Полупроводник — это материал, который находится между проводником и изолятором в способности проводить электрический ток. [1] Во многих случаях их проводящие свойства могут быть изменены полезным образом путем введения примесей (« легирования ») в кристаллическую структуру . Когда в одном кристалле существуют две по-разному легированные области, создается полупроводниковый переход . Поведение носителей заряда , которые включают электроны , ионы и электронные дырки , в этих переходах является основой диодов , транзисторов и большинства современных электронных устройств . Некоторые примеры полупроводников — кремний , германий , арсенид галлия и элементы вблизи так называемой « металлоидной лестницы » в периодической таблице . После кремния арсенид галлия является вторым по распространенности полупроводником и используется в лазерных диодах , солнечных батареях , микроволновых интегральных схемах и других. Кремний является критически важным элементом для изготовления большинства электронных схем .
Полупроводниковые приборы могут демонстрировать ряд различных полезных свойств, таких как более легкое прохождение тока в одном направлении, чем в другом, показывать переменное сопротивление и иметь чувствительность к свету или теплу. Поскольку электрические свойства полупроводникового материала могут быть изменены путем легирования и путем применения электрических полей или света, приборы, изготовленные из полупроводников, могут использоваться для усиления, переключения и преобразования энергии . Термин «полупроводник» также используется для описания материалов, используемых в кабелях высокой емкости, среднего и высокого напряжения в качестве части их изоляции, и эти материалы часто представляют собой пластик XLPE ( сшитый полиэтилен ) с техническим углеродом. [2]
Проводимость кремния увеличивается путем добавления небольшого количества (порядка 1 в 10 8 ) пятивалентных ( сурьма , фосфор или мышьяк ) или трехвалентных ( бор , галлий , индий ) атомов. [3] Этот процесс известен как легирование, а полученные полупроводники известны как легированные или примесные полупроводники . Помимо легирования, проводимость полупроводника может быть улучшена путем повышения его температуры. Это противоречит поведению металла, в котором проводимость уменьшается с повышением температуры. [4]
Современное понимание свойств полупроводника опирается на квантовую физику для объяснения движения носителей заряда в кристаллической решетке . [5] Легирование значительно увеличивает количество носителей заряда внутри кристалла. Когда полупроводник легирован элементами группы V, они будут вести себя как доноры , создавая свободные электроны , что известно как легирование « n-типа ». Когда полупроводник легирован элементами группы III, они будут вести себя как акцепторы , создавая свободные дырки, что известно как легирование « p-типа ». Полупроводниковые материалы, используемые в электронных устройствах, легируются в точных условиях для контроля концентрации и областей легирующих примесей p- и n-типа. Один кристалл полупроводникового устройства может иметь много областей p- и n-типа; p–n-переходы между этими областями отвечают за полезное электронное поведение. Используя зонд с горячей точкой , можно быстро определить, является ли образец полупроводника p- или n-типом. [6]
Некоторые свойства полупроводниковых материалов были обнаружены в середине 19-го и первых десятилетиях 20-го века. Первым практическим применением полупроводников в электронике стала разработка в 1904 году детектора « кошачий ус» — примитивного полупроводникового диода, использовавшегося в ранних радиоприемниках . Развитие квантовой физики в свою очередь привело к изобретению транзистора в 1947 году [7] и интегральной схемы в 1958 году.
Полупроводники в своем естественном состоянии являются плохими проводниками, поскольку ток требует потока электронов, а валентные зоны полупроводников заполнены, что препятствует полному потоку новых электронов. Несколько разработанных методов позволяют полупроводниковым материалам вести себя как проводящие материалы, такие как легирование или стробирование . Эти модификации имеют два результата: n-тип и p-тип . Они относятся к избытку или недостатку электронов соответственно. Сбалансированное количество электронов заставит ток течь по всему материалу. [8]
Гетеропереходы возникают, когда соединяются два по-разному легированных полупроводниковых материала. Например, конфигурация может состоять из p-легированного и n-легированного германия . Это приводит к обмену электронами и дырками между по-разному легированными полупроводниковыми материалами. n-легированный германий будет иметь избыток электронов, а p-легированный германий будет иметь избыток дырок. Передача происходит до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие с помощью процесса, называемого рекомбинацией , который заставляет мигрирующие электроны из n-типа вступать в контакт с мигрирующими дырками из p-типа. [9] Результатом этого процесса является узкая полоска неподвижных ионов , которая вызывает электрическое поле через соединение. [5] [8]
Разница в электрическом потенциале на полупроводниковом материале заставит его выйти из теплового равновесия и создать неравновесную ситуацию. Это вводит электроны и дырки в систему, которые взаимодействуют посредством процесса, называемого амбиполярной диффузией . Всякий раз, когда тепловое равновесие нарушается в полупроводниковом материале, число дырок и электронов изменяется. Такие нарушения могут происходить в результате разницы температур или фотонов , которые могут проникать в систему и создавать электроны и дырки. Процессы, которые создают или уничтожают электроны и дырки, называются генерацией и рекомбинацией соответственно. [8]
В некоторых полупроводниках возбужденные электроны могут релаксировать, испуская свет вместо того, чтобы производить тепло. [10] Управление составом полупроводника и электрическим током позволяет манипулировать свойствами испускаемого света. [11] Эти полупроводники используются в конструкции светодиодов и флуоресцентных квантовых точек .
Полупроводники с высокой теплопроводностью могут использоваться для рассеивания тепла и улучшения теплового управления электроникой. Они играют важную роль в электромобилях , светодиодах высокой яркости и силовых модулях , среди других приложений. [12] [13] [14]
Полупроводники имеют большие коэффициенты термоэлектрической мощности, что делает их полезными в термоэлектрических генераторах , а также высокие термоэлектрические показатели, что делает их полезными в термоэлектрических охладителях . [15]
Большое количество элементов и соединений обладают полупроводниковыми свойствами, в том числе: [16]
Наиболее распространенными полупроводниковыми материалами являются кристаллические твердые тела, но известны также аморфные и жидкие полупроводники. К ним относятся гидрогенизированный аморфный кремний и смеси мышьяка , селена и теллура в различных пропорциях. Эти соединения разделяют с более известными полупроводниками свойства промежуточной проводимости и быстрого изменения проводимости с температурой, а также случайного отрицательного сопротивления . Такие неупорядоченные материалы не обладают жесткой кристаллической структурой обычных полупроводников, таких как кремний. Они обычно используются в тонкопленочных структурах, которые не требуют материала более высокого электронного качества, будучи относительно нечувствительными к примесям и радиационному повреждению.
Почти все современные электронные технологии включают использование полупроводников, наиболее важным аспектом которых является интегральная схема (ИС), которая находится в настольных компьютерах , ноутбуках , сканерах, сотовых телефонах и других электронных устройствах. Полупроводники для ИС производятся массово. Для создания идеального полупроводникового материала химическая чистота имеет первостепенное значение. Любое небольшое несовершенство может иметь радикальное влияние на поведение полупроводникового материала из-за масштаба, в котором используются материалы. [8]
Также требуется высокая степень кристаллического совершенства, поскольку дефекты в кристаллической структуре (такие как дислокации , двойники и дефекты упаковки ) влияют на полупроводниковые свойства материала. Кристаллические дефекты являются основной причиной дефектных полупроводниковых приборов. Чем больше кристалл, тем сложнее достичь необходимого совершенства. Современные процессы массового производства используют кристаллические слитки диаметром от 100 до 300 мм (от 3,9 до 11,8 дюймов), выращенные в виде цилиндров и нарезанные на пластины .
Существует комбинация процессов, которые используются для подготовки полупроводниковых материалов для ИС. Один процесс называется термическим окислением , который образует диоксид кремния на поверхности кремния . Он используется в качестве изолятора затвора и полевого оксида . Другие процессы называются фотошаблонами и фотолитографией . Этот процесс создает узоры на схеме в интегральной схеме. Ультрафиолетовый свет используется вместе со слоем фоторезиста для создания химического изменения, которое генерирует узоры для схемы. [8]
Травление — это следующий требуемый процесс. Часть кремния, которая не была покрыта слоем фоторезиста с предыдущего шага, теперь может быть протравлена. Основной процесс, который обычно используется сегодня, называется плазменным травлением . Плазменное травление обычно включает в себя травильный газ, закачиваемый в камеру низкого давления для создания плазмы . Обычным травильным газом является хлорфторуглерод , или более известный как фреон . Высокое радиочастотное напряжение между катодом и анодом — это то, что создает плазму в камере. Кремниевая пластина расположена на катоде, что заставляет ее подвергаться ударам положительно заряженных ионов, которые высвобождаются из плазмы. В результате получается кремний, который протравлен анизотропно . [5] [8]
Последний процесс называется диффузией . Это процесс, который придает полупроводниковому материалу желаемые полупроводниковые свойства. Он также известен как легирование . Процесс вводит в систему нечистый атом, который создает p–n-переход . Чтобы внедрить нечистые атомы в кремниевую пластину, пластину сначала помещают в камеру с температурой 1100 градусов по Цельсию. Атомы инжектируются и в конечном итоге диффундируют с кремнием. После того, как процесс завершен и кремний достигает комнатной температуры, процесс легирования завершается, и полупроводниковая пластина почти готова. [5] [8]
Полупроводники определяются своим уникальным электропроводящим поведением, где-то между поведением проводника и изолятора. [19] Различия между этими материалами можно понять с точки зрения квантовых состояний для электронов, каждое из которых может содержать ноль или один электрон (по принципу исключения Паули ). Эти состояния связаны с электронной зонной структурой материала. Электропроводность возникает из-за присутствия электронов в состояниях, которые делокализованы (простираются через материал), однако для того, чтобы транспортировать электроны, состояние должно быть частично заполнено , содержа электрон только часть времени. [20] Если состояние всегда занято электроном, то оно инертно, блокируя прохождение других электронов через это состояние. Энергии этих квантовых состояний имеют решающее значение, поскольку состояние частично заполнено, только если его энергия близка к уровню Ферми (см. статистику Ферми–Дирака ).
Высокая проводимость материала обусловлена тем, что он имеет много частично заполненных состояний и большую делокализацию состояний. Металлы являются хорошими электрическими проводниками и имеют много частично заполненных состояний с энергиями вблизи их уровня Ферми. Изоляторы , напротив, имеют мало частично заполненных состояний, их уровни Ферми находятся в запрещенных зонах с небольшим количеством энергетических состояний для занятия. Важно отметить, что изолятор можно заставить проводить, повысив его температуру: нагревание обеспечивает энергию для продвижения некоторых электронов через запрещенную зону, вызывая частично заполненные состояния как в зоне состояний под запрещенной зоной ( валентная зона ), так и в зоне состояний над запрещенной зоной ( зона проводимости ). (Собственный) полупроводник имеет запрещенную зону, которая меньше, чем у изолятора, и при комнатной температуре значительное количество электронов может быть возбуждено для пересечения запрещенной зоны. [21]
Чистый полупроводник, однако, не очень полезен, так как он не является ни очень хорошим изолятором, ни очень хорошим проводником. Однако одной важной особенностью полупроводников (и некоторых изоляторов, известных как полуизоляторы ) является то, что их проводимость может быть увеличена и контролируема путем легирования примесями и стробирования электрическими полями. Легирование и стробирование перемещают либо зону проводимости, либо валентную зону гораздо ближе к уровню Ферми и значительно увеличивают количество частично заполненных состояний.
Некоторые полупроводниковые материалы с более широкой запрещенной зоной иногда называют полуизоляторами . В нелегированном состоянии они имеют электропроводность, близкую к электропроводности электроизоляторов, однако их можно легировать (что делает их такими же полезными, как полупроводники). Полуизоляторы находят нишевые применения в микроэлектронике, например, в качестве подложек для HEMT . Примером распространенного полуизолятора является арсенид галлия . [22] Некоторые материалы, такие как диоксид титана , могут даже использоваться в качестве изолирующих материалов для некоторых приложений, в то время как для других приложений они рассматриваются как широкозонные полупроводники.
Частичное заполнение состояний на дне зоны проводимости можно понимать как добавление электронов в эту зону. Электроны не остаются там бесконечно долго (из-за естественной тепловой рекомбинации ), но они могут перемещаться в течение некоторого времени. Фактическая концентрация электронов обычно очень разбавлена, и поэтому (в отличие от металлов) можно думать об электронах в зоне проводимости полупроводника как о своего рода классическом идеальном газе , где электроны свободно летают, не подчиняясь принципу исключения Паули . В большинстве полупроводников зоны проводимости имеют параболическое дисперсионное соотношение , и поэтому эти электроны реагируют на силы (электрическое поле, магнитное поле и т. д.) так же, как они реагировали бы в вакууме, хотя и с другой эффективной массой . [21] Поскольку электроны ведут себя как идеальный газ, можно также думать о проводимости в очень упрощенных терминах, таких как модель Друде , и вводить такие понятия, как подвижность электронов .
Для частичного заполнения в верхней части валентной зоны полезно ввести понятие электронной дырки . Хотя электроны в валентной зоне всегда движутся, полностью заполненная валентная зона инертна, не проводя никакого тока. Если электрон вынуть из валентной зоны, то траектория, которую обычно занимал бы электрон, теперь лишена заряда. Для целей электрического тока эта комбинация заполненной валентной зоны за вычетом электрона может быть преобразована в картину полностью пустой зоны, содержащей положительно заряженную частицу, которая движется так же, как электрон. В сочетании с отрицательной эффективной массой электронов в верхней части валентной зоны мы приходим к картине положительно заряженной частицы, которая реагирует на электрические и магнитные поля так же, как обычная положительно заряженная частица реагировала бы в вакууме, снова с некоторой положительной эффективной массой. [21] Эта частица называется дыркой, и совокупность дырок в валентной зоне снова может быть понята в простых классических терминах (как и в случае с электронами в зоне проводимости).
Когда ионизирующее излучение попадает на полупроводник, оно может возбудить электрон из его энергетического уровня и, следовательно, оставить дырку. Этот процесс известен как генерация пар электрон-дырка . Пары электрон-дырка постоянно генерируются также из тепловой энергии , при отсутствии какого-либо внешнего источника энергии.
Электронно-дырочные пары также склонны к рекомбинации. Сохранение энергии требует, чтобы эти события рекомбинации, в которых электрон теряет количество энергии, превышающее ширину запрещенной зоны , сопровождались испусканием тепловой энергии (в форме фононов ) или излучением (в форме фотонов ).
В некоторых состояниях генерация и рекомбинация пар электрон-дырка находятся в равновесии. Количество пар электрон-дырка в стационарном состоянии при данной температуре определяется квантовой статистической механикой . Точные квантово-механические механизмы генерации и рекомбинации регулируются законами сохранения энергии и сохранения импульса .
Поскольку вероятность встречи электронов и дырок пропорциональна произведению их чисел, произведение находится в стационарном состоянии почти постоянно при данной температуре, при условии, что нет значительного электрического поля (которое могло бы «вытеснить» носители обоих типов или переместить их из соседних областей, содержащих большее их количество, чтобы встретиться вместе) или генерации пар под действием внешних факторов. Произведение является функцией температуры, поскольку вероятность получения достаточной тепловой энергии для создания пары увеличивается с температурой, приблизительно составляя exp(− E G / kT ) , где k — постоянная Больцмана , T — абсолютная температура, а E G — ширина запрещенной зоны.
Вероятность встречи увеличивается за счет ловушек носителей заряда – примесей или дислокаций, которые могут захватывать электрон или дырку и удерживать их до тех пор, пока пара не будет завершена. Такие ловушки носителей заряда иногда намеренно добавляются, чтобы сократить время, необходимое для достижения стационарного состояния. [23]
Проводимость полупроводников можно легко изменить, введя примеси в их кристаллическую решетку . Процесс добавления контролируемых примесей в полупроводник известен как легирование . Количество примеси или легирующей добавки, добавленной к собственному (чистому) полупроводнику, изменяет его уровень проводимости. [24] Легированные полупроводники называются примесными . [25] Добавляя примеси в чистые полупроводники, электропроводность может изменяться в тысячи или миллионы раз. [26]
Образец металла или полупроводника объемом 1 см3 содержит порядка 1022 атомов. [27] В металле каждый атом отдает по крайней мере один свободный электрон для проводимости, таким образом, 1 см3 металла содержит порядка 1022 свободных электронов, [28] тогда как образец чистого германия объемом 1 см3 при 20 °C содержит около4,2 × 10 22 атомов, но только2,5 × 10 13 свободных электронов и2,5 × 10 13 дырок. Добавление 0,001% мышьяка (примесь) дает дополнительно 10 17 свободных электронов в том же объеме, а электропроводность увеличивается в 10 000 раз. [29] [30]
Материалы, выбранные в качестве подходящих легирующих примесей, зависят от атомных свойств как легирующей примеси, так и легируемого материала. В общем, легирующие примеси, которые производят желаемые контролируемые изменения, классифицируются как акцепторы или доноры электронов . Полупроводники, легированные донорными примесями, называются n-типом , в то время как легированные акцепторными примесями, известны как p-тип . Обозначения n- и p-типа указывают, какой носитель заряда действует как основной носитель материала . Противоположный носитель называется неосновным носителем , который существует из-за теплового возбуждения при гораздо более низкой концентрации по сравнению с основным носителем. [31]
Например, чистый полупроводниковый кремний имеет четыре валентных электрона, которые связывают каждый атом кремния с его соседями. [32] В кремнии наиболее распространенными легирующими примесями являются элементы группы III и группы V. Все элементы группы III содержат три валентных электрона, заставляя их функционировать как акцепторы при использовании для легирования кремния. Когда атом акцептора заменяет атом кремния в кристалле, создается вакантное состояние (электронная «дырка»), которое может перемещаться по решетке и функционировать как носитель заряда. Элементы группы V имеют пять валентных электронов, что позволяет им действовать как доноры; замена этих атомов на кремний создает дополнительный свободный электрон. Поэтому кристалл кремния, легированный бором, создает полупроводник p-типа, тогда как кристалл кремния, легированный фосфором, дает материал n-типа. [33]
В процессе производства легирующие примеси могут быть диффундированы в тело полупроводника путем контакта с газообразными соединениями желаемого элемента, или может использоваться ионная имплантация для точного позиционирования легированных областей.
Некоторые материалы, при быстром охлаждении до стекловидного аморфного состояния, обладают полупроводниковыми свойствами. К ним относятся B, Si , Ge, Se и Te, и существует множество теорий, объясняющих их. [34] [35]
История понимания полупроводников начинается с экспериментов по электрическим свойствам материалов. Свойства температурно-временного коэффициента сопротивления, выпрямления и светочувствительности наблюдались с начала 19 века.
Томас Иоганн Зеебек был первым, кто заметил, что полупроводники проявляют особые свойства, так что эксперимент, касающийся эффекта Зеебека, дал гораздо более сильный результат при применении полупроводников в 1821 году. [36] В 1833 году Майкл Фарадей сообщил, что сопротивление образцов сульфида серебра уменьшается при нагревании. Это противоречит поведению металлических веществ, таких как медь. В 1839 году Александр Эдмон Беккерель сообщил о наблюдении напряжения между твердым и жидким электролитом при попадании света, фотогальванический эффект . В 1873 году Уиллоуби Смит заметил, что селеновые резисторы демонстрируют уменьшающееся сопротивление, когда на них падает свет. В 1874 году Карл Фердинанд Браун наблюдал проводимость и выпрямление в металлических сульфидах , хотя этот эффект был обнаружен гораздо раньше Петером Мунком аф Розеншельдом (sv), писавшим для Annalen der Physik und Chemie в 1835 году, [37] а Артур Шустер обнаружил, что слой оксида меди на проводах имеет выпрямляющие свойства, которые прекращаются, когда провода очищаются. Уильям Гриллс Адамс и Ричард Эванс Дэй наблюдали фотогальванический эффект в селене в 1876 году. [38]
Единое объяснение этих явлений требовало теории физики твердого тела , которая получила значительное развитие в первой половине 20-го века. В 1878 году Эдвин Герберт Холл продемонстрировал отклонение текущих носителей заряда приложенным магнитным полем, эффект Холла . Открытие электрона Дж . Дж. Томсоном в 1897 году подтолкнуло к теориям электронной проводимости в твердых телах. Карл Бедекер , наблюдая эффект Холла с обратным знаком по сравнению с металлами, предположил, что иодид меди имеет положительные носители заряда. Йохан Кенигсбергер классифицировал твердые материалы как металлы, изоляторы и «переменные проводники» в 1914 году, хотя его ученик Йозеф Вайс уже ввел термин Halbleiter (полупроводник в современном значении) в своей докторской диссертации. диссертацию в 1910 году. [39] [40] Феликс Блох опубликовал теорию движения электронов через атомные решетки в 1928 году. В 1930 году Б. Гудден заявил, что проводимость в полупроводниках обусловлена незначительными концентрациями примесей. К 1931 году зонная теория проводимости была создана Аланом Херрисом Уилсоном , и была разработана концепция запрещенных зон. Уолтер Х. Шоттки и Невилл Фрэнсис Мотт разработали модели потенциального барьера и характеристик перехода металл-полупроводник . К 1938 году Борис Давыдов разработал теорию выпрямителя на основе оксида меди, определив влияние p–n-перехода и важность неосновных носителей и поверхностных состояний. [37]
Согласие между теоретическими предсказаниями (основанными на развитии квантовой механики) и экспериментальными результатами иногда было плохим. Позже Джон Бардин объяснил это как чрезвычайно «структурно-чувствительное» поведение полупроводников, свойства которых резко меняются в зависимости от крошечных количеств примесей. [37] Коммерчески чистые материалы 1920-х годов, содержащие различные пропорции следовых примесей, давали различные экспериментальные результаты. Это подстегнуло разработку усовершенствованных методов очистки материалов, что привело к появлению современных полупроводниковых заводов, выпускающих материалы с чистотой частей на триллион.
Устройства с использованием полупроводников изначально конструировались на основе эмпирических знаний, прежде чем теория полупроводников дала руководство по созданию более эффективных и надежных устройств.
Александр Грэхем Белл использовал светочувствительное свойство селена для передачи звука по лучу света в 1880 году. Рабочий солнечный элемент с низкой эффективностью был построен Чарльзом Фриттсом в 1883 году с использованием металлической пластины, покрытой селеном и тонким слоем золота; устройство стало коммерчески полезным в фотографических экспонометрах в 1930-х годах. [37] Точечные контактные микроволновые детекторные выпрямители, изготовленные из сульфида свинца, использовались Джагадишем Чандра Бозе в 1904 году; детектор «кошачий ус», использующий природный галенит или другие материалы, стал обычным устройством при разработке радио . Однако он был несколько непредсказуем в работе и требовал ручной настройки для лучшей производительности. В 1906 году Х. Дж. Раунд наблюдал излучение света, когда электрический ток проходил через кристаллы карбида кремния , принцип, лежащий в основе светодиода . Олег Лосев наблюдал подобное излучение света в 1922 году, но в то время эффект не имел практического применения. Силовые выпрямители, использующие оксид меди и селен, были разработаны в 1920-х годах и стали коммерчески важными как альтернатива выпрямителям на электронных лампах . [38] [37]
Первые полупроводниковые приборы использовали галенит , включая кристаллический детектор немецкого физика Фердинанда Брауна в 1874 году и радиокристаллический детектор индийского физика Джагадиша Чандры Бозе в 1901 году. [41] [42]
В годы, предшествовавшие Второй мировой войне, инфракрасные устройства обнаружения и связи побудили исследования материалов на основе сульфида свинца и селенида свинца. Эти устройства использовались для обнаружения кораблей и самолетов, для инфракрасных дальномеров и для систем голосовой связи. Точечный кристаллический детектор стал жизненно важным для микроволновых радиосистем, поскольку доступные устройства на вакуумных трубках не могли служить детекторами выше 4000 МГц; передовые радиолокационные системы полагались на быстрый отклик кристаллических детекторов. Значительные исследования и разработки кремниевых материалов проводились во время войны для разработки детекторов постоянного качества. [37]
Детектор и силовые выпрямители не могли усилить сигнал. Было предпринято много усилий для разработки твердотельного усилителя, и они увенчались успехом в разработке устройства, называемого точечным контактным транзистором , которое могло усиливать 20 дБ и более. [43] В 1922 году Олег Лосев разработал двухполюсные усилители с отрицательным сопротивлением для радио, но он умер в блокаде Ленинграда после успешного завершения. В 1926 году Юлиус Эдгар Лилиенфельд запатентовал устройство, напоминающее полевой транзистор , но оно не было практичным. Р. Хильш и Р. В. Поль в 1938 году продемонстрировали твердотельный усилитель, использующий структуру, напоминающую управляющую сетку электронной лампы; хотя устройство демонстрировало усиление мощности, оно имело частоту среза один цикл в секунду, что слишком мало для любых практических применений, но являлось эффективным применением имеющейся теории. [37] В Bell Labs Уильям Шокли и А. Холден начали исследовать твердотельные усилители в 1938 году. Первый p–n-переход в кремнии наблюдал Рассел Оль около 1941 года, когда было обнаружено, что образец является светочувствительным, с резкой границей между примесью p-типа на одном конце и n-типа на другом. Срез, вырезанный из образца на границе p–n, вырабатывал напряжение при воздействии света.
Первым рабочим транзистором был точечный транзистор, изобретенный Джоном Бардином , Уолтером Хаузером Браттейном и Уильямом Шокли в Bell Labs в 1947 году. Ранее Шокли выдвинул теорию полевого усилителя из германия и кремния, но ему не удалось построить такое рабочее устройство, прежде чем в конечном итоге использовать германий для изобретения точечного транзистора. [44] Во Франции во время войны Герберт Матаре наблюдал усиление между соседними точечными контактами на германиевой основе. После войны группа Матаре объявила о своем усилителе « Transistron » вскоре после того, как Bell Labs объявила о « транзисторе ».
В 1954 году физик-химик Моррис Таненбаум изготовил первый кремниевый транзистор в Bell Labs . [45] Однако первые транзисторы с переходом были относительно громоздкими устройствами, которые было трудно производить на основе массового производства , что ограничивало их применение рядом специализированных приложений. [46]
