ใครสร้างทรานซิสเตอร์ตัวแรก? คำถามนี้ทำให้หลายคนกังวล สิทธิบัตรฉบับแรกสำหรับหลักการทรานซิสเตอร์ภาคสนามได้รับการยื่นฟ้องในแคนาดาโดยนักฟิสิกส์ชาวออสเตรีย-ฮังการี Julius Edgar Lilienfeld เมื่อวันที่ 22 ตุลาคม พ.ศ. 2468 แต่ลิเลียนเฟลด์ไม่ได้ตีพิมพ์เอกสารทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับอุปกรณ์ของเขา และงานของเขาถูกละเลยโดยอุตสาหกรรม ดังนั้นทรานซิสเตอร์ตัวแรกของโลกจึงจมลงไปในประวัติศาสตร์ ในปี 1934 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน Dr. Oskar Heil ได้จดสิทธิบัตร FET อีกตัวหนึ่ง ไม่มีหลักฐานโดยตรงว่าอุปกรณ์เหล่านี้ถูกสร้างขึ้น แต่งานในช่วงทศวรรษ 1990 แสดงให้เห็นว่าหนึ่งในการออกแบบของ Lilienfeld ทำงานตามที่อธิบายไว้และให้ผลลัพธ์มากมาย ปัจจุบัน เป็นที่ทราบกันดีและเป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่า William Shockley และผู้ช่วยของเขา Gerald Pearson ได้สร้างเครื่องมือในเวอร์ชันที่ใช้งานได้จากสิทธิบัตรของ Lilienfeld ซึ่งแน่นอนว่าไม่เคยถูกกล่าวถึงในเอกสารทางวิทยาศาสตร์ฉบับหลังๆ หรือบทความทางประวัติศาสตร์ใดๆ แน่นอนว่าคอมพิวเตอร์ที่ใช้ทรานซิสเตอร์เครื่องแรกนั้นถูกสร้างขึ้นในภายหลังมาก
เบลล่าแล็บ
Bell Labs ทำงานเกี่ยวกับทรานซิสเตอร์ที่สร้างขึ้นเพื่อผลิตไดโอดผสมเจอร์เมเนียม "คริสตัล" ที่บริสุทธิ์อย่างยิ่ง ซึ่งใช้ในการติดตั้งเรดาร์โดยเป็นส่วนหนึ่งของเครื่องผสมความถี่ ขนานไปกับโครงการนี้ มีอีกมากมาย รวมทั้งทรานซิสเตอร์เจอร์เมเนียมไดโอด วงจรที่ใช้หลอดในช่วงแรกไม่มีความสามารถในการสลับอย่างรวดเร็ว และทีม Bell ใช้ไดโอดแบบโซลิดสเตตแทน คอมพิวเตอร์ทรานซิสเตอร์เครื่องแรกทำงานบนหลักการที่คล้ายกัน
สำรวจ Shockley เพิ่มเติม
หลังสงคราม ช็อคลีย์ตัดสินใจลองสร้างอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่มีลักษณะคล้ายไตรโอด เขาจัดหาเงินทุนและพื้นที่ห้องปฏิบัติการ จากนั้นจึงแก้ไขปัญหากับบาร์ดีนและแบรทเทน ในที่สุด John Bardeen ได้พัฒนาสาขาใหม่ของกลศาสตร์ควอนตัมที่รู้จักกันในชื่อฟิสิกส์พื้นผิวเพื่ออธิบายความล้มเหลวในช่วงแรกของเขา และในที่สุดนักวิทยาศาสตร์เหล่านี้ก็ประสบความสำเร็จในการสร้างอุปกรณ์ที่ใช้งานได้ในที่สุด
กุญแจสำคัญในการพัฒนาทรานซิสเตอร์คือการทำความเข้าใจเพิ่มเติมเกี่ยวกับกระบวนการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในเซมิคอนดักเตอร์ ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าหากมีวิธีการควบคุมการไหลของอิเล็กตรอนจากอีซีแอลไปยังตัวเก็บประจุของไดโอดที่ค้นพบใหม่นี้ (ค้นพบในปี พ.ศ. 2417 จดสิทธิบัตรในปี พ.ศ. 2449) สามารถสร้างเครื่องขยายเสียงได้ ตัวอย่างเช่น หากคุณวางหน้าสัมผัสที่ด้านใดด้านหนึ่งของคริสตัลชนิดหนึ่ง จะไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน
อันที่จริงมันกลับกลายเป็นว่าทำยากมาก ขนาดคริสตัลจะต้องมีค่าเฉลี่ยมากกว่า และจำนวนของอิเล็กตรอน (หรือรู) ที่คาดว่าจะต้อง "ฉีด" นั้นมีขนาดใหญ่มาก ซึ่งจะทำให้มีประโยชน์น้อยกว่าแอมพลิฟายเออร์เนื่องจากต้องใช้กระแสฉีดขนาดใหญ่ อย่างไรก็ตาม แนวคิดทั้งหมดของคริสตัลไดโอดก็คือตัวคริสตัลเองนั้นสามารถกักเก็บอิเล็กตรอนไว้ได้ในระยะทางสั้น ๆ ในขณะที่ใกล้จะหมดลง เห็นได้ชัดว่ากุญแจสำคัญคือการทำให้พินอินพุตและเอาต์พุตอยู่ใกล้กันมากบนพื้นผิวของคริสตัล
งานของ Bratten
Bratten เริ่มทำงานบนอุปกรณ์ดังกล่าว และคำใบ้ของความสำเร็จยังคงปรากฏอย่างต่อเนื่องในขณะที่ทีมแก้ไขปัญหา การประดิษฐ์เป็นงานหนัก บางครั้งระบบทำงานได้ แต่เกิดความล้มเหลวอื่นขึ้น บางครั้งผลงานของ Bratten ก็เริ่มทำงานในน้ำโดยไม่คาดคิด เนื่องจากมีค่าการนำไฟฟ้าสูง อิเล็กตรอนในส่วนใดส่วนหนึ่งของผลึกจะเคลื่อนตัวเนื่องจากประจุในบริเวณใกล้เคียง อิเล็กตรอนในตัวปล่อยหรือ "รู" ในตัวสะสมสะสมโดยตรงที่ด้านบนของคริสตัล ซึ่งพวกมันได้รับประจุตรงข้าม "ลอย" ในอากาศ (หรือน้ำ) อย่างไรก็ตาม พวกเขาสามารถผลักพวกมันออกจากพื้นผิวได้โดยใช้ประจุเพียงเล็กน้อยจากที่อื่นบนคริสตัล แทนที่จะต้องใช้อิเลคตรอนจำนวนมาก ตัวเลขที่น้อยมากในตำแหน่งที่ถูกต้องบนชิปจะทำสิ่งเดียวกัน
ประสบการณ์ใหม่ของนักวิจัยช่วยไขได้ในระดับหนึ่งปัญหาที่พบก่อนหน้านี้ของพื้นที่ควบคุมขนาดเล็ก แทนที่จะต้องใช้เซมิคอนดักเตอร์แยกกันสองตัวที่เชื่อมต่อกันด้วยพื้นที่ทั่วไปแต่มีขนาดเล็ก จะมีการใช้พื้นผิวขนาดใหญ่เพียงพื้นผิวเดียว เอาต์พุตของอีซีแอลและคอลเลคเตอร์จะอยู่ที่ด้านบน และลวดควบคุมจะอยู่ที่ฐานของคริสตัล เมื่อกระแสถูกนำไปใช้กับขั้ว "ฐาน" อิเล็กตรอนจะถูกผลักผ่านบล็อกเซมิคอนดักเตอร์และรวบรวมบนพื้นผิวไกล ตราบใดที่ตัวปล่อยและตัวสะสมอยู่ใกล้กันมาก สิ่งนี้จะต้องให้อิเล็กตรอนหรือรูเพียงพอระหว่างพวกมันเพื่อเริ่มดำเนินการ
เข้าร่วมเบรย์
พยานเบื้องต้นของปรากฏการณ์นี้คือราล์ฟ เบรย์ นักศึกษาบัณฑิตน้อย เขาเข้าร่วมการพัฒนาทรานซิสเตอร์เจอร์เมเนียมที่มหาวิทยาลัย Purdue ในเดือนพฤศจิกายน พ.ศ. 2486 และได้รับมอบหมายให้วัดความต้านทานการรั่วซึมของหน้าสัมผัสเซมิคอนดักเตอร์โลหะ เบรย์พบความผิดปกติหลายอย่าง เช่น อุปสรรคความต้านทานสูงภายในในตัวอย่างเจอร์เมเนียมบางชนิด ปรากฏการณ์ที่น่าสงสัยที่สุดคือความต้านทานต่ำเป็นพิเศษที่สังเกตได้เมื่อใช้พัลส์แรงดันไฟฟ้า ทรานซิสเตอร์โซเวียตตัวแรกได้รับการพัฒนาบนพื้นฐานของการพัฒนาของอเมริกา
ความก้าวหน้า
16 ธันวาคม พ.ศ. 2490 ใช้จุดสัมผัสสองจุด สัมผัสพื้นผิวเจอร์เมเนียมที่ชุบผิวเป็นเก้าสิบโวลต์ อิเล็กโทรไลต์ถูกล้างเป็น H2O จากนั้น ทองคำบางส่วนตกลงมาบนจุดนั้น หน้าสัมผัสสีทองถูกกดลงบนพื้นผิวที่เปลือยเปล่า กองระหว่างจุดมีขนาดประมาณ 4 × 10-3 ซม. จุดหนึ่งถูกใช้เป็นตารางและอีกจุดหนึ่งเป็นจาน ส่วนเบี่ยงเบน (DC) บนกริดต้องเป็นค่าบวกเพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นทั่วทั้งแผ่นอคติประมาณสิบห้าโวลต์
การประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์ตัวแรก
มีคำถามมากมายเกี่ยวกับประวัติของกลไกอัศจรรย์นี้ บางคนคุ้นเคยกับผู้อ่าน ตัวอย่างเช่น: ทำไมทรานซิสเตอร์ตัวแรกของประเภท PNP ของสหภาพโซเวียตถึงเป็น? คำตอบสำหรับคำถามนี้อยู่ในความต่อเนื่องของเรื่องราวทั้งหมดนี้ Bratten และ H. R. Moore ได้แสดงต่อเพื่อนร่วมงานและผู้จัดการหลายคนที่ Bell Labs ในช่วงบ่ายของวันที่ 23 ธันวาคม 1947 ว่าพวกเขาบรรลุผลสำเร็จ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมวันนี้จึงมักถูกเรียกว่าวันเกิดของทรานซิสเตอร์ ทรานซิสเตอร์เจอร์เมเนียมแบบสัมผัส PNP ทำงานเป็นเครื่องขยายสัญญาณเสียงพูดที่มีกำลังรับ 18 นี่คือคำตอบสำหรับคำถามที่ว่าทำไมทรานซิสเตอร์ตัวแรกของสหภาพโซเวียตจึงเป็นประเภท PNP เพราะซื้อมาจากชาวอเมริกัน ในปี 1956 John Bardeen, W alter Houser Bratten และ William Bradford Shockley ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์สำหรับการวิจัยเกี่ยวกับเซมิคอนดักเตอร์และการค้นพบเอฟเฟกต์ทรานซิสเตอร์
สิบสองคนได้รับการยกย่องว่ามีส่วนเกี่ยวข้องโดยตรงกับการประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์ที่ Bell Labs
ทรานซิสเตอร์ตัวแรกในยุโรป
ในขณะเดียวกัน นักวิทยาศาสตร์ชาวยุโรปบางคนก็ตื่นเต้นกับแนวคิดของเครื่องขยายเสียงแบบโซลิดสเตต ในเดือนสิงหาคม ค.ศ. 1948 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อ Herbert F. Matare และ Heinrich Welker ซึ่งทำงานที่ Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse ใน Aulnay-sous-Bois ประเทศฝรั่งเศส ยื่นขอสิทธิบัตรสำหรับเครื่องขยายเสียงโดยอิงจากส่วนน้อยที่เรียกว่า "ทรานซิสเตอร์" เนื่องจาก Bell Labs ไม่ได้เผยแพร่ทรานซิสเตอร์จนถึงเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2491 ทรานซิสเตอร์จึงถูกพิจารณาว่าพัฒนาขึ้นอย่างอิสระ ครั้งแรกที่ Mataré สังเกตเห็นผลกระทบของการคอนดักเตอร์ในการผลิตซิลิคอนไดโอดสำหรับอุปกรณ์เรดาร์ของเยอรมันในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง ทรานซิสเตอร์ถูกผลิตขึ้นในเชิงพาณิชย์สำหรับบริษัทโทรศัพท์ของฝรั่งเศสและการทหาร และในปี 1953 วิทยุโซลิดสเตตสี่ทรานซิสเตอร์ก็ได้แสดงที่สถานีวิทยุในดึสเซลดอร์ฟ
Bell Telephone Laboratories ต้องการชื่อสำหรับการประดิษฐ์ใหม่: Semiconductor Triode, Tried States Triode, Crystal Triode, Solid Triode และ Iotatron ล้วนได้รับการพิจารณา แต่ "ทรานซิสเตอร์" ที่ก่อตั้งโดย John R. Pierce เป็นผู้ชนะที่ชัดเจนของ การลงคะแนนภายใน (ส่วนหนึ่งต้องขอบคุณวิศวกรของ Bell ที่พัฒนาขึ้นสำหรับคำต่อท้าย "-historic" บางส่วน)
สายการผลิตทรานซิสเตอร์เชิงพาณิชย์แห่งแรกของโลกอยู่ที่โรงงาน Western Electric ที่ Union Boulevard ในเมือง Allentown รัฐเพนซิลเวเนีย เริ่มการผลิตเมื่อวันที่ 1 ตุลาคม พ.ศ. 2494 ด้วยทรานซิสเตอร์เจอร์เมเนียมแบบสัมผัสจุด
สมัครต่อไป
จนถึงต้นทศวรรษ 1950 ทรานซิสเตอร์นี้ถูกใช้ในการผลิตทุกประเภท แต่ก็ยังมีปัญหาสำคัญที่ทำให้ไม่สามารถใช้งานในวงกว้างได้ เช่น ความไวต่อความชื้นและความเปราะบางของสายไฟที่ติดกับผลึกเจอร์เมเนียม
ชอคลีย์มักถูกกล่าวหาการลอกเลียนแบบเนื่องจากงานของเขาใกล้เคียงกับงานของวิศวกรชาวฮังการีผู้ยิ่งใหญ่ แต่ไม่รู้จัก แต่ทนายของ Bell Labs ได้แก้ไขปัญหาอย่างรวดเร็ว
อย่างไรก็ตาม Shockley โกรธเคืองจากการโจมตีจากนักวิจารณ์และตัดสินใจที่จะแสดงให้เห็นว่าใครคือสมองที่แท้จริงของมหากาพย์อันยิ่งใหญ่ของการประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์ เพียงไม่กี่เดือนต่อมา เขาได้คิดค้นทรานซิสเตอร์ชนิดใหม่ทั้งหมดที่มี "โครงสร้างแซนวิช" ที่แปลกประหลาดมาก รูปแบบใหม่นี้มีความน่าเชื่อถือมากกว่าระบบสัมผัสจุดสัมผัสที่เปราะบาง และรูปแบบนี้ก็ได้ถูกนำมาใช้ในทรานซิสเตอร์ทั้งหมดในปี 1960 ในไม่ช้ามันก็พัฒนาเป็นอุปกรณ์แยกขั้วสองขั้ว ซึ่งกลายเป็นพื้นฐานสำหรับทรานซิสเตอร์สองขั้วตัวแรก
อุปกรณ์เหนี่ยวนำไฟฟ้าสถิตซึ่งเป็นแนวคิดแรกของทรานซิสเตอร์ความถี่สูง ถูกคิดค้นโดยวิศวกรชาวญี่ปุ่น Jun-ichi Nishizawa และ Y. Watanabe ในปี 1950 และในที่สุดก็สามารถสร้างต้นแบบทดลองได้ในปี 1975 เป็นทรานซิสเตอร์ที่เร็วที่สุดในทศวรรษ 1980
การพัฒนาเพิ่มเติมรวมถึงอุปกรณ์ขยายคู่ ทรานซิสเตอร์กั้นพื้นผิว การแพร่กระจาย เทโทรด และเพนโทด "ทรานซิสเตอร์เมซา" แบบกระจายซิลิคอนได้รับการพัฒนาในปี พ.ศ. 2498 ที่เบลล์ และมีจำหน่ายในเชิงพาณิชย์จากแฟร์ไชลด์ เซมิคอนดักเตอร์ในปี พ.ศ. 2501 สเปซเป็นทรานซิสเตอร์ประเภทหนึ่งที่พัฒนาขึ้นในทศวรรษ 1950 โดยมีการปรับปรุงเหนือทรานซิสเตอร์แบบสัมผัสจุดและทรานซิสเตอร์อัลลอยด์รุ่นต่อมา
ในปี 1953 ฟิลโก้ได้พัฒนาพื้นผิวความถี่สูงเครื่องแรกของโลกอุปกรณ์กั้นซึ่งเป็นทรานซิสเตอร์ตัวแรกที่เหมาะสำหรับคอมพิวเตอร์ความเร็วสูง วิทยุติดรถยนต์ที่ใช้ทรานซิสเตอร์แบบแรกของโลกที่ผลิตโดย Philco ในปี 1955 ใช้ทรานซิสเตอร์ที่มีพื้นผิวกั้นในวงจรของมัน
การแก้ปัญหาและทำใหม่
กับการแก้ปัญหาความเปราะบางปัญหาความสะอาดยังคงอยู่ การผลิตเจอร์เมเนียมที่มีความบริสุทธิ์ตามที่กำหนดถือเป็นความท้าทายที่สำคัญและจำกัดจำนวนทรานซิสเตอร์ที่สามารถทำงานได้จริงจากชุดวัสดุที่กำหนด ความไวต่ออุณหภูมิของเจอร์เมเนียมยังจำกัดประโยชน์อีกด้วย
นักวิทยาศาสตร์คาดการณ์ว่าซิลิคอนจะผลิตได้ง่ายกว่า แต่มีเพียงไม่กี่คนที่สำรวจความเป็นไปได้ Morris Tanenbaum ที่ Bell Laboratories เป็นคนแรกที่พัฒนาทรานซิสเตอร์ซิลิคอนที่ใช้งานได้เมื่อวันที่ 26 มกราคม พ.ศ. 2497 ไม่กี่เดือนต่อมา Gordon Teal ซึ่งทำงานด้วยตัวเองที่ Texas Instruments ได้พัฒนาอุปกรณ์ที่คล้ายกัน อุปกรณ์ทั้งสองนี้ถูกสร้างขึ้นโดยการควบคุมการเติมผลึกซิลิกอนเดี่ยวเมื่อเติบโตจากซิลิคอนหลอมเหลว วิธีการที่สูงขึ้นได้รับการพัฒนาโดย Morris Tanenbaum และ Calvin S. Fuller ที่ Bell Laboratories ในต้นปี 1955 โดยการแพร่กระจายของก๊าซของผู้บริจาคและสิ่งเจือปนของตัวรับให้เป็นผลึกซิลิกอนผลึกเดี่ยว
ทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนาม
FET ได้รับการจดสิทธิบัตรครั้งแรกโดย Julis Edgar Lilienfeld ในปี 1926 และ Oskar Hale ในปี 1934 แต่อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้งานได้จริง (transition field effect transistors [JFET]) ได้รับการพัฒนาต่อมา หลังจากที่สังเกตเอฟเฟกต์ทรานซิสเตอร์และอธิบายโดยทีมของ William Shockley ที่ Bell Labs ในปี 1947 หลังจากสิ้นสุดระยะเวลาสิทธิบัตรยี่สิบปี
JFET ประเภทแรกคือ Static Induction Transistor (SIT) ที่คิดค้นโดยวิศวกรชาวญี่ปุ่น Jun-ichi Nishizawa และ Y. Watanabe ในปี 1950 SIT เป็นประเภท JFET ที่มีความยาวช่องสัญญาณสั้น ทรานซิสเตอร์ภาคสนามของเซมิคอนดักเตอร์แบบกึ่งตัวนำโลหะออกไซด์ (MOSFET) ซึ่งส่วนใหญ่แทนที่ JFET และมีอิทธิพลอย่างลึกซึ้งต่อการพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ถูกคิดค้นโดย Dawn Kahn และ Martin Atalla ในปี 1959
FETs สามารถเป็นอุปกรณ์ชาร์จแบบเสียงส่วนใหญ่ได้ ซึ่งกระแสไฟจะถูกขนส่งโดยผู้ให้บริการส่วนใหญ่เป็นหลัก หรืออุปกรณ์ตัวขนส่งที่ชาร์จน้อยกว่า ซึ่งกระแสจะถูกขับเคลื่อนโดยกระแสพาหะส่วนน้อยเป็นหลัก อุปกรณ์ประกอบด้วยช่องสัญญาณที่ใช้งานอยู่ซึ่งตัวพาประจุ อิเล็กตรอน หรือรูจะไหลจากแหล่งกำเนิดไปยังท่อระบายน้ำ ขั้วต่อต้นทางและท่อระบายน้ำเชื่อมต่อกับเซมิคอนดักเตอร์ผ่านหน้าสัมผัสแบบโอห์มมิก การนำไฟฟ้าของช่องสัญญาณเป็นฟังก์ชันของศักย์ไฟฟ้าที่ใช้กับขั้วเกทและต้นทาง หลักการทำงานนี้ทำให้เกิดทรานซิสเตอร์แบบคลื่นทั้งหมดตัวแรก
FET ทั้งหมดมีขั้วต้นทาง รางระบายน้ำ และเกทที่สัมพันธ์กับตัวปล่อย ตัวสะสม และฐานของ BJT FET ส่วนใหญ่มีขั้วต่อที่สี่ที่เรียกว่า ตัวเครื่อง ฐาน กราวด์ หรือพื้นผิว เทอร์มินอลที่สี่นี้ทำหน้าที่ไบแอสทรานซิสเตอร์ในการให้บริการเป็นเรื่องยากที่จะใช้งานเทอร์มินอลบรรจุภัณฑ์ในวงจรโดยไม่จำเป็น แต่การมีอยู่ของเทอร์มินัลนั้นมีความสำคัญเมื่อตั้งค่าเลย์เอาต์ทางกายภาพของวงจรรวม ขนาดของเกท ยาว L ในแผนภาพ คือระยะห่างระหว่างต้นทางกับท่อระบายน้ำ ความกว้างคือการขยายตัวของทรานซิสเตอร์ในทิศทางตั้งฉากกับภาพตัดขวางในแผนภาพ (เช่น เข้า/ออกจากหน้าจอ) โดยปกติความกว้างจะใหญ่กว่าความยาวของประตูมาก ความยาวเกท 1 µm จำกัดความถี่บนไว้ที่ประมาณ 5 GHz จาก 0.2 ถึง 30 GHz
