Další články cyklu:
- Historie relé
- Historie elektronických počítačů
- Historie tranzistoru
- Historie internetu
Cesta k polovodičovým spínačům byla dlouhá a složitá. Začala odhalením, že určité materiály se zvláštně chovají v přítomnosti elektřiny – ne tak, jak by tehdejší teorie předpovídaly. Následovala historie o tom, jak se technologie ve 20. století stala stále více vědeckou a institucionální disciplínou. Amatéři, nováčci a profesionální vynálezci, kteří prakticky neměli žádné vědecké vzdělání, výrazně přispívali k vzniku telegrafie, telefonie a rádia. Ale, jak uvidíme, téměř všechna pokroky v historii polovodičové elektroniky se staly díky vědcům, kteří studovali na univerzitách (a obvykle měli titul Ph.D. z fyziky), a pracovali na univerzitách nebo v korporátních výzkumných laboratořích.
Kdokoli s přístupem do dílny a s základními dovednostmi práce s materiály může sestavit relé z drátů, kovu a dřeva. Na výrobu elektronických lamp jsou potřeba specializovanější nástroje, schopné vytvořit skleněnou baňku a odsát z ní vzduch. Polovodičová zařízení však vklouzla do králičí nory, ze které digitální spínač nikdy nevyšel, a ponořila se hlouběji do světů, které byly srozumitelné pouze abstraktní matematice a přístupné pouze pomocí šíleně drahého vybavení.
Galénit
V roce 1874 , 24letý fyzik z Thomasschule v Lipsku, publikoval první z mnoha významných vědeckých prací ve své dlouhé kariéře. Práci „O průchodu elektrických proudů přes sulfidy kovů“ přijali do časopisu Pogendorff’s Annalen, prestižního časopisu zaměřeného na fyzikální vědy. Přes nudný název práce popisovala několik úžasných a záhadných experimentálních výsledků.
Ferdinand Braun
Braunovy sulfidy – minerální krystaly složené z kyseliny sírové a kovů – jej zaujaly díky pracím . Již v roce 1833 Michael Faraday poznamenal, že vodivost sírníku stříbrného se zvyšuje s teplotou, což je zcela opačné chování než u kovových vodičů. Gittorf vypracoval důkladnou kvantitativní zprávu o měřeních tohoto efektu v 50. letech 19. století, pro sírníky jak stříbra, tak mědi. Nyní Brown, používající důmyslné experimentální zařízení, které přitahovalo kovový vodič k sírníkovému krystalu pružinou, aby zajistil dobrý kontakt, objevil něco ještě podivnějšího. Vodivost krystalů závisela na směru – například proud mohl dobře protékat jedním směrem, ale při otočení polarity baterie mohl proud náhle výrazně klesnout. Krystaly v jednom směru pracovaly více jako vodiče (jak běžné kovy), zatímco v jiném – více jako izolátory (jak sklo nebo guma). Tento jev se stal známým jako usměrnění, díky schopnosti usměrňovat „zatočený“ střídavý proud a přeměňovat ho na „plochý“ stejnosměrný.
Přibližně ve stejné době objevili vědci i další podivné vlastnosti těchto materiálů, jako například selen, který bylo možné vyrobit z některých sírníkových rud kovů. Pod vlivem světla selen zvyšoval vodivost a dokonce začal generovat elektrický proud, a také se dal použít k usměrňování. Byla zde nějaká souvislost s krystaly sírníků? Bez teoretických modelů schopných vysvětlit, co se děje, panoval v této oblasti zmatek.
Nicméně nedostatek teorie nezastavil snahy o praktické využití výsledků. Na konci 90. let 19. století se Brown stal profesorem na Univerzitě ve Štrasburku – nedávno anektované Francii během a přejmenované na Kaiserovu univerzitu Wilhelma. Tam ho vtáhl vzrušující nový svět radiotelegrafie. Přijal nabídku skupiny podnikatelů na společné vytvoření bezdrátového komunikačního systému založeného na přenosu rádiových vln skrze vodu. Nicméně oni a jeho společníci brzy opustili původní myšlenku ve prospěch vzdušného přenosu signálů, který používal Marconi a další.
Mezi aspekty rádia, které skupina Browna usilovala vylepšit, byl v té době standardní přijímač, . Ten byl založen na skutečnosti, že rádiové vlny způsobily, že se kovové piliny shlukovaly do hromádky, což umožnilo proudu z baterie procházet k signálnímu zařízení. Fungovalo to, ale systém reagoval pouze na relativně silné signály, a k rozbití hromádky pilin bylo třeba neustále udeřit do zařízení. Brown si vzpomněl na své staré experimenty s krystaly sulfidů a v roce 1899 znovu vytvořil své staré experimentální zařízení s novým cílem – sloužit jako detektor bezdrátových signálů. Jeho usměrňovací efekt využil k převodu drobného oscilujícího proudu, který byl generován procházejícími rádiovými vlnami, na stejnosměrný proud, který mohl napájet malý reproduktor vydávající slyšitelné cvaknutí pro každou tečku nebo čárku. Toto zařízení se později stalo známým pod názvem "" kvůli vzhledu drátku, který se snadno dotýkal vrcholku krystalu. V Britské Indii (kde se dnes nachází Bangladéš) vědec a vynálezce Džagadiš Bose postavil podobné zařízení, možná již v roce 1894. Ostatní brzy začali vyrábět podobné detektory na bázi křemene a karborundum (karbidu křemíku).
Nicméně právě , sulfid olova, který se od starověku taví k získání olova, se stal preferovaným materiálem pro krystalové detektory. Byly snadno vyrobitelné a levné, a proto se staly nesmírně populární mezi ranými generacemi amatérských radiových nadšenců. Navíc, na rozdíl od binárního kohereru (s pilinami, které byly buď shlukovány, nebo ne), krystalový usměrňovač mohl reprodukovat nepřetržitý signál. To mu umožnilo vydávat slyšitelný přenos hlasu a hudby, a to nejen Morseovu abecedu s jejími tečkami a čárkami.
Detektor "kočičí vous" na bázi galenitu. Malý úsek drátu vlevo – to je vous, a kousek stříbrného materiálu dole – krystal galenitu.
Nicméně, jak brzy zjistili rozčarovaní rádioví nadšenci, nalezení kouzelného bodu na povrchu krystalu, který by poskytoval dobré usměrnění, mohlo trvat minuty nebo dokonce hodiny. A signály bez zesílení byly slabé a měly kovový nádech. K 20. létům 20. století prakticky vytlačily přijímače na elektronických lampách s triodovými zesilovači krystalové detektory téměř všude. Jejich atraktivní vlastností zůstávala pouze nízká cena.
Toto krátké vystoupení na scéně rádiových přijímačů se zdálo být vrcholem praktického využití podivných elektrických vlastností materiálu, které objevil Brown a další.
Oxid mědi
Pak v 20. letech 20. století objevil jiný fyzik jménem Lars Grondal něco zvláštního pomocí svého experimentálního zařízení. Grondal, první z řady inteligentních a nespokojených mužů v historii amerického Západu, byl synem stavebního inženýra. Jeho otec, který emigroval z Norska v roce 1880, pracoval několik desetiletí na železnicích v Kalifornii, Oregonu a Washingtonu. Zpočátku se Grondal zdál rozhodnutý opustit inženýrský svět svého otce a zamířil na Johns Hopkinsovu univerzitu, aby získal doktorát z fyziky a šel akademickou cestou. Ale pak se také zapojil do železničního byznysu a nastoupil na pozici ředitele pro výzkum ve společnosti Union Switch and Signal, dceřiné společnosti průmyslového giganta , která dodávala vybavení pro železniční průmysl.
V různých zdrojích se uvádějí protichůdné důvody, které motivovaly Grondala ke jeho výzkumům, ale ať už to bylo jakkoli, začal experimentovat s měděnými disky, které byly z jedné strany zahřívány za účelem vytvoření oxidovaného vrstvy. Při práci s nimi si všiml asymetrie proudu – odpor v jednom směru byl třikrát vyšší než v druhém. Disk z mědi a oxidu mědi usměrňoval proud, stejně jako krystal sulfidu.
Schéma usměrňovače z oxidu mědi
V příštích šesti letech vyvinul Grondahl na základě tohoto jevu komerčně použitelný usměrňovač, přičemž si vyžádal pomoc dalšího badatele z USA, Paula Geigera, a poté podal žádost o patent a oznámil svůj objev na Americkém fyzikálním sdružení v roce 1926. Přístroj se okamžitě stal komerčním hitem. Díky absenci křehkých vodičů byl mnohem spolehlivější než usměrňovač na elektronických lampách založený na principu ventilů od Fleminga a byl levný na výrobu. Na rozdíl od braunovských krystalových usměrňovačů fungoval při první pokusu, a díky větší kontaktní ploše kovu a oxidu pracoval v širším rozsahu proudů a napětí. Mohl nabíjet akumulátory, detekovat signály v různých elektrických systémech a fungovat jako bezpečnostní bypass ve výkonných generátorech. Při použití jako fotoprvku mohly disky fungovat jako měřiče světla a byly obzvláště užitečné ve fotografii. Další vědci přibližně ve stejnou dobu vyvinuli usměrňovače ze selenu, které našly podobné způsoby použití.
Balíček usměrňovačů na bázi měděného oxidu. Sestavení vícera disků zvyšovalo zpětný odpor, což umožnilo jejich použití při vysokém napětí.
O několik let později se dva fyzici z Bellových laboratoří, Joseph Becker a , rozhodli prozkoumat princip fungování měděného usměrňovače – zajímalo je, jak funguje a jak ho lze využít ve společnosti Bell System.
Brattain ve stáří – kolem roku 1950
Brattain pocházel ze stejných míst jako Grondahl, z Tichomořského severozápadu, kde vyrostl na farmě vzdálené několik kilometrů od kanadské hranice. V posledních ročnících střední školy se začal zajímat o fyziku, projevoval v této oblasti nadání, a nakonec získal doktorát na Minnesotské univerzitě koncem 20. let, a nastoupil do práce v Bellových laboratořích v roce 1929. Mimo jiné na univerzitě studoval novou teoretickou fyziku, která nabírala na popularitě v Evropě, a známou jako kvantová mechanika (jeho školitelem byl , který také vedl Johna Atanasova).
Kvantová revoluce
Nová teoretická platforma se v posledních třech desetiletích vyvíjela pomalu a jednou bude schopna vysvětlit všechny podivné jevy, které byly mnohokrát pozorovány v materiálech, jako je galenit, selen a oxid mědi. Celá skupina převážně mladých fyziků, převážně z Německa a sousedních zemí, vyvolala kvantový zvrat ve fyzice. Kdekoli se podívali, objevovali nikoli hladký a spojitý svět, kterému je učili, ale zvláštní diskrétní kuličky.
Vše začalo v 90. letech 19. století. Max Planck, nejznámější profesor Berlínské univerzity, se rozhodl pracovat na známém nevyřešeném problému: jakým způsobem "" (ideální substance, která pohlcuje veškerou energii a neodráží ji) vyzařuje záření v elektromagnetickém spektru? Byly vyzkoušeny různé modely, z nichž žádný neodpovídal experimentálním výsledkům – selhávaly buď na jednom, nebo na druhém konci spektra. Planck zjistil, že pokud předpokládáme, že energie je vyzařována tělesem v malých „balíčcích“ diskrétní velikosti, můžeme napsat jednoduchý zákon vztahu mezi frekvencí a energií, který dokonale odpovídá empirickým výsledkům.
Krátce poté Einstein zjistil, že totéž platí i pro absorpci světla (první náznak fotonů), a J. J. Thomson ukázal, že elektrický proud také přenášíno jako souvislou tekutinu nebo vlnu, ale diskrétními částicemi – elektrony. Poté Niels Bohr vytvořil model, který vysvětloval, jak excitované atomy vyzařují záření, přidělujíc elektronům jednotlivé dráhy v atomu, z nichž každá má svou energii. Toto pojmenování však může být zavádějící, protože se chovají zdaleka ne jako dráhy planet – v Bohrém modelu elektrony okamžitě přecházely z jedné dráhy neboli energetické hladiny na druhou, aniž by procházely mezistavem. A nakonec v 20. letech 20. století vytvořili Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Born a další obšírnou matematickou platformu známou jako kvantová mechanika, která zahrnovala všechny zvláštní kvantové modely, jež byly vytvořeny v předchozích dvaceti letech.
V tuto dobu již fyzici byli přesvědčeni, že materiály jako selen a galenit, které vykazují fotovoltaické a usměrňovací vlastnosti, patří do samostatné třídy materiálů, kterou nazvali polovodiče. Klasifikace zabrala tolik času z několika důvodů. Za prvé, samotné kategorie 'vodivé' a 'izolační' byly dost široké. Takzvaní 'vodiví' se výrazně lišili v elektrické vodivosti, totéž (v menší míře) platilo i pro izolanty, a nebylo jasné, jakým způsobem by mohl být nějaký konkrétní vodič zařazen do kterékoliv z těchto tříd. Navíc až do poloviny 20. století bylo nemožné získat nebo vytvořit velmi čisté látky, a jakékoli zvláštnosti v elektrické vodivosti přírodních materiálů bylo možné vždy přičíst znečištění.
Nyní fyzici měli jak matematické nástroje kvantové mechaniky, tak nový typ materiálů, na které je mohli aplikovat. Britský teoretik jako první všechno toto spojil dohromady a v roce 1931 vytvořil obecný model polovodičů a princip jejich fungování.
Zpočátku Wilson tvrdil, že vodivé materiály se od dielektrik liší stavem energetických pásů. Kvantová mechanika říká, že elektrony mohou existovat na omezeném počtu energetických úrovní, které patří obalům, nebo orbitalům jednotlivých atomů. Pokud se tyto atomy stlačí dohromady ve struktuře nějakého materiálu, bylo by přesnější si představovat nepřetržité energetické pásy, procházející jím napříč. V vodičích jsou v oblastích s vysokou energií volná místa, a elektrické pole může volně přesouvat elektrony do těchto míst. U izolantů jsou pásy zaplněné, a do vyšší vodivé zóny, po které električnost snadněji putuje, je nutné se dostat poměrně daleko.
To vedlo k jeho závěru, že příměsi – cizí atomy ve struktuře materiálu – musí přispívat k jeho polovodičovým vlastnostem. Mohou buď dodávat nadbytečné elektrony, které snadno přecházejí do vodivostní zóny, nebo díry – nedostatek elektronů v porovnání s ostatním materiálem – což vytváří prázdná energetická místa, do kterých se mohou pohybovat volné elektrony. První varianta byla později nazvána polovodičemi n-typu (nebo elektronickými) – kvůli nadbytečnému zápornému náboji, zatímco druhé – p-typu, nebo dírkovými – kvůli nadbytečnému kladnému náboji.
Nakonec Wilson navrhl, že usměrnění proudu polovodiči lze vysvětlit v termínech kvantového , náhlého skoku elektronů přes tenkou elektrickou bariéru v materiálu. Teorie se zdála být pravděpodobná, avšak předpovídala, že v usměrňovači by měl proud téct od oxidu k mědi, přičemž ve skutečnosti to bylo naopak.
Tak, navzdory všem průlomům Wilsona, polovodiče zůstávaly složité k vysvětlení. Jak postupně vyšlo najevo, mikroskopické změny krystalové struktury a koncentrace příměsí nesouměrně silně ovlivnily jejich makroskopické elektrické chování. Přes nedostatek porozumění – protože nikdo nikdy nedokázal vysvětlit experimentální pozorování, které učinil Brown před 60 lety – Brattain a Becker vyvinuli efektivní výrobní proces měď-oxidových usměrňovačů pro svého zaměstnavatele. Bell System rychle začalo nahrazovat usměrňovače na elektronových lampách po celé síti novým zařízením, které jejich inženýři nazvali , protože jeho odpor se měnil v závislosti na směru.
Zlatá medaile
Mervin Kelly, fyzik a bývalý vedoucí oddělení elektronických lamp Laboratoří Bell, se tímto úspěchem velmi zaujal. Během několika desítek let elektronické lampy poskytly Bellu neocenitelné služby a dokázaly vykonávat funkce, které nebyly dostupné předchozímu generaci mechanických a elektromechanických komponentů. Ale hodně se přehřívaly, pravidelně docházelo k přehřátí, spotřebovávaly hodně energie a byly složité na údržbu. Kelly plánoval přestavět systém Bellu na základě spolehlivějších a odolnějších pevnostních elektronických komponentů, jako je varistor, který nevyžadoval ani hermetické, plynem plněné ani prázdné pouzdra, ani žhavé vlákna. V roce 1936 se stal vedoucím výzkumného oddělení Laboratoří Bell a začal organizaci směřovat na novou cestu.
Když získali polovodičový usměrňovač, dalším očividným krokem bylo vytvoření polovodičového zesilovače. Je přirozené, že by toto zařízení mohlo fungovat jako digitální spínač, stejně jako lampový zesilovač. To Bellovu firmu obzvlášť zajímalo, protože stále fungovalo obrovské množství elektromechanických digitálních spínačů v telefonních ústřednách. Společnost hledala spolehlivější, kompaktnější, energeticky efektivnější a chladnější náhradu elektronické lampy v telefonních systémech, rádiových přijímačích, radarech a jiném analogovém vybavení, kde byly použity k zesílení slabých signálů na úroveň dostupnou lidskému uchu.
V roce 1936 Laboratoře Bell konečně zrušily zákaz najímání zaměstnanců, který byl zaveden během . Kelly okamžitě začal najímat odborníky na kvantovou mechaniku, aby mu pomohli spustit jeho program výzkumu polovodičových zařízení, mezi nimi byl i , další rodák ze západního pobřeží, z Palo Alta (Kalifornie). Tema jeho nedávno vypracované disertace na MIT se jak nejlépe hodila k potřebám Kellyho: „Elektronové zóny v chloridu sodném“.
Brachtin a Becker v té době pokračovali ve svých výzkumech usměrňovače na oxidu mědi, snažíc se vytvořit vylepšený polovodičový zesilovač. Nejjasnější způsob, jak ho vyrobit, byla analogie s elektronkovou lampou. Přesně tak, jak Lee de Forest vzal lampový zesilovač a mezi katodou a anodou, tak Brachtin s Beckerem představili, jak by bylo možné vložit mřížku na místo kontaktu mědi a oxidu mědi, kde se podle předpokladů mělo docházet k usměrnění. Kvůli malé tloušťce vrstvy však považovali tento postup za nemožný a v tomto ohledu neuspěli.
Mezitím jiné výzkumy ukázaly, že Bell Laboratories nebyly jedinou společností, která se zajímala o polovodičovou elektroniku. V roce 1938 Rudolf Hilsh a Robert Paul publikovali výsledky experimentů prováděných na Univerzitě v Göttingenu nad funkčním polovodičovým zesilovačem, vytvořeným pomocí vložení mřížky do krystalu bromidu draselného. Praktická hodnota tohoto laboratorního zařízení byla minimální – především protože pracovalo na frekvenci ne vyšší než 1 Hz. A přesto toto dosažení potěšilo všechny, kteří se zajímali o polovodičovou elektroniku. Téhož roku Kelle uvěřil Shockleyho do nové nezávislé skupiny výzkumu polovodičových zařízení a dal mu s kolegy – Fosterem Nixem a Deanem Woolridgeem – volnou ruku pro zkoumání jejich možností.
Nejméně dva další vynálezci dokázali vytvořit polovodičové zesilovače před druhou světovou válkou. V roce 1922 ruský fyzik a vynálezce publikoval výsledky úspěšných experimentů se zinkovými polovodiči, ale jeho práce zůstaly nepovšimnuty západním společenstvím; v roce 1926 americký vynálezce Julius Lilienfeld podal žádost o patent na polovodičový zesilovač, ale neexistují žádné důkazy o funkčnosti jeho vynálezu.
První důležité osvětlení pro Shockleyho na nové pozici nastalo během čtení práce britského fyzika Neville Motta „Teorie krystalických usměrňovačů“ z roku 1938, kde byl konečně vysvětlen princip fungování Grondalova usměrňovače na oxidě mědi. Mott použil matematiku kvantové mechaniky k popisu vytváření elektrického pole na rozhraní vodivého kovu a polovodičového oxidu a toho, jak elektrony „přeskočí“ přes tuto elektrickou bariéru, místo aby tunelovaly, jak předpokládal Wilson. Proud teče snadněji od kovu k polovodiči než naopak, protože kov má mnohem více volných elektronů.
To vedlo Shockleyho k zcela stejné myšlence, kterou Brattain a Becker zamítli před mnoha lety – vyrobit polovodičový zesilovač vložením mřížky z oxidu mědi do mezery mezi mědí a oxidy mědi. Doufal, že proud tekoucí mřížkou zvýší barieru bránící proudu procházejícímu od mědi k oxidu, a vytvoří inverzní, zesílenou verzi signálu na mřížce. Jeho první hrubý pokus zcela selhal, proto se obrátil na člověka s rafinovanějšími laboratorními dovednostmi a dobře obeznámeného s usměrňovači – Waltera Brattaina. A i když neměl žádné pochybnosti o výsledku, Brattain souhlasil, že uspokojí Shockleyho zvědavost, a vytvořil složitější verzi „mřížkového“ zesilovače. Ta také odmítla fungovat.
Pak zasáhla válka, která zanechala novou výzkumnou program Kellyho v chaosu. Kelly se stal vedoucím pracovní skupiny pro radary v Bellových laboratořích, která pracovala za podpory hlavního radarového výzkumného centra USA na MIT. Brattain u něj pracoval krátce, pak přešel na výzkum magnetického detekování ponorek na zakázku vojenského námořnictva. Woolridge pracoval na systémech řízení palby, Nix na difuzi plynů pro Manhattan Project a Shockley odešel do operačního výzkumu, kde se nejprve zabýval bojem proti ponorkám v Atlantiku a poté strategickými bombardováními v Tichém oceánu.
Ale i přes tento zásah válka nezastavila rozvoj polovodičové elektroniky. Naopak, vedla k masivnímu proudění zdrojů do této oblasti a ke koncentraci výzkumu na dvou materiálech: germanium a křemík.
Co si ještě přečíst
Ernest Bruan a Stuart MacDonald, Revoluce v miniatuře (1978)
Friedrich Kurylo a Charles Susskind, Ferdinand Braun (1981)
G. L. Pearson a W. H. Brattain, “Historie výzkumu polovodičů,” Proceedings of the IRE (prosinec 1955).
Michael Riordan a Lillian Hoddeson, Krystalový oheň (1997)
Zdroj: habr.com
