مقالات أخرى في السلسلة:
- تاريخ التتابع
- تاريخ أجهزة الكمبيوتر الإلكترونية
- تاريخ الترانزستور
- تاريخ الإنترنت
مهدت بوتقة الحرب الطريق لظهور الترانزستور. ومن عام 1939 إلى عام 1945، توسعت المعرفة التقنية في مجال أشباه الموصلات بشكل كبير. وكان هناك سبب واحد بسيط لذلك: الرادار. أهم تقنيات الحرب، ومن أمثلتها: كشف الغارات الجوية، البحث عن الغواصات، توجيه الغارات الجوية الليلية إلى الأهداف، استهداف أنظمة الدفاع الجوي والمدافع البحرية. لقد تعلم المهندسون أيضًا كيفية إدخال أجهزة الرادار الصغيرة في قذائف المدفعية بحيث تنفجر أثناء تحليقها بالقرب من الهدف. . ومع ذلك، فإن مصدر هذه التكنولوجيا العسكرية الجديدة القوية كان في مجال أكثر سلمية: دراسة الغلاف الجوي العلوي للأغراض العلمية.
Радар
في عام 1901، نجحت شركة ماركوني للتلغراف اللاسلكي في نقل رسالة لاسلكية عبر المحيط الأطلسي، من كورنوال إلى نيوفاوندلاند. هذه الحقيقة قادت العلم الحديث إلى الارتباك. إذا كانت عمليات البث الراديوي تنتقل في خط مستقيم (كما ينبغي)، فيجب أن يكون هذا الإرسال مستحيلاً. لا يوجد خط رؤية مباشر بين إنجلترا وكندا لا يعبر الأرض، لذلك كان لا بد من أن تطير رسالة ماركوني إلى الفضاء. اقترح المهندس الأمريكي آرثر كينيلي والفيزيائي البريطاني أوليفر هيفيسايد في وقت واحد وبشكل مستقل أن تفسير هذه الظاهرة يجب أن يرتبط بطبقة من الغاز المتأين الموجود في الغلاف الجوي العلوي، قادر على عكس موجات الراديو إلى الأرض (اعتقد ماركوني نفسه أن موجات الراديو تتبع انحناء سطح الأرض، إلا أن الفيزيائيين لم يؤيدوه).
بحلول عشرينيات القرن العشرين، طور العلماء معدات جديدة مكنت من إثبات وجود الغلاف الأيوني أولاً ثم دراسة بنيته. استخدموا الأنابيب المفرغة لتوليد نبضات راديوية قصيرة الموجة، وهوائيات اتجاهية لإرسالها إلى الغلاف الجوي وتسجيل أصداءها. لإظهار النتائج. كلما زاد تأخير عودة الصدى، كلما زاد بعد الأيونوسفير. كانت هذه التكنولوجيا تسمى السبر الجوي، ووفرت البنية التحتية التقنية الأساسية لتطوير الرادار (لم يظهر مصطلح "الرادار"، من كشف الراديو والمدى، حتى الأربعينيات من القرن الماضي في البحرية الأمريكية).
لقد كانت مسألة وقت فقط قبل أن يدرك الأشخاص الذين لديهم المعرفة والموارد والدوافع الصحيحة إمكانية التطبيقات الأرضية لمثل هذه المعدات (وبالتالي فإن تاريخ الرادار هو عكس تاريخ التلسكوب، الذي كان مخصصًا في البداية للاستخدام الأرضي). . وتزايد احتمال حدوث مثل هذه الرؤية مع انتشار الراديو أكثر فأكثر في جميع أنحاء الكوكب، ولاحظ المزيد من الناس تداخلًا قادمًا من السفن والطائرات والأجسام الكبيرة الأخرى القريبة. وانتشرت المعرفة بتقنيات سبر الغلاف الجوي العلوي خلال الثانية (1932-1933)، عندما قام العلماء بتجميع خريطة للغلاف الأيوني من محطات القطب الشمالي المختلفة. وبعد فترة وجيزة، قامت فرق في بريطانيا والولايات المتحدة وألمانيا وإيطاليا والاتحاد السوفييتي ودول أخرى بتطوير أبسط أنظمة الرادار الخاصة بهم.
مع راداره عام 1935
ثم اندلعت الحرب، وازدادت أهمية الرادارات بالنسبة للدول - والموارد اللازمة لتطويرها - بشكل كبير. وفي الولايات المتحدة، تجمعت هذه الموارد حول منظمة جديدة تأسست عام 1940 في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، والمعروفة باسم (سمي بهذا الاسم على وجه التحديد لتضليل الجواسيس الأجانب وخلق الانطباع بأن النشاط الإشعاعي كان قيد الدراسة في المختبر - في ذلك الوقت كان عدد قليل من الناس يؤمنون بالقنابل الذرية). مشروع Rad Lab، الذي لم يصبح مشهورا مثل مشروع مانهاتن، مع ذلك، قام بتجنيد فيزيائيين متميزين وموهوبين من جميع أنحاء الولايات المتحدة في صفوفه. خمسة من موظفي المختبر الأوائل (بما في ذلك и ) حصل بعد ذلك على جوائز نوبل. بحلول نهاية الحرب، عمل حوالي 500 طبيب علوم وعلماء ومهندسين في المختبر، وعمل ما مجموعه 4000 شخص. تم إنفاق نصف مليون دولار - أي ما يعادل ميزانية ENIAC بأكملها - على سلسلة مختبر الإشعاع وحدها، وهو سجل مكون من سبعة وعشرين مجلدًا لجميع المعرفة المكتسبة من المختبر أثناء الحرب (على الرغم من أن إنفاق حكومة الولايات المتحدة على تكنولوجيا الرادار لم يكن محدودًا). لميزانية Rad Lab؛ خلال الحرب اشترت الحكومة ما قيمته ثلاثة مليارات دولار من الرادارات).
مبنى معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا 20، حيث يقع مختبر راد
كان أحد مجالات البحث الرئيسية في Rad Lab هو الرادار عالي التردد. استخدمت الرادارات المبكرة الأطوال الموجية المقاسة بالأمتار. لكن الحزم ذات التردد العالي ذات الأطوال الموجية المقاسة بالسنتيمتر - موجات الميكروويف - سمحت بهوائيات أكثر إحكاما وكانت أقل تناثرا على مسافات طويلة، مما وعد بمزايا أكبر من حيث المدى والدقة. يمكن لرادارات الموجات الدقيقة أن توضع في مقدمة الطائرة وتكتشف أجسامًا بحجم منظار الغواصة.
أول من حل هذه المشكلة كان فريق من الفيزيائيين البريطانيين من جامعة برمنغهام. وفي عام 1940 قاموا بتطوير ""، والتي تعمل مثل "صافرة" كهرومغناطيسية، حيث تحول نبضة كهربائية عشوائية إلى شعاع قوي ومضبوط بدقة من الموجات الدقيقة. كان جهاز إرسال الموجات الدقيقة هذا أقوى بألف مرة من أقرب منافس له؛ لقد مهدت الطريق لأجهزة إرسال رادارية عملية عالية التردد. ومع ذلك، كان بحاجة إلى رفيق، جهاز استقبال قادر على اكتشاف الترددات العالية. وفي هذه المرحلة نعود إلى تاريخ أشباه الموصلات.
المقطع العرضي المغنطروني
المجيء الثاني لشارب القطة
اتضح أن الأنابيب المفرغة لم تكن مناسبة على الإطلاق لاستقبال إشارات رادار الموجات الدقيقة. الفجوة بين الكاثود الساخن والأنود البارد تخلق سعة، مما يتسبب في رفض الدائرة للعمل عند الترددات العالية. إن أفضل التقنيات المتاحة للرادار عالي التردد هي الطراز القديم ""- قطعة صغيرة من الأسلاك مضغوطة على بلورة شبه موصلة. لقد اكتشف العديد من الأشخاص هذا الأمر بشكل مستقل، لكن أقرب شيء إلى قصتنا هو ما حدث في نيوجيرسي.
في عام 1938، تعاقدت شركة Bell Labs مع البحرية لتطوير رادار للتحكم في النيران في نطاق 40 سم، وهو أقصر بكثير، وبالتالي أعلى ترددًا، من الرادارات الموجودة في عصر المغنطرون قبل الرنين. ذهب العمل البحثي الرئيسي إلى قسم المختبرات في هولمديل، جنوب جزيرة ستاتن. لم يستغرق الباحثون وقتًا طويلاً لمعرفة ما سيحتاجون إليه لجهاز استقبال عالي التردد، وسرعان ما كان المهندس جورج ساوثورث يجوب متاجر الراديو في مانهاتن بحثًا عن أجهزة الكشف القديمة. كما هو متوقع، كان يعمل بشكل أفضل بكثير من كاشف المصباح، لكنه كان غير مستقر. لذلك بحث ساوثوورث عن عالم كيمياء كهربية يُدعى راسل أول وطلب منه أن يحاول تحسين انتظام استجابة كاشف بلوري أحادي النقطة.
كان Ol شخصًا غريبًا إلى حد ما، حيث اعتبر أن تطوير التكنولوجيا هو مصيره، وتحدث عن رؤى دورية مع رؤى للمستقبل. على سبيل المثال، ذكر أنه في عام 1939 كان على علم بالاختراع المستقبلي لمضخم السيليكون، ولكن كان المصير مقدرًا لشخص آخر أن يخترعه. وبعد دراسة عشرات الخيارات، استقر على السيليكون باعتباره أفضل مادة لأجهزة الاستقبال في ساوثوورث. وكانت المشكلة هي القدرة على التحكم في محتويات المادة للتحكم في خواصها الكهربائية. في ذلك الوقت، كانت سبائك السيليكون الصناعية منتشرة على نطاق واسع، وكانت تستخدم في مصانع الصلب، ولكن في مثل هذا الإنتاج لم يزعج أحد، على سبيل المثال، محتوى الفوسفور بنسبة 1٪ في السيليكون. بطلب المساعدة من اثنين من علماء المعادن، شرع Ol في الحصول على فراغات أنظف بكثير مما كان ممكنًا في السابق.
أثناء عملهم، اكتشفوا أن بعض بلوراتهم قامت بتصحيح التيار في اتجاه واحد، بينما قام البعض الآخر بتصحيح التيار في الاتجاه الآخر. أطلقوا عليهم اسم "النوع n" و"النوع p". وأظهر التحليل الإضافي أن أنواعًا مختلفة من الشوائب كانت مسؤولة عن هذه الأنواع. يقع السيليكون في العمود الرابع من الجدول الدوري، مما يعني أنه يحتوي على أربعة إلكترونات في غلافه الخارجي. وفي فراغ من السيليكون النقي، سيتحد كل من هذه الإلكترونات مع جار لها. الشوائب من العمود الثالث، مثل البورون، الذي يحتوي على إلكترون أقل، خلقت "ثقبًا"، مساحة إضافية لحركة التيار في البلورة. وكانت النتيجة شبه موصل من النوع p (مع زيادة في الشحنات الموجبة). قدمت عناصر من العمود الخامس، مثل الفوسفور، إلكترونات حرة إضافية لحمل التيار، وتم الحصول على شبه موصل من النوع n.
التركيب البلوري للسيليكون
كان كل هذا البحث مثيرًا للاهتمام، ولكن بحلول عام 1940، لم يكن ساوثوورث وأوهل أقرب إلى إنشاء نموذج أولي عملي لرادار عالي التردد. في الوقت نفسه، طالبت الحكومة البريطانية بنتائج عملية فورية بسبب التهديد الوشيك من Luftwaffe، التي أنشأت بالفعل أجهزة كشف موجات الميكروويف جاهزة للإنتاج تعمل جنبًا إلى جنب مع أجهزة إرسال المغنطرون.
ومع ذلك، فإن ميزان التقدم التكنولوجي سوف يميل قريبا نحو الجانب الغربي من المحيط الأطلسي. قرر تشرشل الكشف عن جميع أسرار بريطانيا التقنية للأمريكيين قبل دخوله الحرب فعليًا (حيث افترض أن هذا سيحدث على أي حال). وأعرب عن اعتقاده بأن الأمر يستحق المخاطرة بتسرب المعلومات، حيث سيتم إلقاء جميع القدرات الصناعية للولايات المتحدة في حل مشاكل مثل الأسلحة الذرية والرادارات. البعثة البريطانية للعلوم والتكنولوجيا (المعروفة باسم ) وصلت إلى واشنطن في سبتمبر 1940 وأحضرت في أمتعتها هدية على شكل معجزات تكنولوجية.
أدى اكتشاف القوة المذهلة للمغنطرون الرنيني وفعالية أجهزة الكشف البلورية البريطانية في استقبال إشاراته إلى تنشيط الأبحاث الأمريكية في مجال أشباه الموصلات كأساس للرادار عالي التردد. وكان هناك الكثير من العمل الذي يتعين القيام به، وخاصة في علم المواد. ولتلبية الطلب، «كان لا بد من إنتاج بلورات أشباه الموصلات بالملايين، وهو عدد أكبر بكثير مما كان ممكنًا في السابق. كان من الضروري تحسين التصحيح، وتقليل الحساسية للصدمات والاحتراق، وتقليل الاختلاف بين دفعات البلورات المختلفة.
مقوم الاتصال بنقطة السيليكون
افتتح مختبر راد أقسامًا بحثية جديدة لدراسة خصائص بلورات أشباه الموصلات وكيف يمكن تعديلها لتعظيم خصائص المستقبل القيمة. كانت المواد الواعدة هي السيليكون والجرمانيوم، لذلك قرر مختبر راد أن يكون آمنًا وأطلق برامج موازية لدراسة كليهما: السيليكون في جامعة بنسلفانيا والجرمانيوم في بوردو. بدأ عمالقة الصناعة مثل بيل، وستنغهاوس، ودو بونت، وسيلفانيا برامجهم البحثية الخاصة بأشباه الموصلات وبدأوا في تطوير مرافق تصنيع جديدة لأجهزة الكشف عن الكريستال.
ومن خلال الجهود المشتركة، تم رفع درجة نقاء بلورات السيليكون والجرمانيوم من 99% في البداية إلى 99,999% - أي إلى جسيم شائب واحد لكل 100 ذرة. في هذه العملية، أصبح كادر من العلماء والمهندسين على دراية وثيقة بالخصائص المجردة للجرمانيوم والسيليكون والتقنيات التطبيقية للتحكم فيهما: الذوبان، وتنمية البلورات، وإضافة الشوائب الضرورية (مثل البورون، الذي يزيد من الموصلية).
وبعد ذلك انتهت الحرب. اختفى الطلب على الرادار، لكن المعرفة والمهارات المكتسبة خلال الحرب ظلت قائمة، ولم ينس حلم مضخم الحالة الصلبة. الآن كان السباق لإنشاء مثل هذا مكبر الصوت. وكانت ثلاثة فرق على الأقل في وضع جيد للفوز بهذه الجائزة.
غرب لافاييت
الأولى كانت مجموعة من جامعة بوردو بقيادة عالم فيزياء نمساوي المولد يُدعى كارل لارك هورويتز. لقد أخرج بمفرده قسم الفيزياء بالجامعة من الغموض من خلال موهبته وتأثيره وأثر على قرار مختبر راد بتكليف مختبره بأبحاث الجرمانيوم.
كارل لارك هورويتز في عام 1947، في المنتصف، يحمل أنبوبًا
وبحلول أوائل الأربعينيات من القرن الماضي، كان السيليكون يعتبر أفضل مادة لمقومات الرادار، ولكن المواد التي تقع تحته مباشرة في الجدول الدوري بدت أيضًا تستحق المزيد من الدراسة. يتمتع الجرمانيوم بميزة عملية نظرًا لانخفاض نقطة انصهاره، مما يسهل العمل به: حوالي 1940 درجة، مقارنة بـ 940 درجة للسيليكون (تقريبًا نفس الفولاذ). نظرًا لنقطة الانصهار العالية، كان من الصعب للغاية صنع مادة فارغة لا تتسرب إلى السيليكون المنصهر، مما يؤدي إلى تلويثه.
ولذلك، قضى لارك هورويتز وزملاؤه الحرب بأكملها في دراسة الخصائص الكيميائية والكهربائية والفيزيائية للجرمانيوم. وكانت العقبة الأكثر أهمية هي "الجهد العكسي": حيث توقفت مقومات الجرمانيوم، عند جهد منخفض للغاية، عن تصحيح التيار وسمحت له بالتدفق في الاتجاه المعاكس. أدى نبض التيار العكسي إلى حرق المكونات المتبقية للرادار. قام سيمور بينزر، أحد طلاب الدراسات العليا في لارك هورويتز، بدراسة هذه المشكلة لأكثر من عام، وأخيرًا طور مادة مضافة قائمة على القصدير تعمل على إيقاف النبضات العكسية عند جهد يصل إلى مئات الفولتات. بعد ذلك بوقت قصير، بدأ قسم التصنيع في شركة Western Electric، قسم التصنيع في Bell Labs، في إصدار مقومات Benzer للاستخدام العسكري.
استمرت دراسة الجرمانيوم في بوردو بعد الحرب. في يونيو 1947، أبلغ بينزر، وهو أستاذ بالفعل، عن شذوذ غير عادي: في بعض التجارب، ظهرت تذبذبات عالية التردد في بلورات الجرمانيوم. وواصل زميله رالف براي دراسة «المقاومة الحجمية» في مشروع بدأ خلال الحرب. وصفت مقاومة الحجم كيفية تدفق الكهرباء في بلورة الجرمانيوم عند نقطة الاتصال بالمقوم. وجد براي أن نبضات الجهد العالي قللت بشكل كبير من مقاومة الجرمانيوم من النوع n لهذه التيارات. دون أن يعرف ذلك، شهد ما يسمى. حاملات الشحن "الأقلية". في أشباه الموصلات من النوع n، تعمل الشحنة السالبة الزائدة كحامل شحنة الأغلبية، ولكن يمكن أن تحمل "الثقوب" الموجبة التيار أيضًا، وفي هذه الحالة، أحدثت نبضات الجهد العالي ثقوبًا في بنية الجرمانيوم، مما تسبب في ظهور حاملات شحنة أقلية .
اقترب براي وبنزر بشكل محير من مضخم الجرمانيوم دون أن يدركا ذلك. التقى بينزر بوالتر براتين، وهو عالم في مختبرات بيل، في مؤتمر عُقد في يناير 1948 لمناقشة السحب الحجمي معه. واقترح أن يقوم براتين بوضع نقطة اتصال أخرى بجوار النقطة الأولى التي يمكنها توصيل التيار، ومن ثم قد يتمكنون من فهم ما يحدث تحت السطح. وافق براتين بهدوء على هذا الاقتراح وغادر. وكما سنرى، فقد كان يعلم جيدًا ما يمكن أن تكشفه هذه التجربة.
أوني سو بوا
كان لدى مجموعة بوردو كل من التكنولوجيا والأساس النظري للقيام بالقفزة نحو الترانزستور. لكن لم يكن من الممكن أن يعثروا عليه إلا عن طريق الصدفة. لقد كانوا مهتمين بالخصائص الفيزيائية للمادة، وليس بالبحث عن نوع جديد من الأجهزة. ساد وضع مختلف تمامًا في أونيس سو بوا (فرنسا)، حيث قاد باحثان سابقان في مجال الرادار من ألمانيا، هما هاينريش ويلكر وهيربرت ماثاري، فريقًا كان هدفه إنشاء أجهزة صناعية لأشباه الموصلات.
درس ويلكر الفيزياء في البداية ثم قام بتدريسها في جامعة ميونيخ، التي كان يديرها المنظر الشهير أرنولد سومرفيلد. منذ عام 1940، ترك المسار النظري البحت وبدأ العمل على رادار Luftwaffe. نشأ ماثاري (من أصل بلجيكي) في آخن حيث درس الفيزياء. انضم إلى قسم الأبحاث في شركة الراديو الألمانية العملاقة Telefunken في عام 1939. خلال الحرب، نقل عمله من برلين شرقًا إلى الدير في سيليزيا لتجنب الغارات الجوية للحلفاء، ثم عاد إلى الغرب لتجنب تقدم الجيش الأحمر، وسقط في نهاية المطاف في أيدي الجيش الأمريكي.
مثل منافسيهم في التحالف المناهض لهتلر، عرف الألمان في أوائل الأربعينيات من القرن العشرين أن أجهزة الكشف الكريستالية كانت أجهزة استقبال مثالية للرادار، وأن السيليكون والجرمانيوم كانا أكثر المواد الواعدة في صنعها. حاول ماثاري وويلكر خلال الحرب تحسين الاستخدام الفعال لهذه المواد في المقومات. بعد الحرب، تعرض كلاهما لاستجواب دوري بشأن عملهما العسكري، وتلقيا في نهاية المطاف دعوة من ضابط مخابرات فرنسي لزيارة باريس في عام 1940.
حصلت شركة Compagnie des Freins & Signaux ("شركة المكابح والإشارات")، وهي فرع فرنسي لشركة Westinghouse، على عقد من هيئة الهاتف الفرنسية لإنشاء مقومات الحالة الصلبة وطلبت من العلماء الألمان مساعدتهم. قد يبدو مثل هذا التحالف بين الأعداء الجدد غريبًا، لكن تبين أن هذا الترتيب كان في صالح كلا الجانبين. لم يكن لدى الفرنسيين، الذين هزموا في عام 1940، القدرة على اكتساب المعرفة في مجال أشباه الموصلات، وكانوا في أمس الحاجة إلى مهارات الألمان. ولم يتمكن الألمان من تنفيذ أي تطوير في أي من مجالات التكنولوجيا المتقدمة في بلد محتل ومزقته الحرب، لذلك انتهزوا الفرصة لمواصلة العمل.
أنشأ ويلكر وماثاري مقرًا رئيسيًا في منزل من طابقين في ضاحية أونيس سو بوا بباريس، وبمساعدة فريق من الفنيين، نجحوا في إطلاق مقومات الجرمانيوم بحلول نهاية عام 1947. ثم تحولوا إلى المزيد من الجدية الجوائز: عاد ويلكر إلى اهتمامه بالموصلات الفائقة، وماثاري إلى مكبرات الصوت.
هربرت ماثاري في عام 1950
أثناء الحرب، قام ماثاري بتجربة مقومات الاتصال ذات النقطتين - "الثنائيات" - في محاولة لتقليل ضوضاء الدائرة. استأنف تجاربه وسرعان ما اكتشف أن شارب القط الثاني، الذي يقع على مسافة 1/100 مليون من المتر من الأول، يمكنه في بعض الأحيان تعديل التيار المتدفق عبر الخط الطولي الأول. لقد ابتكر مضخمًا للحالة الصلبة، وإن كان عديم الفائدة إلى حدٍ ما. ولتحقيق أداء أكثر موثوقية، لجأ إلى ويلكر، الذي اكتسب خبرة واسعة في العمل مع بلورات الجرمانيوم أثناء الحرب. قام فريق ويلكر بإنتاج عينات أكبر وأنقى من بلورات الجرمانيوم، ومع تحسن جودة المادة، أصبحت مضخمات الاتصال النقطية من ماثار موثوقة بحلول يونيو 1948.
صورة بالأشعة السينية لـ "الترانزسترون" المعتمد على دائرة ماثاري، والتي تحتوي على نقطتي اتصال مع الجرمانيوم
حتى أن ماثاري كان لديه نموذج نظري لما كان يحدث: فقد اعتقد أن الاتصال الثاني أحدث ثقوبًا في الجرمانيوم، مما أدى إلى تسريع مرور التيار عبر الاتصال الأول، مما أدى إلى توفير ناقلات شحن أقلية. لم يتفق ويلكر معه، واعتقد أن ما يحدث يعتمد على نوع ما من التأثير الميداني. ومع ذلك، قبل أن يتمكنوا من التوصل إلى الجهاز أو النظرية، علموا أن مجموعة من الأمريكيين قد طوروا نفس المفهوم تمامًا - مضخم الجرمانيوم مع نقطتي اتصال - قبل ستة أشهر.
موراي هيل
في نهاية الحرب، قام ميرفين كيلي بإصلاح مجموعة أبحاث أشباه الموصلات في مختبرات بيل برئاسة بيل شوكلي. نما المشروع، وتلقى المزيد من التمويل، وانتقل من مبنى المختبر الأصلي في مانهاتن إلى الحرم الجامعي المتوسع في موراي هيل، نيو جيرسي.
حرم موراي هيل، كاليفورنيا. 1960
لإعادة التعرف على أشباه الموصلات المتقدمة (بعد الفترة التي قضاها في أبحاث العمليات خلال الحرب)، زار شوكلي مختبر راسل أول هولمديل في ربيع عام 1945. أمضى أوهل سنوات الحرب في العمل على السيليكون ولم يضيع أي وقت. لقد أظهر لشوكلي مضخمًا بدائيًا من تصميمه الخاص، والذي وصفه بـ "الرفض". أخذ مقوم اتصال نقطة السيليكون وأرسل التيار من البطارية من خلاله. على ما يبدو، أدت الحرارة المنبعثة من البطارية إلى خفض المقاومة عبر نقطة الاتصال، وحولت المقوم إلى مكبر صوت قادر على إرسال إشارات الراديو الواردة إلى دائرة قوية بما يكفي لتشغيل مكبر الصوت
كان التأثير فظًا وغير موثوق به وغير مناسب للتسويق التجاري. ومع ذلك، كان ذلك كافيا لتأكيد رأي شوكلي بأنه من الممكن إنشاء مضخم أشباه الموصلات، وأنه ينبغي جعل ذلك أولوية للبحث في مجال إلكترونيات الحالة الصلبة. وكان هذا الاجتماع أيضًا مع فريق أولا هو الذي أقنع شوكلي بضرورة دراسة السيليكون والجرمانيوم أولًا. لقد أظهرت خصائص كهربائية جذابة، وقد حقق زملاء أوهل، علماء المعادن، جاك سكاف وهنري ثيورير، نجاحًا مذهلاً في تنمية هذه البلورات وتنقيتها وتطعيمها أثناء الحرب، متجاوزين جميع التقنيات المتاحة لمواد أشباه الموصلات الأخرى. لم تكن مجموعة شوكلي لتضيع المزيد من الوقت في مكبرات صوت أكسيد النحاس قبل الحرب.
بمساعدة كيلي، بدأ شوكلي في تجميع فريق جديد. وكان من بين اللاعبين الرئيسيين والتر براتين، الذي ساعد شوكلي في محاولته الأولى لمضخم الحالة الصلبة (في عام 1940)، وجون باردين، وهو فيزيائي شاب وموظف جديد في مختبرات بيل. من المحتمل أن باردين كان لديه المعرفة الأكثر شمولاً في فيزياء الحالة الصلبة من أي عضو في الفريق، حيث وصفت أطروحته مستويات طاقة الإلكترونات في بنية معدن الصوديوم. وكان أيضًا ربيبًا آخر لجون هاسبروك فان فليك، مثل أتاناسوف وبراتين.
ومثل أتاناسوف، تطلبت أطروحات باردين وشوكلي حسابات معقدة للغاية. وكان عليهم استخدام نظرية ميكانيكا الكم لأشباه الموصلات، التي حددها آلان ويلسون، لحساب بنية الطاقة للمواد باستخدام الآلة الحاسبة المكتبية الخاصة بمونرو. من خلال المساعدة في إنشاء الترانزستور، ساهموا في الواقع في إنقاذ طلاب الدراسات العليا في المستقبل من مثل هذا العمل.
اعتمد نهج شوكلي الأول في مضخم الحالة الصلبة على ما سمي لاحقًا "". قام بتعليق لوحة معدنية فوق أشباه الموصلات من النوع n (مع زيادة الشحنات السالبة). يؤدي تطبيق شحنة موجبة على اللوحة إلى سحب الإلكترونات الزائدة إلى سطح البلورة، مما يؤدي إلى إنشاء نهر من الشحنات السالبة التي يمكن أن يتدفق من خلالها التيار الكهربائي بسهولة. يمكن للإشارة المضخمة (الممثلة بمستوى الشحن على الرقاقة) بهذه الطريقة تعديل الدائرة الرئيسية (التي تمر على طول سطح أشباه الموصلات). تم اقتراح كفاءة هذا المخطط له من خلال معرفته النظرية بالفيزياء. ولكن، على الرغم من التجارب والتجارب العديدة، لم ينجح المخطط أبدا.
بحلول مارس 1946، كان باردين قد ابتكر نظرية متطورة تشرح السبب وراء ذلك: يتصرف سطح شبه الموصل على المستوى الكمي بشكل مختلف عن الأجزاء الداخلية منه. تصبح الشحنات السالبة المرسومة على السطح محاصرة في "الحالات السطحية" وتمنع المجال الكهربائي من اختراق اللوحة داخل المادة. وجد باقي أعضاء الفريق أن هذا التحليل مقنع، وأطلقوا برنامجًا بحثيًا جديدًا على ثلاثة مسارات:
- إثبات وجود الحالات السطحية.
- دراسة خصائصهم.
- معرفة كيفية إلحاق الهزيمة بهم وإنجاحه .
وبعد عام ونصف من البحث والتجارب، في 17 نوفمبر 1947، حقق براتين تقدمًا كبيرًا. اكتشف أنه إذا وضع سائلًا مملوءًا بالأيونات، مثل الماء، بين الرقاقة وأشباه الموصلات، فإن المجال الكهربائي الناتج عن الرقاقة سيدفع الأيونات نحو شبه الموصل، حيث ستقوم بتحييد الشحنات المحتجزة في الحالات السطحية. والآن يمكنه التحكم في السلوك الكهربائي لقطعة من السيليكون عن طريق تغيير الشحنة الموجودة على الرقاقة. أعطى هذا النجاح لباردين فكرة عن نهج جديد لإنشاء مكبر للصوت: قم بإحاطة نقطة الاتصال الخاصة بالمقوم بالماء المنحل بالكهرباء، ثم استخدم سلكًا ثانيًا في الماء للتحكم في ظروف السطح، وبالتالي التحكم في مستوى توصيل التيار الرئيسي. اتصال. وهكذا وصل باردين وبراتين إلى خط النهاية.
نجحت فكرة باردين، لكن التضخيم كان ضعيفًا وتم تشغيله بترددات منخفضة جدًا لا يمكن للأذن البشرية الوصول إليها، لذلك كان عديم الفائدة كمكبر صوت للهاتف أو الراديو. اقترح باردين التحول إلى الجرمانيوم المقاوم للجهد العكسي المنتج في بوردو، معتقدًا أن شحنات أقل ستتجمع على سطحه. وفجأة حصلوا على زيادة قوية، ولكن في الاتجاه المعاكس لما كان متوقعا. اكتشفوا تأثير حامل الأقلية - بدلاً من الإلكترونات المتوقعة، تم تضخيم التيار المتدفق عبر الجرمانيوم بواسطة ثقوب قادمة من المنحل بالكهرباء. أنشأ التيار الموجود على السلك الموجود في المنحل بالكهرباء طبقة من النوع p (منطقة ذات شحنات موجبة زائدة) على سطح الجرمانيوم من النوع n.
وأظهرت التجارب اللاحقة أنه لم تكن هناك حاجة إلى إلكتروليت على الإطلاق: فببساطة عن طريق وضع نقطتي اتصال قريبتين على سطح الجرمانيوم، كان من الممكن تعديل التيار من إحداهما إلى التيار الموجود على الأخرى. ولتقريبهما قدر الإمكان، قام براتين بلف قطعة من رقائق الذهب حول قطعة مثلثة من البلاستيك ثم قطع الرقاقة بعناية في النهاية. ثم، باستخدام الربيع، ضغط المثلث على الجرمانيوم، ونتيجة لذلك لمست حافتي القطع سطحه على مسافة 0,05 ملم. أعطى هذا النموذج الأولي للترانزستور الخاص بشركة Bell Labs مظهره المميز:
النموذج الأولي لترانزستور براتين وباردين
مثل جهاز ماثاري وويلكر، كان من حيث المبدأ عبارة عن "شارب قطة" كلاسيكي، مع نقطتي اتصال فقط بدلاً من نقطة واحدة. وفي 16 ديسمبر، أنتجت زيادة كبيرة في الطاقة والجهد، وتردد 1000 هرتز في النطاق المسموع. وبعد أسبوع، وبعد إجراء تحسينات طفيفة، تمكن باردين وبراتين من زيادة الجهد الكهربائي بمقدار 100 مرة والطاقة بمقدار 40 مرة، وأظهرا لمديري بيل أن جهازهم يمكنه إنتاج خطاب مسموع. صاغ جون بيرس، وهو عضو آخر في فريق تطوير الحالة الصلبة، مصطلح "الترانزستور" على اسم مقوم أكسيد النحاس الذي ابتكره بيل، المكثف.
وعلى مدى الأشهر الستة التالية، أبقى المختبر على الخلق الجديد سرا. أرادت الإدارة التأكد من أن لديهم السبق في تسويق الترانزستور قبل أن يحصل عليه أي شخص آخر. كان من المقرر عقد مؤتمر صحفي في 30 يونيو 1948، في الوقت المناسب لتحطيم أحلام ويلكر وماثاري في الخلود. وفي الوقت نفسه، انهارت مجموعة أبحاث أشباه الموصلات بهدوء. بعد سماعه عن إنجازات باردين وبراتين، بدأ رئيسهم، بيل شوكلي، العمل ليحصل على كل الفضل لنفسه. وعلى الرغم من أنه لعب دورًا مراقبًا فقط، فقد تلقى شوكلي دعاية مساوية، إن لم يكن أكثر، في العرض العام - كما يظهر في هذه الصورة المنشورة له في خضم الحدث، بجوار مقعد المختبر:
صورة دعائية لعام 1948 - باردين، شوكلي وبراتين
ومع ذلك، فإن الشهرة المتساوية لم تكن كافية لشوكلي. وقبل أن يعلم أي شخص خارج مختبرات بيل بوجود الترانزستور، كان مشغولًا بإعادة اختراعه بنفسه. وكان هذا مجرد الأول من العديد من هذه الابتكارات.
ماذا تقرأ
- روبرت بوديري، الاختراع الذي غير العالم (1996)
- مايكل ريوردان، "كيف أخطأت أوروبا الترانزستور"، IEEE Spectrum (1 نوفمبر 2005)
- مايكل ريوردان وليليان هوديسون، كريستال فاير (1997)
- أرماند فان دورميل، "الترانزستور الفرنسي"، (1994)
المصدر: www.habr.com