人類の歴史を通じて、農業革命、産業革命、電気の発見など、いくつかの技術的な画期的な出来事が人類の進歩を再定義しました。世界を変えた発明としては、直流発電機、電球、電話、コンクリート、 交流モーター/発電機、飛行機、電車、自動車、X線、ペニシリンなどがあります。
これらのリストをまとめる際に、トランジスタの発明が見落とされがちです。この記事では、トランジスタの歴史を検証し、現代世界におけるトランジスタ技術の重要性に焦点を当てます。
トランジスタとは何ですか?
最も単純な形態では、 トランジスタ は、標準的な照明スイッチのように機能する、小さな半導体ベースのスイッチです。トランジスタは、微視的なレベルで電流または電圧の流れを調整または制御します。現代のトランジスタは、ソース、ドレイン、ゲートの3つの電気端子で構成されています。小さな電気信号がトランジスタのゲートに印加されると、より大きな一次電気信号がドレインを通過します。
さまざまな最新の構成により、これらのリードに異なる一次電圧と二次電圧を印加することが可能になります。これは、多くの場合、使用される半導体材料に依存します。たとえば、標準的なシリコンベースの 金属酸化物半導体電界効果トランジスタ (MOSFET) では、ゲート電圧5V、ドレイン-ソース間電圧200で1000mm*Rds(on) が必要ですが、 窒化ガリウム半導体 では、同じ電圧で60mm*Rds(on) しか必要ありません (16分の1の削減)。
トランジスタはどのように使用されるのでしょうか?
トランジスタは現代のほぼすべての電子機器に使用されています。これらは、集積回路 (IC)、マイクロチップ、 マイクロプロセッサ、 FPGA、 メモリ チップ、 電子スイッチ、 電源などの基盤となります。その結果、現代のほぼすべての電子機器は、少なくとも1個、場合によっては数百万個のトランジスタで構成されています。
たとえば、標準的なApple iPhone充電アダプタは、1つの高周波MOSFETスイッチング トランジスタと1つのフライバック トランスから構成されています。これら2つの トランス は、他の多くの受動部品とともに連携して動作し、さまざまな「汚れた」入力AC電力を、iPhoneの充電に使用される「クリーン」で十分にフィルタリングされたDC出力電圧に変換します。
現代のパーソナルコンピュータは 数十億 のトランジスタで構成されています。たとえば、Dell XPS 15ラップトップは、コア中央処理装置 (CPU) として第12世代Intel® Core™ i9-12900HKを採用しています。Intelはトランジスタの総数を公表しなくなったが、Apple M1 Max CPUは570億個のトランジスタで構成されている。CPUとGPUの両方を活用するプロフェッショナル グラフィック レンダリング コンピューターでは、トランジスタの総数が数千億を超えることがあります。
トランジスタの簡単な歴史
トランジスタの概念的基礎は、1907年に発明され、主に無線技術、テレビ、レーダー、長距離通信に使用されている熱電子真空管に由来しています。これらの真空管アンプは大量のエネルギーを消費し、製造コストが非常に高く、非常に大きくて重く、非常に壊れやすいものでした。
熱電子真空管は入力信号を使用して電極間の電流の流れを制御します。チューブには真空中で加熱されたフィラメントが必要であり、これにより余分なエネルギーが消費され、壊滅的な故障が発生しやすくなります。
固体電界効果トランジスタは、物理学者のジュリアス・エドガー・リリエンフェルトによって1925年にカナダで初めて特許を取得し、その後1926年と1928年に米国でも特許を取得しました。これらの特許は、固体トランジスタの原理と、熱電子真空管の代替ソリューションとしてのその使用法を明らかにしたが、トランジスタ技術の祖としてのリリエンフェルトの功績はそこで終わった。1920年代には、リリエンフェルトの概念を実現するために必要な高品質の半導体材料を製造する能力はまだ発明されていませんでした。
最初の機能的なトランジスタである点接触トランジスタは、1947年にベル研究所のアメリカの物理学者ジョン・バーディーン、ウォルター・ブラッテン、ウィリアム・ショックレーによって発明されました。彼らの半導体挙動に関する当初の研究は、リリエンフェルトの研究で概説された概念と間接的に関連していましたが、電界効果トランジスタ (FET) を構築する試みが失敗したことで、バイポーラ点接触トランジスタと接合トランジスタの発見と発明につながりました。 ショックレーは1948年6月に、最初の バイポーラ接合トランジスタ 技術に関する米国特許を申請した。
興味深いことに、パリのウェスティングハウスの子会社で働いていたドイツの物理学者、ヘルベルト・マターレとハインリッヒ・ウェルカーは、1948年初頭に非常によく似たテーマを研究していました。その後の発見とトランジスタ研究でショックレーのチームと競争していることに気づいた彼らは、1948年8月13日にフランスで最初のトランジスタ特許を申請しました。
1950年代初頭には、無線通信で使用するためにトランジスタがすでに小規模で生産されていました。1950年代半ばには、いくつかの画期的な発見と製品が続きました。
- ベル研究所は1954年1月26日に最初の実用的なシリコン トランジスタを開発しました。
- テキサス・インスツルメンツ 1954年後半に最初の商用シリコントランジスタを開発しました。
- 最初のトランジスタラジオであるRegency TR-1は1954年10月に発売されました。
- 最初の量産型全トランジスタカーラジオはクライスラー社とフィルコ社によって開発され、1955年4月28日に発表されました。
- 最初の量産トランジスタラジオであるソニーTR-63は1957年に発売され、700万台が販売され、1950年代後半から1960年代前半にかけてトランジスタラジオが大量市場に普及するきっかけとなりました。
1960年代までに、トランジスタ技術は主要な技術力となっていました。真空管はすぐに時代遅れになりました。1965年、フェアチャイルドセミコンダクターとインテルの創設者であるゴードン・ムーアは、マイクロチップ上のトランジスタの数は2年ごとに倍増すると予測しました。ムーアの法則 このトランジスタ密度の時間の経過に伴う線形対数関係を定義します。1970年代には、ICには約2000個のトランジスタがありました。2020年までに、最先端のICは10,000,000,000をはるかに超えました。
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トランジスタの世界的な重要性
トランジスタは、誕生から10年も経たないうちに、現代の電子機器と研究機関に革命をもたらしました。世界中の物理学者たちがトランジスタ技術の可能性を猛烈に発掘しました。
ベル研究所のウィリアム・ショックレー、ジョン・バーディーン、ウォルター・ブラッテンは、1956年に「半導体の研究とトランジスタ効果の発見」によりノーベル物理学賞を受賞しました。この賞は非常に高い評価を得ていますが、人類と将来のテクノロジーに与えた影響はそれよりもはるかに大きいものでした。
トランジスタは、地球上のほぼすべての電子機器、電気システム、産業の基盤となっています。2022年には、世界の半導体チップ産業は6,000億ドルを超えると予想されています。
オーストラリアの航空管制官、ベルギーの銀行家、カナダの自動車ディーラー、エジプトの教育者、フランスの農家、シンガポールの証券投資家、ベネズエラのビデオ ゲーマーなど、誰もが日常生活でトランジスタ技術を利用しています。トランジスタの発明は、20世紀で最も重要な発明かもしれません。トランジスタがなければ、インターネット、携帯電話、現代医学、現代交通などのありふれた基本技術は存在しなかったかもしれません。
