Minęło siedem lat tłustych od początku założenia bloga w 2016 roku, w ramach których powstało 92 artykułów z różnych dziedzin techniki ze szczególnym uwzględnieniem polskiego wkładu w rozwój światowej technik. Największy beneficjentem całego projektu jest autor, który nadrobił przez ten okres zaległości w swoim skromnym zakresie zdobytej wiedzy, który zawierał wiele dziur z powodu ograniczonego  sposobu zdobywania wiedzy technicznej od  poziomu szkoły średniej  po studia techniczne. 

   Wspominając swoje studia muszę się przyznać, że  mało rozumiałem z wykładów prof. Arkadiusza Górala na temat techniki tranzystorowej,  który  był autorytetem w dziedzinie wzmacniaczy magnetycznych, rywalizujących  w latach 60-tych  z technika tranzystorową.  Niestety wygrały tranzystory, a wymuszona zmiana tematyki  wykładów była osobistą porażka profesora,  więc wykłady z  tego zakresu  obejmowały jedynie fizyczne właściwości złącz półprzewodnikowych  zastosowanych do produkcji tranzystorów. Na szczęście cały mój zawodowy etap pracy dotyczył techniki lampowej  i  tranzystory to była ciekawostka, która  nie doczekała się praktycznej weryfikacji na poziomie konstrukcyjnym. Teraz po latach okazało się, że historia rozwoju tranzystorów to wielka rewolucja, która wymagała czasu około 20 lat, aby  rzeczywiście wyeliminować lampy  z  zastosowań  praktycznych we wszystkich dziedzinach techniki.

Wracając do tematu  trzeba odnotować fakt, że wynalazek tranzystora miały miejsce w Murray Hill w stanie New Jersey, krótko po porze obiadowej we wtorek, 16 grudnia 1947r.  Tego dnia dwóch naukowców z  Bell Labs  w  kolejnej próbie eksperymentów z elementem półprzewodnikowym typu p-n  złożyło maleńkie urządzenie,  z dwóch pasków złotej folii, kawałka materiału półprzewodnikowego i zgiętego spinacza do papieru, które mogło wzmacniać sygnał  elektryczny oraz włączać go  i wyłączać. Tranzystor, jak wkrótce nazwano to urządzenie, stał się dla epoki cyfrowej tym, czym silnik parowy był dla rewolucji przemysłowej.  Zespół w składzie William Shockley, Johna Bardeena, W.H. Brattain  realizował badania których celem było zastąpienie lampy elektronowej triody  trój-zaciskowym urządzeniem wykonanym  z półprzewodników, które przyjmowałoby sygnał nisko-prądowy do zacisku wejściowego i wykorzystywało go do kontrolowania przepływu większego prądu przepływającego między dwoma innymi zaciskami, wzmacniając w ten sposób oryginalny sygnał.  Podstawową zasadą takiego urządzenia byłoby coś, co nazywa się efektem pola – zdolność pól elektrycznych do modulowania przewodności elektrycznej materiałów półprzewodnikowych. Efekt pola był już dobrze znany w tamtych czasach, dzięki diodom i związanym z nimi badaniom nad półprzewodnikami.

Ostatecznie po ciągu eksperymentów  i szczęśliwemu przypadkowi powstał model prototypu  tranzystora punktowo-kontaktowego, który  został zbudowany wokół płyty germanu typu  n  wielkości kciuka, posiadającej nadmiar ujemnie naładowanych elektronów. Płyta ta została poddana obróbce w celu wytworzenia bardzo cienkiej warstwy powierzchniowej typu p,  co  oznacza,  że miała nadmiar ładunków dodatnich. Te dodatnie ładunki są znane jako akceptory (dziury).  W rzeczywistości są  to  zlokalizowane niedobory elektronów, które  poruszają  się między atomami półprzewodnika bardzo podobnie jak prawdziwa cząstka. Elektrycznie uziemiona elektroda została przymocowana do dna tej płyty, tworząc podstawę tranzystora. Jego konfiguracja to dwa paski złotej folii dotykające powierzchni, które  utworzyły dwie kolejne elektrody, znane jako emiter  i  kolektor.

 Podczas pracy małe napięcie dodatnie – zaledwie ułamek wolta – było przykładane do emitera, podczas gdy znacznie większe napięcie ujemne – 4 do 40 woltów – było  przykładane do kolektora, wszystko w odniesieniu do uziemionej podstawy. Interfejs między warstwą typu  p   a  płytą typu  n  stworzył złącze podobne do tego, które znajduje się w diodzie. Zasadniczo złącze posiada charakter prostowniczy, jest barierą, która umożliwia łatwy przepływ prądu tylko w jednym kierunku, w kierunku niższego napięcia. Tak więc prąd może płynąć z dodatniego emitera przez barierę, podczas gdy żaden prąd nie może przepłynąć przez tę barierę do kolektora.

Ponieważ opis działania tranzystora punktowego nie posiada do tej pory prostej analizy zasady działania to należy założyć empiryczny opis, który tłumaczy przypadkowe  odkrycie tranzystora. Spójrzmy teraz na to, co dzieje się między atomami. Najpierw odłączymy kolektor i zobaczymy, co dzieje się wokół emitera bez niego. Emiter wstrzykuje ładunki dodatnie – dziury – do warstwy typu p i zaczynają one poruszać się w kierunku podstawy. Ale nie robią tego w linii prostej w tym kierunku. Cienka warstwa zmusza je do rozłożenia się na boki na pewną odległość, zanim przejdą przez barierę do płyty typu n.  Analogia z powolnym wysypywaniem niewielkiej ilości drobnego proszku na powierzchnię wody. Proszek w końcu tonie, ale najpierw rozprzestrzenia się w szerokim kole.

Teraz podłączamy kolektor. Mimo że nie może sam pobierać prądu przez barierę złącza p-n, jego duże napięcie ujemne i spiczasty kształt powodują skoncentrowane pole elektryczne, które przenika przez german. Ponieważ kolektor znajduje się tak blisko emitera, a także jest naładowany ujemnie, zaczyna zasysać wiele dziur, które rozprzestrzeniają się z emitera. Ten przepływ ładunku powoduje koncentrację dziur w pobliżu bariery p-n pod kolektorem.  To stężenie skutecznie obniża „wysokość” bariery, która w przeciwnym razie uniemożliwiłaby przepływ prądu między kolektorem  a  podstawą. Po obniżeniu bariery prąd zaczyna płynąć z podstawy do kolektora – znacznie więcej prądu niż to, co emiter wstrzykuje do tranzystora. Ilość prądu zależy od wysokości bariery. Niewielkie spadki lub wzrosty napięcia emitera powodują, że bariera zmienia się odpowiednio w górę i w dół. Tak więc bardzo małe zmiany w prądzie emitera kontrolują bardzo duże zmiany w kolektorze,  a  więc mamy wzmacniacz.

W praktyce należy zauważyć,  że funkcje bazy i emitera są odwrócone w porównaniu z współczesnymi tranzystorami, gdzie baza, a nie emiter, kontroluje odpowiedź tranzystora. Choć model był niezgrabny i delikatny, był wzmacniaczem półprzewodnikowym, a jego potomstwo zmieniło świat. I jego wynalazcy o tym wiedzieli. W końcu był to tranzystor, ale był dość delikatny a tym samym zawodny. A sukces eksperymentu był wynikiem pomysłu Brattain, który  wpadł na pomysł użycia plastikowego trójkąta opasanego paskiem złotej folii, z  maleńką szczeliną oddzielającą styki emitera i kolektora. Ta konfiguracja złotych elektrod rozmieszczonych blisko siebie w kontakcie z płytką półprzewodnika składająca się z warstw   p-n  dawało niezawodny przyrost mocy, sygnału w obwodzie kolektora.

Wynalazcy wpadli później na pomysł elektrycznego formowania kolektora poprzez przepuszczanie przez niego dużych prądów podczas produkcji tranzystora. Ta technika pozwoliła im uzyskać nieco większe przepływy prądu, które nie były tak ściśle ograniczone w warstwie powierzchniowej. Formowanie elektryczne było jednak nieco wadliwe – niektóre z egzemplarzy nie działały i były wyrzucane. Ponieważ wzmacniacz miał własności trans-rezystancji przyjęto nazwę tranzystor przez analogie do już istniejących nazw znanych elementów  elektronicznych takich jak : termistor, warystor. Niemniej jednak tranzystory punktowe weszły do produkcji w wielu firmach, na licencji AT&T, a w 1951 roku we własnym oddziale produkcyjnym AT&T, Western Electric. Były one używane między innymi w aparatach słuchowych, oscylatorach, urządzeniach do komutacji  telefonicznej..

US2524035 Three-electrode circuit element utilizing semiconductive materials, Data patentu: 3.10.1950

  Zgłoszony  wynalazek w jednej postaci wykorzystuje  blok materiału półprzewodnikowego, na którym  umieszczone są trzy elektrody. Jedna z nich, tzw kolektor, styka prostownik z korpusem bloku. Druga, zwana emiterem, również  korzystnie styka prostownik z korpusem bloku. Trzecia elektroda, którą można nazwać elektrodą bazową, korzystnie styka się z korpusem bloku o niskiej rezystancji. Gdy pracuje jako wzmacniacz, emiter jest zwykle ustawiony w kierunku łatwego przepływu prądu w stosunku do korpusu bloku półprzewodnikowego. Natura elektrody nadawczej i tej części półprzewodnika, która znajduje się w bezpośrednim sąsiedztwie styku elektrody, jest taka, że znaczna część prądu z tej elektrody jest przenoszona przez ładunki, których znaki są przeciwne do znaków ładunków ruchomych zwykle w nadmiarze w ciele półprzewodnika. Kolektor jest spolaryzowany w kierunku odwrotnym czyli  o wysokiej rezystancji względem korpusu półprzewodnika. W przypadku braku prądu  emitera do kolektora płynie wyłącznie prąd z elektrody bazowej i jest utrudniony przez dużą rezystancję tego styku kolektora.  Znak potencjału polaryzacji kolektora jest taki, aby przyciągnąć nośniki o przeciwnym znaku, które pochodzą z emitera. Kolektor jest tak umieszczony w stosunku do emitera, że duża część prądu emitera wpływa do kolektora, a jego wartość zależy częściowo od geometrycznego rozmieszczenia elektrod, a częściowo od zastosowanych potencjałów polaryzacji. Ponieważ emiter jest spolaryzowany  w kierunku przewodzenia, prąd emitera jest wrażliwy na niewielkie zmiany potencjału między emiterem a korpusem półprzewodnika lub między emiterem a elektrodą bazową. Zastosowanie niewielkiej zmiany napięcia pomiędzy elektroda podstawowa i emiter powodują stosunkowo dużą zmianę prądu wpływającego do półprzewodnika z emitera i odpowiednio dużą zmianę prądu do kolektora. Jednym ze skutków zmiany prądu emitera jest modyfikacja całkowitego prądu płynącego do kolektora, tak aby ogólna zmiana prądu kolektora była większa niż zmiana prądu emitera. Obwód kolektora może zawierać obciążenie o wysokiej impedancji dopasowanej do impedancji wewnętrznej kolektora, która ze względu na dużą rezystancję styku prostownika kolektora jest wysoka. W rezultacie uzyskuje się wzmocnienie napięcia, wzmocnienia prądu i wzmocnienia mocy sygnału wejściowego.

Z punktu widzenia swojego zewnętrznego zachowania i zastosowań, urządzenie według wynalazku przypomina triodę lampową; i chociaż elektrody są odpowiednio oznaczone jako emiter, kolektor i elektroda bazowa, mogą być zewnętrznie połączone ze sobą na różne sposoby, które zostały uznane za odpowiednie dla triod, takich jak konwencjonalny stopień wzmacniający, „uziemiona siatka”, „uziemiona anoda” lub wtórnik katodowy itp. Rzeczywiście, odkrycia, na którym opiera się wynalazek, dokonano najpierw z połączeniami obwodów, które są bardzo podobne do tak zwanych połączeń lamp próżniowych z „uziemioną siatką”. Jednak analogie między obwodami są oczywiście nie lepsze niż analogia między emiterem a katodą, elektrodą bazową a siatką, kolektorem a anodą. Poprzez zwrot części napięcia wyjściowego w odpowiedniej fazie do zacisków wejściowych, urządzenie może oscylować z częstotliwością określoną przez zewnętrzne elementy obwodu, a między innymi wzmocnienie mocy zostało potwierdzone przez sprzężenie zwrotne, które spowodowało oscylację. Stwierdzono, że działanie urządzenia wyrażają w przybliżeniu następujące zależności funkcjonalne:

Interpretacja powyższego równania polega na tym, że prąd kolektora obniża potencjał powierzchni bloku w pobliżu emitera względem elektrody bazowej o wartość R_FIc, a tym samym zwiększa efektywne napięcie polaryzacji emitera o tę samą wartość. Termin R_FIc oznacza zatem dodatnie sprzężenie zwrotne. Wynalazek zostanie w pełni zrozumiany na podstawie następującego szczegółowego opisu jednego z jego przykładów wykonania, w powiązaniu z załączonymi rysunkami, na których:  Fig.1 jest schematycznym diagramem, częściowo w perspektywie, pokazującym korzystny przykład wykonania wynalazku;  Fig.1a jest przekrojem poprzecznym części Fig.1 w znacznie powiększonej skali;  Fig.2 jest równoważnym schematem obwodu  lampy próżniowej  z  Fig.1; Fig.3 jest widokiem z góry bloku  z  Fig.1, pokaz rozmieszczenie elektrod;  Fig.3a jest podobny do Fig.3, ale pokazuje wpływ kolektora na modyfikację prądu emitera; Figi.4, 5, 6 i 7 przedstawiają rozmieszczenie elektrod alternatywa dla tych z Fig.1; Figi.8 i 9 przedstawiają struktury elektrod alternatywne do tych z Fig 1;  Fig.10  przedstawia zmodyfikowaną jednostkę  według wynalazku  podłączoną do pracy w obwodzie konwencjonalnej triody;  Fig.11 przedstawia inną zmodyfikowaną jednostkę według wynalazku, podłączoną do pracy w konfiguracji z „uziemioną  anodą” lub obwodzie wtórnika katodowego; Fig.12 przedstawia jednostkę według wynalazku podłączoną do  generacji  oscylacji;   Fig.13 jest schematem przedstawiającym rozkład potencjału elektronowego we wnętrzu półprzewodnika typu N w kontakcie z metalem;  Fig.14 jest diagramem przedstawiającym rozkład potencjału elektronowego we wnętrzu półprzewodnika typu P w kontakcie z metalem;  Fig.15 jest diagramem przedstawiającym rozkład potencjału elektronowego we wnętrzu cienkiej warstwy półprzewodnikowej typu P stykającej się z jednej strony z metalem, a z drugiej strony z korpusem z materiału półprzewodniko-wego  typu N, dla elektronów w paśmie przewodnictwa (górne krzywe) oraz w wypełnionym paśmie (dolne krzywe); Fig.16 jest diagramem przedstawiającym zmienność rozkład potencjału krzywej  b  z  Fig.15 w funkcji odległości emitera od kolektora.

Materiały, którymi zajmuje się wynalazek, to półprzewodniki, których właściwości elektryczne są w dużej mierze zależne od dodania  do nich bardzo małych ilości znaczących zanieczyszczeń. Wyrażenie znaczące zanieczyszczenia jest tutaj używane do określenia tych zanieczyszczeń, które wpływają na właściwości elektryczne materiału, takich jak jego rezystywność, światłoczułość, rektyfikacja i tym podobne, w odróżnieniu od innych zanieczyszczeń, które nie mają widocznego wpływu na te właściwości. Termin „zanieczyszczenia” obejmuje celowo dodane składniki, jak również te, które mogą być zawarte w materiale naturalnym  występującym w przyrodzie lub dostępnym w handlu. German jest takim materiałem, który wraz z pewnymi reprezentatywnymi zanieczyszczeniami dostarczy ilustracyjnego przykładu dla wyjaśnienia niniejszego wynalazku. Krzem to kolejny taki materiał. Niewielkie ilości, tj. do 0,1 procent zanieczyszczeń, na ogół o wyższej wartościowości niż podstawowy materiał półprzewodnikowy, np. fosfor w krzemie, antymon i arsen w germanie, są nazywane zanieczyszczeniami donorowymi, ponieważ przyczyniają się do przewodności materiału podstawowego poprzez przekazywanie elektronów do niewypełnionego pasma energii przewodzenia w materiale podstawowym.  W takim przypadku przekazane elektrony ujemne  są nośnikami prądu, a  materiał  i  jego przewodnictwo są typu N.   Podobne niewielkie ilości zanieczyszczeń, na ogół o niższej wartościowości niż materiał podstawowy, np. np. bor w krzemie lub aluminium w germanie, są nazywane zanieczyszczeniami „akceptorowymi”, ponieważ przyczyniają się do przewodnictwa poprzez „przyjmowanie” elektronów z atomów materiału podstawowego w wypełnionym paśmie.  Taka akceptacja pozostawia lukę lub „dziurę” w wypełniony zespół. Poprzez wymianę pożyczonych elektronów z atomu na atom, te dodatnie „dziury” skutecznie poruszają się i stanowią nośniki prądu, a materiał i jego przewodnictwo są uważane za typu P.

Fig.1 przedstawia blok germanu, który został przygotowany w powyższy sposób, a  Fig.1a  przedstawia środkową część bloku w przekroju   i   w   powiększeniu.  Odnosząc się do Fig.1 i 1a  razem, wiadomo, że dolna część bloku , której powierzchnia jest pokryta metalową warstwą  2  służącą jako elektroda podstawowa  podłoża  typu N.  Cienka warstwa 3  na  górnej powierzchni wykazuje przewodnictwo typu P,  w  którym to przypadku, jak dobrze wiadomo, granica 4  oddzielająca  tę  warstwę  typu  P  od materiału  typu  N  głównego korpusu bloku zachowuje się jak element prostowniczy o wysokiej rezystancji bariery.  Pierwsza elektroda  5, oznaczona jako emiter, styka  się  z  górną  powierzchnią bloku,  np. z warstwą 3 typu  P ,  najlepiej gdzieś w pobliżu jej środka lub co najmniej o kilka średnic punktowych odsuniętych od najbliższej krawędzi.  Ten  styk  w odniesieniu do korpusu bloku ma charakter prostowniczy,  ponieważ jest wykonany z  drutu ze sprężystego materiału, o średnicy od 0,5 do 5 milicali, korzystnie zaostrzonego  elektrolitycznie lub przez szlifowanie. Sposoby formowania punktów na takich drutach są opisane w patencie Stanów Zjednoczonych   US2430028 na rzecz W. G. Pfanna, J. H. Scaffa i A. H. White’a.  Końcówka drutu jest doprowadzana do kontaktu z górną powierzchnią  3 bloku  z  siłą  od  1 do 10  gramów,  gdzie następuje płynięcie zimnego metalu grotu, co powoduje, że dostosowuje się on do wszelkich drobnych nieregularności powierzchnia bloku. W tym celu drut ostrza powinien być plastyczny w porównaniu z materiałem bloczka. Przykładami odpowiednich materiałów są wolfram, miedź i brąz fosforowy.

Druga elektroda 6, oznaczona jako kolektor, styka się z górną powierzchnią 3 bloku bardzo blisko emitera 5. Najlepsze wyniki uzyskano, gdy separacja, mierzona wzdłuż powierzchni bloku, między kolektorem a emiterem, wynosi od 1 do 10 mils  (0,256mm). Ta elektroda 6 powinna tworzyć złącze prostownikowe z blokiem 3  i  może być spiczastym drutem sprężynowym, uformowanym i umieszczonym w sposób opisany powyżej w połączeniu z emiterem 5. Z drugiej strony może zawierać małą plamkę metalu, na przykład złota, który został odparowany na górnej powierzchni bloku w trakcie operacji końcowego suszenia i przez który został przebity centralny otwór  Fig.6  lub  w  poprzek  w  którym wycięto średnicową szczelinę Fig.7. Odparowanie takiej plamki lub warstewki metalu na górnej powierzchni po zakończeniu anodowego procesu utleniania opisanego powyżej skutkuje powstaniem złącza  prostownika. Trzecie połączenie, zwane elektrodą bazową, jest wykonane przez lutowanie lub w inny sposób z metalową warstwą  2,   która  została  nałożona  na dolną powierzchnię bloku.

Gdy jednostka jest teraz gotowa do użycia, jej działanie można ogólnie poprawić za pomocą procesu formowania elektrycznego, w którym do jednej lub obu elektrod punktowych 5, 6 przykłada się potencjał przekraczający szczytowe napięcie wsteczne, pomiędzy w/w elektrodę,  a  elektrodę bazową 2. Urządzenie jest chronione przed porażeniem prądem o dużym natężeniu poprzez szeregowe włączenie rezystora.   Uważa się, że efektem tej obróbki jest skoncentrowane przyłożenie pola elektrycznego i ciepła do materiału znajdującego się w bezpośrednim sąsiedztwie punktu,  a  więc poprawa właściwości elektrycznych styku.  Napięcia polaryzacji są teraz przykładane do elektrod, małe napięcie polaryzacji, zwykle dodatnie, na emiterze rzędu ułamka wolta i większe ujemne napięcie polaryzacji na kolektorze, zwykle w zakresie od -5 do -50 woltów, mierzone , względem  korpusu bloku do elektrody punktowej. Te potencjały polaryzacji można uzyskać z akumulatorów 8 połączonych jak pokazano lub w inny sposób, zgodnie z potrzebami.

Obciążenie od 1 000 do 100 000 omów można teraz połączyć w obwód z kolektorem, na przykład za pomocą transformatora wyjściowego 9, a sygnał do wzmocnienia można zastosować między emiterem a elektrodą bazową, na przykład za pomocą transformator wejściowy 10.  Połączenia mogą być połączeniami konwencjonalnej triody, jak pokazano  na  Fig.10, lub tak zwanej uziemionej płytki lub wtórnika katodowego, jak na Fig.11.  Na tych rysunkach sygnał wejściowy jest symbolicznie reprezentowany przez źródło, a obciążenie przez rezystor wyjściowy RL.  Odkrycia właściwości wzmacniających urządzenia dokonano jednak z uziemionym obwodem bazowym z  Fig.1, które jest odpowiednikiem lampy próżniowej w tak zwanej  konfiguracji z uziemioną siatką  z  Fig.2. (Główną cechą wyróżniającą ten obwód zastosowany z triodą lampy próżniowej jest to, że prąd obciążenia przepływa przez źródło.  Nie dotyczy to jednostki według niniejszego wynalazku, ponieważ elektroda podstawowa może pobierać znaczny prąd.  Podłączone w ten sposób urządzenie dało przyrosty mocy większe niż współczynnik 75. Dane operacyjne trzech różnych próbek podano w poniższej tabeli:

Uważa się, że warstwa typu P na powierzchni germanu w korzystnym przykładzie wykonania nie ulega znacznym zmianom, gdy styka się z metalową końcówką. Kiedy do emitera zostanie przyłożone niewielkie dodatnie napięcie polaryzacyjne i płynie prąd, nośnikami są głównie nośniki warstwy powierzchniowe, to znaczy raczej dziury niż elektrony przewodzące. Omówione powyżej pomiary potencjału  wskazują, że koncentracja dziur, a tym samym przewodnictwo w pobliżu punktu emitera, rośnie wraz ze wzrostem prądu przewodzenia. Ten prąd dziurowy rozchodzi się we wszystkich kierunkach od emitera 5 przed przekroczeniem bariery o wysokiej rezystancji 4.  Gdy obwód kolektora jest otwarty, przepływa następnie przez korpus bloku do platerowanej dolnej powierzchni 2. (W korpusie bloku typu N prąd może przybrać postać przepływu elektronów w górę, aby zneutralizować przepływ dziur w dół z warstwy typu P.) W przypadku fizycznego  braku  kolektora elektroda 6, ten prąd jest jedynym prądem. Jego ścieżka jest pokazana na  Fig.1a  jako linie nośników 13.   Po zetknięciu kolektora 6  i  przyłożeniu do niego ujemnego potencjału polaryzacji od -5 do -50 woltów, na warstwie typu P, 3  i  na  barierze 4  o wysokiej rezystancji pojawia się silne pole elektrostatyczne, które jest utrzymywane przez  stałe ładunki dodatnie  w materiale korpusu typu N  w  bezpośrednim sąsiedztwie kolektora. Uważa się, że bariera końca warstwy typu P jest  grubości rzędu 10^-4cm.  Tak więc przy napięciu 10 woltów na przestrzeni 10^-4  cm średnia siła tego pola wynosi rzędu 10⁵ woltów na cm, największe na kolektorze i rozciągające się we wszystkich kierunkach od kolektora, co pokazano  na    Fig.1a   przerywaną linią 14, wewnątrz której niektóre ze stałych ładunków dodatnich są oznaczone znakami plus

. Teraz, gdy prąd dodatnich dziur, jak wskazują linie prądu 15, znajdzie się pod wpływem tego pola, dziury są przyciągane do obszaru o najniższym potencjale, a mianowicie do punktu w którym elektroda kolektora  6 styka się z warstwą 3. Tam są odbierane przez kolektor 6  i  pojawiają się jako prąd w zewnętrznym obwodzie obciążenia  8, 9  podłączonym do kolektora 6. Przy dużym ujemnym obciążeniu kolektora 6, zmiana kilku woltów na kolektorze powoduje bardzo małą różnicę w  sile lub zasięgu otaczającego go pola, a zatem ma jedynie drugorzędny wpływ na ułamek prądu emitera zbieranego przez kolektor. Innymi słowy,  kolektor pracuje w warunkach zbliżonych do nasycenia, a impedancja prądu przemiennego obwodu kolektora jest duża. Jak pokazano w tabeli  I,  ma  wartościach od 10 000 do 100 000 omów. Aby uzyskać maksymalną moc wyjściową, impedancja obciążenia zewnętrznego powinna być dopasowana do impedancji wewnętrznej kolektora. Z drugiej strony zmiana napięcia między emiterem  5  a  elektrodą bazową 2  o  mały  ułamek wolta, na przykład przez sygnał, który może być przyłożony do zacisków wejściowych  i w  ten sposób odkładanych na tych elektrodach, na przykład poprzez  transformator, powoduje dużą zmianę prądu emitera, a tym samym prądu kolektora. Stąd wzmocniona replika napięcia sygnału wejściowego pojawia się na rezystorze obciążenia,

Jak pokazano na Fig.1a, korzystne jest, aby powierzchnia styku każdej z dwóch elektrod punktowych z powierzchnią bloku była duża w porównaniu z grubością warstwy. Zmniejsza to rzeczywistą rezystancję styku w porównaniu z rezystancją napotykaną przez prąd płynący poprzecznie w samej warstwie wierzchniej; tj. opór rozprzestrzeniania się warstwowo . Gdy elektrodą kolektora 6 jest pojedynczym zaostrzonym drutem lub odparowaną metalową plamką, ułamek prądu emitera, po rozprowadzeniu poprzecznym w warstwie 3  typu P,  w  końcu trafia przez barierę 4 do  elektrody  platerowanej 2  na  dolna  powierzchnia bloku, tj. e.,  do elektrody bazowej. Ta sytuacja jest przedstawiona na Fig.3, która jest prostym widokiem bloku, pokazującym linie strumienia prądu 3 rozchodzące się we wszystkich kierunkach od emitera.  Linie strumienia prądu 3 są proste przy braku pola kolektora. Gdy obecne jest pole kolektora 4, pole prądu jest zniekształcone, jak na Fig.3a, co pokazuje, że nawet przy pojedynczej elektrodzie kolektora 6 ponad połowa prąd emitera może być zabierana. W rzeczywistości część prądu emitera, która dociera do kolektora, może w korzystnych przypadkach sięgać nawet 90 procent,

Fig.13 przedstawia wykres potencjału elektrostatycznego w ciele półprzewodnika typu N w kontakcie z metalem. Jak stwierdzono powyżej, materiał typu N półprzewodnika zawiera stałe lub związane ładunki dodatnie. Uważa się, że są one rozmieszczone z dość jednorodną głębokością do pewnej odległości, powyżej której materiał jest elektrycznie obojętny, ponieważ związane ładunki dodatnie są równoważone przez równe ładunki ujemne (elektrony). zgodnie z równaniem Poissona:

Podobnie Fig.14 przedstawia rozkład potencjału dla dodatnich dziur w półprzewodniku typu P w kontakcie z metalem. W tym przypadku wysokość Eh końca krzywej od poziomu Fermiego reprezentuje energię, która musi zostać dostarczona pozytywnej dziurze, aby opuściła ona metal i weszła do półprzewodnika.  Fig.15 to złożony diagram przedstawiający na górnych krzywych energię elektronów, a na dolnych krzywych energię dziur w półprzewodniku, który zawiera cienką warstwę typu P oddzieloną barierą od korpusu z warstwy  typu N.   Ładunki stałe są ujemne w materiale typu P i dodatnie w materiale typu N, i dla uproszczenia zakłada się, że są równomiernie rozłożone w każdej strefie. Dwukrotne całkowanie gęstości ładunku zgodnie z równaniem Poissona daje najniższe krzywe, a, b   dla dwóch grup, które reprezentują warunki równowagi  i  które, z wyjątkiem stałej addytywnej Eg, są podobne.

Stała Eg reprezentuje różnicę energii między wypełnionym pasmem a pasmem przewodnictwa dla danego materiału. Krzywe środkowe a1, b1 każdej grupy przedstawiają warunki, w których do bloku półprzewodnikowego przyłożone jest małe ujemne odchylenie względem emitera 5, a krzywe górne a2, b2. każdej grupy reprezentują warunki, w których sygnał przyłożony między emiterem a elektrodą kontrolną dodatkowo zmniejsza potencjał bloku. Najwyraźniej zmiana potencjału bloku w stosunku do emitera działa w każdym przypadku na zwiększenie efektywnej grubości warstwy typu P, a więc gęstość dziur i przewodnictwo warstwy. Taki wzrost przewodnictwa wraz ze wzrostem polaryzacji przewodzenia zaobserwowano w związku z pomiarami potencjału za pomocą sondy, o których mowa powyżej.

Zaokrąglony szczyt potencjału dziur zakrzywia się poniżej poziomu Fermiego. Im większa grubość warstwy typu P, tym bardziej koniec tej krzywej spada poniżej poziomu Fermiego ( im większa wielkość Eh i tym większa trudność dziur w opuszczeniu metalu emitera i wejściu do półprzewodnika. Podobnie, im cieńsza warstwa typu P,  tym  mniejsza jest wielkość Eh  i  większa łatwość,  z jaką dziury przemieszczają się z metalu emitera do półprzewodnika i wchodzą do niego.  Z drugiej strony, jeśli warstwa typu P jest ząbkowana, przewodnictwo warstwy, które jest związane z szerokością w przybliżeniu płaskiej części górnej części krzywej b1 z Fig.15, będzie małe.  W pobliżu elektrody kolektora grubość warstwy typu P powinna być na tyle mała, aby charakterystyka prostowania kolektora była determinowana przede wszystkim przez korpus półprzewodnika, a nie przez warstwę.  Jeśli teraz kolektor jest spolaryzowany w odwrotnym kierunku względem ciała, większość spadku wysokiego napięcia na elektrodzie występuje w bezpośrednim sąsiedztwie kolektora, tak że impedancja obwodu kolektora jest wysoka.  Warstwa typu P jest korzystnie dostosowana do optymalnej grubości leżącej pomiędzy tymi skrajnościami.  Uważa się, że najlepsze wyniki uzyskuje się, gdy jej grubość jest taka, że koniec krzywej wypada nieco poniżej zaokrąglonego wierzchołka. Dziury mogą dostać się do półprzewodnika bez większych trudności i mają tendencję do gromadzenia się w obszarze największego potencjału ujemnego jako chmura ruchomych ładunków dodatnich. Następnie rozpraszają się poprzecznie  od emitera – na Fig.1, prostopadle do powierzchni, Fig.15 – część z nich wchodzi  w  pole  4  kolektora 6.

Ponieważ prawa część dolnej krzywej wypada znacznie poniżej części lewej, dodatnie dziury mogą tylko z trudem przekroczyć barierę. Ponieważ warstwa typu P jest cienka, energia Eh potrzebna do wprowadzenia dziur w warstwę jest niewielka. Dlatego dziury łatwo wchodzą pod wpływem polaryzacji dodatniej na emiter 5 i zbierają się w warstwie, jak pęcherzyki powietrza podczas znajdowały się na szczycie cieczy w zamkniętym naczyniu. Mogą z łatwością przemieszczać się w warstwie i równolegle do niej.

W jakim sensie i dlaczego istnieje bariera oddzielająca obszar przewodnictwa typu P od obszaru przewodnictwa typu N, pomimo faktu, że sam materiał półprzewodnikowy może być chemicznie i stechiometrycznie jednolity można wyjaśnić za pomocą Fig.16, która jest trójwymiarowa reprezentacja warunków, jakie napotykają dziury podczas swojej wędrówki w warstwie od emitera do kolektora – na rysunku, równolegle z osią Y.  Jak na Fig.15, oś X reprezentuje głębokość mierzoną w półprzewodniku, a oś V, która jest narysowana w przybliżeniu w skali logarytmicznej, reprezentuje potencjał ujemny. W miarę jak dziury zbliżają się do kolektora, szczyt krzywej potencjału staje się coraz mniej wyraźny, aż w końcu na kolektorze obszarem o najniższym potencjale, do którego przepływają dziury, jest sam kolektor, skąd są one wycofywane. Z tej części prądu emitera, która przechodzi przez barierę, pewna część przechodzi przez nią ponownie w pobliżu kolektora i jest zbierana, tworząc w ten sposób część prądu kolektora. Powyższa hipoteza co do mechanizmu uzyskiwania wzmocnienia odnosi się zarówno do tej części prądu, jak i do części, która w całości przepływa w obrębie warstwy. Prąd kolektora zawiera jeszcze jedną składową, która polega na przepływie elektronów od kolektora do elektrody bazowej, raz przekraczając barierę na swojej drodze. Hipoteza, w jaki sposób ta składowa prądu bierze udział w procesie amplifikacji jest następująca: W punkcie styku elektrody kolektora z warstwą powierzchniową występuje wzniesienie potencjału, które zapewnia impedancję przepływu elektronów z elektrody do półprzewodnika. W przypadku braku odchylenia, wysokość tego wzgórza, wskazana przez Ee na Fig.13 i 15, to energia potrzebna do pobrania elektronu z metalu i umieszczenia go w paśmie przewodnictwa półprzewodnika.

Efektem jest zwiększenie przepływu elektronów do półprzewodnika w sposób podobny do wzmocnienia prądu z katody termicznej przez emisję indukowaną polem. Gdy emiter jest podłączony, a prąd dziur przepływa do kolektora, nagromadzenie ładunków dodatnich (dziur) w pobliżu kolektora powoduje, że potencjał spada szybciej wraz z głębokością w materiale, a więc powoduje zwiększenie pola i zmniejszenie efektywnej wysokości wzniesienia, tj. w impedancji punktu kontaktowego. Tak więc każdemu wzrostowi tego składnika prądu kolektora, który pochodzi z emitera towarzyszy odpowiedni wzrost w drugiej składowej prądu kolektora, a mianowicie w przepływie elektronów do elektrody bazowej. Stąd całkowita zmiana prądu kolektora może być większa niż zmiana emisji prąd.

WNIOSKI

Zadaniem w/w zespołu naukowców Bell Labs było zastąpienie  powszechnie stosowanej lampy elektronowej typu trioda przez  trzy zaciskowe urządzenie wykonane z półprzewodników, które przyjmowałoby sygnał niskoprądowy do zacisku wejściowego i wykorzystywało go do kontrolowania przepływu większego prądu przepływającego między dwoma innymi zaciskami, wzmacniając w ten sposób oryginalny sygnał. Podstawową zasadą takiego urządzenia byłoby coś, co nazywa się efektem pola - zdolność pól elektrycznych do modulowania przewodności elektrycznej materiałów półprzewodnikowych. Efekt pola był już dobrze znany w tamtych czasach, dzięki diodom i związanym z nimi badaniom nad półprzewodnikami. Tranzystor punktowo-kontaktowy został zbudowany wokół płyty germanu typu n wielkości kciuka, która ma nadmiar ujemnie naładowanych elektronów. Płyta ta została poddana obróbce w celu wytworzenia bardzo cienkiej warstwy powierzchniowej typu p, co oznacza, że miała nadmiar ładunków dodatnich. Te dodatnie ładunki są znane jako akceptory (dziury).  W rzeczywistości są to zlokalizowane niedobory elektronów, które poruszają się między atomami półprzewodnika bardzo podobnie jak prawdziwa cząstka. Elektrycznie uziemiona elektroda została przymocowana do dna tej płyty, tworząc podstawę tranzystora. Jego konfiguracja to dwa paski złotej folii dotykające powierzchni, które  utworzyły dwie kolejne elektrody, znane jako emiter  i  kolektor.  Podczas pracy małe napięcie dodatnie - zaledwie ułamek wolta - jest przykładane do emitera, podczas gdy znacznie większe napięcie ujemne - 4 do 40 woltów - jest przykładane do kolektora, wszystko w odniesieniu do uziemionej podstawy. Interfejs między warstwą typu p a płytą typu n stworzył złącze podobne do tego, które znajduje się w diodzie: Zasadniczo złącze posiada charakter prostowniczy, jest barierą, która umożliwia łatwy przepływ prądu tylko w jednym kierunku, w kierunku niższego napięcia. Tak więc prąd może płynąć z dodatniego emitera przez barierę, podczas gdy żaden prąd nie może przepłynąć przez tę barierę do kolektora.

Spójrzmy teraz na to, co dzieje się między atomami. Najpierw odłączymy kolektor i zobaczymy, co dzieje się wokół emitera bez niego. Emiter wstrzykuje ładunki dodatnie - dziury - do warstwy typu p i zaczynają one poruszać się w kierunku podstawy. Ale nie robią tego w linii prostej w tym kierunku. Cienka warstwa zmusza je do rozłożenia się na boki na pewną odległość, zanim przejdą przez barierę do płyty typu n. Pomyśl o powolnym wysypywaniu niewielkiej ilości drobnego proszku na powierzchnię wody. Proszek w końcu tonie, ale najpierw rozprzestrzenia się w szorstkim kole. Teraz podłączamy kolektor. Mimo że nie może sam pobierać prądu przez barierę złącza p-n, jego duże napięcie ujemne i spiczasty kształt powodują skoncentrowane pole elektryczne, które przenika przez german. Ponieważ kolektor znajduje się tak blisko emitera, a także jest naładowany ujemnie, zaczyna zasysać wiele dziur, które rozprzestrzeniają się z emitera. Ten przepływ ładunku powoduje koncentrację dziur w pobliżu bariery p-n pod kolektorem. To stężenie skutecznie obniża "wysokość" bariery, która w przeciwnym razie uniemożliwiłaby przepływ prądu między kolektorem a podstawą. Po obniżeniu bariery prąd zaczyna płynąć z podstawy do kolektora - znacznie więcej prądu niż to, co emiter wstrzykuje do tranzystora. Ilość prądu zależy od wysokości bariery. Niewielkie spadki lub wzrosty napięcia emitera powodują, że bariera zmienia się odpowiednio w górę i w dół. Tak więc bardzo małe zmiany w prądzie emitera kontrolują bardzo duże zmiany w kolektorze, więc mamy wzmacniacz.

W praktyce należy zauważyć,  że funkcje bazy i emitera są odwrócone w porównaniu z współczesnymi tranzystorami, gdzie baza, a nie emiter, kontroluje odpowiedź tranzystora. Choć był niezgrabny i delikatny, był wzmacniaczem półprzewodnikowym, a jego potomstwo zmieniło świat. I jego wynalazcy o tym wiedzieli. Pamiętnym dniem był 16 grudnia 1947 roku, kiedy Brattain wpadł na pomysł użycia plastikowego trójkąta opasanego paskiem złotej folii, z tą maleńką szczeliną oddzielającą styki emitera i kolektora. Ta konfiguracja dawała niezawodny przyrost mocy, a duet a duet wiedział wtedy, że im się udało. W końcu był to tranzystor, ale był dość delikatny a tym samym zawodny. Wynalazcy wpadli później na pomysł elektrycznego formowania kolektora poprzez przepuszczanie przez niego dużych prądów podczas produkcji tranzystora. Ta technika pozwoliła im uzyskać nieco większe przepływy prądu, które nie były tak ściśle ograniczone w warstwie powierzchniowej. Formowanie elektryczne było jednak nieco wadliwe – niektóre z egzemplarzy nie działały i były wyrzucane. Ponieważ wzmacniacz miał własności transrezystancji przyjęto nazwę tranzystor przez analogie do już istniejących nazw znanych elementów  elektronicznych takich jak : termistor, warystor.  Niemniej jednak tranzystory punktowe weszły do produkcji w wielu firmach, na licencji AT&T, a w 1951 roku we własnym oddziale produkcyjnym AT&T, Western Electric. Były one używane między innymi w aparatach słuchowych, oscylatorach, urządzeniach komutacji  telefonicznego.

Introduction – How the First Transistor Worked

 https://www.youtube.com/watch?v=MFN2p8izhss