Hitos clave en la evolución del transistor

Spencer barbilla | 09 de diciembre de 2022

El primer transistor se demostró con éxito en Bell Laboratories en Murray Hill, Nueva Jersey, en 1947. Este dispositivo de tres terminales ha generado muchos de los dispositivos electrónicos que hacen posibles muchos de los productos que damos por sentado hoy. Del transistor surgieron los MOSFET en sus diversas encarnaciones, circuitos integrados y microprocesadores.

Si bien los primeros transistores produjeron invenciones humildes como las radios de transistores, las mejoras posteriores en la tecnología de transistores produjeron calculadoras, computadoras personales y dispositivos electrónicos de potencia.

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Lo que sigue a continuación es un resumen de los desarrollos más significativos en la rica historia del transistor. Design News agradece a Wikipedia por la información en esta historia.

Según Wikipedia, la primera patente para el transistor de efecto de campo fue presentada por el físico austríaco-húngaro Julius Edgar Lilienfield el 25 de octubre de 1925, pero como no publicó artículos de investigación sobre sus dispositivos, su trabajo fue ignorado por la industria.

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Los esfuerzos de desarrollo de transistores de Bell Lab surgieron de los esfuerzos en tiempo de guerra para producir diodos mezcladores de cristal de germanio de alta pureza, utilizados en unidades de radar como elemento mezclador de frecuencia en receptores de radar de microondas. Después de la Segunda Guerra Mundial, los científicos de Bell John Bardeen, William Shockley y Walter Brattain comenzaron a trabajar en un dispositivo semiconductor similar a un triodo. El truco resultó ser producir un flujo de electrones constante entre el emisor y el colector del dispositivo, lo que fue posible colocando los cables del emisor y del colector muy cerca uno del otro con el cable de control en la base del cristal.

Un estudiante de posgrado de la Universidad de Purdue, que se unió al esfuerzo de investigación, notó que cuando se aplicó, no hubo resistencia, lo que dio origen a la idea de la inyección de portadores minoritarios.

Armados con este conocimiento, los científicos de Bell pasaron por varios arranques y paradas antes de finalmente construir el primer transistor en funcionamiento el 16 de diciembre de 1947. El transistor de contacto puntual presenta dos contactos de oro muy juntos unidos por una pequeña pieza de germanio.

Barden, Shockley y Brattain ganaron un Premio Nobel de Física por sus esfuerzos.

Los científicos de Bell (de izquierda a derecha) John Bardeen, William Shockley y Walter Brattain, quienes inventaron el transistor en 1947.

Si bien el primer transistor usó germanio, este material no fue una solución práctica a largo plazo debido a su rango de temperatura de funcionamiento limitado y las dificultades para purificar el compuesto. Un equipo de Bell Labs dirigido por Morris Tanenbaum desarrolló el primer transistor de silicio en funcionamiento el 16 de enero de 1954. Un dispositivo similar fue desarrollado por Gordon Teal de Texas Instruments unos meses después.

En 1955, los científicos de Bell Lab descubrieron el efecto pasivante de la oxidación en la superficie del semiconductor. El método de pasivación de la superficie es un hito clave para los transistores, ya que más tarde hizo posible la producción en masa de circuitos integrados.

La demostración exitosa de la pasivación del óxido de silicio de una superficie de silicio, primero por Mohamed Atalla en Bell Labs y Jean Hoerni de Fairchild condujo al proceso planar, que hizo posible la producción en masa de circuitos integrados de silicio.

También en 1959 se produjo el primer MOSFET. El transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor (MOSFET) fue inventado por Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs. Fabricaron el dispositivo en noviembre de 1959 y lo presentaron como el "dispositivo de superficie inducida por campo de silicio-dióxido de silicio" a principios de 1960. Con su alta escalabilidad, mucho menor consumo de energía y mayor densidad que los transistores de unión bipolar, el MOSFET hizo posible construir circuitos integrados (CI) de alta densidad que permitan la integración de más de 10 000 transistores en un solo circuito integrado.

En comparación con los transistores bipolares, los MOSFET no consumen corriente excepto cuando cambian de estado y tienen una velocidad de conmutación más rápida.

El desarrollo del MOSFET en 1959 fue un paso clave en la evolución del transistor.

CMOS (MOS complementario) fue inventado por Chih-Tang Sah y Frank Wanlass en Fairchild Semiconductor, y en febrero de 1963 publicaron la invención en un artículo de investigación.La tecnología CMOS resultaría fundamental en el desarrollo de circuitos integrados (CI), incluidos microprocesadores, microcontroladores y chips de memoria.

El primer informe de un FGMOS fue realizado por Dawon Kahng y Simon Min Sze en Bell Labs y data de 1967. El MOSFET de puerta flotante (FGMOS), también conocido como transistor MOS de puerta flotante o transistor de puerta flotante, es un tipo de transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor (MOSFET) donde la compuerta está eléctricamente aislada, creando un nodo flotante en corriente continua, y varias compuertas secundarias o entradas se depositan sobre la compuerta flotante (FG) y están eléctricamente aisladas de él. Estas entradas solo están conectadas capacitivamente al FG.

Las aplicaciones iniciales de FGMOS fueron las memorias de semiconductores digitales, para almacenar datos no volátiles en EPROM, EEPROM y memoria flash.

El transistor MOSFET de puerta autoalineada (puerta de silicio) fue inventado por Robert Kerwin, Donald Klein y John Sarace en Bell Labs en 1967. Posteriormente, los investigadores de Fairchild Semiconductor Federico Faggin y Tom Klein utilizaron MOSFET de puerta autoalineada para desarrollar el primer -Circuito integrado MOS de puerta.

El modo básico de funcionamiento de IGBT, en el que un MOSFET controla un transistor PNP, fue propuesto por primera vez por K. Yamagami e Y. Akagiri de Mitsubishi Electric en la patente japonesa S47-21739, presentada en 1968.

Tras la comercialización de los MOSFET de potencia en la década de 1970, B. Jayant Baliga presentó una divulgación de patente en General Electric (GE) en 1977 que describe un dispositivo semiconductor de potencia con el modo de funcionamiento IGBT, incluida la activación de tiristores MOS, un VMOS de cuatro capas (MOSFET de ranura en V) y el uso de estructuras activadas por MOS para controlar un dispositivo semiconductor de cuatro capas. Comenzó a fabricar el dispositivo IGBT con la ayuda de Margaret Lazeri en GE en 1978 y completó con éxito el proyecto en 1979. Los resultados de los experimentos se informaron en 1979.

La estructura del dispositivo se denominó "dispositivo MOSFET de ranura en V con la región de drenaje reemplazada por una región de ánodo tipo p" en este documento y posteriormente como "el rectificador de puerta aislada" (IGR), el transistor de puerta aislada ( IGT), el transistor de efecto de campo modulado por conductividad (COMFET) y el "MOSFET de modo bipolar".

El IGBT (transistor bipolar de puerta aislada) se desarrolló a fines de la década de 1970.

Un transistor de efecto de campo de aleta (FinFET) es un dispositivo de puerta múltiple, un MOSFET (transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido de metal) construido sobre un sustrato donde la puerta se coloca en dos, tres o cuatro lados del canal o se envuelve alrededor el canal, formando una estructura de doble o incluso de múltiples puertas. A estos dispositivos se les ha dado el nombre genérico de "FinFET" porque la región de fuente/drenaje forma aletas en la superficie de silicio. En comparación con los dispositivos CMOS, los dispositivos FinFET tienen tiempos de conmutación significativamente más rápidos y una mayor densidad de corriente.

El primer tipo de transistor FinFET se denominó "Transistor de canal pobre agotado" o transistor "DELTA", que fue fabricado por primera vez en Japón por Digh Hisamoto, Toru Kaga, Yoshifumi Kawamoto y Eiji Takeda del Laboratorio Central de Investigación de Hitachi en 1989.

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