Další články ze série:
- Historie relé
- Historie elektronických počítačů
- Historie tranzistoru
- historie internetu
Cesta k polovodičovým přepínačům byla dlouhá a obtížná. Začalo to zjištěním, že určité materiály se v přítomnosti elektřiny chovají podivně – ne tak, jak předpovídaly tehdejší teorie. Následoval příběh o tom, jak se technologie ve 20. století stala stále vědeckou a institucionální disciplínou. Amatéři, nováčci a profesionální vynálezci prakticky bez vědeckého vzdělání významně přispěli k rozvoji telegrafu, telefonie a rádia. Ale jak uvidíme, téměř všechny pokroky v historii polovodičové elektroniky přišly od vědců, kteří studovali na univerzitách (a obvykle mají doktorát z fyziky) a pracovali na univerzitách nebo v podnikových výzkumných laboratořích.
Sestavit relé z drátů, kovu a dřeva může každý, kdo má přístup do dílny a základní dovednosti v oblasti materiálů. Vytvoření vakuových trubic vyžaduje specializovanější nástroje, které dokážou vytvořit skleněnou baňku a pumpovat z ní vzduch. Polovodičová zařízení zmizela v králičí noře, ze které se digitální spínač nikdy nevrátil, a nořila se stále hlouběji do světů srozumitelných pouze abstraktní matematice a dostupných pouze s pomocí šíleně drahého vybavení.
Galenit
V roce 1874 , 24letý fyzik ze St. Tomáše v Lipsku publikoval první z mnoha významných vědeckých prací ve své dlouhé kariéře. Článek „O průchodu elektrických proudů sulfidy kovů“ byl přijat v Pogendorff's Annalen, prestižním časopise věnovaném fyzikálním vědám. Navzdory nudnému názvu Brownův článek popsal některé překvapivé a matoucí experimentální výsledky.
Ferdinand Brown
Brown se díky své práci začal zajímat o sulfidy – minerální krystaly složené ze sloučenin síry s kovy. . Již v roce 1833 Michael Faraday poznamenal, že vodivost sulfidu stříbrného roste s teplotou, což je přesně opak chování kovových vodičů. Hittorf sestavil důkladnou kvantitativní zprávu o měřeních tohoto efektu v 1850. letech XNUMX. století pro sulfidy stříbra i mědi. Nyní Brown pomocí chytrého experimentálního zařízení, které přitlačil kovový drát na krystal sulfidu pomocí pružiny, aby zajistil dobrý kontakt, objevil něco ještě podivnějšího. Vodivost krystalů závisela na směru – proud mohl například dobře téct jedním směrem, ale při přepólování baterie mohl proud náhle prudce klesnout. Krystaly se v jednom směru chovaly spíše jako vodiče (jako normální kovy) a v jiném spíše jako izolátory (jako sklo nebo guma). Tato vlastnost se stala známou jako rektifikace kvůli její schopnosti narovnat „zvlněný“ střídavý proud na „plochý“ stejnosměrný proud.
Přibližně ve stejné době výzkumníci objevili další podivné vlastnosti materiálů, jako je selen, který lze tavit z určitých kovových sulfidových rud. Při vystavení světlu selen zvýšil vodivost a dokonce začal vyrábět elektřinu a mohl být také použit pro rektifikaci. Bylo tam nějaké spojení s krystaly sulfidu? Bez teoretických modelů, které by vysvětlily, co se děje, bylo pole ve stavu zmatku.
Nedostatek teorie však nezastavil pokusy o praktické uplatnění výsledků. Koncem 1890. let XNUMX. století se Brown stal profesorem na Univerzitě ve Štrasburku – nedávno připojené k Francii během r. a přejmenována na Univerzitu císaře Viléma. Tam byl vtažen do vzrušujícího nového světa radiotelegrafie. Souhlasil s návrhem skupiny podnikatelů na společné vytvoření bezdrátového komunikačního systému založeného na přenosu rádiových vln vodou. On a jeho komplicové však brzy opustili původní myšlenku ve prospěch vzdušné signalizace, kterou používali Marconi a další.
Mezi aspekty rádia, které se Brownova skupina snažila vylepšit, byl tehdejší standardní přijímač, . Vycházel ze skutečnosti, že rádiové vlny způsobily shlukování kovových pilin, což umožnilo průchod proudu z baterie do signalizačního zařízení. Fungovalo to, ale systém reagoval jen na poměrně silné signály a k rozbití hroudy pilin vyžadoval neustálé narážení do zařízení. Brown si vzpomněl na své staré experimenty se sulfidovými krystaly a v roce 1899 znovu vytvořil své staré experimentální uspořádání s novým účelem - sloužit jako detektor bezdrátových signálů. Použil rektifikační efekt k přeměně malého oscilačního proudu generovaného průchodem rádiových vln na stejnosměrný proud, který by mohl napájet malý reproduktor, který produkoval slyšitelné cvaknutí pro každou tečku nebo čárku. Toto zařízení se později stalo známým jako „"kvůli vzhledu drátu, který se snadno dotýkal horní části krystalu. V Britské Indii (kde se dnes nachází Bangladéš) sestrojil vědec a vynálezce Jagadish Bose podobné zařízení, možná již v roce 1894. Jiní brzy začali vyrábět podobné detektory na bázi křemíku a karborundu (karbidu křemíku).
Nicméně, to , sulfid olovnatý, který se od starověku taví na výrobu olova, se stal materiálem volby pro krystalové detektory. Byly snadno vyrobitelné a levné, a díky tomu se staly neuvěřitelně populární mezi ranou generací radioamatérů. Navíc, na rozdíl od binárního kohereru (s pilinami, které se buď shlukly, nebo ne), mohl krystalický usměrňovač reprodukovat spojitý signál. Proto mohl produkovat hlas a hudbu slyšitelnou uchem, a nejen morseovku s tečkami a čárkami.
Detektor kočičích vousů na bázi galenitu. Malý kousek drátu nalevo je vous a kousek stříbřitého materiálu na dně je krystal galenitu.
Jak však frustrovaní radioamatéři brzy zjistili, nalezení magického bodu na povrchu krystalu, který by poskytl dobrou nápravu, může trvat minuty nebo dokonce hodiny. A signály bez zesílení byly slabé a měly kovový zvuk. Ve dvacátých letech minulého století byly elektronkové přijímače s triodovými zesilovači prakticky všude zastaralé. Jejich jedinou přitažlivou vlastností byla jejich levnost.
Toto krátké vystoupení v rádiové aréně se zdálo být limitem praktické aplikace podivných elektrických vlastností materiálu objeveného Brownem a dalšími.
Oxid měďnatý
Pak ve dvacátých letech minulého století jiný fyzik jménem Lars Grondahl objevil něco zvláštního se svým experimentálním nastavením. Grondahl, první z řady chytrých a neklidných mužů v historii amerického západu, byl synem stavebního inženýra. Jeho otec, který emigroval z Norska v roce 1920, pracoval několik desetiletí na železnicích v Kalifornii, Oregonu a Washingtonu. Zpočátku se zdálo, že Grondahl je odhodlaný opustit svět inženýrství svého otce a jít k Johnsovi Hopkinsovi pro doktorát z fyziky, aby se vydal na akademickou dráhu. Pak se ale zapojil do železničního byznysu a zaujal pozici ředitele výzkumu v Union Switch and Signal, divizi průmyslového gigantu. , která dodávala zařízení pro železniční průmysl.
Různé zdroje uvádějí protichůdné důvody Grondahlovy motivace k jeho výzkumu, ale ať je to jak chce, začal experimentovat s měděnými disky zahřívanými na jedné straně, aby vytvořil zoxidovanou vrstvu. Při práci s nimi si všiml asymetrie proudu – odpor v jednom směru byl třikrát větší než ve druhém. Disk mědi a oxidu mědi usměrnil proud, stejně jako krystal sulfidu.
Usměrňovací obvod oxidu mědi
Grondahl strávil dalších šest let vývojem komerčního usměrňovače připraveného k použití založeného na tomto jevu, přičemž si na pomoc přizval dalšího amerického výzkumníka Paula Geigera, než podal patentovou přihlášku a v roce 1926 oznámil svůj objev Americké fyzikální společnosti. se okamžitě stal komerčním hitem. Díky absenci křehkých vláken byl mnohem spolehlivější než elektronkový usměrňovač na principu Flemingova ventilu a jeho výroba byla levnější. Na rozdíl od krystalů hnědého usměrňovače fungoval na první pokus a díky větší kontaktní ploše mezi kovem a oxidem pracoval s větším rozsahem proudů a napětí. Mohl by nabíjet baterie, detekovat signály v různých elektrických systémech a fungovat jako bezpečnostní bočník ve výkonných generátorech. Při použití jako fotobuňka mohly disky fungovat jako expozimetry a byly užitečné zejména při fotografování. Jiní výzkumníci ve stejné době vyvinuli selenové usměrňovače, které našly podobné aplikace.
Sada usměrňovačů na bázi oxidu mědi. Sestava několika disků zvýšila zpětný odpor, což umožnilo jejich použití s vysokým napětím.
O několik let později dva fyzici Bellových laboratoří, Joseph Becker a , se rozhodli studovat princip fungování měděného usměrňovače – zajímalo je, jak funguje a jak by se dal použít v Bell System.
Brattain ve stáří - cca. 1950
Brattain pocházel ze stejné oblasti jako Grondal, na severozápadě Pacifiku, kde vyrůstal na farmě pár kilometrů od kanadských hranic. Na střední škole se začal zajímat o fyziku, projevoval vlohy v oboru a nakonec koncem 1920. let získal doktorát na University of Minnesota a v roce 1929 přijal místo v Bellových laboratořích. Mimo jiné na univerzitě studoval nejnovější teoretická fyzika, která si v Evropě získávala na popularitě a známá jako kvantová mechanika (její kurátorem byl , který byl také mentorem Johna Atanasoffa).
Kvantová revoluce
Nová teoretická platforma se za poslední tři desetiletí pomalu vyvinula a časem bude schopna vysvětlit všechny podivné jevy, které byly léta pozorovány u materiálů, jako je galenit, selen a oxid mědi. Celá kohorta převážně mladých fyziků, především z Německa a sousedních zemí, způsobila kvantovou revoluci ve fyzice. Všude, kam se podívali, nenacházeli hladký a nepřetržitý svět, který je učili, ale podivné, diskrétní hrudky.
Všechno to začalo v 1890. letech XNUMX. století. Max Planck, slavný profesor na univerzitě v Berlíně, se rozhodl pracovat se známým nevyřešeným problémem: jak „„(ideální látka, která pohltí veškerou energii a neodrazí ji) vyzařuje záření v elektromagnetickém spektru? Byly vyzkoušeny různé modely, z nichž žádný neodpovídal experimentálním výsledkům – selhaly buď na jednom konci spektra, nebo na druhém. Planck objevil, že pokud předpokládáme, že těleso vyzařuje energii v malých „balících“ diskrétních veličin, můžeme sepsat jednoduchý zákon vztahu mezi frekvencí a energií, který dokonale odpovídá empirickým výsledkům.
Brzy poté Einstein zjistil, že totéž se děje s absorpcí světla (první náznak fotonů) a J. J. Thomson ukázal, že elektřinu také nenese spojitá tekutina nebo vlna, ale diskrétní částice – elektrony. Niels Bohr poté vytvořil model, který vysvětluje, jak excitované atomy vyzařují záření, přiřazováním elektronů jednotlivým drahám v atomu, z nichž každý má svou vlastní energii. Tento název je však zavádějící, protože se vůbec nechovají jako dráhy planet – v Bohrově modelu elektrony okamžitě přeskočily z jedné dráhy, neboli energetické hladiny, na druhou, aniž by prošly přechodným stavem. Nakonec ve dvacátých letech 1920. století Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Born a další vytvořili zobecněnou matematickou platformu známou jako kvantová mechanika, která zahrnuje všechny speciální kvantové modely, které byly vytvořeny během předchozích dvaceti let.
V té době už byli fyzici přesvědčeni, že materiály jako selen a galenit, které vykazují fotovoltaické a usměrňovací vlastnosti, patří do samostatné třídy materiálů, kterou nazývali polovodiče. Klasifikace trvala tak dlouho z několika důvodů. Za prvé, samotné kategorie „vodiče“ a „izolátory“ byly poměrně široké. T.N. „vodiče“ se nesmírně lišily ve vodivosti a totéž (v menší míře) platilo o izolantech a nebylo zřejmé, jak lze kterýkoli konkrétní vodič zařadit do kterékoli z těchto tříd. Navíc až do poloviny 20. století nebylo možné získat nebo vytvořit velmi čisté látky a jakékoli zvláštnosti ve vodivosti přírodních materiálů bylo vždy možné připsat kontaminaci.
Fyzikové nyní měli jak matematické nástroje kvantové mechaniky, tak novou třídu materiálů, na které je bylo možné aplikovat. britský teoretik byl první, kdo to všechno dal dohromady a vytvořil obecný model polovodičů a jejich fungování v roce 1931.
Wilson nejprve tvrdil, že vodivé materiály se liší od dielektrik ve stavu svých energetických pásem. Kvantová mechanika tvrdí, že elektrony mohou existovat v omezeném počtu energetických hladin nalezených v obalech nebo orbitalech jednotlivých atomů. Pokud tyto atomy stlačíte dohromady ve struktuře materiálu, bylo by správnější si představit spojité energetické zóny, které jím procházejí. Ve vodičích ve vysokoenergetických pásmech jsou prázdná místa a elektrické pole tam může volně pohybovat elektrony. V izolantech jsou zóny zaplněné a do vyšší, vodivé zóny, přes kterou se elektřina pohybuje snáze, je to docela dlouhé stoupání.
To ho vedlo k závěru, že nečistoty – cizí atomy ve struktuře materiálu – musí přispívat k jeho polovodičovým vlastnostem. Mohou buď dodávat elektrony navíc, které snadno uniknou do vodivého pásu, nebo díry – nedostatek elektronů vzhledem ke zbytku materiálu – což vytváří prázdné energetické prostory, kde se mohou volné elektrony pohybovat. První možnost byla později nazývána polovodiče typu n (neboli elektronické) kvůli nadměrnému zápornému náboji a druhá - polovodiče typu p nebo díry kvůli nadměrnému kladnému náboji.
Nakonec Wilson navrhl, že usměrnění proudu polovodičem by mohlo být vysvětleno v kvantových kvantových termínech. , náhlý skok elektronů přes tenkou elektrickou bariéru v materiálu. Teorie se zdála věrohodná, ale předpovídala, že v usměrňovači by měl proud téct z oxidu do mědi, i když ve skutečnosti to bylo naopak.
Navzdory všem Wilsonovým průlomům bylo tedy polovodiče obtížné vysvětlit. Jak se postupně ukázalo, mikroskopické změny v krystalové struktuře a koncentrace nečistot neúměrně ovlivnily jejich makroskopické elektrické chování. Brattain a Becker ignorovali nedostatek porozumění - protože nikdo nedokázal vysvětlit experimentální pozorování provedená Brownem před 60 lety - pro svého zaměstnavatele vyvinuli účinný výrobní proces pro usměrňovače na bázi oxidu mědi. Bell System rychle začal nahrazovat elektronkové usměrňovače v celém systému novým zařízením, které jejich inženýři nazvali , protože jeho odpor se měnil v závislosti na směru.
Zlatá medaile
Mervyn Kelly, fyzik a bývalý vedoucí oddělení elektronek Bell Labs, se o tento vývoj začal velmi zajímat. V průběhu několika desetiletí poskytovaly elektronky Bellu neocenitelné služby a byly schopny plnit funkce, které předchozí generace mechanických a elektromechanických součástek neumožňovaly. Ale byly horké, pravidelně se přehřívaly, spotřebovávaly hodně energie a bylo obtížné je udržovat. Kelly zamýšlel přestavět Bellův systém se spolehlivějšími a odolnějšími elektronickými součástkami v pevné fázi, jako jsou varistory, které nevyžadují utěsněné, plynem naplněné nebo prázdné pouzdra nebo horká vlákna. V roce 1936 se stal vedoucím výzkumného oddělení Bell Labs a začal přesměrovávat organizaci na novou cestu.
Po získání polovodičového usměrňovače bylo dalším zřejmým krokem vytvoření polovodičového zesilovače. Přirozeně, jako elektronkový zesilovač, by takové zařízení mohlo fungovat také jako digitální spínač. To bylo pro Bellovu společnost obzvláště zajímavé, protože telefonní spínače stále používaly velké množství elektromechanických digitálních spínačů. Společnost hledala spolehlivější, menší, energeticky účinnější a chladnější náhradu elektronek v telefonních systémech, rádiích, radarech a dalších analogových zařízeních, kde byly použity k zesílení slabých signálů na úroveň, kterou lidské ucho slyší.
V roce 1936 Bell Laboratories konečně zrušily zmrazení náborů, které bylo zavedeno během . Kelly okamžitě začal najímat odborníky na kvantovou mechaniku, aby pomohli spustit jeho výzkumný program v pevné fázi, včetně , další rodák ze západního pobřeží, z Palo Alto v Kalifornii. Téma jeho nedávné disertační práce na MIT dokonale vyhovovalo Kellyho potřebám: "Elektronová pásma v chloridu sodném."
Brattain a Becker během této doby pokračovali ve výzkumu usměrňovače na bázi oxidu mědi a hledali vylepšený polovodičový zesilovač. Nejviditelnějším způsobem, jak to udělat, bylo následovat analogii s vakuovou trubicí. Stejně jako Lee de Forest vzal lampový zesilovač a mezi katodu a anodu a Brattain s Beckerem si představovali, jak by se dala vložit síťka na spoj mědi a oxidu mědi, kde mělo dojít k usměrnění. Vzhledem k malé tloušťce vrstvy však zjistili, že to není možné, a nebyli v tom úspěšní.
Mezitím další vývoj ukázal, že Bell Labs nebyla jedinou společností, která se zajímala o elektroniku v pevné fázi. V roce 1938 publikovali Rudolf Hilsch a Robert Pohl výsledky experimentů provedených na univerzitě v Göttingenu na funkčním zesilovači v pevné fázi vytvořeném zavedením mřížky do krystalu bromidu draselného. Toto laboratorní zařízení nemělo žádnou praktickou hodnotu, hlavně proto, že pracovalo na frekvenci nepřesahující 1 Hz. A přesto tento úspěch nemohl potěšit všechny zájemce o polovodičovou elektroniku. Téhož roku Kelly přidělil Shockleyho do nové nezávislé výzkumné skupiny polovodičových zařízení a dal jemu a jeho kolegům Fosteru Nixovi a Deanu Woolridgeovi volnou ruku, aby prozkoumali jejich schopnosti.
Nejméně dvěma dalším vynálezcům se podařilo vytvořit polovodičové zesilovače před druhou světovou válkou. V roce 1922 sovětský fyzik a vynálezce publikoval výsledky úspěšných experimentů se zincitovými polovodiči, ale jeho práce zůstala bez povšimnutí západní komunity; V roce 1926 požádal americký vynálezce Julius Lillenfield o patent na polovodičový zesilovač, ale neexistuje žádný důkaz, že jeho vynález fungoval.
Shockleyho první zásadní vhled do jeho nové pozice nastal při čtení práce britského fyzika Nevilla Motha z roku 1938 The Theory of Crystalline Rectifiers, která konečně vysvětlila princip činnosti Grondahlova usměrňovače oxidu mědi. Mott použil matematiku kvantové mechaniky k popisu vzniku elektrického pole na křižovatce vodivého kovu a polovodivého oxidu a jak elektrony "přeskakují" přes tuto elektrickou bariéru, spíše než tunelování, jak navrhoval Wilson. Proud teče snadněji z kovu do polovodiče než naopak, protože kov má mnohem více volných elektronů.
To vedlo Shockleyho k přesně stejné myšlence, kterou Brattain a Becker před lety zvažovali a odmítli – vyrobit zesilovač v pevné fázi vložením sítě z oxidu mědi mezi měď a oxid mědi. Doufal, že proud protékající mřížkou zvýší bariéru omezující tok proudu z mědi do oxidu a vytvoří tak obrácenou, zesílenou verzi signálu na mřížce. Jeho první hrubý pokus zcela selhal, a tak se obrátil na muže s vytříbenějšími laboratorními dovednostmi a obeznámenostmi s usměrňovači: Waltera Brattaina. A i když o výsledku neměl žádné pochybnosti, Brattain souhlasil, že uspokojí Shockleyho zvědavost, a vytvořil složitější verzi „mřížkového“ zesilovače. Odmítla také pracovat.
Pak zasáhla válka a Kellyho nový výzkumný program zůstal v nepořádku. Kelly se stal vedoucím radarové pracovní skupiny v Bell Labs, podporované hlavním americkým radarovým výzkumným střediskem na MIT. Brattain pro něj krátce pracoval a poté přešel k výzkumu magnetické detekce ponorek pro námořnictvo. Woolridge pracoval na systémech řízení palby, Nix pracoval na difúzi plynu pro projekt Manhattan a Shockley se pustil do operačního výzkumu, nejprve pracoval na protiponorkové válce v Atlantiku a poté na strategickém bombardování v Pacifiku.
Ale i přes tento zásah válka vývoj polovodičové elektroniky nezastavila. Naopak to zorganizovalo masivní infuzi zdrojů do pole a vedlo ke koncentraci výzkumu na dva materiály: germanium a křemík.
Co jiného číst
Ernest Bruan a Stuart MacDonald, Revoluce v miniaturách (1978)
Friedrich Kurylo a Charles Susskind, Ferdinand Braun (1981)
G. L. Pearson a W. H. Brattain, „History of Semiconductor Research“, Proceedings of IRE (prosinec 1955).
Michael Riordan a Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
Zdroj: www.habr.com