Andre artikler i cyklen:
- Historien om relæet
- Historien om elektroniske computere
- Historien om transistoren
- Internettets historie
Vejen til faststofswitches har været lang og kompleks. Den startede med opdagelsen af, at visse materialer opfører sig mærkeligt i nærvær af elektricitet – ikke som de eksisterende teorier på daværende tidspunkt havde forudsagt. Herefter fulgte historien om, hvordan teknologien i det 20. århundrede blev en stadig mere videnskabelig og institutionel disciplin. Dilettanter, nybegyndere og professionelle opfindere uden nogen egentlig videnskabelig uddannelse bidrog betydeligt til udviklingen af telegrafi, telefoni og radio. Men, som vi vil se, skete næsten alle fremskridt i faststofelektronikens historie takket være videnskabsfolk, der blev uddannet på universiteter (og som ofte havde en doktorgrad i fysik) og arbejdede ved universiteter eller korporative forskningslaboratorier.
Enhver med adgang til et værksted og grundlæggende færdigheder i arbejdet med materialer kan samle et relæ af ledninger, metal og træ. At lave elektroniske rør kræver mere specialiserede værktøjer, der kan fremstille en glaskolbe og pumpe luft ud af den. Faststof-enheder forsvandt dog ned i et kaninhul, som den digitale switch aldrig kom tilbage fra, og dykker dybere ind i verdener forstået kun af abstrakt matematik og kun tilgængelige ved hjælp af vanvittigt dyrt udstyr.
Galena
I 1874 , en 24-årig fysiker fra St. Thomas-skolen i Leipzig, offentliggjorde det første af mange vigtige videnskabelige værker i sin lange karriere. Værket "Om gennemgang af elektriske strømme gennem metal-sulfider" blev accepteret i tidsskriftet Pogendorff’s Annalen, et prestigefyldt tidsskrift dedikeret til de fysiske videnskaber. På trods af den kedelige titel beskrev Brauns arbejde flere bemærkelsesværdige og mystiske eksperimentelle resultater.
Ferdinand Braun
Braun blev fascineret af sulfider – mineralske krystaller bestående af forbindelser af svovl med metaller – takket være arbejdet . Allerede i 1833 bemærkede Michael Faraday, at ledningsevnen af sølvsulfid øges med temperaturen, hvilket er fuldstændig modsatte af metalledere. Gittorf udarbejdede en grundig kvantitativ rapport om målinger af denne effekt i 1850'erne for sulfiderne af både sølv og kobber. Nu opdagede Brown, ved at bruge et snedigt eksperimentelt setup, der pressede en metaltråd mod krystallen af sulfider med en fjeder for at sikre god kontakt, noget endnu mere mærkeligt. Ledningsevnen af krystallerne afhængte af retningen – for eksempel kunne strømmen flyde godt i én retning, men ved ændring af polariteten af batteriet kunne strømmen pludselig falde drastisk. Krystallerne fungerede i én retning mere som ledere (som normale metaller) og i den anden mere som isolatorer (som glas eller gummi). Denne egenskab blev kendt som ensretning på grund af dens evne til at ensrette den 'snoede' vekselstrøm til 'flad' jævnstrøm.
Omtrent på samme tid opdagede forskere også andre mærkelige egenskaber ved materialer som selen, som kunne udvindes fra visse sulfidrøder. Under påvirkning af lys øgede selen sin ledningsevne og begyndte endda at generere elektricitet, og det kunne også bruges til ensretning. Var der en forbindelse mellem krystallerne af sulfider? Uden teoretiske modeller, der kunne forklare, hvad der skete, herskede der forvirring på dette område.
Men fraværet af teori stoppede ikke forsøget på praktisk anvendelse af resultaterne. I slutningen af 1890'erne blev Brown professor ved universitetet i Strasbourg – nyligt annekteret fra Frankrig under og omdøbt til Kaiser Wilhelm Universitet. Her blev han opslugt af den fascinerende nye verden af radiotelegrafi. Han svarede ja til et forslag fra en gruppe iværksættere om at skabe et trådløst kommunikationssystem baseret på transmission af radiobølger gennem vand. Men snart opgav de sammen med deres medskyldige den oprindelige idé til fordel for luftoverførsel af signaler, som Marconi og andre brugte.
Bland de aspekter af radioen, som Brown-gruppen stræbte efter at forbedre, var den standardmodtager, der var gældende på det tidspunkt, . Den byggede på den kendsgerning, at radiobølger fik metalspåner til at samle sig i en klump, hvilket gjorde det muligt for strømmen fra batteriet at passere til signalenheden. Dette fungerede, men systemet reagerede kun på relativt stærke signaler, og det krævede konstant at blive slået på for at bryde klumpen af spåner. Brown huskede sine gamle eksperimenter med sulfidkrystaller, og i 1899 genskabte han sit gamle eksperimentelle setup med det nye mål at fungere som detektor for trådløse signaler. Han brugte rektifikationseffekten til at konvertere den lille, svingende strøm, der blev genereret af de passerende radiobølger, til en jævnstrøm, der kunne drive en lille højttaler, som gav hørbare klik for hvert punkt eller bindestreg. Denne enhed blev senere kendt som "" på grund af udseendet af den lille ledning, der nemt kunne røre toppen af krystallet. I Britisk Indien (hvor Bangladesh ligger i dag) byggede videnskabsmanden og opfinderen Jagadish Bose en lignende enhed, muligvis allerede i 1894. Andre begyndte hurtigt at lave lignende detektorer baseret på silicium og karborund.
Men det var faktisk , blysulfid, som er blevet smeltet til at få bly siden oldtiden, der blev det foretrukne materiale til krystallinske detektorer. De var enkle at fremstille og billige, og blev derfor ekstremt populære blandt de tidlige radioentusiaster. Desuden, i modsætning til den binære kogerer (med spåner, der enten blev samlet i en klump eller ikke), kunne den krystallinske rektifikator reproducere et kontinuerligt signal. Derfor kunne den levere hørbare overførsler af stemmer og musik, ikke kun Morse-kode med dens punkter og bindestreger.
Kattevipper detektoren baseret på galenit. Det lille stykke ledning til venstre er vipperne, og stykket af det sølvagtige materiale nedenunder er galenitkrystallen.
Men som hurtigt blev opdaget af frustrerede radioentusiaster, kunne jagten på det magiske punkt på krystalens overflade, der kunne give en god ensretning, tage minutter eller endda timer. Og signalerne uden forstærkning var svage og havde en metallisk klang. I 1920'erne gjorde modtagere med elektroniske lamper og triode-forstærkere krystaldetektorer næsten overflødige overalt. Deres tiltrækningskraft var kun det faktum, at de var billige.
Denne korte optræden på arenaen af radiomodtagere syntes at være grænsen for den praktiske anvendelse af de mærkelige elektriske egenskaber, som materialet havde, opdaget af Braun og andre.
Kobberoxid
Derefter i 1920'erne opdagede en anden fysiker ved navn Lars Grøndahl noget underligt ved hjælp af sit eksperimentelle udstyr. Grøndahl, den første i rækken af kloge og rastløse mænd fra den amerikanske vesthistorie, var søn af en bygningsingeniør. Hans far, der var immigreret fra Norge i 1880'erne, arbejdede i flere årtier på jernbaner i Californien, Oregon og Washington. Først virkede det som om Grøndahl havde besluttet at lægge sin far's ingeniørverden bag sig og gik på Johns Hopkins Universitet for at tage en doktorgrad i fysik for at følge en akademisk karriere. Men derefter blev han også involveret i jernbaneindustrien og fik stillingen som forskningsdirektør for Union Switch and Signal, et datterselskab af industrielt kæmpe , som leverede udstyr til jernbaneindustrien.
Forskellige kilder angiver modstridende årsager til, hvad der motiverede Grøndahl til hans forskning, men hvordan som helst begyndte han at eksperimentere med kobberplader, der blev opvarmet på den ene side for at skabe et oxideret lag. Mens han arbejdede med dem, bemærkede han asymmetrien i strømmen – modstanden i den ene retning var tre gange højere end i den anden. Pladen af kobber og kobberoxid ensrettede strømmen, ligesom et sulfidkrystal.
Kobberoxid ensretter
I løbet af de næste seks år udviklede Grondahl en kommerciel ensretter, der var klar til brug, baseret på dette fænomen, med hjælp fra en anden forsker fra USA, Paul Geiger, og sendte derefter en patentansøgning og offentliggjorde sin opdagelse i det amerikanske fysiske selskab i 1926. Enheden blev straks en kommerciel succes. Takket være fraværet af skrøbelige tråde var den betydeligt mere pålidelig end ensretteren baseret på elektronrørprincippet af Fleming og var billig at producere. I modsætning til de brune krystaller-ensrettere fungerede den ved første forsøg, og på grund af det større kontaktareal af metal og oxid fungerede den over et bredere udvalg af strømme og spændinger. Den kunne oplade batterier, opdage signaler i forskellige elektriske systemer og fungere som sikkerhedsoverløb i kraftige generatorer. Når den blev brugt som fotocelle, kunne skiverne fungere som lysmålere og var især nyttige i fotografering. Andre forskere udviklede på omtrent samme tid selen-ensrettere, der fandt lignende anvendelser.
Pakke med ensrettere baseret på kobberoxid. Samlingen af flere skiver øgede den tilbageholdende modstand, hvilket gjorde det muligt at bruge dem med høj spænding.
Efter et par år besluttede to fysikere fra Bell Laboratories, Joseph Becker og , at undersøge princippet bag kobberensretteren - de var interesserede i at finde ud af, hvordan den fungerede, og hvordan den kunne bruges i Bell System.
Brattain i høj alder - ca. 1950
Brattain stammede fra de samme områder som Grondahl, fra Stillehavets nordvest, hvor han voksede op på en gård beliggende et par kilometer fra den canadiske grænse. I de højere klasser blev han interesseret i fysik og viste evner inden for dette område, og endte med at få sin doktorgrad fra Minnesota University i slutningen af 1920'erne, hvorefter han fik job i Bell Laboratories i 1929. Blandt andet studerede han ved universitetet den nyeste teoretiske fysik, som havde vundet popularitet i Europa, kendt som kvantemekanik (hans vejleder var , som også vejledte John Atanasoff).
Kvanterevolutionen
Den nye teoretiske platform har langsomt udviklet sig over de seneste tre årtier, og den vil på et tidspunkt kunne forklare alle de mærkelige fænomener, der i årevis er blevet observeret i materialer som galenit, selen og kobberoxid. En hel kohorte af primært unge fysikere, hovedsageligt fra Tyskland og nabolande, har skabt et kvantespring i fysikken. Overalt hvor de kiggede, fandt de ikke den glatte og kontinuerlige verden, de var blevet undervist i, men bizarre diskrete klynger.
Det hele begyndte i 1890'erne. Max Planck, den berømte professor ved Berlins universitet, besluttede at arbejde med et velkendt uafklaret problem: på hvilken måde “” (en ideel substans, der absorberer al energi og ikke reflekterer det) udsender stråling i det elektromagnetiske spektrum? Der blev afprøvet forskellige modeller, men ingen af dem stemte overens med de eksperimentelle resultater – de klarede det enten i den ene eller den anden ende af spektret. Planck opdagede, at hvis man antager, at energien udsendes af legemet i små "pakker" af diskret størrelse, kan man skrive en simpel lov for forholdet mellem frekvens og energi, der passer perfekt med de empiriske resultater.
Kort efter opdagede Einstein, at det samme gælder for lysabsorption (den første antydning af fotoner), og J.J. Thomson viste, at elektricitet også transporteres ikke som en kontinuerlig væske eller bølger, men som diskrete partikler – elektroner. Derefter skabte Niels Bohr en model, der forklarede, hvordan exciterede atomer udsender stråling ved at tildele elektroner separate baner i atomet, hvor hver har sin egen energi. Men denne betegnelse kan være misvisende, da de opfører sig slet ikke som planetbaner – i Bohr-modellen sprang elektroner straks fra en bane eller energiniveau til en anden uden at gå gennem en mellemtilstand. Og endelig, i 1920'erne, skabte Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Born og andre en generel matematisk platform, kendt som kvantemekanik, som omfattede alle de særlige kvante-modeller, der var blevet udviklet gennem de foregående tyve år.
På dette tidspunkt var fysikerne allerede sikre på, at materialer som selen og galenit, der udviser fotoelektriske og ensretteregenskaber, tilhørte en særskilt klasse af materialer, som de kaldte halvledere. Klassifikationen tog så lang tid af flere grunde. For det første var kategorierne 'ledere' og 'isolerende' ganske omfattende. De såkaldte 'ledere' var ekstremt forskellige i deres ledningsevne, og det samme (i mindre grad) gjaldt for isolatorer, og det var ikke klart, hvordan en bestemt leder kunne klassificeres. Desuden var det frem til midten af det 20. århundrede umuligt at opnå eller skabe meget rene stoffer, og enhver usædvanlighed i ledningsevnen for naturlige materialer kunne altid tilskrives forurening.
Nu havde fysikerne både matematiske værktøjer fra kvantemekanikken og en ny klasse af materialer, som de kunne anvende dem på. Den britiske teoretiker var den første til at samle alt dette og bygge en generel model af halvledere og deres funktion i 1931.
I begyndelsen hævdede Wilson, at ledende materialer adskilte sig fra dielektriske ved tilstanden af energizoner. Kvantemekanikken siger, at elektroner kan eksistere på et begrænset antal energiniveauer, der er forbundet med skaller eller orbitaler af enkelte atomer. Hvis man presser disse atomer sammen i strukturen af et materiale, er det mere korrekt at forestille sig sammenhængende energizoner, der går tværs igennem det. I ledere er der frie pladser i de høje energizoner, og det elektriske felt kan frit flytte elektronerne dertil. I isolatorer er zonerne fyldte, og at klatre op til en højere, ledende zone, hvor elektriciteten lettere kan strømme, er en vanskelig proces.
Dette førte ham til den konklusion, at urenheder – fremmede atomer i materialets struktur – måtte bidrage til dets halvlederegenskaber. De kan enten levere ekstra elektroner, som let bevæger sig ind i ledningszonen, eller huller – fraværet af elektroner i forhold til det øvrige materiale – hvilket skaber tomme energisteder, hvor frie elektroner kan bevæge sig. Den første type blev senere kaldt n-type halvledere (eller elektroniske) – på grund af det overskydende negative ladning, og den anden type – p-type, eller hule – på grund af den overskydende positive ladning.
Endelig foreslog Wilson, at ensretning af strøm gennem halvledere kunne forklares i termer af kvantum , det pludselige spring af elektroner gennem en tynd elektrisk barriere i materialet. Teorien så overbevisende ud, men forudsagde, at strømmen i ensretteren skulle flyde fra oxid til kobber, selvom det i virkeligheden var omvendt.
På denne måde, på trods af alle Wilsons gennembrud, forblev halvledere vanskelige at forklare. Som det gradvist blev klart, havde mikroskopiske ændringer i krystallinsk struktur og koncentration af urenheder uforholdsmæssigt stor indflydelse på deres makroskopiske elektriske adfærd. Uden at tage højde for det manglende forståelse – da ingen kunne forklare de eksperimentelle observationer, som Brown havde gjort 60 år tidligere – udviklede Brattain og Becker en effektiv produktionsproces for kobberoxid-ensrettere for deres arbejdsgiver. Bell System begyndte hurtigt at udskifte ensrettere baseret på elektronrør i hele systemet med en ny enhed, som deres ingeniører kaldte , da dens modstand ændrede sig afhængigt af retningen.
Guldmedalje
Merwin Kelly, fysiker og tidligere leder af afdelingen for elektroniske lampe ved Bell Labs, var meget interesseret i denne opdagelse. I løbet af et par årtier havde elektroniske lamper ydet Bell uvurderlig service og kunne udføre funktioner, som det tidligere generations mekaniske og elektromekaniske komponenter ikke kunne. Men de blev meget varme, overophedede ofte, brugte meget energi og var svære at vedligeholde. Kelly havde til hensigt at ombygge Bells system ved at bruge mere pålidelige og holdbare faste elektroniske komponenter, såsom varistorer, som ikke krævede hverken tætsluttede gasfyldte eller vacuumpakninger, eller glødetråde. I 1936 blev han leder af forskningsafdelingen ved Bell Labs og begyndte at lede organisationen i en ny retning.
Efter at have fået en fast-state ensretter var det næste åbenlyse skridt at skabe en fast-state forstærker. Naturligvis kunne en sådan enhed, ligesom en rørforstærker, også fungere som en digital switch. Dette var især interessant for Bell, da der stadig var mange elektromekaniske digitale switche i brug i telefoncentraler. Virksomheden søgte en mere pålidelig, kompakt, energieffektiv og kølig erstatning for den elektroniske lampe i telefonsystemer, radioapparater, radarer og andet analogt udstyr, hvor de blev brugt til at forstærke svage signaler til niveauer, der var hørbare for det menneskelige øre.
I 1936 ophævede Bell Labs endelig rekrutteringsforbuddet, der var indført under . Kelly begyndte straks at ansætte eksperter i kvantemekanik for at hjælpe med at starte sit forskningsprogram inden for faste enheder, herunder , endnu en mand fra Vestkysten, fra Palo Alto (Kalifornien). Emnet for hans nyligt afsluttede ph.d.-afhandling ved MIT passede perfekt til Kellys behov: 'Elektroniske zoner i natriumklorid'.
Brattain og Becker fortsatte i denne periode deres forskning på ensretteret i koboxid og stræbte efter at opnå en forbedret solid-state forstærker. Den mest oplagte måde at fremstille den på var at tage udgangspunkt i elektronrøret. Ligesom Lee de Forest tog et rørforstærker og mellem katoden og anoden, forestillede Brattain og Becker sig, hvordan de kunne indsætte et gitter i kontaktpunktet mellem kobber og koboxid, hvor det menes, at ensretningen finder sted. Men på grund af den lille lagtykkelse anså de det for umuligt at gøre dette og lykkedes ikke med det.
I mellemtiden viste andre udviklinger, at Bell Laboratories ikke var den eneste virksomhed, der var interesseret i solid-state elektronik. I 1938 offentliggjorde Rudolf Hillsh og Robert Paul resultaterne af eksperimenter, der blev udført ved universitetet i Göttingen med en funktionel solid-state forstærker, der var skabt ved at indføre et gitter i krystallen af kaliumbromid. Dette labudstyr havde ikke praktisk værdi – primært fordi det arbejdede på en frekvens på højst 1 Hz. Alligevel kunne denne præstation ikke undgå at glæde alle, der var interesserede i solid-state elektronik. Samme år udnævnte Kelly Shockley til en ny uafhængig forskningsgruppe for solid-state enheder og gav ham sammen med sine kolleger – Foster Nick og Dean Woolridge – frie hænder til at undersøge deres muligheder.
Mindst to andre opfindere formåede at skabe solid-state forstærkere før Anden Verdenskrig. I 1922 offentliggjorde den russiske fysiker og opfinder resultaterne af succesfulde eksperimenter med zinkit-halvledere, men hans arbejde forblev uopdaget af det vestlige samfund; i 1926 ansøgte den amerikanske opfinder Julius Lichtenfeld om patent på en solid-state forstærker, men der er ingen beviser for, at hans opfindelse fungerede.
Den første store indsigt, Shockley havde i sin nye stilling, kom under læsningen af det britiske fysiker Neville Motts arbejde "Teorien om krystallinske ensrettere" fra 1938, hvor princippet for driften af Grondals ensretter baseret på kobberoxid endelig blev forklaret. Mott anvendte kvantemekanikkens matematik til at beskrive dannelsen af det elektriske felt ved grænsefladen mellem det ledende metal og det halvledende oxid, samt hvordan elektroner "hopper" over denne elektriske barriere i stedet for at tunnelere som foreslået af Wilson. Strømmen flyder lettere fra metallet til halvlederen end omvendt, da metallet har væsentligt flere frie elektroner.
Dette førte Shockley til nøjagtig den samme idé, som Brattain og Becker havde overvejet og afvist mange år tidligere – at fremstille en faststofforsterker ved at indsætte et net af kobberoxid mellem kobberet og kobberoxidet. Han håbede, at strømmen, der løb gennem nettet, ville øge barrieren, der begrænsede strømmen fra kobberet til oxidet, og skabe en inverteret, forstærket version af signalet i nettet. Hans første grove forsøg mislykkedes fuldstændig, så han henvendte sig til en mand med mere finpudsede laboratoriefærdigheder, og som var godt bekendt med ensrettere – Walter Brattain. Og selvom han ikke havde tvivl om udfaldet, accepterede Brattain at stille Shockleys nysgerrighed, og han skabte en mere avanceret version af "netforstærkeren". Den fungerede også ikke.
Så greb krigen ind, hvilket efterlod Kellys nye forskningsprogram i uorden. Kelly blev leder af en arbejdsgruppe om radar i Bell Laboratories, der arbejdede med støtte fra USA's hovedradarforskningscenter ved MIT. Brattain arbejdede ikke længe for ham, før han gik videre til forskning om magnetisk opdagelse af ubåde for flåden. Wooldridge arbejdede med artilleristyringssystemer, Nix med gasdiffusion for Manhattan-projektet, og Shockley gik ind i operationelle studier og arbejdede først med ubåde i Atlanterhavet og senere med strategiske bombninger i Stillehavet.
Men trods denne indblanding stoppede krigen ikke udviklingen af faststofelektronik. Tværtimod førte den til en massiv influx af ressourcer til dette område og førte til koncentrationen af forskning på to materialer: germanium og silicium.
Yderligere læsning
Ernest Bruan og Stuart MacDonald, Revolution in Miniature (1978)
Friedrich Kurylo og Charles Susskind, Ferdinand Braun (1981)
G. L. Pearson og W. H. Brattain, “Historien om halvlederforskning,” Proceedings of the IRE (december 1955).
Michael Riordan og Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
Kilde: habr.com
