Други статии от цикъла:
- История на реле
- История на електронните компютри
- История на транзистора
- История на интернет
Пътят към твърдотелните превключватели беше дълъг и сложен. Той започна с откритие, че определени материали се държат странно в присъствието на електричество – не както предсказваха съществуващите теории по онова време. След това последва история за това как технологията през XX век става все по-научна и институционална дисциплина. Любители, новаци и професионални изобретатели с почти никакво научно образование направиха значителен принос за развитието на телеграфа, телефонията и радиото. Но, както ще видим, почти всички напредъци в историята на твърдотелната електроника се случиха благодарение на учени, обучавали се в университети (обикновено с докторска степен по физика), и работили в университетски или корпоративни изследователски лаборатории.
Всеки човек с достъп до работилница и с основни умения за работа с материали може да сглоби реле от проводници, метал и дърво. За създаването на електронни лампи са необходими по-специализирани инструменти, способни да създадат стъклен балон и да изпомпят въздуха от него. Твърдотелните устройства обаче изчезнаха в заекова дупка, от която цифровият превключвател така и не се върна, потапяйки се все по-дълбоко в светове, разбираеми само за абстрактната математика и достъпни само с безумно скъпо оборудване.
Галенит
През 1874 година , 24-годишният физик от школата на св. Тома в Лайпциг публикува първата от множеството важни научни работы в дългата си кариера. Работа „За преминаването на електрически токове през сулфиди на метали“ беше приета в списание Pogendorff’s Annalen, престижно издание, посветено на физическите науки. Въпреки скучния заглавие, работата на Браун описваше няколко удивителни и загадъчни експериментални резултати.
Фердинанд Браун
Браун бе заинтригуван от сулфидите – минерални кристали, състоящи се от съединения на сяра с метали – благодарение на работите на . През 1833 година Майкъл Фарадей отбелязва, че проводимостта на сребърен сулфид се увеличава с температурата, което е напълно противоположно на поведението на металните проводници. Гитторф подготвя детайлен количествен отчет за измерванията на този ефект през 1850-те години, за сулфидите на сребро и мед. Сега Браун, използвайки хитра експериментална установка, която притискала метален проводник към кристал от сулфид с пружина, за да осигури добър контакт, открива нещо още по-странно. Проводимостта на кристалите зависи от посоката – например, токът може да тече добре в едната посока, но при обръщане на полярността на батерията токът може внезапно да падне драстично. Кристалите в една посока функционират повече като проводници (като нормалните метали), а в другата – повече като изолатори (като стъкло или гума). Това свойство стана известно като изправление, заради способността му да изправя „извиващия се“ променлив ток, превръщайки го в „плосък“ постоянен.
Приблизително по същото време изследователите откриват и други странни свойства на такива материали, като например селен, който може да бъде извлечен от някои сулфидни руди на метали. Под въздействието на светлина селенът увеличава проводимостта си и дори започва да генерира електричество, а също така може да се използва за изправление. Имаше ли някаква връзка с кристалите на сулфидите? Без теоретични модели, способни да обяснят ставащото, в тази област цареше объркване.
Но липсата на теория не спря опитите за практическо приложение на резултатите. В края на 1890-те години Браун стана професор в Страсбургския университет – наскоро анексиран от Франция по време на и преименуван на Университета на кайзера Вилхелма. Там го завладя завладяващият нов свят на радиотелеграфията. Той отговаря положително на предложението на група предприемачи за съвместно създаване на безжична комуникационна система, основана на предаване на радиовълни през вода. Въпреки това, той и неговите съратници скоро се отказаха от първоначалната идея в полза на въздушното предаване на сигнали, което използваха Маркони и други.
Сред аспектите на радиото, които групата на Браун се опитваше да подобри, беше стандартният по онова време приемник, . Той беше основан на факта, че радиовълните накараха металните стърготини да се съберат на купчина, което позволяваше на тока от батерията да премине към сигналното устройство. Това сработи, но системата реагираше само на относително силни сигнали, а за да се разруши купчината стърготини, бе необходимо постоянно да се удря устройството. Браун си припомни своите стари експерименти с кристали от сулфид и през 1899 година пресъздаде старата си експериментална установка с нова цел – да служи като детектор на безжични сигнали. Той използва ефекта на правопотока, за да преобразува малкия колебателен ток, генериран от преминаващите радиовълни, в постоянен ток, който можеше да захранва малък говорител, издаващ чути кликания за всяка точка или тире. Устройството по-късно стана известно катозаради външния вид на жичката, която лесно докосваше горната част на кристала. В Британска Индия (където днес се намира Бангладеш) ученът и изобретател Джагадиш Бозе построи сходно устройство, вероятно дори през 1894 година. Други скоро започнаха да изработват подобни детектори на базата на силиций и карборунд (карбид на силиция).
Въпреки това именно , сулфид на оловото, който се топи за получаване на олово от древни времена, стана предпочитан материал за кристалните детектори. Те бяха лесни за производство и евтини, и в резултат на това станаха изключително популярни сред ранното поколение радиолюбители. Освен това, за разлика от бинарния когерер (с стърготини, които либо се събираха на купчина, либо не), кристалният правопоток можеше да възпроизвежда непрекъснат сигнал. Следователно той можеше да издава звуци, чути от ухото, на предавания на глас и музика, а не само морзова азбука с точки и тирета.
Детектор „котешки мустак“ на базата на галенит. Малък участък от проводник отляво – това е мустак, а парче от сребрист материал отдолу – кристал на галенит.
Въпреки това, както скоро установиха раздразнените радиолюбители, търсенето на магическата точка на повърхността на кристала, която да осигури добро изправяне, можеше да отнеме минути или дори часове. А сигналите без усилване бяха слаби и имаха метален привкус. Към 1920-те години радиоприемниците с електронни лампи и триодни усилватели почти напълно изключиха кристалните детектори от употреба навсякъде. Единственото им привлекателно качество оставаше ниската цена.
Това кратко появление на арената на радиоприемниците изглеждаше като предел на практическото приложение на странните електрически свойства на материала, открити от Браун и други.
Медният оксид
След това през 1920-те години друг физик на име Ларс Грондал откри нещо странно с помощта на своето експериментално оборудване. Грондал, първият от дългата поредица умни и неуморни мъже от историята на американския Запад, беше син на строителен инженер. Баща му, емигрирал от Норвегия през 1880-те, работеше няколко десетилетия на железниците в Калифорния, Орегон и Вашингтон. Първоначално Грондал изглежда реши да остави зад себе си инженерния свят на баща си и да продължи обучението си в института Джонса Хопкинс, за да получи докторска степен по физика и да поеме по академичен път. Но впоследствие и той се включи в железопътния бизнес и зае позицията на директор по изследванията в компанията Union Switch and Signal, подразделение на индустриалния гигант , който доставяше оборудване за железопътната индустрия.
В различни източници се посочват противоречиви причини, мотивирали Грондал в неговите изследвания, но каквото и да било, той започна да експериментира с медни дискове, нагрявани от една страна, за да се създаде оксиден слой. Работейки с тях, той обърна внимание на асиметрията на тока – съпротивлението в едната посока беше три пъти по-голямо, отколкото в другата. Дискът от мед и меден оксид изправяше тока, точно както кристалът от сулфид.
Схема на изправителя от меден оксид
През следващите шест години Грондал разработва готов за употреба търговски правоприемник, като получава помощ от друг изследовател от САЩ, Пол Гейгер, след което подава заявление за патент и обявява откритията си на Американското физическо общество през 1926. Устройството веднага става търговски хит. Благодарение на отсъствието на крехки нишки, то е много повече надеждно от правоприемника на електронни лампи, основан на клапанния принцип на Флеминг, и е евтино за производство. За разлика от брауновите кристали-правоприемници, то работи от първия опит и благодарение на по-голямата площ на контакта между метала и оксида, работи с по-широк диапазон от токове и напрежения. Може да зарежда акумулатори, да открива сигнали в различни електрически системи, да работи като защитен шунт в мощни генератори. Когато се използва като фотоелемент, дисковете могат да работят като измерватели на количеството светлина и са особено полезни в фотографията. Други изследователи около същото време разработват правоприемници от селен, намерили подобни области на приложение.
Пакет от правоприемници на основата на оксид на мед. Сглобяването на няколко диска увеличава обратното съпротивление, което позволява да се използват с високо напрежение.
След няколко години двама физици от Лабораториите на Бел, Джоузеф Бекер и , решават да изучат принципа на работа на медния правоприемник – интересува ги как работи и как може да се използва в компанията Bell System.
Братейн на зряла възраст – около 1950
Братейн е от същите места, откъдето и Грондал, от Тихоокеанския северо-запад, където расте на ферма, разположена на няколко километра от канадската граница. В гимназията започва да се интересува от физика, проявява способности в тази сфера и в крайна сметка получава докторска степен в Минесотския университет в края на 1920-те години и започва работа в Лабораториите на Бел през 1929. Сред друго, в университета той изучава най-новата теоретична физика, която набира популярност в Европа и е известна като квантова механика (негов ментор е , наставлявал също така и Джон Атанасов).
Квантовата революция
Новата теоретична платформа се развиваше бавно през последните три десетилетия и в своето време ще може да обясни всички странни явления, наблюдавани в материали като галенит, селен и меден оксид. Цяла кохорта, предимно млади физици, основно от Германия и съседни страни, предизвика квантовата революция във физиката. Навсякъде, където погледнеш, те откриваха не плавния и непрекъснат свят, когото ги учили, а странни дискретни топчета.
Всичко започна през 1890-те. Макс Планк, известният професор от Берлинския университет, реши да се заеме с известен неразрешен въпрос: как точно "" (идеалното вещество, което абсорбира всяка енергия и не я отразява) излъчва радиация в електромагнитния спектър? Бяха изпробвани различни модели, но нито един не съвпадаше с експерименталните резултати – те не се справяха нито в едния, нито в другия край на спектъра. Планк откри, че ако приемем, че енергията се излъчва от тялото на малки "пакети" дискретна величина, можем да запишем прост закон за отношенията между честотата и енергията, който перфектно съвпада с емпиричните резултати.
Скоро след това Айнщайн откри, че същото важи и за поглъщането на светлина (първият намек за фотони), а Дж. Дж. Томсън показа, че електричеството също се пренася не с непрекъсната течност или вълна, а с дискретни частици – електрони. След това Нилс Бор създаде модел, който обяснява как възбудените атоми излъчват радиация, назначавайки на електроните отделни орбити в атома, всяка от които има своя енергия. Въпреки това, това наименование може да бъде заблуждаващо, тъй като те не се държат по никакъв начин на орбити като планетите – в модела на Бор електроните мигновено преминаваха от една орбита, или енергийно ниво, на друго, без да преминават през междинно състояние. И накрая, през 1920-те години, Ервин Шрьодингер, Вернер Хайзенберг, Макс Борн и други създадоха обобщена математическа платформа, известна като квантова механика, обхващаща всички специални квантови модели, създавани през предходните двадесет години.
По това време физиците вече бяха уверени, че материали като селен и галенит, които демонстрират фотогальванични и изправителни свойства, принадлежат към отделен клас материали, наречен полупроводници. Класификацията отнема толкова време по няколко причини. Първо, самите категории „проводници“ и „изолатори“ бяха доста обширни. Т.н. „проводници“ се различаваха значително по проводимост, а същото (в по-малка степен) важеше и за изолаторите, и не беше очевидно как точно определен проводник да се отнесе към някой от тези класове. Освен това, до средата на XX век не беше възможно да се получат или създадат много чисти вещества, и всякакви странности в проводимостта на природните материали винаги можеха да се отнесат към замърсяване.
Сега физиците разполагаха както с математически инструменти на квантовата механика, така и с нов клас материали, към които можеха да ги приложат. Британският теоретик за първи път събра всичко това и построи обща модел на полупроводниците и принципа на тяхната работа през 1931.
Първоначално Уилсон твърдеше, че проводящите материали се различават от диелектриците по състоянието на енергийните зони. Квантовата механика заявява, че електроните могат да съществуват на ограничен брой енергийни нива, присъщи на обвивките или орбиталите на отделните атоми. Ако тези атоми бъдат стегнати заедно в структурата на материал, то е по-правилно да си представим непрекъснати енергийни зони, преминаващи през него. В проводниците в високи енергийни зони има свободни места, и електричното поле свободно може да премества електрони там. В изолаторите зоните са запълнени, а до по-високата, проводяща зона, по която електричеството може да премине по-лесно, е нужно да се изкачи доста далеч.
Това го накара да заключи, че примесите – чужди атоми в структурата на материала – трябва да допринасят за полу-проводниковите му свойства. Те могат да доставят излишни електрони, които лесно преминават в зоната на проводимост, или дупки – отсъствие на електрони в сравнение с останалата част от материала – което създава празни енергийни места, където могат да се движат свободни електрони. Първият вариант по-късно е наречен полу-проводници n-тип (или електронни) – заради излишния отрицателен заряд, а вторите – p-тип, или дупкови – заради излишния положителен заряд.
Накрая, Уилсън предположи, че уравняването на тока от полу-проводници може да се обясни с термини от квантовата , внезапен скок на електрони през тънка електрическа бариера в материала. Теорията изглеждаше правдоподобна, но предсказваше, че в уреда токът трябва да тече от оксида към медта, докато в действителност всичко беше обратно.
Така, въпреки всички пробиви на Уилсън, полу-проводниците оставаха сложни за обяснение. Както постепенно стана ясно, микроскопичните промени в кристалната структура и концентрацията на примеси несъразмерно силно влияеха на макроскопичното им електрическо поведение. Независимо от липсата на разбиране – тъй като никой не успя да обясни експерименталните наблюдения, направени от Браун 60 години преди това – Братейн и Бекер разработиха ефективен производствен процес за медно-оксидни уреди за своя работодател. Bell System бързо започна да заменя уредите на електронни лампи в цялата система с ново устройство, което техните инженери нарекоха , тъй като неговото съпротивление се променяше в зависимост от посоката.
Златен медал
Мервин Келли, физик и бивш ръководител на отдела за електронни лампи в Лабораториите на Бел, много се заинтригува от това постижение. През последните десетилетия електронните лампи предоставяха на Бел незаменима услуга и можеха да изпълняват функции, недостъпни за предишното поколение механични и електромеханични компоненти. Но те сериозно се нагряваха, редовно прегряваха, консумираха много енергия и бяха сложни за поддържане. Келли планираше да преустрои системата на Бел на базата на по-надеждни и издръжливи солидни електронни компоненти, като вариistor, които не изискваха запечатани корпуси, запълнени с газ или пустота, нито нагрети нишки. През 1936 г. той стана ръководител на изследователския отдел на Лабораториите на Бел и започна да пренасочва организацията в нова посока.
След получаването на солидния правителел, следващата очевидна стъпка беше да се създаде солиден усилвател. Разбира се, че, както и ламповият усилвател, такова устройство би могло да работи и като цифров превключвател. Това особено интересуваше компанията Бел, тъй като в телефонните комутатори все още работеше огромно количество електромеханични цифрови превключватели. Компанията търсеше по-надеждна, компактна, енергийно ефективна и хладна алтернатива на електронната лампа в телефонни системи, радиоприемници, радари и друго аналогово оборудване, където те се използваха за усилване на слаби сигнали до ниво, което е достъпно за човешкото ухо.
През 1936 г. Лабораториите на Бел най-накрая отмениха забраната за наемане на персонал, наложена по време на . Келли незабавно започна да наема експерти по квантова механика, за да му помогнат да стартира програмата си за изследвания в областта на солидни устройства, сред които беше и , друг изходец от Западното крайбрежие, от Пало Алто (Калифорния). Темата на току-що оформената му дисертация в MIT беше особено подходяща за нуждите на Келли: "Електронни зони в хлорида на натрий."
Братейн и Беккер продължаваха своите изследвания на медния оксиден изправител, стремейки се да получат усъвършенстван твърдотелен усилвател. Най-очевидният начин да го изработят беше да се придържат към аналогията с електронната лампа. Подобно на Ли де Форест, който е взел ламповия усилвател и между катода и анода, така и Братейн с Беккер представиха как може да се вмъкне мрежа в мястото на контакт между медта и медния оксид, където, както се предполагаше, се извършва изправлението. Въпреки това, поради малката дебелина на слоя, те считаха, че е невъзможно да го направят и не успяха.
Междувременно други разработки показаха, че Лабораториите Белл не бяха единствената компания, заинтересована от твърдотелната електроника. През 1938 година Рудолф Хилш и Роберт Пол публикуваха резултати от експерименти, проведени в Университета в Гьотинген с работещ твърдотелен усилвател, създаден чрез внедряване на мрежа в кристал на бромид на калия. Практическата стойност на това лабораторно устройство не беше значителна - основно, защото работеше на честота не повече от 1 Hz. Все пак, това постижение не можа да не зарадва всички, които се интересуваха от твърдотелната електроника. В същата година Кели определи Шокли в нова независима изследователска група за твърдотелни устройства и му предостави със своите колеги - Фостър Никс и Дийн Вулридж - пълна свобода за изследване на техните възможности.
Най-малко още двама изобретатели успяха да създадат твърдотелни усилватели преди Втората световна война. През 1922 година съветският физик и изобретател публикува резултатите от успешни експерименти с цинкитови полупроводници, но неговата работа остана незабелязана от западното общество; през 1926 година американският изобретател Джулиус Лиленфилд подаде заявление за патент на твърдотелен усилвател, но няма доказателства за работоспособността на неговото изобретение.
Първото основно прозрение на Шокли на новата позиция настъпи по време на четенето на работата на британския физик Невил Мот "Теория на кристалните правители" от 1938 година, където най-накрая се обяснява принципът на действие на правителя на Грондал на меден оксид. Мот използва математиката на квантовата механика, за да опише образуването на електрическо поле на границата между проводящ метал и полупроводящ оксид, и как електроните "прескачат" през тази електрическа бариера, вместо да тунелират, както предлагаше Уилсън. Токът тече по-лесно от метала към полупроводника, отколкото обратно, тъй като металът има много повече свободни електрони.
Това доведе Шокли до точно такава идея, коята Братейн и Бекер разгледаха и отхвърлиха години преди това – да изготви твърдотелен усилвател, като вмъкне мрежа от меден оксид между медта и медния оксид. Той се надяваше, че токът, преминаващ през мрежата, ще увеличи бариерата, ограничаваща тока от медта към оксита, създавайки инвертирана, усилена версия на сигнала на мрежата. Неговият първи груб опит напълно се провали, затова той се обърна към човек, който имаше по-изкусни лабораторни умения и беше добре запознат с правителите – Уолтър Братейн. И, макар да не е имал съмнения относно резултата, Братейн се съгласи да задоволи любопитството на Шокли и създаде по-сложна версия на "мрежовия" усилвател. Той също отказа да работи.
След това войната се намеси, оставяйки новата изследователска програма на Кели в хаос. Кели оглави работната група по радарите в Лабораториите Бел, работеща с подкрепата на основния радарен изследователски център на САЩ в MIT. Братейн не работи дълго при него и след това се насочи към изследвания на магнитното откритие на подводници по поръчка на военноморските сили. Уулридж работеше по системи за управление на огъня, Никс – по дифузия на газове за Манхетънския проект, а Шокли се насочи към операционни изследвания, като първо се занимаваше с борба с подводници в Атлантика, а след това със стратегически бомбардировки в Тихия океан.
Но, въпреки това вмешателство, войната не спря развитието на твърдотелната електроника. Напротив, тя организира масивно вливане на ресурси в тази област и доведе до концентрация на изследвания върху два материала: германий и силиций.
Какво още да прочета
Ернест Браун и Стюарт Макдоналд, Революция в миниатюра (1978)
Фридрих Курило и Чарлз Съскинд, Фердинанд Браун (1981)
Г. Л. Пиърсън и У. Х. Братейн, "История на изследванията в областта на полупроводниците," Proceedings of the IRE (декември 1955).
Майкъл Риордан и Лилиан Ходдесън, Кристален огън (1997)
Източник: habr.com
