länge L im Diagramm, ist der Abstand zwischen Source und Drain. Die Breite ist die Ausdehnung des Transistors in einer Richtung senkrecht zum Querschnitt im Diagramm (dh in / aus dem Bildschirm). Normalerweise ist die Breite viel größer als die Länge des Tors. Eine Gate-Länge von 1 µm begrenzt die obere Frequenz auf etwa 5 GHz, von 0,2 bis 30 GHz.
