Wie heeft de transistor uitgevonden?

Op het lezen van mijn recente @CHM blog “Wie heeft de diode uitgevonden?” wees CHM senior curator Dag Spicer me op een fascinerende wetenschappelijke verhandeling, “Singletons and Multiples in Scientific Discovery: A Chapter in the Sociology of Science”, waarin wordt beschreven hoe meervoudige onafhankelijke ontdekkingen van wetenschappelijke fenomenen eerder norm dan uitzondering zijn. De auteur, Robert K. Merton, voert dit begrip terug op de Elizabethaanse filosoof, staatsman en wetenschapper Sir Francis Bacon.

Merton parafraseert ook Bacon’s observatie dat “als eenmaal de juiste weg is gevolgd, er een oneindig aantal ontdekkingen zal voortkomen uit de groeiende voorraad kennis.” Dit patroon was duidelijk zichtbaar in de geschiedenis van de diode. En zoals deze blog beschrijft, werd het herhaald in de ontwikkeling van de volgende grote sprong voorwaarts in halfgeleiderinrichtingen, de transistor.

Lang in de vorige eeuw wisten wetenschappers hoe ze een diode met twee aansluitingen konden maken door een scherpe metalen sonde in contact te brengen met een halfgeleiderkristal. Deze puntcontactdiodes konden een oscillerend signaal omzetten in een constant signaal en werden op grote schaal gebruikt als detectoren in kristalradio-ontvangers. Tegen de jaren 1920 begonnen uitvinders het gebruik van halfgeleiders voor het versterken en schakelen van signalen te onderzoeken.

Eerdere halfgeleiderversterkers

Een deel van het eerste werk aan halfgeleiderversterkers kwam uit Oost-Europa. In 1922-23 ontdekte de Russische ingenieur Oleg Losev van het Nizhegorod Radio Laboratorium, Leningrad, dat een speciale werkingswijze in een zinkiet (ZnO) kristaldiode met puntcontact signaalversterking tot 5 MHz mogelijk maakte. Hoewel Losev jarenlang met het materiaal in radiocircuits experimenteerde, stierf hij tijdens het Beleg van Leningrad in 1942 en was hij niet in staat zijn plaats in de geschiedenis te bepleiten. Zijn werk is grotendeels onbekend.

De Oostenrijks-Hongaarse natuurkundige Julius E. Lilienfeld verhuisde naar de VS en vroeg in 1926 patent aan op een “Methode en apparaat voor het regelen van elektrische stromen”, waarin hij een versterker met drie elektroden beschreef die gebruik maakte van koper-sulfide halfgeleidermateriaal. Lilienfeld wordt gecrediteerd als uitvinder van de elektrolytische condensator, maar er is geen bewijs dat hij een werkende versterker heeft gebouwd. Zijn patent had echter voldoende gelijkenis met de latere veldeffecttransistor om toekomstige patentaanvragen voor die structuur af te wijzen.

Duitse wetenschappers hebben ook bijgedragen aan dit vroege onderzoek. De Duitse elektrotechnicus en uitvinder Oskar Heil vroeg in 1934, toen hij aan de universiteit van Cambridge in Engeland werkte, patent aan op het regelen van de stroom in een halfgeleider via capacitieve koppeling aan een elektrode – in wezen een veld-effecttransistor. En in 1938 experimenteerden Robert Pohl en Rudolf Hilsch aan de universiteit van Gottingen met kalium-bromidekristallen met drie elektroden. Zij rapporteerden versterking van laagfrequente (ongeveer 1 Hz) signalen. Dit onderzoek leidde niet tot toepassingen, maar Heil wordt in audiofiele kringen tegenwoordig herdacht vanwege zijn luchtbewegingstransformator die in hifi-luidsprekers wordt gebruikt.

De eerste transistors

Omwille van hun geringe betrouwbaarheid en grote stroomverbruik wisten ingenieurs bij American Telephone and Telegraph aan het eind van de jaren dertig dat vacuümbuisschakelingen niet zouden voldoen aan de snel groeiende vraag van het bedrijf naar meer capaciteit voor telefoongesprekken. De onderzoeksdirecteur van Bell Laboratories, Mervin J. Kelly, gaf William Shockley de opdracht de mogelijkheid te onderzoeken om de halfgeleidertechnologie te gebruiken ter vervanging van de buizen.

Met gebruikmaking van verbeterde halfgeleidermaterialen die tijdens de oorlog voor radardetectoren waren ontwikkeld, experimenteerde Shockley begin 1945 met een veldeffectversterker, waarvan het concept vergelijkbaar was met dat van de versterkers waarop Heil en Lilienfeld patent hadden, maar die niet werkte zoals hij van plan was. De natuurkundige John Bardeen suggereerde dat elektronen op het halfgeleideroppervlak de penetratie van elektrische velden in het materiaal zouden kunnen blokkeren. Onder leiding van Shockley begon Bardeen, samen met de natuurkundige Walter Brattain, onderzoek te doen naar het gedrag van deze “oppervlaktetoestanden.”

Op 16 december 1947 culmineerde hun onderzoek in een succesvolle halfgeleiderversterker. Bardeen en Brattain brachten twee dicht bij elkaar liggende gouden contacten aan die op hun plaats werden gehouden door een plastic wig op het oppervlak van een kleine plak hoogzuiver germanium. Op 23 december demonstreerden zij hun apparaat aan laboratoriumfunctionarissen en in juni 1948 kondigde Bell Labs publiekelijk het revolutionaire apparaat aan dat zij een “transistor” noemden.

Begin datzelfde jaar, tijdens een onderzoek naar een verschijnsel dat hij “interferentie” noemde, fabriceerden de Duitse natuurkundige Herbert Mataré en zijn collega Heinrich Welker onafhankelijk van elkaar een versterker op basis van germanium met twee puntcontacten die het oppervlak raakten in een Westinghouse laboratorium in Parijs, Frankrijk. Toen zij hoorden van de aankondiging van Bell Labs, vroegen Mataré en Welker octrooi aan op hun eigen apparaat, dat zij een “transistron” noemden.

Verbeter de Transistor

Toen hij zich realiseerde dat de punt-contact structuur ernstige beperkingen had, en aangespoord door professionele jaloezie omdat hij het jammer vond niet betrokken te zijn geweest bij de ontdekking ervan, werkte Shockley alleen aan een betrouwbaarder en reproduceerbaarder apparaat. De bipolaire junctietransistor van Shockley, die in 1952 op de markt kwam en gemaakt was van een massief stuk halfgeleidermateriaal en zonder puntcontacten, domineerde de industrie gedurende de volgende 30 jaar. Alle drie Bell Labs-wetenschappers ontvingen voor hun bijdragen de Nobelprijs voor natuurkunde in 1956.

In het volgende decennium werden veel verschillende fabricagemethoden ontwikkeld om snellere, goedkopere en steeds betrouwbaardere transistors te produceren. Een belangrijke vooruitgang in 1954 was de siliciumtransistor, eerst van Morris Tanenbaum bij Bell Labs en kort daarna door een team onder leiding van chemicus Willis Adcock bij het jonge bedrijf Texas Instruments. Tegen het einde van de jaren vijftig was silicium het voorkeursmateriaal van de industrie geworden en TI de dominante halfgeleiderverkoper.

De oprichters van Fairchild Semiconductor, een start-up in Silicon Valley in Californië, begonnen hun bedrijf met het uitgangspunt om een nog betere siliciumtransistor te maken. Hun dagelijkse uitdagingen bij de ontwikkeling van een nieuwe technologie worden uitvoerig beschreven in verschillende Fairchild Patent Notebooks in de collectie van het museum, met name in die van Gordon Moore en Sheldon Roberts. Hun introductie in 1958 van een dubbel gediffundeerde silicium mesa transistor, die samenviel met het begin van de “ruimtewedloop”, was een groot commercieel succes. Betrouwbaarheidsproblemen die de toekomst van het bedrijf in gevaar brachten, werden opgelost met het revolutionaire planaire proces van de Zwitserse natuurkundige Jean Hoerni. Hoerni’s vlakke techniek veranderde niet alleen de transistorfabricage van een semi-handmatige bewerking in een geautomatiseerde productie van grote volumes. Het maakte ook de ontwikkeling van de moderne geïntegreerde schakeling (IC) mogelijk.

De MOS Transistor

De ideeën van Lilienfeld en Heil en de mislukte vroege experimenten van Shockley wierpen in 1959 eindelijk hun vruchten af, toen hij voor de Egyptische ingenieur Martin M. (John) Atalla werkte aan de studie van halfgeleideroppervlakken bij Bell Labs, bouwde de Koreaanse elektrotechnicus Dawon Kahng de eerste succesvolle veldeffecttransistor (FET) bestaande uit een sandwich van lagen metaal (M – gate), oxide (O – isolatie), en silicium (S – halfgeleider). De MOSFET, in de volksmond afgekort tot MOS, beloofde een aanzienlijk kleinere, goedkopere transistor met een lager vermogen.

Fairchild en RCA brachten in 1964 commerciële MOS-transistors op de markt. Maar in de tien jaar die nodig waren om de vroege fabricageproblemen met het MOS-proces op te lossen, waren de afzonderlijke transistors in computersystemen grotendeels vervangen door IC’s. Op lange termijn bleken MOS-transistoren de meest praktische benadering voor het bouwen van IC’s met hoge dichtheid, zoals microprocessoren en geheugens. Bijna 100% van de miljarden transistors die dagelijks worden gefabriceerd zijn MOS-apparaten.

Zoals bij de meeste technologische ontwikkelingen het geval is, volgde de schepping van de moderne transistor het Baconiaanse patroon van geleidelijk voortkomen uit “de groeiende voorraad kennis”, opgebouwd door een werkelijk internationale cast van ingenieurs en wetenschappers, in plaats van uit de eenzame inspanningen van één enkele heldhaftige “uitvinder.”

Aanvullende inhoud

• Gepatenteerde halfgeleider-gelijkrichters als “Cat’s Whisker”-detectoren
• Gepatenteerde concepten van veldeffecthalfgeleider-apparaten
• Uitvinding van de puntcontacttransistor
• Ontwerping van de junctietransistor
• Eerste gegroeide-Junction Transistors Fabricated
• Silicon Transistors Offer Superior Operating Characteristics
• Invention of the “Planar” Manufacturing Process
• Metal Oxide Semiconductor (MOS) Transistor Demonstrated