Quem criou o primeiro transistor? Essa pergunta preocupa muita gente. A primeira patente para o princípio do transistor de efeito de campo foi registrada no Canadá pelo físico austro-húngaro Julius Edgar Lilienfeld em 22 de outubro de 1925, mas Lilienfeld não publicou nenhum artigo científico sobre seus dispositivos e seu trabalho foi ignorado pela indústria. Assim, o primeiro transistor do mundo afundou na história. Em 1934, o físico alemão Dr. Oskar Heil patenteou outro FET. Não há evidência direta de que esses dispositivos foram construídos, mas trabalhos posteriores na década de 1990 mostraram que um dos projetos de Lilienfeld funcionou como descrito e produziu um resultado substancial. Agora é um fato bem conhecido e geralmente aceito que William Shockley e seu assistente Gerald Pearson criaram versões funcionais do aparelho a partir das patentes de Lilienfeld, que, é claro, nunca foram mencionadas em nenhum de seus trabalhos científicos posteriores ou artigos históricos. Os primeiros computadores transistorizados, claro, foram construídos muito mais tarde.
Bella Lab
Bell Labs trabalhou em um transistor construído para produzir diodos mixer "cristal" de germânio extremamente puros usados em instalações de radar como parte do mixer de frequência. Paralelamente a este projeto, surgiram muitos outros, inclusive o transistor de diodo de germânio. Os primeiros circuitos baseados em tubos não tinham capacidade de comutação rápida, e a equipe da Bell usou diodos de estado sólido. Os primeiros computadores transistorizados funcionavam com um princípio semelhante.
Exploração adicional de Shockley
Depois da guerra, Shockley decidiu tentar construir um dispositivo semicondutor do tipo triodo. Ele garantiu o financiamento e o espaço do laboratório e depois trabalhou no problema com Bardeen e Bratten. John Bardeen acabou desenvolvendo um novo ramo da mecânica quântica conhecido como física de superfície para explicar seus primeiros fracassos, e esses cientistas conseguiram criar um dispositivo funcional.
A chave para o desenvolvimento do transistor foi o maior entendimento do processo de mobilidade eletrônica em um semicondutor. Ficou provado que se houvesse alguma maneira de controlar o fluxo de elétrons do emissor para o coletor desse diodo recém-descoberto (descoberto em 1874, patenteado em 1906), um amplificador poderia ser construído. Por exemplo, se você colocar contatos em ambos os lados de um tipo de cristal, nenhuma corrente fluirá através dele.
Na verdade, acabou sendo muito difícil de fazer. O tamanhoo cristal teria que ser mais mediano, e o número de supostos elétrons (ou buracos) que precisavam ser "injetados" era muito grande, o que o tornaria menos útil que um amplificador porque exigiria uma grande corrente de injeção. No entanto, toda a ideia do diodo de cristal era que o próprio cristal poderia conter elétrons a uma distância muito curta, estando quase à beira do esgotamento. Aparentemente, a chave era manter os pinos de entrada e saída muito próximos uns dos outros na superfície do cristal.
Obras de Bratten
Bratten começou a trabalhar em tal dispositivo, e indícios de sucesso continuaram a surgir à medida que a equipe trabalhava no problema. A invenção é um trabalho árduo. Às vezes, o sistema funciona, mas ocorre outra falha. Às vezes, os resultados do trabalho de Bratten começaram a funcionar inesperadamente na água, aparentemente devido à sua alta condutividade. Os elétrons em qualquer parte do cristal migram devido a cargas próximas. Os elétrons nos emissores ou “buracos” nos coletores se acumulam diretamente no topo do cristal, onde recebem a carga oposta, “flutuando” no ar (ou água). No entanto, eles podem ser empurrados para fora da superfície aplicando uma pequena quantidade de carga de qualquer outro lugar no cristal. Em vez de exigir um grande suprimento de elétrons injetados, um número muito pequeno no lugar certo do chip fará a mesma coisa.
A nova experiência dos pesquisadores em certa medida ajudou a resolvero problema anteriormente encontrado de uma pequena área de controle. Em vez de ter que usar dois semicondutores separados conectados por uma área comum, mas pequena, uma grande superfície será usada. As saídas do emissor e do coletor ficariam no topo e o fio de controle seria colocado na base do cristal. Quando uma corrente era aplicada ao terminal "base", os elétrons seriam empurrados através do bloco semicondutor e coletados na superfície distante. Contanto que o emissor e o coletor estivessem muito próximos, isso teria que fornecer elétrons ou buracos suficientes entre eles para começar a conduzir.
Bray Junção
Uma das primeiras testemunhas desse fenômeno foi Ralph Bray, um jovem estudante de pós-graduação. Ele se juntou ao desenvolvimento do transistor de germânio na Universidade de Purdue em novembro de 1943 e recebeu a difícil tarefa de medir a resistência de vazamento de um contato metal-semicondutor. Bray encontrou muitas anomalias, como barreiras internas de alta resistência em algumas amostras de germânio. O fenômeno mais curioso foi a resistência excepcionalmente baixa observada quando os pulsos de tensão foram aplicados. Os primeiros transistores soviéticos foram desenvolvidos com base nesses desenvolvimentos americanos.
Descoberta
16 de dezembro de 1947, usando um contato de dois pontos, foi feito contato com uma superfície de germânio anodizada a noventa volts, o eletrólito foi lavado em H2O, e então algum ouro caiu sobre ele manchas. Contatos de ouro foram pressionados contra superfícies nuas. Divisão entreos pontos eram cerca de 4 × 10-3 cm. Um ponto foi usado como grade e o outro como placa. O desvio (DC) na rede tinha que ser positivo para obter um ganho de potência de tensão através da polarização da placa de cerca de quinze volts.
Invenção do primeiro transistor
Há muitas questões relacionadas com a história deste mecanismo milagroso. Alguns deles são familiares ao leitor. Por exemplo: por que os primeiros transistores do tipo PNP da URSS? A resposta a esta pergunta está na continuação de toda esta história. Bratten e H. R. Moore demonstraram a vários colegas e gerentes da Bell Labs na tarde de 23 de dezembro de 1947, o resultado que haviam alcançado, razão pela qual esse dia é muitas vezes referido como a data de nascimento do transistor. Um transistor de germânio de contato PNP funcionou como um amplificador de voz com um ganho de potência de 18. Esta é a resposta para a pergunta por que os primeiros transistores da URSS eram do tipo PNP, porque foram comprados dos americanos. Em 1956, John Bardeen, W alter Houser Bratten e William Bradford Shockley receberam o Prêmio Nobel de Física por suas pesquisas sobre semicondutores e a descoberta do efeito transistor.
Doze pessoas são creditadas por estarem diretamente envolvidas na invenção do transistor no Bell Labs.
Os primeiros transistores na Europa
Ao mesmo tempo, alguns cientistas europeus ficaram empolgados com a ideia de amplificadores de estado sólido. Em agosto de 1948, os físicos alemães Herbert F. Matare e Heinrich Welker, que trabalhavam na Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse em Aulnay-sous-Bois, na França, solicitou uma patente para um amplificador baseado em uma minoria do que eles chamaram de "transistor". Como a Bell Labs não publicou o transistor até junho de 1948, o transistor foi considerado desenvolvido independentemente. Mataré observou pela primeira vez os efeitos da transcondutância na produção de diodos de silício para equipamentos de radar alemães durante a Segunda Guerra Mundial. Os transistores foram fabricados comercialmente para a companhia telefônica francesa e os militares, e em 1953 um rádio de estado sólido de quatro transistores foi demonstrado em uma estação de rádio em Düsseldorf.
Bell Telephone Laboratories precisava de um nome para uma nova invenção: Semiconductor Triode, Tried States Triode, Crystal Triode, Solid Triode e Iotatron foram todos considerados, mas "transistor" cunhado por John R. Pierce foi o vencedor claro de um votação interna (parcialmente graças à proximidade que os engenheiros da Bell desenvolveram para o sufixo "-histórico").
A primeira linha de produção comercial de transistores do mundo estava na fábrica da Western Electric em Union Boulevard em Allentown, Pensilvânia. A produção começou em 1º de outubro de 1951 com um transistor de germânio de contato pontual.
Outra aplicação
Até o início da década de 1950, esse transistor era usado em todos os tipos de fabricação, mas ainda havia problemas significativos que impediam seu uso mais amplo, como a sensibilidade à umidade e a fragilidade dos fios presos aos cristais de germânio.
Shockley foi frequentemente acusado deplágio devido ao fato de que seu trabalho estava muito próximo do trabalho do grande, mas não reconhecido engenheiro húngaro. Mas os advogados da Bell Labs rapidamente resolveram a questão.
No entanto, Shockley ficou indignado com os ataques dos críticos e decidiu demonstrar quem era o verdadeiro cérebro de todo o grande épico da invenção do transistor. Apenas alguns meses depois, ele inventou um tipo completamente novo de transistor com uma "estrutura sanduíche" muito peculiar. Essa nova forma era muito mais confiável do que o frágil sistema de ponto de contato, e foi essa forma que acabou sendo usada em todos os transistores da década de 1960. Ele logo se desenvolveu no aparelho de junção bipolar, que se tornou a base para o primeiro transistor bipolar.
O dispositivo de indução estática, o primeiro conceito do transistor de alta frequência, foi inventado pelos engenheiros japoneses Jun-ichi Nishizawa e Y. Watanabe em 1950 e finalmente conseguiu criar protótipos experimentais em 1975. Foi o transistor mais rápido na década de 1980.
Outros desenvolvimentos incluíram dispositivos acoplados estendidos, transistor de barreira de superfície, difusão, tetrodo e pentodo. O silício de difusão "mesa transistor" foi desenvolvido em 1955 na Bell e disponível comercialmente na Fairchild Semiconductor em 1958. O espaço era um tipo de transistor desenvolvido na década de 1950 como uma melhoria sobre o transistor de contato de ponto e o transistor de liga posterior.
Em 1953, a Filco desenvolveu a primeira superfície de alta frequência do mundodispositivo de barreira, que também foi o primeiro transistor adequado para computadores de alta velocidade. O primeiro rádio de carro transistorizado do mundo, fabricado pela Philco em 1955, usava transistores de barreira de superfície em seus circuitos.
Resolução de problemas e retrabalho
Com a solução dos problemas de fragilidade, o problema da limpeza permaneceu. Produzir germânio com a pureza necessária provou ser um grande desafio e limitou o número de transistores que poderiam realmente funcionar a partir de um determinado lote de material. A sensibilidade à temperatura do germânio também limitou sua utilidade.
Os cientistas especularam que o silício seria mais fácil de fabricar, mas poucos exploraram a possibilidade. Morris Tanenbaum, da Bell Laboratories, foi o primeiro a desenvolver um transistor de silício funcional em 26 de janeiro de 1954. Alguns meses depois, Gordon Teal, trabalhando por conta própria na Texas Instruments, desenvolveu um dispositivo semelhante. Ambos os dispositivos foram feitos controlando a dopagem de cristais de silício individuais à medida que cresciam a partir de silício fundido. Um método superior foi desenvolvido por Morris Tanenbaum e Calvin S. Fuller nos Laboratórios Bell no início de 1955 por difusão gasosa de impurezas doadoras e aceitadoras em cristais de silício de cristal único.
Transistores de efeito de campo
O FET foi patenteado pela primeira vez por Julis Edgar Lilienfeld em 1926 e Oskar Hale em 1934, mas dispositivos semicondutores práticos (transistores de efeito de campo de transição [JFET]) foram desenvolvidosmais tarde, depois que o efeito do transistor foi observado e explicado pela equipe de William Shockley no Bell Labs em 1947, logo após o período de vinte anos da patente ter expirado.
O primeiro tipo de JFET foi o Transistor de Indução Estática (SIT) inventado pelos engenheiros japoneses Jun-ichi Nishizawa e Y. Watanabe em 1950. SIT é um tipo de JFET com um comprimento de canal curto. O transistor de efeito de campo semicondutor de óxido de metal semicondutor (MOSFET), que suplantou amplamente o JFET e influenciou profundamente o desenvolvimento da eletrônica eletrônica, foi inventado por Dawn Kahng e Martin Atalla em 1959.
FETs podem ser dispositivos de carga majoritária, nos quais a corrente é transportada predominantemente por portadores majoritários, ou dispositivos portadores de carga menor, nos quais a corrente é conduzida principalmente pelo fluxo de portadores minoritários. O dispositivo consiste em um canal ativo através do qual os portadores de carga, elétrons ou buracos fluem da fonte para o esgoto. Os terminais de fonte e dreno são conectados ao semicondutor através de contatos ôhmicos. A condutância do canal é uma função do potencial aplicado nos terminais da porta e da fonte. Este princípio de operação deu origem aos primeiros transistores de onda.
Todos os FETs possuem terminais de fonte, dreno e porta que correspondem aproximadamente ao emissor, coletor e base do BJT. A maioria dos FETs tem um quarto terminal chamado corpo, base, terra ou substrato. Este quarto terminal serve para polarizar o transistor em serviço. É raro fazer uso não trivial de terminais de pacote em circuitos, mas sua presença é importante ao configurar o layout físico de um circuito integrado. O tamanho da porta, o comprimento L no diagrama, é a distância entre a fonte e o dreno. A largura é a expansão do transistor em uma direção perpendicular à seção transversal no diagrama (ou seja, dentro/fora da tela). Geralmente a largura é muito maior que o comprimento do portão. Um comprimento de porta de 1 µm limita a frequência superior a aproximadamente 5 GHz, de 0,2 a 30 GHz.
