Kes lõi esimese transistori? See küsimus muretseb paljusid inimesi. Esimese patendi väljatransistori printsiibile esitas Kanadas 22. oktoobril 1925 Austria-Ungari füüsik Julius Edgar Lilienfeld, kuid Lilienfeld ei avaldanud oma seadmete kohta ühtegi teaduslikku artiklit ja tööstus ignoreeris tema tööd. Seega on maailma esimene transistor ajalukku vajunud. 1934. aastal patenteeris Saksa füüsik dr Oskar Heil teise FET-i. Puuduvad otsesed tõendid nende seadmete ehitamise kohta, kuid hilisem töö 1990. aastatel näitas, et üks Lilienfeldi projektidest töötas kirjeldatud viisil ja andis märkimisväärse tulemuse. Nüüdseks on üldtuntud ja üldtunnustatud tõsiasi, et William Shockley ja tema assistent Gerald Pearson lõid Lilienfeldi patentide alusel aparaadist tööversioonid, mida loomulikult ei mainitud üheski nende hilisemas teadusartiklis ega ajaloolises artiklis. Esimesed transistoriseeritud arvutid ehitati muidugi palju hiljem.
Bella Lab
Bell Labs töötas transistori kallal, mis oli ehitatud erakordselt puhta germaaniumi "kristall" mikserdioodide tootmiseks, mida kasutatakse radariseadmetes sagedusmikseri osana. Paralleelselt selle projektiga oli palju teisi, sealhulgas germaaniumdioodi transistor. Varastel torupõhistel vooluahelatel ei olnud kiiret lülitusvõimet ja Belli meeskond kasutas selle asemel pooljuhtdioode. Esimesed transistorarvutid töötasid sarnasel põhimõttel.
Shockley edasine uurimine
Pärast sõda otsustas Shockley proovida ehitada trioodilaadset pooljuhtseadet. Ta kindlustas rahastamise ja laboriruumi ning töötas seejärel probleemi kallal Bardeeni ja Bratteniga. John Bardeen töötas lõpuks välja uue kvantmehaanika haru, mida nimetatakse pinnafüüsikaks, et selgitada oma varaseid ebaõnnestumisi, ja lõpuks õnnestus neil teadlastel luua töötav seade.
Transistori arendamise võti oli elektronide liikuvuse protsessi edasine mõistmine pooljuhis. Tõestus, et kui selle äsjaavastatud dioodi (avastatud 1874, patenteeritud 1906) elektronide voogu emitterist kollektorini saaks kuidagi juhtida, saaks ehitada võimendi. Näiteks kui asetate kontaktid ühte tüüpi kristalli mõlemale küljele, ei voola sellest läbi vool.
Tegelikult osutus seda väga raskeks teha. Suuruskristall peaks olema keskmisem ja oletatavate elektronide (või aukude) arv, mida on vaja "süstida", oli väga suur, mis muudaks selle vähem kasulikuks kui võimendi, kuna see nõuaks suurt süstimisvoolu. Kuid kogu kristalldioodi idee seisnes selles, et kristall ise suudab hoida elektrone väga lühikese vahemaa tagant, olles samal ajal peaaegu ammendumise äärel. Ilmselt oli võti hoida sisend- ja väljundtihvtid kristalli pinnal üksteisele väga lähedal.
Bratteni teosed
Bratten alustas sellise seadme kallal töötamist ja meeskonna probleemi kallal töötades ilmnes edu vihjeid. Leiutamine on raske töö. Mõnikord süsteem töötab, kuid siis ilmneb uus rike. Mõnikord hakkasid Bratteni töö tulemused vees ootamatult tööle, ilmselt selle kõrge juhtivuse tõttu. Kristalli mis tahes osas asuvad elektronid rändavad lähedalasuvate laengute tõttu. Elektronid emitterites ehk kollektorites olevad "augud" kogunesid otse kristalli peale, kus nad saavad õhus (või vees) "hõljudes" vastupidise laengu. Neid saab aga pinn alt eemale lükata, rakendades väikese koguse laengut muj alt kristallile. Selle asemel, et nõuda sissepritsetud elektronide suurt varu, teeb sama asja ka väga väike arv õiges kohas kiibil.
Teadlaste uus kogemus aitas mingil määral lahendadavarem esinenud väikese kontrollala probleem. Selle asemel, et kasutada kahte eraldi pooljuhti, mis on ühendatud ühise, kuid väikese alaga, kasutatakse ühte suurt pinda. Emiteri ja kollektori väljundid oleksid ülaosas ning juhtjuhe asetataks kristalli alusele. Kui "baas" terminalile rakendati voolu, surutakse elektronid läbi pooljuhtploki ja kogutakse kaugemal pinnal. Niikaua kui emitter ja kollektor on väga lähedal, peab see jätma nende vahele piisav alt elektrone või auke, et hakata juhtima.
Bray liitub
Selle nähtuse varajane tunnistaja oli Ralph Bray, noor magistrant. Ta liitus germaaniumtransistori väljatöötamisega Purdue ülikoolis 1943. aasta novembris ja sai raske ülesande mõõta metall-pooljuhtkontakti lekketakistust. Bray leidis mõnedes germaaniumiproovides palju kõrvalekaldeid, näiteks sisemisi kõrge takistusega tõkkeid. Kõige kurioossem nähtus oli pingeimpulsside rakendamisel täheldatud erakordselt madal takistus. Esimesed Nõukogude transistorid töötati välja nende Ameerika arengute põhjal.
Läbimurre
16. detsembril 1947 viidi kahepunktikontakti kasutades kontakt üheksakümnevoldise anodeeritud germaaniumpinnaga, elektrolüüt pesti H2O-sse ja seejärel veidi kulda kukkus sellele täppidele. Kuldsed kontaktid suruti vastu paljaid pindu. Jaotus vaheltäpid olid umbes 4 × 10-3 cm. Ühte punkti kasutati ruudustikuna ja teist täppi plaadina. Võrgustiku hälve (DC) pidi olema positiivne, et saada pinge võimsuse võimendus üle plaadi nihke umbes viisteist volti.
Esimese transistori leiutamine
Selle imemehhanismi ajalooga on seotud palju küsimusi. Mõned neist on lugejale tuttavad. Näiteks: miks olid esimesed NSVL-i PNP-tüüpi transistorid? Vastus sellele küsimusele peitub kogu selle loo jätkus. Bratten ja H. R. Moore demonstreerisid 23. detsembri 1947 pärastlõunal Bell Labsi mitmetele kolleegidele ja juhtidele saavutatud tulemust, mistõttu seda päeva nimetatakse sageli transistori sünnikuupäevaks. Kõnevõimendusena töötas PNP-kontaktiga germaaniumtransistor, mille võimsusvõimendus oli 18. See on vastus küsimusele, miks esimesed NSV Liidu transistorid olid PNP-tüüpi, kuna need osteti ameeriklastelt. 1956. aastal pälvisid John Bardeen, W alter Houser Bratten ja William Bradford Shockley Nobeli füüsikaauhinna pooljuhtide uurimise ja transistoriefekti avastamise eest.
Kaksteist inimest on tunnustatud selle eest, et nad osalesid otseselt Bell Labsi transistori leiutamisega.
Esimesed transistorid Euroopas
Samal ajal sattusid mõned Euroopa teadlased tahkisvõimendite ideest vaimustusse. 1948. aasta augustis töötasid saksa füüsikud Herbert F. Matare ja Heinrich Welker Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse'is Aulnay-sous-is. Bois (Prantsusmaa) taotles patendi võimendile, mis põhines vähesel määral, mida nad nimetasid "transistoriks". Kuna Bell Labs avaldas transistori alles 1948. aasta juunis, loeti transistor iseseisv alt väljatöötatuks. Mataré täheldas esmakordselt transjuhtivuse mõju Saksamaa radariseadmete jaoks mõeldud ränidioodide tootmisel Teise maailmasõja ajal. Transistore valmistati kaubanduslikult Prantsuse telefonifirmale ja sõjaväele ning 1953. aastal demonstreeriti Düsseldorfi raadiojaamas nelja transistoriga pooljuhtraadiot.
Bell Telephone Laboratories vajas uuele leiutisele nime: Semiconductor Triode, Tried States Triode, Crystal Triode, Solid Triode ja Iotatron kaaluti kõiki, kuid John R. Pierce'i loodud "transistor" oli selge võitja. sisehääletus (osaliselt tänu lähedusele, mille Belli insenerid töötasid välja "-ajaloolise" järelliite jaoks).
Maailma esimene kaubanduslik transistoride tootmisliin asus Western Electricu tehases Union Boulevardil Allentownis, Pennsylvanias. Tootmist alustati 1. oktoobril 1951 punktkontaktiga germaaniumtransistoriga.
Edasine taotlus
Kuni 1950. aastate alguseni kasutati seda transistorit igat tüüpi tootmises, kuid selle laialdasemat kasutamist takistasid endiselt suured probleemid, nagu niiskustundlikkus ja germaaniumikristallidele kinnitatud juhtmete haprus.
Shockleyt süüdistati sageliplagiaat, mille põhjuseks oli asjaolu, et tema töö oli väga lähedane suure, kuid tunnustamata Ungari inseneri loomingule. Kuid Bell Labsi advokaadid lahendasid probleemi kiiresti.
Sellegipoolest oli Shockley kriitikute rünnakute pärast nördinud ja otsustas näidata, kes oli kogu transistori leiutamise suure eepose tõeline aju. Vaid paar kuud hiljem leiutas ta täiesti uut tüüpi transistori, millel oli väga omapärane "võileiva struktuur". See uus vorm oli palju töökindlam kui habras punktkontaktsüsteem ja just seda vormi kasutati lõpuks kõigis 1960. aastate transistorides. Peagi arenes sellest välja bipolaarne ristmik, millest sai esimene bipolaarne transistori alus.
Staatilise induktsiooniseadme, kõrgsagedustransistori esimese kontseptsiooni, leiutasid Jaapani insenerid Jun-ichi Nishizawa ja Y. Watanabe 1950. aastal ning 1975. aastal suutis see lõpuks luua eksperimentaalseid prototüüpe. See oli 1980. aastate kiireim transistor.
Edaspidised arendused hõlmasid laiendatud sidestusseadmeid, pinnatõkketransistorit, difusiooni, tetoodi ja pentoodi. Difusioonräni "mesatransistor" töötati välja 1955. aastal Bellis ja kaubanduslikult saadaval firmast Fairchild Semiconductor 1958. aastal. Kosmos oli teatud tüüpi transistor, mis töötati välja 1950. aastatel punktkontakttransistori ja hilisema sulamist transistori täiustamiseks.
1953. aastal töötas Filco välja maailma esimese kõrgsagedusliku pinnatõkkeseade, mis oli ühtlasi esimene kiiretele arvutitele sobiv transistor. Maailma esimene transistoriseeritud autoraadio, mille Philco valmistas 1955. aastal, kasutas oma vooluringides pinnatõkketransistore.
Probleemide lahendamine ja ümbertöötamine
Hapruse probleemide lahendamisega jäi puhtuse probleem alles. Nõutava puhtusastmega germaaniumi tootmine osutus suureks väljakutseks ja piiras transistoride arvu, mis võiksid konkreetse materjalipartiiga tegelikult töötada. Germaaniumi temperatuuritundlikkus piiras ka selle kasulikkust.
Teadlased on oletanud, et räni oleks lihtsam toota, kuid vähesed on seda võimalust uurinud. Morris Tanenbaum ettevõttes Bell Laboratories oli esimene, kes töötas välja töötava ränitransistori 26. jaanuaril 1954. Mõni kuu hiljem töötas Gordon Teal, kes töötas üksinda ettevõttes Texas Instruments, sarnase seadme. Mõlemad seadmed valmistati üksikute ränikristallide dopingu kontrollimise teel, kui neid sularänist kasvatati. Kõrgema meetodi töötasid välja Morris Tanenbaum ja Calvin S. Fuller Bell Laboratoriesis 1955. aasta alguses doonor- ja aktseptorlisandite gaasilise difusiooni teel monokristallilisteks ränikristallideks.
Väljatransistorid
FET-i patenteerisid esmakordselt Julis Edgar Lilienfeld 1926. aastal ja Oskar Hale 1934. aastal, kuid välja töötati praktilised pooljuhtseadmed (siirdeväljatransistorid [JFET]).hiljem, pärast seda, kui William Shockley meeskond Bell Labsis 1947. aastal transistoriefekti täheldas ja selgitas, vahetult pärast kahekümneaastase patendiperioodi lõppemist.
Esimene JFET-tüüp oli staatiline induktsioontransistor (SIT), mille leiutasid Jaapani insenerid Jun-ichi Nishizawa ja Y. Watanabe 1950. aastal. SIT on lühikese kanali pikkusega JFET-i tüüp. Metall-oksiid-pooljuht-pooljuht-väljatransistori (MOSFET), mis suures osas tõrjus välja JFET-i ja mõjutas põhjalikult elektroonilise elektroonika arengut, leiutasid Dawn Kahng ja Martin Atalla 1959. aastal.
FET-id võivad olla põhilaadimisseadmed, milles voolu kannavad valdav alt enamuskandjad, või väiksema laengukandja seadmed, milles voolu juhib peamiselt vähemuskandja vool. Seade koosneb aktiivsest kanalist, mille kaudu laengukandjad, elektronid või augud voolavad allikast kanalisatsiooni. Lähte- ja äravooluklemmid on pooljuhiga ühendatud oomiliste kontaktide kaudu. Kanali juhtivus on värava ja allika klemmide vahel rakendatud potentsiaali funktsioon. Sellest tööpõhimõttest saadi esimesed täislainetransistorid.
Kõigil FET-idel on allika-, äravoolu- ja väravaklemmid, mis vastavad ligikaudu BJT emitterile, kollektorile ja alusele. Enamikul FET-idel on neljas klemm, mida nimetatakse korpuseks, baasiks, maanduseks või substraadiks. See neljas klemm on mõeldud transistori töösse lülitamiseks. Pakettide klemmide kasutamine ahelates on haruldane, kuid selle olemasolu on oluline integraallülituse füüsilise paigutuse seadistamisel. Värava suurus, pikkus L diagrammil, on allika ja äravoolu vaheline kaugus. Laius on transistori laienemine diagrammil kujutatud ristlõikega risti (s.o ekraani sisse/välja). Tavaliselt on laius palju suurem kui värava pikkus. Värava pikkus 1 µm piirab ülemist sagedust ligikaudu 5 GHz-ni, vahemikus 0,2 kuni 30 GHz.
