16 грудня 1947 року фізик-експериментатор Волтер Браттейн, який працював із теоретиком Джоном Бардіном, зібрав перший робочий точковий транзистор. Через півроку, але до оприлюднення робіт Бардіна та Браттейна, німецькі фізики й представили розроблений у Франції точковий транзистор («транзистрон»). Так із безуспішних спроб створити спочатку твердотільний аналог вакуумного тріода, а згодом польовий транзистор, народився перший недосконалий точковий біполярний транзистор.
Точковий транзистор, що випускався серійно близько десяти років, виявився тупиковою гілкою розвитку електроніки — на його зміну прийшли германієві площинні транзистори. Теорію p-n-переходу та площинного транзистора створив у 1948—1950 роках Вільям Шоклі. Перший площинний транзистор був виготовлений 12 квітня 1950 року методом вирощування з розплаву. За ним були сплавний транзистор, «електрохімічний» транзистор і дифузійний меза-транзистор.
1954 року Texas Instruments випустила перший кремнієвий транзистор. Відкриття процесу мокрого окиснення кремнію зробило можливим випуск 1958 року перших кремнієвих меза-транзисторів, а у березні 1959 року створив перший кремнієвий планарний транзистор. Кремній витіснив германій, а планарний процес став основною технологією виробництва транзисторів і зробив можливим створення монолітних інтегральних схем.
Передісторія
1906 року Грінліф Пікард запатентував кремнієвий Патент США 836 531.. 1910 року Вільям Ікклз виявив, що кристалічні детектори у певних умовах демонструють від'ємний диференційний опір і тому можуть бути використані для генерації коливань і підсилення сигналів. 1922 року О. В. Лосєв довів можливість підсилення та генерування електромагнітних коливань на кристалічному детекторі при подачі на нього постійної (). Цинкітний детектор («кристадин») Лосєва зберігав працездатність на частотах до 10 МГц. До кінця 1920-х років кристалічні детектори були витіснені вакуумними лампами, а розвиток цього напрямку фізики напівпровідників призупинився.
У 1922—1927 роках Грендаль і Гейгер винайшли та впровадили у практику мідно-закисний випрямляч, а у 1930-ті роки йому на зміну прийшов досконаліший . Як писав Волтер Браттейн, аналогія між випрямлячем на закисі міді та вакуумним діодом була очевидна для всіх, хто вивчав напівпровідники, — і багато з них задумувались про те, як внести у випрямляч третій, керувальний електрод («сітку»), зробивши з випрямляча підсилювач. 1925 року німецький фізик Юліус Лілієнфельд подав першу патентну заявку на твердотільний підсилювач, який складався із шарів металу та напівпровідника. Лілієнфельд не зміг довести свою пропозицію навіть до стадії макету: його проєкт не міг бути реалізований у 1920-ті роки через недостатній розвиток фундаментальної науки. 1935 року інший німецький фізик, Оскар Гайль, запатентував у Великій Британії принцип дії польового транзистора. 1938 року співробітники Геттінгенського університету Роберт Поль і Рудольф Хілш створили твердотільний «тріод», здатний підсилювати вхідний сигнал, який повільно змінювався. Підсилювач Пола був занадто повільним, працював лише при високих температурах і тому не мав практичного розвитку, та й сам Пол не хотів займатися прикладними роботами, надаючи перевагу фундаментальній науці. Всі ці безуспішні експерименти тією чи іншою мірою відтворювали будову вакуумного тріода. Так, у «тріоді» Пола керувальний електрод був дрібнокомірчастою металічною сіткою, що керувала полем всередині кристала броміду калію. Лосєв 1939 року згадував про роботу над напівпровідниковою «трьохелектродною системою, аналогічною до тріода», але ці неопубліковані роботи були втрачені.
Під час Другої світової війни дослідницькі бюджети зросли в багато разів, але, на думку Пітера Морріса, у фізиці напівпровідників було зроблено занадто мало. Усі суттєві досягнення були пов'язані з військовим замовленням у двох напрямках, в яких були безсильні вакуумні лампи, — детектування інфрачервоного випромінювання та детектування відбитого сигналу в радіолокації. Випромінювачі ранніх радіолокаторів працювали на частотах до 3 ГГц, а частотний діапазон детекторів на вакуумних діодах був обмежений 400 МГц. Контактні напівпровідникові детектори, навпаки, могли ефективно випрямляти надвисокі частоти, тому наприкінці 1930-х років уряди Великої Британії, Німеччини та США почали масштабні проєкти з удосконалення напівпровідників. Під час цих досліджень були досліджені фундаментальні властивості напівпровідників і закладені основи технології їх виробництва, що зробили можливим серійний випуск напівпровідникових приладів.
Відкриття p-n-переходу
1936 року директор з досліджень Bell Labs Мервін Келлі доручив Вільяму Шоклі вивчити можливість створення твердотільних перемикачів, здатних у перспективі замінити електромеханічні реле телефонних станцій. Вивчивши опубліковані роботи Пола, Йоффе та Давидова і результати експериментів Браттейна, Шоклі дійшов висновку про неможливість внесення керувального електрода в масив напівпровідника. Натомість 29 грудня 1939 року Шоклі сформулював принцип роботи польового транзистора: струмом у каналі між двома електродами повинно керувати зовнішнє поле, створене третім (керувальним) електродом, розміщеним поза каналом. Шоклі запропонував виготовляти напівпровідниковий тріод на вивченій Давидовим закисі міді, але перші досліди закінчилися невдало, а потім персонал Bell Labs був мобілізований на вирішення військово-прикладних завдань. Шоклі 1940 року працював на урановому проєкті, а з 1942 року і до кінця війни займався практичними задачами радіолокації.
Невелике ядро фізиків-твердотільників, що залишилося в Bell Labs після того, як пішов Шоклі, займалося пошуком матеріалів для детектування надвисоких частот у радіолокації. Електрохімік і Рассел Ол працював із кремнієвими детекторами ще з часів Великої депресії. Вважаючи, що нестабільна поведінка ранніх детекторів була викликана недостатнім очищенням від домішок, Ол зосередився на технологіях очищення і плавлення кремнію. У серпні 1939 року Ол, Джон Скафф і Генрі Тоєрер виконали першу плавку в гелієвій атмосфері. Детектори, виготовлені з полікристалічного кремнію, очищеного до , були достатньо стабільними. Частина із них проводила струм в одному напрямку (з контакту в кристал), частина — в іншому (з кристала в контакт), при цьому полярність конкретного екземпляра можна було визначити лише дослідним шляхом. Вважаючи, що напрямок провідності визначається лише ступенем очищення кремнію, Ол назвав один тип «очищеним», а інший «комерційним» ().
У жовтні 1939 року серед заготовок для детекторів виявився дивний зразок, електричні параметри якого поводили себе настільки безладно, що подальші вимірювання видавалися беззмістовними. Лише 23 лютого 1940 року Ол знайшов час, щоб особисто його перевірити. Виявилося, що зразок реагував на світло, а ступінь спостережуваного фотоефекту на порядок переважав фотоефект у традиційних фотоелементах. Провідність зразка залежала не лише від освітленості, а й від температури та вологості. Попри протидію свого начальника, який не ладив з Келлі, 6 березня Ол продемонстрував свою знахідку Келлі й Волтеру Браттейну. Браттейн здогадався, що фотоефект виникає на деякому невидимому бар'єрі між двома шарами кремнію і що цей же бар'єр повинен випрямляти змінний струм. Саме тому вимірювання провідності на змінному струмі давало незрозумілі, беззмістовні результати.
Незабаром Скафф і Ол буквально побачили цей бар'єр: травлення азотною кислотою розкрило видиму для ока границю між двома шарами кремнію. Скафф і Ол дали цим шарам нові назви: «кремній p-типу» (від , позитивний) і «кремній n-типу» (negative, негативний), залежно від напрямку струму в детекторах, що виготовлялися з цих шарів. Бар'єрна зона отримала назву p-n-перехід. Поступово Ол, Скафф і Тоєрер прийшли до розуміння того, що тип провідності кремнію визначається не його чистотою, а, навпаки, наявністю характерних домішок. Легші елементи підгрупи бору повинні були зосереджуватися у верхньому шарі розплаву, важчі елементи підгрупи азоту — в центрі тигля. Справді, хімічний аналіз кремнію p-типу виявив сліди бору й алюмінію, а наявність фосфору в грубо очищеному кремнії n-типу відчувалася і без приладів — при обробці такого кремнію виділявся фосфін.
Особистим вольовим рішенням Келлі засекретив відкриття p-n-переходу. Bell Labs охоче ділилася зразками кремнію з американськими та британськими колегами, але це був кремній лише p-типу. Ол особисто відповідав за те, щоб кремній n-типу і pn-переходи не залишали стін компанії. Шоклі дізнався про відкриття Ола лише 24 березня 1945 року, а широка публіка — 25 червня 1946 року, коли Ол і Скафф отримали патенти на свої винаходи 1940 року.
Незалежно від американських фізиків, 1941 року В. Є. Лашкарьов представив теорію «запирального шару» та інжекції носіїв заряду на межі розділу міді та закису міді. Лашкарьов припустив, що два типи провідності, виявлені термозондом у мідно-закисному елементі, розділені гіпотетичним перехідним шаром, що перешкоджає електричному струму. Роботи Лашкарьова та К. М. Косогонової («Дослідження запиральних шарів методом термозонда» і «Вплив домішок на вентильний фотоефект у закисі міді») були опубліковані 1941 року.
Точковий транзистор Транзистор Бардіна та Браттейна
У червні 1945 року Келлі знову сформував відділ з дослідження твердого тіла на чолі з Шоклі та Стенлі Морганом (1945 року Шоклі все ще був зайнятий на військових проєктах і не мав достатньо часу для одноосібного керування відділом). До групи увійшли Браттейн, теоретик Джон Бардін, експериментатор Джеральд Пірсон, фізхімік Роберт Джибні та інженер-електрик Хілберт Мур. Зразки напівпровідників виготовляли , Джон Скафф і Генрі Тоєрер. Група опиралася на ресурси величезної на той час наукової організації — наприкінці 1940-х років у Bell Labs працювало 5700 осіб, із них близько 2000 — дипломовані професіонали.
Ознайомившись із напрацюваннями дослідників університету Пердью, Шоклі звузив вибір напівпровідників до двох (германію та кремнію), а у січні 1946 року вирішив зосередитися на використанні ефекту поля. Однак експерименти показали, що в реальному напівпровіднику ефект поля був на три порядки слабшим, ніж передбачала теорія. Бардін пояснив експериментальні дані, запропонувавши гіпотезу поверхневих стані, згідно з якою на межі напівпровідника і металічного електрода утворюється просторовий заряд, який нейтралізує дію зовнішнього поля.
Протягом 1947 року відділ Шоклі шукав вирішення проблеми об'ємного заряду, з кожним кроком відступаючи все далі і далі від концепції польового транзистора. Шоклі писав 1972 року, що завдяки Бардіну «ми припинили „робити транзистор“. Натомість ми повернулися до принципу, який я називаю „повага до наукової сторони практичної задачі“». У листопаді 1947 року Джибні запропонував подавати на «тріод» постійну напругу зміщення з допомогою точкового керувального електрода, відділеного від маси напівпровідника шаром електроліту. Роботи різко прискорилися: у листопаді-грудні Бардін, Джибні та Браттейн випробували не менше п'яти різних конструкцій «тріода»: