Транзистор — полупроводниковый прибор , имеющий как минимум три вывода для подключения к электрической цепи . В общем случае третий терминал контролирует поток тока между двумя другими терминалами. Это можно использовать для усиления, как в случае радиоприемника , или для быстрого переключения, как в случае цифровых схем. Транзистор заменил ламповый триод , также называемый (термоэлектронным) клапаном, который был намного больше по размеру и потреблял значительно больше энергии для работы. Первый транзистор был успешно продемонстрирован 23 декабря 1947 года в Bell Laboratories в Мюррей-Хилл, штат Нью-Джерси. Bell Labs была исследовательским подразделением компании American Telephone and Telegraph (AT&T). Тремя людьми, которым приписывают изобретение транзистора, были Уильям Шокли , Джон Бардин и Уолтер Браттейн . Появление транзистора часто считают одним из самых важных изобретений в истории. [1] [2]
Транзисторы делятся на две категории: биполярный транзистор (BJT) и полевой транзистор (FET). [3]
Принцип полевого транзистора был предложен Юлиусом Эдгаром Лилиенфельдом в 1925 году. [4] Джон Бардин , Уолтер Браттейн и Уильям Шокли изобрели в Bell Labs первые рабочие транзисторы — точечный транзистор в 1947 году. Шокли представил улучшенный биполярный транзистор. переходной транзистор в 1948 году, который поступил в производство в начале 1950-х годов и привел к первому широкому использованию транзисторов.
МОП -транзистор (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник), также известный как МОП-транзистор, был изобретен Мохамедом Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs в 1959 году. МОП-транзисторы потребляют еще меньше энергии, что привело к массовому производству МОП-транзисторов. Транзисторы широкого спектра применения. С тех пор MOSFET стал самым широко производимым устройством в истории.
.jpg/1280px-Julius_Edgar_Lilienfeld_(1881-1963).jpg)
Первый патент [5] на принцип полевого транзистора был подан в Канаде австрийско-венгерским физиком Юлиусом Эдгаром Лилиенфельдом 22 октября 1925 года, но Лилиенфельд не опубликовал исследовательских статей о своих устройствах, а его работа была проигнорирована промышленностью. В 1934 году немецкий физик доктор Оскар Хайль запатентовал еще один полевой транзистор. [6] Прямых доказательств того, что эти устройства были созданы, нет, но более поздние работы, проведенные в 1990-х годах, показали, что одна из конструкций Лилиенфельда работала так, как описано, и дала существенную выгоду. Юридические документы по патенту Bell Labs показывают, что Уильям Шокли и его коллега из Bell Labs Джеральд Пирсон создали рабочие версии патентов Лилиенфельда, однако они никогда не ссылались на эту работу ни в одной из своих более поздних исследовательских работ или исторических статей. [7]
Работа лаборатории Белла над транзистором возникла в результате попыток во время войны произвести «кристаллические» смесительные диоды из чрезвычайно чистого германия , которые использовались в радиолокационных устройствах в качестве элемента частотного смесителя в приемниках микроволновых радаров. Британские исследователи создали модели с использованием вольфрамовой нити на германиевом диске, но они были сложны в изготовлении и не особенно надежны. [8] Версия Белла представляла собой монокристаллическую конструкцию, которая была меньше по размеру и полностью прочной. Параллельный проект по германиевым диодам в Университете Пердью позволил создать полупроводниковые кристаллы германия хорошего качества, которые использовались в Bell Labs. [9] Ранние ламповые схемы не переключались достаточно быстро для этой роли, в результате чего команда Bell вместо этого использовала твердотельные диоды .
После войны Шокли решил попытаться создать полупроводниковый прибор типа триода . Он обеспечил финансирование и лабораторное пространство и начал работать над проблемой вместе с Бардином и Брэттеном. Джон Бардин в конечном итоге разработал новую ветвь квантовой механики , известную как физика поверхности , чтобы объяснить «странное» поведение, которое они наблюдали, а Бардину и Уолтеру Брэттену в конечном итоге удалось построить работающее устройство.
Ключом к созданию транзистора стало дальнейшее понимание процесса подвижности электронов в полупроводнике. Было понятно, что если бы существовал какой-то способ контролировать поток электронов от эмиттера к коллектору этого недавно открытого диода (открыт в 1874 году; запатентован в 1906 году), можно было бы построить усилитель . Например, если разместить контакты по обе стороны кристалла одного типа, ток через него не будет течь. Однако, если бы третий контакт мог затем «впрыскивать» электроны или дырки в материал, ток потек бы.
На самом деле сделать это оказалось очень сложно. Если бы кристалл имел какой-либо разумный размер, количество инжектируемых электронов (или дырок) должно было бы быть очень большим, что делало бы его менее полезным в качестве усилителя, поскольку для начала потребовался бы большой ток инжекции. Тем не менее, вся идея кристаллического диода заключалась в том, что сам кристалл мог доставлять электроны на очень небольшое расстояние, в область истощения. Ключевым моментом оказалось размещение входных и выходных контактов очень близко друг к другу на поверхности кристалла по обе стороны от этой области.
Браттейн начал работать над созданием такого устройства, и по мере того, как команда работала над проблемой, продолжали появляться дразнящие намеки на усиление. Иногда система работала, но потом неожиданно переставала работать. В одном случае нерабочая система начала работать, когда ее поместили в воду. Электроны в любой части кристалла будут мигрировать из-за соседних зарядов. Электроны в эмиттерах или «дыры» в коллекторах будут группироваться на поверхности кристалла, где они смогут найти свой противоположный заряд, «плавающий» в воздухе (или воде). Однако их можно было оттолкнуть от поверхности, приложив небольшое количество заряда из любого другого места кристалла. Вместо большого количества инжектированных электронов, очень небольшое их количество в нужном месте кристалла позволит добиться того же самого.
Их понимание в некоторой степени решило проблему необходимости очень маленькой зоны контроля. Вместо двух отдельных полупроводников, соединенных общей, но крошечной областью, можно использовать одну большую поверхность. Выводы эмиттера и коллектора должны быть расположены очень близко друг к другу сверху, а вывод управления — у основания кристалла. Когда ток подавался на «базовый» вывод, электроны или дырки выталкивались через блок полупроводника и собирались на дальней поверхности. Пока эмиттер и коллектор расположены очень близко друг к другу, между ними должно оставаться достаточное количество электронов или дырок, чтобы началась проводимость.
Одним из первых свидетелей этого явления стал Ральф Брэй, молодой аспирант. Он присоединился к исследованиям германия в Университете Пердью в ноябре 1943 года и получил непростую задачу по измерению сопротивления растекания на контакте металл-полупроводник. Брей обнаружил множество аномалий, таких как внутренние барьеры с высоким сопротивлением в некоторых образцах германия. Самым любопытным явлением было исключительно низкое сопротивление, наблюдаемое при подаче импульсов напряжения. Этот эффект оставался загадкой, поскольку до 1948 года никто не осознавал, что Брэй наблюдал инжекцию неосновных носителей — эффект, который был выявлен Уильямом Шокли из Bell Labs и сделал транзистор реальностью.
Брэй писал: «Это был единственный аспект, который мы упустили, но даже если бы мы поняли идею инъекции неосновных носителей… мы бы сказали: «О, это объясняет наши эффекты». Мы не обязательно могли бы пойти дальше и сказать: «Давайте начнем производить транзисторы», открыть завод и продавать их… В то время важным устройством был выпрямитель с высоким обратным напряжением». [10]
Исследовательская группа Шокли первоначально попыталась создать полевой транзистор (FET), пытаясь модулировать проводимость полупроводника , но безуспешно, в основном из-за проблем с поверхностными состояниями , оборванной связью и соединениями германия и меди . . В ходе попыток понять загадочные причины, по которым им не удалось создать работающий полевой транзистор, это привело их к изобретению биполярных транзисторов с точечным контактом и переходом . [11] [12]
Команда Bell предприняла множество попыток построить такую систему с помощью различных инструментов, но в целом потерпела неудачу. Установки, в которых контакты располагались достаточно близко, всегда были такими же хрупкими, как и оригинальные детекторы из кошачьих усов, и работали лишь кратковременно, если вообще работали. В конце концов они совершили практический прорыв. К краю треугольного пластикового клина приклеили кусок золотой фольги, а затем фольгу надрезали бритвой на кончике треугольника. В результате получились два очень близко расположенных контакта золота. Когда пластик прижали к поверхности кристалла и приложили напряжение к другой стороне (на основании кристалла), ток начал течь от одного контакта к другому, поскольку напряжение базы отталкивало электроны от базы в сторону другая сторона возле контактов. Был изобретен точечный транзистор .
Из записи в лабораторной записной книжке Уолтера Бриттена от 15 декабря 1947 года: «Когда точки были очень близко друг к другу, напряжение составляло около 2, но не усилитель мощности. Это усиление напряжения не зависело от частоты и составляло от 10 до 10 000 циклов». [13]
А в заметках от 16 декабря 1947 года: «Используя этот двухточечный контакт, был установлен контакт с германиевой поверхностью, которая была анодирована до напряжения 90 В, электролит смыт в H 2 O, а затем на ней было напылено несколько золотых пятен. Золотые контакты были прижаты к голой поверхности. Оба золотых контакта с поверхностью хорошо выпрямились... Расстояние между точками составляло около 4х10 -3 см. Одна точка использовалась в качестве сетки, а другая - в качестве пластины. на сетке должно быть положительное значение, чтобы получить усиление... коэффициент усиления по мощности 1,3, коэффициент усиления по напряжению 15 на смещении пластины около 15 вольт". [14]
Браттейн и Х.Р. Мур провели демонстрацию нескольким своим коллегам и менеджерам в Bell Labs днем 23 декабря 1947 года, который часто называют датой рождения транзистора. «Германиевый транзистор с точечным контактом PNP» в этом испытании работал как усилитель речи с коэффициентом усиления 18. В 1956 году Джон Бардин , Уолтер Хаузер Браттейн и Уильям Брэдфорд Шокли были удостоены Нобелевской премии по физике «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта».
Двенадцать человек упоминаются как непосредственно причастные к изобретению транзистора в лаборатории Белла. [15]
В то же время некоторых европейских ученых вдохновила идея твердотельных усилителей. Немецкий физик Герберт Ф. Матаре (1912–2011) проводил эксперименты в Telefunken с тем, что он назвал « дуодиодом » (двойным диодом), с 1942 года, когда он впервые наблюдал эффекты крутизны с кремниевыми диодами, изготовленными для немецкого радиолокационного оборудования для Второй мировой войны . Наконец, 13 августа 1948 года Матаре и Генрих Велькер (1912–1981), работавшие в Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse в Ольне-су-Буа , Франция, подали заявку на патент на усилитель, основанный на процессе инжекции неосновных носителей, который они назвали «Транзистрон». [16] [17] [18] [19] Устройство было показано публично 18 мая 1949 года. Транзисторы серийно производились для французской телефонной компании и военных, а в 1953 году на выставке был продемонстрирован твердотельный радиоприемник с четырьмя транзисторами. Радиоярмарка в Дюссельдорфе .
Поскольку Bell Labs не делала публичного объявления о своем транзисторе до июня 1948 года, транзистор стал независимым параллельным открытием и разработкой.
Bell Telephone Laboratories требовалось общее название для нового изобретения: рассматривались «Полупроводниковый триод», «Триод поверхностных состояний», «Кристаллический триод», «Твердый триод» и «Иотатрон», но «Транзистор», придуманный Джоном Р. Пирс , был явным победителем внутреннего голосования (отчасти из-за сходства, которое инженеры Bell разработали с суффиксом «-истор»). [20] [21] Обоснование названия описано в следующем отрывке из Технического меморандума компании, призывающего к голосованию:
Транзистор. Это сокращенное сочетание слов « крутизна » или «перенос» и « варистор ». Логически устройство принадлежит к семейству варисторов и имеет крутизну или передаточное сопротивление устройства с коэффициентом усиления, так что эта комбинация носит описательный характер.
- Bell Telephone Laboratories - Технический меморандум (28 мая 1948 г.)
Пирс вспомнил это название несколько иначе:
Я дал имя, чтобы подумать о том, что делает устройство. И в то время это должна была быть двойная электронная лампа . Электронная лампа обладала крутизной, поэтому транзистор имел «транссопротивление». И название должно сочетаться с названиями других устройств, например, варистора и термистора. И. . . Я предложил название «транзистор».
- Джон Р. Пирс, интервью для шоу PBS "Transistorized!"
Нобелевский фонд утверждает, что этот термин представляет собой комбинацию слов «переносной» и « резистор ». [22]
Шокли был расстроен тем, что устройство приписывают Брэттену и Бардину, которые, по его мнению, построили его «за его спиной», чтобы завоевать славу. Ситуация ухудшилась, когда юристы Bell Labs обнаружили, что некоторые из собственных работ Шокли о транзисторе были достаточно близки к более раннему патенту 1925 года Юлиуса Эдгара Лилиенфельда , и они сочли лучшим, чтобы его имя было исключено из патентной заявки.
Германий было трудно очистить, и он имел ограниченный диапазон рабочих температур. Ученые предположили, что кремний будет легче изготовить, но мало кто удосужился изучить эту возможность. Моррис Таненбаум и др. в Bell Laboratories [23] первыми разработали рабочий кремниевый транзистор 26 января 1954 года. [24] Несколько месяцев спустя Гордон Тил , работавший независимо в Texas Instruments , разработал аналогичное устройство. Оба этих устройства были созданы путем контроля легирования монокристаллов кремния, выращенных из расплавленного кремния. Превосходный метод был разработан Моррисом Таненбаумом и Кэлвином С. Фуллером в Bell Laboratories в начале 1955 года путем газовой диффузии донорных и акцепторных примесей в монокристаллические кремниевые чипы. [25]
Однако вплоть до конца 1950-х годов германий оставался доминирующим полупроводниковым материалом для транзисторов и других полупроводниковых приборов . Первоначально германий считался более эффективным полупроводниковым материалом, поскольку он мог демонстрировать лучшие характеристики благодаря более высокой подвижности носителей . [26] [27] Относительная низкая производительность ранних кремниевых полупроводников была связана с тем, что электропроводность ограничивалась нестабильными квантовыми поверхностными состояниями , [28] что не позволяло электричеству надежно проникать через поверхность и достигать полупроводникового кремниевого слоя. [29] [30]
В 1955 году Карл Фрош и Линкольн Дерик из Bell Telephone Laboratories (BTL) случайно обнаружили, что диоксид кремния (SiO2) можно выращивать на кремнии. Они показали, что оксидный слой препятствует попаданию одних легирующих примесей в кремниевую пластину, в то же время допуская попадание других, тем самым обнаружив пассивирующий эффект окисления на поверхности полупроводника. [31] В 1950-х годах Мохамед Аталла , подхватив работу Фроша по окислению, исследовал поверхностные свойства кремниевых полупроводников в Bell Labs , где он предложил новый метод изготовления полупроводниковых приборов , покрыв кремниевую пластину изолирующим слоем оксида кремния. так что электричество могло надежно проникать в проводящий кремний ниже, преодолевая поверхностные состояния, которые не позволяли электричеству достичь полупроводникового слоя. Это известно как пассивация поверхности , метод, который стал критически важным для полупроводниковой промышленности , поскольку позже сделал возможным массовое производство кремниевых интегральных схем . [29] Он представил свои результаты в 1957 году. [ 32] Он изучал пассивацию pn-переходов оксидом и опубликовал свои экспериментальные результаты в записках BTL 1957 года. [32] Метод пассивации поверхности Аталлы позже стал основой для двух изобретений в 1959 году: МОП -транзистора Аталлы и Давона Канга и планарного процесса Жана Эрни . [33]
На собрании Электрохимического общества в 1958 году Аталла представил доклад о пассивации поверхности PN-переходов оксидом (основанный на его записках BTL 1957 года) [32] и продемонстрировал пассивирующее действие диоксида кремния на поверхность кремния. [33] Жан Эрни присутствовал на той же встрече и был заинтригован презентацией Аталлы. Однажды утром Эрни пришла в голову «планарная идея», когда он размышлял об устройстве Аталлы. [32] Воспользовавшись пассивирующим действием диоксида кремния на поверхность кремния, Эрни предложил создавать транзисторы, защищенные слоем диоксида кремния. [32]
Планарный процесс был разработан Жаном Эрни во время работы в Fairchild Semiconductor , а первый патент был выдан в 1959 году. [34] [35] Планарный процесс, используемый для изготовления этих транзисторов, сделал возможным массовое производство монолитных кремниевых интегральных схем .
В 1959 году был представлен МОП-транзистор, и в 2020 году он все еще оставался доминирующим типом используемых транзисторов, общее количество которых оценивалось в 13 секстиллионов ((1,3 × 10 22 ) МОП-транзисторы, произведенные в период с 1960 по 2018 год. Ключевые преимущества МОП-транзисторов перед биполярными транзисторами заключаются в том, что они не потребляют ток, за исключением случаев переключения состояний, и имеют более высокую скорость переключения (идеально подходит для цифровых сигналов).
Первая в мире коммерческая линия по производству транзисторов находилась на заводе Western Electric на бульваре Юнион в Аллентауне, штат Пенсильвания . Производство началось 1 октября 1951 года с германиевого транзистора с точечным контактом. [36]
Первое коммерческое применение транзисторов в телекоммуникациях произошло осенью 1952 года в генераторах тональных сигналов для многочастотной сигнализации системы коммутации № 5 Crossbar в Энглвуде, штат Нью-Джерси, которая использовалась для первых полевых испытаний системы прямого дистанционного набора (DDD). [37]
К 1953 году транзистор уже использовался в некоторых продуктах, таких как слуховые аппараты и телефонные станции , но все еще существовали серьезные проблемы, препятствующие его более широкому применению, такие как чувствительность к влаге и хрупкость проводов, прикрепленных к кристаллам германия. [38] Дональд Г. Финк , директор по исследованиям Philco , резюмировал статус коммерческого потенциала транзистора с помощью аналогии: «Это прыщавый подросток, сейчас неуклюжий, но обещающий будущую энергию? Или он достиг зрелости, полный томления, окруженного разочарованиями?» [38]
Полупроводниковые компании первоначально сосредоточились на переходных транзисторах в первые годы полупроводниковой промышленности . Однако переходной транзистор был относительно громоздким устройством, которое было трудно производить серийно , что ограничивало его ряд специализированных применений. [39]
Были продемонстрированы прототипы полностью транзисторных AM-радиоприемников, но на самом деле это были лишь лабораторные диковинки. Однако в 1950 году Шокли разработал радикально другой тип твердотельного усилителя, который стал известен как биполярный переходной транзистор , который работает по совершенно иному принципу, чем транзистор с точечным контактом . Морган Спаркс превратил биполярный транзистор в практичное устройство. [40] [41] Они также были лицензированы для ряда других электронных компаний, включая Texas Instruments , которые произвели ограниченную серию транзисторных радиоприемников в качестве инструмента продаж. Ранние транзисторы были химически нестабильными и подходили только для маломощных и низкочастотных приложений, но по мере развития конструкции транзисторов эти проблемы постепенно преодолевались.
Есть множество претендентов на звание первой компании, производящей практичные транзисторные радиоприемники. Компания Texas Instruments продемонстрировала полностью транзисторные AM-радиоприемники еще в 1952 году, но их характеристики были значительно ниже, чем у эквивалентных моделей электронных ламп. Работоспособный полностью транзисторный радиоприемник был продемонстрирован в августе 1953 года на радиоярмарке в Дюссельдорфе немецкой фирмой «Интерметалл». Он был построен с использованием четырех транзисторов ручной работы Intermetall, основанных на изобретении Герберта Матаре и Генриха Велкера в 1948 году. Однако, как и в случае с ранними техасскими (и другими) агрегатами, были построены только прототипы; он так и не был запущен в коммерческое производство.
Первый транзисторный радиоприемник часто ошибочно приписывают компании Sony (первоначально Tokyo Tsushin Kogyo), которая выпустила TR-55 в 1955 году. Однако ему предшествовал Regency TR-1 , созданный подразделением Regency компании IDEA (Industrial Development Engineering Associates). ) в Индианаполисе, штат Индиана, который был первым практическим транзисторным радиоприемником. [ нужна цитата ] TR-1 был анонсирован 18 октября 1954 года и поступил в продажу в ноябре 1954 года по цене 49,95 долларов США (эквивалент примерно 500 долларов США в долларах 2020 года), было продано около 150 000 единиц. [ нужна цитата ]
В TR-1 использовались четыре техасских NPN-транзистора, и он должен был питаться от батареи напряжением 22,5 В, поскольку единственный способ получить адекватные радиочастотные характеристики от ранних транзисторов — это запускать их близко к напряжению пробоя между коллектором и эмиттером . Это сделало TR-1 очень дорогим в эксплуатации, и он был гораздо более популярен из-за своей новизны или статусности, чем из-за его реальных характеристик, скорее, как первые MP3-плееры .
Тем не менее, несмотря на свою невысокую производительность, TR-1 был очень продвинутым продуктом для своего времени, в котором использовались печатные платы и то, что тогда считалось микроминиатюрными компонентами.
Масару Ибука , соучредитель японской фирмы Sony , находился с визитом в США, когда Bell Labs объявила о наличии производственных лицензий, включая подробные инструкции по производству переходных транзисторов. Ибука получил специальное разрешение от Министерства финансов Японии на оплату лицензионного сбора в размере 50 000 долларов, и в 1955 году компания представила свой собственный пятитранзисторный «карманный» радиоприемник TR-55 под новой торговой маркой Sony . Вскоре за этим продуктом последовали более амбициозные разработки, но обычно его считают началом превращения Sony в производственную сверхдержаву.
TR-55 был во многом похож на Regency TR-1, питался от той же 22,5-вольтовой батареи и был не намного более практичным. Примечание: согласно схеме, в TR-55 использовалось питание 6 Вольт. [42] Очень немногие из них были распространены за пределами Японии. Лишь в 1957 году Sony выпустила свой новаторский карманный радиоприемник «TR-63», гораздо более совершенную конструкцию, которая работала от стандартной 9-вольтовой батареи и могла выгодно конкурировать с портативными электронными лампами. TR-63 также был первым транзисторным радиоприемником, в котором использовались все миниатюрные компоненты. (Термин «карман» был предметом некоторой интерпретации, поскольку Sony якобы производила специальные рубашки с большими карманами для своих продавцов.)
В выпуске Wall Street Journal от 28 апреля 1955 года компании Chrysler и Philco объявили, что они разработали и произвели первый в мире полностью транзисторный автомобильный радиоприемник. [43] Осенью 1955 года компания Chrysler сделала полностью транзисторную автомобильную магнитолу Mopar модели 914HR доступной в качестве «опции» для своей новой линейки автомобилей Chrysler и Imperial 1956 года выпуска, которая появилась в выставочном зале 21 октября 1955 года. транзисторный автомобильный радиоприемник стоил 150 долларов. [44] [45] [46]
Sony TR-63, выпущенный в 1957 году, был первым транзисторным радиоприемником массового производства, что привело к проникновению транзисторных радиоприемников на массовый рынок. [47] К середине 1960-х годов по всему миру было продано семь миллионов единиц TR-63. [48] После видимого успеха TR-63 на рынок вышли японские конкуренты, такие как Toshiba и Sharp Corporation . [49] Успех Sony с транзисторными радиоприемниками привел к тому, что транзисторы заменили электронные лампы в качестве доминирующей электронной технологии в конце 1950-х годов. [50]
Первым недорогим переходным транзистором, доступным широкой публике, был CK722 , германиевый малый сигнальный элемент PNP, представленный компанией Raytheon в начале 1953 года по цене 7,60 доллара за штуку. В 1950-х и 1960-х годах в популярных книгах и журналах были опубликованы сотни проектов любителей электроники, основанных на транзисторе CK722. [51] [52] Компания Raytheon также участвовала в расширении роли CK722 как электронного устройства для любителей, опубликовав «Приложения для транзисторов» и «Приложения для транзисторов – Том 2» в середине 1950-х годов.
Первый в мире транзисторный компьютер был построен в Манчестерском университете в ноябре 1953 года. Компьютер был построен Ричардом Гримсдейлом , тогда студентом-исследователем факультета электротехники, а затем профессором электронной техники в Университете Сассекса. В машине использовались точечные транзисторы, производимые в небольших количествах компаниями STC и Mullard. Они состояли из монокристалла германия с двумя тонкими проволоками, напоминая кристалл и кошачьи усы 1920-х годов. Эти транзисторы обладали тем полезным свойством, что один транзистор мог иметь два стабильных состояния. ... Разработку машины сильно тормозила ненадежность транзисторов. Он потреблял 150 Вт. [53]
В 1956 году Metropolitan Vickers Ltd полностью перестроила конструкцию из 200 транзисторов (и 1300 диодов), используя переходные транзисторы (для внутреннего использования). [54]
IBM 7070 (1958 г.), IBM 7090 (1959 г.) и CDC 1604 (1960 г.) были первыми компьютерами (как продукты для продажи) на основе транзисторов.
Основываясь на своем методе пассивации поверхности кремния , Мохамед Аталла в конце 1950-х годов разработал процесс металл-оксид-полупроводник (МОП). [29] Он предположил, что МОП-процесс можно использовать для создания первого работающего кремниевого полевого транзистора (FET), над созданием которого он начал работать с помощью Давона Канга из Bell Labs . [29]
Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник ( MOSFET) был изобретен Аталлой и Кангом в Bell Labs. [55] [56] Они изготовили устройство в ноябре 1959 года, [57] и представили его как «поверхностное устройство, индуцированное полем кремния-диоксида кремния» в начале 1960 года. [58] Благодаря его высокой масштабируемости , [59] и намного ниже потребляемая мощность и более высокая плотность, чем у транзисторов с биполярным переходом, [60] MOSFET позволили создавать интегральные схемы (ИС) высокой плотности , [61] позволяя интегрировать более 10 000 транзисторов в одну ИС. [62]
Первый полевой транзистор с затвором Шоттки на основе арсенида галлия ( MESFET ) был изготовлен Карвером Мидом и опубликован в 1966 году. [63] Первый отчет о MOSFET с плавающим затвором (FGMOS) был сделан Давоном Кангом и Саймоном Се в 1967 году. . [64]
С тех пор MOSFET стал самым широко производимым устройством в истории. [65] [66] По состоянию на 2018 год было произведено в общей сложности 13 секстиллионов МОП-транзисторов. [65]
Первоначально существовало два типа логики MOSFET: PMOS ( МОП p-типа ) и NMOS ( МОП n-типа ). [67] Оба типа были разработаны Аталлой и Кангом, когда они первоначально изобрели МОП-транзисторы, производя устройства как PMOS, так и NMOS с использованием 20- мкм техпроцесса . [56]
Новый тип логики MOSFET, CMOS (дополнительный MOS), был изобретен Чи-Танг Са и Фрэнком Ванлассом в Fairchild Semiconductor , и в феврале 1963 года они опубликовали изобретение в исследовательской работе . [68] [69]
MOSFET -транзистор с самовыравнивающимся затвором (кремниевый затвор) был изобретен Робертом Кервином, Дональдом Кляйном и Джоном Сараче в Bell Labs в 1967 году. Исследователи Fairchild Semiconductor Федерико Фаггин и Том Кляйн позже использовали полевые МОП-транзисторы с самовыравнивающимся затвором для разработки первых кремниевых МОП-транзисторов. Интегральная схема МОП- затвора . [70]
МОП -транзистор , также известный как МОП-транзистор, был первым по-настоящему компактным транзистором, который можно было миниатюризировать и производить серийно для широкого спектра применений. [39] Это произвело революцию во всей электронной промышленности , [71] включая силовую электронику , [72] бытовую электронику , системы управления и компьютеры . [73] С тех пор MOSFET стал наиболее распространенным типом транзисторов в мире, который используется в компьютерах, электронике, [30] и коммуникационных технологиях (например, в смартфонах ). [74] МОП-транзистор называют «рабочей лошадкой электронной промышленности», поскольку он является строительным блоком каждого используемого микропроцессора , чипа памяти и телекоммуникационной схемы . [75] По состоянию на 2013 год ежедневно производятся миллиарды МОП-транзисторов. [61]
В 1964 году компания General Microelectronics представила первые коммерческие МОП- интегральные схемы , состоящие из 120 p-канальных транзисторов. [76] Это был 20-битный сдвиговый регистр , разработанный Робертом Норманом [77] и Фрэнком Ванлассом . [78] В 1967 году исследователи Bell Labs Роберт Кервин, Дональд Кляйн и Джон Сараче разработали МОП-транзистор с самовыравнивающимся затвором (кремниевым затвором), который исследователи Fairchild Semiconductor Федерико Фаггин и Том Кляйн использовали для разработки первой МОП - ИС с кремниевым затвором. . [70]
К 1972 году схемы MOS LSI ( крупномасштабная интеграция ) были коммерциализированы для многочисленных применений, включая автомобили , грузовики , бытовую технику , бизнес-машины , электронные музыкальные инструменты , компьютерную периферию , кассовые аппараты , калькуляторы, оборудование для передачи данных и телекоммуникационное оборудование. [79]
Первые современные ячейки памяти были представлены в 1965 году, когда Джон Шмидт разработал первую 64-битную MOS SRAM (статическую RAM ). [80] В 1967 году Роберт Х. Деннард из IBM подал патент на однотранзисторную ячейку памяти DRAM (динамическое ОЗУ), использующую MOSFET . [81]
Самым ранним практическим применением МОП-транзистора с плавающим затвором (FGMOS) были ячейки памяти с плавающим затвором , которые, как предложили Давон Кан и Саймон Се, можно было использовать для создания перепрограммируемого ПЗУ ( постоянной памяти ). [82] Ячейки памяти с плавающим затвором позже стали основой для технологий энергонезависимой памяти (NVM), включая EPROM (стираемое программируемое ПЗУ), EEPROM (электрически стираемое программируемое ПЗУ) и флэш-память .
МОП -транзистор является основой каждого микропроцессора . [75] Самые ранние микропроцессоры были МОП-микропроцессорами, построенными на основе МОП-БИС. Первые многокристальные микропроцессоры, Four-Phase Systems AL1 в 1969 году и Garrett AiResearch MP944 в 1970 году, были разработаны с использованием нескольких микросхем MOS LSI. Первый коммерческий однокристальный микропроцессор Intel 4004 был разработан Федерико Фаггином с использованием его технологии MOS IC с кремниевым затвором совместно с инженерами Intel Марсианом Хоффом и Стэном Мазором , а также инженером Busicom Масатоши Шимой . [83] С появлением КМОП- микропроцессоров в 1975 году термин «МОП-микропроцессоры» стал относиться к микросхемам, полностью изготовленным из логики PMOS или полностью изготовленным из логики NMOS , в отличие от «микропроцессоров КМОП» и «биполярных побитовых процессоров». [84]
Одним из первых влиятельных потребительских электронных продуктов, созданных на основе МОП-транзисторов, был электронный карманный калькулятор . [62] В 1965 году настольный калькулятор Victor 3900 был первым калькулятором МОП-БИС с 29 микросхемами МОП-БИС. [85] В 1967 году компания Texas Instruments Cal-Tech была первым прототипом электронного портативного калькулятора с тремя микросхемами MOS LSI, а в 1970 году он был выпущен как Canon Pocketronic. [86] Настольный калькулятор Sharp QT-8D был первым калькулятор LSI MOS, выпускавшийся серийно в 1969 году, [85] и Sharp EL-8 , в котором использовались четыре микросхемы MOS LSI, был первым коммерческим электронным портативным калькулятором в 1970 году. [86] Первым настоящим электронным карманным калькулятором был Busicom LE-120A HANDY. LE, в котором использовался единственный калькулятор на кристалле MOS LSI от Mostek , и был выпущен в 1971 году. [86]
В 1970-х годах МОП-микропроцессор послужил основой для домашних компьютеров , микрокомпьютеров (микро) и персональных компьютеров (ПК). Это привело к началу того, что известно как революция персональных компьютеров или революция микрокомпьютеров . [87]
Силовой МОП-транзистор является наиболее широко используемым силовым устройством в мире. [88] Преимущества по сравнению с биполярными переходными транзисторами в силовой электронике включают в себя МОП-транзисторы, не требующие непрерывного потока управляющего тока, чтобы оставаться во включенном состоянии, обеспечивающие более высокие скорости переключения, меньшие потери мощности при переключении, более низкое сопротивление в открытом состоянии и меньшую восприимчивость к тепловому выходу из-под контроля. [89] Силовой МОП-транзистор оказал влияние на источники питания , позволив повысить рабочие частоты, уменьшить размер и вес, а также увеличить объемы производства. [90]
Силовой МОП-транзистор, который обычно используется в силовой электронике , был разработан в начале 1970-х годов. [91] Мощный МОП-транзистор обеспечивает низкую мощность управления затвором, высокую скорость переключения и расширенные возможности параллельного подключения. [88]
Согласно статье на Hackster.io, в конце апреля 2023 года исследователи из Университета Линчёпинга и Королевского технологического института KTH успешно разработали первый в мире деревянный транзистор, потенциально открывающий путь к более устойчивой электронике и даже к контролю над электронными заводами. Команда создала функциональный транзистор для переключения электронных сигналов с использованием электролита на основе целлюлозы и органических полупроводников, полученных из лигнина . Этот прорыв может привести к дальнейшим исследованиям в области создания экологически чистых электронных устройств и изучению возможности интеграции электроники в живые растения для целей мониторинга и управления. [92]
1 октября 1951 года на заводе Western Electric на бульваре Юнион в Аллентауне была запущена первая в мире коммерческая линия по производству транзисторов.
Si MOSFET произвел революцию в электронной промышленности и, как следствие, влияет на нашу повседневную жизнь практически всеми мыслимыми способами.
Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET) является наиболее часто используемым активным устройством в очень крупномасштабной интеграции цифровых интегральных схем (СБИС). В 1970-е годы эти компоненты произвели революцию в электронной обработке сигналов, системах управления и компьютерах.
Сегодня по контрактам примерно с 20 крупными компаниями мы работаем над почти 30 программами продуктов — приложениями технологии MOS/LSI для автомобилей, грузовиков, бытовой техники, бизнес-машин, музыкальных инструментов, компьютерной периферии, кассовые аппараты, калькуляторы, оборудование для передачи данных и телекоммуникаций.
Относительная простота и малое энергопотребление МОП-транзисторов способствовали современной микрокомпьютерной революции.
