Po přečtení mého nedávného blogu @CHM „Kdo vynalezl diodu?“. mě vedoucí kurátor CHM Dag Spicer upozornil na fascinující vědecké pojednání „Singletons and Multiples in Scientific Discovery: A Chapter in the Sociology of Science“, které popisuje, že vícenásobné nezávislé objevy vědeckých jevů jsou spíše normou než výjimkou. Autor, Robert K. Merton, sleduje toto chápání až k alžbětinskému filozofovi, státníkovi a vědci siru Francisi Baconovi.
Merton také parafrázuje Baconův postřeh, že „jakmile se jde správnou cestou, objevy v neomezeném množství vyplynou z rostoucí zásoby vědomostí“. Tato zákonitost byla snadno patrná v historii diody. A jak popisuje tento blog, opakoval se i při vývoji dalšího velkého skoku vpřed v oblasti polovodičových zařízení, tranzistoru.
Začátkem minulého století věděli vědci, jak vyrobit dvouvývodovou diodu umístěním ostré kovové sondy do kontaktu s polovodičovým krystalem. Tyto bodové kontaktní diody dokázaly měnit oscilující signál na stálý a našly široké uplatnění jako detektory v krystalových radiopřijímačích. Ve 20. letech 20. století začali vynálezci zkoumat využití polovodičů pro zesilování a přepínání signálů.
Rané polovodičové zesilovače
Oleg V. Losev (1903 – 1942)
Některé z prvních prací o polovodičových zesilovačích vznikly ve východní Evropě. V letech 1922-23 ruský inženýr Oleg Losev z Nižegorodské radiotechnické laboratoře v Leningradě zjistil, že zvláštní provozní režim v krystalové diodě s bodovým kontaktem zincitu (ZnO) podporuje zesílení signálu až na 5 MHz. Ačkoli Losev s tímto materiálem v rádiových obvodech experimentoval řadu let, zemřel při obléhání Leningradu v roce 1942 a nemohl se zasadit o své místo v historii. Jeho práce je z velké části neznámá.
Rakousko-uherský fyzik Julius E. Lilienfeld se přestěhoval do USA a v roce 1926 podal patent na „Způsob a přístroj pro řízení elektrických proudů“, v němž popsal tříelektrodové zesilovací zařízení využívající polovodičový materiál sulfid mědi. Lilienfeldovi se připisuje vynález elektrolytického kondenzátoru, ale neexistuje žádný důkaz, že by sestrojil funkční zesilovač. Jeho patent se však dostatečně podobal pozdějšímu tranzistoru s polem, aby bylo možné zamítnout budoucí patentové žádosti na tuto konstrukci.
Julius E. Lilienfeld (1882 -1963), s laskavým svolením AIP Emilio Segre Visual Archives
Němečtí vědci se také podíleli na tomto raném výzkumu. Německý elektroinženýr a vynálezce Oskar Heil si během svého působení na univerzitě v anglické Cambridgi v roce 1934 nechal patentovat řízení toku proudu v polovodiči pomocí kapacitní vazby na elektrodě – v podstatě tranzistor s polním efektem. A v roce 1938 experimentovali Robert Pohl a Rudolf Hilsch na univerzitě v Göttingenu s krystaly bromidu draselného se třemi elektrodami. Zaznamenali zesílení nízkofrekvenčních signálů (asi 1 Hz). Žádný z těchto výzkumů nevedl k žádným aplikacím, ale Heil je dnes v audiofilských kruzích připomínán díky svému transformátoru se vzduchovým pohybem, který se používá ve vysoce kvalitních reproduktorech.
První tranzistory
Koncem 30. let 20. století inženýři společnosti American Telephone and Telegraph věděli, že obvody s vakuovými trubicemi neuspokojí rychle rostoucí požadavky společnosti na zvýšení kapacity telefonních hovorů. Ředitel výzkumu Bellových laboratoří Mervin J. Kelly pověřil Williama Shockleyho, aby prozkoumal možnost využití polovodičové technologie, která by nahradila elektronky.
S využitím zdokonalených polovodičových materiálů vyvinutých za války pro radarové detektory Shockley počátkem roku 1945 experimentoval se zesilovačem na principu polního jevu, jehož koncepce byla podobná těm, které patentovali Heil a Lilienfeld, ale nefungoval podle jeho představ. Fyzik John Bardeen navrhl, že elektrony na povrchu polovodiče mohou blokovat průnik elektrického pole do materiálu. Pod Shockleyho vedením začal Bardeen spolu s fyzikem Walterem Brattainem zkoumat chování těchto tzv. povrchových stavů.“
John Bardeen, William Shockley a Walter Brattain v roce 1948, Courtesy of Bell Telephone Laboratories
16. prosince 1947 jejich výzkum vyvrcholil úspěšným polovodičovým zesilovačem. Bardeen a Brattain nanesli na povrch malé desky z vysoce čistého germania dva těsně od sebe vzdálené zlaté kontakty držené plastovým klínem. Dne 23. prosince předvedli své zařízení pracovníkům laboratoře a v červnu 1948 Bellovy laboratoře veřejně oznámily revoluční polovodičové zařízení, které nazvaly „tranzistor“.
Na začátku téhož roku německý fyzik Herbert Mataré a jeho kolega Heinrich Welker při zkoumání jevu, který nazval „interference“, nezávisle na sobě vyrobili v laboratoři Westinghouse v Paříži zesilovač na bázi germania se dvěma bodovými kontakty dotýkajícími se jeho povrchu. Když se dozvěděli o oznámení Bellových laboratoří, Mataré a Welker požádali o patentování svého vlastního zařízení, které nazvali „tranzistron“.
Vylepšení tranzistoru
S vědomím, že struktura s bodovými kontakty má vážná omezení, a podněcován profesionální žárlivostí, protože mu vadilo, že se nepodílel na jejím objevu, pracoval Shockley sám na koncepci spolehlivějšího a reprodukovatelnějšího zařízení. Shockleyho tranzistor s bipolárním přechodem, který byl představen v roce 1952 a který byl vyroben z pevného kusu polovodičového materiálu bez bodových kontaktů, dominoval průmyslu po následujících 30 let. Všichni tři vědci z Bellových laboratoří obdrželi v roce 1956 za svůj přínos Nobelovu cenu za fyziku.
V průběhu následujícího desetiletí bylo vyvinuto mnoho různých výrobních metod, které umožnily vyrábět rychlejší, levnější a stále spolehlivější tranzistory. Významným pokrokem byl v roce 1954 křemíkový tranzistor, který nejprve vytvořil Morris Tanenbaum v Bellových laboratořích a krátce poté tým vedený chemikem Willisem Adcockem v začínající společnosti Texas Instruments. Koncem padesátých let se křemík stal preferovaným průmyslovým materiálem a TI dominantním výrobcem polovodičů.
Tým křemíkových tranzistorů společnosti Texas Instruments v roce 1954: W. Adcock, M. Jones, E. Jackson a J. Thornhill, Courtesy of Texas Instruments, Inc.
Zakladatelé společnosti Fairchild Semiconductor, začínající firmy v kalifornském Silicon Valley, založili svou společnost s předpokladem, že vyrobí ještě lepší křemíkový tranzistor. Jejich každodenní problémy při vývoji nové technologie jsou podrobně popsány v několika patentových zápisnících společnosti Fairchild ve sbírce muzea, zejména v těch, které napsali Gordon Moore a Sheldon Roberts. V roce 1958, kdy začaly „vesmírné závody“, představili křemíkový tranzistor s dvojitou difuzí, který byl komerčně velmi úspěšný. Problémy se spolehlivostí, které ohrožovaly budoucnost společnosti, vyřešil revoluční planární proces švýcarského fyzika Jeana Hoerniho. Hoerniho planární technika nejenže změnila výrobu tranzistorů z částečně ruční operace na velkoobjemovou automatizovanou výrobu. Umožnila také vývoj moderního integrovaného obvodu (IC).
Tranzistor MOS
Martin M. Atalla (1924 – 2009), Courtesy of the Atalla Family
Nápady Lilienfelda a Heila a Shockleyho neúspěšné rané experimenty nakonec přinesly ovoce v roce 1959, kdy při práci pro egyptského inženýra Martina M. (John) Atalla na výzkumu polovodičových povrchů v Bellových laboratořích, sestrojil korejský elektroinženýr Dawon Kahng první úspěšný tranzistor s polem (FET) sestávající ze sendviče vrstev kovu (M – gate), oxidu (O – insulation) a křemíku (S – semiconductor). MOSFET, lidově zkráceně MOS, sliboval výrazně menší, levnější a výkonnější tranzistor.
Dawon Kahng (1931 – 1992), Courtesy NEC Corporation
Fairchild a RCA představily komerční tranzistory MOS v roce 1964. Během deseti let, které trvalo vyřešení prvních výrobních problémů s procesem MOS, však byly jednotlivé tranzistory v počítačových systémech z velké části nahrazeny integrovanými obvody. Z dlouhodobého hlediska se tranzistory MOS ukázaly jako nejpraktičtější přístup k výrobě integrovaných obvodů s vysokou hustotou, jako jsou mikroprocesory a paměti. Téměř 100 % z miliard denně vyráběných tranzistorů jsou zařízení MOS.
Stejně jako u většiny technologického vývoje se i vytvoření moderního tranzistoru řídilo Baconovým vzorem, kdy se postupně vynořoval z „rostoucí zásoby znalostí“, kterou vytvářela skutečně mezinárodní skupina inženýrů a vědců, spíše než z osamělého úsilí jediného hrdinného „vynálezce“.“
Další obsah
- Polovodičové usměrňovače patentované jako detektory „kočičího fousku“
- Koncepce polovodičových zařízení s polárním efektem patentovaná
- Vynález tranzistoru s bodovým kontaktem
- Koncepce tranzistoru s přechodem
- První vypěstované-Junction Transistors Fabricated
- Silicon Transistors Offer Superior Operating Characteristics
- Invention of the „Planar“ Manufacturing Process
- Metal Oxide Semiconductor (MOS) Transistor Demonstrated