Bipolar Junction Transistors

Although Bardeen and Brattain's invention of the point-contact transistor came first, it was the bipolar junction transistor conceived by Shockley a month later that really made these electron devices a commercial reality. In January 1948 he had the key insight of "minority carrier injection" - that electrons and holes can briefly coexist in the bulk semiconductor material and flow in the intimate presence of one another. In July 1949 Shockley published his ideas in an article, “The Theory of P-N Junctions in Semiconductors and P-N Junction Transistors”. He further elaborated these ideas in his 1950 book “Electrons and Holes in Semiconductors”, which became the bible of the new field read by thousands of practitioners.

Important advances in materials science helped get junction transistors out of the laboratory and into production. William Pfann's invention of zone refining at Bell Labs provided ultrapure germanium samples with impurity levels of less than a part per billion. Meanwhile, chemist Gordon Teal perfected a technique for growing large single crystals of germanium; he and Morgan Sparks then figured out how to introduce small impurities into the melt and form pn junctions as well as three-layer structures directly in the resulting crystals. Announced in July 1951, such "grown-junction" transistors were used in hearing aids and radios by the mid-1950s. Texas Instruments manufactured the germanium transistors used in the first transistor radio, the Regency TR1, which reached customers by Christmas 1954.

Another approach to making junction transistors had been invented by John Saby at General Electric laboratories in Schenectady, New York, and developed for mass production by RCA. In 1951, he fabricated the so-called alloy-junction transistor by melting pellets of indium on the opposite sides of a thin slab of germanium; the molten indium alloyed with the germanium to form two pn-junctions astride a narrow intervening layer of n-type germanium. Alloy-junction transistors proved easier to manufacture than the grown-junction variety and many transistor producers, large and small, adopted this approach rather than set up elaborate crystal-growing equipment. Philco, for example, made high-frequency alloy-junction transistors by narrowing their base layers as much as technically possible at the time.

One serendipitous outgrowth of these transistor-fabrication efforts came at SONY, which began selling transistor radios in 1955. In 1957, while experimenting on heavily doped germanium pn junctions as part of efforts to reach high frequencies above 100 MHz, Leo Esaki invented the tunnel diode; he observed that some of the electrons were actually traversing the barrier due to quantum-mechanical tunneling. He shared the 1973 Nobel Prize in physics for this fundamental scientific discovery.

Meanwhile, researchers at Bell Labs and other institutions had begun to recognize the limitations of germanium and were turning to silicon as the element of choice for transistors and other semiconductor devices. Being much more difficult to purify due to its higher melting temperature and great reactivity, silicon has a significantly larger gap between its valence and conduction bands. This higher band gap means that silicon transistors are far less sensitive to temperature changes, their leakage currents being far lower than for germanium devices.

Having joined Texas Instruments in 1953, Gordon Teal zealously pursued the quest of making silicon transistors. Before leaving Bell Labs, he had adapted his crystal-growing techniques to work with silicon; at TI he hired physical chemist Willis Adcock to lead a group aimed at developing silicon transistors. In April 1954 they succeeded in making a grown-junction transistor using high-purity silicon. Although Morris Tanenbaum also fabricated silicon transistors at Bell Labs that same year, the TI devices were the first silicon transistors to reach market.

The knotty problem of purifying the silicon was finally solved by Bell Labs metallurgist Henry Theurer, who developed the float-zone refining technique in 1955. This breakthrough and the fabrication of pn junctions by impurity diffusion were the technological advances that pushed the doors open wide for silicon semiconductor devices. By the end of the 1950s, germanium was in decline.

Транзистори біполярні Junction Хоча винахід Бардін і Браттейн про точкових транзисторів прийшов першим, це був біполярний транзистор задуманий Шоклі через місяць, що дійсно зробив ці електронні пристрої комерційної реальністю. У січні 1948 року він був ключ розуміння «меншості інжекції носіїв" - що електрони і дірки можна коротко співіснувати в обсязі напівпровідникового матеріалу і витрати в інтимному присутності один одного. У липні 1949 Шоклі опублікував свої ідеї в статті "Теорія PN-переходів в напівпровідниках і PN Junction Транзистори». Він подальший розвиток цих ідей в своїй книзі 1950 "Електрони і дірки в напівпровідниках», яка стала біблією нового поля читають тисячі практикуючих. Важливі досягнення в галузі науки матеріали допомогли отримати переході транзистора з лабораторії та на виробництві. Винахід Вільяма Пфанн про зону переробки нафти в Bell Labs надана надчистого германію зразків з домішкових рівнів менше однієї частини на мільярд. Між тим, хімік Гордон Тил удосконалив техніку для вирощування великих монокристалів германію, він і Морган Спаркс, то зрозумів, як введення малих домішок в розплав і формі р-п переходів, а також тришарових конструкцій безпосередньо в результаті кристали. Оголошено в липні 1951 року, такі «дорослі вузол" транзистори, використовувані в слухових апаратах і радіо в середині 1950-х років. Texas Instruments виробництва германієвих транзисторів, що використовуються в перший транзисторний радіоприймач, Regency TR1, який досяг клієнтів до Різдва 1954 року. Інший підхід до створення з'єднання транзисторів був винайдений Джоном Сабі в лабораторіях General Electric в Скенектаді, Нью-Йорк, і розроблений для масового виробництва RCA. У 1951 році він виготовив так званого сплаву транзистор шляхом плавлення гранул індію на протилежних сторонах тонкого шару германію; розплавленого індію, легованого германієм з утворенням двох р-п-переходів верхи на вузькій проміжний шар п- германію. Сплав-перехід транзисторів виявилося легше у виготовленні, ніж дорослі переходу різноманітність і багато виробників транзистор, великі і малі, прийняли цей підхід, а не створити складний кристал зростаючих обладнання. Philco, наприклад, зробив високочастотних сплав-перехід транзисторів за рахунок звуження їх шарами базу, наскільки це технічно можливо в той час. Один щасливим результатом цих транзисторів, виготовлення зусиллями прийшли на SONY, яка почала продавати транзисторних радіоприймачів в 1955 році. У 1957 році, в той час як експерименти на сильно легованого германію р-п переходів в рамках зусиль для досягнення високих частотах вище 100 МГц, Лео Есакі винайшов тунельний діод, він зазначив, що деякі електрони були насправді обході бар'єру за рахунок квантово-механічного тунелювання. Він розділив в 1973 році Нобелівську премію з фізики за це фундаментальне наукове відкриття. Тим часом, дослідники з Bell Labs та інших установ почали визнавати обмеження германію і звертаються до кремній як елемент вибору для транзисторів та інших напівпровідникових приладів. Будучи набагато важче очистити через його високою температурою плавлення і великий реакційною здатністю, кремнію, має значно більший розрив між валентною зоною і зоною провідності. Це вище ширини забороненої зони означає, що кремнієві транзистори є набагато менш чутливі до змін температури, їх струми витоку бути набагато нижче, ніж для германієвих приладів. Вступивши Texas Instruments в 1953 році, Гордон Тил ревно переслідував пошуки рішень кремнієвих транзисторів. Перед від'їздом з Bell Labs, він пристосував його кришталево-технології вирощування працювати з кремнієм, в TI він найняв фізико-хімік Willis Adcock очолити групу, спрямованих на розвиток кремнієвих транзисторів. У квітні 1954 року їм вдалося зробити дорослим переходу транзистор на основі кремнію високої чистоти. Хоча Морріс Таненбаум також виготовлені кремнієві транзистори в Bell Labs в тому ж році, TI пристрої були перші кремнієві транзистори для досягнення ринком. Вузлуватим проблема очищення кремнію, нарешті, вирішена Bell Labs металург Генрі Theurer, який розробив флоат-зонної плавки техніки в 1955 році. Цей прорив і виготовлення р-п переходів шляхом дифузії домішки були технологічні досягнення, які висунули двері широко відкриті для пристроїв напівпровідникового кремнію. До кінця 1950-х років, германію була в занепаді.