من صنع أول ترانزستور؟ هذا السؤال يقلق الكثير من الناس. تم تسجيل أول براءة اختراع لمبدأ ترانزستور التأثير الميداني في كندا من قبل الفيزيائي النمساوي المجري جوليوس إدغار ليلينفيلد في 22 أكتوبر 1925 ، لكن ليلينفيلد لم ينشر أي أوراق علمية على أجهزته وتجاهلت الصناعة عمله. وهكذا ، فإن أول ترانزستور في العالم قد غرق في التاريخ. في عام 1934 ، حصل الفيزيائي الألماني الدكتور أوسكار هيل على براءة اختراع أخرى. لا يوجد دليل مباشر على أن هذه الأجهزة قد تم بناؤها ، ولكن العمل لاحقًا في التسعينيات أظهر أن أحد تصميمات ليلينفيلد يعمل كما هو موصوف ، وقد أسفر عن نتيجة جوهرية. من الحقائق المعروفة والمقبولة عمومًا أن ويليام شوكلي ومساعده جيرالد بيرسون ابتكروا نسخًا عملية من الجهاز من براءات اختراع ليلينفيلد ، والتي ، بالطبع ، لم يتم ذكرها مطلقًا في أي من أوراقهم العلمية أو المقالات التاريخية اللاحقة. بالطبع ، تم بناء أول أجهزة كمبيوتر ترانزستور في وقت لاحق.
معمل بيلا
عملت Bell Labs على ترانزستور تم إنشاؤه لإنتاج صمامات ثنائية خالط من الجرمانيوم النقي للغاية تستخدم في تركيبات الرادار كجزء من خلاط التردد. بالتوازي مع هذا المشروع ، كان هناك العديد من المشاريع الأخرى ، بما في ذلك ترانزستور الصمام الثنائي الجرمانيوم. لم يكن للدوائر التي تعتمد على الأنبوب في وقت مبكر القدرة على التبديل السريع ، واستخدم فريق بيل ثنائيات الحالة الصلبة بدلاً من ذلك. عملت حواسيب الترانزستور الأولى على مبدأ مشابه
مزيد من الاستكشافات لـ Shockley
بعد الحرب ، قرر شوكلي محاولة بناء جهاز أشباه الموصلات يشبه الصمام الثلاثي. حصل على التمويل ومساحة المختبر ، ثم عمل على حل المشكلة مع باردين وبراتن. طور جون باردين في النهاية فرعًا جديدًا من ميكانيكا الكم يُعرف باسم فيزياء السطح لشرح إخفاقاته المبكرة ، ونجح هؤلاء العلماء في النهاية في إنشاء جهاز يعمل.
كان مفتاح تطوير الترانزستور هو الفهم الإضافي لعملية تنقل الإلكترون في أشباه الموصلات. لقد ثبت أنه إذا كانت هناك طريقة ما للتحكم في تدفق الإلكترونات من الباعث إلى المجمع لهذا الصمام الثنائي المكتشف حديثًا (تم اكتشافه عام 1874 ، وحاصل على براءة اختراع عام 1906) ، فيمكن بناء مكبر للصوت. على سبيل المثال ، إذا قمت بوضع جهات اتصال على جانبي نوع واحد من الكريستال ، فلن يتدفق أي تيار من خلاله.
في الواقع ، اتضح أنه من الصعب جدًا القيام بذلك. الحجميجب أن تكون البلورة أكثر متوسطًا ، كما أن عدد الإلكترونات (أو الثقوب) المفترضة التي يجب "حقنها" كان كبيرًا جدًا ، مما يجعلها أقل فائدة من مكبر الصوت لأنها تتطلب تيار حقن كبير. ومع ذلك ، فإن الفكرة الكاملة للديود البلوري كانت أن البلورة نفسها يمكن أن تحمل الإلكترونات على مسافة قصيرة جدًا ، بينما تكون على وشك النضوب تقريبًا. على ما يبدو ، كان المفتاح هو إبقاء دبابيس الإدخال والإخراج قريبة جدًا من بعضها البعض على سطح البلورة.
أعمال براتن
بدأ Bratten العمل على مثل هذا الجهاز ، واستمرت تلميحات النجاح في الظهور بينما كان الفريق يعمل على حل المشكلة. الاختراع عمل شاق. في بعض الأحيان يعمل النظام ، ولكن بعد ذلك يحدث فشل آخر. في بعض الأحيان ، بدأت نتائج عمل براتن في العمل بشكل غير متوقع في الماء ، على ما يبدو بسبب الموصلية العالية. تهاجر الإلكترونات في أي جزء من البلورة بسبب الشحنات القريبة. تتراكم الإلكترونات في البواعث أو "الثقوب" في المجمعات مباشرة فوق البلورة ، حيث تتلقى الشحنة المعاكسة ، "تطفو" في الهواء (أو الماء). ومع ذلك ، يمكن دفعها بعيدًا عن السطح عن طريق تطبيق كمية صغيرة من الشحن من أي مكان آخر على البلورة. بدلاً من طلب كمية كبيرة من الإلكترونات المحقونة ، فإن عددًا صغيرًا جدًا في المكان المناسب على الشريحة سيفعل الشيء نفسه.
ساعدت التجربة الجديدة للباحثين إلى حد ما في حلهاالمشكلة التي تمت مواجهتها سابقًا وهي منطقة تحكم صغيرة. بدلاً من الاضطرار إلى استخدام اثنين من أشباه الموصلات المنفصلة المتصلة بمنطقة مشتركة ولكنها صغيرة ، سيتم استخدام سطح واحد كبير. ستكون مخرجات الباعث والمجمع في الأعلى ، وسيتم وضع سلك التحكم في قاعدة البلورة. عندما يتم تطبيق تيار على الطرف "الأساسي" ، يتم دفع الإلكترونات عبر كتلة أشباه الموصلات وتجميعها على السطح البعيد. طالما كان الباعث والمجمع قريبين جدًا ، يجب أن يوفر هذا ما يكفي من الإلكترونات أو الثقوب بينهما لبدء التوصيل.
انضمام براي
من أوائل الشهود على هذه الظاهرة كان رالف براي ، طالب دراسات عليا شاب. انضم إلى تطوير ترانزستور الجرمانيوم في جامعة بوردو في نوفمبر 1943 وتم تكليفه بالمهمة الصعبة المتمثلة في قياس مقاومة التسرب لتلامس أشباه الموصلات المعدنية. وجد Bray العديد من الحالات الشاذة ، مثل الحواجز الداخلية عالية المقاومة في بعض عينات الجرمانيوم. كانت الظاهرة الأكثر فضولًا هي المقاومة المنخفضة للغاية التي لوحظت عند تطبيق نبضات الجهد. تم تطوير أول ترانزستورات سوفيتية على أساس هذه التطورات الأمريكية.
اختراق
16 ديسمبر 1947 ، باستخدام اتصال من نقطتين ، تم الاتصال بسطح الجرمانيوم المؤكسد إلى تسعين فولت ، وتم غسل المنحل بالكهرباء في H2O ، ثم سقط بعض الذهب عليها بقع. تم ضغط ملامسات الذهب على الأسطح المكشوفة. تقسيم بينكانت النقاط حوالي 4 × 10-3سم ، تم استخدام نقطة واحدة كشبكة والنقطة الأخرى كلوحة. يجب أن يكون الانحراف (DC) على الشبكة موجبًا للحصول على كسب طاقة الجهد عبر انحياز اللوحة بحوالي خمسة عشر فولت.
اختراع أول ترانزستور
هناك العديد من الأسئلة المرتبطة بتاريخ هذه الآلية المعجزة. بعضها مألوف للقارئ. على سبيل المثال: لماذا كانت أول ترانزستورات من نوع اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية PNP؟ الجواب على هذا السؤال يكمن في استمرار هذه القصة كاملة. أظهر براتن و إتش آر مور للعديد من الزملاء والمديرين في مختبرات بيل بعد ظهر يوم 23 ديسمبر 1947 النتيجة التي حققوها ، ولهذا السبب غالبًا ما يشار إلى هذا اليوم على أنه تاريخ ميلاد الترانزستور. يعمل ترانزستور الجرمانيوم PNP-contact كمكبر صوت مع زيادة في الطاقة تبلغ 18. هذا هو الجواب على السؤال لماذا كانت الترانزستورات الأولى في الاتحاد السوفياتي من نوع PNP ، لأنها تم شراؤها من الأمريكيين. في عام 1956 ، حصل جون باردين ووالتر هاوسر براتن وويليام برادفورد شوكلي على جائزة نوبل في الفيزياء لأبحاثهم حول أشباه الموصلات واكتشاف تأثير الترانزستور.
يُنسب الفضل إلى اثني عشر شخصًا في المشاركة المباشرة في اختراع الترانزستور في مختبرات بيل.
أول ترانزستورات في أوروبا
في الوقت نفسه ، تحمس بعض العلماء الأوروبيين لفكرة مكبرات الصوت الصلبة. في أغسطس 1948 ، الفيزيائيان الألمان هربرت ف. ماتاري وهاينريش ويلكر ، اللذان عملا في Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse في أولناي سوتقدمت شركة Bois الفرنسية بطلب للحصول على براءة اختراع لمكبر صوت يعتمد على أقلية مما أطلقوا عليه "الترانزستور". نظرًا لأن Bell Labs لم تنشر الترانزستور حتى يونيو 1948 ، فقد تم اعتبار الترانزستور مطورًا بشكل مستقل. لاحظ ماتاري لأول مرة آثار الموصلية التحويلية في إنتاج ثنائيات السيليكون لمعدات الرادار الألمانية خلال الحرب العالمية الثانية. تم تصنيع الترانزستورات تجاريًا لشركة الهاتف الفرنسية والجيش ، وفي عام 1953 ، تم عرض راديو الحالة الصلبة رباعي الترانزستور في محطة إذاعية في دوسلدورف.
احتاجت مختبرات Bell الهاتفية إلى اسم لاختراع جديد: تم اعتبار كل من الصمام الثلاثي أشباه الموصلات ، الصمام الثلاثي المجرب ، الصمام الثلاثي الكهربي ، الصمام الثلاثي الصلب ، Iotatron ، ولكن "الترانزستور" الذي ابتكره جون آر بيرس كان الفائز الواضح في التصويت الداخلي (جزئيًا بفضل قرب مهندسي بيل من تطوير لاحقة "-التاريخ").
كان أول خط إنتاج تجاري للترانزستور في العالم في مصنع ويسترن إلكتريك في يونيون بوليفارد في ألينتاون ، بنسلفانيا. بدأ الإنتاج في 1 أكتوبر 1951 بنقطة تلامس الترانزستور الجرمانيوم.
تطبيق إضافي
حتى أوائل الخمسينيات من القرن الماضي ، تم استخدام هذا الترانزستور في جميع أنواع التصنيع ، ولكن لا تزال هناك مشاكل كبيرة تمنع استخدامه على نطاق واسع ، مثل الحساسية للرطوبة وهشاشة الأسلاك المتصلة ببلورات الجرمانيوم.
كثيرا ما اتهم شوكليالسرقة الأدبية بسبب حقيقة أن عمله كان قريبًا جدًا من عمل المهندس المجري العظيم ، ولكن غير المعترف به. لكن محامي Bell Labs حسموا المشكلة بسرعة.
ومع ذلك ، كان شوكلي غاضبًا من هجمات النقاد وقرر إثبات من كان العقل الحقيقي للملحمة العظيمة لاختراع الترانزستور. بعد بضعة أشهر فقط ، اخترع نوعًا جديدًا تمامًا من الترانزستور له "هيكل ساندويتش" غريب جدًا. كان هذا الشكل الجديد أكثر موثوقية من نظام نقطة الاتصال الهش ، وكان هذا الشكل هو الذي انتهى به الأمر إلى استخدامه في جميع الترانزستورات في الستينيات. سرعان ما تطورت إلى جهاز تقاطع ثنائي القطب ، والذي أصبح أساسًا لأول ترانزستور ثنائي القطب.
جهاز الحث الساكن ، أول مفهوم للترانزستور عالي التردد ، اخترعه المهندسون اليابانيون Jun-ichi Nishizawa و Y. Watanabe في عام 1950 وتمكن أخيرًا من إنشاء نماذج أولية تجريبية في عام 1975. كان أسرع ترانزستور في الثمانينيات.
تضمنت التطورات الأخرى الأجهزة المقترنة الممتدة ، وترانزستور الحاجز السطحي ، والانتشار ، و tetrode ، و pentode. تم تطوير "ترانزستور ميسا" للسيليكون المنتشر في عام 1955 في شركة بيل ومتاح تجاريًا من شركة فيرتشايلد أشباه الموصلات في عام 1958. كان الفضاء نوعًا من الترانزستور الذي تم تطويره في الخمسينيات من القرن الماضي كتحسين على ترانزستور نقطة الاتصال والترانزستور السبيكي اللاحق.
في عام 1953 ، طورت شركة Filco أول سطح عالي التردد في العالمجهاز الحاجز ، والذي كان أيضًا أول ترانزستور مناسب لأجهزة الكمبيوتر عالية السرعة. أول راديو سيارة ترانزستور في العالم ، تم تصنيعه بواسطة Philco في عام 1955 ، استخدم ترانزستورات حاجز السطح في دائرته.
حل المشكلات وإعادة العمل
مع حل مشاكل الهشاشة بقيت مشكلة النظافة. أثبت إنتاج الجرمانيوم بالنقاء المطلوب أنه يمثل تحديًا كبيرًا ويحد من عدد الترانزستورات التي يمكن أن تعمل بالفعل من مجموعة معينة من المواد. كما أن حساسية درجة حرارة الجرمانيوم حدت من فائدته.
تكهن العلماء بأن تصنيع السيليكون سيكون أسهل ، لكن القليل منهم اكتشف هذا الاحتمال. كان موريس تانينباوم في مختبرات بيل أول من طور ترانزستور سليكوني عامل في 26 يناير 1954. بعد بضعة أشهر ، طور جوردون تيل ، الذي يعمل بمفرده في شركة Texas Instruments ، جهازًا مشابهًا. تم تصنيع كلا الجهازين من خلال التحكم في تعاطي المنشطات من بلورات السيليكون المفردة حيث نمت من السيليكون المصهور. تم تطوير طريقة أعلى بواسطة Morris Tanenbaum و Calvin S. Fuller في مختبرات Bell في أوائل عام 1955 عن طريق الانتشار الغازي للشوائب المانحة والمقبلة في بلورات السيليكون البلورية المفردة.
الترانزستورات ذات التأثير الميداني
تم تسجيل براءة اختراع FET لأول مرة من قبل Julis Edgar Lilienfeld في عام 1926 و Oskar Hale في عام 1934 ، ولكن تم تطوير أجهزة أشباه الموصلات العملية (ترانزستورات تأثير المجال الانتقالي [JFET])في وقت لاحق ، بعد ملاحظة تأثير الترانزستور وتوضيحه من قبل فريق ويليام شوكلي في مختبرات بيل في عام 1947 ، بعد انتهاء فترة براءة الاختراع البالغة عشرين عامًا.
النوع الأول من JFET كان الترانزستور الحثي الثابت (SIT) الذي اخترعه المهندسون اليابانيون Jun-ichi Nishizawa و Y. Watanabe في عام 1950. SIT هو نوع من JFET بطول قناة قصير. اخترع Dawn Kahng و Martin Atalla ترانزستور التأثير الميداني لأشباه الموصلات المعدنية (MOSFET) ، والذي حل إلى حد كبير محل JFET وأثر بعمق في تطوير الإلكترونيات الإلكترونية ، في عام 1959.
يمكن أن تكون FETs عبارة عن أجهزة شحن أغلبية ، حيث يتم نقل التيار في الغالب بواسطة ناقلات الأغلبية ، أو أجهزة حاملة أقل شحنة ، حيث يتم تشغيل التيار بشكل أساسي بواسطة تدفق ناقل الأقلية. يتكون الجهاز من قناة نشطة تتدفق من خلالها حاملات الشحن أو الإلكترونات أو الثقوب من المصدر إلى المجاري. يتم توصيل أطراف المصدر والصرف بأشباه الموصلات من خلال ملامسات أوم. إن توصيل القناة هو دالة للإمكانات المطبقة عبر طرفي البوابة والمصدر. أدى مبدأ التشغيل هذا إلى ظهور أول ترانزستورات ذات موجات كاملة
تحتوي جميع FETs على محطات مصدر واستنزاف وبوابة تتوافق تقريبًا مع باعث BJT ومجمعها وقاعدتها. تحتوي معظم FETs على محطة رابعة تسمى الجسم أو القاعدة أو الأرض أو الركيزة. تعمل هذه المحطة الرابعة على تحيز الترانزستور في الخدمة.من النادر استخدام أطراف الحزمة في الدوائر بطريقة غير تافهة ، ولكن وجودها مهم عند إعداد التخطيط المادي لدائرة متكاملة. حجم البوابة ، الطول L في الرسم التخطيطي ، هو المسافة بين المصدر والصرف. العرض هو تمدد الترانزستور في اتجاه عمودي على المقطع العرضي في الرسم التخطيطي (أي داخل / خارج الشاشة). عادة ما يكون العرض أكبر بكثير من طول البوابة. طول البوابة 1 ميكرومتر يحد من التردد الأعلى إلى حوالي 5 جيجاهرتز ، من 0.2 إلى 30 جيجاهرتز.
