Moderní elektronický tranzistor je polovodičové zařízení, které se běžně používá k zesilování nebo přepínání elektronických signálů. Tranzistor je vyroben z pevného kusu polovodičového materiálu s nejméně třemi vývody pro připojení k vnějšímu obvodu. Napětí nebo proud přivedený na jednu dvojici svorek tranzistoru mění proud protékající jinou dvojicí svorek. Protože řízený (výstupní) výkon může být mnohem větší než řídicí (vstupní) výkon, tranzistor zajišťuje zesílení signálu. Tranzistor je základním stavebním prvkem moderních elektronických zařízení a používá se v rádiových, telefonních, počítačových a dalších elektronických systémech. Některé tranzistory jsou baleny samostatně, ale většina z nich se nachází v integrovaných obvodech.

Jak už to u mnoha vynálezů bývá, tranzistor je výsledkem práce mnoha vynálezců a teprve ten poslední nebo nejchytřejší si odnáší veškerou slávu. V tomto případě to byli Američané John Bardeen, William Shockley a Walter Brattain, kterým byla v roce 1956 udělena Nobelova cena za fyziku za vynález tranzistoru, který je označován za nejvýznamnější vynález 20. století

Kdo však byl první?

Za počátek výzkumu polovodičů je považována zpráva Michaela Faradaye z roku 1833 o záporném teplotním součiniteli odporu sulfidu stříbra. Jedná se o první pozorování nějaké polovodičové vlastnosti. Ve svém článku „Experimental Researches in Electricity“ z roku 1833 Faraday (viz nedaleký portrét) toto pozorování zveřejnil. Toto pozorování se lišilo od obvyklých vlastností kovů a elektrolytů, v jejichž případě odpor s teplotou roste.

Dalším významným přispěvatelem do oblasti polovodičů je francouzský experimentální fyzik Edmond Becquerel. V roce 1839 oznámil pozorování fotonapětí na platinových elektrodách potažených chloridem stříbrným. V jeho experimentu byla platinová elektroda potažená AgCl ponořena do vodného roztoku elektrolytu kyseliny dusičné. Osvětlením elektrody vzniklo fotonapětí, které změnilo EMF produkované článkem, ve skutečnosti vznikl na elektrodě potažené AgCl redukční (katodický) fotoproud; jednalo se o první popsané fotovoltaické zařízení. Fotonapětí vznikalo na kovovém polovodičovém kontaktu Ag/AgCl.

V roce 1873 dospěl anglický elektrotechnik Willoughby Smith (1828-1891) (viz nedaleký portrét) k objevu fotovodivosti selenu. Zpočátku pracoval s podmořskými kabely. Pustil se do pokusů se selenem pro jeho vysoký odpor, který se mu zdál vhodný pro podmořskou telegrafii. Různí experimentátoři měřili odpor selenových tyčí, ale odpory, které naměřili za různých podmínek, se vůbec neshodovaly. Pak Smith zjistil, že odpor skutečně závisí na intenzitě dopadajícího světla. Když byly selenové tyče umístěny do krabice se zavřeným posuvným krytem, byl odpor nejvyšší. Když se do cesty světlu postavila skla různých barev, odpor se měnil podle množství světla procházejícího sklem. Když však byl kryt odstraněn, vodivost se zvýšila. Zjistil také, že tento efekt není způsoben změnou teploty.

V roce 1874 studoval německý fyzik Ferdinand Braun (viz nedaleký portrét), 24letý absolvent berlínské univerzity, na univerzitě ve Würzburgu vlastnosti elektrolytů a krystalů, které vedou elektřinu. Když zkoušel krystal galenitu (sulfidu olovnatého) hrotem tenkého kovového drátu, Braun si všiml, že proud volně teče pouze jedním směrem. Objevil tak usměrňovací efekt v místě styku kovů a některých krystalových materiálů.
Braun předvedl toto polovodičové zařízení publiku v Lipsku 14. listopadu 1876, ale nenašlo žádné užitečné využití až do nástupu rádia na počátku 20. století, kdy bylo použito jako detektor signálu v „krystalovém rádiu“. Běžný popisný název „detektor s kočičími vousky“ je odvozen od jemné kovové sondy, která se používá k elektrickému kontaktu s povrchem krystalu. Braun je známější díky svému vývoji osciloskopu s katodovou trubicí (CRT) v roce 1897, známého jako „Braunova trubice“ (německy Braunsche Röhre). O Nobelovu cenu se v roce 1909 podělil s Guglielmem Marconim za přínos k rozvoji bezdrátové telegrafie, především za vývoj laditelných obvodů pro rozhlasové přijímače.

Prvním člověkem, který aplikoval polovodiče pro praktické účely, byl bengálský polyhistor sir Jagadish Chandra Bose (1858-1937). Jagadish Chandra Bose (viz nedaleký portrét) byl geniální fyzik, biolog, botanik, archeolog a spisovatel science fiction. K přijímání záření používal různé kovové polovodičové přechody zapojené do série s vysoce citlivým galvanometrem. Vynalezl několik polovodičových zařízení, prvním z nich byl jeho galenový detektor, který vynalezl někdy v letech 1894-1898 a demonstroval v Royal Institution Discourse v roce 1900. V tomto zařízení byla dvojice bodových kontaktů (kočičích vousků), v tomto případě galenitu, zapojena do série se zdrojem napětí a galvanometrem. Toto zařízení mohlo detekovat jakýkoli druh záření, Hertzovy vlny, světelné vlny a další záření. Svůj detektor galenitových bodových kontaktů nazval umělou sítnicí (protože vhodným uspořádáním jej bylo možné přimět k detekci pouze světelných vln), univerzálním radiometrem. Bose později získal první patent na polovodičové zařízení na světě, a to na galenitový detektor. Mezi jeho další průkopnické polovodičové přijímače patří spirálový pružinový koherer a železný rtuťový koherer (detektor) s telefonem.

Mezi lety 1902 a 1906 testoval americký telefonní a telegrafní elektroinženýr Greenleaf Whittier Pickard (1877-1956) (viz nedaleký portrét) tisíce vzorků minerálů, aby posoudil jejich usměrňovací vlastnosti. Jedny z nejlepších výsledků poskytly krystaly křemíku od společnosti Westinghouse. Dne 20. srpna 1906 podal americký patent „Means for receiving intelligent communication by electric waves“ na křemíkový detektor bodového kontaktu (diodu) a ten byl udělen v listopadu téhož roku (viz Pickardův americký patent 836531). Spolu se dvěma společníky založil Pickard společnost Wireless Specialty Apparatus Company, která prodávala krystalové rádiové detektory „kočičí tlapky“. Byla to pravděpodobně první společnost, která vyráběla a prodávala křemíkové polovodičové přístroje. Další americký vynálezce Henry Dunwoody získal patent na systém využívající detektor s bodovým kontaktem vyrobený z karborundu (karbidu křemíku) jen několik týdnů po Pickardovi.

V roce 1915 americký fyzik Manson Benedicks objevil, že germaniový krystal lze použít k přeměně střídavého (alternating current) proudu na stejnosměrný (DC), tj. usměrňovací vlastnosti germaniových krystalů. Tím bylo germanium zařazeno na seznam polovodičů. Do té doby se jednalo o krátký seznam sestávající z křemíku, selenu a teluru.

V roce 1927 vynalezli Američané L. O. Grondahl a P. H. Geiger usměrňovač z oxidu měďnatého. Grondahlovi byl 23. srpna 1927 vydán americký patent 1640335.

V roce 1925 podal slavný vynálezce Julius Lilienfeld (viz nedaleká fotografie) v Kanadě a příští rok v USA patentovou přihlášku, v níž popsal zařízení, velmi podobné tranzistoru MESFET, které tehdy nazval Method and Apparatus for Controlling Electric Currents (viz Lilienfeldův americký patent 1745175).
Julius Edgar Lilienfeld (1882-1963) byl pozoruhodnou osobností v oblasti fyziky a elektroniky. Rakouský Žid Lilienfeld se narodil v Lembergu v Rakousku-Uhersku (dnes Lvov na Ukrajině). Získal vzdělání (doktorát z fyziky) a žil v Německu až do poloviny 20. let 20. století, kdy se rozhodl emigrovat do USA. Kromě výše zmíněného patentu na první tranzistor byl držitelem několika dalších patentů v tomto oboru – amerického patentu 1900018 „Device for controlling electric current“ z roku 1928 na tenkovrstvý tranzistor MOSFET; amerického patentu 1877140 „Amplifier for electric currents“ z roku 1928 na polovodičové zařízení, kde je tok proudu řízen porézní kovovou vrstvou, polovodičovou verzi elektronky; amerického patentu 2013564 „Electrolytic condenser“ z roku 1931 na první elektrolytický kondenzátor. Když se Brattain, Bardeen a Shockley pokoušeli získat patent na svůj tranzistor, většina jejich nároků byla zamítnuta, a to právě kvůli Lilienfeldovým patentům.

V roce 1934 další německý vědec-Oskar Heil (1908-1994), elektroinženýr a vynálezce, požádal o německý patent na rané zařízení podobné tranzistoru a popsal možnost ovládání odporu v polovodivém materiálu pomocí elektrického pole, které nazval Improvements in or relating to electrical amplifiers and other control arrangements and devices. V roce 1935 získal Heil na své zařízení britský (viz nedaleká kresba z britského patentu), belgický a francouzský patent.

V roce 1939 se William Shockley a Walter Brattain, výzkumníci v Bell Telephone Labs v New Jersey, neúspěšně pokusili sestrojit polovodičový zesilovač vložením malé řídicí mřížky do vrstvy oxidu mědi. Druhá světová válka jejich pokusy ukončila. V roce 1947 však tentýž Brattain, tentokrát společně s Johnem Bardeenem, vynalezl tranzistor s bodovým kontaktem (viz nedaleká fotografie prvního tranzistoru vyrobeného z germania). William Shockley (vedoucí týmu) u toho tehdy nebyl a zásluhy za vynález nedostal, což ho velmi naštvalo. Je to jen dobře. Tranzistor s bodovým kontaktem se obtížně vyráběl a nebyl příliš spolehlivý. Nebyl to také tranzistor, který Shockley chtěl, a tak pokračoval v práci na vlastním nápadu, který vedl ke vzniku tranzistoru s přechodem, který se vyráběl snadněji a fungoval lépe. Bardeen a Brattain podali žádost o patent 17. června 1948 a patent byl vydán 3. října 1950 (viz patent).

William Shockley podal žádost o svůj první patent na přechodový tranzistor téměř ve stejné době – americký patent 2569347 byl podán 26. června 1948 a vydán 25. září 1951 (viz první Shockleyho patent).

John Bardeen (1908-1991), William Bradford Shockley (1910-1989) a Walter Houser Brattain (1902-1987), (viz spodní fotografie) se v roce 1956 podělili o Nobelovu cenu za fyziku „za výzkum polovodičů a objev tranzistorového jevu“.

Bardeen (vlevo), Shockley (uprostřed) a Brattain (vpravo)

Jak tedy tranzistor funguje?

Konstrukce tranzistoru umožňuje, aby fungoval jako zesilovač nebo spínač. Toho je dosaženo použitím malého množství elektřiny k ovládání hradla na mnohem větším přívodu elektřiny, podobně jako se otáčením ventilu ovládá přívod vody.
Tranzistory se skládají ze tří částí, které se nazývají báze, kolektor a emitor. Báze je zařízení pro ovládání hradla pro větší přívod elektrické energie. Kolektor je větší elektrický přívod a emitor je výstup pro tento přívod. Vysíláním různých úrovní proudu z báze lze regulovat množství proudu protékajícího hradlem z kolektoru. Tímto způsobem lze použít velmi malé množství proudu k řízení velkého množství proudu, jako je tomu v zesilovači. Stejný postup se používá k vytvoření binárního kódu pro digitální procesory, ale v tomto případě je k otevření kolektorového hradla zapotřebí prahové napětí pět voltů. Tímto způsobem se tranzistor používá jako spínač s binární funkcí: pět voltů-zapnuto, méně než pět voltů-vypnuto.

.