トランジスタ革命: トランジスタが世界をどのように変えたか

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出来事が人類の進歩を再定義しました。いくつかの発明は世界を変えました：DC発電機、電球、電話、コンクリート、ACモーター/発電機、飛行機、列車、自動車、X線、ペニシリン。

これらのリストが作成されるとき、しばしば見落とされがちな発明があります。それはトランジスタの発明です。本記事では、トランジスタの歴史を検証し、現代社会におけるトランジスタ技術の重要性を強調します。

トランジスタとは何ですか?

最も単純な形では、トランジスタは標準的な電灯のスイッチのように機能する、小型の半導体ベースのスイッチです。トランジスタは、電流または電圧の流れを微視的なレベルで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つの電極から構成されています。トランジスタのゲートに小さな電気信号が加えられると、より大きな主電気信号がドレインを通して許可されます。

さまざまな現代的な構成により、異なる一次電圧と二次電圧をこれらのリードに適用することが可能です。これは、使用される半導体材料の機能であることが多いです。例えば、標準的なシリコンベースの金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（MOSFETS）は、5Vのゲート電圧と200のドレイン-ソース電圧で1000mm*Rds(on)が必要ですが、ガリウムナイトライド半導体では同じ電圧で60mm*Rds(on)しか必要ありません（16倍の削減）。

トランジスタはどのように使用されますか？

トランジスタは、ほぼすべての現代の電子機器で使用されています。トランジスタは、集積回路 (IC)、マイクロチップ、マイクロプロセッサ、FPGA、メモリーチップ、電子スイッチ、電源などの基盤です。その結果、ほぼすべての現代の電子機器は、1つ以上の、場合によっては何百万ものトランジスタから構成されています。

たとえば、標準的なApple iPhone充電アダプタは、単一の高周波MOSFETスイッチングトランジスタと単一のフライバックトランスフォーマーで構成されています。これら2つの トランスフォーマー は、多くの他の受動コンポーネントと一緒に機能し、広範囲の「汚れた」入力AC電力を「クリーン」でよくフィルタされたDC出力電圧に変換し、iPhoneの充電に使用されます。

現代のパーソナルコンピュータは 何十億 ものトランジスタで構成されています。たとえば、Dell XPS 15 Laptop は 12ᵗʰ Gen Intel® Core™ i9-12900HK をその中心的な中央処理装置 (CPU) として使用しています。Intel は総トランジスタ数をもはや公表していませんが、Apple M1 Max CPU においては 570 億個のトランジスタで構成されています。CPU と GPU の両方を利用するプロフェッショナルなグラフィックスレンダリングコンピュータでは、トランジスタの総数は何千億個を超えることができます。

トランジスタの簡単な歴史

トランジスタの概念的基盤は1907年に発明され、主にラジオ技術、テレビ、レーダー、長距離通信に使用された熱電子真空管に根ざしています。これらの真空管増幅器は多くのエネルギーを消費し、製造が非常に高価で、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、電極間の電流を制御します。これらの管は真空中の加熱されたフィラメントを必要とし、追加のエネルギーを消費するため、壊滅的な故障を起こしやすくなっています。
 
固体状態の電界効果トランジスタは、1925年にカナダで物理学者のJulius Edgar Lilienfeldにより最初に特許が取得され、その後1926年および1928年に米国で取得されました。これらの特許では、固体状態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利用が示されていましたが、Lilienfeldのトランジスタ技術の祖父としての評価はそこまでで終わりました。1920年代には、Lilienfeldのコンセプトを構築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Bell Labsの米国人物理学者John Bardeen、Walter Brattain、William Shockleyにより発明されました。彼らの半導体挙動に関する最初の研究は、Lilienfeldの研究で概説された概念に関連していましたが、電界効果トランジスタ（FETS）を構築しようとした試みが失敗した結果、バイポーラ点接触および接合トランジスタの発見と発明に至りました。Shockleyは1948年6月に最初のバイポーラ接合トランジスタ技術の米国特許を申請しました。
 
興味深いことに、1948年初頭にパリのWestinghouseの子会社で働いていたドイツ人物理学者Herbert MatareとHeinrich Welkerは、非常に類似したテーマを研究していました。彼らのその後の発見と、トランジスタ研究でShockleyのチームと競っていることを認識したことから、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年代初頭までには、トランジスタはラジオ通信に使用するため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や製品が続きました：

• Bell Labsは1954年1月26日に最初の動作するシリコントランジスタを開発しました。
• Texas Instrumentsは1954年末に最初の商用シリコントランジスタを製造しました。
• 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ChryslerとPhilcoにより開発され、1955年4月28日に公開されました。
• 最初の大量生産されたトランジスタラジオであるSony 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の大衆市場への普及をもたらしました。

トランジスタの世界的な重要性

トランジスタは、その誕生から10年足らずで現代の電子機器や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は、トランジスタ技術の可能性を猛烈に探求しました。
 
Bell Labs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・ブラッティンは、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受けていますが、人類や未来の技術への影響はそれ以上に重要なものでした。
 
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、産業の基盤となりました。2022年には、世界の半導体チップ産業が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、ベルギーの銀行員、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、またはベネズエラのビデオゲーマーであろうと、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、現代医療、現代の交通など、当たり前に存在する基本的な技術は存在しなかったかもしれません。