Andre artikler i serien:
- Historien om stafetten
- Historien om elektroniske computere
- Transistorens historie
- Internet historie
Vejen til solid-state switches har været lang og vanskelig. Det begyndte med opdagelsen af, at visse materialer opfører sig mærkeligt i nærvær af elektricitet – ikke som de dengang eksisterende teorier forudsagde. Det, der fulgte, var en historie om, hvordan teknologi blev en stadig mere videnskabelig og institutionel disciplin i det 20. århundrede. Amatører, novicer og professionelle opfindere med praktisk talt ingen videnskabelig uddannelse ydede seriøse bidrag til udviklingen af telegraf, telefoni og radio. Men som vi vil se, er næsten alle fremskridt i solid-state-elektronikkens historie kommet fra videnskabsmænd, der studerede på universiteter (og normalt har en ph.d.-grad i fysik) og arbejdede på universiteter eller virksomheders forskningslaboratorier.
Alle med adgang til et værksted og grundlæggende materialefærdigheder kan samle et relæ af ledninger, metal og træ. At skabe vakuumrør kræver mere specialiserede værktøjer, der kan skabe en glaspære og pumpe luften ud af den. Solid-state-enheder forsvandt ned i et kaninhul, hvorfra den digitale kontakt aldrig vendte tilbage, og dykkede stadig dybere ind i verdener, der kun er forståelige for abstrakt matematik og kun tilgængelig ved hjælp af vanvittigt dyrt udstyr.
Galena
I 1874 år , en 24-årig fysiker fra St. Thomas i Leipzig, udgav det første af mange vigtige videnskabelige værker i sin lange karriere. Artiklen, "On the Passage of Electric Currents through Metal Sulfides", blev accepteret i Pogendorffs Annalen, et prestigefyldt tidsskrift dedikeret til de fysiske videnskaber. På trods af den kedelige titel beskrev Browns papir nogle overraskende og forvirrende eksperimentelle resultater.
Ferdinand Brown
Brown blev fascineret af sulfider - mineralkrystaller sammensat af svovlforbindelser med metaller - gennem sit arbejde . Så tidligt som i 1833 bemærkede Michael Faraday, at ledningsevnen af sølvsulfid stiger med temperaturen, hvilket er præcis det modsatte af metallederes adfærd. Hittorf udarbejdede en grundig kvantitativ rapport over målinger af denne effekt i 1850'erne, for både sølv- og kobbersulfider. Nu opdagede Brown, ved hjælp af en smart eksperimentel opsætning, der pressede en metaltråd mod en sulfidkrystal med en fjeder for at sikre god kontakt, noget endnu mærkeligere. Krystallernes ledningsevne afhang af retningen – for eksempel kunne strømmen godt løbe i én retning, men når batteriets polaritet blev vendt, kunne strømmen pludselig falde kraftigt. Krystaller virkede mere som ledere i én retning (som normale metaller) og mere som isolatorer i en anden (som glas eller gummi). Denne egenskab blev kendt som ensretning på grund af dens evne til at rette "krympet" vekselstrøm til "flad" jævnstrøm.
Omkring samme tid opdagede forskere andre mærkelige egenskaber ved materialer som selen, som kunne smeltes fra visse metalsulfidmalme. Når det blev udsat for lys, øgede selen ledningsevnen og begyndte endda at generere elektricitet, og det kunne også bruges til ensretning. Var der en forbindelse med sulfidkrystaller? Uden teoretiske modeller til at forklare, hvad der skete, var feltet i en tilstand af forvirring.
Manglen på teori stoppede dog ikke forsøg på praktisk at anvende resultaterne. I slutningen af 1890'erne blev Brown professor ved universitetet i Strasbourg - for nylig annekteret fra Frankrig under og omdøbt til Kaiser Wilhelm University. Der blev han suget ind i radiotelegrafiens spændende nye verden. Han gik med til et forslag fra en gruppe iværksættere om i fællesskab at skabe et trådløst kommunikationssystem baseret på transmission af radiobølger gennem vand. Han og hans medskyldige opgav dog hurtigt den oprindelige idé til fordel for luftbåren signalering, som blev brugt af Marconi og andre.
Blandt de aspekter af radio, som Browns gruppe søgte at forbedre, var den daværende standardmodtager, . Det var baseret på det faktum, at radiobølger fik metalspåner til at klumpe sammen, hvilket tillod strøm fra batteriet at passere til signaleringsenheden. Det virkede, men systemet reagerede kun på relativt stærke signaler, og det krævede konstant at slå på enheden for at bryde en klump savsmuld op. Brown huskede sine gamle eksperimenter med sulfidkrystaller, og i 1899 genskabte han sin gamle eksperimentelle opsætning med et nyt formål – at fungere som detektor for trådløse signaler. Han brugte ensretningseffekten til at konvertere den lille oscillerende strøm, der genereres ved at sende radiobølger, til en jævnstrøm, der kunne drive en lille højttaler, der producerede et hørbart klik for hver prik eller streg. Denne enhed blev senere kendt som ""på grund af udseendet af tråden, som let rørte toppen af krystallen. I Britisk Indien (hvor Bangladesh ligger i dag) byggede videnskabsmanden og opfinderen Jagadish Bose en lignende enhed, muligvis allerede i 1894. Andre begyndte snart at lave lignende detektorer baseret på silicium og carborundum (siliciumcarbid).
Det er det dog , blysulfid, som er blevet smeltet til at producere bly siden oldtiden, er blevet det foretrukne materiale til krystaldetektorer. De var nemme at lave og billige, og som et resultat blev de utroligt populære blandt den tidlige generation af radioamatører. Desuden, i modsætning til en binær koherer (med savsmuld, der enten klumpede sammen eller ej), kunne en krystallinsk ensretter gengive et kontinuerligt signal. Derfor kunne han producere stemme og musik hørbar for øret, og ikke kun morsekode med dens prikker og streger.
Cat's whisker detektor baseret på galena. Det lille stykke tråd til venstre er knurhår, og det stykke sølvfarvede materiale på bunden er galena-krystallen.
Men som frustrerede radioamatører hurtigt opdagede, kunne det tage minutter eller endda timer at finde det magiske punkt på overfladen af krystallen, der ville give god opretning. Og signalerne uden forstærkning var svage og havde en metallisk lyd. I 1920'erne havde vakuumrørmodtagere med triodeforstærkere praktisk talt gjort krystaldetektorer forældede næsten overalt. Deres eneste attraktive egenskab var deres billighed.
Denne korte optræden i radioarenaen syntes at være grænsen for praktisk anvendelse af de mærkelige elektriske egenskaber af materialet, opdaget af Brown og andre.
Kobberoxid
Så i 1920'erne opdagede en anden fysiker ved navn Lars Grøndahl noget mærkeligt med sit forsøgsopstilling. Grøndahl, den første af en række smarte og rastløse mænd i det amerikanske vestens historie, var søn af en civilingeniør. Hans far, der emigrerede fra Norge i 1880, arbejdede i flere årtier på jernbaner i Californien, Oregon og Washington. Først virkede Grøndahl fast besluttet på at forlade sin fars ingeniørverden og gå til Johns Hopkins for at tage en doktorgrad i fysik for at forfølge en akademisk vej. Men så blev han involveret i jernbanebranchen og tog en stilling som forskningsdirektør hos Union Switch and Signal, en afdeling af industrigiganten. , som leverede udstyr til jernbaneindustrien.
Forskellige kilder peger på modstridende årsager til Grøndahls motivation for sin forskning, men uanset hvad, begyndte han at eksperimentere med kobberskiver opvarmet på den ene side for at skabe et oxideret lag. Mens han arbejdede med dem, bemærkede han strømmens asymmetri - modstanden i den ene retning var tre gange større end i den anden. En skive af kobber og kobberoxid ensrettede strømmen, ligesom en sulfidkrystal.
Kobberoxid ensretterkredsløb
Grøndahl brugte de næste seks år på at udvikle en klar-til-brug kommerciel ensretter baseret på dette fænomen, idet han fik hjælp fra en anden amerikansk forsker, Paul Geiger, før han indsendte en patentansøgning og annoncerede sin opdagelse til American Physical Society i 1926. Apparatet blev straks et kommercielt hit. På grund af fraværet af skrøbelige filamenter var den meget mere pålidelig end vakuumrørsensretteren baseret på Fleming-ventilprincippet og var billigere at producere. I modsætning til brune ensretterkrystaller virkede det i første forsøg, og på grund af det større kontaktareal mellem metallet og oxidet virkede det med et større udvalg af strømme og spændinger. Den kunne oplade batterier, registrere signaler i forskellige elektriske systemer og fungere som en sikkerhedsshunt i kraftige generatorer. Når de blev brugt som fotocelle, kunne skiverne fungere som lysmålere, og var især anvendelige til fotografering. Andre forskere udviklede omkring samme tid selen-ensrettere, der fandt lignende anvendelser.
En pakke ensrettere baseret på kobberoxid. En samling af flere diske øgede den omvendte modstand, hvilket gjorde det muligt at bruge dem med højspænding.
Et par år senere, to Bell Labs fysikere, Joseph Becker og , besluttede at studere arbejdsprincippet for en kobberensretter - de var interesserede i at lære, hvordan det fungerede, og hvordan det kunne bruges på Bell System.
Brattain i alderdommen - ca. 1950
Brattain var fra samme område som Grøndal, i det nordvestlige Stillehav, hvor han voksede op på en gård et par kilometer fra den canadiske grænse. I gymnasiet blev han interesseret i fysik, viste evner inden for området og fik til sidst en doktorgrad fra University of Minnesota i slutningen af 1920'erne og tog arbejde på Bell Laboratories i 1929. Han studerede blandt andet på universitetet den seneste teoretiske fysik, som vandt popularitet i Europa, og kendt som kvantemekanik (dens kurator var , som også var mentor for John Atanasoff).
kvanterevolution
En ny teoretisk platform har langsomt udviklet sig over de seneste tre årtier, og den vil med tiden kunne forklare alle de mærkelige fænomener, der i årevis er blevet observeret i materialer som galena, selen og kobberoxid. En hel kohorte af for det meste unge fysikere, hovedsageligt fra Tyskland og nabolandene, forårsagede en kvanterevolution i fysikken. Overalt hvor de kiggede, fandt de ikke den glatte og sammenhængende verden, de havde lært, men mærkelige, diskrete klumper.
Det hele startede i 1890'erne. Max Planck, en berømt professor ved universitetet i Berlin, besluttede at arbejde med et velkendt uløst problem: hvordan ""(et ideelt stof, der absorberer al energi og ikke reflekterer det) udsender stråling i det elektromagnetiske spektrum? Forskellige modeller blev prøvet, hvoraf ingen matchede de eksperimentelle resultater - de fejlede hverken i den ene ende af spektret eller den anden. Planck opdagede, at hvis vi antager, at energi udsendes af et legeme i små "pakker" af diskrete mængder, så kan vi nedskrive en simpel lov om forholdet mellem frekvens og energi, som perfekt matcher de empiriske resultater.
Kort efter opdagede Einstein, at det samme skete med absorptionen af lys (den første antydning af fotoner), og J. J. Thomson viste, at elektricitet ikke blev båret af en kontinuerlig væske eller bølge, men af diskrete partikler - elektroner. Niels Bohr skabte derefter en model til at forklare, hvordan exciterede atomer udsender stråling ved at tildele elektroner til individuelle baner i atomet, hver med sin egen energi. Dette navn er dog misvisende, fordi de slet ikke opfører sig som planeters kredsløb – i Bohrs model sprang elektroner øjeblikkeligt fra en bane, eller energiniveau, til en anden, uden at passere gennem en mellemtilstand. Endelig, i 1920'erne, skabte Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Born og andre en generaliseret matematisk platform kendt som kvantemekanik, der inkorporerede alle de specielle kvantemodeller, der var blevet skabt i løbet af de foregående tyve år.
På dette tidspunkt var fysikere allerede overbevist om, at materialer som selen og galena, som udviste fotovoltaiske og ensretteregenskaber, tilhørte en separat klasse af materialer, som de kaldte halvledere. Klassificeringen tog så lang tid af flere årsager. For det første var kategorierne "ledere" og "isolatorer" i sig selv ret brede. T.N. "ledere" varierede enormt i ledningsevne, og det samme gjaldt (i mindre grad) for isolatorer, og det var ikke indlysende, hvordan en bestemt leder kunne klassificeres i nogen af disse klasser. Desuden var det indtil midten af det 20. århundrede umuligt at opnå eller skabe meget rene stoffer, og eventuelle mærkværdigheder i naturlige materialers ledningsevne kunne altid tilskrives forurening.
Fysikere havde nu både kvantemekanikkens matematiske værktøjer og en ny klasse af materialer, som de kunne anvendes på. britisk teoretiker var den første til at sætte det hele sammen og bygge en generel model af halvledere og hvordan de fungerer i 1931.
Først hævdede Wilson, at ledende materialer adskiller sig fra dielektrika i tilstanden af deres energibånd. Kvantemekanikken siger, at elektroner kan eksistere i et begrænset antal energiniveauer, der findes i de enkelte atomers skaller eller orbitaler. Hvis du klemmer disse atomer sammen i strukturen af et materiale, ville det være mere korrekt at forestille sig kontinuerlige energizoner, der passerer gennem det. Der er tomme rum i ledere i højenergibånd, og det elektriske felt kan frit bevæge elektroner dertil. I isolatorer er zonerne fyldt, og det er en ret lang stigning at nå den højere, ledende zone, hvorigennem det er lettere for elektricitet at rejse.
Dette førte ham til den konklusion, at urenheder - fremmede atomer i et materiales struktur - skal bidrage til dets halvlederegenskaber. De kan enten levere ekstra elektroner, som let slipper ud i ledningsbåndet, eller huller – en mangel på elektroner i forhold til resten af materialet – som skaber tomme energirum, hvor frie elektroner kan bevæge sig. Den første mulighed blev senere kaldt n-type (eller elektroniske) halvledere på grund af den overskydende negative ladning, og den anden - p-type eller hul-halvledere på grund af den overskydende positive ladning.
Endelig foreslog Wilson, at den nuværende ensretning af halvledere kunne forklares i kvantekvantetermer. , det pludselige spring af elektroner over en tynd elektrisk barriere i et materiale. Teorien virkede plausibel, men den forudsagde, at i ensretteren skulle strømmen løbe fra oxidet til kobberet, selvom det i virkeligheden var omvendt.
Så trods alle Wilsons gennembrud var halvledere stadig svære at forklare. Som det gradvist blev klart, påvirkede mikroskopiske ændringer i krystalstrukturen og koncentrationen af urenheder uforholdsmæssigt deres makroskopiske elektriske adfærd. Ignorerer manglen på forståelse - fordi ingen nogensinde kunne forklare de eksperimentelle observationer foretaget af Brown 60 år tidligere - udviklede Bratteyn og Becker en effektiv fremstillingsproces for kobberoxid-ensrettere til deres arbejdsgiver. Bell-systemet begyndte hurtigt at erstatte vakuumrør-ensrettere i hele systemet med en ny enhed, som deres ingeniører kaldte , da dens modstand varierede afhængigt af retningen.
guldmedalje
Mervyn Kelly, en fysiker og tidligere leder af Bell Labs' vakuumrørafdeling, blev meget interesseret i denne udvikling. I løbet af et par årtier gav vakuumrør Bell uvurderlig service og var i stand til at udføre funktioner, der ikke var mulige med den tidligere generation af mekaniske og elektromekaniske komponenter. Men de blev varme, blev jævnligt overophedede, forbrugte meget energi og var svære at vedligeholde. Kelly havde til hensigt at genopbygge Bells system med mere pålidelige og holdbare elektroniske komponenter i fast tilstand, såsom varistorer, der ikke krævede forseglede, gasfyldte eller tomme kasser eller varme filamenter. I 1936 blev han leder af Bell Labs' forskningsafdeling og begyndte at omdirigere organisationen på en ny vej.
Efter at have fået en solid-state ensretter, var det næste oplagte skridt at skabe en solid-state forstærker. Som en rørforstærker kan en sådan enhed naturligvis også fungere som en digital switch. Dette var af særlig interesse for Bells virksomhed, da telefonkontakter stadig brugte et stort antal elektromekaniske digitale omskiftere. Virksomheden ledte efter en mere pålidelig, mindre, energieffektiv og køligere erstatning for vakuumrøret i telefonsystemer, radioer, radarer og andet analogt udstyr, hvor de blev brugt til at forstærke svage signaler til niveauer, som det menneskelige øre kunne høre.
I 1936 ophævede Bell Laboratories endelig ansættelsesstoppet, der blev indført under . Kelly begyndte straks at rekruttere kvantemekanikeksperter til at hjælpe med at lancere hans solid-state forskningsprogram, herunder , en anden indfødt vestkyst, fra Palo Alto, Californien. Emnet for hans nylige MIT-afhandling passede perfekt til Kellys behov: "Electron Bands in Sodium Chloride."
Brattain og Becker fortsatte deres forskning i kobberoxid-ensretteren i løbet af denne tid og søgte en forbedret solid state-forstærker. Den mest oplagte måde at lave det på var at følge analogien med et vakuumrør. Ligesom Lee de Forest tog en rørforstærker og mellem katoden og anoden, og Brattain og Becker forestillede sig, hvordan et net kunne indsættes i krydset mellem kobber og kobberoxid, hvor ensretning skulle ske. Men på grund af lagets lille tykkelse fandt de det umuligt at gøre dette, og havde ikke succes med dette.
I mellemtiden viste andre udviklinger, at Bell Labs ikke var den eneste virksomhed, der var interesseret i solid-state elektronik. I 1938 offentliggjorde Rudolf Hilsch og Robert Pohl resultaterne af eksperimenter udført ved universitetet i Göttingen på en fungerende faststofforstærker skabt ved at indføre et gitter i en kaliumbromidkrystal. Denne laboratorieanordning var uden praktisk værdi, hovedsagelig fordi den fungerede ved en frekvens på højst 1 Hz. Og alligevel kunne denne præstation ikke andet end glæde alle interesserede i solid-state elektronik. Samme år tildelte Kelly Shockley til en ny uafhængig solid-state-enhedsforskningsgruppe og gav ham og hans kolleger Foster Nix og Dean Woolridge carte blanche til at udforske deres muligheder.
Mindst to andre opfindere nåede at skabe solid-state forstærkere før Anden Verdenskrig. I 1922, sovjetisk fysiker og opfinder offentliggjorde resultaterne af vellykkede eksperimenter med zincithalvledere, men hans arbejde gik ubemærket hen af det vestlige samfund; I 1926 søgte den amerikanske opfinder Julius Lillenfield om patent på en solid state-forstærker, men der er ingen beviser for, at hans opfindelse virkede.
Shockleys første store indsigt i hans nye stilling opstod, mens han læste den britiske fysiker Neville Moths værk fra 1938, The Theory of Crystalline Rectifiers, som endelig forklarede princippet om driften af Grøndahl kobberoxid-ensretteren. Mott brugte kvantemekanikkens matematik til at beskrive dannelsen af et elektrisk felt ved krydset mellem et ledende metal og et halvledende oxid, og hvordan elektroner "hopper" over denne elektriske barriere, snarere end at tunnele som Wilson foreslog. Strøm flyder lettere fra metallet til halvlederen end omvendt, fordi metallet har mange flere frie elektroner.
Dette førte Shockley til nøjagtig samme idé, som Brattain og Becker havde overvejet og afvist år før - at lave en solid state-forstærker ved at indsætte et kobberoxidnet mellem kobberet og kobberoxidet. Han håbede, at strømmen, der strømmer gennem nettet, ville øge den barriere, der begrænser strømstrømmen fra kobberet til oxidet, og skabe en omvendt, forstærket version af signalet på nettet. Hans første rå forsøg mislykkedes fuldstændig, så han henvendte sig til en mand med mere raffinerede laboratoriefærdigheder og fortrolighed med ensrettere: Walter Brattain. Og selvom han ikke var i tvivl om resultatet, gik Brattain med til at tilfredsstille Shockleys nysgerrighed og skabte en mere kompleks version af "grid"-forstærkeren. Hun nægtede også at arbejde.
Så greb krigen ind og efterlod Kellys nye forskningsprogram i opløsning. Kelly blev leder af radararbejdsgruppen på Bell Labs, støttet af det vigtigste amerikanske radarforskningscenter ved MIT. Brattain arbejdede kort for ham og gik derefter videre til forskning i magnetisk detektion af ubåde til flåden. Woolridge arbejdede på ildkontrolsystemer, Nix arbejdede på gasdiffusion for Manhattan-projektet, og Shockley gik ind i operationel forskning, først arbejdede på anti-ubådskrig i Atlanterhavet og derefter på strategisk bombning i Stillehavet.
Men på trods af dette indgreb stoppede krigen ikke udviklingen af solid-state elektronik. Tværtimod orkestrerede det en massiv tilførsel af ressourcer til feltet og førte til en koncentration af forskning på to materialer: germanium og silicium.
Hvad skal man ellers læse
Ernest Bruan og Stuart MacDonald, Revolution in Miniature (1978)
Friedrich Kurylo og Charles Susskind, Ferdinand Braun (1981)
G. L. Pearson og W. H. Brattain, "History of Semiconductor Research," Proceedings of the IRE (december 1955).
Michael Riordan og Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
Kilde: www.habr.com