Jak byl před 65 lety objeven tranzistor?

23. prosinec 2012 | 10.30 |

24. prosince 1947 byla předvedena nová polovodičová součástka, která zcela změnila náš dnešní svět. Šlo o vědeckotechnický převrat v oblasti aplikované elektrotechniky a tím také byla zahájena miniaturizace jednotlivých a později integrovaných součástek. Tranzistor se stal základním prvkem všech dnešních integrovaných obvodů, mezi které patří paměti či procesory. Otci tranzistoru se stali William Bradford Shockley a John Bardeen a Walter Houser Brattain.

Po ukončení 2. světové války  vznikla v roce 1946 v Bellových laboratořích (USA) skupina, jejíž náplní práce se stal výzkum polovodičů. Vedoucím skupiny se stal schopný fyzik, analytik se schopností nalézat praktické využití William Bradford Shockley. Tým dále tvořili Shockley, Brattain, Pearson, Moore a Gibney. Měli zkušenosti s polovodičovými diodami a jejich usměrňováním elektrického proudu.

Z polovodičových materiálů se zaměřili na křemík a germanium, protože předpokládali, že vytvářejí nejdokonalejší a nejčistší monokrystaly. Cílem bylo sestrojit polovodičový zesilovač, proto začali sledovat princip řízení elektrickým polem (field – effect). Shockley předpovídal, že výraznější změny modulace odporu tenkých vrstev polovodiče je možné dosáhnout indukcí náboje prostřednictvím silného elektrického pole. V experimentech však jejich zařízení nepracovalo podle předpokladů. Brilantní teoretik Bardeen vysvětlil příčinu neúspěchu v tom, že na povrchu se polovodič chová zcela jinak, než uvnitř. Absolutně čistý povrch polovodiče představuje porušení pravidelného periodického rozmístění atomů křemíku v krystalové mříži. Čtyřmocné atomy křemíku se v povrchové vrstvě mohou vázat pouze se 3 sousedními atomy a tím zůstává jedna vazba neobsazená, což způsobuje zmiňované povrchové jevy. Elektrické pole tak nepronikne dovnitř polovodiče, ale je omezeno nepohyblivými náboji zadržovanými na povrchu polovodiče. Shockley ale ztratil v tomto období zkoumání povrchových stavů polovodiče o další výzkum zájem. 

Brattain ponořil celou aparaturu do elektrolytu a snažil se tímto elektrolytickým způsobem měnit povrchové stavy kolem kovového kontaktu.  Bardeen to vysvětlil tak, že ionty v elektrolytu mohou vytvářet elektrické pole větší, než je pole povrchových stavů. Ukázalo se, že kladné napětí fotovoltaický jev zvyšuje, zatímco záporné napětí ho zmenšuje nebo dokonce zcela zruší.  Bardeen mezitím navrhnul použít místo křemíku germanium.
A pak našli novou cestu, jak vytvořit polovodičový zesilovač řízený polem. Elektrolyt nahradil Brattain pokovením zlatými ploškami přiléhajícím k hrotovému kontaktu. Nakonec nahradil oba kontakty důmyslným uspořádáním dvou pásků ze zlaté fólie ovinutých kolem plastového trojhranu, které byly při přitlačení k povrchu germania od sebe vzdáleny kolem setiny centimetru. Toto uspořádání mělo zajistit, aby kladné nosiče náboje - díry, tekly co nejblíže vstupnímu obvodu a zesílení bylo co největší. Pokud měl jeden zlatý kontakt záporný potenciál a  druhý kontakt potenciál kladný, došlo 16. prosince 1947 k zesílení výkonu. Změnou napětí 1,5 voltu na řídící elektrodě (bázi tranzistoru) zvýšili výstupní napětí proudu tranzistoru na 15 voltů. Tento jev byl později nazván tranzistorovým jevem.

Na štědrý den 1947 pak všichni tři společně Brattain, Bardeen i Shockley předvedli vedení Bellových laboratoří funkční polovodičový zesilovač. Shockley zklamaný tím, že objev byl realizován bez něho, šokoval Bardeena a Brattaina tím, že se pokusil tranzistor patentovat na své jméno, což mu patentový úřad zamítl.

Bellovy laboratoře však představovaly všechny tři vynálezce (Shockleyho, Bardeena a Brattaina) jako tým. To vedlo k rozkolu a Shockley později blokoval práci Bardeena a Brattaina na klasickém tranzistoru. Shockley se pak sám tajně doma věnoval nového tranzistoru s přechodem p-n.

Bardeen se začal zabývat teorií supravodivosti a opustil Bellovy laboratoře. Brattain odmítl pracovat v Shockleyově týmu a byl přidělen k jiné skupině. Ani jeden, ani druhý se pak příliš nezúčastnili dalšího vývoje tranzistoru. Název tranzistor byl však jako pojmenování nového elektrotechnického prvku vybrán z celé řady návrhů až v roce 1948.

Nakonec byli v roce 1956 Shockley, spolu s Bardeenem a Brattainem odměnněni za svůj objev tranzistorového jevu Nobelovou cenou za fyziku.

Zpět na hlavní stranu blogu

Hodnocení

1 · 2 · 3 · 4 · 5
známka: 1 (1x)
známkování jako ve škole: 1 = nejlepší, 5 = nejhorší

Komentáře