Ключевые вехи в эволюции транзисторов

Спенсер Чин | 09 декабря 2022 г.

Первый транзистор был успешно продемонстрирован в Bell Laboratories в Мюррей-Хилл, штат Нью-Джерси, в 1947 году. Это трехполюсное устройство породило множество электронных устройств, которые делают возможными многие из продуктов, которые мы сегодня считаем само собой разумеющимися. Из транзистора произошли МОП-транзисторы в различных его воплощениях, интегральные схемы и микропроцессоры.

В то время как первые транзисторы породили скромные изобретения, такие как транзисторные радиоприемники, последующие усовершенствования в транзисторной технологии позже привели к появлению калькуляторов, персональных компьютеров и устройств силовой электроники.

Связанный: Эволюция инноваций в области транзисторов

Ниже следует краткий обзор наиболее значительных событий в богатой истории транзисторов. Design News благодарит Википедию за информацию в этой истории.

Согласно Википедии, первый патент на полевой транзистор был подан австрийско-венгерским физиком Юлиусом Эдгаром Лилиенфилдом 25 октября 1925 года, но, поскольку он не публиковал исследовательских статей о своих устройствах, его работа была проигнорирована промышленностью.

Связанный: Вехи в развитии микропроцессоров

Усилия Bell Lab по разработке транзисторов были связаны с усилиями военного времени по производству смесительных диодов на кристалле германия высокой чистоты, которые использовались в радиолокационных устройствах в качестве элемента частотного смесителя в приемниках микроволновых радаров. После Второй мировой войны ученые компании Bell Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Браттейн начали работу над полупроводниковым устройством типа триода. Хитрость заключалась в создании постоянного потока электронов между эмиттером и коллектором устройства, что стало возможным благодаря размещению выводов эмиттера и коллектора очень близко друг к другу, а управляющий вывод располагался у основания кристалла.

Аспирант Университета Пердью, присоединившийся к исследовательской работе, отметил, что при применении не было никакого сопротивления, что и породило идею инъекции меньшинства-носителя.

Вооруженные этими знаниями, ученые Bell прошли через несколько стартов и остановок, прежде чем 16 декабря 1947 года наконец создали первый работающий транзистор. Транзистор с точечным контактом представляет собой два близко расположенных золотых контакта, соединенных небольшим кусочком германия.

Барден, Шокли и Брэттейн получили за свои усилия Нобелевскую премию по физике.

Ученые компании Bell (слева направо) Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Браттейн, изобретшие транзистор в 1947 году.

Хотя в первом транзисторе использовался германий, этот материал не был практичным долгосрочным решением из-за ограниченного диапазона рабочих температур и трудностей с очисткой соединения. Команда Bell Labs под руководством Морриса Таненбаума разработала первый рабочий кремниевый транзистор 16 января 1954 года. Несколько месяцев спустя аналогичное устройство было разработано Гордоном Тилом из Texas Instruments.

В 1955 году ученые лаборатории Белла обнаружили пассивирующий эффект окисления на поверхности полупроводника. Метод поверхностной пассивации стал ключевой вехой в развитии транзисторов, поскольку позже он сделал возможным массовое производство микросхем.

Успешная демонстрация пассивации кремниевой поверхности оксидом кремния, сначала Мохамедом Аталлой из Bell Labs и Джин Эрни из Fairchild, привела к планарному процессу, который сделал возможным массовое производство кремниевых интегральных схем.

Также в 1959 году был произведен первый МОП-транзистор. Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET) был изобретен Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs. Они изготовили устройство в ноябре 1959 года и представили его как «поверхностное устройство, индуцированное полем кремния-диоксида кремния» в начале 1960 года. Благодаря своей высокой масштабируемости, гораздо более низкому энергопотреблению и более высокой плотности, чем у транзисторов с биполярным переходом, MOSFET позволил создавать интегральные схемы (ИС) высокой плотности, позволяющие объединить более 10 000 транзисторов в одной ИС.

По сравнению с биполярными транзисторами, МОП-транзисторы не потребляют ток, за исключением случаев переключения состояний, и имеют более высокую скорость переключения.

Разработка МОП-транзистора в 1959 году стала ключевым шагом в эволюции транзистора.