最初のトランジスタの仕組み

発明者ですら点接触トランジスタを完全には理解していませんでした

1955 年の AT&T の広報写真には、[手のひらに、左から] フォトトランジスタ、接合型トランジスタ、点接触型トランジスタが写っています。

真空管三極管物理学者がその後継機の開発を試み始めたとき、それはまだ 20 歳にもなっていなかったが、その賭けは巨大だった。 三極管は長距離電話や映画の音声を可能にしただけでなく、1929 年時点で 10 億ドル以上の価値がある産業である商用ラジオの事業全体を推進していました。しかし、真空管は電力を大量に消費し、壊れやすかったのです。 三極管に代わる、より堅牢で信頼性が高く効率的な代替品が見つかれば、その恩恵は計り知れないものとなるでしょう。

目標は、入力端子に低電流信号を受け入れ、それを使用して他の 2 つの端子間に流れる大きな電流の流れを制御し、それによって元の信号を増幅する、半導体で作られた 3 端子デバイスでした。 このようなデバイスの基礎となる原理は、電界効果と呼ばれるもの、つまり電界が半導体材料の導電率を調節する能力です。 電界効果は、ダイオードと半導体に関する関連研究のおかげで、当時すでによく知られていました。

この記事は、トランジスタ発明 75 周年に関する特別レポートの一部です。

しかし、そのような装置を構築することは、世界のトップの物理学者にとって、20年以上にわたって克服できない課題であることが証明されていました。 トランジスタに似たデバイスの特許は 1925 年から出願されていましたが、動作するトランジスタの記録が最初に記録されたのは、1947 年の秋に AT&T ベル電話研究所で製造された伝説的な点接触デバイスでした。

点接触トランジスタは 20 世紀で最も重要な発明でしたが、驚くべきことに、それが実際にどのように機能したかについての明確で完全かつ信頼できる説明は存在しません。 最新のより堅牢な接合トランジスタとプレーナ トランジスタは、最初のトランジスタで利用された表面効果ではなく、半導体バルクの物理学に依存しています。 そして、この学問の格差については、比較的ほとんど注目されていません。

点接触の断面図の写真では、2 つの薄い導体が見えます。 これらはゲルマニウムの小さな板と接触する点に接続されます。 これらのポイントの 1 つはエミッタで、もう 1 つはコレクタです。 3 番目の接点であるベースは、ゲルマニウムの裏側に取り付けられています。AT&T ARCHIVES AND HISTORY CENTER

それは、ゲルマニウム、プラスチック、金箔を組み合わせた不格好な見た目で、その上に波打つバネが取り付けられていました。 その発明者は、穏やかな口調の中西部の理論家ジョン・バーディーンと、多弁で「やや不安定な」実験家ウォルター・ブラッテンだった。 二人ともウィリアム・ショックレーの下で働いていたが、その関係は後に物議を醸すことになる。 1947 年 11 月、バーディーンとブラッテンは単純な問題に悩まされました。 彼らが使用していたゲルマニウム半導体では、電子の表面層が印加された電界を遮断し、電界が半導体を貫通して電流の流れを調節するのを妨げているようだった。 変調も信号増幅もありません。

1947 年の後半のある時点で、彼らは解決策を思いつきました。 それは、かろうじて分離された 2 枚の金箔が、その波打つバネによってゲルマニウムの小さな板の表面にそっと押し込まれているのが特徴でした。

教科書も一般的な説明も同様に、最近の子孫がどのように動作するかを説明することを優先して、点接触トランジスタのメカニズムを無視する傾向があります。 実際、学部EEのバイブルであるホロヴィッツとヒル著『エレクトロニクスの技術』の最新版では、点接触トランジスタについては全く言及しておらず、接合トランジスタは「ノーベル賞」であると誤って述べてその存在を誇張している。 1947 年に発明賞を受賞しました。」 しかし、1947 年に発明されたトランジスタは点接触でした。 接合トランジスタは 1948 年にショックレーによって発明されました。

したがって、点接触トランジスタの最も包括的な説明が、1956 年のノーベル賞受賞記念ジョン バーディーンの講演に含まれているのは、どういうわけか適切であるように思われます。それでも、それを読むと、いくつかの細かい詳細はおそらく発明者自身さえも把握できなかったような気がします。 。 「多くの人が点接触トランジスタに混乱していました」とミネソタ大学チャールズ・バベッジ科学技術史研究所の元所長であるトーマス・ミサ氏は言う。

教科書も一般的な説明も同様に、最近の子孫がどのように動作するかを説明することを優先して、点接触トランジスタのメカニズムを無視する傾向があります。

バーディーン氏の講演の 1 年後、カリフォルニア工科大学の電気工学教授で、後にパワー エレクトロニクスの先駆的な研究を行うことになる RD ミドルブルック氏は次のように書いています。「デバイスは 3 次元であるため、理論的な分析は難しく、内部動作は実際のところ、まだ完全には理解されていません。」

それにもかかわらず、75 年にわたる半導体理論の恩恵を受けて、ここに進みます。 ポイントコンタクトトランジスタは、マイナスに帯電した電子を過剰に持つ親指サイズのn型ゲルマニウムのスラブを中心に構築されました。 このスラブは、p 型、つまり過剰な正電荷を持つ非常に薄い表面層を生成するように処理されました。 これらの正電荷は正孔として知られています。 これらは実際には、実際の粒子と同じように半導体の原子間を移動する電子の局所的な欠損です。 電気的に接地された電極がこのスラブの底部に取り付けられ、トランジスタのベースが形成されました。 表面に接触する 2 つの金箔のストリップにより、エミッタとコレクタとして知られるさらに 2 つの電極が形成されます。

それがセットアップです。 動作中は、接地されたベースを基準として、小さな正の電圧 (ほんの数ボルト) がエミッタに印加され、はるかに大きな負の電圧 (4 ～ 40 ボルト) がコレクタに印加されます。 p 型層と n 型スラブの間の界面は、ダイオードに見られるものとまったく同じような接合を作成しました。本質的に、接合は、電流がより低い電圧に向かって一方向にのみ容易に流れることを可能にする障壁です。 したがって、電流は正のエミッタから障壁を越えて流れる可能性がありますが、その障壁を越えてコレクタに電流が流れることはできません。

Western Electric の Type-2 ポイントコンタクト トランジスタは、1951 年にペンシルバニア州アレンタウンにある Western Electric の工場で大量生産された最初のトランジスタでした。この写真が撮影された 1960 年までに、工場は接合型トランジスタの生産に切り替えられていました。 .AT&T アーカイブおよび歴史センター

では、原子の間で何が起こっているのかを見てみましょう。 まず、コレクタを切断し、コレクタを外した状態でエミッタの周囲で何が起こるかを確認します。 エミッタは正電荷、つまり正孔を p 型層に注入し、それらはベースに向かって移動し始めます。 しかし、彼らはそれに向かって真っ直ぐに進むことはありません。 薄い層により、バリアを通過して n 型スラブに入る前に、ある程度の距離だけ横方向に広がります。 少量の細かい粉末を水面にゆっくりと注ぐことを考えてください。 粉はやがて沈みますが、最初は粗い円状に広がります。

次に、コレクターを接続します。 pn 接合のバリアを介してそれ自体で電流を引き出すことはできませんが、大きな負の電圧と尖った形状により、ゲルマニウムを貫通する集中電界が発生します。 コレクタはエミッタに非常に近く、マイナスに帯電しているため、エミッタから広がっている多くのホールを吸い込み始めます。 この電荷の流れにより、コレクタの下の pn バリア付近に正孔が集中します。 この濃度により、コレクタとベースの間に電流が流れるのを妨げる障壁の「高さ」が効果的に低くなります。 障壁が下がると、電流がベースからコレクタに流れ始めます。エミッタがトランジスタに流す電流よりもはるかに多くの電流が流れます。

電流量は障壁の高さに依存します。 エミッタ電圧のわずかな減少または増加により、それぞれバリアが上下に変動します。 したがって、エミッタ電流の非常に小さな変化がコレクタの非常に大きな変化を制御します。 増幅。 (EE は、ベースとエミッタの機能が、後のトランジスタの機能と比較して逆になっていることに気づくでしょう。エミッタではなくベースがトランジスタの応答を制御します。)

不格好で壊れやすいが、それは半導体増幅器であり、その子孫が世界を変えることになる。 そしてその発明者たちはそれを知っていました。 運命の日は 1947 年 12 月 16 日でした。そのとき、ブラッテンは、エミッタとコレクタの接点を分離する小さなスリットを備えた、金箔の帯で覆われたプラスチックの三角形を使用するというアイデアを思いつきました。 この構成により信頼性の高いパワーゲインが得られたため、二人は成功したことを認識しました。 その夜、相乗りの自宅でブラッテンさんは仲間たちに「これまでの人生で最も重要な実験」を行ったと話し、秘密を守ることを誓った。 寡黙なバーディーンも、このニュースをシェアせずにはいられなかった。 その夜、妻のジェーンが夕食の準備をしているときに、彼は「今日は何か発見した」とだけ言ったと伝えられている。 子供たちがキッチンを走り回る中、彼女は「それはいいですね、可愛いですね」と答えた。

やっとトランジスタになりましたが、かなりガタガタでした。 発明者らは後に、トランジスタの製造中にコレクタに大電流を流すことによってコレクタを電気的に形成するというアイデアを思いついた。 この技術により、表面層内にそれほどしっかりと閉じ込められずに、ある程度大きな電流を流すことが可能になりました。 ただし、電気フォーミングには多少の当たり外れがありました。 「彼らは役に立たないものをただ捨てていました」とミサは言う。

それにもかかわらず、点接触トランジスタは、AT&T へのライセンスを受けて多くの企業で生産され、1951 年には AT&T の自社製造部門であるウェスタン エレクトリックでも生産されました。 これらは、補聴器、発振器、電話ルーティング装置、RCA で製造された実験用テレビ受信機、および最初の航空機搭載デジタル コンピューターである Tradic などのシステムに使用されました。 実際、ポイントコンタクトトランジスタは、代替トランジスタと比較して速度が優れていたため、1966 年まで生産され続けました。

運命の日は 1947 年 12 月 16 日でした。その日、ブラッテンは、金箔をベルトで巻いたプラスチック製の三角形を使用するというアイデアを思いつきました。

トランジスタの追求に成功したのはベル研究所グループだけではありませんでした。 パリの北東郊外、オルネー・スー・ボワでも、二人のドイツ人物理学者、ヘルベルト・マタレとハインリヒ・ウェルカーが、三端子半導体増幅器の構築を試みていた。 ウェスチングハウスのフランス子会社で働いていた彼らは、1944 年にドイツ軍向けにゲルマニウムとシリコンの整流器を開発中にマタレが行った非常に興味深い観察を追跡調査していました。二人は 1948 年 6 月に信頼性の高い点接触トランジスタの作成に成功しました。

1週間ほど後、1948年6月30日の記者会見でベル研究所がついに自社のトランジスタのニュースを明らかにしたとき、彼らは驚いた。これらは完全に独立して秘密裏に開発されたが、2つのデバイスは多かれ少なかれ同一であった。 。

ここで、トランジスタの物語は奇妙な方向へ進み、その輝きには息を呑むばかりでなく、その詳細には不穏なものも含まれています。 バーディーン氏とブラテイン氏の上司であるウィリアム・ショックレー氏は、トランジスタの最初の特許出願にバーディーン氏とブラテイン氏の名前が含まれていなかったことに激怒した。 彼は、バーディーンとブラッテンは、半導体内の電界を実際に動作する装置に利用することについての彼の理論を単に紡ぎ出しただけであり、彼を十分に信用することができなかったと確信していた。 しかし、1945 年にショックレーはまさにそれらの理論に基づいてトランジスタを構築しましたが、それは機能しませんでした。

1953 年、RCA エンジニアのジェラルド ヘルツォークは、最初の「オール トランジスタ」テレビ (確かに、ブラウン管を使用していました) を設計および製造したチームを率いました。 研究チームは、ベル研究所からのライセンスを受けてRCAが製造した点接触型トランジスタを使用した。 トランジスタ博物館 ジェリー・ハーツォグ オーラル・ヒストリー

点接触トランジスタの最初の成功からわずか 2 週間後の 12 月末、ショックレーはアメリカ物理学会の年次総会に参加するためにシカゴへ向かいました。 大晦日、ホテルの部屋にこもり、嫉妬と憤りが入り混じった強烈な感情に煽られて、彼は独自のトランジスタの設計を始めた。 3日間で彼は約30ページのメモを書き綴った。 同月末までに、彼はバイポーラ接合トランジスタ (BJT) として知られるようになるものの基本設計を完成させました。このトランジスタは、最終的にポイントコンタクト トランジスタに取って代わり、1970 年代後半まで主流のトランジスタとして君臨しました。

ベル研究所の研究から得た洞察をもとに、RCA は 1948 年に独自のポイントコンタクト トランジスタの開発を開始しました。このグループにはここに示した 7 つが含まれており、そのうちの 4 つは 1953 年に製造された RCA の実験用 22 トランジスタ テレビセットで使用されました。 TA153 [上段、左から 2 番目]、TA165 [上段、右端]、TA156 [下段、中央]、TA172 [下段、右]。TRANSISTOR MUSEUM JONATHAN HOPPE COLLECTION

BJT は、電荷は表面の薄層ではなくバルク半導体を通って流れる可能性があり、またそうすべきであるというショックレーの信念に基づいていました。 このデバイスは、エミッタ、中央のベース、コレクタというサンドイッチ状の 3 つの半導体層で構成されていました。 交互にドープされるため、「NPN」と呼ばれる n 型/p 型/n 型と、「PNP」と呼ばれる p 型/n 型/p 型の 2 つのバージョンがありました。

BJT は点接触と本質的に同じ原理に基づいていますが、1 つではなく 2 つの pn 接合を使用します。 アンプとして使用する場合、ベースに正の電圧を加えると、ベースとエミッタの間に小さな電流が流れ、コレクタとエミッタ間の大きな電流が制御されます。

NPN デバイスを考えてみましょう。 ベースはp型なので余分な穴が空いています。 しかし、それは非常に薄く、軽くドープされているため、穴は比較的少ないです。 流入する電子のごく一部がこれらの正孔と結合して循環から除去されますが、電子の大部分 (97% 以上) は薄いベースを通ってコレクタに流れ続け、強力な電流が流れます。

しかし、正孔と結合する少数の電子は、ベースの p 型の性質とそこを通る強力な電流の流れを維持するために、ベースから排出されなければなりません。 「トラップされた」電子の除去は、ベースを流れる比較的小さな電流によって達成されます。 この細流電流により、コレクタに流れ込み、さらにコレクタから出てコレクタ回路に流れる電流がより強力になります。 つまり、実際には、小さなベース電流が大きなコレクタ回路を制御していることになります。

電場は作用しますが、初期の理論家は、このようなデバイスが機能するためには電場が発生する必要があると考えていた電流の流れを変調しません。 要点は次のとおりです。BJT の両方の pn 接合は、電子と正孔が結合し、移動する電荷キャリアが比較的少ない空乏領域にまたがっています。 接合間に電圧が印加されると、それぞれの接合部に電場が形成され、それらの領域全体に電荷が押し込まれます。 これらの電界により、電子はエミッタからベースを通ってコレクタに至るまで流れることができます。

BJTでは、「印加された電場はキャリア密度に影響を与えるが、その効果は指数関数的であるため、大量の拡散電流を生成するにはほんの少ししかかからない」と電気工学部のイオアニス・"ジョン"・カイミシス学部長は説明する。コロンビア大学で。

非常に最初のトランジスタは、半導体の表面に接触する金属接点に依存していたため、点接触として知られるタイプでした。 彼らは、印加電圧を使用して電荷の流れに対する障壁を克服することにより、出力電流 (上の図では「コレクタ電流」と表記) を増加させました。 入力または「エミッタ」電流の小さな変化によってこのバリアが変調され、出力電流が制御されます。

バイポーラ接合トランジスタは、ほぼ同じ原理を使用して増幅を実現しますが、1 つではなく 2 つの半導体インターフェースまたは接合を使用します。 点接触トランジスタと同様に、印加電圧は障壁を乗り越え、より小さい入力電流によって変調される電流の流れを可能にします。 特に、半導体接合は空乏領域にまたがっており、電界の影響下で電荷キャリアが空乏領域を横切って拡散します。Chris Philpot

BJT は点接触トランジスタよりも頑丈で信頼性が高く、これらの機能により優れた性能が得られました。 しかし、それが明らかになるまでには時間がかかりました。 BJT は、1960 年代初頭の最初の集積回路から、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ (MOSFET) が引き継ぐ 1970 年代後半まで、集積回路の製造に使用されてきた技術です。 実際、電界効果に基づいて動作する 3 端子半導体デバイスという数十年来の夢、つまりショックレーの当初の野望を最終的に実現したのは、これらの電界効果トランジスタ、最初は接合型電界効果トランジスタ、次に MOSFET でした。

このような輝かしい未来は、AT&T などが新しい BJT を製造する実用的かつ効率的な方法を考え出すのに苦労していた 1950 年代初頭にはほとんど想像できませんでした。 ショックレー氏自身は、文字通りシリコンバレーにシリコンを導入し続けた。 彼はパロアルトに移り、1956 年に電子半導体の選択としてゲルマニウムからシリコンへの切り替えを主導する会社を設立しました。 彼の会社の従業員はその後フェアチャイルド セミコンダクターを設立し、その後インテルを設立しました。

晩年、ひどい経営のせいで会社を失った後、彼はスタンフォード大学の教授となり、人種、遺伝学、知能に関する根拠のない、根拠のない理論を広め始めました。 1951 年、バーディーンはベル研究所を辞めてイリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の教授となり、超伝導理論により 2 回目のノーベル物理学賞を受賞しました。 （彼はノーベル物理学賞を2回受賞した唯一の人物である。）ブラッテンは1967年までベル研究所に滞在し、その後ワシントン州ワラワラにあるホイットマン大学の教員となった。

ショックレーは 1989 年にほとんど友人のいない社会のけ者として亡くなった。しかし、BJT が未来になるかどうかは 1953 年になってもまだ明らかではなかったが、彼のトランジスタは世界を変えることになる。 10年後にIEEEの設立に貢献することになるドナルド・G・フィンクは、その年のインタビューで、「これはにきびだらけの、今はぎこちないが、将来の活力を約束する思春期の若者なのか？それとも、成熟に達し、元気いっぱいになったのか？」と思索した。失望に囲まれた倦怠感？」

それは前者であり、そのおかげで私たちの生活はずっと良くなりました。

この記事は、2022 年 12 月の印刷号に「最初のトランジスタとその仕組み」として掲載されます。

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