🥇トランジスタの歴史、パート 3: 再発明された倍数

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XNUMX 年以上にわたり、アナログの犬はデジタルの尻尾を振り続けました。視覚、聴覚、さらにはある意味では触覚など、私たちの感覚の機能を拡張する試みにより、エンジニアや科学者は電信、電話、ラジオ、レーダー用のより優れたコンポーネントを探すようになりました。この探索により、新しいタイプのデジタルマシンの作成への道が発見されたのは、まったくの幸運でした。そして私はこの一定の物語を伝えることにしました摘出この間、電気通信技術者は最初のデジタルコンピューターの原材料を供給し、時にはそれらのコンピューターを自分たちで設計して構築することもありました。

しかし 1960 年代までに、この実りあるコラボレーションは終わりを迎え、それとともに私の物語も終わりました。デジタル機器のメーカーは、トランジスタ自体が改善の無尽蔵の源を提供したため、新しい改良されたスイッチを求めて電信、電話、ラジオの世界に目を向ける必要がなくなりました。彼らは年々、速度を飛躍的に向上させ、コストを削減する方法を常に見つけながら、さらに深く掘り下げていきました。

しかし、トランジスタの発明がこの時点で止まっていたら、このようなことは起こらなかったでしょう。バーディーンとブラッテンの作品.

スロースタート

ベル研究所のトランジスタ発明の発表に対して、一般マスコミはほとんど熱狂しなかった。 1 年 1948 月 XNUMX 日、ニューヨークタイムズ紙はラジオニュースの記事の最後にこの出来事について XNUMX つの段落を割きました。さらに、このニュースは、明らかにより重要であると考えられている他のニュース、たとえば NBC で放送される予定だった XNUMX 時間のラジオ番組「ワルツタイム」に続いて発表されました。今にして思えば、無名の著者たちを笑いたくなるか、叱りたくなるかもしれません。どうして彼らは世界をひっくり返したこの出来事を認識できなかったのでしょうか?

しかし、後から考えると認識が歪められ、私たちが知っている重要性が当時ノイズの海の中に失われた信号が増幅されます。 1948 年のトランジスタは、この記事を読んでいるコンピュータのトランジスタとは大きく異なりました (印刷することにした場合を除く)。それらは非常に異なっていたため、名前は同じであり、それらを繋ぐ脈々と受け継がれているにもかかわらず、異なる属ではないにしても、異なる種とみなされるべきである。サイズの大きな違いは言うまでもなく、組成、構造、動作原理が異なります。バーディーンとブラッテンが構築した不器用な装置が世界と私たちの生活を変えることができるのは、絶え間ない再発明によってのみでした。

実際、シングルポイントゲルマニウムトランジスタは、注目されるほどの価値はありませんでした。真空管由来のいくつかの欠陥がありました。もちろん、それは最もコンパクトなランプよりもはるかに小さかった。高温のフィラメントがないということは、発生する熱が少なく、消費エネルギーが少なく、燃え尽きず、使用前のウォームアップも必要ないことを意味します。

しかし、接触面に汚れが蓄積すると故障が発生し、耐用年数が延びる可能性がなくなりました。ノイズの多い信号が発生しました。低電力および狭い周波数範囲でのみ動作しました。熱、寒さ、湿気の存在下では故障します。そして均一に作ることができませんでした。同じ人が同じ方法で作成したいくつかのトランジスタは、電気的特性が大きく異なります。そして、これには標準的なランプの XNUMX 倍のコストがかかりました。

シングルポイントトランジスタが実用的なデバイスとなるのに十分な製造上の問題をベル研究所（および他の特許保有者）が解決したのは 1952 年になってからであり、そのときでさえ、価格感度が比較的低かった補聴器市場を超えて普及することはありませんでした。 . そしてバッテリー寿命の点での利点が欠点を上回りました。

しかし、トランジスタをより優れた、より有用なものに変えるための最初の試みがすでに始まっていました。実際、彼らは一般の人々がその存在を知った瞬間よりもずっと早くから始まりました。

ショックレーの野望

1947 年の終わり頃、ビル・ショックレーは興奮しながらシカゴへ旅行しました。彼は、バーディーンとブラッテンが最近発明したトランジスタに勝つ方法について漠然としたアイデアを持っていましたが、まだそれを開発する機会がありませんでした。そのため、彼は仕事の合間の休憩を楽しむ代わりに、クリスマスと新年をホテルで過ごし、約 20 ページのノートにアイデアを書き綴りました。その中には、半導体サンドイッチ構造、つまり XNUMX つの n 型ゲルマニウムの間にある p 型ゲルマニウムのスライスで構成される新しいトランジスタの提案がありました。

このエースに勇気づけられたショックレーは、バーディーンとブラッテンにマレーヒルへの帰還を主張し、トランジスタを発明した功績をすべて主張した。バーディーンとブラッテンを研究室に連れて行ったのは、フィールド効果に関する彼のアイデアではなかったでしょうか? この場合、特許に対するすべての権利を彼に譲渡する必要があるのではないでしょうか? しかし、ショックレーのトリックは裏目に出ました。ベル研究所の特許弁護士は、未知の発明者が、ジュリアス・エドガー・リリエンフェルドリリエンフェルドは、ほぼ 20 年前の 1930 年に半導体電界効果増幅器の特許を取得しました。もちろん、当時の材料の状態を考慮すると、リリエンフェルドは自分のアイデアを実装することはありませんでしたが、重複するリスクが大きすぎました。言及を完全に避けた方が賢明でした。特許における電界効果。

そのため、ベル研究所はショックリーに発明者の功績を惜しみなく与えたものの、特許にはバーディーンとブラッテンの名前だけを記載した。しかし、やってしまったことは取り消すことはできません。ショックレーの野心によって、二人の部下との関係が破壊されてしまいました。バーディーンはトランジスタの研究をやめ、超伝導に集中した。彼は 1951 年に研究所を去りました。ブラッテンはそこに残りましたが、再びショックリーと一緒に働くことを拒否し、別のグループに移されることを主張しました。

他の人々と協力することができないため、ショックリーは研究室で何の進歩も遂げることができず、そこで彼もそこを去りました。 1956 年に彼はパロアルトの故郷に戻り、自身のトランジスタ会社ショックレーセミコンダクターを設立しました。出発前、妻のジーンが子宮がんから回復中に別居し、エミー・ラニングと関係を持つようになり、すぐに結婚した。しかし、彼のカリフォルニアでの夢の 1957 つの半分、つまり新しい会社と新しい妻のうち、実現したのは XNUMX つだけです。 XNUMX 年、彼の経営スタイルと会社の方向性に激怒した彼の優秀なエンジニアが彼のもとを去り、新会社フェアチャイルドセミコンダクターを設立しました。

1956年のショックレー

そこでショックリーは会社の殻を破り、スタンフォード大学の電気工学部に就職した。そこで彼は同僚たち（そして彼の最古の友人である物理学者）たちを疎外し続けた。フレッド・サイツ) 彼が興味を持った人種退廃理論と人種衛生 – 最終戦争の終結以来、米国、特に学術界で不人気な話題。彼は論争を巻き起こし、メディアを煽り、抗議活動を引き起こすことに喜びを感じていた。彼は 1989 年に亡くなり、子供たちや同僚とは疎遠になり、面会したのは常に献身的な XNUMX 番目の妻エミーだけでした。

起業家としての彼の弱々しい試みは失敗に終わりましたが、ショックリーは実り豊かな土壌に種を蒔きました。サンフランシスコのベイエリアには小規模なエレクトロニクス企業が数多く生まれ、戦時中は連邦政府からの資金で潤った。ショックレーの偶然の子孫であるフェアチャイルドセミコンダクターは、数十の新しい企業を生み出しました。そのうちの 1970 つは今日でも知られています。インテルとアドバンストマイクロデバイス (AMD) です。 XNUMX 年代初頭までに、この地域は「シリコンバレー」という嘲笑的なあだ名が付けられるようになりました。しかし、ちょっと待ってください。バーディーンとブラッテンはゲルマニウムトランジスタを作成しました。シリコンはどこから来たのですか?

これは、かつてショックレーセミコンダクターがあったマウンテンビューの廃墟の 2009 年の様子です。今日、その建物は取り壊されました。

シリコンの交差点に向けて

シカゴのホテルでショックレーによって発明された新しいタイプのトランジスタの運命は、発明者の運命よりもはるかに幸福なものでした。それはすべて、純粋な半導体単結晶を成長させたいという一人の男の願望のおかげです。テキサス州出身の物理化学者ゴードン・ティールは、博士号取得のために当時は役に立たなかったゲルマニウムを研究していたが、30 年代にベル研究所に就職した。トランジスタについて学んだ彼は、当時使用されていた多結晶混合物からではなく、純粋な単結晶からトランジスタを作成することで、その信頼性と出力が大幅に向上できると確信しました。ショックリーは彼の努力を資源の無駄として拒否した。

しかし、ティールは粘り強く、機械技師のジョン・リトルの助けを借りて、溶融ゲルマニウムから小さな結晶の種を抽出する装置を開発して成功を収めました。ゲルマニウムが核の周囲で冷えると、結晶構造が拡大し、連続したほぼ純粋な半導体格子が形成されました。 1949 年の春までに、ティールとリトルは注文に応じて結晶を作成できるようになり、テストの結果、多結晶の競合他社に大きく遅れをとっていることがわかりました。特に、それらに添加された微量トランスポーターは、内部で XNUMX マイクロ秒またはそれ以上生存できます (他の結晶サンプルでは XNUMX マイクロ秒以下)。

ティールはより多くのリソースに余裕ができ、より多くの人材をチームに採用できましたが、その中にはテキサスからベル研究所に来たもう一人の物理化学者、モーガン・スパークスも含まれていました。彼らは、適切な不純物のビーズを添加することによって、溶融物を変更して、p 型または n 型ゲルマニウムを作成し始めました。 XNUMX 年以内に、彼らはゲルマニウム npn サンドイッチを溶融物中で直接成長させることができる程度まで技術を改良しました。そして、それはショックレーが予測したとおりに正確に機能しました。p型材料からの電気信号が、それを囲むn型部分に接続されたXNUMXつの導体間の電流を変調しました。

ベル研究所の作業台に立つモーガン・スパークスとゴードン・ティール

この成長した接合トランジスタは、ほぼすべての点で単一点接触の祖先を上回りました。特に、信頼性と予測可能性が高く、発生するノイズがはるかに少なく (したがって感度も高く)、非常にエネルギー効率が高く、消費エネルギーが一般的な真空管の 1951 万分の XNUMX でした。 XNUMX 年 XNUMX 月、ベル研究所は新たな発明を発表するために再度記者会見を開催しました。最初のトランジスタがなんとか市場に投入される前でさえ、それは本質的に意味のないものになっていました。

しかし、これはまだ始まりにすぎませんでした。 1952 年、ゼネラルエレクトリック (GE) は、接合型トランジスタを製造するための新しいプロセスであるフュージョン法の開発を発表しました。そのフレームワークでは、インジウム (p 型ドナー) の XNUMX つのボールが、n 型ゲルマニウムの薄いスライスの両側に融合されています。このプロセスは、合金で接合を成長させるよりも簡単で安価であり、そのようなトランジスタは抵抗が少なく、より高い周波数をサポートしました。

成長および融合されたトランジスタ

翌年、ゴードン・ティールは故郷の州に戻ることを決意し、ダラスのテキサス・インスツルメンツ（TI）に就職しました。同社は Geophysical Services, Inc. として設立され、当初は石油探査用の機器を製造していましたが、TI は戦時中にエレクトロニクス部門を開設し、現在は Western Electric (ベル研究所の製造部門) からのライセンスを受けてトランジスタ市場に参入していました。

ティールは、研究室で学んだ新しいスキル、つまり成長する能力と、合金シリコン単結晶。ゲルマニウムの最も明白な弱点は、温度に対する感度でした。熱にさらされると、結晶内のゲルマニウム原子は急速に自由電子を放出し、結晶はますます導体に変化します。温度が 77 °C になると、トランジスタと同様に完全に動作しなくなります。トランジスタの販売の主なターゲットは軍で、価格に対する感度が低く、安定性、信頼性、コンパクトな電子部品に対する大きなニーズを持つ潜在的な消費者でした。しかし、温度に敏感なゲルマニウムは、多くの軍事用途、特に航空宇宙分野では役に立ちません。

シリコンははるかに安定していましたが、その代償として融点が鋼鉄に匹敵するほど高くなりました。高品質のトランジスタを作成するには非常に純粋な結晶が必要であるため、これは多大な困難を引き起こしました。高温の溶融シリコンは、それが入っているるつぼから汚染物質を吸収します。 Teel 氏と TI のチームは、DuPont の超高純度シリコンサンプルを使用して、これらの課題を克服することができました。 1954 年 XNUMX 月、オハイオ州デイトンで開催された無線工学研究所の会議で、ティールは研究室で製造された新しいシリコンデバイスが高温の油に浸漬されても動作し続けることを実証しました。

成功した新興企業

トランジスタが最初に発明されてから約 XNUMX 年後、ついに、トランジスタの代名詞となった材料でトランジスタを作ることができました。そして、マイクロプロセッサやメモリチップで使用されている形状にほぼ似たトランジスタが登場するまでに、ほぼ同じ時間がかかるでしょう。

1955 年、ベル研究所の科学者たちは、新しいドーピング技術を使ってシリコントランジスタを製造する方法を学ぶことに成功しました。液体の溶融物に固体の不純物の球を加える代わりに、ガス状の添加剤を半導体の固体表面に導入しました。熱拡散）。温度、圧力、手順の継続時間を注意深く制御することで、必要な深さと程度のドーピングを正確に達成しました。製造プロセスの制御が強化されたことで、最終製品の電気特性もより細かく制御できるようになりました。さらに重要なのは、熱拡散により製品のバッチ生産が可能になったことです。シリコンの大きなスラブにドーピングを行ってから、それをトランジスタに切断することができます。生産を開始するには高額な初期費用が必要だったため、軍はベル研究所に資金を提供した。彼らは超高周波早期警戒レーダーリンク用の新製品を必要としていました（「露の線」）、北極から飛行するソ連の爆撃機を探知するように設計された北極レーダー基地のチェーンであり、トランジスタ100個あたり2000ドルを喜んで払い出しました（当時は新車がXNUMXドルで購入できた時代でした）。

との合金化フォトリソグラフィー不純物の位置を制御することにより、回路全体を 1959 つの半導体基板上に完全にエッチングする可能性が開かれました。これは XNUMX 年にフェアチャイルドセミコンダクターとテキサスインスツルメンツによって同時に考えられました。」プレーナーテクノロジーフェアチャイルド社の「」は、トランジスタの電気接点を接続する金属膜の化学蒸着を使用しました。これにより、手動で配線を作成する必要がなくなり、生産コストが削減され、信頼性が向上しました。

最後に、1960 年に、ベル研究所の XNUMX 人のエンジニア (ジョンアタラとデイボンカーン) が、電界効果トランジスタに関するショックレーのオリジナルのコンセプトを実装しました。半導体表面の酸化物の薄い層は、表面状態を効果的に抑制することができ、アルミニウムゲートからの電界がシリコンに浸透する原因となりました。こうして MOSFET [金属酸化物半導体電界効果トランジスタ] (または金属酸化物半導体の MOS 構造) が誕生しました。これは非常に簡単に小型化できることが判明し、現在でもほとんどすべての現代のコンピュータで使用されています (興味深いことに)。アタラはエジプト出身で、カンは韓国出身であり、事実上、ヨーロッパのルーツを持たないエンジニアは、歴史全体でこの XNUMX 人だけです)。

最初のトランジスタの発明から XNUMX 年後、ついに、コンピュータのトランジスタに似たものが登場しました。接合トランジスタよりも製造が容易で消費電力も少なくなりますが、信号への応答が非常に遅かったです。電界効果トランジスタの利点が表面化したのは、単一チップ上に数百または数千のコンポーネントが配置された大規模集積回路が普及してからです。

電界効果トランジスタの特許からの図

電界効果は、トランジスタの開発に対するベル研究所の最後の主要な貢献でした。ベル研究所（ウェスタン・エレクトリックを含む）、ゼネラル・エレクトリック、シルバニア、ウェスチングハウスなどの大手電子機器メーカーは、膨大な量の半導体研究を蓄積してきました。 1952 年から 1965 年にかけて、ベル研究所だけでもこのテーマに関して XNUMX 件以上の特許を登録しました。しかし、商業市場はすぐにテキサス・インスツルメンツ、トランジトロン、フェアチャイルドなどの新規参入企業の手に落ちた。

初期のトランジスタ市場は、大手企業の注目を集めるには小さすぎました: エレクトロニクス市場全体が 18 億ドルであるのに対し、1950 年代半ばには年間約 2 万ドルでした。そこでは、若い科学者が半導体の知識を吸収してから、中小企業にサービスを販売することができます。 1960 年代半ばに真空管エレクトロニクス市場が本格的に縮小し始めたとき、ベル研究所やウェスチングハウスなどが新興企業と競争するには手遅れでした。

コンピューターからトランジスタへの移行

1950 年代、トランジスタはエレクトロニクスの世界の XNUMX つの主要分野に侵入しました。最初の XNUMX つは補聴器とポータブルラジオで、低消費電力とその結果として長いバッテリー寿命が他の考慮事項を上回りました。 XNUMXつ目は軍事利用です。米陸軍は、野戦無線機から弾道ミサイルまであらゆるものに使用できる信頼性の高いコンパクトな部品としてトランジスタに大きな期待を寄せていました。しかし、初期の頃、彼らのトランジスタへの支出は、当時のトランジスタの価値を確認するものというよりも、テクノロジーの将来への賭けのように見えました。そして最後に、デジタルコンピューティングも登場しました。

コンピュータの分野では、真空管スイッチの欠点はよく知られており、戦前には電子コンピュータは実用化できないと考える懐疑論者もいた。何千ものランプが XNUMX つのデバイスに集められると、それらは電力を消費し、膨大な量の熱を発生するため、信頼性の観点からは、定期的なランプ切れに頼るしかありませんでした。したがって、低電力、クール、スレッドレスのトランジスタは、コンピュータメーカーの救世主となりました。アンプとしての欠点（出力にノイズが多くなるなど）は、スイッチとして使用するとそれほど問題になりませんでした。唯一の障害はコストであり、やがて価格は急激に下がり始めるだろう。

トランジスタ化コンピュータを用いた初期のアメリカの実験はすべて、有望な新技術の可能性を探求したいという軍の願望と、改良されたスイッチに移行したいという技術者の願望が交差する中で行われました。

ベル研究所は 1954 年に米国空軍向けに TRADIC を構築し、トランジスタが爆撃機にデジタルコンピュータを搭載して、アナログナビゲーションを置き換えて目標の発見を支援できるかどうかを確認しました。 MIT リンカーン研究所は、0 年に大規模な防空プロジェクトの一環として TX-1956 コンピューターを開発しました。このコンピューターは、高速コンピューティングに適した表面バリアトランジスタの別のバージョンを使用していました。 Philco は海軍との契約に基づいて (実際は NSA の要請に基づいて) SOLO コンピューターを構築し、1958 年に完成させました (表面バリアトランジスタの別のバリエーションを使用)。

冷戦時代に資源に恵まれなかった西ヨーロッパでは、状況は大きく異なりました。マンチェスタートランジスタコンピューターのようなマシン、ハーウェル士官候補生 (ENIAC プロジェクトに触発され、逆から綴られた別の名前)、オーストリア語マイリュフテルルこれらは、第一世代のシングルポイントトランジスタなど、作成者がかき集めたリソースを使用したサイドプロジェクトでした。

トランジスタを使用した最初のコンピューターのタイトルについては多くの論争があります。もちろん、すべては「最初」、「トランジスタ」、「コンピュータ」などの単語の正しい定義を選択することに帰着します。いずれにせよ、私たちは物語がどこで終わるのかを知っています。トランジスタ化コンピュータの商品化はすぐに始まりました。年々、同じ価格のコンピュータはより強力になり、同じ能力のコンピュータはより安くなり、このプロセスは非常に容赦のないものであるように見え、重力とエネルギー保存に次ぐ法律のランクにまで高められました。どの小石が最初に崩壊したかについて議論する必要があるでしょうか?

ムーアの法則はどこから来たのでしょうか?

スイッチの物語の終わりに近づくにつれて、この崩壊が起こった原因は何なのかを問う価値があります。なぜムーアの法則は存在するのでしょうか (または存在しました - それについては別の機会に議論します)? 真空管やリレーにムーアの法則がないのと同様、飛行機や掃除機にもムーアの法則はありません。

答えは XNUMX つの部分で構成されます。

アーティファクトカテゴリとしてのスイッチの論理プロパティ。
純粋に化学プロセスを使用してトランジスタを製造する能力。

まずスイッチの本質について。ほとんどのアーティファクトの特性は、広範囲にわたる容赦のない物理的制約を満たさなければなりません。旅客機は多くの人の合計重量を支えなければなりません。掃除機は、特定の物理領域から一定時間内に一定量のゴミを吸引できなければなりません。飛行機や掃除機もナノスケールに縮小されたら役に立たなくなります。

人間の手に触れたことのない自動スイッチであるスイッチには、物理的な制限がはるかに少なくなります。 XNUMX つの異なる状態を持つ必要があり、状態が変化したときに他の同様のスイッチと通信できる必要があります。つまり、オンとオフを切り替えるだけで済みます。トランジスタの何がそんなに特別なのでしょうか? 他の種類のデジタルスイッチでは、なぜこのような飛躍的な改善が見られなかったのでしょうか?

ここでXNUMX番目の事実にたどり着きます。トランジスタは、機械的介入なしで化学プロセスを使用して作成できます。当初から、トランジスタ製造の重要な要素は化学不純物の使用でした。次に、プレーナープロセスが登場し、生産から最後の機械的ステップであるワイヤーの取り付けが排除されました。その結果、小型化における最後の物理的制限を取り除きました。トランジスタはもはや人間の指や機械装置に十分な大きさである必要はありません。それはすべて、想像を絶するほど小規模な単純な化学によって行われました。酸でエッチングし、光で表面のどの部分がエッチングに抵抗するかを制御し、蒸気でエッチングされたトラックに不純物や金属膜を導入しました。

そもそもなぜ小型化が必要なのでしょうか？サイズの縮小により、スイッチング速度の向上、エネルギー消費の削減、個々のコピーのコストの削減など、銀河系全体に嬉しい副作用がもたらされました。これらの強力なインセンティブにより、誰もがスイッチをさらに減らす方法を模索するようになりました。そして半導体産業は、爪ほどの大きさのスイッチを作ることから、一人の人間の一生の間に、平方ミリメートルあたり数千万個のスイッチをパッケージングするまでに成長しました。スイッチ XNUMX 台に XNUMX ドルを要求することから、XNUMX ドルで XNUMX 万台のスイッチを提供することになります。

1103 年の Intel 1971 メモリチップ。個々のトランジスタのサイズはわずか数十マイクロメートルであり、もはや目には見えません。そしてそれ以来、彼らはさらに千倍に減少しました。

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アーネスト・ブルーアンとスチュアート・マクドナルド、ミニチュア革命 (1978)
マイケル・ライオーダンとリリアン・ホッデソン『クリスタル・ファイア』（1997年）
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出所： habr.com

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