🥇Историята на транзистора: опипвайки пътя си в тъмното

Други статии от поредицата:

Пътят към полупроводниковите превключватели беше дълъг и труден. Започва с откритието, че някои материали се държат странно в присъствието на електричество - не както предричат съществуващите тогава теории. Това, което последва, беше история за това как технологията става все по-научна и институционална дисциплина през XNUMX век. Сериозен принос за развитието на телеграфа, телефонията и радиото имаха любители, начинаещи и професионални изобретатели практически без научно образование. Но, както ще видим, почти всички постижения в историята на електрониката в твърдо състояние идват от учени, които са учили в университети (и обикновено имат докторска степен по физика) и са работили в университети или корпоративни изследователски лаборатории.

Всеки с достъп до работилница и основни умения за материали може да сглоби реле от жици, метал и дърво. Създаването на вакуумни тръби изисква по-специализирани инструменти, които могат да създадат стъклена крушка и да изпомпват въздуха от нея. Устройствата в твърдо състояние изчезнаха в заешка дупка, от която цифровият превключвател никога не се върна, потапяйки се все по-дълбоко в светове, разбираеми само за абстрактната математика и достъпни само с помощта на безумно скъпо оборудване.

Галена

В 1874 година Фердинанд Браун, 24-годишен физик от Св. Томас в Лайпциг, публикува първия от много важни научни трудове в дългата си кариера. Статията „За преминаването на електрически токове през метални сулфиди“ беше приета в Pogendorff's Annalen, престижно списание, посветено на физическите науки. Въпреки скучното заглавие, статията на Браун описва някои изненадващи и озадачаващи експериментални резултати.

Фердинанд Браун

Браун се заинтригува от сулфидите - минерални кристали, съставени от серни съединения с метали - чрез работата си Йохан Вилхелм Хиторф. Още през 1833 г. Майкъл Фарадей отбелязва, че проводимостта на сребърния сулфид се увеличава с температурата, което е точно обратното на поведението на металните проводници. Hittorf състави подробен количествен доклад за измерванията на този ефект през 1850 г., както за сребърни, така и за медни сулфиди. Сега Браун, използвайки умна експериментална настройка, която притиска метална тел към сулфиден кристал с пружина, за да осигури добър контакт, откри нещо още по-странно. Проводимостта на кристалите зависеше от посоката - например токът можеше да тече добре в една посока, но когато полярността на батерията беше обърната, токът можеше внезапно да спадне рязко. Кристалите действат повече като проводници в една посока (като нормалните метали) и по-скоро като изолатори в друга (като стъкло или гума). Това свойство стана известно като изправяне поради способността му да изправя "нагънат" променлив ток в "плосък" постоянен ток.

Приблизително по същото време изследователите откриха други странни свойства на материали като селен, които могат да бъдат претопени от някои метални сулфидни руди. Когато е изложен на светлина, селенът увеличава проводимостта и дори започва да генерира електричество и може да се използва и за коригиране. Имаше ли някаква връзка със сулфидните кристали? Без теоретични модели, които да обяснят какво се случва, полето беше в състояние на объркване.

Липсата на теория обаче не спира опитите за практическо приложение на резултатите. В края на 1890 г. Браун става професор в университета в Страсбург - наскоро анексиран от Франция по време на Френско-пруска война и преименуван на университета Кайзер Вилхелм. Там той беше всмукан от вълнуващия нов свят на радиотелеграфията. Той се съгласи с предложението на група предприемачи за съвместно създаване на безжична комуникационна система, базирана на предаване на радиовълни през водата. Въпреки това, той и неговите съучастници скоро се отказаха от първоначалната идея в полза на въздушно сигнализиране, което беше използвано от Маркони и други.

Сред аспектите на радиото, които групата на Браун искаше да подобри, беше тогавашният стандартен приемник, кохерер. Той се основава на факта, че радиовълните причиняват слепване на метални стърготини, което позволява на тока от батерията да премине към сигналното устройство. Работеше, но системата реагираше само на сравнително силни сигнали и изискваше постоянно удряне на устройството, за да разбие буца дървени стърготини. Браун си спомня старите си експерименти със сулфидни кристали и през 1899 г. пресъздава старата си експериментална постановка с нова цел - да служи като детектор за безжични сигнали. Той използва ефекта на коригиране, за да преобразува малкия осцилиращ ток, генериран от преминаването на радиовълни, в постоянен ток, който може да захранва малък високоговорител, който произвежда звуково щракване за всяка точка или тире. Това устройство по-късно стана известно като "детектор за котешки мустаци"поради появата на жицата, която лесно докосваше върха на кристала. В Британска Индия (където днес се намира Бангладеш), учен и изобретател Джагадиш Босе построи подобно устройство, вероятно още през 1894 г. Други скоро започнаха да правят подобни детектори на базата на силиций и карборунд (силициев карбид).

Въпреки това е така галенит, оловен сулфид, който е бил топен за производство на олово от древни времена, се е превърнал в избран материал за кристални детектори. Те бяха лесни за правене и евтини и в резултат на това станаха невероятно популярни сред ранното поколение радиолюбители. Освен това, за разлика от двоичния кохерер (с дървени стърготини, които или са се слепили заедно, или не), кристалният токоизправител може да възпроизведе непрекъснат сигнал. Следователно той можеше да произведе глас и музика, чуваеми за ухото, а не само морзовата азбука с нейните точки и тирета.

Детектор за котешки мустаци на базата на галенит. Малкото парче тел вляво е мустакът, а парчето сребрист материал на дъното е кристалът галенит.

Въпреки това, както разочарованите радиолюбители скоро откриха, може да отнеме минути или дори часове, за да се намери магическата точка на повърхността на кристала, която би дала добро коригиране. И сигналите без усилване бяха слаби и с метален звук. До 1920-те години на миналия век приемниците с вакуумни тръби с триодни усилватели на практика направиха кристалните детектори остарели почти навсякъде. Единствената им привлекателна черта беше тяхната евтиност.

Тази кратка поява на радио арената изглежда беше границата на практическото приложение на странните електрически свойства на материала, открити от Браун и други.

Меден оксид

След това през 1920-те години на миналия век друг физик на име Ларс Грондал открива нещо странно с експерименталната си постановка. Грондал, първият от поредица умни и неспокойни мъже в историята на американския Запад, беше син на строителен инженер. Баща му, който емигрира от Норвегия през 1880 г., работи няколко десетилетия по железопътните линии в Калифорния, Орегон и Вашингтон. Първоначално Грондал изглеждаше решен да изостави света на инженерството на баща си и да отиде в Джон Хопкинс за докторска степен по физика, за да продължи академична пътека. Но след това се включва в железопътния бизнес и заема позиция като директор на изследванията в Union Switch and Signal, подразделение на индустриалния гигант. Westinghouse, която доставя оборудване за железопътната индустрия.

Различни източници посочват противоречиви причини за мотивацията на Grondahl за неговото изследване, но както и да е, той започва да експериментира с медни дискове, нагрети от едната страна, за да създаде окислен слой. Докато работи с тях, той забелязва асиметрията на тока - съпротивлението в едната посока е три пъти по-голямо, отколкото в другата. Диск от мед и меден оксид коригира тока, точно като сулфиден кристал.

Токоизправителна верига с меден оксид

Grondahl прекарва следващите шест години в разработване на готов за употреба търговски токоизправител, базиран на този феномен, привличайки помощта на друг американски изследовател, Пол Гайгер, преди да подаде заявка за патент и да обяви откритието си на Американското физическо общество през 1926 г. Устройството веднага се превърна в комерсиален хит. Поради липсата на крехки нишки, той беше много по-надежден от токоизправителя с вакуумна тръба, базиран на принципа на вентила на Флеминг, и беше по-евтин за производство. За разлика от токоизправителните кристали на Браун, той работи от първия опит и поради по-голямата контактна площ между метала и оксида, работи с по-голям диапазон от токове и напрежения. Може да зарежда батерии, да открива сигнали в различни електрически системи и да действа като предпазен шунт в мощни генератори. Когато се използват като фотоклетки, дисковете могат да действат като светломери и са особено полезни във фотографията. Други изследователи по същото време разработиха селенови токоизправители, които намериха подобни приложения.

Пакет токоизправители на базата на меден оксид. Монтажът от няколко диска увеличи обратното съпротивление, което направи възможно използването им с високо напрежение.

Няколко години по-късно двама физици от Bell Labs, Джоузеф Бекер и Уолтър Братейн, решиха да проучат принципа на работа на меден токоизправител - те се интересуваха да научат как работи и как може да се използва в Bell System.

Братейн в напреднала възраст - ок. 1950 г

Братейн беше от същата област като Грондал, в северозападната част на Тихия океан, където израсна във ферма на няколко километра от границата с Канада. В гимназията той се интересува от физика, показвайки способности в тази област и в крайна сметка получава докторска степен от Университета на Минесота в края на 1920 г. и поема работа в Bell Laboratories през 1929 г. Освен всичко друго, в университета той учи най-новата теоретична физика, която набираше популярност в Европа и известна като квантова механика (неин куратор беше Джон Хасбрук Ван Влек, който също е ментор на Джон Атанасов).

Квантова революция

Нова теоретична платформа бавно се разви през последните три десетилетия и своевременно ще може да обясни всички странни явления, които се наблюдават от години в материали като галенит, селен и меден оксид. Цяла кохорта от предимно млади физици, предимно от Германия и съседните страни, предизвика квантова революция във физиката. Накъдето и да погледнеха, откриваха не гладкия и непрекъснат свят, на който бяха учени, а странни, отделни бучки.

Всичко започва през 1890 г. Макс Планк, известен професор в Берлинския университет, реши да работи с добре познат нерешен проблем: как „абсолютно черно тяло„(идеално вещество, което абсорбира цялата енергия и не я отразява) излъчва радиация в електромагнитния спектър? Бяха изпробвани различни модели, нито един от които не отговаряше на експерименталните резултати - те се провалиха или в единия, или в другия край на спектъра. Планк откри, че ако приемем, че енергията се излъчва от тяло в малки „пакети“ от дискретни количества, тогава можем да напишем прост закон за връзката между честота и енергия, който напълно съответства на емпиричните резултати.

Скоро след това Айнщайн открива, че същото се случва с поглъщането на светлина (първият намек за фотони), а J. J. Thomson показва, че електричеството също се пренася не от непрекъсната течност или вълна, а от дискретни частици - електрони. След това Нилс Бор създава модел, за да обясни как възбудените атоми излъчват радиация, като присвоява електрони на отделни орбити в атома, всяка със собствена енергия. Това име обаче е подвеждащо, защото те изобщо не се държат като орбитите на планетите - в модела на Бор електроните моментално прескачат от една орбита, или енергийно ниво, на друго, без да преминават през междинно състояние. И накрая, през 1920-те години на миналия век Ервин Шрьодингер, Вернер Хайзенберг, Макс Борн и други създават обобщена математическа платформа, известна като квантова механика, включваща всички специални квантови модели, създадени през последните двадесет години.

По това време физиците вече са били уверени, че материали като селен и галенит, които проявяват фотоволтаични и коригиращи свойства, принадлежат към отделен клас материали, които те наричат полупроводници. Класификацията отне толкова време поради няколко причини. Първо, самите категории „проводници“ и „изолатори“ бяха доста широки. Т.Н. „проводниците“ варират изключително много по проводимост и същото (в по-малка степен) важи и за изолаторите и не е очевидно как всеки конкретен проводник може да бъде класифициран в някой от тези класове. Освен това до средата на XNUMX-ти век беше невъзможно да се получат или създадат много чисти вещества и всякакви странности в проводимостта на естествените материали винаги можеха да бъдат приписани на замърсяване.

Сега физиците разполагаха както с математическите инструменти на квантовата механика, така и с нов клас материали, към които те можеха да бъдат приложени. британски теоретик Алън Уилсън беше първият, който събра всичко това и изгради общ модел на полупроводници и как работят през 1931 г.

Първоначално Уилсън твърди, че проводимите материали се различават от диелектриците по състоянието на техните енергийни ленти. Квантовата механика заявява, че електроните могат да съществуват в ограничен брой енергийни нива, открити в обвивките или орбиталите на отделните атоми. Ако стиснете тези атоми заедно в структурата на даден материал, би било по-правилно да си представите непрекъснати енергийни зони, преминаващи през него. В проводниците във високоенергийни ленти има празни пространства и електрическото поле може свободно да движи електрони там. В изолаторите зоните са запълнени и е доста дълго изкачване, за да се стигне до по-високата проводяща зона, през която е по-лесно за преминаване на електричеството.

Това го доведе до заключението, че примесите - чужди атоми в структурата на материала - трябва да допринасят за неговите полупроводникови свойства. Те могат или да доставят допълнителни електрони, които лесно излизат в зоната на проводимост, или дупки - липса на електрони спрямо останалата част от материала - което създава празни енергийни пространства, където свободните електрони могат да се движат. Първият вариант по-късно е наречен n-тип (или електронни) полупроводници поради излишния отрицателен заряд, а вторият - p-тип или дупкови полупроводници поради излишния положителен заряд.

И накрая, Уилсън предложи текущата ректификация от полупроводници да се обясни в квантово квантови термини. тунелен ефект, внезапният скок на електрони през тънка електрическа бариера в материал. Теорията изглеждаше правдоподобна, но предвиждаше, че в токоизправителя токът трябва да тече от оксида към медта, въпреки че в действителност беше обратното.

И така, въпреки всички открития на Уилсън, полупроводниците остават трудни за обяснение. Тъй като постепенно стана ясно, микроскопичните промени в кристалната структура и концентрацията на примеси повлияха непропорционално на тяхното макроскопично електрическо поведение. Пренебрегвайки липсата на разбиране - тъй като никой не можеше да обясни експерименталните наблюдения, направени от Браун преди 60 години - Братейн и Бекер разработиха ефективен производствен процес за токоизправители с меден оксид за своя работодател. Системата Bell бързо започна да заменя токоизправителите с вакуумни тръби в цялата система с ново устройство, което техните инженери нарекоха варистор, тъй като съпротивлението му варира в зависимост от посоката.

златен медал

Мервин Кели, физик и бивш ръководител на отдела за вакуумни тръби на Bell Labs, много се заинтересува от това развитие. В продължение на няколко десетилетия вакуумните тръби предоставиха на Bell безценна услуга и успяха да изпълняват функции, които не бяха възможни с предишното поколение механични и електромеханични компоненти. Но те работеха горещи, редовно прегряваха, консумираха много енергия и бяха трудни за поддръжка. Кели възнамеряваше да възстанови системата на Bell с по-надеждни и издръжливи електронни компоненти в твърдо състояние, като варистори, които не изискваха запечатани, пълни с газ или празни кутии или горещи нишки. През 1936 г. той става ръководител на изследователския отдел на Bell Labs и започва да пренасочва организацията по нов път.

След получаване на твърдотелен токоизправител, следващата очевидна стъпка беше създаването на твърдотелен усилвател. Естествено, подобно на ламповия усилвател, такова устройство може да работи и като цифров превключвател. Това беше от особен интерес за компанията на Бел, тъй като телефонните превключватели все още използват огромен брой електромеханични цифрови превключватели. Компанията търсеше по-надежден, по-малък, енергийно ефективен и по-хладен заместител на вакуумната тръба в телефонни системи, радиостанции, радари и друго аналогово оборудване, където те се използват за усилване на слаби сигнали до нива, които човешкото ухо може да чуе.

През 1936 г. Bell Laboratories най-накрая отмени замразяването на наемането, наложено по време Великата депресия. Кели незабавно започна да набира експерти по квантова механика, за да помогне за стартирането на неговата изследователска програма за твърдо състояние, включително Уилям Шокли, друг роден на Западния бряг, от Пало Алто, Калифорния. Темата на неотдавнашната му дисертация в MIT беше идеално подходяща за нуждите на Кели: „Електронни ленти в натриев хлорид“.

Brattain и Becker продължиха изследванията си върху токоизправителя с меден оксид през това време, търсейки подобрен усилвател в твърдо състояние. Най-очевидният начин да го направите беше да следвате аналогията с вакуумна тръба. Точно както Лий де Форест взе лампов усилвател и постави електрическа мрежа между катода и анода и Братейн и Бекер си представиха как може да се вмъкне мрежа на кръстовището на мед и меден оксид, където трябваше да се случи ректификация. Въпреки това, поради малката дебелина на слоя, те намериха невъзможно да направят това и не успяха.

Междувременно други разработки показаха, че Bell Labs не е единствената компания, която се интересува от електроника в твърдо състояние. През 1938 г. Рудолф Хилш и Робърт Пол публикуват резултатите от експерименти, проведени в университета в Гьотинген върху работещ усилвател в твърдо състояние, създаден чрез въвеждане на решетка в кристал от калиев бромид. Това лабораторно устройство нямаше практическа стойност, главно защото работеше на честота не повече от 1 Hz. И все пак това постижение не можеше да не зарадва всички, които се интересуват от твърдотелна електроника. Същата година Кели назначава Шокли в нова независима изследователска група за твърдотелни устройства и дава на него и колегите му Фостър Никс и Дийн Уулридж карт бланш да проучат техните възможности.

Най-малко двама други изобретатели са успели да създадат твърдотелни усилватели преди Втората световна война. През 1922 г. съветски физик и изобретател Олег Владимирович Лосев публикува резултатите от успешни експерименти с цинкови полупроводници, но работата му остава незабелязана от западната общност; През 1926 г. американският изобретател Джулиус Лиленфийлд кандидатства за патент за усилвател в твърдо състояние, но няма доказателства, че изобретението му е проработило.

Първото голямо прозрение на Шокли в новата му позиция се случва, докато чете работата на британския физик Невил Мот от 1938 г., Теорията на кристалните токоизправители, която най-накрая обяснява принципа на работа на токоизправителя с меден оксид Grondahl. Мот използва математиката на квантовата механика, за да опише образуването на електрическо поле на кръстовището на проводящ метал и полупроводников оксид и как електроните "прескачат" тази електрическа бариера, вместо да тунелират, както предлага Уилсън. Токът протича по-лесно от метала към полупроводника, отколкото обратното, тъй като металът има много повече свободни електрони.

Това доведе Шокли до абсолютно същата идея, която Братейн и Бекер бяха обмислили и отхвърлили години преди това - създаване на усилвател в твърдо състояние чрез вмъкване на мрежа от меден оксид между медта и медния оксид. Той се надяваше, че токът, протичащ през мрежата, ще увеличи бариерата, ограничаваща протичането на ток от медта към оксида, създавайки обърната, усилена версия на сигнала в мрежата. Първият му груб опит се провали напълно, така че той се обърна към човек с по-изтънчени лабораторни умения и запознат с токоизправителите: Уолтър Братейн. И въпреки че не се съмняваше в резултата, Братейн се съгласи да задоволи любопитството на Шокли и създаде по-сложна версия на „решетъчния“ усилвател. Тя също отказа да работи.

Тогава се намеси войната, оставяйки новата изследователска програма на Кели в безпорядък. Кели стана ръководител на радарната работна група в Bell Labs, подкрепена от главния радарен изследователски център на САЩ в MIT. Братейн работи за него за кратко и след това се насочва към изследване на магнитното откриване на подводници за флота. Уулридж работи върху системи за контрол на огъня, Никс работи върху дифузия на газ за проекта Манхатън, а Шокли се занимава с оперативни изследвания, като първо работи върху борбата с подводници в Атлантическия океан, а след това върху стратегическите бомбардировки в Тихия океан.

Но въпреки тази намеса войната не спира развитието на електрониката в твърдо състояние. Напротив, той организира огромно вливане на ресурси в областта и доведе до концентрация на изследвания върху два материала: германий и силиций.

Какво друго да чета

Ърнест Бруан и Стюарт Макдоналд, Революция в миниатюра (1978)

Фридрих Курило и Чарлз Зюскинд, Фердинанд Браун (1981)

G. L. Pearson и W. H. Brattain, „История на изследванията на полупроводниците“, Proceedings of the IRE (декември 1955 г.).

Майкъл Риърдън и Лилиан Ходесън, Кристален огън (1997)

Източник: www.habr.com

Историята на транзистора: опипвайки пътя си в тъмното

Галена

Меден оксид

Квантова революция

златен медал

Какво друго да чета

Добавяне на нов коментар Отказване на отговора

Добавяне на нов коментар