När jag läste min senaste @CHM-blogg ”Who invented the diode?” CHM:s seniorkonservator Dag Spicer pekade mig på en fascinerande vetenskaplig avhandling, ”Singletons and Multiples in Scientific Discovery”: A Chapter in the Sociology of Science”, som beskriver hur flera oberoende upptäckter av vetenskapliga fenomen är norm snarare än undantag. Författaren Robert K. Merton spårar denna förståelse tillbaka till den elisabetanska filosofen, statsmannen och vetenskapsmannen Sir Francis Bacon.
Merton parafraserar också Bacons iakttagelse att ”när den rätta vägen väl följs, kommer upptäckter i obegränsat antal att uppstå från det växande kunskapsbeståndet”. Detta mönster var lätt att se i diodens historia. Och som den här bloggen beskriver upprepades det i utvecklingen av nästa stora språng framåt inom halvledarkomponenter, transistorn.
Tidigt under förra seklet visste forskarna hur de skulle göra en diod med två terminaler genom att placera en vass metallsond i kontakt med en halvledarkristall. Dessa punktkontaktdioder kunde ändra en oscillerande signal till en jämn signal och fick stor användning som detektorer i kristallradiomottagare. På 1920-talet började uppfinnare undersöka användningen av halvledare för att förstärka och växla signaler.
Första halvledarförstärkare
Oleg V. Losev (1903 – 1942)
En del av det tidigaste arbetet med halvledarförstärkare kom från Östeuropa. 1922-23 upptäckte den ryske ingenjören Oleg Losev vid Nizhegorod Radio Laboratory i Leningrad att ett särskilt funktionssätt i en punktkontaktzinkit (ZnO)-kristalldiod gav stöd för signalförstärkning upp till 5 MHz. Trots att Losev experimenterade med materialet i radiokretsar i flera år, dog han under belägringen av Leningrad 1942 och kunde inte försvara sin plats i historien. Hans arbete är i stort sett okänt.
Den österrikisk-ungerska fysikern Julius E. Lilienfeld flyttade till USA och lämnade 1926 in ett patent för en ”Method and Apparatus for Controlling Electric Currents” där han beskrev en förstärkningsanordning med tre elektroder som använde kopparsulfidhalvledarmaterial. Lilienfeld anses ha uppfunnit den elektrolytiska kondensatorn, men det finns inga bevis för att han byggde en fungerande förstärkare. Hans patent hade dock tillräckliga likheter med den senare fälteffekttransistorn för att avslå framtida patentansökningar för den strukturen.
Julius E. Lilienfeld (1882-1963), Courtesy of AIP Emilio Segre Visual Archives
Tyska forskare bidrog också till denna tidiga forskning. När han arbetade vid Cambridge University i England 1934 lämnade den tyske elektroingenjören och uppfinnaren Oskar Heil in ett patent på att kontrollera strömflödet i en halvledare via kapacitiv koppling vid en elektrod – i princip en fälteffekttransistor. År 1938 experimenterade Robert Pohl och Rudolf Hilsch med kaliumbromidkristaller med tre elektroder vid universitetet i Gottingen. De rapporterade en förstärkning av lågfrekventa signaler (ca 1 Hz). Ingen av denna forskning ledde till några tillämpningar, men Heil är ihågkommen i audiofila kretsar idag för sin luftrörstransformator som används i högfrekvenshögtalare.
De första transistorerna
På grund av deras dåliga tillförlitlighet och stora energiförbrukning visste ingenjörerna vid American Telephone and Telegraph i slutet av 1930-talet att vakuumrörskretsar inte skulle kunna tillgodose företagets snabbt ökande efterfrågan på ökad kapacitet för telefonsamtal. Bell Laboratories forskningschef Mervin J. Kelly gav William Shockley i uppdrag att undersöka möjligheten att använda halvledarteknik för att ersätta rören.
Med hjälp av förbättrade halvledarmaterial som utvecklats för radardetektorer under kriget experimenterade Shockley i början av 1945 med en fälteffektförstärkare som till konceptet liknade de som Heil och Lilienfeld patenterat, men den fungerade inte som han hade tänkt. Fysikern John Bardeen föreslog att elektroner på halvledarytan kanske blockerade de elektriska fältens inträngning i materialet. Under Shockleys ledning började Bardeen tillsammans med fysikern Walter Brattain att undersöka hur dessa ”yttillstånd” beter sig.”
John Bardeen, William Shockley och Walter Brattain 1948, med tillstånd från Bell Telephone Laboratories
Den 16 december 1947 kulminerade deras forskning i en lyckad halvledarförstärkare. Bardeen och Brattain applicerade två tätt intill varandra liggande guldkontakter som hölls på plats av en plastkil på ytan av en liten platta av högrent germanium. Den 23 december demonstrerade de sin apparat för laboratorietjänstemännen och i juni 1948 tillkännagav Bell Labs offentligt den revolutionerande fasta tillståndsapparaten som de kallade ”transistor”.
För tidigt samma år, när de undersökte ett fenomen som de kallade ”interferens”, tillverkade den tyske fysikern Herbert Mataré och hans kollega Heinrich Welker oberoende av varandra en förstärkare baserad på germanium med två punktkontakter som rörde vid dess yta vid ett Westinghouse-laboratorium i Paris, Frankrike. När de fick kännedom om Bell Labs tillkännagivande ansökte Mataré och Welker om patent på sin egen anordning, som de kallade ”transistron”.
Förbättring av transistorn
Shockley insåg att punktkontaktens struktur hade allvarliga begränsningar, och på grund av yrkesmässig avundsjuka, eftersom han inte ville vara delaktig i upptäckten av den, arbetade Shockley ensam för att utforma en mer tillförlitlig och reproducerbar anordning. Shockleys bipolära junctiontransistor, som introducerades 1952 och som tillverkades av en solid bit halvledarmaterial utan punktkontakter, dominerade branschen under de kommande 30 åren. Alla tre forskarna från Bell Labs fick Nobelpriset i fysik 1956 för sina bidrag.
Under det följande decenniet utvecklades många olika tillverkningsmetoder för att producera snabbare, billigare och allt mer tillförlitliga transistorer. Ett viktigt framsteg 1954 var kiseltransistorn, först av Morris Tanenbaum vid Bell Labs och kort därefter av ett team som leddes av kemisten Willis Adcock vid nystartade Texas Instruments. I slutet av 1950-talet hade kisel blivit industrins föredragna material och TI den dominerande halvledartillverkaren.
Texas Instruments team för kiseltransistorer från 1954: W. Adcock, M. Jones, E. Jackson och J. Thornhill, med tillstånd av Texas Instruments, Inc.
Grundarna av Fairchild Semiconductor, ett nystartat företag i Kaliforniens Silicon Valley, startade sitt företag med utgångspunkten att göra en ännu bättre kiseltransistor. Deras dagliga utmaningar med att utveckla en ny teknik beskrivs i detalj i flera av Fairchilds patentanteckningsböcker i museets samling, särskilt de som skrivits av Gordon Moore och Sheldon Roberts. Samtidigt som ”rymdkapplöpningen” inleddes blev deras introduktion 1958 av en dubbeldiffuserad kiselmesatransistor en stor kommersiell framgång. Tillförlitlighetsproblem som hotade företagets framtid löstes med den schweiziske fysikern Jean Hoernis revolutionerande planära process. Hoernis planarteknik omvandlade inte bara transistortillverkningen från en halvt handgjord verksamhet till automatiserad produktion i stora volymer. Den möjliggjorde också utvecklingen av den moderna integrerade kretsen (IC).
MOS-transistorn
Martin M. Atalla (1924 – 2009), med tillstånd av familjen Atalla
Lilienfelds och Hils idéer och Shockleys misslyckade tidiga experiment bar slutligen frukt 1959 när den egyptiske ingenjören Martin M. (John) Atalla på Bell Labs för att studera halvledarytor byggde den koreanska elektroingenjören Dawon Kahng den första framgångsrika fälteffekttransistorn (FET) som bestod av en smörgås av lager av metall (M – gate), oxid (O – isolering) och kisel (S – halvledare). MOSFET, populärt förkortat MOS, lovade en betydligt mindre, billigare och energisnålare transistor.
Dawon Kahng (1931 – 1992), Courtesy NEC Corporation
Fairchild och RCA introducerade kommersiella MOS-transistorer 1964. Men under det årtionde som det tog att lösa tidiga tillverkningsproblem med MOS-processen hade enskilda transistorer i stort sett ersatts av integrerade kretsar i datorsystem. På lång sikt visade sig MOS-transistorerna vara den mest praktiska metoden för att bygga IC med hög densitet, t.ex. mikroprocessorer och minnen. Nästan 100 % av de miljarder transistorer som tillverkas varje dag är MOS-enheter.
Som med de flesta tekniska utvecklingar följde skapandet av den moderna transistorn det Baconska mönstret att gradvis växa fram ur ”det växande kunskapsbeståndet” som byggts upp av en verkligt internationell skara ingenjörer och vetenskapsmän, snarare än från de ensamma ansträngningarna av en enda heroisk ”uppfinnare”.”
Tilläggsinnehåll
- Halvledarlikriktare patenterade som ”Cat’s Whisker”-detektorer
- Konceptet för fälteffektshalvledare patenterat
- Uppfinningen av punktkontakttransistorn
- Uppfinnandet av junctiontransistorn
- Första växande-Junction Transistors Fabricated
- Silicon Transistors Offer Superior Operating Characteristics
- Invention of the ”Planar” Manufacturing Process
- Metal Oxide Semiconductor (MOS) Transistor Demonstrated