トランジスタの歴史、パート3：複数の再発明

百年以上の間、アナログ犬はデジタル尾を振っています。 視覚、聴覚、さらにはある意味では触覚という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、レーダーに最適なコンポーネントを探しました。 幸運なことに、これらの検索により、新しいタイプのデジタルマシンを作成する方法が見つかりました。 そして、私はこの進行中の昇格の話をすることにしました。その間、電気通信エンジニアは最初のデジタルコンピューターのソース資料を提供し、時にはこれらのコンピューター自体を設計および作成しました。



しかし、1960年代までに、この実り多いコラボレーションは終わりを迎えました。 デジタル機器のメーカーは、新しい改良されたスイッチを探すために電信、電話、ラジオの世界を調べる必要がなくなりました。トランジスタ自体が尽きることのない改良の源を提供してくれたからです。 年々、彼らは深く掘り下げ、常に指数関数的に速度を上げ、コストを削減する方法を見つけました。



しかし、トランジスタの発明がBardinとBretteinの仕事で停止した場合、これは起こりませんでした 。

スロースタート

ベルがトランジスタの発明を発表したことに対する人気のある報道機関には熱意はなかった。 1948年7月1日、ニューヨークタイムズは、ラジオニュースの概要の下部にあるこのイベントに3つの段落を取りました。 さらに、このニュースは明らかに重要であると思われる他のニュースの後に登場しました。たとえば、NBCに登場するはずだった1時間のラジオ番組「Waltz Time」。 後知恵で、私たちは笑いたいかもしれませんし、未知の著者をoldりさえするかもしれません。







しかし、過去を見ると知覚がゆがみ、その重要性がわかっている信号が増幅されますが、当時はノイズの海で失われていました。 1948年のトランジスターはコンピューターのトランジスターとは非常に異なっていました。コンピューターのトランジスターの1つでこの記事を読みました（印刷することに決めなかった場合）。 それらは非常に異なっていたため、同じ名前であり、それらをつなぐ継承の連続線にもかかわらず、異なる属ではないとしても、異なる種と見なされるべきです。 それらはサイズの巨大な違いは言うまでもなく、異なる組成、異なる構造、異なる機能原理を持っています。 絶え間ない再発明のおかげで、バルディンとブレットシュタインによって構築された不器用なデバイスは、世界と私たちの生活を変えることができました。



実際、単一の接点を持つゲルマニウムトランジスタは、受け取ったよりも注目に値しませんでした。 彼には、電子管から継承されたいくつかの欠陥がありました。 もちろん、彼は最もコンパクトなランプよりもはるかに小さかった。 赤熱したスレッドがないため、発熱が少なく、エネルギー消費が少なく、燃え尽きず、使用前に加熱する必要がありません。



ただし、接触面にほこりがたまると故障が発生し、耐用年数が長くなる可能性がなくなりました。 彼は騒々しい信号を出しました。 低電力および狭い周波数範囲でのみ機能しました。 熱、寒さ、湿度の存在下で拒否された; 均一に生産することはできませんでした。 同じ人々によって同じ方法で作成されたいくつかのトランジスタは、反抗的に異なる電気特性を持ちます。 そして、これにはすべて標準ランプの8倍のコストがかかりました。



ベルの研究所（および他の特許所有者）は、1952年までに、単一の接点を持つトランジスタが実用的なデバイスになるのに十分な生産上の問題を解決しました。そして、バッテリー寿命に関する利点が欠点を上回りました。



しかし、トランジスタをより良く、より有用なものに変える最初の試みはすでに始まっています。 彼らは実際、大衆がその存在を知った瞬間よりずっと早く始まった。

ショックリーの野望

1947年の終わりまでに、ビルショックリーは大興奮してシカゴへの旅に出ました。 彼は最近BardinとBretteinによって発明されたトランジスタをどのように凌surするかについて漠然としたアイデアを持っていましたが、今のところそれらを開発する機会はありませんでした。 そのため、彼は仕事の段階を休む代わりに、ホテルでクリスマスと新年を過ごし、約20ページのノートにアイデアを記入しました。 その中には、半導体サンドイッチで構成される新しいトランジスタの提案がありました。これは、2つのn型片の間のp型ゲルマニウムのスライスです。



そのようなエースの存在に勇気づけられたショックリーは、マレー・ヒルに戻ったときにバーディンとブレットシュタインを主張し、トランジスタの発明に対するすべての栄光を要求した。 BardinとBretteinを実験室に置いたのは、電界効果の彼の考えではなかったのですか？ このため、特許に対するすべての権利を彼に譲渡する必要はありませんか？ しかし、ショックリーの策略は横向きであることが判明しました。ベルの特許弁護士は、未知の発明者ジュリアス・エドガー・リリエンフェルトが 、ほぼ20年前の1930年に電界効果半導体アンプの特許を取得したことを発見しました。もちろん、リリエンフェルドは、当時は資料でしたが、交差のリスクが大きすぎました-特許の電界効果に言及することを完全に避ける方が良いでしょう。



したがって、ベルの研究所はショックリーに発明者の名声のofしみない分け前を与えましたが、彼らは特許でバルディンとブレットシュタインだけに言及しました。 しかし、あなたは自分がしたことをすることはできません。ショックリーの野望は、2人の部下との関係を破壊しました。 バルディンはトランジスタの仕事をやめ、超伝導に集中しました。 彼は1951年に研究室を去った。ブレットシュタインはそこに残ったが、ショックリーとの仕事を再び拒否し、別のグループへの移籍を主張した。



他の人と一緒に仕事をすることができないため、ショックリーは研究所で前進しなかったため、彼もそこを去りました。 1956年、彼はパロアルトに戻り、トランジスタ製造会社Shockley Semiconductorを設立しました。 出かける前に、彼は妻のジーンが子宮のがんから回復していたときに別れ、すぐに結婚したエミー・レニングと仲良くなりました。 しかし、彼のカリフォルニアの夢の2つの半分-新しい会社と新しい妻-の1つだけが満たされました。 1957年、彼の最高のエンジニアは、彼の経営スタイルと彼が会社を率いた方向に激怒し、新しい会社Fairchild Semiconductorを設立するために彼を去りました。





1956年のショックレー



そこで、ショックリーは彼の会社の空のシェルを投げて、スタンフォードの電気工学科で仕事を得ました。 そこで、彼は彼の同僚（そして彼の最古の友人、物理学者のフレッド・ザイツ ）を彼から引き離し続けました。彼は、彼に興味を持っていた人種的変性と人種衛生の理論、特に最後の戦争の終わり以来、特に学界でアメリカで人気のなかったトピックでした。 彼は紛争を解き放ち、メディアを膨らませ、抗議を引き起こすことに喜びを感じた。 彼は子供や同僚から離れて1989年に亡くなり、彼に永遠に捧げられた二人目の妻、エミーだけが訪れました。



起業家精神の分野での彼の哀れな試みは失敗したが、ショックリーは穀物を肥沃な土壌に落とした。 サンフランシスコ湾岸地域は、戦争中に連邦政府の資金援助によって刺激された多数の小さなエレクトロニクス企業を生み出しています。 Shockleyのランダムな子孫であるFairchild Semiconductorは、数十社の新しい会社を生み出しました。その中には、IntelとAdvanced Micro Devices（AMD）の2社が知られています。 1970年代初頭までに、この地域はシリコンバレーのあざけるニックネームを獲得しました。 しかし、ちょっと待ってください。結局のところ、BardinとBretstein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？





そのため、2009年には、ショックリーセミコンダクターが以前配置されていたマウンテンビューの放棄された場所のように見えました。 今日、建物は取り壊されています。

シリコンクロスロードへ

シカゴのホテルでショックリ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、彼の発明者のそれよりもずっと幸せでした。 一人の純粋な半導体結晶を成長させたいという一人の願いのおかげです。 テキサスの物理化学者であり、博士号のために当時役に立たなかったゲルマニウムを研究していたゴードン・ティールは、1930年代にベルの研究室で職を得ました。 彼はトランジスタについて学び、その信頼性と電力は、使用された多結晶混合物からではなく、純粋な単結晶から作成することで大幅に改善できると確信しました。 Shockleyは、リソースの無駄だと考えて、彼の試みを拒否しました。



しかし、Tealは、溶融したゲルマニウムから小さな結晶核を取り出す装置を作成する機械エンジニアJohn Littleの助けを借りて、持続し成功を収めました。 核の周りを冷却すると、ゲルマニウムはその結晶構造を拡大し、連続したほぼ純粋な半導体格子を作成しました。 1949年の春までに、ティールとリトルはリクエストに応じて結晶を作成することができました。 特に、それらに追加されたマイナーキャリアは、100マイクロ秒またはそれ以上（他の結晶サンプルでは10マイクロ秒以下）で生き残ることができます。



Tealはより多くのリソースを購入できるようになり、チームにさらに多くの人を採用しました。その中には、テキサスからベルの研究所に来た別の物理化学者であるMorgan Sparksがいました。 彼らは、対応する不純物のボールを追加して、p型またはn型ゲルマニウムの製造のために溶融物を変え始めました。 1年以内に、ゲルマニウムnpnサンドイッチをメルト内で直接成長できる程度まで技術を改善しました。 また、Shockleyが予測したとおりに機能しました。p型材料の電気信号が、周囲のn型ピースに接続された2つの導体間の電流を変調しました。





ベルの研究室のワークベンチでのモーガンスパークスとゴードンティール



接合が大きくなったこのトランジスタは、ほぼすべての点で先祖を超えて1点接触になっています。 特に、信頼性と予測可能性が高まり、ノイズが大幅に減少し（したがって感度が向上し）、エネルギー効率が非常に高くなりました。つまり、一般的な電子ランプの100万分の1のエネルギーしか消費しません。 1951年7月、ベルの研究所は別の記者会見を開き、新しい発明を発表しました。 最初のトランジスタがなんとか市場に参入する前でさえ、実際、それはすでに重要ではなくなっていました。



それでも、これはほんの始まりに過ぎませんでした。 1952年、ゼネラルエレクトリック（GE）は、接合、合金法でトランジスタを作成するための新しいプロセスの開発を発表しました。 そのフレームワーク内で、2つのインジウムボール（p型ドナー）がn型ゲルマニウムの薄いスライスの両側に融合されました。 このプロセスは、合金の遷移を成長させるよりも簡単で安価でした。そのようなトランジスタは抵抗が少なく、高周波をサポートしていました。





成長および合金トランジスタ



翌年、ゴードン・ティールは故郷に戻ることを決め、ダラスのテキサス・インスツルメンツ（TI）で仕事を得ました。 同社はGeophysical Services、Inc.という名前で設立され、最初に石油探査用の機器を製造しました。TIは戦争中に電子機器部門を開設し、現在はWestern Electric（Bellの研究所製造部門）のライセンスの下でトランジスタ市場に参入しました。



Tealは、研究室で習得した新しいスキル、シリコン単結晶の成長と合金化の能力をもたらしました。 ドイツの最も明らかな弱点は、温度に対する感受性でした。 熱にさらされると、結晶中のゲルマニウム原子はすぐに自由電子を放出し、ますます導体に変わりました。 77℃の温度で、彼は一般的にトランジスタのように動作しなくなりました。 トランジスタ販売の主な目標は軍隊でした。低価格に敏感で、安定した信頼性の高い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す。 ただし、温度に敏感なゲルマニウムは、特に航空宇宙分野での軍事使用の多くの場合に役立ちません。



シリコンははるかに安定していましたが、鋼の融点に匹敵するはるかに高い融点を支払わなければなりませんでした。 これは、高品質のトランジスタを作成するために非常に純粋な結晶が必要であることを考えると、非常に困難をもたらしました。 熱い溶融シリコンは、それが置かれたるつぼから不純物を吸収します。 TealとTIチームは、超高純度のDuPontシリコンサンプルでこれらの問題を克服することができました。 1954年5月、オハイオ州デイトンで開催された無線技術者協会の会議で、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熱油に浸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

最後に、トランジスタの最初の発明から約7年後、同義語となった材料から作ることができました。 そして、トランジスタが出現するまでにほぼ同じ時間がかかります。これは、マイクロプロセッサとメモリチップで使用されている形式にほぼ似ています。



1955年、ベルの研究所の科学者は、新しい合金化技術を使用してシリコントランジスタを作成する方法を成功裏に学びました。固体不純物ボールを液体溶融物に追加する代わりに、半導体の固体表面に気体添加物を導入しました（ 熱拡散 ）。 温度、圧力、手順の時間を慎重に制御することにより、必要な合金化の深さと程度に正確に達しました。 生産プロセスの制御を強化することにより、最終製品の電気的特性をより強力に制御できます。 さらに重要なことは、熱拡散により、製品をバッチで生産できるようにしたことです。大きなシリコンプレートをドープし、それをトランジスタに切断することができました。 軍隊はベルの研究所に資金を提供しました。生産の組織には高い初期費用が必要だったからです。 彼らは、北極から飛んでいるソビエト爆撃機を検出するように設計された北極レーダーステーションのチェーンである超高周波早期警戒レーダーライン（「 露線 」）の新製品を必要としており、トランジスタあたり100ドルを支払う準備ができていました（これらは、車は2000ドルで購入できます）。



不純物の位置を制御するフォトリソグラフィーと合金化により、単一の半導体基板上の回路全体をエッチングすることが可能になりました-これは、1959年にFairchild SemiconductorとTexas Instrumentsによって同時に考案されました。FairchildのPlanar Technologyは、トランジスタの電気接点を接続する金属膜の化学堆積を使用しました。 手動配線の必要性がなくなり、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、ベルの研究所の2人のエンジニア（ジョンアトールとデボンカーン）が、元の電界効果ショックレートランジスタコンセプトを実装しました。 半導体表面の薄い酸化物層は、表面状態を効果的に抑制することができ、その結果、アルミニウムゲートからの電界がシリコンに侵入しました。 こうして生まれたMOSFET [金属酸化物半導体電界効果トランジスタ]（またはMOS構造、金属酸化物半導体）は、非常に小型化が容易であることが判明し、現在でもほとんどすべてのコンピューターで使用されています（興味深いことにAtallaは元はエジプト出身、カンは韓国出身で、私たちの歴史の中でこれらの2人のエンジニアだけがヨーロッパのルーツを持っていません。



最後に、最初のトランジスタが発明されてから13年後、コンピューターのトランジスタに似たものが現れました。 生成は簡単で、平面トランジスタよりも少ないエネルギーを使用しましたが、信号に対してはかなりゆっくりと反応しました。 単一の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初めて、電界効果トランジスタの利点が前面に出ました。





電界効果トランジスタの特許のイラスト



電界効果は、トランジスタの開発に対するベルの最後の主要な貢献でした。 Bellaの研究室（Western Electricを含む）、General Electric、Sylvania、Westinghouseなどの主要な電子機器メーカーは、半導体に関する印象的な研究を構築しています。 1952年から1965年にかけて、ベルの研究所だけがこの主題に関する200件を超える特許を登録しました。 それでも、商業市場はすぐにテキサス・インスツルメンツ、トランシトロン、フェアチャイルドなどの新しいプレーヤーの手に落ちました。



初期のトランジスタ市場は、大規模なプレーヤーが注意を払うには小さすぎました：1950年代半ばに年間約1,800万ドル、総電子市場は20億ドルでしたが、これらの巨人の研究所は意図しないトレーニングキャンプとして機能しました。若い科学者は半導体に関する知識を吸収することができたので、彼らは彼らのサービスを中小企業に売ることに移った。 チューブエレクトロニクス市場が1960年代半ばに大幅に縮小し始めたとき、ベラ、ウェスティングハウスなどが新興企業と競争するには遅すぎました。

コンピューターをトランジスターに移行

1950年代、トランジスタは最も重要な4つの分野でエレクトロニクスの世界に侵入しました。 最初の2つは補聴器とポータブルラジオで、低消費電力であり、その結果、バッテリ寿命が長く、他の考慮事項を圧倒しました。 3番目は軍事利用でした。 米軍は、野戦無線から弾道ミサイルまでどこでも使用できる信頼性の高いコンパクトなコンポーネントとして、トランジスタに大きな期待を持っていました。 しかし、最初はトランジスタへの投資は、当時の価値を確認することよりも、テクノロジーの未来に賭けることに似ていました。 そして最後に、より多くのデジタル計算がありました。



コンピューターの分野では、電子管のスイッチの欠点がよく知られており、戦前の一部の懐疑論者は、電子コンピューターを実用的なデバイスにできないとさえ考えていました。 数千個のランプが1つのデバイスに組み込まれたとき、それらは電気を使い尽くし、大量の熱を発生し、信頼性の観点からは、通常のバーンアウトにしか頼ることができませんでした。 そのため、消費電力が少なく、コールドでスレッドレスのトランジスタは、コンピューターメーカーの救世主になりました。 アンプとしての短所（たとえば、ノイズの多い出力信号）は、スイッチとして使用する場合、このような問題は発生しませんでした。 唯一の障害はコストであり、やがて急落し始めます。



アメリカのトランジスタコンピューターに関する初期の実験はすべて、有望な新技術の可能性を探求する軍隊の欲求と、改良されたスイッチに切り替えるエンジニアの欲求の交差点で行われました。



1954年、ベルの研究所は米国空軍向けにTRADICを構築し、トランジスターが爆撃機にデジタルコンピューターを搭載できるかどうかを確認し、アナログナビゲーションに置き換えてターゲットの発見を支援しました。 MITのリンカーンラボは、1956年に大規模な防空プロジェクトの一環としてTX-0コンピューターを開発しました。このマシンは、高速コンピューティングに適した表面バリアであるトランジスタの別のバリアントを使用しました。 Philcoは海軍との契約の下でSOLOコンピューターを構築しましたが（実際には-NSAの要請により）、1958年に終了しました（表面バリアトランジスタの別のバージョンを使用）。



西ヨーロッパでは、冷戦時代にそれほど資源が与えられていなかったため、話はまったく異なっていました。 マンチェスタートランジスターコンピューター、 ハーウェルCADET （ENIACプロジェクトに触発され、逆書きで暗号化された別の名前）、およびオーストリアのMailüfterlなどのマシンは、作成者が一緒にスクレイピングできるリソースを使用するサイドプロジェクトでした-第一世代の単一の接点を持つトランジスターを含む。



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」、「コンピューター」などの単語の正しい定義の選択にかかっています。 いずれにせよ、物語がどこで終わるかはわかっています。 トランジスターコンピューターの商品化はほぼすぐに始まりました。 年々、同じ価格のコンピューターはますます強力になり、同じ電力のコンピューターは安価になり、このプロセスは容赦ないように思えたため、重力とエネルギーの節約とともに、法のランクに昇格しました。 どの小石が崩壊の最初であったかについて議論する必要がありますか？

ムーアの法則はどこから来たのですか？

スイッチ履歴の終わりに近づいて、質問する価値があります：この崩壊の出現につながったのは何ですか？ ムーアの法則が存在する（または存在した-もう一度議論しましょう）のはなぜですか？ 飛行機や掃除機の場合、電子ランプやリレーにはないように、ムーアの法則はありません。



答えは2つの部分で構成されています。

1. アーチファクトカテゴリとしてのスイッチの論理プロパティ。
2. トランジスタの製造に純粋な化学プロセスを使用する能力。

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プロパティは、容赦ない物理的制限の広い範囲を満たすために必要です。 旅客機は多くの人の総重量を支えなければなりません。掃除機は、特定の物理的領域から特定の時間内に特定の量の汚れを吸引できる必要があります。航空機や掃除機は、ナノスケールに縮小すると役に立たなくなります。



このスイッチは、人間の手で触れたことのない自動スイッチであり、物理的な制限がはるかに少なくなっています。 2つの異なる状態があり、他の同様のスイッチに状態の変化を通知できる必要があります。つまり、彼ができることは、オンとオフを切り替えることだけです。トランジスタの何がそんなに特別なのですか？他の種類のデジタルスイッチでは、このような指数関数的な改善が行われなかったのはなぜですか？



ここで、2番目の事実に進みます。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製造できます。当初から、化学不純物の使用は、トランジスタの製造における重要な要素でした。次に、生産からの最後の機械的ステップであるワイヤの接続を排除する平面プロセスが登場しました。その結果、彼は小型化に関する最後の物理的制限を取り除きました。トランジスタは、人の指や機械的なデバイスに十分な大きさである必要がなくなりました。エッチングのための酸、表面のどの部分がエッチングに抵抗するかを制御するための光、不純物や金属膜をエッチングされた経路に導入するための蒸気など、想像を絶するほど小さなスケールですべてが行われました。



そして、なぜ小型化が必要なのですか？サイズを縮小することで、銀河系全体に心地よい副作用がもたらされました。スイッチング速度の向上、エネルギー消費量の削減、個々のコピーのコスト削減です。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削減する方法を探すようになりました。また、半導体業界では、1人の生活の中で、スイッチを釘の大きさから1ミリメートルあたり数千万個のスイッチを梱包するようになりました。スイッチあたり8ドルのリクエストから、1ドルあたり2,000万スイッチのオファーまで。





1971年のIntel 1103メモリチップ。サイズがわずか数十マイクロメートルの個々のトランジスタは、目ではすでに区別できません。そしてそれ以来、彼らは千回減少しています。

他に読むもの：

• 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・リオーダンとリリアン・ホッデソン、クリスタル・ファイア（1997）
• ジョエル・シャーキン、壊れた天才（1997）