De moderne elektronische transistor is een halfgeleider-apparaat, dat gewoonlijk wordt gebruikt om elektronische signalen te versterken of te schakelen. Een transistor bestaat uit een massief stuk halfgeleidermateriaal, met ten minste drie aansluitpolen voor aansluiting op een externe stroomkring. Een spanning of stroom die op één paar aansluitklemmen van de transistor wordt gezet, verandert de stroom die door een ander paar aansluitklemmen loopt. Omdat het gecontroleerde (uitgangs)vermogen veel groter kan zijn dan het regelende (ingangs)vermogen, zorgt de transistor voor versterking van een signaal. De transistor is de fundamentele bouwsteen van moderne elektronische apparaten, en wordt gebruikt in radio-, telefoon-, computer- en andere elektronische systemen. Sommige transistors zijn afzonderlijk verpakt, maar de meeste zijn te vinden in geïntegreerde schakelingen.

Zoals het vaak gaat met veel uitvindingen, is de transistor het resultaat van het werk van vele uitvinders, en alleen de laatste, of de slimste, gaat met de eer strijken. In dit geval waren dat de Amerikanen John Bardeen, William Shockley en Walter Brattain, die in 1956 de Nobelprijs voor natuurkunde kregen voor hun uitvinding van de transistor, die de belangrijkste uitvinding van de 20e eeuw is genoemd

Wie was echter de eerste?

Het begin van het halfgeleideronderzoek wordt gemarkeerd door het rapport van Michael Faraday uit 1833 over de negatieve temperatuurscoëfficiënt van de weerstand van zilversulfide. Dit is de eerste waarneming van een halfgeleider-eigenschap. In zijn artikel uit 1833, “Experimental Researches in Electricity”, onthulde Faraday (zie het portret hiernaast) deze waarneming. Deze waarneming verschilde van de gebruikelijke eigenschappen van metalen en elektrolyten, waarbij de weerstand toeneemt met de temperatuur.

De volgende belangrijke bijdrager aan het halfgeleidergebied is de Franse experimentele natuurkundige Edmond Becquerel. In 1839 rapporteerde hij de waarneming van fotovoltage in de met zilverchloride beklede platina-elektroden. In zijn experiment werd een met AgCl gecoate platina elektrode ondergedompeld in een waterige salpeterzuuroplossing. Verlichting van de elektrode wekte fotovoltage op die de door de cel geproduceerde EMF wijzigde, in feite wekte het een reductieve (kathodische) fotostroom op aan de met AgCl gecoate elektrode; dit was het eerste gerapporteerde fotovoltaïsche apparaat. De fotovoltage werd opgewekt aan het metalen halfgeleidercontact Ag/AgCl.

In 1873 kwam de Engelse elektrotechnicus Willoughby Smith (1828-1891) (zie het portret hiernaast) tot de ontdekking van de fotogeleidbaarheid van selenium. Hij werkte aanvankelijk met onderzeese kabels. Hij begon te experimenteren met selenium vanwege de hoge weerstand, die geschikt leek voor zijn onderzeetelegrafie. Verschillende experimentatoren maten de weerstand van seleniumstaven, maar de weerstand zoals door hen gemeten onder verschillende omstandigheden kwam in het geheel niet overeen. Toen ontdekte Smith dat de weerstand in feite afhing van de intensiteit van het invallende licht. Wanneer de seleniumstaven in een doos werden gelegd met het schuifdeksel gesloten, was de weerstand het hoogst. Wanneer glazen van verschillende kleuren in de lichtinval werden geplaatst, varieerde de weerstand naar gelang de hoeveelheid licht die door het glas viel. Maar wanneer het deksel werd verwijderd, nam de geleiding toe. Hij stelde ook vast dat het effect niet te wijten was aan temperatuurschommelingen.

In 1874 bestudeerde de Duitse natuurkundige Ferdinand Braun (zie het portret hiernaast), 24 jaar oud en afgestudeerd aan de universiteit van Berlijn, aan de universiteit van Würzburg de eigenschappen van elektrolyten en kristallen die elektriciteit geleiden. Toen hij een galenakristal (loodsulfide) met de punt van een dunne metaaldraad betastte, merkte Braun op dat de stroom slechts in één richting vrij vloeide. Hij had het gelijkrichteffect ontdekt op het contactpunt tussen metalen en bepaalde kristalmaterialen.
Braun demonstreerde dit halfgeleiderapparaat op 14 november 1876 voor een publiek in Leipzig, maar het vond geen nuttige toepassing tot de komst van de radio in het begin van de jaren 1900, toen het werd gebruikt als de signaaldetector in een “kristalradio”-toestel. De gebruikelijke beschrijvende naam “cat’s-whisker” detector is afgeleid van de fijne metalen sonde die wordt gebruikt om elektrisch contact te maken met het kristaloppervlak. Braun is beter bekend om zijn ontwikkeling van de kathodestraalbuis (CRT) oscilloscoop in 1897, bekend als de “Braunbuis” (Braunsche Röhre in het Duits). Hij deelde de Nobelprijs 1909 met Guglielmo Marconi voor zijn bijdragen aan de ontwikkeling van de draadloze telegrafie, voornamelijk de ontwikkeling van afstembare schakelingen voor radio-ontvangers.

De eerste man die halfgeleiders voor praktische doeleinden toepaste, was de Bengaalse polymaat Sir Jagadish Chandra Bose (1858-1937). Jagadish Chandra Bose (zie het portret hiernaast) was een geniaal natuurkundige, bioloog, botanicus, archeoloog en schrijver van science fiction. Om de straling te ontvangen gebruikte hij verschillende metalen halfgeleiderverbindingen die in serie waren verbonden met een zeer gevoelige galvanometer. Hij vond verschillende halfgeleiderapparaten uit, waarvan de eerste zijn Galena-detector was, die hij ergens in de jaren 1894-1898 uitvond, en in 1900 demonstreerde in het Royal Institution Discourse. In dit apparaat werd een paar puntcontacten (kattenharen), in dit geval van galena, in serie verbonden met een spanningsbron en een galvanometer. Dit apparaat kon elke soort straling detecteren, Hertziaanse golven, lichtgolven en andere stralingen. Hij noemde zijn galena puntcontactdetector een kunstmatig netvlies (omdat het met een geschikte opstelling alleen lichtgolven kon detecteren), een universele radiometer. Bose kreeg later het eerste octrooi ter wereld voor een halfgeleiderapparaat, namelijk voor de Galena-detector. Tot zijn andere baanbrekende halfgeleiderontvangers in vaste toestand behoren de spiraalveercoherator en de kwikzilverijzercoherator (detector) met telefoon.

Tussen 1902 en 1906 testte de Amerikaanse elektrotechnicus Greenleaf Whittier Pickard (1877-1956) van Telephone and Telegraph (zie het portret hiernaast) duizenden mineraalmonsters om hun gelijkrichtende eigenschappen te beoordelen. Siliciumkristallen van Westinghouse leverden enkele van de beste resultaten op. Op 20 augustus 1906 vroeg hij een Amerikaans octrooi aan op “Middelen voor het ontvangen van intelligente communicatie door elektrische golven” voor een silicium puntcontactdetector (diode) en het werd die november toegekend (zie het Amerikaans octrooi 836531 van Pickard). Met twee compagnons richtte Pickard de Wireless Specialty Apparatus Company op om “cat’s-whisker” kristalradiodetectoren op de markt te brengen. Het was waarschijnlijk het eerste bedrijf dat halfgeleiderproducten van silicium maakte en verkocht. Een andere Amerikaanse uitvinder, Henry Dunwoody, kreeg slechts enkele weken na Pickard octrooi op een systeem met een puntcontactdetector van carborundum (siliciumcarbide).

In 1915 ontdekte de Amerikaanse natuurkundige Manson Benedicks dat een germaniumkristal kan worden gebruikt om wisselstroom (wisselstroom) om te zetten in gelijkstroom (gelijkstroom), d.w.z. de gelijkrichtende eigenschappen van germaniumkristallen. Aldus werd germanium toegevoegd aan de lijst van halfgeleiders. Tot dan toe was het een korte lijst bestaande uit silicium, selenium, en tellurium.

In 1927 vonden de Amerikanen L.O. Grondahl en P.H. Geiger de gelijkrichter van koperoxide uit. Het Amerikaanse octrooi 1640335 werd op 23 augustus 1927 aan Grondahl verleend.

In 1925 diende de beroemde uitvinder Julius Lilienfeld (zie de foto hiernaast) een octrooiaanvraag in Canada in, het volgende jaar in de VS, waarin hij een apparaat beschreef dat sterk leek op een MESFET-transistor, die hij toen Methode en Apparaat voor het regelen van elektrische stromen noemde (zie het Amerikaanse octrooi 1745175 van Lilienfeld).
Julius Edgar Lilienfeld (1882-1963) was een opmerkelijk persoon op het gebied van natuurkunde en elektronica. De Oostenrijkse jood Lilienfeld werd geboren in Lemberg in Oostenrijk-Hongarije (nu Lviv in Oekraïne). Hij werd opgeleid (doctoraat in de fysica) en woonde in Duitsland tot het midden van de jaren 1920, toen hij besloot naar de VS te emigreren. Naast het bovengenoemde octrooi voor de eerste transistor was hij houder van verschillende andere octrooien op dit gebied – Amerikaans octrooi 1900018 “Apparaat voor het regelen van elektrische stroom” uit 1928 voor een dunne-film MOSFET-transistor; Amerikaans octrooi 1877140 “Versterker voor elektrische stromen” uit 1928, voor een apparaat in vaste toestand waarbij de stroom wordt geregeld door een poreuze metalen laag, een vaste-stoffenversie van de vacuümbuis; Amerikaans octrooi 2013564 “Elektrolytische condensator” uit 1931, voor de eerste elektrolytische condensator. Toen Brattain, Bardeen en Shockley een octrooi probeerden te krijgen op hun transistor, werden de meeste van hun claims afgewezen, namelijk vanwege de Lilienfeld-octrooien.

In 1934 vroeg een andere Duitse wetenschapper-Oskar Heil (1908-1994), elektrotechnisch ingenieur en uitvinder, een Duits octrooi aan voor een vroeg transistorachtig apparaat, waarin hij de mogelijkheid beschreef om de weerstand in een halfgeleidend materiaal te regelen met een elektrisch veld, dat hij Verbeteringen in of met betrekking tot elektrische versterkers en andere regelinrichtingen en -apparaten noemde. In 1935 kreeg Heil een Brits (zie de tekening van het Britse octrooi hiernaast), Belgisch en Frans octrooi voor zijn apparaat.

In 1939 deden William Shockley en Walter Brattain, onderzoekers in Bell Telephone Labs in New Jersey, een mislukte poging om een halfgeleiderversterker te bouwen door een minuscuul regelrooster in een laag koperoxide aan te brengen. De Tweede Wereldoorlog maakte een einde aan hun experimenten. In 1947 echter vond dezelfde Brattain, ditmaal samen met John Bardeen, de punt-contact transistor uit (zie de foto hiernaast van de eerste transistor, gemaakt van germanium). William Shockley (de leider van het team) was er op dat moment niet bij en kreeg geen krediet voor de uitvinding, wat hem erg kwaad maakte. Dat is maar goed ook. De punt-contact transistor was moeilijk te fabriceren en niet erg betrouwbaar. Het was ook niet de transistor die Shockley wilde, dus werkte hij verder aan zijn eigen idee dat leidde tot de junctietransistor, die gemakkelijker te fabriceren was en beter werkte. Bardeen en Brattain dienden een octrooiaanvraag in op 17 juni 1948 en het octrooi werd op 3 oktober 1950 verleend (zie het octrooi).

William Shockley vroeg zijn eerste octrooi aan voor de junctie-transistor op bijna hetzelfde moment-U.S. Patent 2569347 werd ingediend op 26 juni 1948 en verleend op 25 september 1951 (zie het eerste octrooi van Shockley).

John Bardeen (1908-1991), William Bradford Shockley (1910-1989) en Walter Houser Brattain (1902-1987), (zie de onderste foto) deelden de Nobelprijs voor Natuurkunde in 1956 “voor hun onderzoek naar halfgeleiders en hun ontdekking van het transistoreffect”.

Bardeen (links), Shockley (midden) en Brattain (rechts)

Hoe werkt een transistor?

Het ontwerp van een transistor maakt het mogelijk om te functioneren als een versterker of een schakelaar. Dit wordt bereikt door een kleine hoeveelheid elektriciteit te gebruiken om een poort van een veel grotere hoeveelheid elektriciteit te bedienen, zoals het draaien van een klep om een watertoevoer te regelen.
Transistors bestaan uit drie delen, die een basis, een collector en een emitter worden genoemd. De basis is de poortregelaar voor de grotere elektrische toevoer. De collector is de grotere elektrische voeding, en de emitter is de uitlaat voor die voeding. Door variërende niveaus van stroom van de basis te zenden, kan de hoeveelheid stroom die door de poort van de collector vloeit, worden geregeld. Op deze wijze kan een zeer kleine hoeveelheid stroom worden gebruikt om een grote hoeveelheid stroom te regelen, zoals in een versterker. Hetzelfde proces wordt gebruikt om de binaire code voor de digitale processoren te maken, maar in dit geval is een spanningsdrempel van vijf volt nodig om de collectorpoort te openen. Op deze manier wordt de transistor gebruikt als een schakelaar met een binaire functie: vijf volt-ON, minder dan vijf volt-OFF.