pienoiskuva|Erilaisia transistoreita Transistori on kolminapainen puolijohdekomponentti, joka voi toimia kytkimenä tai vahvistimena. Transistorin kahden liittimen välisellä jännitteellä voidaan kontrolloida kahden muun liittimen läpi kulkevaa virtaa. Transistorit jaetaan yleensä kahteen päätyyppiin: bipolaaritransistoreihin ja kanavatransistoreihin.https://www.tiede.fi/artikkeli/jutut/artikkelit/transistori_60_v_maailma_mullistui_puolivahingossa Yleisimmin transistorit valmistetaan piistä, mutta muitakin puolijohdemateriaaleja, kuten germaniumia, käytetään.
Transistori on nykyaikaisen elektroniikan peruskomponentti, ja niitä löytyy käytännössä kaikista sähköisistä järjestelmistä. Transistorin keksiminen mahdollisti elektronisten tuotteiden pienentymisen ja halventumisen sekä tietokoneiden laskentatehon kasvun. Tämä kehityskulku elektroniputkesta yksittäisiin transistoreihin ja edelleen miljardeja transistoreita sisältäviin mikropiireihin on mahdollistanut muun muassa henkilökohtaiset tietokoneet ja matkapuhelimet.
Historia
Vuonna 1926 Julius E. Lilienfeld haki patenttia kolmen elektrodin rakenteeseen, joka perustui puolijohteeseen. Nykyisin ratkaisua kutsuttaisiin kanavatransistoriksi. Vuonna 1934 Oskar Heil haki patenttia virran ohjaamiseen puolijohteessa, joka oli myös periaatteessa kanavatransistori. Vaikka patentit myönnettiin molemmille, ei ole aineistoa, joka osoittaisi kummankaan rakentaneen toimivia laitteita.
23. helmikuuta 1940 Russell Ohl testasi pientä palaa piitä ja sai yllättäviä tuloksia: kirkas valo sai läpikulkevan virran hyppäämään huomattavasti, ja materiaalin eri osat antoivat vastakkaisia sähköisiä tuloksia. Ohl ja Jack Scaff havaitsivat sauman merkitsevän jakoa eri epäpuhtauksiin. Kun epäpuhtautena oli fosfori, sai se aikaan ylimääräisiä elektroneja, kun taas boori aiheutti elektronien vajausta (myöhemmin tunnistettu elektroniaukoiksi). Ohl ja Scaff kutsuivat alueita n-tyypiksi (negatiiviselle) ja p-tyypiksi (positiiviselle): pinta, jossa nämä kohtasivat, tuli tunnetuksi p-n-liitoksena. Liitokseen osuva valo sai elektronit kulkemaan n-puolelta p-puolelle saaden aikaan sähkövirran. Ohl havaitsi p-n-rajapinnassa tapahtuvan valosähköisen ilmiön muodon, johon muun muassa nykyiset aurinkokennot perustuvat.
thumb|left|Ensimmäisen transistorin kopio. Transistorin keksivät 1947 yhdysvaltalaisen Bell Telephone Laboratoryn fyysikot Walter Brattain ja John Bardeen.Arto Lehto: Transistori 60 v. Maailma mullistui puolivahingossa, Tiede 2007 16. joulukuuta 1947 tutkimus johti ensimmäiseen puolijohdevahvistimeen. Laite nimettiin transistoriksi, ja se koostui kahdesta lähekkäin asetetusta kultakontaktista, jotka olivat germanium-laatalla. Toinen kontakti oli emitteri ja toinen kollektori, kun taas kantana (base) tunnettu kolmas kontakti oli germanium-alustan toisella puolella. Positiivinen jännite emitterissä lisäsi johtavuutta germaniumissa vahvistaen kollektoriin saapuvaa virtaa satakertaisesti. Bell Labs ilmoitti laitteesta lehdistötilaisuudessa 30. kesäkuuta 1948, ja siihen pohjautuen valmistettiin tuhansia "Type A" -transistoreja. Bardeenin ja Brattainin kärkitransistorille on haettu patenttia numero 2524035 vuonna 1948.
Bardeenin ja Brattainin joulukuussa esittelemän keksinnön jälkeen William Shockley aloitti teoreettisen työn ja 23. tammikuuta 1948 rakensi liitostransistorin, joka perustui Russell Ohlin löytämään p-n -liitokseen. Shockley oli eri mieltä Bardeenin selityksen kanssa siitä, miten transistori toimi. Shockleyn transistori perustui kolmikerroksiseen rakenteeseen, jossa n- ja p-tyypin puolijohteita erottaa p-n-liitokset. Tämä loi perustan sille, miten bipolaariset liitostransistorit toimivat nykyään. 16. helmikuuta 1948 John Shive sai aikaan transistoritoiminnan kontaktien ollessa germaniumin vastakkaisilla puolilla eikä toistensa vierellä osoittaen, että elektroniaukot kulkivat germaniumin läpi. Shockley haki patenttia numero 2569347 samana vuonna.
Bipolaarinen liitostransistori perustuu kahteen erisuuntaiseen ja perättäiseen pn-liitokseen – joko pn-np (pnp-transistori) tai np-pn (npn-transistori). Bipolaari-määritys tarkoittaa sitä, että transistorin toiminnassa käytetään hyväksi molempia varauksenkuljettajatyyppejä (aukkoja ja elektroneja), kun taas unipolaari-transistoreissa vain toista tyyppiä. thumb|John Bardeen, William Shockley ja Walter Brattain Bell Labsissa vuonna 1948.
Kärkitransistorin keksivät riippumattomasti myös kaksi muuta tutkijaa työskennellessään Pariisissa vuonna 1948: Herbert Mataré ja Heinrich Welker työskentelivät Compagnie des Freins et Signauxille, jossa Mataré tutki outoa "häiriötä", jota hän oli havainnut germaniumiin pohjautuvissa tasasuuntaajissa. Kesäkuussa 1948 Welkerin tuottamilla korkeamman puhtausasteen germanium-näytteillä saavutettiin johdonmukaisia, toistettavia tuloksia. Kuukautta myöhemmin he kuulivat Bell Labsin vastaavasta vahvistimesta ja yhtiö kiiruhti laitteen markkinoille nimellä "transistron" erottaakseen sen transistorista. Vuonna 1949 niitä valmistettiin tuhansia Ranskan puhelinjärjestelmään, mutta liitostransistorit korvasivat ne nopeasti.
Gordon Teal teki vuonna 1951 Ernie Buehlerin kanssa kokeita Bell Labsissa piin douppauksella. Tietyillä materiaaleilla luotiin elektronien ylimäärää, eli n-tyypin puolijohde, ja toisilla materiaaleilla elektronien puutetta (aukkoja), eli p-tyypin puolijohde. Teal julkaisi tulokset seuraavana vuonna. Vuonna 1950 Teal kehitti Buehlerin ja John Littlen kanssa menetelmän "kasvattaa" germanium-kiteitä vetämällä niitä sulasta germaniumista Jan Czochralskin kehittämillä menetelmillä. Morgan Sparks työskenteli Tealin kanssa "kasvatettujen" liitostransistorien parissa, jotka muodostivat n-p-n-rakenteita n-tyypin ja p-tyypin puolijohteiden välille. Vuotta myöhemmin kasvatetut liitostransistorit ohittivat parhaat kärkitransistorit suorituskyvyssä. Bell Labs julkaisi saavutuksesta 4. heinäkuuta 1951.
William Pfann kehitti vuosina 1950–1951 menetelmän korkean puhtauden puolijohdemateriaalin valmistukseen. Henry Theurer kehitti menetelmästä muunnoksen piitä varten. Kaksi muuta laboratoriota kehittivät prosessin riippumattomasti.
Vuonna 1952 Bell Labs lisensoi patenttejaan useille tahoille, mukaan lukien Texas Instrumentsille, ja samana vuonna ilmestyivät ensimmäiset kuluttajille suunnatut transistoria käyttävät kojeet. Transistorit ilmestyivät ensin kuulolaitteisiin ja radioihin. Manchesterin yliopistossa esiteltiin transistoroidun tietokoneen prototyyppiä 16. marraskuuta 1953. Useita transistoreihin perustuvia tietokoneita seurasi: Metrovick 950, TRADIC, TX-0 ja ETL Mark III.
Calvin Fuller ja Gerald Pearson tekivät vuonna 1953 kokeita piin epäpuhtauksien kanssa, joiden tuloksena 24. huhtikuuta 1954 Bell Labs ilmoitti saavutuksesta aurinkopariston (aurinkokennon) kehittämisestä. Daryl Chapin työskenteli Fullerin ja Pearsonin kanssa ominaisuuksien parantamiseksi.
Gordon Teal siirtyi Texas Instrumentsille vuonna 1953. Tealin myötä yritykseen palkattiin useita muita henkilöitä, kuten Willis Adcock, jotka tutkivat piin käyttöä. Piillä oli korkea sulamispiste, ja sen käsittely oli vaikeaa johtuen sen korkeasta reaktiivisuudesta. Morris Tanenbaum työskenteli Bell Labsilla Shockleyn tutkimusryhmässä Ernie Buehlerin kanssa ja saavutti toimivan piihin perustuvan transistorin, mutta sitä ei julkistettu, koska prosessia ei pidetty valmistustekniikan kannalta kiinnostavana.
Piihin perustuvat transistorit esiteltiin ensi kerran julkisesti 10. toukokuuta 1954. Gordon Teal esitteli piihin perustuvaa transistoria ja julkaisi artikkelin Some Recent Developments in Silicon and Germanium Materials and Devices. Germaniumiin verrattuna näin saatiin muun muassa parempi korkeiden lämpötilojen sietokyky ja siten parempi luotettavuus. Germaniumilla oli eräitä etuja ja haittoja, joiden takia siirtyminen piihin oli merkittävä seikka transistorien käytölle. Germanium ei reagoi niin herkästi, on helpompi käsitellä alhaisemman sulamispisteen ansiosta ja virta kulkee paremmin sen läpi. Germanium-transistorit lopettavat toimintansa yli 75 celsius-asteessa, mikä tekee niistä huonon vaihtoehdon tiettyihin tarkoituksiin.
Texas Instrumentsin tavoitteena transistorin kehityksessä oli korvata herkästi rikkoutuvat elektroniputket armeijalle valmistetuissa laitteissa, kun taas Bell Labsin merkittävä asiakas oli AT&T:n puhelinjärjestelmä, joka tarvitsi kestäviä ja pitkä-ikäisiä kytkimiä. Kummallekaan asiakkaalle germanium-transistorit eivät olleet soveltuvia. Kummallekin ryhmälle tärkeä tekijä oli DuPontin valmistamat näytteet ja pienet erät "puolijohdetason" piitä.
Ensimmäinen kaupallisesti myyty transistoroitu laskentaväline oli IBM 608 -laskin (1955). Shockley, Bardeen ja Brattain saivat Nobelin fysiikanpalkinnon vuonna 1956.
Pian perustamisensa jälkeen Fairchild Semiconductor sai varhain vuonna 1958 IBM:ltä tilauksen transistoreille: vaatimukset täyttävää piitransistoria ei tuolloin ollut ja Fairchildilla oli kaksi rinnakkaista kehitysprojektia. Gordon Mooren johtama ryhmä kehitti n-p-n-transistoria ja Jean Hoerni työskenteli p-n-p-transistorin parissa. Muutamassa kuukaudessa yrityksen perustajat aloittivat kiteiden kasvatuksen, kehittivät litografisia tekniikoita ja rakensivat omaa valmistus- ja testauslaitteistoa. Kokemuksiensa pohjalta he kehittivät uuden transistorin, jota esiteltiin tyyppinä 2N697 elokuussa 1958. Myöhemmin Hoerni kehitti ratkaisun havaitulle luotettavuusongelmalle. Joulukuussa 1957 Hoerni oli merkinnyt muistiin ajatuksen, jossa oksidikerros jätetään piikiekolle suojaamaan p-n-liitoksia sen alla. Tavallinen tapa oli poistaa kerros siinä mahdollisesti olevien epäpuhtauksien vuoksi, mikä paljasti liitokset. Vuonna 1959 patentti paljastettiin ja Hoerni esitteli toimivaa transistoria. Menetelmä mahdollisti myös integroidun piirin kaikkien komponenttien valmistamisen piikiekon yhdelle puolelle.
Vuonna 1957 Seymour Cray pyysi General Transistor -yritystä kehittämään nopeasti kytkevän germaniumiin perustuvan laitteen CDC 1604 -tietokoneeseen. Myöhemmin Cray myönsi Fairchild Semiconductorille kehityssopimuksen uuden transistorin kehittämiseen CDC 6600 -tietokoneeseen: Jean Hoernin kehittämä n-p-n-laite esiteltiin heinäkuussa 1961 ja oli ensimmäinen piihin perustuva, joka ylitti germaniumin nopeuden. Kesäkuussa 1960 Henry Theurer piti esitelmän epitaksiaalisista transistoreista, joissa oli parannuksia kytkentänopeuteen.
Kanavatransistoritekniikan (FET, ) saivat ensimmäisenä toimimaan John Atalla ja Dawon Kahng Bell Labsilla vuonna 1959. He löysivät ratkaisun kerrosrakenteesta, jossa oli metalli (M-hila), oksidi (O-eriste) ja pii (S-puolijohde) johtaen nimeen MOSFET (MOS-transistori). Laite oli hidas eikä ratkaissut mitään painavaa ongelmaa puhelinjärjestelmässä joten sitä ei tutkittu pidemmälle. Kahng kuitenkin mainitsi muistiossa vuonna 1961 mahdollisen valmistamisen helppouden ja mahdollisen sovelluskohteen integroiduissa piireissä. Tutkijat Fairchild Semiconductorilla ja RCA:lla tunnistivat edut. Pienen koon ja alhaisen virrankäytön vuoksi (verrattuna bipolaaritransistoreihin) 99 prosenttia nykyään tuotetuista mikropiireistä käyttää MOS-transistoreja. Ensimmäiset MOS-tekniikkaan perustuvat kaupalliset mikropiirit julkaistiin vuonna 1964.
Elektroniikkalaitteissa käytetään nykyisin yksittäispakattujen transistorien lisäksi usein mikropiirejä. Mikropiirit sisältävät yleensä pääasiassa transistoreita, joita voi samalla mikropiirillä olla jopa useampi miljardi kappaletta. Transistorien määrä mikropiirissä Mooren lain mukaan kasvaa tasaisin väliajoin. Alkuperäisen Mooren lain mukaan transistorien määrä kasvoi kustannusten pysyessä vakiona. Dennard-skaalaus on havainto siitä, että jännite ja virta ovat yhteydessä transistorin kokoon, joten transistorin pienentäminen vähensi myös tarvittavaa virtaa ja jännitettä. Pienempi transistori myös vaihtaa tilaa nopeammin.