История транзистора - History of the transistor

Эта статья может быть расширен текстом, переведенным с соответствующая статья на русском. (Июль 2012 г.) Щелкните [показать] для получения важных инструкций по переводу. Вид Машинный перевод статьи на русский язык. Машинный перевод нравится DeepL или же переводчик Google является полезной отправной точкой для переводов, но переводчики должны исправлять ошибки по мере необходимости и подтверждать точность перевода, а не просто копировать и вставлять машинно переведенный текст в английскую Википедию. Не переводите текст, который кажется ненадежным или некачественным. Если возможно, сверьте текст со ссылками, приведенными в статье на иностранном языке. Ты должен предоставлять авторское право в редактировать резюме сопровождая ваш перевод, предоставив межъязыковая ссылка к источнику вашего перевода. Сводка редактирования атрибуции модели Содержимое этой редакции переведено из существующей статьи в русской Википедии на [[: ru: Изобретение транзистора]]; см. его историю для атрибуции. Вам также следует добавить шаблон {{Translated | ru | Изобретение транзистора}} к страница обсуждения. Для получения дополнительной информации см. Википедия: Перевод.

А транзистор это полупроводниковый прибор минимум с тремя клеммами для подключения к электрическая цепь. В общем случае третий вывод управляет потоком тока между двумя другими выводами. Это можно использовать для усиления, как в случае с радиоприемник, или для быстрого переключения, как в случае цифровых схем. Транзистор заменил ламповый триод, также называемый (термоэлектронным) клапаном, который был больше и потреблял значительно больше энергии для работы. Появление транзистора часто считается одним из самых важных изобретений в истории.^[1]

Принцип полевой транзистор был предложен Юлиус Эдгар Лилиенфельд в 1925 г. Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли изобрел первые рабочие транзисторы на Bell Labs, то точечный транзистор в 1947 году. Шокли представил улучшенный биполярный переходной транзистор в 1948 году, производство которых началось в начале 1950-х годов и привело к первому широкому применению транзисторов.

В МОП-транзистор (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник), также известный как МОП-транзистор, был изобретен Мохамед Аталла и Давон Канг в Bell Labs в 1959 году. МОП-транзисторы потребляют еще меньше энергии, что привело к массовому производству МОП-транзисторов для широкого диапазона применений. С тех пор MOSFET стал самым широко производимым устройством в истории.

Истоки концепции транзисторов

Юлиус Эдгар Лилиенфельд, около 1934 года.

Первый патент^[2] для полевой транзистор принцип был подан в Канаде Австрийско-венгерский физик Юлиус Эдгар Лилиенфельд 22 октября 1925 года, но Лилиенфельд не опубликовал исследовательских статей о своих устройствах, а его работа была проигнорирована промышленностью. В 1934 году немецкий физик Др. Оскар Хайль запатентовал еще один полевой транзистор.^[3] Нет никаких прямых доказательств того, что эти устройства были построены, но более поздние работы в 1990-х годах показывают, что одна из разработок Лилиенфельда работала, как описано, и дала значительную выгоду. Юридические документы из Bell Labs патент показать, что Уильям Шокли и сотрудник Bell Labs, Джеральд Пирсон, построил операционные версии на основе патентов Лилиенфельда, но они никогда не ссылались на эту работу ни в одной из своих более поздних исследовательских работ или исторических статей.^[4]

Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Браттейн в Bell Labs, 1948.

Работа Bell Labs над транзистором возникла в результате усилий военного времени по созданию исключительно чистого германий "хрустальный" смеситель диоды, используется в радар единиц как частотный смеситель элемент в микроволновая печь радиолокационные приемники. Британские исследователи создали модели с использованием вольфрамовой нити на германиевом диске, но они были трудны в изготовлении и не были особенно прочными.^[5] Версия Белла представляла собой монокристаллическую конструкцию, которая была меньше по размеру и полностью прочна. Параллельный проект на германиевые диоды в Университет Пердью удалось создать полупроводниковые кристаллы германия хорошего качества, которые использовались в Bell Labs.^[6] Ранние ламповые схемы не переключались достаточно быстро для этой роли, что вынудило команду Bell использовать твердотельные диоды вместо.

После войны Шокли решил попытаться построить триод -подобный полупроводниковый прибор. Он получил финансирование и лабораторные помещения, и вместе с Бардином и Браттейном приступил к работе над проблемой. Джон Бардин в итоге разработал новую ветвь квантовая механика известный как физика поверхности чтобы объяснить "странное" поведение, которое они видели, а Бардин и Уолтер Браттейн в итоге удалось построить работающее устройство.

Ключом к развитию транзистора было дальнейшее понимание процесса подвижность электронов в полупроводнике. Стало понятно, что если бы существовал способ управлять потоком электронов от эмиттера к коллектору этого недавно открытого диода (обнаружен в 1874 году; запатентован в 1906 году), можно было бы построить усилитель мощности. Например, если разместить контакты по обе стороны от кристалла одного типа, ток не будет течь через него. Однако, если бы третий контакт мог затем «впрыснуть» электроны или дырки в материал, ток протек бы.

На самом деле это оказалось очень сложно. Если бы кристалл имел какой-либо разумный размер, количество электронов (или дырок), необходимых для инжекции, было бы очень большим, что делало бы его менее полезным в качестве усилителя, поскольку для начала потребовался бы большой ток инжекции. Тем не менее, вся идея кристаллического диода заключалась в том, что сам кристалл мог обеспечивать электроны на очень маленьком расстоянии, в области обеднения. Ключевым моментом оказалось размещение входных и выходных контактов очень близко друг к другу на поверхности кристалла по обе стороны от этой области.

Браттейн начал работу над созданием такого устройства, и по мере того, как команда работала над проблемой, продолжали появляться дразнящие намеки на усиление. Иногда система работала, но затем неожиданно перестала работать. В одном случае неработающая система начала работать, когда ее поместили в воду. Электроны в любой части кристалла будут перемещаться из-за близлежащих зарядов. Электроны в эмиттерах или «дырках» в коллекторах будут сгруппироваться на поверхности кристалла, где они смогут найти свой противоположный заряд, «плавающий» в воздухе (или воде). Тем не менее, их можно было оттолкнуть от поверхности с помощью приложения небольшого заряда из любого другого места на кристалле. Вместо того, чтобы нуждаться в большом количестве инжектированных электронов, очень небольшое их количество в нужном месте кристалла могло бы сделать то же самое.

Их понимание в какой-то степени решило проблему необходимости в очень маленькой зоне контроля. Вместо двух отдельных полупроводников, соединенных общей, но крошечной областью, может служить одна большая поверхность. Выводы эмиттера и коллектора должны быть размещены очень близко друг к другу сверху, а контрольный вывод размещен на основании кристалла. Когда ток подавался на «базовый» вывод, электроны или дырки выталкивались наружу через блок полупроводника и собирались на дальней поверхности. Пока эмиттер и коллектор находятся очень близко друг к другу, между ними должно быть достаточно электронов или дырок, чтобы появилась проводимость.

Одним из первых свидетелей этого явления был молодой аспирант Ральф Брэй. Он присоединился к исследованиям германия в Университете Пердью в ноябре 1943 года, и ему была поставлена ​​непростая задача - измерить сопротивление растекания на контакте металл-полупроводник. Брей обнаружил очень много аномалий, таких как внутренние высокоомные барьеры в некоторых образцах германия. Самым любопытным явлением было исключительно низкое сопротивление, наблюдаемое при приложении импульсов напряжения. Этот эффект оставался загадкой, потому что до 1948 года никто не осознавал, что Брей наблюдал инъекцию неосновных носителей заряда - эффект, который был идентифицирован Уильямом Шокли из Bell Labs и сделал транзистор реальностью.

Брей писал: «Это был единственный аспект, который мы упустили, но даже если бы мы поняли идею инъекции неосновных носителей заряда ... мы бы сказали:« О, это объясняет наши эффекты ». Возможно, мы не пошли дальше и сказали: «Давайте начнем делать транзисторы, откроем фабрику и будем продавать их ... В то время важным устройством был высоковольтный выпрямитель».^[7]

Исследовательская группа Шокли изначально пыталась создать полевой транзистор (FET), пытаясь модулировать проводимость полупроводник, но безуспешно, в основном из-за проблем с поверхностные состояния, то болтающаяся облигация, а германий и медь составные материалы. В ходе попыток понять загадочные причины их неспособности построить работающий полевой транзистор, они вместо этого изобрели биполярный транзистор. точечный контакт и переходные транзисторы.^[8][9]

Первый рабочий транзистор

Стилизованная копия первого транзистора

Команда Bell сделала много попыток построить такую ​​систему с помощью различных инструментов, но в целом безуспешно. Установки, в которых контакты были достаточно близки, неизменно были такими же хрупкими, как оригинальные детекторы кошачьих усов, и работали бы недолго, если вообще работали. В конце концов они совершили практический прорыв. К краю треугольного пластикового клина приклеивали кусок золотой фольги, а затем фольгу срезали бритвой по кончику треугольника. Результатом стали два очень близко расположенных золотых контакта. Когда пластик прижимался к поверхности кристалла и напряжение прикладывалось к другой стороне (на основании кристалла), ток начинал течь от одного контакта к другому, поскольку базовое напряжение отталкивало электроны от основания в направлении другая сторона возле контактов. В точечный транзистор был изобретен.

15 декабря 1947 года «Когда точки находились очень близко друг к другу, они получили напряжение усилителя около 2, но не было усилителя мощности. Это усиление напряжения не зависело от частоты от 10 до 10 000 циклов».^[10]

16 декабря 1947 года «С помощью этого двойного точечного контакта был установлен контакт с поверхностью германия, которая была анодирована до 90 вольт, электролит был смыт в H₂O, а затем на нем испарились золотые пятна. Золотые контакты прижимались к голой поверхности. Оба золотых контакта с поверхностью хорошо выпрямлены ... Расстояние между точками было около 4х10⁻³ см. Одна точка использовалась как сетка, а другая точка - как пластина. Смещение (постоянный ток) на сетке должно быть положительным, чтобы получить усиление ... усиление мощности 1,3 усиление напряжения 15 на смещении пластины около 15 вольт ».^[11]

Браттейн и Х. Р. Мур провели демонстрацию перед несколькими своими коллегами и менеджерами в Bell Labs днем ​​23 декабря 1947 года, часто называемую датой рождения транзистора. «Точечно-контактный германиевый транзистор PNP» работал в качестве усилителя речи с коэффициентом усиления 18 в этом испытании. В 1956 г. Джон Бардин, Уолтер Хаузер Браттейн, и Уильям Брэдфорд Шокли были удостоены Нобелевская премия по физике «За исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта».

Двенадцать человек упоминаются как непосредственное участие в изобретении транзистора в лаборатории Белла.^[12]

В то же время некоторые европейские ученые руководствовались идеей твердотельных усилителей. В августе 1948 г. немецкие физики Герберт Ф. Матаре (1912–2011) и Генрих Велкер (1912–1981), работал в Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse в Ольне-су-Буа, Франция подали заявку на патент на усилитель, основанный на процессе инжекции неосновных носителей, который они назвали «транзистроном».^{[13][14][15][16]} Поскольку Bell Labs не объявляла о транзисторе публично до июня 1948 года, транзистрон считался разработанным независимо. Матаре впервые наблюдал эффекты крутизны при производстве кремниевых диодов для немецкого радарного оборудования во время Вторая мировая война. Транзистроны коммерчески производились для французской телефонной компании и вооруженных сил, а в 1953 году на выставке был продемонстрирован твердотельный радиоприемник с четырьмя транзистронами. Дюссельдорф Радио Ярмарка.

Происхождение термина

Bell Telephone Laboratories требовалось общее название для нового изобретения: «Полупроводниковый триод», «Триод с поверхностными состояниями», «Кристаллический триод», «Твердый триод» и «Иотатрон» все рассматривались, но «Транзистор» придумал Джон Р. Пирс, был явным победителем внутреннего голосования (отчасти благодаря близости, которую инженеры Bell разработали для суффикса «-истор»).^[17][18] Обоснование названия описано в следующей выдержке из Технического меморандума компании, призывающей к голосованию:

Транзистор. Это сокращенное сочетание слов "крутизна "или" передать ", и"варистор ". Устройство логически относится к семейству варисторов и имеет крутизну или передаточное сопротивление устройства с усилением, так что эта комбинация является описательной.

— Bell Telephone Laboratories - Технический меморандум (28 мая 1948 г.)

Пирс вспомнил это название несколько иначе:

Я дал название, думая о том, что делает устройство. И в то время это должно было быть двойным вакуумная труба. Электронная лампа имела крутизну, поэтому транзистор имел «трансрезистентность». И название должно совпадать с названиями других устройств, таких как варистор и термистор. И. . . Я предложил название «транзистор».

— Джон Р. Пирс, интервью для PBS шоу "Transistorized!"

Нобелевский фонд утверждает, что этот термин представляет собой комбинацию слов «перевод» и «резистор ".^[19]

Ранний конфликт

Шокли был расстроен из-за того, что устройство приписали Браттейну и Бардину, которые, как он чувствовал, построили его «за спиной», чтобы получить славу. Ситуация стала еще хуже, когда юристы Bell Labs обнаружили, что некоторые из собственных работ Шокли о транзисторе были достаточно близки к более раннему патенту 1925 г. Юлиус Эдгар Лилиенфельд что они сочли за лучшее не указывать его имя в заявке на патент.

Улучшения в конструкции транзисторов

Переход на кремний

Германий было трудно очистить, и он имел ограниченный диапазон рабочих температур. Ученые предположили, что кремний было бы легче сфабриковать, но мало кто удосужился исследовать эту возможность. Моррис Таненбаум и другие. в Bell Laboratories ^[20] были первыми, кто разработал рабочий кремниевый транзистор 26 января 1954 года.^[21] Несколько месяцев спустя, Гордон Чирок, работая самостоятельно в Инструменты Техаса, разработал аналогичное устройство. Оба эти устройства были изготовлены путем контроля легирования монокристаллов кремния при их выращивании из расплавленного кремния. Превосходный метод был разработан Моррисом Таненбаумом и Кэлвином С. Фуллером в Bell Laboratories в начале 1955 г. газовая диффузия донорных и акцепторных примесей в монокристаллические кремниевые кристаллы.^[22]

Однако до конца 1950-х гг. германий оставался доминирующим полупроводник материал для транзисторов и др. полупроводниковые приборы. Первоначально германий считался более эффективным полупроводниковым материалом, так как он демонстрировал лучшие характеристики благодаря более высокой мобильность оператора.^[23][24] Относительная низкая производительность в первых кремниевых полупроводниках была связана с электрическая проводимость ограничен нестабильным квант поверхностные состояния,^[25] предотвращение электричество от надежного проникновения через поверхность до слоя полупроводящего кремния.^[26][27]

Пассивирование поверхности кремнием

В 1955 году Карл Фрош и Линкольн Дерик из Bell Telephone Laboratories (BTL) случайно обнаружили, что диоксид кремния (SiO2) можно выращивать на кремнии. Они показали, что оксидный слой предотвращает попадание одних примесей в кремниевую пластину, в то время как допускает другие, таким образом обнаруживая пассивирующий эффект окисления на поверхности полупроводника.^[28] В 1950-х годах Мохамед Аталла, подхватил работы Фроша по окислению, исследовал поверхностные свойства кремниевых полупроводников при Bell Labs, где он предложил новый метод изготовление полупроводниковых приборов, покрывая кремниевая пластина с изоляционным слоем из оксид кремния чтобы электричество могло надежно проникать в проводящий кремний внизу, преодолевая поверхностные состояния, которые не позволяли электричеству достигать полупроводникового слоя. Это известно как пассивация поверхности, метод, который стал критически важным для полупроводниковая промышленность поскольку позже это сделало возможным массовое производство кремния интегральные схемы.^[26] Он представил свои выводы в 1957 году.^[29] Он изучал пассивацию p-n переходы к окись и опубликовал свои экспериментальные результаты в записках BTL 1957 года.^[29] Метод пассивации поверхности Аталлы позже стал основой двух изобретений в 1959 году: МОП-транзистор Аталлой и Давон Канг, а планарный процесс к Жан Хорни.^[30]

Планарный процесс

В 1958 году Электрохимическое общество встречи Аталла представил доклад о пассивация поверхности PN-переходов оксидом (на основе его записок по BTL 1957 г.),^[29] и продемонстрировал пассивирующее действие диоксида кремния на поверхность кремния.^[30] Жан Хорни присутствовал на той же встрече и был заинтригован презентацией Аталлы. Однажды утром Хорни придумал «планарную идею», размышляя об устройстве Аталлы.^[29] Воспользовавшись пассивирующим действием диоксида кремния на поверхность кремния, Хорни предложил изготавливать транзисторы, защищенные слоем диоксида кремния.^[29]

Планарный процесс был разработан Джин Хорни во время работы в Fairchild Semiconductor, с первым патентом, выданным в 1959 г.^[31][32] В планарный процесс используется для изготовления этих транзисторов из монолитного кремния массового производства. интегральные схемы возможный.

МОП-транзистор

В 1959 году был представлен полевой МОП-транзистор, и в 2020 году он по-прежнему остается доминирующим типом используемых транзисторов, общее количество которых оценивается в 13 секстиллион (1.3×10²²) МОП-транзисторы, произведенные в период с 1960 по 2018 год. Ключевые преимущества МОП-транзисторов по сравнению с биполярными транзисторами заключаются в том, что они не потребляют ток. Кроме при переключении состояний и имеют более высокую скорость переключения (идеально для цифровых сигналов).

Ранняя коммерциализация

Первая в мире линия по производству коммерческих транзисторов находилась на Western Electric завод на бульваре Юнион в Аллентаун, Пенсильвания. Производство точечного германиевого транзистора началось 1 октября 1951 года.^[33]

К 1953 году транзистор использовался в некоторых продуктах, таких как слуховые аппараты и телефонные станции, но по-прежнему существовали серьезные проблемы, препятствующие его более широкому применению, такие как чувствительность к влаге и хрупкость проводов, прикрепленных к кристаллам германия.^[34] Дональд Г. Финк, Philco Директор по исследованиям, подытожил состояние коммерческого потенциала транзистора с помощью аналогии: «Это прыщавый подросток, теперь неловкий, но многообещающий в будущем? Или он достиг зрелости, полный томления, окруженный разочарованиями?»^[34]

Полупроводниковые компании изначально ориентировались на переходные транзисторы в первые годы полупроводниковая промышленность. Однако переходной транзистор был относительно громоздким устройством, которое было трудно изготовить на массовое производство основы, что ограничивало его рядом специализированных приложений.^[35]

Транзисторные радиоприемники

В Регентство TR-1 который использовал Инструменты Техаса ' NPN транзисторы был первым в мире серийно произведенным транзистор радио.

Были продемонстрированы прототипы полностью транзисторных AM-радиоприемников, но на самом деле это были лишь лабораторные диковинки. Однако в 1950 году Шокли разработал принципиально другой тип твердотельного усилителя, который стал известен как биполярный переходной транзистор, который работает по совершенно иному принципу, чем точечный транзистор. Морган Спаркс превратили биполярный переходный транзистор в практичное устройство.^[36][37] Они также были лицензированы для ряда других электронных компаний, в том числе Инструменты Техаса, который выпустил ограниченный тираж транзисторные радиоприемники как инструмент продаж. Первые транзисторы были химически нестабильными и подходили только для маломощных низкочастотных приложений, но по мере развития конструкции транзистора эти проблемы постепенно преодолевались.

Претендентов на звание первой компании по производству практичных транзисторных радиоприемников много. Инструменты Техаса продемонстрировали полностью транзисторные AM-радиоприемники еще в 1952 году, но их характеристики были значительно ниже, чем у аналогичных моделей с батарейными трубками. Работоспособное все-транзистор радио была продемонстрирована в августе 1953 г. на Дюссельдорф Радиоярмарка немецкой фирмы Интерметалл. Он был построен с использованием четырех транзисторов ручной работы Intermetall, основанных на изобретении Герберта Матаре и Генриха Велкера в 1948 году. Однако, как и в случае с ранними агрегатами Texas (и другими), когда-либо были построены только прототипы; в промышленное производство он так и не поступил.

Первый транзисторный радиоприемник часто ошибочно относят к Sony (первоначально Tokyo Tsushin Kogyo), выпустившая TR-55 в 1955 году. Однако этому предшествовали Регентство TR-1, сделанный Регентским отделением I.D.E.A. (Industrial Development Engineering Associates) из Индианаполиса, штат Индиана, который был первым практическим транзисторным радиоприемником.^{[нужна цитата ]} TR-1 было объявлено 18 октября 1954 года и поступило в продажу в ноябре 1954 года по цене 49,95 долларов США (что эквивалентно 361 доллару США в долларах 2005 года) и было продано около 150 000 единиц.^{[нужна цитата ]}

TR-1 использовал четыре техасских NPN-транзистора и должен был питаться от 22,5-вольтовой батареи, поскольку единственный способ получить адекватный радиочастота производительность ранних транзисторов заключалась в том, что они располагались близко к их коллектор-эмиттер напряжение пробоя. Это сделало TR-1 очень дорогим в эксплуатации, и он был гораздо более популярен из-за своей новизны или статусной ценности, чем из-за его фактических характеристик, скорее в стиле первых. Mp3-плееры.

Тем не менее, помимо безразличных характеристик, TR-1 был очень продвинутым продуктом для своего времени, используя печатные платы, и то, что тогда считалось микроминиатюрными компонентами.

Масару Ибука, соучредитель японской фирмы Sony, находился с визитом в Соединенных Штатах, когда Bell Labs объявила о наличии лицензий на производство, включая подробные инструкции по изготовлению переходных транзисторов. Ибука получил специальное разрешение от Министерства финансов Японии на оплату лицензионного сбора в размере 50 000 долларов, и в 1955 году компания представила свою собственную пятитранзисторную радиостанцию ​​«карман для одежды» TR-55 под новым брендом. Sony. За этим продуктом вскоре последовали более амбициозные разработки, но, как правило, он считается началом роста Sony в производственную сверхдержаву.

TR-55 был во многом похож на Regency TR-1, питался от такой же 22,5-вольтовой батареи, и был не намного практичнее. Примечание: согласно схеме, TR-55 использовал источник питания 6 В.^[38] Очень немногие из них были распространены за пределами Японии. Только в 1957 году Sony выпустила новаторское радио «TR-63» с карманом на рубашке, гораздо более совершенную конструкцию, работающую от стандартной 9-вольтовой батареи и способную конкурировать с портативными электронными лампами. TR-63 был также первым транзисторным радиоприемником, в котором использовались все миниатюрные компоненты. (Термин «карман» был предметом некоторой интерпретации, поскольку Sony якобы производила специальные рубашки с большими карманами для своих продавцов.)

В выпуске Wall Street Journal от 28 апреля 1955 года Chrysler и Philco объявили, что они разработали и выпустили первое в мире автомобильное радио на транзисторах.^[39] Осенью 1955 года компания Chrysler сделала полностью транзисторное автомобильное радио Mopar model 914HR доступным в качестве «опции» для своей новой линейки автомобилей Chrysler и Imperial 1956 года, которые появились в автосалоне 21 октября 1955 года. Полностью транзисторные автомобильные радиоприемники. был вариант за 150 долларов.^[40][41][42]

Sony TR-63, выпущенный в 1957 году, был первым транзисторным радиоприемником массового производства, что привело к проникновению транзисторных радиоприемников на массовый рынок.^[43] К середине 1960-х TR-63 было продано семь миллионов единиц по всему миру.^[44] При видимом успехе TR-63 японские конкуренты, такие как Toshiba и Sharp Corporation присоединился к рынку.^[45] Успех Sony с транзисторными радиоприемниками привел к тому, что транзисторы заменили электронные лампы в качестве доминирующих электронная техника в конце 1950-х гг.^[46]

Использование хобби

Первым недорогим переходным транзистором, доступным широкой публике, был CK722, германиевый малосигнальный блок PNP, представленный Raytheon в начале 1953 года по 7,60 доллара за штуку. В 1950-х и 1960-х годах в популярных книгах и журналах были опубликованы сотни проектов электроники для любителей, основанных на транзисторе CK722.^[47][48] Компания Raytheon также участвовала в расширении роли CK722 в качестве электронного устройства для любителей, опубликовав в середине 1950-х годов «Приложения транзисторов» и «Приложения транзисторов - Том 2».

Транзисторные компьютеры

Первый в мире транзисторный компьютер был построен в Манчестерском университете в ноябре 1953 года. Компьютер был построен Ричард Гримсдейл, затем студент-исследователь кафедры электротехники, а затем профессор электронной инженерии в Университете Сассекса. В машине использовались точечные транзисторы, произведенные небольшими партиями STC и Mullard. Они состояли из монокристалла германия с двумя тонкими проволоками, напоминавшими кристалл и кошачий ус 20-х годов. Эти транзисторы обладали тем полезным свойством, что один транзистор мог иметь два стабильных состояния. ... Развитию машины сильно мешала ненадежность транзисторов. Потреблял 150 Вт.^[49]

В 1956 году Metropolitan Vickers Ltd полностью перестроила конструкцию на 200 транзисторов (и 1300 диодов), используя переходные транзисторы (для внутреннего использования).^[50]

В IBM 7070 (1958), IBM 7090 (1959), и CDC 1604 (1960) были первыми компьютерами (как продукты для продажи) на транзисторах.

MOSFET (МОП-транзистор)

Мохамед Аталла (слева) и Давон Канг (справа) изобрел МОП-транзистор в ноябре 1959 г.

Основываясь на его кремнии пассивация поверхности метод Мохамед Аталла разработал металл – оксид – полупроводник (MOS) в конце 1950-х годов.^[26] Он предложил использовать процесс MOS для создания первого работающего кремния. полевой транзистор (FET), над созданием которого он начал работать с помощью Давон Канг в Bell Labs.^[26]

МОП-транзистор, показывая ворота (G), корпус (B), исток (S) и сток (D). Ворота отделены от корпуса изоляционным слоем (розового цвета).

В полевой транзистор металл – оксид – полупроводник (MOSFET) был изобретен Аталлой и Кангом в Bell Labs.^[51][52] Они сфабрикованный устройство ноябрь 1959 г.,^[53] и представил его как «поверхностное устройство, индуцированное полем кремния и диоксида кремния» в начале 1960 года.^[54] С этими высокая масштабируемость,^[55] и гораздо более низкое энергопотребление и более высокая плотность, чем у биполярных транзисторов,^[56] МОП-транзистор позволил построить высокая плотность интегральные схемы (ИС),^[57] позволяя объединить более 10 000 транзисторов в одной ИС.^[58]

Первый полевой транзистор с затвором Шоттки на арсениде галлия (MESFET ) был сделан Карвер Мид и сообщил в 1966 году.^[59] Первый отчет МОП-транзистор с плавающим затвором (FGMOS) был сделан Давоном Кангом и Саймон Зе в 1967 г.^[60]

С тех пор MOSFET стал самым широко производимым устройством в истории.^[61][62] По состоянию на 2018 год, всего 13 секстиллион Изготовлены МОП-транзисторы.^[61]

PMOS и NMOS

Изначально существовало два типа логики MOSFET: PMOS (р-тип MOS) и NMOS (n-тип МОС).^[63] Оба типа были разработаны Аталлой и Кангом, когда они изначально изобрели полевой МОП-транзистор. изготовление устройства PMOS и NMOS с 20 мкм процесс.^[52]

CMOS

Новый тип логики MOSFET, CMOS (дополнительная МОП), была изобретена Чи-Тан Сах и Фрэнк Ванласс в Fairchild Semiconductor, а в феврале 1963 года они опубликовали изобретение в исследовательская работа.^[64][65]

Самовыравнивающиеся ворота

В самовыравнивающиеся ворота МОП-транзистор (с кремниевым затвором) был изобретен Робертом Кервином, Дональд Кляйн и Джон Сарас из Bell Labs в 1967 году. Fairchild Semiconductor исследователи Федерико Фаггин и Том Кляйн позже использовали полевые МОП-транзисторы с самовыравнивающимися затворами для разработки первого кремниевый затвор MOS Интегральная схема.^[66]

Коммерциализация MOSFET

В МОП-транзистор, также известный как МОП-транзистор, был первым по-настоящему компактным транзистором, который можно было миниатюризировать и массово производить для широкого спектра применений.^[35] Это произвело революцию в более широком электронная промышленность,^[67] включая силовая электроника,^[68] бытовая электроника, системы управления и компьютеры.^[69] С тех пор MOSFET стал самым распространенным типом транзисторов в мире, включая компьютеры, электронику,^[27] и коммуникационные технологии (Такие как смартфоны ).^[70] МОП-транзистор был описан как «рабочая лошадка электронной промышленности» из-за того, что он является строительным блоком каждого микропроцессор, микросхема памяти и телекоммуникационная сеть в использовании.^[71] По состоянию на 2013 год ежедневно производятся миллиарды МОП-транзисторов.^[57]

Интегральные схемы

General Microelectronics представила первую коммерческую МОП интегральные схемы в 1964 г., в составе 120 р-канал транзисторы.^[72] Это был 20-битный регистр сдвига, разработанный Робертом Норманом^[73] и Фрэнк Ванласс.^[74] В 1967 г. Bell Labs исследователи Роберт Кервин, Дональд Кляйн и Джон Сарас разработал самовыравнивающиеся ворота (кремниевый затвор) МОП-транзистор, который Fairchild Semiconductor исследователи Федерико Фаггин и Том Кляйн разработал первые кремниевый затвор MOS IC.^[75]

К 1972 году MOS LSI (крупномасштабная интеграция ) схемы были коммерциализированы для множества приложений, в том числе автомобили, грузовики, бытовая техника, бизнес-машины, электронные музыкальные инструменты, компьютерные периферийные устройства, кассовые аппараты, калькуляторы, передача данных и телекоммуникации оборудование.^[76]

Полупроводниковая память

Первый современный ячейки памяти были представлены в 1965 году, когда Джон Шмидт разработал первый 64-битный MOS SRAM (статический баран ).^[77] В 1967 г. Роберт Х. Деннард из IBM подала патент на однотранзистор DRAM (динамическое ОЗУ) ячейку памяти, используя МОП-транзистор.^[78]

Самое раннее практическое применение МОП-транзистор с плавающим затвором (FGMOS) было плавающий затвор ячейки памяти, которые Давон Канг и Саймон Зе предложенное может быть использовано для производства перепрограммируемое ПЗУ (только для чтения памяти ).^[79] Ячейки памяти с плавающим затвором впоследствии стали основой для энергонезависимая память (NVM) технологии, включая EPROM (стираемое программируемое ПЗУ), EEPROM (электрически стираемое программируемое ПЗУ) и флэш-память.

Микропроцессоры

В МОП-транзистор это основа каждого микропроцессор.^[71] В самые ранние микропроцессоры все были микропроцессорами MOS, построенными на схемах MOS LSI. Первые многочиповые микропроцессоры Четырехфазные системы AL1 в 1969 г. и Гаррет АйИсследование MP944 в 1970 году были разработаны микросхемы MOS LSI. Первый коммерческий однокристальный микропроцессор, Intel 4004, был разработан Федерико Фаггин, используя свою технологию MOS IC с кремниевым затвором, с Intel инженеры Марсиан Хофф и Стэн Мазор, и Бизиком инженер Масатоши Шима.^[80] С приходом CMOS микропроцессоров в 1975 году термин «микропроцессоры MOS» стал обозначать микросхемы, полностью изготовленные из Логика PMOS или полностью изготовлены из Логика NMOS, в отличие от «КМОП микропроцессоров» и «биполярных бит-ломтик процессоры ".^[81]

Карманные калькуляторы

Один из первых влиятельных бытовая электроника продукты включены МОП транзисторы был электронный карманный калькулятор.^[58] В 1965 г. Виктор 3900 настольный калькулятор был первым MOS LSI калькулятор, с 29 микросхемами MOS LSI.^[82] В 1967 г. Инструменты Техаса Cal-Tech был первым прототипом электронного портативный калькулятор, с тремя микросхемами MOS LSI, и позже он был выпущен как Canon Pocketronic в 1970 году.^[83] В Sharp QT-8D настольный калькулятор был первым массовым калькулятором LSI MOS в 1969 году,^[82] и Sharp EL-8 который использовал четыре микросхемы MOS LSI, был первым коммерческим электронным портативным калькулятором в 1970 году.^[83] Первым настоящим электронным карманным калькулятором был Бизиком LE-120A HANDY LE, в котором использовалась одна MOS LSI калькулятор на кристалле из Mostek, и был выпущен в 1971 году.^[83]

Персональные компьютеры

В 1970-х годах микропроцессор MOS был основой для домашние компьютеры, микрокомпьютеры (микро) и персональные компьютеры (ПК). Это привело к началу так называемого революция персональных компьютеров или же микрокомпьютерная революция.^[84]

Силовая электроника

В силовой MOSFET это наиболее широко используемый силовое устройство в мире.^[85] Преимущества перед биполярные переходные транзисторы в силовая электроника включают в себя полевые МОП-транзисторы, не требующие непрерывного потока управляющего тока, чтобы оставаться во включенном состоянии, предлагая более высокие скорости переключения, более низкие потери мощности переключения, меньшее сопротивление в открытом состоянии и пониженную подверженность тепловому разгоне.^[86] Силовой MOSFET оказал влияние на Источники питания, что позволяет увеличить рабочие частоты, уменьшить размер и вес, а также увеличить объемы производства.^[87]

Силовой MOSFET, который обычно используется в силовая электроника, был разработан в начале 1970-х годов.^[88] Мощный полевой МОП-транзистор обеспечивает низкую мощность привода затвора, высокую скорость переключения и расширенные возможности параллельного подключения.^[85]

Патенты

• США 1745175  Юлиус Эдгар Лилиенфельд: «Способ и устройство для управления электрическим током», впервые поданное в Канаде 22.10.1925 г., описывающее полевой транзистор
• США 1900018  Юлиус Эдгар Лилиенфельд: "Устройство для управления электрическим током", поданное 28.03.1928, тонкопленочный полевой транзистор.
• ГБ 439457  Оскар Хайль: "Усовершенствования в электрических усилителях и других устройствах и устройствах управления или относящиеся к ним", впервые подано в Германии 02.03.1934.
• США 2524035  Джон Бардин и др .: "Трехэлектродный элемент схемы на основе полупроводниковых материалов" старейший приоритет 26.02.1948
• США 2569347  Уильям Шокли: "Элемент схемы на основе полупроводникового материала" старейший приоритет 26.06.1948
• США 3206670  Мохамед Аталла: "Полупроводниковые приборы с диэлектрическим покрытием", поданная 03.08.1960, описывающая МОП-транзистор
• США 3102230  Давон Канг: "Полупроводниковый прибор, управляемый электрическим полем", поданный 03.08.1960, описывающий полевой МОП-транзистор.

Рекомендации

Книги и литература

• Гертнер, Джон (2012). Фабрика идей: Bell Labs и великий век американских инноваций. Книги пингвинов. ISBN  978-0-14-312279-1. История Bell Laboratories и ее технологических инноваций
• Риордан, Майкл; Ходдесон, Лилиан (1998). Хрустальный огонь. W.W Norton & Company Limited. ISBN  978-0-393-31851-7. Изобретение транзистора и рождение информационного века
• Кай Гендель (1999-06-29). "Anfänge der Halbleiterforschung und -entwicklung. Dargestellt an den Biographien von vier deutschen Halbleiterpionieren". Докторская диссертация RWTH Aachen.
• Из хрустального лабиринта Главы из истории физики твердого тела (728-е годы)
• Электронный джинн: запутанная история кремния (304 с)
• ИЗОБРЕТЕНИЕ, ИЗМЕНИЛО МИР: КАК НЕБОЛЬШАЯ ГРУППА ПИОНЕРОВ РАДАРА ПОБЕДА ВО ВТОРОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ И ЗАПУСТИЛА ТЕХНИКУ (576с)

внешняя ссылка

• Мемориал Bell Systems о транзисторах.
• IEEE Global History Network, Транзисторы и портативная электроника. Все об истории транзисторов и интегральных схем.
• Транзисторный. Историческая и техническая информация из Служба общественного вещания
• Этот месяц в истории физики: с 17 ноября по 23 декабря 1947 года: изобретение первого транзистора. От Американское физическое общество
• 50 лет транзистору. Из Пятница науки, 12 декабря 1997 г.
• Джек Гэнссл "Транзистору: 60 лет, но он все еще переключается ". Статья EEtimes 28 ноября 2007 г.
• Джон Марков "Параллельный изобретатель транзистора имеет свой момент. "New York Times, 24 февраля 2003 г.
• Майкл Риордан "Как Европа упустила транзистор ". IEEE Spectrum, Vol. 42, Issue 11 S. 52 - 57 ноября 2005 г.
• Арман Ван Дормаэль "Французский транзистор ". Дои:10.1109 / MSPEC.2005.1526906
• Марк П. Д. Берджесс (2008) "История полупроводников: от Фарадея до Шокли "