Weitere Artikel der Reihe:
- Geschichte der Staffel
- Geschichte elektronischer Computer
- Geschichte des Transistors
- Internetgeschichte
Der Schmelztiegel des Krieges bereitete den Weg für das Aufkommen des Transistors. Von 1939 bis 1945 erweiterte sich das technische Wissen auf dem Gebiet der Halbleiter enorm. Und dafür gab es einen einfachen Grund: Radar. Die wichtigste Technologie des Krieges, Beispiele hierfür sind: Luftangriffe erkennen, U-Boote suchen, nächtliche Luftangriffe auf Ziele richten, Luftverteidigungssysteme und Marinegeschütze anvisieren. Ingenieure haben sogar gelernt, winzige Radargeräte in Artilleriegranaten zu stecken, damit diese explodieren, wenn sie sich dem Ziel nähern – . Die Quelle dieser mächtigen neuen Militärtechnologie lag jedoch in einem friedlicheren Bereich: der Erforschung der oberen Atmosphäre für wissenschaftliche Zwecke.
Radar
Im Jahr 1901 übertrug die Marconi Wireless Telegraph Company erfolgreich eine drahtlose Nachricht über den Atlantik, von Cornwall nach Neufundland. Diese Tatsache hat die moderne Wissenschaft in Verwirrung gebracht. Wenn Funkübertragungen geradlinig verlaufen (wie sie sollten), sollte eine solche Übertragung unmöglich sein. Zwischen England und Kanada gibt es keine direkte Sichtverbindung, die nicht über die Erde führt, daher musste Marconis Botschaft in den Weltraum fliegen. Der amerikanische Ingenieur Arthur Kennealy und der britische Physiker Oliver Heaviside schlugen gleichzeitig und unabhängig voneinander vor, dass die Erklärung für dieses Phänomen mit einer Schicht aus ionisiertem Gas in der oberen Atmosphäre in Verbindung gebracht werden muss, die in der Lage ist, Radiowellen zurück zur Erde zu reflektieren (Marconi selbst glaubte, dass Radiowellen der Krümmung der Erdoberfläche folgen, die Physiker haben dies jedoch nicht unterstützt).
In den 1920er Jahren hatten Wissenschaftler neue Geräte entwickelt, die es ermöglichten, zunächst die Existenz der Ionosphäre nachzuweisen und dann ihre Struktur zu untersuchen. Sie verwendeten Vakuumröhren, um kurzwellige Radioimpulse zu erzeugen, Richtantennen, um sie in die Atmosphäre zu schicken und die Echos aufzuzeichnen, und um die Ergebnisse zu demonstrieren. Je länger die Verzögerung der Echorückkehr ist, desto weiter muss die Ionosphäre entfernt sein. Diese Technologie wurde atmosphärische Sondierung genannt und stellte die grundlegende technische Infrastruktur für die Entwicklung von Radar bereit (der Begriff „Radar“ von RAdio Detection And Ranging tauchte erst in den 1940er Jahren in der US-Marine auf).
Es war nur eine Frage der Zeit, bis Menschen mit dem richtigen Wissen, den richtigen Ressourcen und der richtigen Motivation das Potenzial für terrestrische Anwendungen solcher Geräte erkannten (daher ist die Geschichte des Radars das Gegenteil der Geschichte des Teleskops, das ursprünglich für den terrestrischen Einsatz gedacht war). . Und die Wahrscheinlichkeit einer solchen Erkenntnis nahm zu, da sich der Funk immer weiter über den Planeten ausbreitete und immer mehr Menschen Störungen bemerkten, die von nahegelegenen Schiffen, Flugzeugen und anderen großen Objekten ausgingen. Das Wissen über Technologien zur Sondierung der oberen Atmosphäre verbreitete sich im Laufe der Sekunde (1932-1933), als Wissenschaftler eine Karte der Ionosphäre von verschiedenen arktischen Stationen aus erstellten. Bald darauf entwickelten Teams in Großbritannien, den USA, Deutschland, Italien, der UdSSR und anderen Ländern ihre einfachsten Radarsysteme.
mit seinem Radar von 1935
Dann kam es zum Krieg und die Bedeutung von Radargeräten für die Länder – und die Ressourcen zu ihrer Entwicklung – nahmen dramatisch zu. In den Vereinigten Staaten sammelten sich diese Ressourcen um eine neue Organisation, die 1940 am MIT gegründet wurde, bekannt als (Der Name wurde speziell so benannt, um ausländische Spione in die Irre zu führen und den Eindruck zu erwecken, dass Radioaktivität im Labor untersucht würde – damals glaubten nur wenige Menschen an Atombomben.) Das Rad Lab-Projekt, das nicht so berühmt wurde wie das Manhattan-Projekt, rekrutierte dennoch ebenso herausragende und talentierte Physiker aus allen Teilen der USA in seine Reihen. Fünf der ersten Mitarbeiter des Labors (darunter и ) erhielt anschließend Nobelpreise. Bis Kriegsende arbeiteten etwa 500 Doktoren der Naturwissenschaften, Wissenschaftler und Ingenieure im Labor, insgesamt arbeiteten 4000 Menschen. Eine halbe Million Dollar – vergleichbar mit dem gesamten ENIAC-Budget – wurden allein für die Radiation Laboratory Series ausgegeben, eine XNUMX-bändige Aufzeichnung aller im Labor während des Krieges gewonnenen Erkenntnisse (obwohl die Ausgaben der US-Regierung für Radartechnologie nicht begrenzt waren). zum Rad Lab-Budget; während des Krieges kaufte die Regierung Radargeräte im Wert von drei Milliarden Dollar).
MIT-Gebäude 20, wo sich das Rad Lab befand
Einer der Hauptforschungsbereiche des Rad Lab war Hochfrequenzradar. Frühe Radargeräte verwendeten Wellenlängen, die in Metern gemessen wurden. Höherfrequente Strahlen mit Wellenlängen in Zentimetern – Mikrowellen – ermöglichten jedoch kompaktere Antennen und wurden über große Entfernungen weniger gestreut, was größere Vorteile bei Reichweite und Genauigkeit versprach. Mikrowellenradare könnten in die Nase eines Flugzeugs passen und Objekte von der Größe des Periskops eines U-Bootes erkennen.
Das erste, das dieses Problem löste, war ein Team britischer Physiker der Universität Birmingham. 1940 entwickelten sie „„, das wie eine elektromagnetische „Pfeife“ funktionierte und einen zufälligen Stromimpuls in einen leistungsstarken und präzise abgestimmten Mikrowellenstrahl umwandelte. Dieser Mikrowellensender war tausendmal leistungsstärker als sein nächster Konkurrent; Es ebnete den Weg für praktische Hochfrequenz-Radarsender. Allerdings brauchte er einen Begleiter, einen Empfänger, der hohe Frequenzen erkennen konnte. Und an dieser Stelle kehren wir zur Geschichte der Halbleiter zurück.
Magnetron-Querschnitt
Das zweite Kommen des Katzenbarts
Es stellte sich heraus, dass Vakuumröhren für den Empfang von Mikrowellenradarsignalen überhaupt nicht geeignet waren. Der Spalt zwischen der heißen Kathode und der kalten Anode erzeugt eine Kapazität, die dazu führt, dass der Stromkreis den Betrieb bei hohen Frequenzen verweigert. Die beste verfügbare Technologie für Hochfrequenzradar war die altmodische „„- ein kleines Stück Draht, das gegen einen Halbleiterkristall gedrückt wird. Mehrere Leute haben dies unabhängig voneinander entdeckt, aber das, was unserer Geschichte am nächsten kommt, ist das, was in New Jersey passiert ist.
Im Jahr 1938 beauftragte Bell Labs die Marine mit der Entwicklung eines Feuerleitradars im 40-cm-Bereich – viel kürzer und daher höherfrequent als bestehende Radare in der Zeit vor dem resonanten Magnetron. Die Hauptforschungsarbeit ging an eine Laborabteilung in Holmdel, südlich von Staten Island. Es dauerte nicht lange, bis die Forscher herausfanden, was sie für einen Hochfrequenzempfänger benötigen würden, und bald durchsuchte der Ingenieur George Southworth Radiogeschäfte in Manhattan nach alten Katzenschnurr-Detektoren. Wie erwartet funktionierte er viel besser als der Lampendetektor, war aber instabil. Also suchte Southworth einen Elektrochemiker namens Russell Ohl auf und bat ihn, zu versuchen, die Gleichmäßigkeit der Reaktion eines Einpunkt-Kristalldetektors zu verbessern.
Ol war ein eher eigenartiger Mensch, der die Entwicklung der Technologie als sein Schicksal ansah und über periodische Erkenntnisse mit Zukunftsvisionen sprach. Er gab beispielsweise an, dass er bereits 1939 von der zukünftigen Erfindung eines Siliziumverstärkers wusste, dieses Schicksal jedoch einer anderen Person zugedacht sei. Nachdem er Dutzende Optionen untersucht hatte, entschied er sich für Silizium als beste Substanz für Southworth-Empfänger. Das Problem bestand darin, den Inhalt des Materials steuern zu können, um seine elektrischen Eigenschaften zu steuern. Zu dieser Zeit waren industrielle Siliziumbarren weit verbreitet; sie wurden in Stahlwerken verwendet, aber bei einer solchen Produktion störte beispielsweise der Gehalt von 1 % Phosphor im Silizium niemanden. Mit der Hilfe einiger Metallurgen machte sich Ol daran, viel sauberere Rohlinge zu erhalten, als es zuvor möglich war.
Während ihrer Arbeit stellten sie fest, dass einige ihrer Kristalle den Strom in die eine Richtung gleichrichteten, während andere den Strom in die andere Richtung gleichrichteten. Sie nannten sie „n-Typ“ und „p-Typ“. Weitere Analysen zeigten, dass unterschiedliche Arten von Verunreinigungen für diese Typen verantwortlich waren. Silizium befindet sich in der vierten Spalte des Periodensystems, was bedeutet, dass es in seiner Außenhülle vier Elektronen hat. In einem Rohling aus reinem Silizium würde sich jedes dieser Elektronen mit einem Nachbarn verbinden. Verunreinigungen aus der dritten Säule, beispielsweise Bor, das ein Elektron weniger hat, erzeugten ein „Loch“, zusätzlichen Raum für die Strombewegung im Kristall. Das Ergebnis war ein Halbleiter vom p-Typ (mit einem Überschuss an positiven Ladungen). Elemente aus der fünften Spalte, wie etwa Phosphor, lieferten zusätzliche freie Elektronen zum Stromtransport, und es wurde ein Halbleiter vom n-Typ erhalten.
Kristallstruktur von Silizium
All diese Forschungen waren sehr interessant, aber 1940 waren Southworth und Ohl der Entwicklung eines funktionierenden Prototyps eines Hochfrequenzradars nicht näher gekommen. Gleichzeitig forderte die britische Regierung aufgrund der drohenden Bedrohung durch die Luftwaffe, die bereits serienreife Mikrowellendetektoren entwickelt hatte, die mit Magnetronsendern zusammenarbeiten, sofortige praktische Ergebnisse.
Allerdings wird sich das Gleichgewicht des technologischen Fortschritts bald auf die Westseite des Atlantiks verschieben. Churchill beschloss, den Amerikanern alle technischen Geheimnisse Großbritanniens zu offenbaren, bevor er tatsächlich in den Krieg eintrat (da er davon ausging, dass dies ohnehin passieren würde). Er glaubte, dass sich das Risiko eines Informationslecks lohnte, da dann alle industriellen Kapazitäten der Vereinigten Staaten in die Lösung von Problemen wie Atomwaffen und Radar gesteckt würden. Britische Wissenschafts- und Technologiemission (besser bekannt als ) kam im September 1940 in Washington an und brachte in ihrem Gepäck ein Geschenk in Form von Wunderwerken der Technik mit.
Die Entdeckung der unglaublichen Leistung des resonanten Magnetrons und der Wirksamkeit britischer Kristalldetektoren beim Empfang seines Signals belebte die amerikanische Forschung auf dem Gebiet der Halbleiter als Grundlage des Hochfrequenzradars neu. Vor allem in den Materialwissenschaften gab es viel zu tun. Um den Bedarf zu decken, mussten Halbleiterkristalle „in Millionenmengen produziert werden, weit mehr als bisher möglich war.“ Es war notwendig, die Rektifikation zu verbessern, die Stoßempfindlichkeit und das Einbrennen zu reduzieren und die Abweichungen zwischen verschiedenen Kristallchargen zu minimieren.“
Silizium-Punktkontaktgleichrichter
Das Rad Lab hat neue Forschungsabteilungen eröffnet, um die Eigenschaften von Halbleiterkristallen zu untersuchen und zu untersuchen, wie sie modifiziert werden können, um wertvolle Empfängereigenschaften zu maximieren. Die vielversprechendsten Materialien waren Silizium und Germanium, daher beschloss das Rad Lab, auf Nummer sicher zu gehen und startete parallele Programme, um beide zu untersuchen: Silizium an der University of Pennsylvania und Germanium in Purdue. Branchenriesen wie Bell, Westinghouse, Du Pont und Sylvania starteten ihre eigenen Halbleiterforschungsprogramme und begannen mit der Entwicklung neuer Produktionsanlagen für Kristalldetektoren.
Durch gemeinsame Anstrengungen konnte die Reinheit der Silizium- und Germaniumkristalle von anfangs 99 % auf 99,999 % gesteigert werden – also auf ein Verunreinigungspartikel pro 100 Atome. Dabei machte sich eine Gruppe von Wissenschaftlern und Ingenieuren intensiv mit den abstrakten Eigenschaften von Germanium und Silizium vertraut und wandte Technologien zu deren Kontrolle an: Schmelzen, Züchten von Kristallen, Hinzufügen der notwendigen Verunreinigungen (wie Bor, das die Leitfähigkeit erhöhte).
Und dann endete der Krieg. Die Nachfrage nach Radar verschwand, aber die während des Krieges erworbenen Kenntnisse und Fähigkeiten blieben bestehen, und der Traum von einem Festkörperverstärker war nicht vergessen. Nun ging es darum, einen solchen Verstärker zu entwickeln. Und mindestens drei Teams hatten gute Chancen, diesen Preis zu gewinnen.
West-Lafayette
Die erste war eine Gruppe der Purdue University unter der Leitung eines in Österreich geborenen Physikers namens Carl Lark-Horowitz. Durch sein Talent und seinen Einfluss holte er im Alleingang die Physikabteilung der Universität aus der Vergessenheit und beeinflusste die Entscheidung des Rad Lab, sein Labor mit der Germaniumforschung zu betrauen.
Carl Lark-Horowitz im Jahr 1947, Mitte, eine Pfeife in der Hand
In den frühen 1940er Jahren galt Silizium als das beste Material für Radargleichrichter, aber auch das Material direkt darunter im Periodensystem schien einer weiteren Untersuchung wert. Germanium hatte einen praktischen Vorteil aufgrund seines niedrigeren Schmelzpunkts, der die Verarbeitung erleichterte: etwa 940 Grad im Vergleich zu 1400 Grad bei Silizium (fast gleich wie Stahl). Aufgrund des hohen Schmelzpunkts war es äußerst schwierig, einen Rohling herzustellen, der nicht in das geschmolzene Silizium eindringt und dieses verunreinigt.
Daher verbrachten Lark-Horowitz und seine Kollegen den gesamten Krieg damit, die chemischen, elektrischen und physikalischen Eigenschaften von Germanium zu untersuchen. Das größte Hindernis war die „Sperrspannung“: Germanium-Gleichrichter stellten bei sehr niedriger Spannung die Gleichrichtung des Stroms ein und ließen ihn in die entgegengesetzte Richtung fließen. Der Rückstromimpuls verbrannte die restlichen Komponenten des Radars. Einer der Doktoranden von Lark-Horowitz, Seymour Benzer, untersuchte dieses Problem mehr als ein Jahr lang und entwickelte schließlich einen Zusatz auf Zinnbasis, der Rückwärtsimpulse bei Spannungen von bis zu Hunderten von Volt stoppte. Kurz darauf begann Western Electric, die Produktionsabteilung von Bell Labs, mit der Produktion von Benzer-Gleichrichtern für militärische Zwecke.
Das Studium des Germaniums in Purdue wurde nach dem Krieg fortgesetzt. Im Juni 1947 berichtete Benzer, bereits Professor, über eine ungewöhnliche Anomalie: Bei einigen Experimenten traten hochfrequente Schwingungen in Germaniumkristallen auf. Und sein Kollege Ralph Bray setzte die Untersuchung des „volumetrischen Widerstands“ im Rahmen eines während des Krieges begonnenen Projekts fort. Der Durchgangswiderstand beschrieb, wie Strom im Germaniumkristall an der Kontaktstelle des Gleichrichters fließt. Bray fand heraus, dass Hochspannungsimpulse den Widerstand von Germanium vom n-Typ gegenüber diesen Strömen deutlich verringerten. Ohne es zu wissen, wurde er Zeuge des sogenannten. „Minderheit“-Ladungsträger. In Halbleitern vom n-Typ dient die überschüssige negative Ladung als Mehrheitsladungsträger, aber auch positive „Löcher“ können Strom transportieren. In diesem Fall erzeugten die Hochspannungsimpulse Löcher in der Germaniumstruktur, wodurch Minderheitsladungsträger auftraten .
Bray und Benzer kamen dem Germaniumverstärker verlockend nahe, ohne es zu merken. Benzer traf Walter Brattain, einen Wissenschaftler der Bell Labs, auf einer Konferenz im Januar 1948, um mit ihm über den Volumenwiderstand zu diskutieren. Er schlug Brattain vor, einen weiteren Punktkontakt neben dem ersten zu platzieren, der Strom leiten konnte, und dann könnten sie vielleicht verstehen, was unter der Oberfläche geschah. Brattain stimmte diesem Vorschlag stillschweigend zu und ging. Wie wir sehen werden, wusste er nur zu gut, was ein solches Experiment offenbaren könnte.
One-sous-Bois
Die Purdue-Gruppe verfügte sowohl über die Technologie als auch über die theoretische Grundlage, um den Sprung zum Transistor zu wagen. Aber sie konnten nur durch Zufall darauf gestoßen sein. Sie interessierten sich für die physikalischen Eigenschaften des Materials und nicht für die Suche nach einem neuen Gerätetyp. Eine ganz andere Situation herrschte in Aunes-sous-Bois (Frankreich), wo zwei ehemalige Radarforscher aus Deutschland, Heinrich Welker und Herbert Mathare, ein Team leiteten, dessen Ziel es war, industrielle Halbleiterbauelemente zu entwickeln.
Welker studierte zunächst Physik und lehrte dann an der Universität München unter der Leitung des berühmten Theoretikers Arnold Sommerfeld. Ab 1940 verließ er einen rein theoretischen Weg und begann mit der Arbeit an einem Radar für die Luftwaffe. Mathare (belgischer Herkunft) wuchs in Aachen auf, wo er Physik studierte. 1939 trat er in die Forschungsabteilung des deutschen Radioriesen Telefunken ein. Während des Krieges verlegte er seine Arbeit von Berlin nach Osten in die Abtei in Schlesien, um Luftangriffen der Alliierten zu entgehen, und dann zurück nach Westen, um der vorrückenden Roten Armee auszuweichen, und fiel schließlich in die Hände der amerikanischen Armee.
Wie ihre Rivalen in der Anti-Hitler-Koalition wussten die Deutschen Anfang der 1940er Jahre, dass Kristalldetektoren ideale Empfänger für Radar waren und dass Silizium und Germanium die vielversprechendsten Materialien für ihre Herstellung waren. Mathare und Welker versuchten während des Krieges, den effizienten Einsatz dieser Materialien in Gleichrichtern zu verbessern. Nach dem Krieg wurden beide regelmäßig zu ihrer militärischen Arbeit verhört und erhielten schließlich 1946 eine Einladung eines französischen Geheimdienstoffiziers nach Paris.
Compagnie des Freins & Signaux („Unternehmen für Bremsen und Signale“), eine französische Abteilung von Westinghouse, erhielt von der französischen Telefonbehörde den Auftrag, Festkörpergleichrichter zu entwickeln, und suchte deutsche Wissenschaftler um Hilfe. Ein solches Bündnis der jüngsten Feinde mag seltsam erscheinen, aber diese Vereinbarung erwies sich für beide Seiten als recht günstig. Die 1940 besiegten Franzosen hatten keine Möglichkeit, Kenntnisse auf dem Gebiet der Halbleiter zu erlangen, und brauchten dringend die Fähigkeiten der Deutschen. Die Deutschen konnten in einem besetzten und vom Krieg zerrissenen Land keine Entwicklung in irgendeinem High-Tech-Bereich durchführen, also nutzten sie die Gelegenheit, um weiterzuarbeiten.
Welker und Mathare richteten ihr Hauptquartier in einem zweistöckigen Haus im Pariser Vorort Aunes-sous-Bois ein und brachten mit Hilfe eines Teams von Technikern Ende 1947 erfolgreich Germanium-Gleichrichter auf den Markt. Dann wandten sie sich ernsteren Dingen zu Preise: Welker widmete sich wieder den Supraleitern und Mathare den Verstärkern.
Herbert Mathare im Jahr 1950
Während des Krieges experimentierte Mathare mit Zweipunktkontakt-Gleichrichtern – „Duodeoden“ –, um das Schaltungsrauschen zu reduzieren. Er nahm seine Experimente wieder auf und entdeckte bald, dass ein zweiter Katzenschnurrbart, der sich 1/100 Millionstel Meter vom ersten entfernt befindet, manchmal den durch den ersten Schnurrbart fließenden Strom modulieren kann. Er schuf einen Halbleiterverstärker, wenn auch einen eher nutzlosen. Um eine zuverlässigere Leistung zu erzielen, wandte er sich an Welker, der während des Krieges umfangreiche Erfahrungen bei der Arbeit mit Germaniumkristallen gesammelt hatte. Welkers Team züchtete größere, reinere Proben von Germaniumkristallen, und als sich die Qualität des Materials verbesserte, wurden Mathare-Punktkontaktverstärker im Juni 1948 zuverlässig.
Röntgenbild eines „Transistrons“ auf Basis der Mathare-Schaltung, das zwei Kontaktpunkte mit Germanium aufweist
Mathare hatte sogar ein theoretisches Modell für das Geschehen: Er glaubte, dass der zweite Kontakt Löcher in das Germanium machte, den Stromfluss durch den ersten Kontakt beschleunigte und Minderheitsladungsträger lieferte. Welker war anderer Meinung und glaubte, dass das, was geschah, von einer Art Feldeffekt abhing. Bevor sie jedoch das Gerät oder die Theorie ausarbeiten konnten, erfuhren sie, dass eine Gruppe Amerikaner sechs Monate zuvor genau das gleiche Konzept entwickelt hatte – einen Germaniumverstärker mit zwei Punktkontakten.
Murray Hill
Am Ende des Krieges reformierte Mervyn Kelly die Halbleiterforschungsgruppe von Bell Labs unter der Leitung von Bill Shockley. Das Projekt wuchs, erhielt mehr Mittel und zog von seinem ursprünglichen Laborgebäude in Manhattan auf einen expandierenden Campus in Murray Hill, New Jersey.
Murray Hill Campus, ca. 1960
Um sich wieder mit fortschrittlichen Halbleitern vertraut zu machen (nach seiner Zeit in der Operations Research während des Krieges), besuchte Shockley im Frühjahr 1945 das Holmdel-Labor von Russell Ohl. Ohl verbrachte die Kriegsjahre mit der Arbeit an Silizium und verschwendete keine Zeit. Er zeigte Shockley einen groben Verstärker seiner eigenen Konstruktion, den er „Desister“ nannte. Er nahm einen Punktkontakt-Gleichrichter aus Silizium und schickte Strom aus der Batterie durch ihn. Anscheinend verringerte die Wärme der Batterie den Widerstand am Kontaktpunkt und verwandelte den Gleichrichter in einen Verstärker, der eingehende Funksignale an einen Stromkreis übertragen konnte, der stark genug war, um einen Lautsprecher zu betreiben
Der Effekt war grob und unzuverlässig und für eine Kommerzialisierung ungeeignet. Dies reichte jedoch aus, um Shockleys Meinung zu bestätigen, dass es möglich sei, einen Halbleiterverstärker zu entwickeln, und dass dies zu einer Priorität für die Forschung auf dem Gebiet der Festkörperelektronik gemacht werden sollte. Es war auch dieses Treffen mit Olas Team, das Shockley davon überzeugte, dass Silizium und Germanium zuerst untersucht werden sollten. Sie wiesen attraktive elektrische Eigenschaften auf, und Ohls Metallurgenkollegen Jack Skaff und Henry Theurer hatten während des Krieges erstaunliche Erfolge bei der Züchtung, Reinigung und Dotierung dieser Kristalle erzielt und alle für andere Halbleitermaterialien verfügbaren Technologien übertroffen. Shockleys Gruppe wollte keine Zeit mehr mit Kupferoxidverstärkern aus der Vorkriegszeit verschwenden.
Mit Kellys Hilfe begann Shockley, ein neues Team zusammenzustellen. Zu den Hauptakteuren gehörten Walter Brattain, der Shockley bei seinem ersten Versuch eines Festkörperverstärkers (1940) half, und John Bardeen, ein junger Physiker und neuer Mitarbeiter von Bell Labs. Bardeen verfügte wahrscheinlich von allen Teammitgliedern über die umfassendsten Kenntnisse der Festkörperphysik – in seiner Dissertation beschrieb er die Energieniveaus von Elektronen in der Struktur von Natriummetall. Er war auch ein weiterer Schützling von John Hasbrouck Van Vleck, wie Atanasov und Brattain.
Und wie Atanasov erforderten auch die Dissertationen von Bardeen und Shockley äußerst komplexe Berechnungen. Sie mussten die von Alan Wilson definierte quantenmechanische Theorie der Halbleiter nutzen, um die Energiestruktur von Materialien mit Monroes Tischrechner zu berechnen. Indem sie bei der Entwicklung des Transistors halfen, trugen sie tatsächlich dazu bei, künftigen Doktoranden diese Arbeit zu ersparen.
Shockleys erster Ansatz für einen Festkörperverstärker basierte auf dem, was später als „". Er hängte eine Metallplatte über einen Halbleiter vom n-Typ (mit einem Überschuss an negativen Ladungen). Durch das Anlegen einer positiven Ladung an die Platte wurden überschüssige Elektronen auf die Oberfläche des Kristalls gezogen, wodurch ein Fluss negativer Ladungen entstand, durch den leicht elektrischer Strom fließen konnte. Das verstärkte Signal (dargestellt durch den Ladungspegel auf dem Wafer) könnte auf diese Weise den Hauptschaltkreis modulieren (der entlang der Oberfläche des Halbleiters verläuft). Die Effizienz dieses Schemas wurde ihm durch seine theoretischen Kenntnisse der Physik nahegelegt. Aber trotz vieler Experimente und Experimente funktionierte das Schema nie.
Bis März 1946 hatte Bardeen eine ausgereifte Theorie entwickelt, die den Grund dafür erklärte: Die Oberfläche eines Halbleiters verhält sich auf der Quantenebene anders als sein Inneres. An die Oberfläche gezogene negative Ladungen werden in „Oberflächenzuständen“ gefangen und verhindern, dass das elektrische Feld durch die Platte in das Material eindringt. Der Rest des Teams fand diese Analyse überzeugend und startete ein neues Forschungsprogramm auf drei Wegen:
- Beweisen Sie die Existenz von Oberflächenzuständen.
- Studieren Sie ihre Eigenschaften.
- Finden Sie heraus, wie Sie sie besiegen und dafür sorgen können, dass es klappt .
Nach anderthalb Jahren Forschung und Experimenten gelang Brattain am 17. November 1947 der Durchbruch. Er entdeckte, dass, wenn er eine mit Ionen gefüllte Flüssigkeit wie Wasser zwischen einen Wafer und einen Halbleiter platzierte, ein elektrisches Feld vom Wafer die Ionen in Richtung des Halbleiters drückte, wo sie in Oberflächenzuständen eingeschlossene Ladungen neutralisieren würden. Jetzt konnte er das elektrische Verhalten eines Stücks Silizium steuern, indem er die Ladung auf dem Wafer veränderte. Dieser Erfolg brachte Bardeen auf die Idee für einen neuen Ansatz zur Entwicklung eines Verstärkers: Umgeben Sie den Kontaktpunkt des Gleichrichters mit Elektrolytwasser und verwenden Sie dann einen zweiten Draht im Wasser, um die Oberflächenbedingungen und damit die Leitfähigkeit der Hauptleitung zu steuern Kontakt. So erreichten Bardeen und Brattain die Ziellinie.
Bardeens Idee funktionierte, aber die Verstärkung war schwach und arbeitete bei sehr niedrigen Frequenzen, die für das menschliche Ohr unzugänglich waren – daher war er als Telefon- oder Radioverstärker unbrauchbar. Bardeen schlug vor, auf das in Purdue hergestellte rückspannungsbeständige Germanium umzusteigen, da er glaubte, dass sich auf seiner Oberfläche weniger Ladungen ansammeln würden. Plötzlich erlebten sie einen kräftigen Anstieg, allerdings in die entgegengesetzte Richtung als erwartet. Sie entdeckten den Minoritätsträgereffekt – anstelle der erwarteten Elektronen wurde der durch Germanium fließende Strom durch Löcher aus dem Elektrolyten verstärkt. Der Strom auf dem Draht im Elektrolyten erzeugte eine Schicht vom p-Typ (ein Bereich mit überschüssigen positiven Ladungen) auf der Oberfläche des Germaniums vom n-Typ.
Nachfolgende Experimente zeigten, dass überhaupt kein Elektrolyt erforderlich war: Indem man einfach zwei Kontaktpunkte nahe an der Germaniumoberfläche platzierte, war es möglich, den Strom von einem von ihnen auf den Strom des anderen zu modulieren. Um sie so nah wie möglich zu bringen, wickelte Brattain ein Stück Goldfolie um ein dreieckiges Stück Plastik und schnitt die Folie am Ende vorsichtig ab. Dann drückte er das Dreieck mit einer Feder gegen das Germanium, wodurch die beiden Kanten des Schnitts dessen Oberfläche im Abstand von 0,05 mm berührten. Dies verlieh dem Transistor-Prototyp von Bell Labs sein unverwechselbares Aussehen:
Transistorprototyp von Brattain und Bardeen
Wie das Gerät von Mathare und Welker war es im Prinzip ein klassischer „Katzenbart“, nur mit zwei Kontaktpunkten statt einem. Am 16. Dezember kam es zu einem deutlichen Leistungs- und Spannungsanstieg und einer Frequenz von 1000 Hz im hörbaren Bereich. Eine Woche später hatten Bardeen und Brattain nach geringfügigen Verbesserungen die Spannung um das Hundertfache und die Leistung um das 100-fache erhöht und den Direktoren von Bell gezeigt, dass ihr Gerät hörbare Sprache erzeugen konnte. John Pierce, ein weiteres Mitglied des Halbleiter-Entwicklungsteams, prägte den Begriff „Transistor“ nach dem Namen des Kupferoxid-Gleichrichters von Bell, dem Varistor.
Während der nächsten sechs Monate hielt das Labor die neue Kreation geheim. Das Management wollte sicherstellen, dass es einen Vorsprung bei der Kommerzialisierung des Transistors hatte, bevor jemand anderes ihn in die Hände bekam. Für den 30. Juni 1948 war eine Pressekonferenz angesetzt, gerade rechtzeitig, um Welkers und Mathares Träume von der Unsterblichkeit zu zerstören. Unterdessen brach die Halbleiterforschungsgruppe still und leise zusammen. Nachdem er von den Erfolgen von Bardeen und Brattain erfahren hatte, begann ihr Chef, Bill Shockley, daran zu arbeiten, alle Ehre für sich einzustreichen. Und obwohl er nur eine beobachtende Rolle spielte, erhielt Shockley in der öffentlichen Präsentation die gleiche, wenn nicht sogar noch größere Publizität – wie auf diesem veröffentlichten Foto von ihm mitten im Geschehen direkt neben einem Labortisch zu sehen ist:
Werbefoto von 1948 – Bardeen, Shockley und Brattain
Der gleiche Ruhm reichte Shockley jedoch nicht aus. Und bevor jemand außerhalb von Bell Labs von dem Transistor wusste, war er damit beschäftigt, ihn für sich selbst neu zu erfinden. Und dies war nur die erste von vielen derartigen Neuerfindungen.
Was gibt es sonst noch zu lesen?
- Robert Buderi, Die Erfindung, die die Welt veränderte (1996)
- Michael Riordan, „How Europe Missed the Transistor“, IEEE Spectrum (1. November 2005)
- Michael Riordan und Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
- Armand Van Dormael, „Der ‚französische‘ Transistor“ (1994)
Source: habr.com