Transistorul electronic modern este un dispozitiv semiconductor, utilizat în mod obișnuit pentru amplificarea sau comutarea semnalelor electronice. Un tranzistor este alcătuit dintr-o bucată solidă dintr-un material semiconductor, cu cel puțin trei terminale pentru conectarea la un circuit extern. O tensiune sau un curent aplicat la o pereche de terminale ale tranzistorului modifică curentul care circulă printr-o altă pereche de terminale. Deoarece puterea controlată (de ieșire) poate fi mult mai mare decât puterea de control (de intrare), tranzistorul asigură amplificarea unui semnal. Tranzistorul este componenta fundamentală a dispozitivelor electronice moderne și este utilizat în radio, telefonie, calculatoare și alte sisteme electronice. Unii tranzistori sunt ambalați individual, dar majoritatea se găsesc în circuite integrate.

Cum se întâmplă adesea în cazul multor invenții, tranzistorul este rezultatul muncii mai multor inventatori, și doar ultimul, sau cel mai inteligent, se alege cu toată gloria. În acest caz, aceștia au fost americanii John Bardeen, William Shockley și Walter Brattain, care au primit Premiul Nobel pentru Fizică în 1956 pentru inventarea tranzistorului, care a fost numit cea mai importantă invenție a secolului XX

Cine a fost totuși primul?

Începutul cercetărilor în domeniul semiconductorilor este marcat de raportul lui Michael Faraday din 1833 privind coeficientul negativ de rezistență la temperatură al sulfurii de argint. Aceasta este prima observație a unei proprietăți semiconductoare. În lucrarea sa din 1833, „Experimental Researches in Electricity”, Faraday (vezi portretul din apropiere) a dezvăluit această observație. Această observație se deosebea de proprietățile obișnuite ale metalelor și electroliților, în cazul cărora rezistența crește cu temperatura.

Următorul contribuitor important în domeniul semiconductorilor este fizicianul experimental francez Edmond Becquerel. În 1839, el a raportat observarea fototensiunii în electrozii de platină acoperiți cu clorură de argint. În experimentul său, un electrod de platină acoperit cu AgCl a fost scufundat într-o soluție apoasă de electrolit de acid azotic. Iluminarea electrodului a generat o fototensiune care a modificat câmpul electromagnetic produs de celulă, de fapt, a produs un fotocurent reductiv (catodic) la electrodul acoperit cu AgCl; acesta a fost primul dispozitiv fotovoltaic raportat. Fototensiunea a fost generată la contactul semiconductor metalic Ag/AgCl.

În 1873, inginerul electrician englez Willoughby Smith (1828-1891) (vezi portretul din apropiere) a ajuns la descoperirea fotoconductibilității seleniului. Inițial, el lucra cu cabluri submarine. S-a apucat de experimente cu seleniu pentru rezistența sa ridicată, care părea potrivită pentru telegrafia sa submarină. Diferiți experimentatori au măsurat rezistența barelor de seleniu, dar rezistența măsurată de aceștia în condiții diferite nu a fost deloc concordantă. Apoi, Smith a descoperit că rezistența depindea de fapt de intensitatea luminii incidente. Atunci când barele de seleniu erau puse în interiorul unei cutii cu capacul glisant închis, rezistența era cea mai mare. Când ochelari de diferite culori erau plasați în calea luminii, rezistența varia în funcție de cantitatea de lumină care trecea prin sticlă. Dar atunci când capacul a fost îndepărtat, conductivitatea a crescut. El a constatat, de asemenea, că efectul nu se datora variației de temperatură.

În 1874, fizicianul german Ferdinand Braun (vezi portretul din apropiere), un tânăr de 24 de ani, absolvent al Universității din Berlin, a studiat caracteristicile electroliților și ale cristalelor care conduc electricitatea la Universitatea din Würzburg. Când a sondat un cristal de galenă (sulfură de plumb) cu vârful unui fir metalic subțire, Braun a observat că curentul curgea liber într-o singură direcție. El descoperise efectul de rectificare în punctul de contact dintre metale și anumite materiale cristaline.
Braun a făcut o demonstrație a acestui dispozitiv semiconductor în fața unei audiențe la Leipzig, la 14 noiembrie 1876, dar nu și-a găsit nicio aplicație utilă până la apariția radioului, la începutul anilor 1900, când a fost folosit ca detector de semnal într-un aparat „radio cu cristal”. Denumirea descriptivă comună a detectorului „cat’s-whisker” provine de la sonda metalică fină folosită pentru a realiza contactul electric cu suprafața cristalului. Braun este mai bine cunoscut pentru dezvoltarea osciloscopului cu tub catodic (CRT) în 1897, cunoscut sub numele de „tub Braun” (Braunsche Röhre în germană). El a împărțit Premiul Nobel din 1909 cu Guglielmo Marconi pentru contribuțiile sale la dezvoltarea telegrafiei fără fir, în principal pentru dezvoltarea circuitelor acordabile pentru receptoarele radio.

Primul om, a aplicat semiconductorii în scopuri practice, a fost polimatul bengalez Sir Jagadish Chandra Bose (1858-1937). Jagadish Chandra Bose (vezi portretul din apropiere) a fost un fizician de geniu, biolog, botanist, arheolog și scriitor de science-fiction. Pentru a recepționa radiația, el a folosit o varietate de diferite joncțiuni metalice semiconductoare conectate în serie la un galvanometru foarte sensibil. A inventat mai multe dispozitive semiconductoare, primul dintre acestea fiind detectorul său Galena, pe care l-a inventat cândva în perioada 1894-1898 și l-a demonstrat în discursul Royal Institution din 1900. În acest dispozitiv, o pereche de contacte punctiforme (mustăți de pisică), în acest caz de galenă, era conectată în serie cu o sursă de tensiune și un galvanometru. Acest dispozitiv putea detecta orice fel de radiație, unde herțiene, unde luminoase și alte radiații. El a numit detectorul său de contacte punctiforme din galenă o retină artificială (deoarece, printr-o aranjare adecvată, putea fi făcut să detecteze doar undele luminoase), un radiometru universal. Ulterior, lui Bose i-a fost acordat primul brevet pentru un dispozitiv semiconductor din lume, și anume pentru detectorul de galenă. Printre celelalte receptoare semiconductoare cu semiconductori de pionierat ale sale se numără coerezorul cu arc în spirală și coerezorul (detector) de fier mercur cu fier cu telefon.

Între 1902 și 1906, inginerul electric de la American Telephone and Telegraph Greenleaf Whittier Pickard (1877-1956) (vezi portretul din apropiere) a testat mii de mostre de minerale pentru a le evalua proprietățile de rectificare. Cristalele de siliciu de la Westinghouse au dat unele dintre cele mai bune rezultate. La 20 august 1906, el a depus un brevet american privind „Mijloacele de recepție a comunicării inteligente prin unde electrice” pentru un detector de siliciu cu contact punctual (diodă), iar acesta a fost acordat în luna noiembrie a aceluiași an (a se vedea brevetul american 836531 al lui Pickard). Împreună cu doi asociați, Pickard a fondat compania Wireless Specialty Apparatus Company pentru a comercializa detectoare radio cu cristale de cristal „cat’s-whisker”. Aceasta a fost probabil prima companie care a fabricat și vândut dispozitive semiconductoare din siliciu. Un alt inventator american-Henry Dunwoody a primit un brevet pentru un sistem care folosea un detector cu contact punctual realizat din carborundum (carbură de siliciu) la numai câteva săptămâni după Pickard.

În 1915, fizicianul american Manson Benedicks a descoperit că un cristal de germaniu poate fi folosit pentru a converti curentul alternativ (curent alternativ) în curent continuu (curent continuu), adică proprietățile redresoare ale cristalelor de germaniu. Astfel, germaniul a fost adăugat pe lista semiconductorilor. Până atunci, aceasta era o listă scurtă formată din siliciu, seleniu și telur.

În 1927, americanii L.O. Grondahl și P.H. Geiger au inventat redresorul cu oxid de cupru. Brevetul american 1640335 a fost eliberat la 23 august 1927 lui Grondahl.

În 1925, celebrul inventator Julius Lilienfeld (vezi fotografia alăturată) a depus o cerere de brevet în Canada, anul următor în SUA, descriind un dispozitiv, foarte asemănător cu un tranzistor MESFET, pe care l-a numit apoi Method and Apparatus for Controlling Electric Currents (vezi brevetul american 1745175 al lui Lilienfeld).
Julius Edgar Lilienfeld (1882-1963) a fost o persoană remarcabilă în domeniul fizicii și electronicii. Evreul austriac Lilienfeld s-a născut la Lemberg în Austro-Ungaria (acum numit Lviv în Ucraina). A fost educat (doctor în fizică) și a trăit în Germania până la mijlocul anilor 1920, când a decis să emigreze în SUA. Pe lângă brevetul menționat mai sus pentru primul tranzistor, a fost titularul mai multor alte brevete în acest domeniu – brevetul american 1900018 „Dispozitiv pentru controlul curentului electric” din 1928 pentru un tranzistor MOSFET cu peliculă subțire; brevetul american 1877140 „Amplificator pentru curenți electrici” din 1928, pentru un dispozitiv în stare solidă în care fluxul de curent este controlat de un strat metalic poros, o versiune în stare solidă a tubului cu vid; brevetul american 2013564 „Condensator electrolitic” din 1931, pentru primul condensator electrolitic. Când Brattain, Bardeen și Shockley au încercat să obțină un brevet pentru tranzistorul lor, majoritatea revendicărilor lor au fost respinse, și anume din cauza brevetelor Lilienfeld.

În 1934, un alt om de știință german – Oskar Heil (1908-1994), inginer electrician și inventator, a solicitat un brevet german pentru un prim dispozitiv asemănător tranzistorului, descriind posibilitatea de a controla rezistența într-un material semiconductor cu ajutorul unui câmp electric, pe care l-a numit Îmbunătățiri în sau referitoare la amplificatoare electrice și alte aranjamente și dispozitive de control. În 1935, Heil a primit un brevet britanic (a se vedea desenul alăturat din brevetul britanic), belgian și francez pentru dispozitivul său.

În 1939, William Shockley și Walter Brattain, cercetători la Bell Telephone Labs din New Jersey, au făcut o încercare nereușită de a construi un amplificator semiconductor prin inserarea unei mici rețele de control într-un strat de oxid de cupru. Al Doilea Război Mondial a pus capăt experimentelor lor. Cu toate acestea, în 1947, același Brattain, de data aceasta împreună cu John Bardeen, a inventat tranzistorul cu contact punctual (vezi fotografia din apropiere a primului tranzistor, realizat din germaniu). William Shockley (liderul echipei) nu era prezent în acel moment și nu a primit creditul pentru invenție, ceea ce l-a enervat foarte tare. Este la fel de bine. Tranzistorul cu punct de contact era dificil de fabricat și nu era foarte fiabil. De asemenea, nu era tranzistorul pe care și-l dorea Shockley, așa că a continuat să lucreze la propria sa idee, care a dus la tranzistorul cu joncțiune, care era mai ușor de fabricat și funcționa mai bine. Bardeen și Brattain au depus o cerere de brevet la 17 iunie 1948, iar brevetul a fost eliberat la 3 octombrie 1950 (vezi brevetul).

William Shockley a depus prima cerere de brevet pentru tranzistorul cu joncțiune aproape în același timp – brevetul american 2569347 a fost depus la 26 iunie 1948 și eliberat la 25 septembrie 1951 (vezi primul brevet al lui Shockley).

John Bardeen (1908-1991), William Bradford Shockley (1910-1989) și Walter Houser Brattain (1902-1987), (vezi fotografia de jos), au împărțit Premiul Nobel pentru Fizică în 1956 „pentru cercetările lor asupra semiconductorilor și pentru descoperirea efectului tranzistorului”.

Bardeen (stânga), Shockley (mijloc) și Brattain (dreapta)

Atunci cum funcționează un tranzistor?

Concepția unui tranzistor îi permite să funcționeze ca un amplificator sau ca un comutator. Acest lucru este realizat prin utilizarea unei cantități mici de electricitate pentru a controla o poartă pe o sursă mult mai mare de electricitate, la fel ca și cum ai roti o supapă pentru a controla o sursă de apă.
Transistorii sunt compuși din trei părți, numite bază, colector și emitor. Baza este dispozitivul de control al porții pentru o alimentare electrică mai mare. Colectorul este alimentarea electrică mai mare, iar emițătorul este ieșirea pentru această alimentare. Prin trimiterea unor niveluri variabile de curent de la bază, se poate regla cantitatea de curent care trece prin poarta de la colector. În acest fel, o cantitate foarte mică de curent poate fi folosită pentru a controla o cantitate mare de curent, ca într-un amplificator. Același proces este utilizat pentru a crea codul binar pentru procesoarele digitale, dar în acest caz este necesar un prag de tensiune de cinci volți pentru a deschide poarta colectorului. În acest fel, tranzistorul este utilizat ca un comutator cu o funcție binară: cinci volți-ON, mai puțin de cinci volți-OFF.

.