Den moderna elektroniska transistorn är en halvledarkomponent som vanligen används för att förstärka eller växla elektroniska signaler. En transistor består av en solid bit av ett halvledarmaterial, med minst tre terminaler för anslutning till en extern krets. En spänning eller ström som läggs på ett par av transistorens terminaler ändrar strömmen som flyter genom ett annat par terminaler. Eftersom den kontrollerade (utgående) effekten kan vara mycket större än den kontrollerande (ingående) effekten, ger transistorn en förstärkning av en signal. Transistorn är den grundläggande byggstenen i moderna elektroniska apparater och används i radio, telefoner, datorer och andra elektroniska system. Vissa transistorer är förpackade individuellt men de flesta finns i integrerade kretsar.

Som det ofta är fallet med många uppfinningar är transistorn ett resultat av många uppfinnares arbete, och endast den sista, eller den smartaste, tar all ära. I det här fallet var det amerikanerna John Bardeen, William Shockley och Walter Brattain, som fick Nobelpriset i fysik 1956 för sin uppfinning av transistorn, som har kallats 1900-talets viktigaste uppfinning

Vem var dock först?

Halvledarforskningens början markeras av Michael Faradays rapport från 1833 om negativ temperaturkoefficient för motstånd hos silversulfid. Detta är den första observationen av någon halvledaregenskap. I sin skrift ”Experimental Researches in Electricity” från 1833 avslöjade Faraday (se det närliggande porträttet) denna observation. Denna observation skiljer sig från de vanliga egenskaperna hos metaller och elektrolyter där motståndet ökar med temperaturen.

Nästa viktiga bidragsgivare till halvledarområdet är den franske experimentalfysikern Edmond Becquerel. År 1839 rapporterade han observationen av fotospänning i silverkloridbelagda platinaelektroder. I hans experiment sänktes en AgCl-belagd platinaelektrod i en vattenhaltig salpetersyraelektrolytlösning. Belysning av elektroden genererade fotospänning som förändrade den EMF som producerades av cellen, i själva verket producerade den en reduktiv (katodisk) fotoström vid den AgCl-belagda elektroden; detta var den första rapporterade fotovoltaiska anordningen. Fotospänning genererades vid Ag/AgCl metallhalvledarkontakten.

År 1873 kom den engelske elektroingenjören Willoughby Smith (1828-1891) (se det närliggande porträttet) fram till upptäckten av fotokonduktivitet hos selen. Han arbetade till en början med undervattenskablar. Han började experimentera med selen på grund av dess höga motståndskraft, som verkade lämplig för hans ubåtstelegrafi. Olika försökspersoner mätte motståndet hos selenstänger, men motståndet som de mätte under olika förhållanden stämde inte alls överens. Då upptäckte Smith att motståndet faktiskt berodde på intensiteten hos det infallande ljuset. När selenstängerna sattes in i en låda med den skjutbara luckan stängd var motståndet som störst. När glas av olika färger placerades i ljusets väg varierade motståndet beroende på hur mycket ljus som passerade genom glaset. Men när locket togs bort ökade ledningsförmågan. Han fann också att effekten inte berodde på temperaturvariationer.

År 1874 studerade den tyske fysikern Ferdinand Braun (se det närliggande porträttet), en 24-årig akademiker från universitetet i Berlin, egenskaperna hos elektrolyter och kristaller som leder elektricitet vid universitetet i Würzburg. När han undersökte en galenskakristall (blysulfid) med spetsen på en tunn metalltråd noterade Braun att strömmen flödade fritt i endast en riktning. Han hade upptäckt likriktningseffekten vid kontaktpunkten mellan metaller och vissa kristallmaterial.
Braun demonstrerade denna halvledaranordning för en publik i Leipzig den 14 november 1876, men den fick ingen användbar tillämpning förrän i samband med radions intåg i början av 1900-talet, då den användes som signaldetektor i en ”kristallradio”-apparat. Det vanliga beskrivningsnamnet ”kattskinnsdetektor” kommer från den fina metallsond som används för att få elektrisk kontakt med kristallytan. Braun är mer känd för sin utveckling av oscilloskopet med katodstrålerör (CRT) 1897, som kallas ”Braunröret” (Braunsche Röhre på tyska). Han delade 1909 Nobelpriset med Guglielmo Marconi för sina bidrag till utvecklingen av trådlös telegrafi, främst utvecklingen av avstämbara kretsar för radiomottagare.

Den första mannen som tillämpade halvledare för praktiska ändamål var den bengaliske mångsysslaren Sir Jagadish Chandra Bose (1858-1937). Jagadish Chandra Bose (se det närliggande porträttet) var en genial fysiker, biolog, botaniker, arkeolog och författare av science fiction. För att ta emot strålningen använde han en mängd olika metallhalvledarförbindelser som var kopplade till en högkänslig galvanometer i serie. Han uppfann flera halvledaranordningar, varav den första var hans Galena-detektor, som han uppfann någon gång under 1894-1898 och demonstrerade i Royal Institution Discourse år 1900. I denna anordning var ett par punktkontakter (kattsnurror), i detta fall av galna, kopplade i serie med en spänningskälla och en galvanometer. Denna anordning kunde upptäcka alla typer av strålning, Hertziska vågor, ljusvågor och annan strålning. Han kallade sin punktkontaktsdetektor av galna för en artificiell näthinna (eftersom den genom lämpliga arrangemang kunde fås att endast detektera ljusvågor), en universell radiometer. Bose fick senare det första patentet för en halvledaranordning i världen, nämligen för Galena-detektorn. Bland hans andra banbrytande halvledarmottagare i fast tillstånd kan nämnas spiralfjäderkoherensen och järnkvicksilverjärnkoherensen (detektor) med telefon.

Mellan 1902 och 1906 testade den amerikanske elektroteknikingenjören Greenleaf Whittier Pickard (1877-1956) från American Telephone and Telegraph (se det närliggande porträttet) tusentals mineralprover för att bedöma deras likriktaregenskaper. Silikonkristaller från Westinghouse gav några av de bästa resultaten. Den 20 augusti 1906 lämnade han in ett amerikanskt patent på ”Means for receiving intelligent communication by electric waves” för en punktkontaktdetektor (diod) av kisel, och det beviljades i november samma år (se Pickards amerikanska patent 836531). Tillsammans med två kompanjoner grundade Pickard Wireless Specialty Apparatus Company för att marknadsföra kristallradiodetektorer av typen ”cat’s-whisker”. Det var förmodligen det första företaget som tillverkade och sålde kiselhalvledare. En annan amerikansk uppfinnare – Henry Dunwoody – fick patent på ett system som använde en punktkontaktdetektor tillverkad av karborundum (kiselkarbid) bara några veckor efter Pickard.

1915 upptäckte den amerikanske fysikern Manson Benedicks att en germaniumkristall kan användas för att omvandla växelström (AC, alternating current) till likström (DC, direct current), dvs. germaniumkristallernas likriktande egenskaper. Därmed lades germanium till på listan över halvledare. Fram till dess var det en kort lista som bestod av kisel, selen och tellur.

År 1927 uppfann amerikanerna L.O. Grondahl och P.H. Geiger kopparoxidlikriktaren. Det amerikanska patentet 1640335 utfärdades den 23 augusti 1927 till Grondahl.

Inför 1925 lämnade den berömde uppfinnaren Julius Lilienfeld (se fotot i närheten) in en patentansökan i Kanada, nästa år i USA, där han beskrev en anordning, som var mycket lik en MESFET-transistor, och som han kallade Method and Apparatus for Controlling Electric Currents (se det amerikanska patentet 1745175 från Lilienfeld).
Julius Edgar Lilienfeld (1882-1963) var en anmärkningsvärd person inom fysik och elektronik. Den österrikiske juden Lilienfeld föddes i Lemberg i Österrike-Ungern (numera Lviv i Ukraina). Han utbildade sig (doktorsexamen i fysik) och bodde i Tyskland fram till mitten av 1920-talet, då han bestämde sig för att emigrera till USA. Förutom det ovannämnda patentet för den första transistorn var han innehavare av flera andra patent på detta område – USA:s patent 1900018 ”Device for controlling electric current” från 1928 för en MOSFET-transistor med tunnfilm, USA:s patent 1877140 ”Amplifier for electric currents” från 1928 för en fastkroppsanordning där strömmen styrs av ett poröst metallskikt, en fastkroppsversion av vakuumröret, och USA:s patent 2013564 ”Electrolytic condenser” från 1931 för den första elektrolytiska kondensatorn. När Brattain, Bardeen och Shockley försökte få patent på sin transistor avslogs de flesta av deras yrkanden nämligen på grund av Lilienfeld-patenten.

1934 ansökte en annan tysk vetenskapsman, Oskar Heil (1908-1994), elektroingenjör och uppfinnare, om ett tyskt patent för en tidig transistorliknande anordning, där han beskrev möjligheten att styra motståndet i ett halvledarmaterial med hjälp av ett elektriskt fält, som han kallade Förbättringar i eller i anslutning till elektriska förstärkare och andra kontrollarrangemang och anordningar. År 1935 fick Heil ett brittiskt (se den närliggande ritningen från det brittiska patentet), belgiskt och franskt patent för sin anordning.

Inteckning av en halvledarförstärkare 1939 gjorde William Shockley och Walter Brattain, forskare vid Bell Telephone Labs i New Jersey, ett misslyckat försök att bygga en halvledarförstärkare genom att föra in ett litet kontrollgaller i ett lager av kopparoxid. Andra världskriget satte stopp för deras experiment. År 1947 uppfann dock samma Brattain, denna gång tillsammans med John Bardeen, punktkontakttransistorn (se det närliggande fotot av den första transistorn, tillverkad av germanium). William Shockley (gruppens ledare) var inte närvarande vid den tidpunkten och fick inte äran för uppfinningen, vilket gjorde honom mycket förbannad. Det är lika bra. Punktkontakttransistorn var svår att tillverka och inte särskilt tillförlitlig. Det var inte heller den transistor som Shockley ville ha, så han fortsatte att arbeta på sin egen idé som ledde till junctiontransistorn, som var lättare att tillverka och fungerade bättre. Bardeen och Brattain lämnade in en patentansökan den 17 juni 1948 och patentet utfärdades den 3 oktober 1950 (se patentet).

William Shockley ansökte om sitt första patent för junctiontransistorn nästan samtidigt-U.S. Patent 2569347 lämnades in den 26 juni 1948 och utfärdades den 25 september 1951 (se Shockleys första patent).

John Bardeen (1908-1991), William Bradford Shockley (1910-1989) och Walter Houser Brattain (1902-1987), (se det nedre fotot) delade Nobelpriset i fysik 1956 ”för deras forskning om halvledare och deras upptäckt av transistoreffekten”.

Bardeen (till vänster), Shockley (i mitten) och Brattain (till höger)

Hur fungerar en transistor?

En transistors utformning gör att den kan fungera som en förstärkare eller en omkopplare. Detta åstadkoms genom att använda en liten mängd elektricitet för att styra en grind på en mycket större mängd elektricitet, ungefär som att vrida på en ventil för att styra en vattentillgång.
Transistorer består av tre delar, som kallas bas, kollektor och emitter. Basen är grindkontrollanordningen för den större elförsörjningen. Kollektorn är den större elförsörjningen och emittern är utloppet för denna försörjning. Genom att sända varierande strömnivåer från basen kan mängden ström som flödar genom grinden från kollektorn regleras. På detta sätt kan en mycket liten mängd ström användas för att reglera en stor mängd ström, som i en förstärkare. Samma process används för att skapa den binära koden för digitala processorer, men i det här fallet krävs en spänningströskel på fem volt för att öppna kollektorgaten. På detta sätt används transistorn som en omkopplare med en binär funktion: fem volt-ON, mindre än fem volt-OFF.