A legutóbbi @CHM blogomat olvasva “Ki találta fel a diódát?” Dag Spicer, a CHM vezető kurátora rámutatott egy lenyűgöző tudományos értekezésre, a “Singletons and Multiples in Scientific Discovery: A Chapter in the Sociology of Science”, amely leírja, hogy a tudományos jelenségek többszörös független felfedezése inkább a norma, mint a kivétel. A szerző, Robert K. Merton ezt a felfogást az Erzsébet-kori filozófusra, államférfira és tudósra, Sir Francis Baconre vezeti vissza.
Merton Bacon megfigyelését is parafrazálja, miszerint “ha egyszer a helyes utat követjük, a növekvő tudáskészletből korlátlan számú felfedezés születik”. Ez a minta a dióda történetében is jól megfigyelhető volt. És ahogy ez a blog leírja, megismétlődött a félvezető eszközök következő nagy előrelépésének, a tranzisztornak a kifejlesztése során.
A múlt század elején a tudósok már tudták, hogyan lehet kétpólusú diódát készíteni úgy, hogy egy éles fémszondát érintkezésbe hoznak egy félvezető kristállyal. Ezek a pontérintkezős diódák képesek voltak a rezgő jelet egyenletes jellé változtatni, és széles körben használták őket detektorokként a kristályos rádióvevőkben. Az 1920-as évekre a feltalálók elkezdték vizsgálni a félvezetők használatát a jelek erősítésére és kapcsolására.
Kora félvezető erősítők
Oleg V. Losev (1903 – 1942)
A félvezető erősítőkkel kapcsolatos legkorábbi munkák egy része Kelet-Európából származik. 1922-23-ban Oleg Losev orosz mérnök, a leningrádi Nyishegorodi Rádiólaboratórium munkatársa megállapította, hogy egy pontérintkezős cinkit (ZnO) kristálydióda különleges működési módja 5 MHz-ig támogatta a jelerősítést. Bár Losev évekig kísérletezett az anyaggal rádióáramkörökben, az 1942-es leningrádi ostromban meghalt, és nem tudott kiállni a történelemben elfoglalt helye mellett. Munkássága nagyrészt ismeretlen.
Ausztriai-magyar fizikus, Julius E. Lilienfeld az Egyesült Államokba költözött, és 1926-ban szabadalmat nyújtott be “Módszer és készülék elektromos áramok vezérlésére”, amelyben egy réz-szulfid félvezető anyagot használó háromelektródás erősítő berendezést írt le. Lilienfeldnek tulajdonítják az elektrolitkondenzátor feltalálását, de nincs bizonyíték arra, hogy működő erősítőt épített volna. Szabadalma azonban elegendő hasonlóságot mutatott a későbbi térhatású tranzisztorral ahhoz, hogy a szerkezetre vonatkozó későbbi szabadalmi kérelmeket elutasítsák.
Julius E. Lilienfeld (1882 -1963), Courtesy of AIP Emilio Segre Visual Archives
Német tudósok is hozzájárultak ehhez a korai kutatáshoz. Az angliai Cambridge-i Egyetemen dolgozva 1934-ben Oskar Heil német villamosmérnök és feltaláló szabadalmat nyújtott be a félvezetőben folyó áramnak egy elektródán történő kapacitív csatolással történő szabályozására – lényegében egy térhatású tranzisztorra. 1938-ban pedig Robert Pohl és Rudolf Hilsch a Gottingeni Egyetemen kálium-bromid kristályokon kísérletezett három elektródával. Alacsony frekvenciájú (kb. 1 Hz) jelek erősítéséről számoltak be. E kutatások egyike sem vezetett semmilyen alkalmazáshoz, de Heilre ma audiofil körökben a high fidelity hangszórókban használt légmozgás-transzformátora miatt emlékeznek.
Az első tranzisztorok
Az 1930-as évek végére az American Telephone and Telegraph mérnökei már tudták, hogy a vákuumcsöves áramkörök nem elégítik ki a vállalat gyorsan növekvő igényét a telefonhívások kapacitásának növelésére. A Bell Laboratories kutatási igazgatója, Mervin J. Kelly megbízta William Shockley-t, hogy vizsgálja meg annak lehetőségét, hogyan lehetne a félvezető technológiával helyettesíteni a csöveket.
A háború alatt a radardetektorokhoz kifejlesztett, továbbfejlesztett félvezető anyagok felhasználásával Shockley 1945 elején kísérletezett egy, a Heil és Lilienfeld által szabadalmaztatottakhoz hasonló koncepciójú térhatású erősítővel, amely azonban nem működött a tervezett módon. John Bardeen fizikus felvetette, hogy a félvezető felületén lévő elektronok akadályozhatják az elektromos mezők behatolását az anyagba. Shockley irányítása alatt Walter Brattain fizikussal együtt Bardeen elkezdte kutatni ezeknek a “felületi állapotoknak a viselkedését.”
John Bardeen, William Shockley és Walter Brattain 1948-ban, a Bell Telephone Laboratories jóvoltából
1947. december 16-án kutatásaik egy sikeres félvezető erősítőben csúcsosodtak ki. Bardeen és Brattain két szorosan egymás mellé helyezett aranyérintkezőt alkalmazott, amelyeket egy műanyag ék tartott a helyén egy kis nagytisztaságú germániumlap felületén. December 23-án bemutatták készüléküket a laboratórium tisztviselőinek, és 1948 júniusában a Bell Labs nyilvánosan bejelentette az általuk “tranzisztornak” nevezett forradalmi szilárdtest-berendezést.”
Az év elején Herbert Mataré német fizikus és kollégája, Heinrich Welker az általa “interferenciának” nevezett jelenség vizsgálata során a franciaországi Westinghouse párizsi laboratóriumában egymástól függetlenül előállítottak egy germániumon alapuló erősítőt, amelynek felületét két pontkontaktus érintette. Amikor értesültek a Bell Labs bejelentéséről, Mataré és Welker szabadalmat kértek saját eszközükre, amelyet “tranzisztornak” neveztek el.”
A tranzisztor továbbfejlesztése
A felismerve, hogy a pontérintkezős szerkezetnek komoly korlátai vannak, és szakmai féltékenységtől hajtva, mivel nehezményezte, hogy nem vett részt a felfedezésében, Shockley egyedül dolgozott egy megbízhatóbb és reprodukálhatóbb eszköz kitalálásán. Az 1952-ben bemutatott Shockley-féle bipoláris átmenetű tranzisztor, amely egy tömör félvezető anyagból és pontkontaktusok nélkül készült, a következő 30 évben uralta az iparágat. Mindhárom Bell Labs tudós 1956-ban fizikai Nobel-díjat kapott hozzájárulásukért.
A következő évtizedben számos különböző gyártási módszert fejlesztettek ki a gyorsabb, olcsóbb és egyre megbízhatóbb tranzisztorok előállítására. Fontos előrelépés volt 1954-ben a szilíciumtranzisztor, amelyet először Morris Tanenbaum készített a Bell Labs-nél, majd nem sokkal később a Willis Adcock vegyész vezette csapat a feltörekvő Texas Instrumentsnél. Az 1950-es évek végére a szilícium vált az ipar által preferált anyaggá, a TI pedig a domináns félvezetőgyártóvá.
A Texas Instruments 1954-es szilícium-tranzisztor csapata: W. Adcock, M. Jones, E. Jackson és J. Thornhill, Courtesy of Texas Instruments, Inc.
A kaliforniai Szilícium-völgyben induló Fairchild Semiconductor alapítói azzal a céllal indították el vállalatukat, hogy még jobb szilícium-tranzisztort készítsenek. Az új technológia kifejlesztésével kapcsolatos mindennapi kihívásaikat részletesen leírják a múzeum gyűjteményében található Fairchild szabadalmi jegyzetfüzetek, különösen a Gordon Moore és Sheldon Roberts által írtak. Az “űrverseny” kezdetével egy időben, 1958-ban bemutatott, kétszeres szórású szilícium-meza-tranzisztoruk nagy kereskedelmi sikert aratott. A vállalat jövőjét fenyegető megbízhatósági problémákat Jean Hoerni svájci fizikus forradalmi planáris eljárásával oldották meg. Hoerni planáris technikája nemcsak a tranzisztorgyártást alakította át félkézi műveletből nagy volumenű automatizált gyártássá. Lehetővé tette a modern integrált áramkör (IC) kifejlesztését is.
A MOS tranzisztor
Martin M. Atalla (1924 – 2009), Az Atalla család jóvoltából
Lilienfeld és Heil ötletei, valamint Shockley sikertelen korai kísérletei végül 1959-ben meghozták gyümölcsüket, amikor az egyiptomi mérnök Martin M. (John) Atalla félvezetőfelületek tanulmányozásán dolgozott a Bell Labs-ben, Dawon Kahng koreai villamosmérnök megépítette az első sikeres, fémből (M – kapu), oxidból (O – szigetelés) és szilíciumból (S – félvezető) álló rétegek szendvicséből álló térhatású tranzisztort (FET). A MOSFET, népszerű rövidítéssel MOS, lényegesen kisebb, olcsóbb és kisebb teljesítményű tranzisztort ígért.
Dawon Kahng (1931 – 1992), Courtesy NEC Corporation
A Fairchild és az RCA 1964-ben mutatta be a kereskedelmi MOS tranzisztorokat. De az alatt az évtized alatt, amíg a MOS-eljárással kapcsolatos korai gyártási problémák megoldódtak, az egyes tranzisztorokat a számítógépes rendszerekben már nagyrészt IC-k váltották fel. Hosszú távon a MOS-tranzisztorok bizonyultak a legpraktikusabb megközelítésnek a nagy sűrűségű IC-k, például mikroprocesszorok és memóriák építéséhez. A naponta gyártott több milliárd tranzisztor közel 100%-a MOS-elem.
A legtöbb technológiai fejlesztéshez hasonlóan a modern tranzisztor megalkotása is a baconi mintát követte: fokozatosan, mérnökök és tudósok valóban nemzetközi mérnöki és tudósi gárda által létrehozott “növekvő tudáskészletből”, nem pedig egyetlen hősies “feltaláló” magányos erőfeszítéseiből nőtt ki.”
Kiegészítő tartalom
- A félvezető egyenirányítók, mint “macskabajszú” detektorok szabadalmaztatása
- A mezőhatású félvezető eszközök koncepciójának szabadalmaztatása
- A pontérintkezős tranzisztor feltalálása
- A csatlakozó tranzisztor megalkotása
- Az első növesztett…Junction Transistors Fabricated
- Silicon Transistors Offer Superior Operating Characteristics
- Invention of the “Planar” Manufacturing Process
- Metal Oxide Semiconductor (MOS) Transistor Demonstrated