Who Invented the Transistor?

Po przeczytaniu mojego niedawnego bloga @CHM „Who invented the diode?” starszy kurator CHM Dag Spicer wskazał mi fascynującą rozprawę naukową „Singletons and Multiples in Scientific Discovery: A Chapter in the Sociology of Science”, która opisuje, jak wielokrotne, niezależne odkrycia zjawisk naukowych są raczej normą niż wyjątkiem. Autor, Robert K. Merton, przypisuje to zrozumienie elżbietańskiemu filozofowi, mężowi stanu i naukowcowi Sir Francisowi Baconowi.

Merton parafrazuje również obserwację Bacona, że „gdy podąży się właściwą ścieżką, odkrycia w nieograniczonej liczbie powstaną z rosnącego zasobu wiedzy.” Ten wzorzec był łatwo widoczny w historii diody. I jak opisuje ten blog, został on powtórzony w rozwoju kolejnego wielkiego skoku naprzód w urządzeniach półprzewodnikowych, tranzystora.

Wcześniej w ubiegłym wieku naukowcy wiedzieli, jak zrobić diodę z dwoma końcówkami, umieszczając ostrą metalową sondę w kontakcie z kryształem półprzewodnika. Te punktowe diody kontaktowe mogły zmienić sygnał oscylacyjny na stały i znalazły szerokie zastosowanie jako detektory w odbiornikach radiowych. W latach dwudziestych XX wieku wynalazcy zaczęli badać wykorzystanie półprzewodników do wzmacniania i przełączania sygnałów.

Wczesne wzmacniacze półprzewodnikowe

Niektóre z najwcześniejszych prac nad wzmacniaczami półprzewodnikowymi wyłoniły się z Europy Wschodniej. W latach 1922-23 rosyjski inżynier Oleg Losev z Laboratorium Radiowego Nizhegorod w Leningradzie odkrył, że specjalny tryb pracy w krystalicznej diodzie cynkowo-cynkowej (ZnO) umożliwia wzmocnienie sygnału do 5 MHz. Chociaż Losev przez wiele lat eksperymentował z tym materiałem w obwodach radiowych, zginął podczas oblężenia Leningradu w 1942 r. i nie był w stanie opowiedzieć się za swoim miejscem w historii. Jego prace są w dużej mierze nieznane.

Austro-węgierski fizyk Julius E. Lilienfeld przeniósł się do USA i w 1926 roku złożył patent na „Method and Apparatus for Controlling Electric Currents”, w którym opisał trzyelektrodowe urządzenie wzmacniające wykorzystujące materiał półprzewodnikowy w postaci siarczku miedzi. Lilienfeldowi przypisuje się wynalezienie kondensatora elektrolitycznego, ale nie ma dowodów na to, że zbudował on działający wzmacniacz. Jego patent miał jednak wystarczające podobieństwo do późniejszego tranzystora polowego, aby zaprzeczyć przyszłym wnioskom patentowym dotyczącym tej struktury.

Niemieccy naukowcy również przyczynili się do tych wczesnych badań. Podczas pracy na Uniwersytecie Cambridge w Anglii w 1934 r. niemiecki inżynier elektryk i wynalazca Oskar Heil zgłosił patent na kontrolowanie przepływu prądu w półprzewodniku poprzez sprzężenie pojemnościowe na elektrodzie – zasadniczo tranzystor typu field-effect. W 1938 r. Robert Pohl i Rudolf Hilsch eksperymentowali na Uniwersytecie w Gottingen na kryształach bromku potasu z trzema elektrodami. Stwierdzili oni wzmocnienie sygnałów o niskiej częstotliwości (około 1 Hz). Żadne z tych badań nie doprowadziły do żadnych zastosowań, ale Heil jest dziś pamiętany w kręgach audiofilskich za swój transformator air motion, używany w głośnikach wysokiej jakości.

Pierwsze tranzystory

Pod koniec lat 30-tych inżynierowie z American Telephone and Telegraph wiedzieli, że obwody próżniowo-rurowe nie zaspokoją szybko rosnącego zapotrzebowania firmy na zwiększoną przepustowość połączeń telefonicznych. Dyrektor ds. badań w Bell Laboratories, Mervin J. Kelly, powierzył Williamowi Shockleyowi zadanie zbadania możliwości wykorzystania technologii półprzewodnikowej do zastąpienia lamp.

Korzystając z ulepszonych materiałów półprzewodnikowych opracowanych w czasie wojny dla detektorów radarowych, Shockley na początku 1945 roku eksperymentował ze wzmacniaczem z efektem polowym, podobnym w koncepcji do tych opatentowanych przez Heila i Lilienfelda, ale nie działał on zgodnie z jego założeniami. Fizyk John Bardeen zasugerował, że elektrony na powierzchni półprzewodnika mogą blokować przenikanie pola elektrycznego w głąb materiału. Pod kierunkiem Shockleya, wraz z fizykiem Walterem Brattainem, Bardeen rozpoczął badania nad zachowaniem tych „stanów powierzchniowych”.”

16 grudnia 1947 roku ich badania zakończyły się sukcesem wzmacniacza półprzewodnikowego. Bardeen i Brattain nałożyli na powierzchnię małej płytki germanu wysokiej czystości dwa ściśle rozmieszczone złote styki utrzymywane w miejscu przez plastikowy klin. 23 grudnia zademonstrowali swoje urządzenie urzędnikom laboratorium, a w czerwcu 1948 roku Bell Labs publicznie ogłosiło rewolucyjne urządzenie półprzewodnikowe, które nazwali „tranzystorem”.

Wcześniej w tym samym roku, badając zjawisko, które nazwał „interferencją”, niemiecki fizyk Herbert Mataré i jego kolega Heinrich Welker niezależnie wyprodukowali w laboratorium Westinghouse w Paryżu wzmacniacz oparty na germanie z dwoma punktowymi stykami dotykającymi jego powierzchni. Kiedy dowiedzieli się o ogłoszeniu Bell Labs, Mataré i Welker złożyli wniosek o opatentowanie własnego urządzenia, które nazwali „tranzystorem”.

Ulepszanie tranzystora

Zdając sobie sprawę z poważnych ograniczeń struktury punktowo-styczniowej i powodowani zawodową zazdrością, że nie byli zaangażowani w jej odkrycie, Shockley pracował samodzielnie nad stworzeniem bardziej niezawodnego i powtarzalnego urządzenia. Wprowadzony w 1952 r. tranzystor bipolarny Shockleya, wykonany z litego kawałka materiału półprzewodnikowego i pozbawiony styków punktowych, zdominował przemysł przez następne 30 lat. Wszyscy trzej naukowcy z Bell Labs otrzymali w 1956 r. Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za swój wkład.

W ciągu następnej dekady opracowano wiele różnych metod produkcji, aby wytwarzać szybsze, tańsze i coraz bardziej niezawodne tranzystory. Ważnym osiągnięciem w 1954 r. był tranzystor krzemowy, opracowany najpierw przez Morrisa Tanenbauma z Bell Labs, a wkrótce potem przez zespół pod kierownictwem chemika Willisa Adcocka z nowopowstałej firmy Texas Instruments. Do końca lat 50-tych krzem stał się preferowanym przez przemysł materiałem, a TI dominującym dostawcą półprzewodników.

Założyciele Fairchild Semiconductor, start-upu w kalifornijskiej Dolinie Krzemowej, rozpoczęli działalność swojej firmy z założeniem stworzenia jeszcze lepszego tranzystora krzemowego. Ich codzienne wyzwania związane z rozwojem nowej technologii zostały szczegółowo opisane w kilku zeszytach patentowych Fairchilda znajdujących się w kolekcji Muzeum, zwłaszcza tych autorstwa Gordona Moore’a i Sheldona Robertsa. W 1958 roku, kiedy rozpoczął się „wyścig kosmiczny”, wprowadzenie na rynek krzemowego tranzystora mesa o podwójnej dyspersji okazało się wielkim sukcesem komercyjnym. Problemy z niezawodnością, które zagrażały przyszłości firmy, zostały rozwiązane dzięki rewolucyjnemu procesowi planarnemu szwajcarskiego fizyka Jeana Hoerniego. Technika planarna Hoerniego nie tylko przekształciła produkcję tranzystorów z pół-ręcznej operacji w wysokonakładową produkcję zautomatyzowaną. Umożliwiła również rozwój nowoczesnego układu scalonego (IC).

Tranzystor MOS

Pomysły Lilienfelda i Heila oraz nieudane wczesne eksperymenty Shockleya w końcu zaowocowały w 1959 roku, kiedy to pracujący dla egipskiego inżyniera Martina M. (John) Atalla nad badaniem powierzchni półprzewodników w Bell Labs, koreański inżynier elektryczny Dawon Kahng zbudował pierwszy udany tranzystor polowy (FET) składający się z kanapki warstw metalu (M – bramka), tlenku (O – izolacja) i krzemu (S – półprzewodnik). MOSFET, popularnie skracany do MOS, obiecywał znacznie mniejszy, tańszy i o niższej mocy tranzystor.

Fairchild i RCA wprowadziły komercyjne tranzystory MOS w 1964 roku. Jednak w ciągu dekady, która upłynęła do rozwiązania wczesnych problemów produkcyjnych z procesem MOS, pojedyncze tranzystory zostały w dużej mierze zastąpione przez układy scalone w systemach komputerowych. W dłuższej perspektywie, tranzystory MOS okazały się najbardziej praktycznym podejściem do budowy układów scalonych o dużej gęstości, takich jak mikroprocesory i pamięci. Blisko 100% z miliardów tranzystorów produkowanych każdego dnia to urządzenia MOS.

Jak w przypadku większości osiągnięć technologicznych, stworzenie nowoczesnego tranzystora podążało za Baconowskim wzorcem stopniowego wyłaniania się z „rosnącego zasobu wiedzy” zbudowanego przez prawdziwie międzynarodową obsadę inżynierów i naukowców, a nie z samotnych wysiłków jednego heroicznego „wynalazcy”.”

Treść dodatkowa

• Opatentowano prostowniki półprzewodnikowe jako detektory „kociego wąsika”
• Opatentowano koncepcje urządzeń półprzewodnikowych o działaniu polowym
• Wynalezienie tranzystora Point-Contact
• Postanowienie tranzystora złączowego
• Pierwsze wyprodukowane tranzystory Grown-Junction Transistors Fabricated
• Silicon Transistors Offer Superior Operating Characteristics
• Invention of the „Planar” Manufacturing Process
• Metal Oxide Semiconductor (MOS) Transistor Demonstrated