Други статии от цикъла:
- История на релето
- 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 странно се държат в присъствието на електричество – не толкова, колкото предсказваха съществуващите тогава теории. Последва история за това как през XX век технологията стана все по-научна и институционална дисциплина. Аматьори, новаци и професионални изобретатели с практически никакво научно образование направиха сериозни приноси за развитието на телеграфията, телефонията и радиото. Но, както ще видим, почти всички напредъци в историята на твърдотелната електроника се случиха благодарение на учени, обучавани в университети (и обикновено притежаващи докторска степен по физика) и работещи в университети или корпоративни изследователски лаборатории.
Всеки човек с достъп до работилница и основни умения за работа с материали може да сглобява релета от проводници, метал и дърво. За създаването на електронни лампи са необходими по-специализирани инструменти, способни да произведат стъклена колба и да изсмукват въздуха от нея. Докато твърдотелните устройства паднаха в заешката дупка, от която цифровият превключвател така и не се завърна, потапяйки се все по-дълбоко в светове, разбираеми само за абстрактната математика и достъпни само с помощта на безумно скъпо оборудване.
Галенит
През 1874 година , 24-годишен физик от Училището на св. Тома в Лайпциг, публикува първата от многото важни научни статии в дългата си кариера. Статията "За преминаването на електрически токове през сулфиди на метали" беше приета в списанието 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 привлечен от сулфидите – минерални кристали, състоящи се от съединения на сяра с метали – благодарение на работите на . Още през 1833 година Майкъл Фарадеи отбелязва, че проводимостта на сребърен сулфид се увеличава с температурата, което е напълно противоположно на поведението на металните проводници. Гитторф изготвя подробен количествен отчет за измерванията на този ефект през 1850-те години, за сулфидите както на сребро, така и на мед. Сега Браун, използвайки изобретателна експериментална настройка, притискаща метален проводник към кристала на сулфида 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 една посока, но при обръщане на полярността на батерията, токът може внезапно да падне рязко. Кристалите в една посока работят повече като проводници (като нормални метали), а в друга – повече като изолатори (като стъкло или гума). Това свойство стана известно като изправяне, заради способността да изправя „извиващия се“ променлив ток, превръщайки го в „плосък“ постоянен.
Приблизително по същото време изследователите откриха и други странни свойства на материали като, например, селен, който можеше да бъде извлечен от някои сулфидни руди на метали. Под въздействието на светлината, селенът увеличаваше проводимостта и дори започваше да генерира електричество, а също така можеше да се използва за изправяне. Имаше ли свързаност с кристалите на сулфидите? Без теоретични модели, способни да обяснят случващото се, в тази област цареше объркване.
Обаче липсата на теория не спираше опитите за практическо прилагане на резултатите. В края на 1890-те години Браун стана професор в Страсбургския университет – наскоро анексиран от Франция през и преименуван на Университет на кайзера Вилхелма. Там неговият интерес бе погълнат от завладяващия нов свят на радиотелеграфията. Той се съгласи на предложението на група предприемачи за съвместно изграждане на безжична система за комуникация, базирана на предаване на радиовълни през вода. Въпреки това, те с партньорите си бързо 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 стремеше да подобри, беше стандартният по това време приемник, . Той се основаваше на факта, че радиовълните заставят метални стружки да се събират на куп, което позволяваше тока от батерията да премине към сигналното устройство. Това сработи, но системата реагираше само на относително силни сигнали, а за разбирането на купчицата стружки беше необходимо постоянно да се удря устройството. Браун си спомни старите експерименти с кристали на сулфид и през 1899 година възстанови старата си експериментална установка с нова цел - да служи за детектор на безжични сигнали. Той използва ефекта на правото за преобразуване на малък променлив ток, произвеждан от преминаващите радиовълни, в постоянен ток, който можеше да захрани малък динамик, издаващ чути щракания за всяка точка или тире. Това устройство по-късно стана известно като "" заради външния вид на жичката, която лесно се прикасваше към горната част на кристала. В Британска Индия (където днес е Бангладеш) ученът и изобретател Джагадиш Бозе построи подобно устройство, възможно е дори през 1894 година. Другите скоро започнаха да правят подобни детектори на основата на силиций и карборунд (карбид на силиция).
Но именно , сулфид на олово, който се топи за получаване на олово от древни времена, стана предпочитаният материал за кристалните детектори. Те бяха лесни за изработка и евтини и в резултат на това станаха изключително популярни сред ранното поколение радиолюбители. Освен това, за разлика от бинарния когерер (с стружки, които или се събират на куп, или не), кристалният правител можеше да възпроизведе непрекъснат сигнал. Затова той можеше да издава чути предавания на глас и музика, а не само азбуката на Морз с точките и тиретата.
Детектор „котешки мустак“ на основата на галенит. Малък отрязък проводник вляво – това е мустакът, а парчето сребрист материал отдолу – кристалът на галенита.
Въпреки това, как скоро установиха разгневените радиолюбители, намирането на магическата точка на повърхността на кристала, която да дава добро правоточно, можеше да отнеме минути или дори часове. А сигналите без усилване бяха слаби и имаха метален привкус. Към 1920-те години приемниците на електронни лампи с триодни усилватели практически извадиха кристалните детектори от употреба почти навсякъде. Единствената им привлекателна черта остана само евтиността.
Това кратко появление на арената на радиоприемниците изглеждаше, че беше пределът на практическото приложение на странните електрически свойства на материала, открити от Браун и други.
Медния оксид
След това през 1920-те години друг физик на име Ларс Грондал откри нещо странно с помощта на своя експериментален уред. Грондал, първият в дългата поредица от умни и ненаситни мъже от историята на американския Запад, беше син на строителен инженер. Неговият баща, емигрирал от Норвегия през 1880-те, работил десетилетия наред по железниците в Калифорния, Орегон и Вашингтон. Първоначално, Грондал изглежда, се е решил да остави инженерния свят на баща си зад себе си и отишъл в института Джонса Хопкинса, за да получи докторска степен по физика, за да последва академичен път. Но след това и той се заплете в железопътния бизнес и започна работа като директор по изследванията на компанията Union Switch and Signal, част от индустриалния гигант , доставяла оборудване за железопътната индустрия.
В различни източници се посочват противоречиви причини, които подтикнали Грондал да проведе своите изследвания, но въпреки всичко, той започва да експериментира с медни дискове, нагрявани от едната страна за да създаде окислен слой. Когато работи с тях, той забелязва асиметричност в тока – съпротивлението в едната посока е три пъти по-голямо от това в другата. Диск от мед и меден оксид прави правоточно, точно както кристалът от сулфид.
Схема за правоточно от меден оксид
В продължение на шест години Грондал разработва готов за употреба търговски правоприемник, вдъхновен от това явление, с помощта на друг изследовател от САЩ, Пол Гейгер. След това той подава заявление за патент и обявява своето откритие на Американското физично общество през 1926. Уредът бързо става търговски хит. Поради липсата на крехки нишки, той е много по-надежден от правоприемника на електронни лампи, основан на клапанния принцип на Флеминг, и е евтин за производството. За разлика от брауновските кристали-правоприемници, той работи от първия опит, а благодарение на по-голямата контактна площ между метала и оксида, той работи в по-широк диапазон токове и напрежения. Може да зарежда акумулатори, да открива сигнали в различни електрически системи, да работи като предпазен шунт в мощни генератори. При използване като фотоелемент дисковете могат да служат като измерватели на количеството светлина и са особено полезни в фотографията. Други изследователи в приблизително същото време разработват правоприемници от селен, които намират сходни приложения.
Опаковка с правоприемници на основата на меден оксид. Съединяването на няколко диска увеличава обратното съпротивление, което позволява тяхното използване при високо напрежение.
След няколко години двама физици от Лабораториите 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 по-зряла възраст – ок. 1950
Братейн е родом от същите места като Грондал, от Тихоокеанския северозапад, където е израснал на ферма, разположена на няколко километра от канадската граница. В горния клас проявява интерес към физиката, показва способности в тази област и в крайна сметка получава докторска степен в Минесотския университет в края на 1920-те и започва работа в Лабораторията на Бел през 1929. Сред другите предмети в университета той изучава съвременната теоретична физика, която набира популярност в Европа и е известна като квантова механика (неговият ментор е , който също е наставлявал Джон Атанасов).
Квантовата революция
Нова теоретична платформа се развиваше бавно през последните три десетилетия и в крайна сметка ще може да обясни всички странни явления, наблюдавани години наред в материали като галенит, селен и меден оксид. Цяла кохорта предимно млади физици, основно от Германия и съседните страни, предизвикаха квантов обрат в физиката. Навсякъде, където погледнеш, те откриваха не гладък и непрекъснат свят, за който са обучавани, а странни дискретни частици.
Всичко започна през 1890-те години. Макс Планк, известен професор в Берлинския университет, реши да се заеме с известна нерешена задача: как "" (идеално вещество, което абсорбира всяка енергия и не я отразява) излъчва радиация в електромагнитния спектър? Бяха изпробвани различни модели, нито един от които не съвпадаше с експерименталните резултати – те не се справяха или в единия, или в другия край на спектъра. Планк откри, че ако предположим, че енергията се излъчва от тялото в малки "пакети" с дискретна величина, то можем да запишем прост закон на взаимовръзка между честота и енергия, който идеално съвпада с емпиричните резултати.
Скоро след това Айнщайн откри, че същото важи и за абсорбцията на светлина (първата 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 е заблуждаващо, тъй като те не се държат никак подобно на орбити на планети – 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, която включваше всички специални квантови модели, разработвани през предходните двадесет години.
Към този момент физиците вече бяха уверени, че материали като селен и галенит, които демонстрират фотогалванични и изправителни свойства, принадлежат към отделен клас материали, който те нарекоха полупроводници. Класификацията отне време по няколко причини. Първо, самите категории „проводници“ и „изолатори“ бяха доста обширни. Т.н. „проводници“ значително се различаваха по проводимост, подобно (в по-малка степен) беше и при изолаторите, и не беше очевидно как някой определен проводник може да бъде отнесен към тези класове. Освен това, до средата на XX век беше невъзможно да се получат или създадат много чисти вещества, и всякакви странности в проводимостта на природните материали винаги можеха да бъдат отнесени към замърсяване.
Сега физиците разполагаха както с математически инструменти на квантовата механика, така и с нов клас материали, към който да ги приложат. Британският теоретик първи събра всичко това и построи обща модел на полупроводниците и принципа на тяхната работа през 1931 година.
В началото Уилсон заяви, че проводящите материали се различават от диелектриците по състоянието на енергийните зони. Квантовата механика твърди, че електроните могат да съществуват на ограничен брой енергийни нива, присъщи на обвивки или орбитали на отделни атоми. Ако съберете тези атоми заедно в структура на материала, правилно би било да си представите непрекъснати енергийни зони, преминаващи през него. В проводниците в високите енергийни зони има свободни места, и електричното поле може свободно да премества електрони там. В изолаторите зоните са запълнени, а до по-високата, проводяща зона, през която електричеството преминава по-лесно, се изкачва сравнително далеч.
Това го накара да заключи, че примесите – чужди атоми в структурата на материала – трябва да допринасят за полупроводниковите му свойства. Те могат или да осигурят излишни електрони, които лесно преминават в зона на проводимост, или дупки – липсата на електрони в сравнение с останалия материал – което създава празни енергийни ниши, в които могат да се движат свободни електрони. Първият вариант по-късно нарекоха полупроводници n-ти тип (или електронни) – заради излишния отрицателен заряд, а вторите – p-ти тип, или дупкови – заради излишния положителен заряд.
Накрая, Уилсън предположи, че правенето на ток в полупроводниците може да се обясни с термини от квантовата физика. , внезапен скок на електрони през тънка електрическа бариера в материала. Теорията изглеждаше правдоподобна, но предсказваше, че в изправителя токът трябва да тече от оксида към медта, въпреки че в действителност всичко беше обратното.
Така, въпреки всички пробиви на Уилсън, полупроводниците оставаха трудни за обяснение. Както постепенно стана ясно, микроскопичните промени в кристалната структура и концентрацията на примеси несъразмерно силно влияеха на макроскопичното им електрическо поведение. Игнорирайки отсъствието на разбиране – тъй като никой не можеше да обясни експерименталните наблюдения, направени от Браун 60 години преди това – Братейн и Бекер разработиха ефективен производствен процес на медно-оксидни изправители за своя работодател. Bell System бързо започна да заменя изправителите на електронни лампи в цялата система с ново устройство, което техните инженери нарекоха , тъй като съпротивлението му се променяше в зависимост от посоката.
Златен медал
Мервин Кели, физик и бивш директор на департамента за електронни лампи на Лабораториите Бел, прояви голям интерес към това постижение. През последните десетилетия електронните лампи предоставиха на Бел безценна услуга и можеха да изпълняват функции, недостъпни за предишното поколение механични и електромеханични компоненти. Но те силно се нагряваха, редовно прегряваха, консумираха много енергия и бяха сложни за поддръжка. Кели планираше да преустрои системата на Бел с базата на по-надеждни и устойчиви твърдотелни електронни компоненти, като варистори, на които не бяха необходими херметични корпуси, запълнени с газ, нито нагрети нишки. През 1936 година той стана ръководител на изследователския отдел на Лабораториите Бел и започна да пренасочва организацията към нов път.
След като получи твърдотелен изправител, следващата очевидна стъпка беше да се създаде твърдотелен усилвател. Естествено, подобно устройство, както и ламповият усилвател, можеше да работи и като цифров превключвател. Това особено интересуваше фирмата Бел, тъй като в телефонните комутатори все още работеше огромно количество електромеханични цифрови превключватели. Компанията търсеше по-надеждно, компактно, енергийно ефективно и хладно решение за смяна на електронната лампа в телефонните системи, радиоприемниците, радарите и другото аналогово оборудване, където те се използваха за усилване на слаби сигнали до ниво, достъпно за човешкото ухо.
През 1936 година Лабораториите Бел най-накрая отмениха забраната за назначаване на персонал, въведена по време на . Кели веднага започна да наема експерти по квантова механика, за да му помогнат в стартирането на неговата програма за изследвания в областта на твърдотелните устройства, сред които беше и , още един изтъкнат учен от Западното крайбрежие, от Пало Алто (Калифорния). Темата на неговата скорошно завършена дисертация в MIT перфектно отговаряше на нуждите на Кели: „Електронни зони в натриевия хлорид“.
Братейн и Беккер през това време продължаваха своите изследвания на правещия на оксид на мед, стремейки се да получат подобрен твърдотелен усилвател. Най-очевидният начин да го направят беше да следват аналогията с електронната лампа. По същия начин, по който Ли де Форест взе лампов 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 оксида на мед, където се предполагаше, че се извършва правенето. Въпреки това, поради малката дебелина на слоя, те счели, че това е невъзможно, и не успели в това.
В същото време други разработки показали, че Лабораториите Белла не са единствената компания, която се интересува от твърдотелна електроника. През 1938 година Рудолф Хилш и Роберт Пол публикуваха резултатите от експерименти, проведени в Университета на Гьотинген, върху работещ твърдотелен усилвател, създаден чрез внедряване на мрежа в кристал на бромид на калия. Практическата стойност на това лабораторно устройство не била значителна – главно, защото работило на честота не по-висока от 1 Hz. И все пак това постижение не могло да не зарадва всички, интересуващи се от твърдотелна електроника. В същата година Кели определил Шокли в нова независима група изследвания на твърдотелни устройства и му предоставил с колегите му – Фостър Никс и Дийн Вулридж – свобода за изучаване на техните възможности.
Най-малко още двама изобретатели успели да създадат твърдотелни усилватели преди Втората световна война. През 1922 година съветският физик и изобретател публикува резултатите от успешни експерименти с цинктови полупроводници, но работите му останали незабелязани от западната общност; през 1926 година американският изобретател Джулиус Лиленфилд подал заявка за патент на твърдотелен усилвател, но няма доказателства за работоспособността на неговото изобретение.
Първото основно осъзнаване на Шокли на новата му позиция се случи по време на четенето на работата на британския физик Невил Мот "Теория на кристалните изправители" от 1938 година, където най-накрая беше обяснен принципът на работа на изправителя Грондал на медния оксид. Мот използва математика на квантовата механика, за да опише образуването на електрическо поле на границата между проводящия метал и полупроводниковия оксид и как електроните "преп跳ват" през тази електрическа бариера, вместо да тунелират, както бе предложил Уилсън. Токът тече по-лесно от метала към полупроводника, отколкото обратното, тъй като металът разполага с много повече свободни електрони.
Това доведе Шокли до същата идея, която Братейн и Бекер отхвърлиха много години преди това – да изработят твърдотелен усилвател, като поставят мрежа от меден оксид в промеждутъка между медта и медния оксид. Той се надяваше, че токът, преминаващ през мрежата, ще увеличи бариерата, ограничаваща тока от медта към оксида, създавайки инвертирана, усилена версия на сигнала на мрежата. Първоначалният му опит за този проект напълно се провали, затова се обърна към човек с по-изтънчени лабораторни умения и добре запознат с изправителите – Уолтър Братейн. И въпреки че той нямаше съмнения относно изхода, Братейн се съгласи да задоволи любопитството на Шокли и създаде по-сложна версия на "мрежовия" усилвател. Тя също не заработи.
След това войната се намеси, оставяйки новата изследователска програма на Кели в хаос. Кели застана начело на работна група по радарите в Лабораториите Бел, работеща с подкрепата на главния радарен изследователски център на САЩ в MIT. Братейн не остана дълго при него, след което се премества за изследвания на магнитното откритие на подводници по поръчка на военноморския флот. Вулридж работеше по системи за управление на огъня, Никс – по дифузия на газове за Манхетънския проект, а Шокли се захвана с оперативни изследвания, първоначално занимавайки се с борба с подводниците в Атлантическия океан, а после и със стратегически бомбардировки в Тихия океан.
Но, въпреки това вмешателство, войната не спря развитието на твърдотелната електроника. Напротив, тя организира масивно вливание на ресурси в тази област и доведе до концентрация на изследвания върху два материала: германий и силиций.
Какво още да прочетете
Ернест Бруан и Стюарт МаКдоналд, Революция в Миниатюрата (1978)
Фридрих Курило и Чарлс Саскинд, Фердинанд Браун (1981)
Г. Л. Пиърсън и У. Х. Братейн, "История на изследванията на полупроводниците," Proceedings of the IRE (декември 1955).
Michael Riordan и Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
Източник: habr.com
