A modern elektronikus tranzisztor egy félvezető eszköz, amelyet általában elektronikus jelek erősítésére vagy kapcsolására használnak. A tranzisztor egy szilárd félvezető anyagból készült darabból áll, legalább három csatlakozóval a külső áramkörhöz való csatlakozáshoz. A tranzisztor egyik terminálpárjára kapcsolt feszültség vagy áram megváltoztatja a másik terminálpáron átfolyó áramot. Mivel a vezérelt (kimeneti) teljesítmény sokkal nagyobb lehet, mint a vezérlő (bemeneti) teljesítmény, a tranzisztor egy jel erősítését biztosítja. A tranzisztor a modern elektronikus eszközök alapvető építőeleme, és a rádióban, a telefonban, a számítógépekben és más elektronikus rendszerekben használják. Néhány tranzisztort egyenként csomagolnak, de a legtöbbet integrált áramkörökben találjuk.

Mint az sok találmány esetében gyakran előfordul, a tranzisztor sok feltaláló munkájának eredménye, és csak az utolsó, vagy a legokosabb viszi el a teljes dicsőséget. Ebben az esetben ezek az amerikai John Bardeen, William Shockley és Walter Brattain voltak, akik 1956-ban fizikai Nobel-díjat kaptak a tranzisztor feltalálásáért, amelyet a 20. század legfontosabb találmányának neveztek

Ki volt azonban az első?

A félvezető-kutatás kezdetét Michael Faraday 1833-as, az ezüst-szulfid ellenállásának negatív hőmérsékleti együtthatójáról szóló jelentése jelzi. Ez az első megfigyelés bármilyen félvezetőtulajdonságról. Faraday (lásd a közeli portrét) 1833-ban “Kísérleti kutatások az elektromosságban” című tanulmányában tette közzé ezt a megfigyelést. Ez a megfigyelés különbözött a fémek és elektrolitok szokásos tulajdonságaitól, amelyek esetében az ellenállás a hőmérséklettel nő.

A félvezetők területének következő jelentős alkotója Edmond Becquerel francia kísérleti fizikus. Ő 1839-ben jelentette a fotófeszültség megfigyelését ezüstkloriddal bevont platinaelektródákon. Kísérletében egy AgCl bevonatú platinaelektródot vizes salétromsavas elektrolitoldatba merítettek. Az elektród megvilágítása olyan fotófeszültséget generált, amely megváltoztatta a cella által termelt EMF-et, sőt, reduktív (katódos) fotóáramot hozott létre az AgCl bevonatú elektródon; ez volt az első bejelentett fotovoltaikus eszköz. A fotofeszültség az Ag/AgCl fém félvezető kontaktuson keletkezett.

1873-ban Willoughby Smith (1828-1891) angol villamosmérnök (lásd a közeli portrét) eljutott a szelén fotovezető képességének felfedezéséhez. Kezdetben tenger alatti kábelekkel foglalkozott. Kísérletekbe kezdett a szeléniummal annak nagy ellenállása miatt, amely alkalmasnak tűnt a tenger alatti távírászathoz. Különböző kísérletezők mérték a szelénrudak ellenállását, de az általuk különböző körülmények között mért ellenállás egyáltalán nem egyezett. Ezután Smith felfedezte, hogy az ellenállás valójában a beeső fény intenzitásától függ. Amikor a szelénrudakat egy dobozba helyezték, amelynek tolófedele zárva volt, akkor volt a legnagyobb az ellenállás. Amikor különböző színű üvegeket helyeztek a fény útjába, az ellenállás az üvegen áthaladó fény mennyiségétől függően változott. Amikor azonban a fedelet eltávolították, a vezetőképesség megnőtt. Azt is megállapította, hogy a hatás nem a hőmérséklet-változásnak köszönhető.

1874-ben Ferdinand Braun német fizikus (lásd a közeli portrét), a berlini egyetem 24 éves végzőse a würzburgi egyetemen az elektrolitok és az elektromosságot vezető kristályok tulajdonságait tanulmányozta. Amikor egy galénkristályt (ólom-szulfid) egy vékony fémhuzal hegyével szondázott, Braun megállapította, hogy az áram csak egy irányban áramlik szabadon. Felfedezte az egyenirányítási hatást a fémek és bizonyos kristályos anyagok érintkezési pontjánál.
Braun 1876. november 14-én Lipcsében bemutatta ezt a félvezető eszközt a közönségnek, de nem talált hasznos alkalmazásra egészen a rádiózás megjelenéséig, az 1900-as évek elejéig, amikor egy “kristályrádió” készülék jelérzékelőjeként használták. A “macskabajuszos” detektor elnevezés a kristályfelülettel való elektromos érintkezéshez használt finom fémszondáról származik. Braun inkább a katódsugárcsöves (CRT) oszcilloszkóp 1897-es kifejlesztéséről ismert, amelyet “Braun-csőnek” (németül Braunsche Röhre) neveztek el. Az 1909-es Nobel-díjat Guglielmo Marconival közösen kapta a vezeték nélküli távírás fejlesztéséhez való hozzájárulásáért, elsősorban a rádióvevők hangolható áramköreinek kifejlesztéséért.

Az első ember, aki félvezetőket alkalmazott gyakorlati célokra, a bengáli polihisztor Sir Jagadish Chandra Bose (1858-1937) volt. Jagadish Chandra Bose (lásd a közeli portrét) zseniális fizikus, biológus, botanikus, régész és sci-fi író volt. A sugárzás fogadásához különböző fémből készült félvezető-összeköttetéseket használt, amelyeket egy nagy érzékenységű galvanométerrel sorba kapcsolt. Több félvezető eszközt is feltalált, ezek közül az első a Galena detektor volt, amelyet valamikor 1894-1898 között talált fel, és 1900-ban a Royal Institution Discourse-ban mutatott be. Ebben az eszközben egy pár pontérintkezőt (macskabajuszt), jelen esetben galenát, sorba kapcsoltak egy feszültségforrással és egy galvanométerrel. Ez a készülék bármilyen sugárzást, Hertz-hullámot, fényhullámokat és egyéb sugárzásokat is képes volt érzékelni. A galván pontérintkező detektorát mesterséges retinának (mert megfelelő elrendezéssel csak fényhullámok érzékelésére lehetett alkalmassá tenni), univerzális sugárzásmérőnek nevezte. Bose később megkapta a világ első félvezető eszközre vonatkozó szabadalmát, nevezetesen a galéna detektorra. További úttörő szilárdtest-félvezető vevőkészülékei közé tartozik a spirálrugós koherens és a telefonos vas- higany-vas koherens (detektor).

1902 és 1906 között Greenleaf Whittier Pickard (1877-1956), az amerikai Telephone and Telegraph villamosmérnöke (lásd a közeli portrét) több ezer ásványmintát vizsgált, hogy felmérje azok egyenirányítási tulajdonságait. A Westinghouse-ból származó szilíciumkristályok adták a legjobb eredményeket. 1906. augusztus 20-án benyújtotta a “Means for receiving intelligent communication by electric waves” (Elektromos hullámokkal történő intelligens kommunikáció vételére szolgáló eszközök) című amerikai szabadalmat egy szilícium pontérintkezős detektorra (diódára), és azt még az év novemberében meg is kapta (lásd Pickard 836531. számú amerikai szabadalmát). Két társával együtt Pickard megalapította a Wireless Specialty Apparatus Company-t, hogy “macskabajszú” kristályos rádióérzékelőket forgalmazzon. Valószínűleg ez volt az első vállalat, amely szilícium félvezető eszközöket gyártott és értékesített. Egy másik amerikai feltaláló – Henry Dunwoody – csak néhány héttel Pickard után kapott szabadalmat egy karborundumból (szilíciumkarbid) készült pontérintkezős detektorral működő rendszerre.

1915-ben Manson Benedicks amerikai fizikus felfedezte, hogy egy germániumkristály segítségével a váltóáram (AC) egyenárammá (DC) alakítható, vagyis a germániumkristályok egyenirányító tulajdonságait. Így került fel a germánium a félvezetők listájára. Addig ez egy rövid, szilíciumból, szelénből és tellúrból álló lista volt.

1927-ben az amerikai L.O. Grondahl és P.H. Geiger feltalálta a rézoxid egyenirányítót. A 1640335 számú amerikai szabadalmat 1927. augusztus 23-án adták ki Grondahlnak.

1925-ben a híres feltaláló, Julius Lilienfeld (lásd a közeli képet) Kanadában, a következő évben pedig az USA-ban nyújtott be szabadalmi kérelmet, amelyben egy, a MESFET-tranzisztorhoz nagyon hasonló szerkezetet írt le, amelyet akkor Method and Apparatus for Controlling Electric Currents (lásd Lilienfeld 1745175 számú amerikai szabadalmát).
Julius Edgar Lilienfeld (1882-1963) figyelemre méltó személyiség volt a fizika és az elektronika területén. Az osztrák zsidó Lilienfeld az osztrák-magyarországi Lembergben (ma Lviv Ukrajnában) született. Tanulmányait (fizikából doktorált) Németországban végezte és élt az 1920-as évek közepéig, amikor úgy döntött, hogy az USA-ba emigrál. A fent említett, az első tranzisztorra vonatkozó szabadalom mellett számos más szabadalom tulajdonosa volt ezen a területen – 1900018 számú amerikai szabadalom “Device for controlling electric current” 1928-ból egy vékonyrétegű MOSFET tranzisztorra; 1877140 számú amerikai szabadalom “Amplifier for electric currents” 1928-ból egy olyan szilárdtest-berendezésre, amelyben az áramáramot egy porózus fémréteg, a vákuumcső szilárdtest-változata szabályozza; 2013564 számú amerikai szabadalom “Electrolytic condenser” 1931-ből az első elektrolitikus kondenzátorra. Amikor Brattain, Bardeen és Shockley megpróbáltak szabadalmat szerezni a tranzisztorukra, a legtöbb igényüket elutasították, nevezetesen a Lilienfeld-szabadalmak miatt.

1934-ben egy másik német tudós, Oskar Heil (1908-1994) villamosmérnök és feltaláló német szabadalmat jelentett be egy korai tranzisztorszerű eszközre, leírva egy félvezető anyagban az ellenállás elektromos mezővel való szabályozásának lehetőségét, amelyet az általa Improvements in or relating to electrical amplifier and other control arrangements and devices (Elektromos erősítők és egyéb szabályozó elrendezések és eszközök) címmel jelölt meg. 1935-ben Heil brit (lásd a közeli rajzot a brit szabadalomról), belga és francia szabadalmat kapott az eszközére.

1939-ben William Shockley és Walter Brattain, a New Jersey-i Bell Telephone Labs kutatói sikertelen kísérletet tettek egy félvezető erősítő megépítésére úgy, hogy egy apró szabályozó rácsot helyeztek egy rézoxid rétegbe. A második világháború véget vetett kísérleteiknek. 1947-ben azonban ugyanez a Brattain, ezúttal John Bardeen-nel együtt feltalálta a pontérintkezős tranzisztort (lásd a közeli képet az első germániumból készült tranzisztorról). William Shockley (a csapat vezetője) akkoriban nem volt ott, és nem kapott elismerést a találmányért, ami nagyon felbosszantotta. Ez így is van rendjén. A pontérintkezős tranzisztort nehéz volt előállítani, és nem volt túl megbízható. Shockley sem ezt a tranzisztort szerette volna, ezért tovább dolgozott a saját ötletén, ami a csomóponti tranzisztorhoz vezetett, amelyet könnyebb volt gyártani és jobban működött. Bardeen és Brattain 1948. június 17-én nyújtotta be a szabadalmi kérelmet, és a szabadalmat 1950. október 3-án adták ki (lásd a szabadalmat).

William Shockley szinte ugyanebben az időben nyújtotta be első szabadalmát a csomóponti tranzisztorra – a 2569347-es amerikai szabadalmat 1948. június 26-án nyújtották be, és 1951. szeptember 25-én adták ki (lásd Shockley első szabadalmát).

John Bardeen (1908-1991), William Bradford Shockley (1910-1989) és Walter Houser Brattain (1902-1987), (lásd az alsó képet) 1956-ban megosztva kapták meg a fizikai Nobel-díjat “a félvezetőkkel kapcsolatos kutatásaikért és a tranzisztorhatás felfedezéséért”.

Bardeen (balra), Shockley (középen) és Brattain (jobbra)

Hogyan működik a tranzisztor?

A tranzisztor felépítése lehetővé teszi, hogy erősítőként vagy kapcsolóként működjön. Ezt úgy éri el, hogy egy kis mennyiségű elektromosságot használ egy kapu vezérlésére egy sokkal nagyobb mennyiségű elektromosságon, hasonlóan ahhoz, ahogyan egy szelep elforgatásával a vízellátást vezérli.
A tranzisztorok három részből állnak, amelyeket bázisnak, kollektornak és emitternek neveznek. Az alap a kapuvezérlő eszköz a nagyobb elektromos ellátás számára. A kollektor a nagyobb elektromos tápegység, az emitter pedig ennek a tápegységnek a kivezetése. Azáltal, hogy a bázisból különböző mértékű áramot küldünk, szabályozható a kollektorból a kapun átáramló áram mennyisége. Ily módon egy nagyon kis mennyiségű áramot lehet használni egy nagy mennyiségű áram szabályozására, mint egy erősítőben. Ugyanezt az eljárást használják a digitális processzorok bináris kódjának létrehozására, de ebben az esetben a kollektor kapu megnyitásához öt voltos feszültségküszöb szükséges. Ily módon a tranzisztort bináris funkciójú kapcsolóként használják: öt volt-ON, öt voltnál kisebb feszültség-OFF.