🥇Die geskiedenis van die transistor: Tas in die donker

Die storie van die transistor: om jou pad in die donker te tas

Ander artikels in die reeks:

Die pad na vastestofskakelaars was lank en moeilik. Dit het begin met die ontdekking dat sekere materiale vreemd optree in die teenwoordigheid van elektrisiteit – nie soos die destydse bestaande teorieë voorspel het nie. Wat gevolg het, was 'n verhaal van hoe tegnologie in die 20ste eeu 'n toenemend wetenskaplike en institusionele dissipline geword het. Amateurs, beginners en professionele uitvinders met feitlik geen wetenskaplike opleiding het ernstige bydraes gelewer tot die ontwikkeling van telegraaf, telefonie en radio. Maar, soos ons sal sien, is byna al die vooruitgang in die geskiedenis van vastestof-elektronika afkomstig van wetenskaplikes wat aan universiteite gestudeer het (en gewoonlik 'n PhD in fisika het) en by universiteite of korporatiewe navorsingslaboratoriums gewerk het.

Enigeen met toegang tot 'n werkswinkel en basiese materiaalvaardighede kan 'n aflos van drade, metaal en hout saamstel. Die skep van vakuumbuise vereis meer gespesialiseerde gereedskap wat 'n glasbol kan skep en die lug daaruit kan pomp. Vastetoestand-toestelle het in 'n konyngat verdwyn waaruit die digitale skakelaar nooit teruggekeer het nie, en het al hoe dieper in wêrelde gedompel wat slegs vir abstrakte wiskunde verstaanbaar is en slegs toeganklik is met die hulp van ongelooflik duur toerusting.

Galena

In 1874 jaar Ferdinand Brown, 'n 24-jarige fisikus van St. Thomas in Leipzig, het die eerste van baie belangrike wetenskaplike werke in sy lang loopbaan gepubliseer. Die referaat, "On the Passage of Electric Currents through Metal Sulfides," is aanvaar in Pogendorff se Annalen, 'n gesogte tydskrif gewy aan die fisiese wetenskappe. Ten spyte van die vervelige titel, het Brown se referaat 'n paar verrassende en verwarrende eksperimentele resultate beskryf.

Die storie van die transistor: om jou pad in die donker te tas
Ferdinand Brown

Brown het deur sy werk geïntrig geraak deur sulfiede—minerale kristalle wat uit swaelverbindings met metale saamgestel is—deur sy werk Johann Wilhelm Hittorf. Reeds in 1833 het Michael Faraday opgemerk dat die geleidingsvermoë van silwersulfied toeneem met temperatuur, wat presies die teenoorgestelde is van die gedrag van metaalgeleiers. Hittorf het 'n deeglike kwantitatiewe verslag saamgestel van metings van hierdie effek in die 1850's, vir beide silwer- en kopersulfiede. Nou het Brown, met behulp van 'n slim eksperimentele opstelling wat 'n metaaldraad teen 'n sulfiedkristal met 'n veer gedruk het om goeie kontak te verseker, iets ontdek wat nog vreemder is. Die geleidingsvermoë van die kristalle het van die rigting afgehang – die stroom kon byvoorbeeld goed in een rigting vloei, maar wanneer die polariteit van die battery omgekeer is, kon die stroom skielik skerp daal. Kristalle het meer soos geleiers in een rigting opgetree (soos normale metale) en meer soos isolators in 'n ander (soos glas of rubber). Hierdie eienskap het bekend geword as regstelling vanweë sy vermoë om "gekrimpte" wisselstroom in "plat" gelykstroom reguit te maak.

Omtrent dieselfde tyd het navorsers ander vreemde eienskappe van materiale soos selenium ontdek, wat uit sekere metaalsulfiedertse gesmelt kan word. Wanneer dit aan lig blootgestel is, het selenium die geleidingsvermoë verhoog en selfs elektrisiteit begin opwek, en dit kon ook vir regstelling gebruik word. Was daar 'n verband met sulfiedkristalle? Sonder teoretiese modelle om te verduidelik wat gebeur het, was die veld in 'n toestand van verwarring.

Die gebrek aan teorie het egter nie pogings gestop om die resultate prakties toe te pas nie. In die laat 1890's het Brown 'n professor aan die Universiteit van Straatsburg geword - wat onlangs uit Frankryk geannekseer is tydens die Frans-Pruisiese Oorlog en herdoop tot Kaiser Wilhelm Universiteit. Daar is hy ingesuig in die opwindende nuwe wêreld van radiotelegrafie. Hy het ingestem tot 'n voorstel van 'n groep entrepreneurs om gesamentlik 'n draadlose kommunikasiestelsel te skep wat gebaseer is op die oordrag van radiogolwe deur water. Hy en sy makkers het egter gou die oorspronklike idee laat vaar ten gunste van lugsein, wat deur Marconi en ander gebruik is.

Onder die aspekte van radio wat Brown se groep probeer verbeter het, was die destydse standaardontvanger, samehanger. Dit was gebaseer op die feit dat radiogolwe veroorsaak het dat metaalvylsels saamklonter, wat die stroom van die battery na die seintoestel laat oorgaan het. Dit het gewerk, maar die stelsel het net op relatief sterk seine gereageer, en dit het konstante slaan van die toestel vereis om 'n klomp saagsels op te breek. Brown het sy ou eksperimente met sulfiedkristalle onthou, en in 1899 het hy sy ou eksperimentele opstelling met 'n nuwe doel herskep - om as 'n detektor vir draadlose seine te dien. Hy het die regstelling-effek gebruik om die klein ossillerende stroom wat deur radiogolwe gegenereer word, om te skakel in 'n gelykstroom wat 'n klein luidspreker kan aandryf wat 'n hoorbare klik vir elke kolletjie of strepie produseer. Hierdie toestel het later bekend geword as "kat snor detector"as gevolg van die voorkoms van die draad, wat maklik aan die bokant van die kristal geraak het. In Brits-Indië (waar Bangladesj vandag geleë is), het die wetenskaplike en uitvinder Jagadish Bose 'n soortgelyke toestel gebou, moontlik so vroeg as 1894. Ander het gou begin om soortgelyke detektors te maak gebaseer op silikon en karborundum (silikonkarbied).

Dit is egter presies galena, loodsulfied, wat sedert antieke tye gesmelt is om lood te produseer, het die voorkeurmateriaal vir kristalverklikkers geword. Hulle was maklik om te maak en goedkoop, en gevolglik het hulle ongelooflik gewild geword onder die vroeë generasie radioamateurs. Boonop, anders as 'n binêre samehanger (met saagsels wat óf saamgeklomp het of nie), kan 'n kristallyne gelykrigter 'n deurlopende sein weergee. Daarom kon hy stem en musiek produseer wat vir die oor hoorbaar is, en nie net Morsekode met sy kolletjies en strepies nie.

Die storie van die transistor: om jou pad in die donker te tas
Cat's whisker detector gebaseer op galena. Die klein stukkie draad aan die linkerkant is die snor, en die stukkie silwer materiaal aan die onderkant is die galena kristal.

Soos gefrustreerde radioamateurs egter gou ontdek het, kan dit minute of selfs ure neem om die towerpunt op die oppervlak van die kristal te vind wat goeie regstelling sal gee. En die seine sonder versterking was swak en het 'n metaalklank gehad. Teen die 1920's het vakuumbuisontvangers met triode-versterkers feitlik oral kristaldetektors uitgedien. Hul enigste aantreklike kenmerk was hul goedkoopheid.

Hierdie kort verskyning in die radio-arena was blykbaar die beperking van praktiese toepassing van die vreemde elektriese eienskappe van die materiaal wat deur Brown en ander ontdek is.

Koperoksied

Toe in die 1920's, ontdek 'n ander fisikus genaamd Lars Grondahl iets vreemds met sy eksperimentele opstelling. Grondahl, die eerste van 'n string slim en rustelose mans in die geskiedenis van die Amerikaanse Weste, was die seun van 'n siviele ingenieur. Sy pa, wat in 1880 uit Noorweë geëmigreer het, het vir etlike dekades op spoorweë in Kalifornië, Oregon en Washington gewerk. Grondahl het aanvanklik gelyk asof hy vasbeslote was om sy pa se ingenieurswêreld agter te laat en na Johns Hopkins te gaan vir 'n doktorsgraad in fisika om 'n akademiese pad te volg. Maar toe raak hy by die spoorwegbesigheid betrokke en neem 'n pos as direkteur van navorsing by Union Switch and Signal, 'n afdeling van die nywerheidsreus, in. Westinghouse, wat toerusting vir die spoorwegbedryf verskaf het.

Verskeie bronne dui teenstrydige redes aan vir Grondahl se motivering vir sy navorsing, maar hoe dit ook al sy, hy het begin eksperimenteer met koperskywe wat aan die een kant verhit is om 'n geoksideerde laag te skep. Terwyl hy met hulle gewerk het, het hy die asimmetrie van die stroom opgemerk – die weerstand in die een rigting was drie keer groter as in die ander. 'n Skyf van koper en koperoksied het die stroom gelykgestel, net soos 'n sulfiedkristal.

Die storie van die transistor: om jou pad in die donker te tas
Koperoksied gelykrigterkring

Grondahl het die volgende ses jaar bestee aan die ontwikkeling van 'n gereed-vir-gebruik kommersiële gelykrigter gebaseer op hierdie verskynsel, en het die hulp van 'n ander Amerikaanse navorser, Paul Geiger, ingeroep voordat hy 'n patentaansoek ingedien en sy ontdekking aan die American Physical Society in 1926 aangekondig het. het dadelik 'n kommersiële treffer geword. Weens die afwesigheid van brose filamente was dit baie meer betroubaar as die vakuumbuisgelykrigter gebaseer op die Fleming-klepbeginsel, en was dit goedkoper om te vervaardig. Anders as Brown-gelykrigkristalle het dit met die eerste probeerslag gewerk, en as gevolg van die groter kontakarea tussen die metaal en die oksied het dit met 'n groter reeks strome en spannings gewerk. Dit kan batterye laai, seine in verskeie elektriese stelsels opspoor, en dien as 'n veiligheidsshunt in kragtige kragopwekkers. Wanneer dit as 'n fotosel gebruik word, kon die skywe as ligmeters dien, en was veral nuttig in fotografie. Ander navorsers het omstreeks dieselfde tyd seleniumgelykrigters ontwikkel wat soortgelyke toepassings gevind het.

Die storie van die transistor: om jou pad in die donker te tas
'n Pak gelykrigters gebaseer op koperoksied. ’n Samestelling van verskeie skywe het die omgekeerde weerstand verhoog, wat dit moontlik gemaak het om dit met hoë spanning te gebruik.

'n Paar jaar later het twee Bell Labs fisici, Joseph Becker en Walter Brattain, het besluit om die werksbeginsel van 'n kopergelykrigter te bestudeer - hulle was geïnteresseerd om te leer hoe dit werk en hoe dit by die Bell System gebruik kan word.

Die storie van die transistor: om jou pad in die donker te tas
Brattain op ouderdom - ongeveer. 1950

Brattain was van dieselfde area as Grondal, in die Stille Oseaan Noordwes, waar hy op 'n plaas 'n paar kilometer van die Kanadese grens grootgeword het. Op hoërskool het hy in fisika begin belangstel, aanleg in die veld getoon, en uiteindelik in die laat 1920's 'n doktorsgraad aan die Universiteit van Minnesota ontvang, en in 1929 'n pos by Bell Laboratories geneem. Hy het onder meer aan die universiteit gestudeer. die jongste teoretiese fisika, wat in Europa gewild geword het, en bekend staan as kwantummeganika (die kurator daarvan was John Hasbrouck Van Vleck, wat ook vir John Atanasoff gementor het).

Kwantumrevolusie

’n Nuwe teoretiese platform het die afgelope drie dekades stadig ontwikkel, en mettertyd sal dit al die vreemde verskynsels wat jare lank in materiale soos galena, selenium en koperoksied waargeneem word, kan verklaar. 'n Hele groep van meestal jong fisici, hoofsaaklik van Duitsland en buurlande, het 'n kwantumomwenteling in fisika veroorsaak. Oral waar hulle gekyk het, het hulle nie die gladde en aaneenlopende wêreld gevind wat hulle geleer is nie, maar vreemde, diskrete knoppe.

Dit het alles in die 1890's begin. Max Planck, 'n bekende professor aan die Universiteit van Berlyn, het besluit om met 'n bekende onopgeloste probleem te werk: hoe "absoluut swart lyf"('n ideale stof wat alle energie absorbeer en dit nie weerkaats nie) straal straling in die elektromagnetiese spektrum uit? Verskeie modelle is beproef, waarvan nie een ooreenstem met die eksperimentele resultate nie - hulle het aan die een kant van die spektrum of die ander een misluk. Planck het ontdek dat as ons aanvaar dat energie deur 'n liggaam in klein "pakkies" van diskrete hoeveelhede uitgestraal word, ons 'n eenvoudige wet van die verhouding tussen frekwensie en energie kan neerskryf, wat perfek ooreenstem met die empiriese resultate.

Kort daarna het Einstein ontdek dat dieselfde ding gebeur het met die absorpsie van lig (die eerste wenk van fotone), en J. J. Thomson het gewys dat elektrisiteit ook nie deur 'n aaneenlopende vloeistof of golf gedra word nie, maar deur diskrete deeltjies - elektrone. Niels Bohr het toe ’n model geskep om te verduidelik hoe opgewekte atome straling uitstraal deur elektrone aan individuele bane in die atoom toe te ken, elk met sy eie energie. Hierdie naam is egter misleidend omdat hulle glad nie soos die wentelbane van planete optree nie – in Bohr se model het elektrone onmiddellik van een wentelbaan, of energievlak, na 'n ander gespring, sonder om deur 'n tussentoestand te gaan. Uiteindelik, in die 1920's, het Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Born en ander 'n algemene wiskundige platform, bekend as kwantummeganika, geskep, wat al die spesiale kwantummodelle ingesluit het wat oor die vorige twintig jaar geskep is.

Teen hierdie tyd was fisici reeds vol vertroue dat materiale soos selenium en galena, wat fotovoltaïese en regstellende eienskappe vertoon, aan 'n aparte klas materiale behoort, wat hulle halfgeleiers genoem het. Die klassifikasie het om verskeie redes so lank geneem. Eerstens was die kategorieë "geleiers" en "isolators" self redelik wyd. T.N. "geleiers" het geweldig gewissel in geleidingsvermoë, en dieselfde (in 'n mindere mate) was waar van isolators, en dit was nie voor die hand liggend hoe 'n spesifieke geleier in enige van hierdie klasse geklassifiseer kon word nie. Boonop was dit tot die middel van die 20ste eeu onmoontlik om baie suiwer stowwe te verkry of te skep, en enige eienaardighede in die geleidingsvermoë van natuurlike materiale kon altyd aan besoedeling toegeskryf word.

Fisici het nou beide die wiskundige gereedskap van kwantummeganika en 'n nuwe klas materiale gehad waarop dit toegepas kon word. Britse teoretikus Alan Wilson was die eerste om dit alles saam te voeg en 'n algemene model van halfgeleiers en hoe hulle werk in 1931 te bou.

Aanvanklik het Wilson aangevoer dat geleidende materiale verskil van diëlektrika in die toestand van hul energiebande. Kwantummeganika verklaar dat elektrone in 'n beperkte aantal energievlakke kan bestaan wat in die skulpe, of orbitale, van individuele atome voorkom. As jy hierdie atome saamdruk in die struktuur van 'n materiaal, sal dit meer korrek wees om aaneenlopende energiesones voor te stel wat daardeur gaan. Daar is leë spasies in geleiers in hoë-energiebande, en die elektriese veld kan elektrone vrylik daarheen beweeg. In isolators word die sones gevul, en dit is nogal 'n lang klim om die hoër, geleidende sone te bereik, waardeur dit makliker is vir elektrisiteit om te beweeg.

Dit het hom tot die gevolgtrekking gelei dat onsuiwerhede—vreemde atome in ’n materiaal se struktuur—moet bydra tot sy halfgeleier-eienskappe. Hulle kan óf ekstra elektrone verskaf, wat maklik in die geleidingsband ontsnap, óf gate—'n gebrek aan elektrone relatief tot die res van die materiaal—wat leë energieruimtes skep waar vrye elektrone kan beweeg. Die eerste opsie is later n-tipe (of elektroniese) halfgeleiers genoem - vir die oortollige negatiewe lading, en die tweede - p-tipe, of gat - vir die oortollige positiewe lading.

Ten slotte het Wilson voorgestel dat huidige gelykstelling deur halfgeleiers in kwantum-kwantumterme verduidelik kan word. tonnel effek, die skielike sprong van elektrone oor 'n dun elektriese versperring in 'n materiaal. Die teorie het aanneemlik gelyk, maar dit het voorspel dat in die gelykrigter die stroom van die oksied na die koper sou vloei, terwyl dit in werklikheid andersom was.

Dus, ten spyte van al Wilson se deurbrake, was halfgeleiers moeilik om te verduidelik. Soos dit geleidelik duidelik geword het, het mikroskopiese veranderinge in die kristalstruktuur en konsentrasie van onsuiwerhede hul makroskopiese elektriese gedrag buite verhouding beïnvloed. Deur die gebrek aan begrip te ignoreer - omdat niemand ooit die eksperimentele waarnemings wat Brown 60 jaar vroeër gemaak het - kon verduidelik nie - het Bratteyn en Becker 'n doeltreffende vervaardigingsproses vir koperoksied-gelykrigters vir hul werkgewer ontwikkel. Die Bell System het vinnig begin om vakuumbuisgelykrigters regdeur die stelsel te vervang met 'n nuwe toestel wat hul ingenieurs genoem het varistor, aangesien sy weerstand gewissel het na gelang van die rigting.

goue medalje

Mervyn Kelly, ’n fisikus en voormalige hoof van Bell Labs se vakuumbuisafdeling, het baie in hierdie ontwikkeling begin belangstel. Oor die loop van 'n paar dekades het vakuumbuise Bell van onskatbare diens gelewer en kon hulle funksies verrig wat nie moontlik was met die vorige generasie meganiese en elektromeganiese komponente nie. Maar hulle het warm geloop, gereeld oorverhit, baie energie verbruik en was moeilik om te onderhou. Kelly was van plan om Bell se stelsel te herbou met meer betroubare en duursame vastestof elektroniese komponente, soos varistors, wat nie verseëlde, gasgevulde of leë omhulsels of warm filamente benodig het nie. In 1936 het hy hoof van Bell Labs se navorsingsafdeling geword en begin om die organisasie op 'n nuwe pad te herlei.

Nadat u 'n vastestof-gelykrigter verkry het, was die volgende ooglopende stap om 'n vastestofversterker te skep. Natuurlik, soos 'n buisversterker, kan so 'n toestel ook as 'n digitale skakelaar werk. Dit was van besondere belang vir Bell se maatskappy, aangesien telefoonskakelaars steeds 'n groot aantal elektromeganiese digitale skakelaars gebruik het. Die maatskappy was op soek na 'n meer betroubare, kleiner, energiedoeltreffende en koeler plaasvervanger vir die vakuumbuis in telefoonstelsels, radio's, radars en ander analoogtoerusting, waar dit gebruik is om swak seine te versterk tot vlakke wat die menslike oor kan hoor.

In 1936 het Bell Laboratories uiteindelik die verhuringsvries wat ingestel is, opgehef Groot depressie. Kelly het dadelik begin om kwantummeganika-kundiges te werf om te help om sy vastestof-navorsingsprogram, insluitend William Shockley, 'n ander Weskus-boorling, van Palo Alto, Kalifornië. Die onderwerp van sy onlangse MIT-verhandeling was perfek geskik vir Kelly se behoeftes: "Electron Bands in Sodium Chloride."

Brattain en Becker het gedurende hierdie tyd hul navorsing oor die koperoksiedgelykrigter voortgesit, op soek na 'n verbeterde vastestofversterker. Die mees voor die hand liggende manier om dit te maak, was om die analogie met 'n vakuumbuis te volg. Net soos Lee de Forest 'n buisversterker geneem het en 'n elektriese rooster geplaas tussen die katode en die anode, en Brattain en Becker het hulle voorgestel hoe 'n gaas ingevoeg kan word by die aansluiting van koper en koperoksied, waar regstelling veronderstel was om plaas te vind. As gevolg van die klein dikte van die laag het hulle dit egter onmoontlik gevind om dit te doen, en was nie suksesvol hierin nie.

Intussen het ander ontwikkelings getoon dat Bell Labs nie die enigste maatskappy was wat in vastestof-elektronika belangstel nie. In 1938 het Rudolf Hilsch en Robert Pohl die resultate gepubliseer van eksperimente wat by die Universiteit van Göttingen uitgevoer is op 'n werkende vastestofversterker wat geskep is deur 'n rooster in 'n kaliumbromiedkristal in te voer. Hierdie laboratoriumtoestel was van geen praktiese waarde nie, hoofsaaklik omdat dit teen 'n frekwensie van nie meer as 1 Hz werk nie. En tog kon hierdie prestasie nie anders as om almal wat in vastestof-elektronika belangstel, te behaag nie. Dieselfde jaar het Kelly Shockley toegewys aan 'n nuwe onafhanklike vastestof-toestelnavorsingsgroep en hom en sy kollegas Foster Nix en Dean Woolridge carte blanche gegee om hul vermoëns te verken.

Ten minste twee ander uitvinders het voor die Tweede Wêreldoorlog daarin geslaag om vastetoestandversterkers te skep. In 1922, Sowjet fisikus en uitvinder Oleg Vladimirovich Losev het die resultate van suksesvolle eksperimente met sinkiethalfgeleiers gepubliseer, maar sy werk het ongemerk deur die Westerse gemeenskap gegaan; In 1926 het die Amerikaanse uitvinder Julius Lillenfield aansoek gedoen om 'n patent vir 'n vastestofversterker, maar daar is geen bewyse dat sy uitvinding gewerk het nie.

Shockley se eerste groot insig in sy nuwe posisie het gekom tydens die lees van die Britse fisikus Neville Mott se 1938-werk, The Theory of Crystalline Rectifiers, wat uiteindelik die beginsel van werking van die Grondahl-koperoksied-gelykrigter verduidelik het. Mott het die wiskunde van kwantummeganika gebruik om die vorming van 'n elektriese veld by die aansluiting van 'n geleidende metaal en 'n halfgeleidende oksied te beskryf, en hoe elektrone oor hierdie elektriese versperring "spring", eerder as om tonnel te maak soos Wilson voorgestel het. Stroom vloei makliker van die metaal na die halfgeleier as omgekeerd omdat die metaal baie meer vrye elektrone het.

Dit het Shockley tot presies dieselfde idee gelei wat Brattain en Becker jare tevore oorweeg en verwerp het—die maak van 'n vastestofversterker deur 'n koperoksiedgaas tussen die koper en die koperoksied in te voeg. Hy het gehoop dat stroom wat deur die rooster vloei die versperring wat stroomvloei van die koper na die oksied beperk, sou verhoog, wat 'n omgekeerde, versterkte weergawe van die sein op die rooster sou skep. Sy eerste kru poging het heeltemal misluk, en daarom het hy hom tot 'n man met meer verfynde laboratoriumvaardighede en vertroudheid met gelykrigters gewend: Walter Brattain. En hoewel hy geen twyfel gehad het oor die uitkoms nie, het Brattain ingestem om Shockley se nuuskierigheid te bevredig, en 'n meer komplekse weergawe van die "rooster"-versterker geskep. Sy het ook geweier om te werk.

Toe het oorlog ingegryp en Kelly se nuwe navorsingsprogram in wanorde gelaat. Kelly het die hoof geword van die radarwerkgroep by Bell Labs, ondersteun deur die hoof Amerikaanse radarnavorsingsentrum by MIT. Brattain het 'n kort rukkie vir hom gewerk, en toe aanbeweeg na navorsing oor magnetiese opsporing van duikbote vir die vloot. Woolridge het aan vuurbeheerstelsels gewerk, Nix het aan gasdiffusie vir die Manhattan-projek gewerk, en Shockley het operasionele navorsing gedoen, eers gewerk aan anti-duikboot oorlogvoering in die Atlantiese Oseaan en toe aan strategiese bombardering in die Stille Oseaan.

Maar ten spyte van hierdie ingryping het die oorlog nie die ontwikkeling van vastestof-elektronika gestop nie. Inteendeel, dit het 'n massiewe infusie van hulpbronne in die veld georkestreer, en gelei tot 'n konsentrasie van navorsing oor twee materiale: germanium en silikon.