16. joulukuuta 1947 kokeellinen fyysikko Walter Brattain , joka työskenteli teoreetikko John Bardeenin kanssa , kokosi ensimmäisen toimivan pistetransistorin . Kuusi kuukautta myöhemmin, mutta ennen Bardeenin ja Brattainin työn julkaisemista saksalaiset fyysikot Herbert Matareja Heinrich Welkeresitteli Ranskassa kehitetyn pistetransistorin ("transistron") . Joten epäonnistuneista yrityksistä luoda ensin tyhjiötriodin solid-state- analogi ja sitten kenttätransistori syntyi ensimmäinen epätäydellinen pisteen bipolaarinen transistori .
Pistetransistori, jota valmistettiin massatuotantona noin kymmenen vuotta, osoittautui elektroniikan kehityksen umpikujaksi - se korvattiin germanium - tasotransistoreilla. Pn-liitoksen ja tasotransistorin teorian loi vuosina 1948-1950 William Shockley . Ensimmäinen risteystransistori valmistettiin 12. huhtikuuta 1950 sulan kasvulla . Sitä seurasi fuusiotransistori , "sähkökemiallinen" transistori ja diffuusiomesatransistori .
Vuonna 1954 Texas Instruments julkaisi ensimmäisen piitransistorin . Piin märkähapetusprosessin löytäminen mahdollisti ensimmäisten piimesatransistoreiden valmistuksen vuonna 1958 ja maaliskuussa 1959 Jean Ernie loi ensimmäisen piitasotransistorin . Pii syrjäytti germaniumin, ja tasomaisesta prosessista tuli valtavirran transistorien valmistustekniikka ja se mahdollisti monoliittisten integroitujen piirien luomisen .
Zhores Alferovin mukaan , koska A. F. Ioffe oli puolijohdetutkimuksen edelläkävijä, transistorien löytäminen olisi voinut tapahtua Neuvostoliitossa, ellei atomiaseita olisi tarvinnut luoda [1] .
Vuonna 1906 Greenleaf Pickardpatentoi piikideilmaisimen [ 2] . Vuonna 1910 William Eckles havaitsi, että kideilmaisimilla on negatiivinen differentiaalinen resistanssi tietyissä olosuhteissa, ja siksi niitä voidaan käyttää värähtelyjen synnyttämiseen ja signaalien vahvistamiseen [3] . Vuonna 1922 O. V. Losev osoitti mahdollisuuden vahvistaa ja synnyttää sähkömagneettisia värähtelyjä kideilmaisimessa, kun siihen kohdistetaan jatkuva esijännite ( cristadyne-ilmiö ) [3] . Losevin sinkiittidetektori ("kristadiini") pysyi toimintakunnossa 10 MHz :n taajuuksilla [3] . 1920-luvun loppuun mennessä kiteiset ilmaisimet korvattiin tyhjiöputkilla , ja tämän puolijohdefysiikan alan kehitys pysähtyi.
Vuosina 1922-1927 Gröndal ja Geiger keksivät ja ottivat käyttöön kuparioksiditasasuuntaajan , ja 1930-luvulla se korvattiin edistyneemmällä seleenitasasuuntaajalla [4] . Kuten Walter Brattain kirjoitti , analogia kuparioksiditasasuuntaajan ja tyhjiödiodin välillä oli ilmeinen kaikille puolijohteita tutkiville - ja monet heistä ajattelivat, kuinka tasasuuntaajaan liitetään kolmas, ohjauselektrodi ( " grid "), jolloin tasasuuntaaja saadaan. vahvistin [5] . Vuonna 1925 saksalainen fyysikko Julius Lilienfeld jätti ensimmäisen patenttihakemuksen metalli- ja puolijohdekerroksista koostuvasta solid-state-vahvistimesta [6] [7] . Lilienfeld ei kyennyt viemään ehdotustaan edes malliasteelle: hänen projektiaan ei voitu toteuttaa 1920-luvulla perustieteen riittämättömän kehityksen vuoksi [7] . Vuonna 1935 toinen saksalainen fyysikko Oskar Heil patentoi kenttätransistorin toimintaperiaatteen Isossa- Britanniassa . Vuonna 1938 Robert Pohl ja Rudolf Hilsch Göttingenin yliopistosta loivat solid-state "triodin", joka pystyi vahvistamaan hitaasti muuttuvaa tulosignaalia [6] . Paulin vahvistin oli liian hidas, toimi vain korkeissa lämpötiloissa ja siksi sillä ei ollut käytännön kehitystä, eikä Paul itse halunnut tehdä soveltavaa työtä, vaan suosi perustieteitä [8] . Kaikki nämä epäonnistuneet kokeet toistivat jossain määrin tyhjiötriodin suunnittelua . Joten Paulin "triodissa" ohjauselektrodi oli hienosilmäinen metalliverkko, joka ohjasi kenttää kaliumbromidikiteen sisällä [6] . Losev mainitsi vuonna 1939 työnsä puolijohdejärjestelmästä "kolmielektrodijärjestelmästä, joka muistuttaa triodia", mutta nämä julkaisemattomat teokset ovat kadonneet [9] .
Toisen maailmansodan aikana tutkimusbudjetit moninkertaistuivat, mutta Peter Morrisin mukaan puolijohdefysiikassa tehtiin liian vähän. Kaikki merkittävät saavutukset liittyivät sotilaskäskyyn kahdessa suunnassa, joissa tyhjiöputket olivat voimattomia - infrapunasäteilyn havaitsemiseen ja heijastuneen signaalin havaitsemiseen tutkassa [10] . Varhaisten tutkien emitterit toimivat jopa 3 GHz:n taajuuksilla, ja tyhjiodiodiilmaisimien taajuusalue rajoitettiin 400 MHz:iin [4] . Sitä vastoin kontaktipuolijohdeilmaisimet pystyivät korjaamaan tehokkaasti mikroaaltotaajuuksia , joten 1930-luvun lopulla Ison-Britannian, Saksan ja Yhdysvaltojen hallitukset aloittivat massiivisia puolijohteiden parantamisprojekteja. Näiden tutkimusten aikana selvitettiin puolijohteiden perusominaisuuksia ja luotiin perusta niiden valmistusteknologialle, mikä mahdollisti puolijohdelaitteiden massatuotannon [11] .
Vuonna 1936 Bell Labsin tutkimusjohtaja Mervyn Kelly tilasi William Shockleyn tutkimaan mahdollisuuksia rakentaa puolijohdekytkimiä, jotka voisivat lopulta korvata puhelinkeskusten sähkömekaaniset releet [12] . Tutkittuaan Paulin, Ioffen ja Davydovin julkaistuja teoksia [n. 1] ja Brattainin kokeiden tuloksista Shockley päätteli, että oli mahdotonta viedä ohjauselektrodia puolijohderyhmään [13] . Sen sijaan 29. joulukuuta 1939 Shockley muotoili kenttätransistorin toimintaperiaatteen : kahden elektrodin välisen kanavan virtaa tulisi ohjata ulkoisella kentällä, jonka luo kolmas (ohjaus)elektrodi, joka on sijoitettu kanavan ulkopuolelle [13] . ] . Shockley ehdotti puolijohdetriodin rakentamista käyttämällä Davydovin tutkimaa kuparioksidia , mutta ensimmäiset kokeet päättyivät epäonnistumaan, ja sitten Bell Labsin henkilökunta mobilisoitiin ratkaisemaan sotilaallisia sovellettavia ongelmia. Shockley työskenteli vuonna 1940 uraaniprojektin parissa, ja vuodesta 1942 sodan loppuun asti hän osallistui käytännön tutkatehtäviin [n. 2] .
Pieni ydin solid-state fyysikoita , jotka jäivät Bell Labsiin Shockleyn lähdön jälkeen, etsivät materiaaleja mikroaaltotaajuuksien havaitsemiseksi tutkassa [14] . Russell Ohl , sähkökemisti ja radioamatööri , on työskennellyt piiilmaisimien kanssa suuresta lamasta lähtien [15] . Uskoen, että varhaisten ilmaisimien epävakaa käyttäytyminen johtui riittämättömästä puhdistuksesta epäpuhtauksista, Ohl keskittyi piin puhdistus- ja sulatustekniikoihin [16] . Elokuussa 1939 Ohl, John Skaff ja Henry Theuerer suorittivat ensimmäisen sulatuksen heliumilmakehässä [ 16] . Jopa 99,8 % puhdistetusta monikiteisestä piistä valmistetut ilmaisimet olivat melko stabiileja [16] . Jotkut niistä johtivat virtaa yhteen suuntaan (kosketuksesta kiteeseen), toiset toiseen (kiteestä kontaktiin), kun taas tietyn esiintymän napaisuus voitiin määrittää vain kokeellisesti [16] . Olettaen, että johtumissuunta määräytyy vain piin puhdistusasteen perusteella, Ohl kutsui yhtä tyyppiä "puhdistetuksi" ja toista "kaupalliseksi" ( eng. purified and kaupallinen ) [16] .
Lokakuussa 1939 ilmaisimien aihioista löydettiin outo näyte, jonka sähköiset parametrit käyttäytyivät niin epätasaisesti, että lisämittaukset tuntuivat merkityksettömiltä [16] . Vasta 23. helmikuuta 1940 Ohl käytti aikaa tarkistaakseen sen henkilökohtaisesti [17] . Kävi ilmi, että näyte reagoi valoon ja havaitun valosähköisen vaikutuksen aste oli suuruusluokkaa suurempi kuin valosähköinen vaikutus perinteisissä valokennoissa [17] . Näytteen johtavuus ei riippunut pelkästään valaistuksesta, vaan myös lämpötilasta ja kosteudesta [17] . Huolimatta pomonsa vastustuksesta, joka oli ristiriidassa Kellyn kanssa, Ohl osoitti löytönsä 6. maaliskuuta Kellylle ja Walter Brattainille [17] . Brattain arvasi, että valosähköinen vaikutus tapahtuu jossain näkymättömässä esteessä kahden piikerroksen välillä ja että tämän saman esteen pitäisi tasasuuntaa vaihtovirtaa [17] . Siksi johtavuuden mittaus vaihtovirralla antoi selittämättömiä, merkityksettömiä tuloksia [n. 3] .
Pian Skaff ja Ohl kirjaimellisesti näkivät tämän esteen: typpihappoetsaus avasi näkyvän rajan kahden piikerroksen välillä [17] . Skaff ja Ohl antoivat näille kerroksille uudet nimet: "p-type pii" ( englannin sanoista positiivinen , positiivinen) ja "n-tyyppinen pii" (negatiivinen, negatiivinen), riippuen virran suunnasta näistä kerroksista valmistetuissa ilmaisimissa. [17] . Estevyöhykettä kutsutaan pn-liitokseksi [18] . Vähitellen Ohl, Skaff ja Theuerer ymmärsivät, että piin johtavuuden tyyppiä ei määrää sen puhtaus, vaan päinvastoin tyypillisten epäpuhtauksien läsnäolo [18] . Boorialaryhmän kevyemmät elementit olisi pitänyt keskittyä sulatteen ylempään kerrokseen, raskaammat typpialaryhmän - upokkaan keskelle [18] . Itse asiassa p-tyypin piin kemiallinen analyysi paljasti jäämiä boorista ja alumiinista , ja fosforin läsnäolo karkeasti puhdistetussa n-tyypin piissä tuntui jopa ilman instrumentteja - fosfiinia vapautui sellaisen piin käsittelyn aikana [18] .
Henkilökohtaisella tahallisella päätöksellä Kelly luokitteli pn-liitoksen löydön [19] . Bell Labs jakoi mielellään piin näytteitä amerikkalaisten ja brittiläisten kollegoiden kanssa, mutta se oli yksinomaan p-tyypin piitä [19] . Ohl oli henkilökohtaisesti vastuussa siitä, että n-tyypin pii- ja pn-liitokset eivät poistuneet yrityksen seinistä [19] . Shockley sai tietää Ohlin löydöstä vasta 24. maaliskuuta 1945 ja suuri yleisö 25. kesäkuuta 1946, jolloin Ohl ja Skaff saivat patentit vuoden 1940 keksinnöilleen [19] .
Riippumatta amerikkalaisista fyysikoista, V. E. Lashkarev esitteli vuonna 1941 teorian "sulkukerroksesta" ja varauksenkuljettajien ruiskuttamisesta kuparin ja kuparioksidin rajapinnalle. Lashkarev ehdotti, että kuparioksidielementissä lämpöanturin havaitsemat kaksi johtavuustyyppiä erotetaan hypoteettisella siirtymäkerroksella, joka estää sähkövirran. Lashkarevin ja K. M. Kosogonovan teokset ("Estekerrosten tutkiminen lämpöanturimenetelmällä" ja "Epäpuhtauksien vaikutus kuparioksidin venttiilin valosähkövaikutukseen") julkaistiin vuonna 1941 [20] .
Kesäkuussa 1945 Kelly muodosti uudelleen Solid State Departmentin, jota johtivat Shockley ja Stanley Morgan . Ryhmään kuuluivat Brattain, teoreetikko John Bardeen , kokeeilija Gerald Pearson, fyysikko Robert Gibney ja sähköinsinööri Hilbert Moore [21] . Puolijohdenäytteet valmisti William Pfann, John Skaff ja Henry Theuerer [22] . Ryhmä luotti tuolloin valtavan tieteellisen organisaation resursseihin - 1940-luvun lopulla Bell Labsissa työskenteli 5 700 henkilöä, joista noin 2 000 oli sertifioituja ammattilaisia [23] .
Tarkasteltuaan Purduen yliopiston tutkijoiden löydöksiä Shockley rajasi puolijohteiden valinnan kahteen ( germanium ja pii ) ja päätti tammikuussa 1946 keskittyä kenttäefektin käyttöön [ 24] . Kokeet ovat kuitenkin osoittaneet, että todellisessa puolijohteessa kenttävaikutus oli kolme suuruusluokkaa [25] heikompi kuin teoriassa [26] ennustettiin . Bardeen selitti kokeellista tietoa esittämällä hypoteesin pintatiloista, joiden mukaan puolijohteen ja metallielektrodin rajapinnalle muodostuu avaruusvaraus , joka neutraloi ulkoisen kentän toiminnan [26] .
Vuoden 1947 aikana Shockleyn osasto etsi ratkaisua bulkkilatausongelmaan, ja jokainen askel eteni yhä kauemmaksi FET-konseptista. Shockley kirjoitti vuonna 1972, että Bardeenin ansiosta "lopetimme" transistorin valmistuksen". Sen sijaan palasimme periaatteeseen, jota kutsun "käytännön ongelman tieteellisen puolen kunnioittamiseksi" [27] . Marraskuussa 1947 Gibney ehdotti jatkuvan bias-jännitteen kohdistamista "triodille" käyttämällä pisteohjauselektrodia, joka erotettiin puolijohteen massasta elektrolyyttikerroksella [26] . Työ nopeutui dramaattisesti: marras-joulukuussa Bardeen, Gibney ja Brattain testasivat ainakin viittä erilaista "triodin" mallia:
| Brattainin kokeet marras-joulukuussa 1947 [28] | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Kokeilupäivämäärä | Puolijohde | Dielektrinen | Saada | taajuusalue | Bias-jännite [n. neljä] | Huomautuksia | |||
| Jännitteen mukaan | Virran mukaan | Voimalla | Viemärissä ("keräimessä") | "Portilla" ("emitteri") | |||||
| 21. marraskuuta | p-tyypin monikiteinen pii | Tislattu vesi | Ei | Joo | Joo | <10 Hz | positiivinen | positiivinen | "Electrolytic FET", US-patentti 2,524,034 |
| joulukuuta 8 | Monikiteinen n-tyypin germanium | Elektrolyytti GU [noin. 5] | Joo | Ei | Joo | <10 Hz | negatiivinen | negatiivinen | |
| 10. joulukuuta | Monikiteinen n-tyypin germanium p-tyypin pinnalla | Joo | Joo | Joo | <10 Hz | negatiivinen | negatiivinen | ||
| joulukuuta 15 | oksidikalvo | Joo | Ei | Ei | 10 Hz - 10 kHz | positiivinen | negatiivinen | ||
| joulukuuta 16 | Ei | Kyllä [29] | Kyllä [29] | 2 dB [30] | 1 kHz [30] | positiivinen | negatiivinen | Pistetransistorin keksintö. US-patentti 2,524,035 | |
| joulukuuta 23 | 24 dB 1 kHz:llä [31] 20 dB 10 MHz:llä [32] |
Kyllä [32] | 2 dB [31] | Jopa 15 MHz [32] | |||||
Joulukuun 8. päivänä Shockley, Bardeen ja Brattain tulivat siihen tulokseen, että homogeeninen puolijohde oli tarpeen korvata kaksikerroksisella rakenteella, germaniumlevyllä, jonka pinnalle muodostui pn-liitos korkealla läpilyöntijännitteellä [ 33] [29] . Joulukuun 10. päivänä Bardeenin ja Brattainin "elektrolyyttinen triodi" n-tyypin germaniumilla käänteisellä p-tyypin kerroksella osoitti tehonlisäyksen noin 6000 [34] . Se oli sietämättömän hidas jopa äänitaajuuksien vahvistamiseen, joten 12. joulukuuta Bardeen korvasi elektrolyytin ohuella germaniumoksidikalvolla . Kokeilu sinä päivänä päättyi epäonnistuneesti, luultavasti johtuen kalvon vaurioitumisesta germaniumlevyn pesun aikana [35] . Joulukuun 15. päivänä oksidikalvoasennus osoitti kaksinkertaisen jännitteen vahvistuksen taajuusalueella 10 kHz asti [30] . Tämän kokemuksen jälkeen Bardin ehdotti kahden kosketuselektrodin käyttöä - ohjaus (emitteri) ja ohjattu (kollektori). Bardeenin laskelmien mukaan piiri voisi vahvistaa tehoa enintään viiden mikronin (2*10 −4 tuuman) elektrodien etäisyydellä [36] [30] .
15. tai 16. joulukuuta 1947 Brattain rakensi kosketinkokoonpanon muovisesta kolmiomaisesta prismasta , johon liimattiin kultakalvonauha [37] . Leikkaamalla kalvoa varovasti partakoneella Brattain sai keräimen ja emitterin [37] väliin noin 50 mikronia leveän raon [38] [39] . Joulukuun 16. päivänä Brattain painoi kosketinkokoonpanon rakolla germaniumlevyn [40] pintaan ja loi ensimmäisen toimivan pistetransistorin [noin. 6] . 23. joulukuuta 1947 Brattain esitteli kollegoilleen transistorisoitua äänitaajuusvahvistinta , jossa oli 15-kertainen jännitevahvistin [noin. 7] . 10 MHz taajuudella vahvistus oli 20 dB lähtöteholla 25 mW [32] . 24. joulukuuta Brattain esitteli ensimmäisen transistorioskillaattorin [ 32] .
Siten epäonnistuneista yrityksistä luoda kenttätransistorit aloitettiin bipolaaritransistorin kehittäminen [41] . Bell Labsin johto ymmärsi tapahtuman tärkeyden ja vahvisti Shockleyn osastoa asiantuntijoilla ja luokitteli projektin jonkin aikaa [31] . Yleisö sai tietää transistorin keksinnöstä 30. kesäkuuta 1948 transistorin julkisessa esittelyssä New Yorkissa , joka ajoitettiin samaan aikaan Physical Review -julkaisun [22] artikkelien julkaisemisen kanssa . Kuukautta ennen tätä tapahtumaa Bell Labs järjesti salaisen äänestyksen valitakseen uuden instrumentin nimen . Kun Bell Labs on hylännyt liian pitkän "puolijohdetriodin" ( puolijohdetriodi ), itse asiassa virheellisen " pintatilojen triodin" (pintatilojen triodi ) ja käsittämättömän "iotatroni" ( iotatron ), Bell Labs hyväksyi "transistorin" ( transistori ) - englantilaiset . transkonduktanssi ( johtavuus ) tai siirto (siirto) ja varistori ( varistori , ohjattu vastus ) [42] .
Vuonna 1944 saksalainen fyysikko Herbert Matharejoka työskenteli Lubežin luostarin muurien ulkopuolellaMikroaaltoilmaisimien melun vähentämiseksi hän keksi "duoden" - puolijohdetasasuuntaajan kahdella pistekoskettimella [43] . Kun näihin koskettimiin kohdistettiin sama paikallisoskillaattorin esijännite ja vastavaihejännitteet , "duodi" vaimenti paikallisoskillaattorin suurtaajuista kohinaa [43] . Heinrich Welkerin kokeet monikiteisellä germaniumillaja Karl Sailerin silikoni osoitti, että tehokas kohinanvaimennus oli mahdollista, kun molemmat koskettimet oli kytketty samaan puolijohdekiteeseen [43] . Jos koskettimien välinen etäisyys ei ylittänyt 100 mikronia, jännitteen muutos toisessa koskettimessa johti muutokseen toisen koskettimen läpi kulkevassa virrassa [43] . Tammikuussa 1945 Matare pakeni länteen Neuvostoliiton hyökkäystä , sitten amerikkalaiset vangitsivat hänet, mutta hänet vapautettiin pian [43] . Welker jatkoi tutkimusta maaliskuuhun 1945 asti. Shockleysta riippumatta ja hieman häntä edellä Welker keksi kenttätransistorin konseptin - ja myös hänen ensimmäiset kokeilunsa päättyivät epäonnistumiseen [44] .
Vuonna 1946 ranskalaiset ja brittiläiset agentit jäljittivät Welkerin ja Mataran, kuulustelivat heitä Saksan tutkakehityksestä ja tarjosivat heille työtä Westinghousen ranskalaisessa haaratoimistossa, jossa tuolloin kehitettiin germanium-tasasuuntaajien tuotantoa [44] . Molemmat olivat yhtä mieltä: tappiollisessa Saksassa oli mahdotonta harjoittaa tiedettä [44] . Welker ja Matare perustivat laboratorion Aulnay-sous- Boisiin ja aloittivat tasasuuntaajien tuotannon vuoden 1947 loppuun asti [44] . Vuosien 1947 ja 1948 vaihteessa Matare palasi "duodiodin" aiheeseen, ja Welker ryhtyi Mataren pyynnöstä germaniumin puhdistamiseen [44] . Kesäkuussa 1948, ennen Bardeenin ja Brattainin, parannetun "duoden" ja itse asiassa pistetransistorin, keksinnön julkaisua, Matare osoitti vakaan vahvistuksen [44] . Heinäkuussa 1948 Ranskan viestintäministeri Eugene Thomas kiinnostui Mataren ja Welkerin työstä ., hän antoi uudelle laitteelle myös nimen " transistron " ( fr. transistron ) [45] . Toukokuussa 1949 Matare ja Welker ilmoittivat aloittavansa pienimuotoisen transistorien tuotannon pitkän matkan puhelinviestintään [45] .
Vuosina 1948-1951 Bell Labs yritti Pfannin johdolla aloittaa pistetransistoreiden sarjatuotannon käyttämällä käytettävissä olevaa kosketusmikroaaltosäteilyilmaisimien teknologiaa [ 46] . Pfannin menestys johtui sattumasta: kollektorin koskettimien fosforipronssi saastuttaa germaniumin pinnan fosforiatomeilla, jolloin muodostui n-tyypin johtavuussaarekkeita [46] . P-tyyppisiä saaria luoneiden kupariatomien diffuusion merkitys selvensi muutamaa vuotta myöhemmin Calvin Fullerin töissä.[47] . Pfann-transistori oli itse asiassa nelikerroksinen PNPN-rakenne , joka tietyissä olosuhteissa osoitti negatiivista resistanssia , joka on epätavallinen "oikeille" transistoreille [46] . "A-tyypin" transistorin sarjatuotanto alkoi Western Electricissä vuonna 1951, ja huhtikuussa 1952 se saavutti 8400 transistorin tason kuukaudessa [48] . Tuotanto oli työlästä, kallista ja transistorin parametrien toistettavuus oli sietämättömän alhainen [46] . Transistorien käyttäytyminen ei riippunut vain lämpötilasta, vaan myös ilman kosteudesta [48] . Pentagon seurasi tiiviisti tekniikan kehitystä, mutta kieltäytyi ostamasta laitteita epäluotettavilla laitteilla [49] . Huolimatta siitä, että vuonna 1951 pistetransistori oli jo vanhentunut [50] , "tyypin A" tuotanto jatkui lähes kymmenen vuotta [46] , koska myöhemmät transistorit kasvaneilla kiteillä ja seostransistoreilla olivat huonompia kuin "tyypin A" vuonnataajuusominaisuudet. Koko vuosikymmenen ajan Shockleyn mukaan tuotannon menestys riippui "salaperäisestä noituudesta " [51] .
Matare ja Welker aloittivat "transistronien" tuotannon vuonna 1949, ja vuonna 1950 he esittelivät Shockleylle ja Brattainille transistorivahvistimien toiminnan Ranskan ja Algerin välisellä puhelinlinjalla [45] . Amerikkalaiset tulivat varovaisiksi: edistyneen kokoonpanotekniikan ansiosta "transistroneja" pidettiin luotettavampina laitteina [52] . Ranskan hallitus lopetti kuitenkin pian Mataren ja Welkerin tukemisen, ja he palasivat Saksaan [45] . Vuosina 1952-1953 Matare valmisti Jacob Michaelin tuella siellä kokeellisen erän "transistroneja" ja esitteli yleisölle neljän transistorin radiovastaanottimen (ensimmäinen amerikkalainen transistorivastaanotin Regency TR-1 julkaistiin vuotta myöhemmin) [45] . Amerikkalainen yritys Clevite ( Shockley Semiconductor Laboratoryn tuleva omistaja ) osti yrityksen Michaelilta ja rajoitti tuotantoa Saksassa [45] . Matare muutti Yhdysvaltoihin, Welker johti puolijohdetutkimusta Siemensissä [45] .
Vuonna 1949 Elmar Frank ja Jan Tauc valmistivat Tšekin tasavallassa erän toimivia transistoreita vangitusta saksalaisesta germaniumista käyttämällä omaa (amerikkalaisia edistyneempää) menetelmää kontaktien muodostamiseen [53] . Neuvostoliitossa A. V. Krasilov ja S. G. Madoyan loivat ensimmäisen pistetransistorin vuonna 1949, ja ensimmäiset teolliset näytteet otettiin sarjaan vuosina 1950-1952 [54] .
Vuonna 1951 Yhdysvaltain hallitus vaati AT&T :tä lisensoimaan teknologiansa kaikille kiinnostuneille yhdysvaltalaisille yrityksille rojaltivapaasti . Kesään 1952 mennessä 26 amerikkalaista ja 14 ulkomaista yritystä olivat ostaneet lisenssin (niin sanotun "25 000 dollarin kirjan") , mutta heidän yrityksensä toistaa pistetransistori eivät onnistuneet. CBS-Hytron onnistui valmistamaan pistetransistorin massatuotantona vuonna 1951 ja lopetti tuotannon vuotta myöhemmin [56] . Hughes Aircraft yritti epäonnistuneesti valmistaa transistoreita yksittäisistä monikiteisen germaniumin rakeista ja lopulta hylkäsi projektin [53] . Philips sai sotaa edeltäneiden suhteiden Bellin ansiosta lisenssin ennen kilpailijoita, mutta aloitti pistetransistoreiden massatuotannon vasta vuonna 1953, samanaikaisesti edistyneempien seostransistorien kanssa [57] .
Neuvostoliitossa Moskovan kemiantekniikan instituutin jatko-opiskelija Susanna Gukasovna Madoyan suoritti ensimmäisen puolijohdetriodin tutkimustyön NII-160:ssa (nykyinen ydinvoimalaitos Istok ). Transistorin (pisteen) laboratorioasetelma otettiin käyttöön helmikuussa 1949. [58] Pistetransistoreiden (TS1 - TS7) sarjatuotanto aloitettiin vuonna 1953, tasomaisten ( P1 ) - vuonna 1955.
Suurin luova läpimurto ei tullut silloin, kun yritin keksiä transistoria, vaan kun suunnittelin järjestelyä pinta-ilmiöiden kokeille pistetransistoreissa. Yhtäkkiä tajusin, että kokeellinen rakenne oli transistori. Hän oli patentoitu tasotransistoriksi [noin. 8] . Minua masensi se, että tietäen kaiken tähän keksintöön tarvittavan en voinut yhdistää kokonaisuuden osia kokonaiseen vuoteen - kunnes pistetransistorin edessä ilmestyi ärsyttävä aine. - William Shockley, 1972
Alkuperäinen teksti (englanniksi)[ näytäpiilottaa] Tärkein keksinnöllinen läpimurtoni ei tullut silloin, kun yritin keksiä transistoria, vaan suunnitellessani koetta pistekosketustransistorien pintailmiöiden tarkastamiseksi. Yhtäkkiä tajusin, että suunnittelemani rakenne oli itse transistori. Se patentoitiin liitostransistoriksi. Hämmästynyt tajusin, että olin ainakin vuoden tiennyt kaikki keksintöön tarvittavat käsitteet, mutta en ollut koonnut niitä ennen kuin pistekosketustransistori tarjosi haastavan ärsykkeen. [51] .Bardeenin ja Brattainin pistetransistori oli mysteeri sen tekijöille. Oli vain selvää, että keksijät eivät luoneet hypoteettista kenttätransistoria , vaan jotain muuta. Bardeen ja Brattain lähettivät 27. joulukuuta 1947 Physical Review -julkaisuun artikkelin keksinnöstä, jossa selitettiin transistorin toimintaa puolijohteen ihovaikutuksista [59] . Patenttihakemuksessa 26. helmikuuta 1948 he antoivat toisenlaisen selityksen olettaen, että puolijohteen tilavuudessa on este, joka on samanlainen kuin Schottky-sulku puolijohteen ja metallin rajapinnassa [60] . Bo Loekin mukaan kumpikaan selitys ei kestänyt vettä. Missään Bardeenin ja Brattainin käsikirjoituksista ei mainita vähemmistökantajat ja varausinjektio , käsitteitä, joita ilman transistorin käyttäytymistä oli mahdotonta kuvata [61] .
Ratkaisu oli jo kirjoitettu muistiin Shockleyn muistikirjoihin – ensimmäiset luonnokset germaniumin pn-liitoksen teoriasta loi Shockley jo huhtikuussa 1947 [62] [63] . 8. joulukuuta 1947 keskusteltuaan lupaavan "triodin" rakenteesta Bardeenin ja Brattainin kanssa Shockley palasi pn-liitoksiin perustuvan vahvistimen teoreettiseen kehittämiseen [64] . Vuoden 1947 viimeisellä viikolla hän kävi henkisesti läpi monia konfiguraatioita, mutta ne kaikki, mukaan lukien bipolaarinen transistoripiiri , eivät kestäneet kriittistä analyysiä [64] . Vasta tammikuussa 1948 Shockley ymmärsi, että hänen käyttämänsä malli ei ottanut huomioon pienten varauksenkuljettajien ruiskuttamista alustaan [64] . Ruiskutusmekanismin huomioon ottaminen teki mallista täysin toimintakuntoisen. Viimeistään 23. tammikuuta 1948 Shockley laati patenttihakemuksen bipolaariselle transistorille (tuleva US-patentti 2 569 347) [64] ja muotoili ideansa täydelliseksi teoriaksi [65] . Tässä työssä Shockley hylkäsi lopulta yritykset luoda kenttätransistori ja kuvasi laitetta, jota ei vielä ollut olemassa kahdella rinnakkaisella pn-liitoksella - tasomaisen bipolaarisen transistorin . Ensimmäistä kertaa siinä esiintyi sellaisia nyt tuttuja, mutta ei ilmeisiä väitteitä vuonna 1948, kuten tarve emitterin pn-liitoksen suoralle biasille ja kollektoriliitoksen käänteiselle biasille [46] .
26. kesäkuuta 1948 Bell Labs jätti patenttihakemuksen liitostransistorin keksimisestä [62] , mutta sen taustalla oleva teoria julkistettiin vasta vuotta myöhemmin (16.-18.6.1949) - sen jälkeen kun kokeilu vahvisti teorian. [66] . Heinäkuussa 1949 Shockley julkaisi teoriansa Bell System Technical Journal -lehdessä.[67] , ja marraskuussa 1950julkaistiin Shockleyn magnum opus Electrons and Holes in Semiconductor [68] (vuoden 1953 venäjänkielisessä käännöksessä "Theory of Electronic Semiconductors: Applications to the Theory of Transistors" [69] ). Zh. I. Alferovin mukaanShockleyn kirjasta tuli "hakuteos Atlantin molemmin puolin" [70] . On huomattava, että Shockley kuvasi täsmälleen tasotransistorin (transistori pn-liitoksissa, eng. junction transistor ), eikä kukaan ole luonut teoriaa pistetransistorista ja Losevin kristadiinista [71] [9] . Bardeenin ja Brattainin ensimmäisen transistorin fyysinen olemus on edelleen kiistanalainen: on mahdollista, että käytetyn germaniumlevyn todelliset ominaisuudet poikkesivat merkittävästi siitä, mitä kokeilijat olettivat [72] . Tätä on mahdotonta varmistaa, koska alkuperäinen ensimmäinen transistori on kauan sitten kadonnut [72] .
Julkaisu vahvisti Shockleyn kiistattoman auktoriteetin puolijohdefysiikassa ja johti hänet konfliktiin Bardeenin kanssa, joka jätti Bell Labsin vuonna 1951 keskittyäkseen suprajohtavuustutkimukseen [50] . Shockleyn ja Bardeenin suhteet normalisoituivat osittain vasta sen jälkeen, kun Bardeen, Brattain ja Shockley saivat Nobelin fysiikan palkinnon vuonna 1956 [73] . Neljäs pääkeksijä, Robert Gibney, jätti Bell Labsin vuoden 1948 alussa eikä saanut Nobel-palkintoa [59] . Myöhemmin Shockleyn julkinen aktivismi ja tiedotusvälineiden huomio vaikuttivat siihen, että Shockley väitti ottavan kunnian Bardeenin, Brattainin ja muiden saavutuksista . Itse asiassa Shockley toisaalta aina selvensi oman panoksensa laajuutta [74] jättäen itsensä keksijöiden luettelon ulkopuolelle ja mukaan lukien Gibneyn [12] . Shockley puolusti tunnollisesti kollegoidensa oikeuksia, jopa niiden, joista (kuten Robert Noyce ) hän erosi ikuisesti [noin. 9] .
Syyskuussa 1948 [75] kaksi Bell Labsin teknologia, Gordon Teal , tapasivat sattumalta New Yorkin bussissa.ja John Little [76] . Tässä satunnaisessa keskustelussa syntyi ajatus tuottaa monokiteitä "transistori" germaniumista pitkään tunnetulla Czochralskin menetelmällä [76] . Joulukuussa 1949 Teal, Little ja Ernie Buhler rakensivat ensimmäisen kokeellisen laitoksen yksittäiskiteiden vetämiseksi, vielä hyvin pieniä, korkeintaan 50 mm pitkiä ja 10 mm leveitä [76] . Jos n-tyypin kide toimi siemenenä vedettäessä kidettä p-tyypin germaniumsulasta, niin sauvan sisään muodostui sileä pn-liitos [76] . Yksikiteisten puolijohteiden arvo vuonna 1949 ei ollut ilmeinen - Shockley itse vastusti kiteiden kasvua uskoen, että transistori voidaan valmistaa myös korkealaatuisesta mutta edullisesta monikiteisestä materiaalista [77] [78] . Kuitenkin kasvanut pn-liitos mahdollisti Shockleyn teorian kokeellisen todentamisen [76] .
12. huhtikuuta 1950 Morgan Sparkskasvatti kolmikerroksisen NPN-rakenteen Teal-Little -menetelmällä [79] . Ensin sulatuksesta vedettiin ulos matalaresistanssinen n-tyypin kollektorialue [76] . Sitten sulatteeseen heitettiin tabletti akseptoriepäpuhtaudesta , joka liuotettiin sulatteen ohueen pintakerrokseen, jolloin muodostui pohjakerros, jonka paksuus oli 25-100 mikronia. Välittömästi pohjan luomisen jälkeen sulatteeseen heitettiin luovuttajaepäpuhtauden pelletti emitterin douppaamiseksi . Tuloksena saatu kolmikerroksinen NPN-rakenne leikattiin irti kiteestä, sahattiin pitkittäispylväiksi ja syövytettiin hapolla pintavikojen poistamiseksi [80] . Vaikein operaatio oli 50 mikronin kultalangan vastushitsaus 25 mikronin pohjakerroksella - tähän käytettiin tarkkoja mikromanipulaattoreita ja erityistä kulta- galliumseosta . Hitsauksen aikana piihin joutunut galliumepäpuhtaus laajensi pohjan pintaa lähellä olevaa p-kerrosta, mikä esti kollektorin ja emitterin oikosulun [81] . Germaniumilla kasvatettujen liitostransistorien – ensimmäisten täysimittaisten Shockley-kaksinapaisten transistorien – massatuotanto alkoi vuonna 1951 Western Electricissä.
Suuresta liitosalueesta johtuen kasvaneisiin liitoksiin perustuvilla transistoreilla oli huonommat taajuusominaisuudet kuin pisteillä. Mutta samasta syystä kasvaneet transistorit pystyivät läpäisemään monta kertaa suurempia virtoja huomattavasti pienemmällä kohinalla [77] , ja niiden parametrit olivat suhteellisen vakaita - niin paljon, että ne oli mahdollista luetella luotettavasti hakuteoksissa [49] . Syksyllä 1951 Pentagon, joka kieltäytyi ostamasta pistetransistoreja, ilmoitti aloittavansa transistorisointiohjelman, joka lupasi useita säästöjä aluksella olevien laitteiden massassa ja tilavuudessa [82] . Bell Labs vastasi käynnistämällä uuden valmistusohjelman, jonka tavoitteena on tuottaa miljoona transistoria kuukaudessa [49] . Germaniumtransistorien lämpötila-alue oli kuitenkin liian kapea sotilaallisiin tarkoituksiin - amerikkalaisten ohjusten transistosointia lykättiin "korkean lämpötilan" piitransistorien julkaisuun asti [83] .
Sama Teal valmisti ensimmäisen kasvatetun piitransistorin Texas Instrumentsissa huhtikuussa 1954 [84] . Korkean reaktiivisuutensa ja germaniumia korkeamman sulamispisteensä ansiosta piitekniikka jäi 1950-luvulla jäljessä germaniumista. Teal muistutti, että Institute of Radio Engineersin konferenssissa toukokuussa 1954 kollegat kertoivat yksi toisensa jälkeen ylitsepääsemättömistä vaikeuksista työskennellä piin kanssa - kunnes Teal itse esitteli yleisölle toimivan piitransistorin [83] . Kolme seuraavaa vuotta, jolloin Texas Instruments oli ainoa piitransistorien toimittaja maailmassa, teki yrityksestä rikkaan ja teki siitä suurimman puolijohteiden toimittajan [83] .
Vuonna 1950 Hall ja Dunlop ehdottivat pn-liitosten muodostamista fuusion avulla, ja General Electric julkaisi ensimmäiset käytännölliset fuusiotransistorit vuonna 1952 [85] . Tyypillisen PNP-tyyppisen metalliseostransistorin ytimessä oli ohut n-tyypin germaniumlevy, joka toimi pohjana. Nämä levyt seostettiin indium- tai arseenihelmillä ja hehkutettiin sitten noin 600 °C:n lämpötilassa. Oikealla kiekon suunnan valinnalla niihin muodostui tiukasti yhdensuuntaiset epitaksiaaliset kerrokset uudelleenkiteytetystä n-tyypin germaniumista. Pohjan paksuus asetettiin hehkutusajan mukaan. Levy asennettiin rungon kannattimiin happivapaassa ympäristössä ( typpi tai argon ), jonka jälkeen runko hitsattiin ilmatiiviisti. Tiivistys ei voinut korvata pn-liitosten pinnan asianmukaista passivointia , joten seostransistorien parametrit olivat epävakaita ajan myötä [86] . Melkein kaikki seostransistorit valmistettiin germaniumista - metalliseosteknologian toteuttaminen piissä osoittautui liian monimutkaiseksi ja kalliiksi [87] .
Seostransistoreiden p-tyypin ja n-tyypin vyöhykkeiden väliset siirtymät olivat teräviä (porrastettuja), toisin kuin kasvaneiden transistoreiden tasaiset siirtymät. Porrastetun emitteriliitoksen ominaisuuden vuoksi seostransistoreilla oli suurempi virranvahvistus ja ne olivat tehokkaampia kytkimiä digitaalisissa piireissä. Päinvastoin, kollektoriliitoksen porrastettu ominaisuus aiheutti ei-toivottuja ominaisuuksia - korkea Millerin kapasitanssi , kapea taajuusalue (jopa 10 MHz), vahvistimien itseherätys [ 88] . Seostransistorien rajoittava toimintataajuus oli suurempi kuin kasvaneisiin liitoksiin perustuvilla transistoreilla, mutta silti huonompi kuin pistetransistoreilla [87] .
1950-luvun puolivälissä James Earlyehdotti erilaisia vaihtoehtoja epäsymmetrisille metalliseosrakenteille (PNIP, NPIN), mikä mahdollisti taajuusalueen laajentamisen 200 MHz:iin. Ian Rossin mukaan Early oli Shockleyn jälkeen toinen henkilö, joka ehdotti täysin uutta rakennetta transistorille [89] , mutta hän teki sen liian myöhään. 1960-luvun loppuun mennessä Earley-transistorit, jotka olivat kaikilta osin huonompia kuin diffuusiotransistorit, lopetettiin [88] [90] .
Vuonna 1950 Calvin Fullerin johtama Bell Labsin asiantuntijoiden ryhmäaloitti tutkimuksen epäpuhtauksien diffuusiosta germaniumissa kehittääkseen toimenpiteitä kiteiden saastumiselta ei-toivotuilla epäpuhtauksilla. Fullerin työ kehittyi kattavaksi tutkimukseksi diffuusiota kiinteistä ja kaasumaisista väliaineista ja toi sivutuloksen - tehokkaan piiaurinkokennon luomisen [ 47] . Vuoden 1954 alussa Shockley ehdotti Fuller-diffuusiota pn-liitosten muodostamiseksi tietyllä syvyydellä ja epäpuhtauspitoisuusprofiililla [91] .
Maaliskuussa 1955 Shockley, George Daisy ja Charles Lee jättivät patenttihakemuksen diffuusiotransistorin massatuotantoteknologiasta [91] . Tässä prosessissa diffuusiouuniin laitettiin samanaikaisesti massa p-tyypin germaniumista valmistettuja yksikiteisiä pellettejä, tulevia transistoreja. Sitten arseenia diffundoitiin 15 minuutin ajan 800 °C:ssa , mikä muodosti n-tyypin kerroksen (pohjan) tabletin pinnalle. Kunkin tabletin pinnalle levitettiin ohut kerros alumiinia käyttämällä stensiiliä - tulevan emitterin kosketusalustaa. Hehkutuksen aikana alumiiniatomit diffundoituivat germaniumiksi, jolloin pohjan (itse säteilijän) sisään muodostui ohut p-tyyppinen kerros. Sähkökontakti pohjan diffuusiokerroksen sisään piilotettuun kollektoriin luotiin juottamalla kide transistorin runkoon indiumia sisältävällä juotteella . Germaniumiksi diffundoituva indium muutti pohjakerroksen johtavuuden n-tyypistä takaisin p-tyyppiin, "työntäen" pohjakerroksen varovasti ulos juotosalueelta [92] . Litteään pohjaan juotettu tabletti muistutti ulkonäöltään Yhdysvaltojen lounaisosassa yleistä mesaa ( espanjaksi: mesa ), minkä vuoksi tämän tyyppiset transistorit tunnettiin mesa-transistoreina [93] . Daisyn, Leen ja Shockleyn teknologia otettiin tuotantoon Western Electricissä , mutta se ei päässyt avoimille markkinoille - kaikki valmistetut transistorit jaettiin Western Electricin itsensä ja kapealle sotilasasiakkaiden joukolle [93] .
Vuonna 1957 Philips kehitti oman mesa-teknologiansa, niin sanotun "pushed- out base" (POB ) -prosessin . Tässä prosessissa sekä akseptorin (p-tyypin peruskerros) että luovuttajan (n-tyypin emitterikerros) epäpuhtauksien diffuusio tuotettiin seostetuista lyijypisaroista , jotka oli kerrostettu n-tyypin germaniumpelletille. Tämän tyyppisten transistoreiden katkaisuvahvistustaajuus oli jopa 200 MHz, ja niitä käytettiin laajalti ensimmäisissä putkipuolijohdetelevisioissa . POB-tekniikan kaupallinen menestys oli julma vitsi Philipsille: yritys keskittyi germaniumteknologian parantamiseen ja jäi paljon jäljessä sekä amerikkalaisista että Siemensistä piin suhteen [94] .
Vuoden 1955 alussa Karl Froschin diffuusiouunissa, joka työskenteli Bell Labsissa piin diffuusioongelmien parissa, tapahtui vahingossa vedyn välähdys [95] . Osa uunissa olevasta vedystä paloi pois vesihöyryn vapautuessa , kokeellinen piikiekko peitettiin ohuella piidioksidikerroksella [95] . Seuraavien kahden vuoden aikana Frosch ja hänen avustajansa Lincoln Derick Mollin osallistuessa, Fuller ja Holonyak tutkivat yksityiskohtaisesti märkälämpöhapetusprosessia ja toivat sen teolliseen tuotantoon [96] [97] . Toisin kuin tuolloin arvaamaton kuivahapetus happiatmosfäärissä , märkähapetus vesihöyryllä osoittautui helposti toistettavaksi prosessiksi ja tuloksena syntyneet oksidikerrokset olivat tasaisia ja riittävän vahvoja [95] . Ne säilyttivät luotettavasti raskaita seosatomeja (esimerkiksi antimonia ) ja voisivat siksi toimia tehokkaana, lämmönkestävänä maskina epäpuhtauksien selektiiviseen diffuusioon [95] .
Frosch ennakoi selektiivisten oksidimaskien laajan käyttöönoton jo vuonna 1955, mutta pysähtyi yhden askeleen päässä integraatioideasta [95] . Holonyak kirjoitti vuonna 2003, että Froschin löytö "teki kaikki muut diffuusiotekniikat vanhentuneiksi" ja poisti viimeisen esteen integroitujen piirien suunnittelulta [96] . Frosch kuitenkin teki virheen päättäessään, että oksidi ei kyennyt hidastamaan fosforin diffuusiota . Froschin käyttämät ohuet oksidikerrokset pääsivät todellakin fosforiatomien läpi, mutta vuoden 1958 alussa Chi-Tang Sahavaitsi, että riittävän paksu oksidikerros pystyy myös pidättämään fosforin [98] . Tämä virhe viivästytti Jean Herneyn tasotekniikkaa koskevan käytännön työn aloittamista yli vuodella [98] .
Froschin työ pysyi Bell Labsin sisäisenä salaisuutena, kunnes se julkaistiin ensimmäisen kerran Journal of the Electrochemical Society -lehdessä kesällä 1957 [99] . William Shockley, joka lähti Kaliforniaan vuonna 1954 ja erotettiin virallisesti Bell Labsista syyskuussa 1955 [100] , oli kuitenkin varmasti tietoinen Froschin työstä. Shockley pysyi Bell Labsin arvioijana ja konsulttina, ja hän sai säännöllisesti uutisia yhtiön viimeisimmistä töistä ja esitteli niitä työntekijöilleen [101] . Kaksi Bell Labsin tärkeimmistä tekniikoista, joita ei vielä julkaistu vuonna 1956, märkähapetus ja fotolitografia , otettiin pilottituotantoon Shockley Semiconductor Laboratoryssa [101] . The Treacherous Eight , joka jätti Shockleyn perustamaan Fairchild Semiconductorin , vei mukanaan jo toimivaa tietämystä näistä teknologioista [102] .
Elokuussa 1958 Fairchild Semiconductor esitteli Gordon Mooren 2N696:n, ensimmäisen pii-mesatransistorin ja ensimmäisen mesatransistorin, joka myytiin Yhdysvaltain avoimilla markkinoilla [103] . Sen valmistustekniikka erosi olennaisesti Bell Labsin ja Philipsin "tabletti"-prosesseista siinä mielessä, että käsittely suoritettiin kokonaisilla, leikkaamattomilla levyillä käyttämällä fotolitografiaa ja Froschin märkähapetusta [104] . Välittömästi ennen kiekon leikkaamista yksittäisiksi transistoreiksi suoritettiin kiekon syväetsaus ( eng. mesaing ), jolloin mesasaaret (tulevat transistorit) erotettiin syvillä urilla [105] .
Fairchild-tekniikka paransi merkittävästi tuottavuutta, mutta oli aikansa riskialtista: yksittäinen virhe levyjen diffuusio-, pinnoitus- ja syövytysvaiheessa johti koko erän kuolemaan [105] . Fairchild kesti nämä testit ja pysyi lähes puolitoista vuotta ainoana mesa-transistorien toimittajana avoimilla markkinoilla. 2N696 verrataan suotuisasti lähimpiin kilpailijoihinsa ( Texas Instrumentsin metalliseostransistorit ) korkeamman tehon ja hyvän nopeuden yhdistelmällä digitaalisissa piireissä, ja siksi siitä tuli jonkin aikaa amerikkalaisen sotilasteollisuuden kompleksin "universaalitransistori" [106] . Laskennassa 2N696 ei toiminut yhtä hyvin pitkän poiskytkentäajan vuoksi [107] . Marraskuussa 1958 - tammikuussa 1959 Jean Ernie löysi ratkaisun ongelmaan - seosti keräilijöitä kullalla [108] . Ernien ratkaisu oli täysin epälooginen, uskomaton: aiemmin uskottiin, että kulta "tappaa" transistorin vahvistuksen [109] . Ernien kultaseostetuilla PNP-transistoreilla, jotka lanseerattiin vuoden 1959 alussa, oli kuitenkin jatkuvasti korkea vahvistus, ne ylittivät nopeudeltaan germaniumtransistorit, ja ne pysyivät kilpailijoiden ulottumattomissa 1960-luvun puoliväliin asti [110] . Fairchildistä tuli alan ehdoton johtaja, ohittaen Texas Instrumentsin, ja hän piti johtoasemaa heinäkuuhun 1967 asti [111] .
Mesa-teknologia antoi kehittäjille ennennäkemättömän joustavuuden pn-liitosten ominaisuuksien määrittelyssä ja mahdollisti sallitun kollektorijännitteen nostamisen useisiin kilovoltteihin [112] ja toimintataajuuden 1 GHz:iin [113] , mutta sillä oli myös kohtalokkaita haittoja. Se ei sallinut vastusten muodostamista, joten se ei sovellu integroitujen piirien valmistukseen [114] . Paksuilla kollektorikerroksilla oli korkea ohminen vastus ja sen seurauksena impulssivasteet kaukana optimaalisesta [115] . Suurin ongelma mesa-transistoreissa oli, että kollektorin pn-liitoksen lähtö mesan pelkkään "seinään" ei ollut suojattu epäpuhtauksilta - tämän seurauksena mesatransistorien luotettavuus oli huonompi kuin niitä edeltäneiden seostransistorien. [114] . Mikroskooppiset hiukkaset, joita sähkökenttä veti puoleensa kiteen, ohittivat kollektoriliitoksen ja pienensivät vahvistus- ja läpilyöntijännitettä. Moore muistutti, että kun käänteinen jännite kohdistettiin kollektoriin, nämä vuotovirran lämmittämät hiukkaset kirjaimellisesti hehkuivat [116] . Mesan seinämiä oli mahdotonta suojata oksidikerroksella, koska hapettuminen vaati kuumennusta lämpötiloihin, jotka ylittivät kosketuslevyjen alumiinin sulamislämpötilan.
Jo 1. joulukuuta 1957 Ernie ehdotti Robert Noycelle tasomaista prosessia , lupaavaa mesa-teknologian korvaamista. Ernien mukaan tasorakenne olisi pitänyt muodostaa kahdella peräkkäisellä diffuusiolla, luoden ensin pohjakerros ja sitten siihen upotettu emitterikerros. Kollektori- ja emitteriliitosten ulostulot kiteen yläpinnalle eristettiin ulkoisesta väliaineesta "likaisella" oksidikerroksella, joka toimi maskina toiselle (emitteri) diffuusiolle [102] . Tämä Ernien ehdotus, samoin kuin kullan seostaminen, olivat ristiriidassa tuolloin yleisesti hyväksytyn mielipiteen kanssa [117] . Fuller, Frosch ja muut Bell Labsin insinöörit uskoivat, että "likainen" oksidi valmiissa transistorissa ei ollut hyväksyttävissä, koska epäpuhtausatomit tunkeutuisivat väistämättä oksidista piihin, mikä rikkoisi määritettyä pn-liitosprofiilia [117] . Ernie osoitti, että tämä mielipide oli virheellinen: edeltäjät eivät ottaneet huomioon, että diffuusion aikana epäpuhtaus ei vain tunkeudu syvälle kiteen, vaan myös leviää sivusuunnassa oksidimaskin alla [118] . Maskin limitys todellisen (piilotetun) pn-liitoksen yli on riittävän suuri, joten diffuusio oksidista kiteeseen voidaan jättää huomiotta [118] .
Seuraavien kuuden kuukauden aikana Ernie ja Noyce eivät palanneet tasomaiseen teemaan [119] . Riordanin mukaan viivästys johtui Fairchildin litografisen prosessin epätäydellisyydestä: vuosien 1957-1958 tekniikka ei sallinut neljää valokuvalitografiaa ja kahta diffuusiota hyväksyttävällä tuotolla , joten Ernie ja Noyce eivät palanneet tasoteemaan seuraavassa. kuusi kuukautta [119] . Toukokuussa 1958 he saivat tietää, että Martin Attala Bell Labsista työskenteli myös oksidikerroksen passivoinnissa [120] . Ernie, joka ei halunnut luovuttaa aloitetta kilpailijoille, otti tasodiodin, ja tammikuusta 1959 lähtien hän keskittyi tasomaisen NPN-transistorin - 2N696:n seuraajan - valmistukseen [120] . 2. maaliskuuta 1959 Ernie loi ensimmäisen kokeellisen tasotransistorin [121] . 12. maaliskuuta 1959 mennessä Ernie oli vakuuttunut siitä, että uusi laite oli nopeampi kuin mesa-transistorit, sillä oli tuhat kertaa pienemmät vuotovirrat ja että se oli samalla luotettavasti suojattu vierailta hiukkasilta [122] .
Arjun Saxenan mukaan viivästymiseen oli myös perustavanlaatuinen syy. Carl Froschin töiden mukaan oksidikerros ei voinut toimia peitteenä valon fosforiatomien diffuusiolle – nimittäin Ernie tarvitsi fosforia toiseen, emitteriin, diffuusioon [98] . 2. maaliskuuta 1959 (tai muutamaa päivää myöhemmin) Ernien entinen kollega Shockley Chi-Tan Sassakertoi Ernielle ja Noycelle diffuusiokokemuksestaan [98] . Kävi ilmi, että riittävän paksu oksidikerros voi tehokkaasti hidastaa fosforin diffuusiota [98] . Tämä tieto stimuloi Ernien toimintaa maaliskuun 1959 ensimmäisellä puoliskolla [98] .
Moore ja Noyce, jotka itse asiassa johtivat Fairchildia [noin. 10] , päätti siirtyä tasotekniikkaan, mutta sarjaksi käynnistäminen osoittautui odottamattoman vaikeaksi [123] . Fairchild julkaisi ensimmäiset massatuotetut 2N1613-tasotransistorit vasta huhtikuussa 1960 [124] . 26. toukokuuta 1960 Jay Last , joka työskenteli Fairchildille, loi ensimmäisen tasomaisen integroidun piirin Noycen [125] ideoiden pohjalta , ja lokakuussa 1960 Fairchild ilmoitti luopuvansa kokonaan mesatransistoreista [126] . Siitä lähtien tasoprosessi on ollut tärkein tapa valmistaa transistoreita ja itse asiassa ainoa tapa valmistaa integroituja piirejä [127] .
Bipolaaristen transistorien parantaminen jatkui kahteen suuntaan - toimintataajuuden (kytkentänopeuden) kasvuun ja tehohäviön lisääntymiseen [128] . Nämä kaksi tavoitetta vaativat kehittäjiltä toisensa poissulkevia teknisiä ratkaisuja: toiminta korkeilla taajuuksilla edellyttää vähimmäisliitospinta-alaa ja vähimmäispohjan paksuutta, kun taas käyttö suurilla virroilla vaatii päinvastoin suuren liitosalueen [128] . Siksi 1960-luvulla teho- ja suurtaajuuslaitteet kehittyivät itsenäisesti [128] . Vuonna 1961 Ernien Seymour Craylle suunnittelemat Fairchild 2N709 piitransistorit ylittivät kytkentänopeudeltaan germaniumtransistorit ensimmäistä kertaa [129] . 1960-luvun loppuun mennessä kokeelliset transistorit saavuttivat 10 GHz:n toimintataajuudet, mikä vastaa parhaiden mikroaaltoputkien nopeutta [113] .
Varhaisten transistoreiden johtama teho ei ylittänyt 100 mW [128] . Vuonna 1952 luotiin ensimmäinen "tehotransistori", jonka häviöteho oli 10 wattia. Se oli tavallinen germaniumseoksesta valmistettu transistori, juotettu kuparipohjaan, joka oli kiinnitetty massiiviseen jäähdytyselementtiin [130] . Vuonna 1954 kehitettiin 20 watin transistori, jonka maksimikollektorivirta oli 1 A [130] . Näiden transistorien rajoitusvahvistustaajuus ei ylittänyt 100 kHz, ja kiteen käyttölämpötila oli 80°C [130] . Käyttövirta ja vahvistus olivat alhaiset johtuen alhaisesta, noin 30 ohmin kantaresistanssista [130] .
1950-luvun lopulla suuritehoisten transistorien kehittäjät siirtyivät diffuusiotekniikoihin ja luopuivat germaniumista piin hyväksi, joka voi toimia jopa 150 °C:n lämpötiloissa [131] . Vuonna 1963 ilmestyi ensimmäinen epitaksiaalinen tehotransistori, jonka kantaresistanssi oli noin 1 Ω, mikä mahdollisti 10 A:n tai suurempien virtojen ohjauksen [130] . Vuonna 1965 RCA julkaisi ensimmäisen moniemitteritransistorin mosaiikkitopologialla [130] , samana vuonna ilmestyi tehomesatransistorit, joiden sallittu jännite oli 1 kV [131] . Vuonna 1970 kokeellisten suuritehoisten transistorien toimintataajuus saavutti 2 GHz tehohäviön ollessa 100 W [131] . Samaan aikaan 1960-luvun lopulla ja 1970-luvun alussa aloitettiin siirtyminen kokonaan metallisista koteloista ( TO3 , TO36, TO66) muovikoteloihin ( TO220 ja analogit) [113] .
Samanaikaisesti kaksinapaisen transistorin parantamisen kanssa jatkettiin kenttätransistoreiden kehittämistä [132] . Kymmenen vuoden ajan (1948-1958) se pysyi tehottomana sopivien eristeiden puutteen vuoksi [132] . Sitten tapahtumat kiihtyivät jyrkästi. Vuonna 1958 Stanislav Tezner valmisti General Electricin "Technitron" ( Technitron ) ranskalaisessa haarassa - ensimmäisen massatuotetun seostetun kenttätransistorin [132] . Se oli epätäydellinen germaniumlaite, jolle oli tunnusomaista korkeat vuotovirrat ja ominaiskäyrän pieni kaltevuus [132] . Vuonna 1959 RCA julkaisi kadmiumsulfidi - ohutkalvo-FET:n [132] . Vuonna 1960 amerikkalainen Crystalonics julkaisi sarjamuotoisen pn-liitoksen metalliseoksesta valmistetun kenttätransistorin , jonka kohinataso on alhaisempi kuin bipolaaristen transistorien. Vuonna 1962 Texas Instruments julkaisi ensimmäisen pn-liitoksen taso - FET:n.
Tärkeimmät tapahtumat, kuten kymmenen vuotta aiemmin, tapahtuivat Bell Labsin seinien sisällä. Vuonna 1959 Martin Attala ehdotti FET-porttien kasvattamista piidioksidista; tämän tyyppisiä laitteita kutsutaan MOS-rakenteiksi [132] . Samana vuonna Attala ja Dion Kang loivat ensimmäisen toimivan MOSFETin [133] . Keksintö ei kiinnostanut Bellin johtoa, mutta RCA ja Fairchild alkoivat aktiivisesti kokeilla MOS-tekniikkaa jo vuonna 1960, ja vuonna 1962 RCA valmisti ensimmäisen kokeellisen MOS-sirun, jossa oli kuusitoista transistoria [133] . Vuonna 1963 Chin-Tang Saja Frank Wanlaceehdotettu täydentävä MOS-piiri [134] . Ensimmäiset massatuotetut RCA- ja Fairchild MOSFETit tulivat markkinoille vuonna 1964, samana vuonna General Microelectronics julkaisi ensimmäisen MOS-piirin, 1970-luvulla MOS-piirit valloittivat muistisiru- ja mikroprosessorimarkkinat ja 2000-luvun alussa MOS-mikrosirut saavuttivat 99 % tuotettujen integroitujen piirien (IC) kokonaismäärästä [133] .
Shockley, W. Pn-liitosten teoria puolijohteissa ja pn-liitostransistoreissa // The Bell System Technical Journal. - 1949. - Voi. 28. - s. 435-48. Arkistoitu alkuperäisestä 21. heinäkuuta 2013.
Alferov, Zh. I. Skolkovon menestys voidaan saavuttaa, jos tiede alkaa jälleen kehittyä maassa . Neuvosto-Venäjä (29. huhtikuuta 2011). Haettu 20. maaliskuuta 2012. Arkistoitu alkuperäisestä 5. elokuuta 2012.
