В 1950-х годах ученые и инженеры Bell Labs и Texas Instruments разрабатывали передовые технологии, необходимые для производства кремниевых транзисторов. Из-за более высокой температуры плавления и большей реакционной способности кремния работать с ним было гораздо сложнее, чем с германием, но он открывал большие перспективы для улучшения характеристик, особенно в приложениях для переключения. Германиевые транзисторы являются негерметичными переключателями; значительные токи утечки могут протекать, когда эти устройства якобы находятся в выключенном состоянии. У кремниевых транзисторов утечка гораздо меньше. В 1954 году Texas Instruments выпустила первые коммерчески доступные транзисторы с кремниевым переходом и быстро заняла доминирующее положение на этом новом рынке — особенно в военных приложениях, где их высокая стоимость не вызывала особых опасений.
В середине 1950-х годов Bell Labs сосредоточила свои усилия по разработке транзисторов на новых диффузионных технологиях, в которых очень узкие полупроводниковые слои толщиной в микроны, или миллионные доли метра, получают путем диффузии атомов примесей на поверхность полупроводника из горячего газа. В диффузионной печи атомы примесей легче проникают в поверхность кремния или германия; глубина их проникновения регулируется путем изменения плотности, температуры и давления газа, а также времени обработки. (См. Интегральная схема: Изготовление ИС.) Впервые диоды и транзисторы, полученные с помощью процессов диффузионной имплантации, работали на частотах свыше 100 мегагерц (100 миллионов циклов в секунду). Эти транзисторы на диффузионной основе можно было использовать в приемниках и передатчиках для FM-радио и телевидения, которые работают на таких высоких частотах.
Еще один важный прорыв произошел в Bell Labs в 1955 году, когда Карл Фрош и Линк Дерик разработали способ получения стеклообразного внешнего слоя диоксида кремния на поверхности кремния в процессе диффузии. Этот слой предложил производителям транзисторов перспективный способ защиты кремния от дальнейших примесей после завершения процесса диффузии и получения желаемых электрических свойств.
Texas Instruments, Fairchild Semiconductor Corporation и другие компании взяли на себя инициативу по применению этих диффузионных технологий в крупномасштабном производстве транзисторов. В компании Fairchild физик Жан Хоерни разработал процесс планарного производства, при котором различные полупроводниковые слои и их чувствительные интерфейсы помещаются под защитный внешний слой диоксида кремния. Вскоре компания уже производила и продавала планарные кремниевые транзисторы, в основном для военных целей. Под руководством Роберта Нойса и Гордона Э. Мура ученые и инженеры Fairchild распространили эту революционную технологию на производство интегральных схем.
В конце 1950-х годов исследователи Bell Labs разработали способы использования новых диффузионных технологий для реализации первоначальной идеи Шокли 1945 года о полевом транзисторе (FET). Для этого им пришлось преодолеть проблему поверхностного состояния электронов, которые в противном случае блокировали бы проникновение внешних электрических полей в полупроводник. Им удалось добиться успеха, тщательно очистив поверхность кремния и вырастив на ней очень чистый слой диоксида кремния. Такой подход позволил уменьшить количество поверхностных электронов на границе раздела кремниевого и оксидного слоев, что позволило изготовить первый успешный полевой транзистор в 1960 году в Bell Labs, которая, однако, не стала продолжать его разработку.
Усовершенствование конструкции полевого транзистора другими компаниями, особенно RCA и Fairchild, привело к созданию полевого транзистора на основе оксида металла и полупроводника (MOSFET) в начале 1960-х годов. Ключевыми проблемами, требующими решения, были стабильность и надежность этих МОП-транзисторов, которые зависели от взаимодействий, происходящих на чувствительной поверхности кремния или вблизи нее, а не глубоко внутри. Обе фирмы начали выпускать МОП-транзисторы в продажу в конце 1964 года.
В начале 1963 года Фрэнк Ванласс из компании Fairchild разработал схему комплементарного МОП-транзистора (КМОП), основанную на паре МОП-транзисторов. Этот подход в конечном итоге оказался идеальным для использования в интегральных схемах благодаря простоте производства и очень низкой рассеиваемой мощности в режиме ожидания. Однако проблемы со стабильностью продолжали мучить МОП-транзисторы, пока исследователи из Fairchild не разработали решения в середине 1960-х годов. К концу десятилетия МОП-транзисторы начали вытеснять транзисторы с биполярным переходом в производстве микросхем. С конца 1980-х годов МОП-транзисторы стали предпочтительной технологией для цифровых приложений, в то время как биполярные транзисторы теперь используются в основном для аналоговых и микроволновых устройств.
