Leggendo il mio recente blog @CHM “Chi ha inventato il diodo? Dag Spicer, curatore senior del CHM, mi ha indicato un affascinante trattato accademico, “Singletons and Multiples in Scientific Discovery: A Chapter in the Sociology of Science”, che descrive come le scoperte multiple indipendenti di fenomeni scientifici siano la norma piuttosto che l’eccezione. L’autore, Robert K. Merton, fa risalire questa comprensione al filosofo, statista e scienziato elisabettiano Sir Francis Bacon.
Merton parafrasa anche l’osservazione di Bacon che “una volta seguita la strada giusta, le scoperte in numero illimitato sorgeranno dal crescente stock di conoscenza”. Questo modello è stato subito evidente nella storia del diodo. E come descrive questo blog, si è ripetuto nello sviluppo del prossimo grande balzo in avanti nei dispositivi a semiconduttore, il transistor.
All’inizio del secolo scorso gli scienziati sapevano come fare un diodo a due terminali mettendo una sonda metallica appuntita in contatto con un cristallo semiconduttore. Questi diodi a contatto puntuale potevano cambiare un segnale oscillante in un segnale fisso e trovarono largo uso come rivelatori nei ricevitori radio a cristallo. Negli anni ’20 gli inventori iniziarono a studiare l’uso dei semiconduttori per amplificare e commutare i segnali.
Primi amplificatori a semiconduttore
Oleg V. Losev (1903 – 1942)
Alcuni dei primi lavori sugli amplificatori a semiconduttore emersero dall’Europa orientale. Nel 1922-23 l’ingegnere russo Oleg Losev del Laboratorio Radio di Nizhegorod, Leningrado, scoprì che una speciale modalità di funzionamento in un diodo a cristallo di zincoite (ZnO) a contatto puntiforme supportava l’amplificazione del segnale fino a 5 MHz. Anche se Losev sperimentò il materiale nei circuiti radio per anni, morì nell’assedio di Leningrado del 1942 e non fu in grado di difendere il suo posto nella storia. Il suo lavoro è in gran parte sconosciuto.
Fisico austro-ungarico, Julius E. Lilienfeld, si trasferì negli Stati Uniti e nel 1926 depositò un brevetto per un “Metodo e apparato per il controllo delle correnti elettriche” in cui descrisse un dispositivo di amplificazione a tre elettrodi utilizzando materiale semiconduttore rame-solfuro. Lilienfeld è accreditato con l’invenzione del condensatore elettrolitico, ma non ci sono prove che abbia costruito un amplificatore funzionante. Il suo brevetto, tuttavia, aveva sufficiente somiglianza con il successivo transistor ad effetto di campo per negare le future richieste di brevetto per quella struttura.
Julius E. Lilienfeld (1882 -1963), per gentile concessione dell’AIP Emilio Segre Visual Archives
Anche gli scienziati tedeschi hanno contribuito a queste prime ricerche. Mentre lavorava all’Università di Cambridge, in Inghilterra, nel 1934, l’ingegnere elettrico e inventore tedesco Oskar Heil depositò un brevetto sul controllo del flusso di corrente in un semiconduttore attraverso un accoppiamento capacitivo su un elettrodo – essenzialmente un transistor a effetto campo. E nel 1938, Robert Pohl e Rudolf Hilsch sperimentarono su cristalli di bromuro di potassio con tre elettrodi all’Università di Gottingen. Hanno riportato l’amplificazione di segnali a bassa frequenza (circa 1 Hz). Nessuna di queste ricerche portò ad alcuna applicazione, ma Heil è ricordato nei circoli audiofili oggi per il suo trasformatore a movimento d’aria usato negli altoparlanti ad alta fedeltà.
I primi transistor
A causa della loro scarsa affidabilità e del grande consumo di energia, alla fine degli anni ’30 gli ingegneri dell’American Telephone and Telegraph sapevano che i circuiti a tubi a vuoto non avrebbero soddisfatto la domanda in rapida crescita della compagnia per aumentare la capacità delle telefonate. Il direttore della ricerca dei Bell Laboratories, Mervin J. Kelly, incaricò William Shockley di studiare la possibilità di usare la tecnologia dei semiconduttori per sostituire i tubi.
Utilizzando materiali semiconduttori migliorati sviluppati per i rilevatori radar durante la guerra, all’inizio del 1945 Shockley sperimentò un amplificatore a effetto campo, simile nel concetto a quelli brevettati da Heil e Lilienfeld, ma non funzionò come voleva. Il fisico John Bardeen suggerì che gli elettroni sulla superficie del semiconduttore potevano bloccare la penetrazione dei campi elettrici nel materiale. Sotto la direzione di Shockley, insieme al fisico Walter Brattain, Bardeen iniziò a ricercare il comportamento di questi “stati superficiali”.”
John Bardeen, William Shockley e Walter Brattain nel 1948, per gentile concessione dei Bell Telephone Laboratories
Il 16 dicembre 1947, la loro ricerca culminò in un amplificatore a semiconduttore di successo. Bardeen e Brattain applicarono due contatti d’oro strettamente distanziati tenuti in posizione da un cuneo di plastica sulla superficie di una piccola lastra di germanio ad alta purezza. Il 23 dicembre dimostrarono il loro dispositivo ai funzionari del laboratorio e nel giugno 1948, i Bell Labs annunciarono pubblicamente il rivoluzionario dispositivo a stato solido che chiamarono “transistor”.
All’inizio dello stesso anno, mentre esaminavano un fenomeno che chiamò “interferenza”, il fisico tedesco Herbert Mataré e il suo collega Heinrich Welker fabbricarono indipendentemente un amplificatore basato sul germanio con due contatti puntuali che toccavano la sua superficie in un laboratorio Westinghouse a Parigi, Francia. Quando vennero a conoscenza dell’annuncio dei Bell Labs, Mataré e Welker fecero domanda di brevetto per il loro dispositivo, che chiamarono “transistron”.
Migliorare il transistor
Rendendosi conto che la struttura a contatto puntiforme aveva seri limiti, e spinto dalla gelosia professionale per non essere stato coinvolto nella sua scoperta, Shockley lavorò da solo per concepire un dispositivo più affidabile e riproducibile. Introdotto nel 1952, il transistor a giunzione bipolare di Shockley, che era fatto da un pezzo solido di materiale semiconduttore e senza contatti puntuali, dominò l’industria per i successivi 30 anni. Tutti e tre gli scienziati dei Bell Labs ricevettero il premio Nobel per la fisica nel 1956 per i loro contributi.
Nel decennio successivo furono sviluppati molti metodi di produzione diversi per produrre transistor più veloci, più economici e sempre più affidabili. Un importante progresso nel 1954 fu il transistor al silicio, prima da Morris Tanenbaum ai Bell Labs e poco dopo da un team guidato dal chimico Willis Adcock alla Texas Instruments. Alla fine degli anni ’50, il silicio era diventato il materiale preferito dall’industria e TI il fornitore dominante di semiconduttori.
Il team dei transistor al silicio di Texas Instruments del 1954: W. Adcock, M. Jones, E. Jackson e J. Thornhill, per gentile concessione di Texas Instruments, Inc.
I fondatori di Fairchild Semiconductor, una start-up nella Silicon Valley californiana, hanno iniziato la loro azienda con la premessa di realizzare un transistor al silicio ancora migliore. Le loro sfide quotidiane nello sviluppo di una nuova tecnologia sono descritte in dettaglio in diversi quaderni di brevetti Fairchild nella collezione del museo, in particolare quelli scritti da Gordon Moore e Sheldon Roberts. In coincidenza con l’inizio della “corsa allo spazio”, la loro introduzione nel 1958 di un transistor di silicio mesa a doppia diffusione fu un grande successo commerciale. I problemi di affidabilità che minacciavano il futuro dell’azienda furono risolti con il rivoluzionario processo planare del fisico svizzero Jean Hoerni. La tecnica planare di Hoerni non solo trasformò la produzione di transistor da un’operazione semi-artigianale a una produzione automatizzata ad alto volume. Ha anche permesso lo sviluppo del moderno circuito integrato (IC).
Il transistor MOS
Martin M. Atalla (1924 – 2009), per gentile concessione della famiglia Atalla
Le idee di Lilienfeld e Heil e i primi esperimenti falliti di Shockley diedero finalmente i loro frutti nel 1959 quando, lavorando per l’ingegnere egiziano Martin M. (John) Atalla sullo studio delle superfici dei semiconduttori ai Bell Labs, l’ingegnere elettrico coreano Dawon Kahng costruì il primo transistor a effetto campo (FET) di successo che comprendeva un sandwich di strati di metallo (M – gate), ossido (O – isolamento), e silicio (S – semiconduttore). Il MOSFET, popolarmente abbreviato in MOS, prometteva un transistor significativamente più piccolo, più economico e di minore potenza.
Dawon Kahng (1931 – 1992), Courtesy NEC Corporation
Fairchild e RCA hanno introdotto transistor MOS commerciali nel 1964. Ma nel decennio che ci volle per risolvere i primi problemi di produzione con il processo MOS, i transistor individuali erano stati in gran parte sostituiti dai circuiti integrati nei sistemi informatici. A lungo termine, i transistor MOS si sono dimostrati l’approccio più pratico per costruire circuiti integrati ad alta densità, come microprocessori e memorie. Quasi il 100% dei miliardi di transistor prodotti ogni giorno sono dispositivi MOS.
Come per la maggior parte degli sviluppi tecnologici, la creazione del moderno transistor ha seguito il modello baconiano di emergere gradualmente dal “crescente stock di conoscenza” costruito da un cast veramente internazionale di ingegneri e scienziati piuttosto che dagli sforzi solitari di un singolo eroico “inventore”.”
Contenuto aggiuntivo
- Rettificatori a semiconduttore brevettati come rivelatori “a baffo di gatto”
- Concetti di dispositivi a semiconduttore a effetto di campo brevettati
- Invenzione del transistor a contatto puntuale
- Concezione del transistor a giunzione
- Primi transistor a giunzione cresciuti
- Transistor a giunzione fabbricati
- Transistor a giunzioneJunction Transistors Fabricated
- Silicon Transistors Offer Superior Operating Characteristics
- Invention of the “Planar” Manufacturing Process
- Metal Oxide Semiconductor (MOS) Transistor Demonstrated