KursyPoradnikiInspirujące DIYForum

Historia tranzystora w skrócie. Wynalezienie czy odkrycie?

Historia tranzystora w skrócie. Wynalezienie czy odkrycie?

Wydaje się, że pierwszymi elementami czynnymi, czyli wzmacniającymi, były lampy elektronowe, które zastąpiono tranzystorami. Prawda jest jednak znacznie bogatsza i ciekawsza.

To, co nazywa się wynalezieniem tranzystora, w rzeczywistości było przypadkowym odkryciem – rodzajem wypadku przy pracy.

Czego dowiesz się z tego artykułu?

W tym artykule opisana została intrygująca historia tranzystorów – elementów wzmacniających, dzięki którym działa cała otaczająca nas dziś elektronika. Warto wiedzieć, że oprócz tranzystorów i lamp elektronowych w rozwoju cywilizacji dużą rolę odgrywały inne elementy, dziś już niemal zapomniane.

Podstawą dzisiejszej cywilizacji jest elektronika oparta na układach scalonych, które z kolei składają się z tranzystorów. W szkole uczymy się, że tranzystory wynaleziono w grudniu roku 1947. Jednak wbrew powszechnym wyobrażeniom nie były to „te tranzystory”, które są fundamentem naszej cywilizacji.

Wzmacniacze węglowe, magnetyczne i lampy

Tranzystory pojawiły się dopiero w połowie XX wieku. Natomiast początków obecnej elektroniki należy doszukiwać się pod koniec wieku XIX. Ma to związek z telefonią i radiofonią, bo w obu tych dziedzinach kluczową kwestią był problem wzmacniania słabych sygnałów. Zarówno sygnał telefoniczny w kablach, jak i sygnał radiowy słabną wraz ze wzrostem odległości.

Pierwszymi wzmacniaczami były… wzmacniacze węglowe, przede wszystkim w postaci mikrofonów węglowych, które w telefonii były używane przez około 100 lat, mianowicie do lat 80. XX wieku. W XX wieku wykorzystywano też wzmacniacze magnetyczne – do niedawna były one stosowane m.in. w lotnictwie, bo miały korzystniejsze właściwości niż na pozór lepsze wzmacniacze z lampami czy półprzewodnikami. To bardzo interesująca, zaskakująca i często nieznana historia.

Przykładowy wzmacniacz magnetyczny (zdjęcie: Doodybutch, CC BY-SA 4.0)

Przykładowy wzmacniacz magnetyczny (zdjęcie: Doodybutch, CC BY-SA 4.0)

Jednak na początku XX wieku podstawowymi elementami wzmacniającymi były próżniowe lampy elektronowe. Pierwsza lampa wzmacniająca, trioda, zwana z początku audionem, została wynaleziona w roku 1907. Lee de Forest, jej wynalazca i posiadacz patentu, z początku sądził, że wewnątrz lampy powinien być jakiś rozrzedzony gaz, a nie próżnia. Już to pokazuje, że wynalazki pojawiały się przypadkowo, a ich twórcy nie do końca rozumieli, co robią i co uzyskują.

Audion (zdjęcie: Paul Thompson, public domain)

Audion (zdjęcie: Paul Thompson, public domain)

To, że podczas wynajdywania nowych elementów zdarzają się dziwne sytuacje, ujawniło się jeszcze bardziej w przypadku tranzystorów. Otóż po wynalezieniu lampy elektronowej poznano i zbadano jej zasady działania. Pojawiały się kolejne, coraz lepsze wersje lamp elektronowych.

(Mini)ankieta: czy powinniśmy napisać osobny artykuł o lampach elektronowych Tak, jestem zainteresowany - Nie

Podstawą ich wzmacniającego działania była obecność elektrody zwanej siatką. Ujemne napięcie siatki powodowało wytworzenie pola elektrycznego odpychającego elektrony, które chciały wędrować w próżni od katody do anody.

Lampy elektronowe były nieporęczne i kłopotliwe w eksploatacji. Dlatego już od lat 20. XX wieku zastanawiano się, jak zrobić podobny element wzmacniający, ale nie w postaci lampy próżniowej, tylko bardziej poręcznego elementu, zbudowanego z jakiegoś innego materiału.

Półprzewodnikowe elementy wzmacniające

W sumie chodziło o to, jak za pomocą pola elektrycznego, podobnie jak w lampie, zmieniać wielkość prądu płynącego przez materiał przewodzący. Ale tym razem materiałem przewodzącym nie mógł być metal. Najprościej to ujmując, metale „zbyt dobrze przewodzą prąd”. Już w latach 20. wiedziano, że bardzo obiecującymi materiałami są materiały półprzewodnikowe – materiały krystaliczne, ciała stałe.

Fragment wniosku patentowego z 1926 roku

Fragment wniosku patentowego z 1926 roku

Powyższy rysunek pokazuje patent z roku 1930, zgłoszony w roku 1926 (tak!) przez pochodzącego ze Lwowa Juliusa Lilienfelda. Podobne pomysły przedstawili w tym czasie także inni naukowcy, m.in. niemiecki uczony Oskar Heil.

Historia tranzystora – wynalazek czy odkrycie?

Wszystko wskazywało, że słuszna jest koncepcja, by za pomocą pola elektrycznego sterować ilością elektronów przepływających przez materiał półprzewodnikowy. Niestety, nie udawało się zbudować działającego modelu. Dziś wiemy dlaczego: głównie z powodu zbyt dużej ilości zanieczyszczeń w materiale półprzewodnikowym, ale także z innych ważnych, ale wówczas nieznanych jeszcze przyczyn.

W każdym razie coraz bardziej rosnąca wiedza na temat półprzewodników wskazywała, że kierunek jest prawidłowy, natomiast podejmowane próby dawały fatalne wyniki. Niemniej liczne materiały półprzewodnikowe badano na różne sposoby, nie tylko w celu stworzenia półprzewodnikowej odmiany lampy triody. Jednym z bardzo ambitnych naukowców chcących zrealizować „półprzewodnikową triodę” w latach 40. był William Shockley. Jemu też się nie udawało, choć kierunek był słuszny.

William Bradford Shockley Jr. (zdjęcie: Chuck Painter / Stanford News Service, CC BY 3.0)

William Bradford Shockley Jr. (zdjęcie: Chuck Painter / Stanford News Service, CC BY 3.0)

Jednym z kluczowych problemów były tzw. ładunki powierzchniowe, które niejako blokowały działanie pola elektrycznego na wnętrze materiału półprzewodnikowego. Jak potoczyła się ta historia i kto wynalazł tranzystor?

Kto wynalazł tranzystor?

Otóż dwaj samodzielnie pracujący podwładni wyżej wspomnianego Shockleya: teoretyk John Bardeen oraz fizyk – eksperymentator Walter Brattain badali problem ładunków powierzchniowych, chcąc stworzyć półprzewodnikowy element wzmacniający. W celu zlikwidowania problemu ładunków powierzchniowych przeprowadzali rozmaite eksperymenty. Pomocne okazało się m.in. zanurzenie testowanego systemu półprzewodnikowego w wodzie.

Podczas takich badań na wpół przypadkiem odkryli, że dziwny twór, w którym powierzchnię sztabki półprzewodnika (germanu) dotykają cieniutkie złote ostrza, może wzmacniać prąd – ogólnie: może wzmacniać sygnały elektryczne. Jednak powstały „potworek”, który widoczny jest niżej, działał na zdecydowanie innej zasadzie, niż się spodziewali. To było przypadkowe odkrycie.

Replika pierwszego tranzystora (zdjęcie: Unitronic, CC BY-SA 3.0)

Replika pierwszego tranzystora (zdjęcie: Unitronic, CC BY-SA 3.0)

Badacze ci próbowali wynaleźć półprzewodnikową triodę, w której przepływ prądu sterowany miał być przez pole elektryczne, a przypadkiem zrealizowali coś zupełnie innego, czego działania wtedy nikt do końca nie rozumiał, a co dziś nazywamy tranzystorem ostrzowym. Wynalazek ten przedstawili w przeddzień świąt, 23 grudnia 1947. Było to bardziej przypadkowe odkrycie niż świadomy wynalazek.

Wszyscy trzej są na pamiątkowych fotografiach, ale postawa i charakter Shockleya spowodowały, że od początku powstaniu i udoskonalaniu tranzystora towarzyszyły silne negatywne emocje, co zresztą później zaowocowało dosłownie buntem podległych mu naukowców i powstaniem tak ważnych firm jak Fairchild Semiconductor i – do dziś znanych – Intel oraz Texas Instruments.

Wynalazcy tranzystora (od lewej): John Bardeen, William Shockley, Walter Brattain

Wynalazcy tranzystora (od lewej): John Bardeen, William Shockley, Walter Brattain

Nagrodę Nobla w 1956 roku za odkrycie tranzystora otrzymali Bardeen, Brattain i ich kierownik Shockley. Jednak trzeba pamiętać, że korzystali oni z wcześniejszych prac i badań wielu naukowców oraz fizyków teoretyków zajmujących się półprzewodnikami i fizyką kwantową.

Warto wiedzieć, że niezależnie od tych Amerykanów mniej więcej pół roku później podobny element (transistron) wynaleźli w Europie Herbert Mataré i Heinrich Welker, a już wcześniej, w czasie wojny, nad tematem pracowali też naukowcy niemieccy. Tranzystor ma więc wielu ojców i ciężko jednoznacznie odpowiedzieć na pytanie, kto go wynalazł – najczęściej za wynalazców uznaje się trzech badaczy z powyższego zdjęcia.

Tranzystor polowy złączowy JFET

Kolejnym krokiem – ulepszeniem – była koncepcja nadającego się do praktycznej realizacji tranzystora złączowego, zaproponowana wkrótce przez Shockleya. Wszystko to były tranzystory bipolarne (PNP oraz NPN). Później, w roku 1957 Shockley wreszcie zrealizował tranzystor, w którym przepływ prądu sterowany jest polem elektrycznym – tranzystor polowy złączowy, w skrócie JFET.

Tak upragniony element, będący półprzewodnikową triodą, nie odniósł jednak sukcesu. Wcześniej upowszechniły się bowiem tranzystory bipolarne PNP i NPN, najpierw germanowe, potem krzemowe.

Tranzystor polowy MOSFET

Badania nad materiałami i różnymi strukturami półprzewodnikowymi trwały nadal. Kluczowe okazały się badania nad specyficznym kondensatorem, w którym jedną okładką jest domieszkowany półprzewodnik, czyli krzem (S – od ang. semiconductor), izolatorem jest cieniutka warstewka tlenku na powierzchni tego półprzewodnika (O – od ang. oxide, tlenek), a drugą okładką kondensatora jest warstewka metalu (M – od ang. metal). Czyli badania nad kondensatorem MOS.

To kondensator o specyficznych właściwościach – napięcie na jego okładkach w przedziwny sposób zmienia właściwości elektryczne półprzewodnikowej okładki tego kondensatora i tworzy się tam przewodzący prąd kanał. Właśnie taki dziwny kondensator stał się podstawą najważniejszych dziś tranzystorów MOSFET.

Dwie powyższe grafiki to fragmenty tego patentu z roku 1960. Dopiero to był początek nowoczesnej elektroniki. Wynalezienie MOSFET-ów również jest efektem prac wielu naukowców, w tym ambitnego Shockleya. Jednak za ich ojców uznawani są Mohamed Atalla i Dawon Kahng. Zapamiętaj: najważniejsze dziś tranzystory (MOSFET-y) wynaleziono około roku 1960!

Dalsza historia tranzystora

Pierwsze praktycznie użyteczne tranzystory były bipolarnymi germanowymi tranzystorami PNP. Potem pojawiły się tranzystory krzemowe NPN i PNP i zdobyły ogromną popularność. Natomiast tak długo oczekiwane tranzystory polowe (krzemowe złączowe JFET) stosowane były i są tylko w nielicznych, zastosowaniach. Po wynalezieniu tranzystorów MOSFET (z kanałem typu N i kanałem typu P) zaczęły się one upowszechniać, a tranzystory bipolarne NPN i PNP stopniowo traciły na znaczeniu.

Najpierw był to arsenek galu (GaAs), a obecnie na naszych oczach odbywa się kolejna rewolucja –upowszechniają się bardzo szybkie i „energooszczędne” tranzystory (polowe) zbudowane z węglika krzemu (SiC) oraz azotku galu (GaN).

Badania nad innymi półprzewodnikami pozwoliły na stworzenie szybszych tranzystorów

Badania nad innymi półprzewodnikami pozwoliły na stworzenie szybszych tranzystorów

Można więc powiedzieć, że przypadkowo odkryte w roku 1947 tranzystory bipolarne są wypierane przez rozmaite tranzystory polowe. Dziś dominują tranzystory polowe MOSFET. To one pracują we wszystkich mikroprocesorach i innych układach cyfrowych.

Układ scalony – jak jest zbudowany?
Układ scalony – jak jest zbudowany?

Co to jest układ scalony? To pytanie zadawane nie tylko przez elektroników, bo to dzięki tym elementom powstają wszystkie elektroniczne…... Czytaj dalej »

Podsumowanie – co warto zapamiętać?

Warto zapamiętać, że wbrew potocznym wyobrażeniom tranzystory bipolarne PNP i NPN, które wynaleziono, a raczej odkryto w roku 1947, nie są budulcem nowoczesnych układów scalonych. One okazały się „elementami przejściowymi”. Dziś mają mniejsze znaczenie.

Czy wpis był pomocny? Oceń go:

Średnia ocena 4.8 / 5. Głosów łącznie: 137

Nikt jeszcze nie głosował, bądź pierwszy!

Artykuł nie był pomocny? Jak możemy go poprawić? Wpisz swoje sugestie poniżej. Jeśli masz pytanie to zadaj je w komentarzu - ten formularz jest anonimowy, nie będziemy mogli Ci odpowiedzieć!

Tranzystory MOSFET wynaleziono około roku 1960. Teraźniejszość i przyszłość (na ten moment) należy do różnych odmian takich tranzystorów polowych, których działanie ma bliższy związek z lampami elektronowymi niż tranzystorami bipolarnymi. Dlatego warto interesować się zarówno klasycznymi, krzemowymi MOSFET-ami, jak i ich odmianami wykonanymi z innych materiałów.

Piotr Górecki

O autorze: Piotr Górecki

Piotr Górecki
Popularyzator elektroniki, konstruktor z ponad 30-letnim doświadczeniem, autor książek i tysięcy artykułów omawiających różne aspekty elektroniki.

historia, teoria, tranzystor

Trwa ładowanie komentarzy...