The transistor turns sixty
The transistor was described as «an abbreviated combination of the words transconductance (or transfer) and varistor. An early method for amplifying electric signals to produce sound was the carbon microphone. By the start of the 20th century, thermionic valves (or vacuum tubes) were being used for amplification in many types of equipment, from telephone systems to radio sets.
Some readers might remember how, in the first half of the last century, radios containing valves took a while to warm up before sound could be heard. The glow of these sets may have created a cozy atmosphere, but they were hardly portable. And vacuum tubes not only gave off heat: they were also bulky and fragile. It was not until the 1940s that a breakthrough came. It made possible today’s digital world.
Origin of the name
Bell Telephone Laboratories asked staff to name the new invention, and accepted the proposal of John R. Pierce. So, the transistor was described as «an abbreviated combination of the words transconductance (or transfer) and varistor».
Semiconductor research
Some materials can both conduct electricity and resist its flow. Called semiconductors, they include the elements germanium and silicon. Under the influence of electrical fields they can either amplify a signal or close a circuit. The use of crystals to receive radio waves goes back to the late 19th century, and research into using such «solid-state» materials was carried out in the 1920s and 1930s. However, there was incomplete understanding of how these worked.
In 1945, a team of physicists at Bell Telephone Laboratories, in New Jersey, United States, was asked to investigate the topic. The team was led by William Shockley, with John Bardeen and Walter Brattain. After two years, Bardeen and Brattain discovered how to make an amplifying circuit using germanium, which they showed to Bell executives in December 1947. It later became known as the transistor — and 2007 sees the 60th birthday of one of the most important pieces of technology ever invented.
How it worked
The first point-contact transistor comprised two very closely spaced gold contacts held against a block of germanium, which had a surface layer with an excess of electrons. When an electric signal arrived through the gold foil, it injected “holes” into the block. A small change in a current applied to the metal base below the germanium caused a greater change in the current owing between the two contacts.
In 1956, Bardeen, Brattain and Shockley shared the Nobel Prize for physics «for their researches on semiconductors and their discovery of the transistor effect.» It works because pure germanium or silicon are good insulators. But if contaminated, or «doped», with other substances, they produce either a surplus of negatively charged electrons, or steal electrons from the semiconductor to produce «holes» that can carry a positive charge. If you place a negative electrode against a semiconductor with negative carriers, the current is blocked. The insulating property can be removed by electrically injecting positive «holes» that attract the negative carriers.
The world’s first transistor was a «point-contact» type. It was overtaken by the «junction transistor» invented by Shockley in 1948, which comprised a «sandwich» of three regions of germanium. This blocked the flow of electricity both ways until a small current was applied to the middle region to let a much larger current flow through the whole device. Thus, the transistor could act as either a switch or an amplifier. The new technology could produce controllable conductivity — at low cost, little power, small size and good durability.
A mass-market, mobile deviceIn 1954, the Regency TR-1 transistor radio was launched as the world’s first mass-produced, mobile communication device
Hearing aids were the first application for transistors. Then, in 1953, the first ever radio using a transistor was demonstrated by the German company Intermetall at the Düsseldorf Radio Fair. In fact, it used four «transistrons» developed independently by German physicists Herbert F. Mataré and Heinrich Welker.
In the United States the following year, two companies, Texas Instruments and Industrial Development Engineering Associates, cooperated to make the «Regency TR-1» that was advertised as «the world’s first pocket radio».
This portability began a revolution. No longer was a radio a piece of living-room furniture; now, it was a personal accessory. The TR-1 was small but expensive (USD 49.95, or about USD 400 today), and it was soon overtaken by transistor radios manufactured in Japan. Nevertheless, with parts that were specially designed to fit its size, the TR-1 had heralded the development of miniature electronic components.
Transistor technology had other, far-reaching effects. An expert on the first transistor radios, Dr Steven Reyer, Professor in the Electrical Engineering and Computer Science Department at the Milwaukee School of Engineering, United States, has described the TR-1 as «in some ways, really ushering in the beginnings of the information age. That is, many of the electronic devices that we have today are based on the transistor in one form or another — either individual transistors, as appeared in this radio, or, in the case of personal computers, many millions of transistors embedded in integrated circuits».
Heading for Silicon Valley
Using transistors based on silicon, those integrated circuits (or microchips) revolutionized the world of computing. They were spearheaded by William Shockley. After leaving Bell Labs in 1955, he directed a semiconductor research and manufacturing company at Mountain View, California, United States. Colleagues went on to form Fairchild Semiconductor Corporation, which developed some of the first integrated circuits at a location that became part of «Silicon Valley».
Shockley later became a professor at nearby Stanford University. A meeting was held there in 2002 to remember those days. It confirmed (and to answer the question posed in last month’s Pioneers’ Page) that «Shockley is the man who brought silicon to Silicon Valley.»
Транзистору шестьдесят
Сначала для усиления электрических сигналов, производящих звук, служил угольный микрофон. К началу 20-го века электронные лампы с термокатодом (или электронные лампы) использовались для усиления во многих видах оборудования, от телефонных систем до радиоприемников.
Некоторые читатели могут вспомнить, как в первой половине прошлого века ламповые радиоприемники перед началом вещания должны были немного нагреться. Мерцание этих приборов могло создавать уютную атмосферу, но их трудно было переносить. А электронные лампы не только выделяли тепло: они еще были большими и хрупкими. Это продолжалось до 40-х годов 20 века, когда наступил перелом. Он сделал возможным сегодняшний цифровой мир.
Происхождение имени
Руководители Bell Telephone Laboratories попросили своих сотрудников назвать новое изобретение и приняли предложение Джона Р. Пирса. Так, транзистор получил описание как «сокращение двух слов: transconductance (или transfer — активная межэлектродная проводимость, или передача) и varistor (регулируемый резистор)».
Исследования полупроводников
Некоторые материалы могут и проводить электричество, и оказывать сопротивление току. Называемые полупроводниками, они содержат германий и кремний. Под воздействием электрических полей они могут или усиливать или создавать замыкание цепи. Применение кристаллов для приема радиоволн началоcm в конце XIX века, а исследования в области применения таких «твердотельных» материалов проводились в 20-30 годах XX века. Однако механизм их работы не был до конца понятен. Кто мог тогда представить, что персональные компьютеры будут умешаться в изящную дамскую сумочку, а компьютерная помощь будет требоваться людям чуть не чаще, чем помощь скорая медицинская.
В 1945 году группа физиков в компании Bell Telephone Laboratories, в Нью Джерси, США, получила задание изучить эту проблему. Группу возглавляли Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Брэттейн. Спустя два года Бардин и Брэттейн открыли метод усилительной схемы при помощи германия, который они показали руководству Bell в декабре 1947 года. Позднее она получила название транзистора – так что в 2007 году исполнилось 60 лет одному из наиболее важных компонентов технологии, которые были когда-либо изобретены.
Как это работало
Первый точечно-контактный транзистор состоял из двух очень близко расположенных золотых контактов, размещенных напротив блока из германия, поверхностный слой которого имел избыток электронов. Когда электрический сигнал проходил через золотую фольгу, он пробивал «дыры» в блоке. Небольшое изменение в токе, применяемом к металлическому основанию под германием, вызывало большее изменение в потоке между двумя контактами.
В 1956 году Бардин, Брэттейн и Шокли разделили Нобелевскую премию в области физики «за их исследования полупроводников и открытие эффекта транзистора». Это устройство работает потому, что чистый германий или кремний являются хорошими изоляторами. Н если их заразить, или «смешать» с другими веществами, они будут или производить избыток отрицательно заряженных электронов, или забирать электроны из полупроводника для производства «дыр», которые могут нести положительных заряд. Если напротив полупроводника с отрицательными носителями поместить отрицательный электрод, ток будет блокирован. Изолирующая способность может быть удалена при помощи введенных электричеством положительных «дыр», которые притягивают отрицательные носители.
Первый в мире транзистор был «точечно-контактного» типа. Он был заменен «плоскостным транзистором», изобретенным Шокли в 1948 году, и который представлял собой «бутерброд» из трех слоев германия. Это блокировало электрический ток в оба направления, пока небольшой разряд не применялся к среднему слою для пропускания гораздо большего тока через все устройство. Таким образом, транзистор мог работать и как переключатель и как усилитель. Новая технология могла производить контролируемую проводимость – при небольшой цене, небольшой мощности, малых размерах и хорошей живучести.
Мобильное устройство для массового рынка
В 1954 году был запущен в производство транзисторный радиоприемник «Regency TR-1», став первым в мире устройством мобильной связи, выпускаемым серийно
Сначала транзисторы применялись в слуховых аппаратах. Затем, в 1953 году, немецкой компанией Intermetall на Радиовыставке в Дюссельдорфе был продемонстрирован первый в мире транзисторный радиоприемник. Фактически он использовал четыре «транзистрона», изобретенных независимо немецкими физиками Гербертом Ф. Матаре и Генрихом Велькером.
На следующий год в США Texas Instruments и Industrial Development Engineering Associates, объединились для создания «Regency TR-1», который рекламировался как «первый в мире карманный радиоприемник».
Эта портативность начала революцию. Радиоприемник перестал быть предметом мебели из гостиной; теперь это было персональное устройство. TR-1 был маленьким, но дорогим (49,95 долларов США, или примерно 400 долларов США на сегодняшний день), и он вскоре уступил транзисторным радиоприемникам, выпускаемым в Японии. Тем не менее, с частями, специально сконструированными для его размеров, TR-1 объявил о начале эры миниатюрных электронных компонентов.
Транзисторная технология имела и другие, имеющие широкие перспективы, эффекты. Эксперт по первым транзисторным радиоприемникам, д-р Стивен Рейер, профессор факультета по электротехнике и вычислительной технике в Школе машиностроения в Милуоки, США, охарактеризовал TR-1 как «в некотором смысле действительно предвозвестника начала эры информации. То есть, многие электронные устройства, которые у нас есть сегодня, основаны на транзисторах, в той ил иной степени, — или на отдельных транзисторах, например, радио, или, как в случае с персональными компьютерами, многих миллионах транзисторов, встроенных в интегральные микросхемы».
По направлению к Силиконовой Долине
Использование транзисторов на основе кремния, интегральных микросхем (или микрочипов) произвело революцию в мире компьютеров. Ее возглавлял Уильям Шокли. После увольнения из Bell Labs в 1955 году, он стоял во главе компании по исследованию и производству полупроводников в Маунтин Вью, Калифорния, США. Коллеги объединились для создания Fairchild Semiconductor Corporation, которая разработала некоторые первые интегральные микросхемы в месте, ставшем частью «Силиконовой долины»
Позже Шокли стал профессором в близлежащем Стэндфордском университете. В 2002 году там была проведена конференция для того, чтобы вспомнить о том времени. Там подтвердили (вот ответ на вопрос в прошлом номере Pioneers’ Page), что «Шокли был человеком, который принес кремний в Силиконовую долину».
