¿Quién creó el primer transistor? Esta pregunta preocupa a mucha gente. La primera patente para el principio del transistor de efecto de campo fue presentada en Canadá por el físico austrohúngaro Julius Edgar Lilienfeld el 22 de octubre de 1925, pero Lilienfeld no publicó ningún artículo científico sobre sus dispositivos y su trabajo fue ignorado por la industria. Así, el primer transistor del mundo se ha hundido en la historia. En 1934, el físico alemán Dr. Oskar Heil patentó otro FET. No hay evidencia directa de que estos dispositivos hayan sido construidos, pero un trabajo posterior en la década de 1990 mostró que uno de los diseños de Lilienfeld funcionó como se describe y arrojó un resultado sustancial. Ahora es un hecho bien conocido y generalmente aceptado que William Shockley y su asistente Gerald Pearson crearon versiones funcionales del aparato a partir de las patentes de Lilienfeld, que, por supuesto, nunca se mencionó en ninguno de sus artículos científicos o históricos posteriores. Las primeras computadoras transistorizadas, por supuesto, se construyeron mucho más tarde.
Laboratorio Bella
Bell Labs trabajó en un transistor construido para producir diodos mezcladores de "cristal" de germanio extremadamente puro utilizados en instalaciones de radar como parte del mezclador de frecuencia. Paralelamente a este proyecto, hubo muchos otros, incluido el transistor de diodo de germanio. Los primeros circuitos basados en válvulas no tenían capacidad de conmutación rápida, y el equipo de Bell utilizó en su lugar diodos de estado sólido. Las primeras computadoras de transistores funcionaban con un principio similar.
Más exploración de Shockley
Después de la guerra, Shockley decidió intentar construir un dispositivo semiconductor similar a un triodo. Consiguió la financiación y el espacio del laboratorio, y luego trabajó en el problema con Bardeen y Bratten. John Bardeen finalmente desarrolló una nueva rama de la mecánica cuántica conocida como física de superficies para explicar sus primeros fracasos, y estos científicos finalmente lograron crear un dispositivo funcional.
La clave para el desarrollo del transistor fue la mayor comprensión del proceso de movilidad de electrones en un semiconductor. Se demostró que si había alguna forma de controlar el flujo de electrones del emisor al colector de este diodo recién descubierto (descubierto en 1874, patentado en 1906), se podría construir un amplificador. Por ejemplo, si coloca contactos a ambos lados de un tipo de cristal, no fluirá corriente a través de él.
De hecho, resultó ser muy difícil de hacer. El tamañoel cristal tendría que ser más promedio, y la cantidad de supuestos electrones (o huecos) que necesitaban ser "inyectados" era muy grande, lo que lo haría menos útil que un amplificador porque requeriría una gran corriente de inyección. Sin embargo, la idea general del diodo de cristal era que el cristal en sí podría contener electrones a una distancia muy corta, mientras estaba casi al borde del agotamiento. Aparentemente, la clave era mantener los pines de entrada y salida muy cerca uno del otro en la superficie del cristal.
Obras de Bratten
Bratten comenzó a trabajar en un dispositivo de este tipo, y los indicios de éxito continuaron surgiendo a medida que el equipo trabajaba en el problema. La invención es un trabajo duro. A veces el sistema funciona, pero luego ocurre otra falla. A veces, los resultados del trabajo de Bratten comenzaban a funcionar de forma inesperada en el agua, aparentemente debido a su alta conductividad. Los electrones en cualquier parte del cristal migran debido a las cargas cercanas. Los electrones en los emisores o "agujeros" en los colectores se acumulan directamente sobre el cristal, donde reciben la carga opuesta, "flotando" en el aire (o agua). Sin embargo, podrían ser empujados fuera de la superficie aplicando una pequeña cantidad de carga desde cualquier otro lugar del cristal. En lugar de requerir una gran cantidad de electrones inyectados, un número muy pequeño en el lugar correcto del chip hará lo mismo.
La nueva experiencia de los investigadores ayudó hasta cierto punto a resolverel problema previamente encontrado de un área de control pequeña. En lugar de tener que usar dos semiconductores separados conectados por un área común pero pequeña, se usará una superficie grande. Las salidas del emisor y el colector estarían en la parte superior, y el cable de control se colocaría en la base del cristal. Cuando se aplicaba una corriente al terminal "base", los electrones serían empujados a través del bloque semiconductor y recogidos en la superficie lejana. Siempre que el emisor y el colector estuvieran muy cerca, esto tendría que proporcionar suficientes electrones o huecos entre ellos para comenzar a conducir.
Bray se une
Un testigo temprano de este fenómeno fue Ralph Bray, un joven estudiante de posgrado. Se unió al desarrollo del transistor de germanio en la Universidad de Purdue en noviembre de 1943 y se le asignó la difícil tarea de medir la resistencia de fuga de un contacto metal-semiconductor. Bray encontró muchas anomalías, como barreras internas de alta resistencia en algunas muestras de germanio. El fenómeno más curioso fue la resistencia excepcionalmente baja observada cuando se aplicaron pulsos de voltaje. Los primeros transistores soviéticos se desarrollaron sobre la base de estos desarrollos estadounidenses.
Avance
16 de diciembre de 1947, usando un contacto de dos puntos, se hizo contacto con una superficie de germanio anodizada a noventa voltios, el electrolito se lavó en H2O, y luego algo de oro cayó sobre sus manchas. Los contactos de oro fueron presionados contra superficies desnudas. División entrelos puntos eran de aproximadamente 4 × 10-3 cm. Un punto se usó como cuadrícula y el otro punto como plato. La desviación (CC) en la red tenía que ser positiva para obtener una ganancia de potencia de tensión en la polarización de la placa de unos quince voltios.
Invención del primer transistor
Hay muchas preguntas relacionadas con la historia de este mecanismo milagroso. Algunos de ellos son familiares para el lector. Por ejemplo: ¿por qué los primeros transistores de la URSS eran de tipo PNP? La respuesta a esta pregunta está en la continuación de toda esta historia. Bratten y H. R. Moore demostraron a varios colegas y gerentes de Bell Labs en la tarde del 23 de diciembre de 1947 el resultado que habían logrado, razón por la cual este día a menudo se conoce como la fecha de nacimiento del transistor. Un transistor de germanio de contacto PNP funcionó como un amplificador de voz con una ganancia de potencia de 18. Esta es la respuesta a la pregunta de por qué los primeros transistores de la URSS eran de tipo PNP, porque fueron comprados a los estadounidenses. En 1956, John Bardeen, W alter Houser Bratten y William Bradford Shockley recibieron el Premio Nobel de Física por su investigación sobre semiconductores y el descubrimiento del efecto transistor.
A doce personas se les atribuye la participación directa en la invención del transistor en Bell Labs.
Los primeros transistores de Europa
Al mismo tiempo, algunos científicos europeos se entusiasmaron con la idea de los amplificadores de estado sólido. En agosto de 1948, los físicos alemanes Herbert F. Matare y Heinrich Welker, que trabajaban en la Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse en Aulnay-sous-Bois, Francia, solicitó una patente para un amplificador basado en una minoría de lo que llamaron "transistor". Debido a que Bell Labs no publicó el transistor hasta junio de 1948, el transistor se consideró desarrollado de forma independiente. Mataré observó por primera vez los efectos de la transconductancia en la producción de diodos de silicio para equipos de radar alemanes durante la Segunda Guerra Mundial. Los transistores se fabricaron comercialmente para la compañía telefónica francesa y el ejército, y en 1953 se demostró una radio de estado sólido de cuatro transistores en una estación de radio en Düsseldorf.
Bell Telephone Laboratories necesitaba un nombre para un nuevo invento: se consideraron Semiconductor Triode, Tried States Triode, Crystal Triode, Solid Triode e Iotatron, pero "transistor" acuñado por John R. Pierce fue el claro ganador de un voto interno (en parte gracias a la proximidad que los ingenieros de Bell desarrollaron para el sufijo "histórico").
La primera línea de producción comercial de transistores del mundo se encontraba en la planta de Western Electric en Union Boulevard en Allentown, Pensilvania. La producción comenzó el 1 de octubre de 1951 con un transistor de germanio de contacto puntual.
Aplicación adicional
Hasta principios de la década de 1950, este transistor se usaba en todo tipo de fabricación, pero aún existían problemas importantes que impedían su uso más amplio, como la sensibilidad a la humedad y la fragilidad de los cables conectados a los cristales de germanio.
Shockley a menudo fue acusado deplagio debido al hecho de que su trabajo era muy cercano al trabajo del gran, pero no reconocido, ingeniero húngaro. Pero los abogados de Bell Labs rápidamente resolvieron el problema.
Sin embargo, Shockley se indignó por los ataques de la crítica y decidió demostrar quién fue el verdadero cerebro de toda la gran epopeya de la invención del transistor. Solo unos meses después, inventó un tipo de transistor completamente nuevo con una "estructura de sándwich" muy peculiar. Esta nueva forma era mucho más confiable que el frágil sistema de contacto puntual, y fue esta forma la que terminó siendo utilizada en todos los transistores de la década de 1960. Pronto se convirtió en el aparato de unión bipolar, que se convirtió en la base del primer transistor bipolar.
El dispositivo de inducción estática, el primer concepto del transistor de alta frecuencia, fue inventado por los ingenieros japoneses Jun-ichi Nishizawa e Y. Watanabe en 1950 y finalmente pudo crear prototipos experimentales en 1975. Fue el transistor más rápido de la década de 1980.
Otros desarrollos incluyeron dispositivos acoplados extendidos, transistor de barrera de superficie, difusión, tetrodo y pentodo. El "transistor de mesa" de silicio de difusión se desarrolló en 1955 en Bell y estuvo disponible comercialmente en Fairchild Semiconductor en 1958. Space fue un tipo de transistor desarrollado en la década de 1950 como una mejora sobre el transistor de contacto puntual y el transistor de aleación posterior.
En 1953, Filco desarrolló la primera superficie de alta frecuencia del mundodispositivo de barrera, que también fue el primer transistor adecuado para computadoras de alta velocidad. La primera radio de coche transistorizada del mundo, fabricada por Philco en 1955, utilizaba transistores de barrera de superficie en sus circuitos.
Resolución de problemas y retrabajo
Con la solución de los problemas de fragilidad, quedó el problema de la limpieza. Producir germanio de la pureza requerida resultó ser un gran desafío y limitó la cantidad de transistores que realmente podían funcionar a partir de un lote determinado de material. La sensibilidad a la temperatura del germanio también limitó su utilidad.
Los científicos han especulado que el silicio sería más fácil de fabricar, pero pocos han explorado la posibilidad. Morris Tanenbaum en Bell Laboratories fue el primero en desarrollar un transistor de silicio funcional el 26 de enero de 1954. Unos meses más tarde, Gordon Teal, trabajando por su cuenta en Texas Instruments, desarrolló un dispositivo similar. Ambos dispositivos se fabricaron controlando el dopaje de cristales de silicio individuales a medida que crecían a partir de silicio fundido. Morris Tanenbaum y Calvin S. Fuller desarrollaron un método superior en Bell Laboratories a principios de 1955 mediante la difusión gaseosa de impurezas donantes y aceptoras en cristales de silicio monocristalino.
Transistores de efecto de campo
El FET fue patentado por primera vez por Julis Edgar Lilienfeld en 1926 y Oskar Hale en 1934, pero se desarrollaron dispositivos semiconductores prácticos (transistores de efecto de campo de transición [JFET])más tarde, después de que el efecto del transistor fuera observado y explicado por el equipo de William Shockley en Bell Labs en 1947, justo después de que expirara el período de patente de veinte años.
El primer tipo de JFET fue el transistor de inducción estática (SIT) inventado por los ingenieros japoneses Jun-ichi Nishizawa e Y. Watanabe en 1950. SIT es un tipo de JFET con una longitud de canal corta. El transistor de efecto de campo semiconductor semiconductor de óxido de metal (MOSFET), que suplantó en gran medida al JFET e influyó profundamente en el desarrollo de la electrónica, fue inventado por Dawn Kahng y Martin Atalla en 1959.
Los FET pueden ser dispositivos de carga mayoritaria, en los que la corriente es transportada predominantemente por portadores mayoritarios, o dispositivos de portadores de carga menores, en los que la corriente es impulsada principalmente por el flujo de portadores minoritarios. El dispositivo consta de un canal activo a través del cual fluyen portadores de carga, electrones o huecos desde la fuente hasta el alcantarillado. Los terminales de fuente y drenaje están conectados al semiconductor a través de contactos óhmicos. La conductancia del canal es una función del potencial aplicado a través de los terminales de puerta y fuente. Este principio de funcionamiento dio origen a los primeros transistores de onda completa.
Todos los FET tienen terminales de fuente, drenaje y puerta que corresponden aproximadamente al emisor, colector y base del BJT. La mayoría de los FET tienen un cuarto terminal llamado cuerpo, base, tierra o sustrato. Este cuarto terminal sirve para polarizar el transistor en servicio. Es raro hacer un uso no trivial de los terminales del paquete en los circuitos, pero su presencia es importante cuando se configura el diseño físico de un circuito integrado. El tamaño de la puerta, la longitud L en el diagrama, es la distancia entre la fuente y el drenaje. El ancho es la expansión del transistor en una dirección perpendicular a la sección transversal en el diagrama (es decir, dentro/fuera de la pantalla). Por lo general, el ancho es mucho mayor que la longitud de la puerta. Una longitud de puerta de 1 µm limita la frecuencia superior a aproximadamente 5 GHz, de 0,2 a 30 GHz.
