Ai đã tạo ra bóng bán dẫn đầu tiên? Câu hỏi này khiến rất nhiều người lo lắng. Bằng sáng chế đầu tiên cho nguyên lý bóng bán dẫn hiệu ứng trường được nhà vật lý người Áo-Hung Julius Edgar Lilienfeld đệ trình tại Canada vào ngày 22 tháng 10 năm 1925, nhưng Lilienfeld đã không công bố bất kỳ bài báo khoa học nào về thiết bị của mình và công trình của ông đã bị ngành công nghiệp phớt lờ. Như vậy, bóng bán dẫn đầu tiên trên thế giới đã đi vào lịch sử. Năm 1934, nhà vật lý học người Đức, Tiến sĩ Oskar Heil đã cấp bằng sáng chế cho một FET khác. Không có bằng chứng trực tiếp cho thấy những thiết bị này đã được chế tạo, nhưng công việc sau đó vào những năm 1990 cho thấy một trong những thiết kế của Lilienfeld đã hoạt động như mô tả và mang lại một kết quả đáng kể. Việc William Shockley và trợ lý của ông là Gerald Pearson đã tạo ra các phiên bản hoạt động của bộ máy từ bằng sáng chế của Lilienfeld, mà tất nhiên, nó chưa bao giờ được đề cập đến trong bất kỳ bài báo khoa học hoặc bài báo lịch sử nào sau này của họ. Tất nhiên, những chiếc máy tính transistorized đầu tiên được chế tạo muộn hơn nhiều.
Bella Lab
Bell Labs đã làm việc trên một bóng bán dẫn được chế tạo để tạo ra các điốt trộn "tinh thể" germanium cực kỳ tinh khiết được sử dụng trong việc lắp đặt radar như một phần của bộ trộn tần. Song song với dự án này, còn có nhiều dự án khác, bao gồm bóng bán dẫn diode germani. Các mạch dựa trên ống ban đầu không có khả năng chuyển mạch nhanh, và nhóm Bell đã sử dụng các điốt thể rắn để thay thế. Máy tính bán dẫn đầu tiên hoạt động theo nguyên tắc tương tự.
Khám phá thêm về Shockley
Sau chiến tranh, Shockley quyết định cố gắng chế tạo một thiết bị bán dẫn giống triode. Anh ta đảm bảo nguồn tài chính và không gian phòng thí nghiệm, sau đó làm việc với Bardeen và Bratten. John Bardeen cuối cùng đã phát triển một nhánh mới của cơ học lượng tử được gọi là vật lý bề mặt để giải thích những thất bại ban đầu của ông, và các nhà khoa học này cuối cùng đã thành công trong việc tạo ra một thiết bị hoạt động.
Chìa khóa cho sự phát triển của bóng bán dẫn là sự hiểu biết sâu hơn về quá trình di chuyển của điện tử trong chất bán dẫn. Người ta đã chứng minh rằng nếu có cách nào đó để điều khiển dòng electron từ bộ phát đến bộ thu của điốt mới được phát hiện này (phát hiện năm 1874, được cấp bằng sáng chế 1906), thì một bộ khuếch đại có thể được chế tạo. Ví dụ: nếu bạn đặt các điểm tiếp xúc ở hai bên của một loại tinh thể, sẽ không có dòng điện nào chạy qua nó.
Trong thực tế, nó hóa ra rất khó làm. Kích cỡtinh thể sẽ phải ở mức trung bình hơn, và số lượng điện tử (hoặc lỗ trống) được cho là cần được "đưa vào" là rất lớn, điều này sẽ làm cho nó kém hữu ích hơn so với một bộ khuếch đại vì nó sẽ yêu cầu một dòng điện phun lớn. Tuy nhiên, toàn bộ ý tưởng về diode tinh thể là bản thân tinh thể có thể giữ các electron ở một khoảng cách rất ngắn, trong khi gần như đang trên đà cạn kiệt. Rõ ràng, chìa khóa là giữ cho các chân đầu vào và đầu ra rất gần nhau trên bề mặt của tinh thể.
Tác phẩm của Bratten
Bratten đã bắt đầu làm việc trên một thiết bị như vậy và những dấu hiệu thành công tiếp tục xuất hiện khi nhóm nghiên cứu vấn đề này. Phát minh là công việc khó khăn. Đôi khi hệ thống hoạt động, nhưng sau đó lại xảy ra lỗi khác. Đôi khi kết quả công việc của Bratten bắt đầu hoạt động bất ngờ trong nước, rõ ràng là do độ dẫn điện cao của nó. Các electron trong bất kỳ phần nào của tinh thể di chuyển do các điện tích lân cận. Các điện tử trong bộ phát hoặc "lỗ trống" trong bộ thu tích tụ trực tiếp trên đỉnh của tinh thể, nơi chúng nhận điện tích trái dấu, "lơ lửng" trong không khí (hoặc nước). Tuy nhiên, chúng có thể bị đẩy khỏi bề mặt bằng cách đặt một lượng nhỏ điện tích từ bất kỳ nơi nào khác trên tinh thể. Thay vì yêu cầu một nguồn cung cấp lớn các điện tử được tiêm vào, một số lượng rất nhỏ ở đúng vị trí trên chip sẽ làm được điều tương tự.
Kinh nghiệm mới của các nhà nghiên cứu ở một mức độ nào đó đã giúp giải quyếtvấn đề đã gặp phải trước đây của một khu vực kiểm soát nhỏ. Thay vì phải sử dụng hai chất bán dẫn riêng biệt được kết nối bởi một khu vực chung nhưng nhỏ, một bề mặt lớn sẽ được sử dụng. Các đầu ra bộ phát và bộ thu sẽ ở trên cùng và dây điều khiển sẽ được đặt ở chân của tinh thể. Khi một dòng điện được đặt vào đầu cuối "cơ sở", các điện tử sẽ được đẩy qua khối bán dẫn và được thu thập ở bề mặt xa. Miễn là bộ phát và bộ thu ở rất gần nhau, điều này sẽ phải cung cấp đủ điện tử hoặc lỗ trống giữa chúng để bắt đầu dẫn điện.
Bray Tham gia
Một nhân chứng ban đầu cho hiện tượng này là Ralph Bray, một sinh viên trẻ mới tốt nghiệp. Ông tham gia phát triển bóng bán dẫn germani tại Đại học Purdue vào tháng 11 năm 1943 và được giao nhiệm vụ khó khăn là đo điện trở rò rỉ của một tiếp điểm kim loại-bán dẫn. Bray đã tìm thấy nhiều điểm bất thường, chẳng hạn như các rào cản kháng cao bên trong trong một số mẫu germani. Hiện tượng gây tò mò nhất là điện trở đặc biệt thấp được quan sát thấy khi áp dụng các xung điện áp. Các bóng bán dẫn đầu tiên của Liên Xô được phát triển trên cơ sở những phát triển của Mỹ.
Đột phá
Ngày 16 tháng 12 năm 1947, sử dụng tiếp điểm hai điểm, tiếp điểm được tạo ra với bề mặt germani được anốt hóa đến 90 vôn, chất điện phân được rửa thành H2O, và sau đó một số vàng rơi trên các điểm đó. Các điểm tiếp xúc bằng vàng được ép vào bề mặt trần. Phân chia giữacác chấm có kích thước khoảng 4 × 10-3cm. Một chấm được sử dụng làm lưới và chấm còn lại làm đĩa. Độ lệch (DC) trên lưới phải là dương để có được công suất điện áp trên độ lệch của tấm khoảng mười lăm vôn.
Phát minh ra bóng bán dẫn đầu tiên
Có rất nhiều câu hỏi liên quan đến lịch sử của cơ chế kỳ diệu này. Một số trong số chúng đã quen thuộc với người đọc. Ví dụ: tại sao các bóng bán dẫn đầu tiên thuộc loại PNP của Liên Xô? Câu trả lời cho câu hỏi này nằm ở phần tiếp nối của toàn bộ câu chuyện này. Bratten và H. R. Moore đã chứng minh với một số đồng nghiệp và quản lý tại Bell Labs vào chiều ngày 23 tháng 12 năm 1947, kết quả mà họ đã đạt được, đó là lý do tại sao ngày này thường được gọi là ngày sinh của bóng bán dẫn. Một bóng bán dẫn germanium tiếp xúc PNP hoạt động như một bộ khuếch đại giọng nói với mức tăng công suất là 18. Đây là câu trả lời cho câu hỏi tại sao các bóng bán dẫn đầu tiên của Liên Xô là loại PNP, vì chúng được mua từ người Mỹ. Năm 1956, John Bardeen, W alter Houser Bratten và William Bradford Shockley được trao giải Nobel Vật lý cho công trình nghiên cứu về chất bán dẫn và khám phá ra hiệu ứng bóng bán dẫn.
Mười hai người được ghi nhận là đã tham gia trực tiếp vào việc phát minh ra bóng bán dẫn tại Bell Labs.
Bóng bán dẫn đầu tiên ở Châu Âu
Cùng lúc đó, một số nhà khoa học châu Âu hào hứng với ý tưởng về bộ khuếch đại trạng thái rắn. Vào tháng 8 năm 1948, các nhà vật lý người Đức Herbert F. Matare và Heinrich Welker, những người làm việc tại Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse ở Aulnay-sous-Bois, Pháp, đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho một bộ khuếch đại dựa trên một thiểu số cái mà họ gọi là "bóng bán dẫn". Bởi vì Bell Labs đã không công bố bóng bán dẫn cho đến tháng 6 năm 1948, bóng bán dẫn được coi là phát triển độc lập. Mataré lần đầu tiên quan sát thấy những ảnh hưởng của hiện tượng dẫn điện trong quá trình sản xuất điốt silicon cho thiết bị radar của Đức trong Thế chiến thứ hai. Các bóng bán dẫn được sản xuất thương mại cho công ty điện thoại Pháp và quân đội, và vào năm 1953, một đài phát thanh trạng thái rắn bốn bóng bán dẫn đã được trình diễn tại một đài phát thanh ở Düsseldorf.
Phòng thí nghiệm điện thoại Bell cần một cái tên cho một phát minh mới: Triode bán dẫn, Triode States Triode, Crystal Triode, Solid Triode và Iotatron đều đã được xem xét, nhưng "bóng bán dẫn" do John R. Pierce chế tạo là người chiến thắng rõ ràng bỏ phiếu nội bộ (một phần nhờ các kỹ sư Bell lân cận đã phát triển cho hậu tố "-historic").
Dây chuyền sản xuất bóng bán dẫn thương mại đầu tiên trên thế giới được đặt tại nhà máy Western Electric trên Đại lộ Union ở Allentown, Pennsylvania. Việc sản xuất bắt đầu vào ngày 1 tháng 10 năm 1951 với bóng bán dẫn germanium tiếp xúc điểm.
Ứng dụng khác
Cho đến đầu những năm 1950, bóng bán dẫn này đã được sử dụng trong mọi loại hình sản xuất, nhưng vẫn có những vấn đề nghiêm trọng ngăn cản việc sử dụng rộng rãi hơn của nó, chẳng hạn như độ nhạy với độ ẩm và sự mỏng manh của dây gắn với tinh thể germani.
Shockley thường bị buộc tộiđạo văn do công việc của ông rất gần với công việc của một kỹ sư người Hungary vĩ đại, nhưng không được công nhận. Nhưng các luật sư của Bell Labs đã nhanh chóng giải quyết vấn đề.
Tuy nhiên, Shockley đã bị xúc phạm bởi các cuộc tấn công từ các nhà phê bình và quyết định chứng minh ai là bộ não thực sự của toàn bộ sử thi vĩ đại về việc phát minh ra bóng bán dẫn. Chỉ vài tháng sau, ông đã phát minh ra một loại bóng bán dẫn hoàn toàn mới với "cấu trúc bánh sandwich" rất kỳ dị. Hình thức mới này đáng tin cậy hơn nhiều so với hệ thống tiếp điểm mỏng manh, và chính hình thức này đã được sử dụng trong tất cả các bóng bán dẫn của những năm 1960. Nó sớm được phát triển thành bộ máy nối lưỡng cực, trở thành cơ sở cho bóng bán dẫn lưỡng cực đầu tiên.
Thiết bị cảm ứng tĩnh, khái niệm đầu tiên về bóng bán dẫn tần số cao, được phát minh bởi các kỹ sư Nhật Bản Jun-ichi Nishizawa và Y. Watanabe vào năm 1950 và cuối cùng đã có thể tạo ra các nguyên mẫu thử nghiệm vào năm 1975. Nó là bóng bán dẫn nhanh nhất trong những năm 1980.
Những phát triển tiếp theo bao gồm các thiết bị ghép nối mở rộng, bóng bán dẫn rào cản bề mặt, khuếch tán, tetrode và pentode. "Bóng bán dẫn mesa" silicon khuếch tán được phát triển vào năm 1955 tại Bell và có mặt trên thị trường từ Fairchild Semiconductor vào năm 1958. Space là một loại bóng bán dẫn được phát triển vào những năm 1950 như một sự cải tiến so với bóng bán dẫn tiếp xúc điểm và bóng bán dẫn hợp kim sau này.
Năm 1953, Filco phát triển bề mặt tần số cao đầu tiên trên thế giớithiết bị rào cản, cũng là bóng bán dẫn đầu tiên phù hợp với máy tính tốc độ cao. Đài phát thanh xe hơi bằng bóng bán dẫn đầu tiên trên thế giới, do Philco sản xuất năm 1955, sử dụng bóng bán dẫn rào cản bề mặt trong mạch điện của nó.
Giải quyết vấn đề và làm lại
Với giải pháp cho các vấn đề về độ mỏng manh, vấn đề về độ sạch vẫn được duy trì. Sản xuất gecmani với độ tinh khiết cần thiết được chứng minh là một thách thức lớn và hạn chế số lượng bóng bán dẫn thực sự có thể hoạt động từ một lô vật liệu nhất định. Độ nhạy nhiệt độ của gecmani cũng hạn chế tính hữu dụng của nó.
Các nhà khoa học đã suy đoán rằng silicon sẽ dễ sản xuất hơn, nhưng ít người khám phá ra khả năng này. Morris Tanenbaum tại Phòng thí nghiệm Bell là người đầu tiên phát triển bóng bán dẫn silicon hoạt động vào ngày 26 tháng 1 năm 1954. Vài tháng sau, Gordon Teal, làm việc riêng tại Texas Instruments, đã phát triển một thiết bị tương tự. Cả hai thiết bị này đều được chế tạo bằng cách kiểm soát sự pha tạp của các tinh thể silicon đơn lẻ khi chúng được phát triển từ silicon nóng chảy. Một phương pháp cao hơn được phát triển bởi Morris Tanenbaum và Calvin S. Fuller tại Phòng thí nghiệm Bell vào đầu năm 1955 bằng cách khuếch tán khí của các tạp chất cho và nhận thành các tinh thể silicon đơn.
Bóng bán dẫn hiệu ứng trường
FET được cấp bằng sáng chế đầu tiên bởi Julis Edgar Lilienfeld vào năm 1926 và Oskar Hale vào năm 1934, nhưng các thiết bị bán dẫn thực tế (bóng bán dẫn hiệu ứng trường chuyển tiếp [JFET]) đã được phát triểnsau đó, sau khi hiệu ứng bóng bán dẫn được quan sát và giải thích bởi nhóm của William Shockley tại Bell Labs vào năm 1947, ngay sau khi thời hạn bằng sáng chế hai mươi năm đã hết.
Loại JFET đầu tiên là Transistor cảm ứng tĩnh (SIT) do các kỹ sư Nhật Bản Jun-ichi Nishizawa và Y. Watanabe phát minh vào năm 1950. SIT là một loại JFET có độ dài kênh ngắn. Bóng bán dẫn hiệu ứng trường kim loại-oxit-bán dẫn (MOSFET), phần lớn thay thế JFET và có ảnh hưởng sâu sắc đến sự phát triển của điện tử điện tử, được phát minh bởi Dawn Kahng và Martin Atalla vào năm 1959.
FET có thể là các thiết bị mang điện tích đa số, trong đó dòng điện chủ yếu được mang bởi các thiết bị mang điện đa số hoặc các thiết bị mang điện tích thấp hơn, trong đó dòng điện được điều khiển chủ yếu bởi lưu lượng sóng mang thiểu số. Thiết bị này bao gồm một kênh hoạt động, qua đó các hạt mang điện, electron hoặc lỗ trống chảy từ nguồn đến cống thoát nước. Các cực nguồn và đầu nối cống được kết nối với chất bán dẫn thông qua các tiếp điểm ohmic. Độ dẫn của kênh là một hàm của điện thế áp dụng qua cổng và thiết bị đầu cuối nguồn. Nguyên tắc hoạt động này đã tạo ra bóng bán dẫn toàn sóng đầu tiên.
Tất cả các FET đều có các thiết bị đầu cuối nguồn, bộ thoát và cổng tương ứng với bộ phát, bộ thu và đế của BJT. Hầu hết các FET có thiết bị đầu cuối thứ tư được gọi là phần thân, phần đế, phần tiếp đất hoặc phần nền. Thiết bị đầu cuối thứ tư này phục vụ cho việc phân cực bóng bán dẫn vào hoạt động. Hiếm khi sử dụng không tầm thường các thiết bị đầu cuối gói trong mạch, nhưng sự hiện diện của nó rất quan trọng khi thiết lập bố trí vật lý của một mạch tích hợp. Kích thước của cổng, chiều dài L trong sơ đồ, là khoảng cách giữa nguồn và cống. Chiều rộng là sự mở rộng của bóng bán dẫn theo hướng vuông góc với mặt cắt ngang trong sơ đồ (tức là trong / ngoài màn hình). Thường thì chiều rộng lớn hơn nhiều so với chiều dài của cổng. Chiều dài cổng 1 µm giới hạn tần số trên khoảng 5 GHz, từ 0,2 đến 30 GHz.
