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Der Weg zu Halbleiterschaltern war lang und schwierig. Es begann mit der Entdeckung, dass sich bestimmte Materialien in Gegenwart von Elektrizität seltsam verhalten – anders als die damals existierenden Theorien vorhersagten. Was folgte, war eine Geschichte darüber, wie Technologie im XNUMX. Jahrhundert zu einer zunehmend wissenschaftlichen und institutionellen Disziplin wurde. Amateure, Anfänger und professionelle Erfinder ohne wissenschaftliche Ausbildung leisteten ernsthafte Beiträge zur Entwicklung von Telegrafie, Telefonie und Radio. Aber wie wir sehen werden, stammen fast alle Fortschritte in der Geschichte der Festkörperelektronik von Wissenschaftlern, die an Universitäten studiert haben (und normalerweise einen Doktortitel in Physik haben) und an Universitäten oder Forschungslabors von Unternehmen gearbeitet haben.
Jeder, der Zugang zu einer Werkstatt und grundlegende Materialkenntnisse hat, kann ein Relais aus Drähten, Metall und Holz zusammenbauen. Für die Herstellung von Vakuumröhren sind speziellere Werkzeuge erforderlich, mit denen ein Glaskolben hergestellt und die Luft herausgepumpt werden kann. Halbleitergeräte verschwanden in einem Kaninchenbau, aus dem der digitale Schalter nie wieder zurückkehrte, und tauchten immer tiefer in Welten ein, die nur für abstrakte Mathematik verständlich und nur mit Hilfe wahnsinnig teurer Geräte zugänglich waren.
Galena
In 1874 Jahr
Ferdinand Braun
Brown wurde durch seine Arbeit von Sulfiden fasziniert – Mineralkristallen, die aus Schwefelverbindungen mit Metallen bestehen
Etwa zur gleichen Zeit entdeckten Forscher weitere seltsame Eigenschaften von Materialien wie Selen, das aus bestimmten Metallsulfiderzen geschmolzen werden konnte. Unter Lichteinwirkung erhöhte Selen die Leitfähigkeit und begann sogar, Strom zu erzeugen, und es konnte auch zur Gleichrichtung verwendet werden. Gab es einen Zusammenhang mit Sulfidkristallen? Ohne theoretische Modelle zur Erklärung des Geschehens befand sich das Fachgebiet in einem Zustand der Verwirrung.
Der Mangel an Theorie hinderte jedoch nicht daran, die Ergebnisse in die Praxis umzusetzen. In den späten 1890er Jahren wurde Brown Professor an der Universität Straßburg, die kürzlich von Frankreich annektiert wurde
Zu den Aspekten des Radios, die Browns Gruppe verbessern wollte, gehörte der damals Standardempfänger,
Es ist jedoch so
Katzenbart-Detektor basierend auf Bleiglanz. Das kleine Stück Draht auf der linken Seite ist der Whisker, und das Stück silbriges Material unten ist der Galenitkristall.
Wie frustrierte Funkamateure jedoch bald herausfanden, konnte es Minuten oder sogar Stunden dauern, bis der magische Punkt auf der Oberfläche des Kristalls gefunden war, der eine gute Gleichrichtung ermöglichen würde. Und die Signale ohne Verstärkung waren schwach und hatten einen metallischen Klang. In den 1920er Jahren hatten Vakuumröhrenempfänger mit Triodenverstärkern Kristalldetektoren fast überall überflüssig gemacht. Ihr einziges attraktives Merkmal war ihre Billigkeit.
Dieser kurze Auftritt im Radiobereich schien die Grenze der praktischen Anwendung der seltsamen elektrischen Eigenschaften des von Brown und anderen entdeckten Materials zu sein.
Kupferoxid
Dann entdeckte in den 1920er Jahren ein anderer Physiker namens Lars Gröndahl mit seinem Versuchsaufbau etwas Seltsames. Gröndahl, der erste einer Reihe kluger und ruheloser Männer in der Geschichte des amerikanischen Westens, war der Sohn eines Bauingenieurs. Sein Vater, der 1880 aus Norwegen ausgewandert war, arbeitete mehrere Jahrzehnte lang bei Eisenbahnen in Kalifornien, Oregon und Washington. Zunächst schien Gröndahl entschlossen zu sein, die Ingenieurswelt seines Vaters hinter sich zu lassen und an der Johns Hopkins University zu promovieren, um in Physik zu promovieren und eine akademische Laufbahn einzuschlagen. Doch dann stieg er in das Eisenbahngeschäft ein und übernahm eine Stelle als Forschungsdirektor bei Union Switch and Signal, einer Abteilung des Industrieriesen.
Verschiedene Quellen geben widersprüchliche Gründe für Gröndahls Motivation für seine Forschung an, aber wie dem auch sei, er begann mit einseitig erhitzten Kupferscheiben zu experimentieren, um eine oxidierte Schicht zu erzeugen. Während er mit ihnen arbeitete, bemerkte er die Asymmetrie des Stroms – der Widerstand in einer Richtung war dreimal größer als in der anderen. Eine Scheibe aus Kupfer und Kupferoxid richtete den Strom gleich, genau wie ein Sulfidkristall.
Kupferoxid-Gleichrichterschaltung
Grondahl verbrachte die nächsten sechs Jahre damit, auf der Grundlage dieses Phänomens einen gebrauchsfertigen kommerziellen Gleichrichter zu entwickeln, wobei er die Hilfe eines anderen US-Forschers, Paul Geiger, in Anspruch nahm, bevor er 1926 einen Patentantrag einreichte und seine Entdeckung der American Physical Society bekannt gab. Das Gerät wurde sofort ein kommerzieller Hit. Aufgrund des Fehlens zerbrechlicher Filamente war er wesentlich zuverlässiger als der Vakuumröhrengleichrichter nach dem Fleming-Ventil-Prinzip und kostengünstiger in der Herstellung. Im Gegensatz zu Brown-Gleichrichterkristallen funktionierte es beim ersten Versuch und aufgrund der größeren Kontaktfläche zwischen dem Metall und dem Oxid funktionierte es mit einem größeren Strom- und Spannungsbereich. Es könnte Batterien laden, Signale in verschiedenen elektrischen Systemen erkennen und als Sicherheitsshunt in leistungsstarken Generatoren fungieren. Bei Verwendung als Fotozelle konnten die Scheiben als Lichtmesser fungieren und waren besonders in der Fotografie nützlich. Etwa zur gleichen Zeit entwickelten andere Forscher Selengleichrichter, die ähnliche Anwendungen fanden.
Eine Packung Gleichrichter auf Basis von Kupferoxid. Durch den Zusammenbau mehrerer Scheiben wurde der Sperrwiderstand erhöht, was den Einsatz mit Hochspannung ermöglichte.
Einige Jahre später kamen zwei Bell Labs-Physiker, Joseph Becker und
Brattain im Alter – ca. 1950
Brattain stammte aus der gleichen Gegend wie Grondal im pazifischen Nordwesten, wo er auf einer Farm wenige Kilometer von der kanadischen Grenze entfernt aufwuchs. In der High School interessierte er sich für Physik, zeigte Begabung auf diesem Gebiet und erhielt schließlich Ende der 1920er Jahre einen Doktortitel von der University of Minnesota und nahm 1929 eine Stelle bei Bell Laboratories an. An der Universität studierte er unter anderem die neueste theoretische Physik, die in Europa immer beliebter wurde und als Quantenmechanik bekannt ist (ihr Kurator war
Quantenrevolution
In den letzten drei Jahrzehnten hat sich langsam eine neue theoretische Plattform entwickelt, die zu gegebener Zeit in der Lage sein wird, all die seltsamen Phänomene zu erklären, die seit Jahren in Materialien wie Bleiglanz, Selen und Kupferoxid beobachtet werden. Eine ganze Kohorte überwiegend junger Physiker, vor allem aus Deutschland und den Nachbarländern, sorgte für eine Quantenrevolution in der Physik. Überall, wo sie hinsahen, fanden sie nicht die glatte und kontinuierliche Welt, die man ihnen beigebracht hatte, sondern seltsame, diskrete Klumpen.
Alles begann in den 1890er Jahren. Max Planck, ein berühmter Professor an der Universität Berlin, beschloss, sich mit einem bekannten ungelösten Problem zu befassen: Wie „
Bald darauf entdeckte Einstein, dass dasselbe bei der Absorption von Licht (der erste Hinweis auf Photonen) geschah, und J. J. Thomson zeigte, dass Elektrizität auch nicht von einer kontinuierlichen Flüssigkeit oder Welle, sondern von diskreten Teilchen – Elektronen – getragen wird. Niels Bohr erstellte daraufhin ein Modell, um zu erklären, wie angeregte Atome Strahlung aussenden, indem er Elektronen einzelnen Bahnen im Atom zuordnete, jede mit ihrer eigenen Energie. Dieser Name ist jedoch irreführend, da sie sich überhaupt nicht wie die Umlaufbahnen von Planeten verhalten – in Bohrs Modell sprangen Elektronen sofort von einer Umlaufbahn oder einem Energieniveau auf eine andere, ohne einen Zwischenzustand zu durchlaufen. Schließlich schufen Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Born und andere in den 1920er Jahren eine verallgemeinerte mathematische Plattform namens Quantenmechanik, die alle speziellen Quantenmodelle umfasste, die in den letzten zwanzig Jahren erstellt wurden.
Zu diesem Zeitpunkt waren sich die Physiker bereits sicher, dass Materialien wie Selen und Bleiglanz, die photovoltaische und gleichrichtende Eigenschaften aufwiesen, zu einer separaten Materialklasse gehörten, die sie Halbleiter nannten. Die Klassifizierung dauerte aus mehreren Gründen so lange. Erstens waren die Kategorien „Leiter“ und „Isolatoren“ selbst recht weit gefasst. T.N. „Leiter“ unterschieden sich enorm in ihrer Leitfähigkeit, und das Gleiche galt (in geringerem Maße) auch für Isolatoren, und es war nicht klar, wie ein bestimmter Leiter in eine dieser Klassen eingeteilt werden konnte. Darüber hinaus war es bis zur Mitte des XNUMX. Jahrhunderts unmöglich, sehr reine Substanzen zu gewinnen oder herzustellen, und etwaige Unregelmäßigkeiten in der Leitfähigkeit natürlicher Materialien waren stets auf Verunreinigungen zurückzuführen.
Die Physiker verfügten nun sowohl über die mathematischen Werkzeuge der Quantenmechanik als auch über eine neue Klasse von Materialien, auf die sie angewendet werden konnten. Britischer Theoretiker
Zunächst argumentierte Wilson, dass sich leitfähige Materialien von Dielektrika im Zustand ihrer Energiebänder unterscheiden. Die Quantenmechanik besagt, dass Elektronen in einer begrenzten Anzahl von Energieniveaus existieren können, die in den Schalen oder Orbitalen einzelner Atome zu finden sind. Wenn man diese Atome in der Struktur eines Materials zusammendrückt, wäre es richtiger, sich durchgehende Energiezonen vorzustellen, die durch das Material verlaufen. In Leitern in Hochenergiebändern gibt es Leerräume, und das elektrische Feld kann dort Elektronen frei bewegen. Bei Isolatoren sind die Zonen gefüllt, und es ist ein ziemlich langer Aufstieg, um die höher gelegene, leitende Zone zu erreichen, durch die der Strom leichter fließen kann.
Dies führte ihn zu der Schlussfolgerung, dass Verunreinigungen – Fremdatome in der Struktur eines Materials – zu dessen Halbleitereigenschaften beitragen müssen. Sie können entweder zusätzliche Elektronen liefern, die leicht in das Leitungsband entweichen, oder Löcher – ein Elektronenmangel im Vergleich zum Rest des Materials –, wodurch leere Energieräume entstehen, in denen sich freie Elektronen bewegen können. Die erste Option wurde später wegen der überschüssigen negativen Ladung als n-Typ-Halbleiter (oder elektronischer Halbleiter) bezeichnet, die zweite wegen der überschüssigen positiven Ladung als p-Typ- oder Loch-Halbleiter.
Schließlich schlug Wilson vor, dass die Stromgleichrichtung durch Halbleiter mit Quantenquantenbegriffen erklärt werden könnte.
Trotz aller Durchbrüche Wilsons blieben Halbleiter also weiterhin schwer zu erklären. Wie sich allmählich herausstellte, wirkten sich mikroskopische Veränderungen in der Kristallstruktur und der Konzentration von Verunreinigungen überproportional auf ihr makroskopisches elektrisches Verhalten aus. Bratteyn und Becker ignorierten den Mangel an Verständnis – weil niemand jemals die experimentellen Beobachtungen von Brown 60 Jahre zuvor erklären konnte – und entwickelten für ihren Arbeitgeber ein effizientes Herstellungsverfahren für Kupferoxid-Gleichrichter. Das Bell-System begann schnell damit, die Vakuumröhrengleichrichter im gesamten System durch ein neues Gerät zu ersetzen, das die Ingenieure nannten
Goldmedaille
Mervyn Kelly, ein Physiker und ehemaliger Leiter der Vakuumröhrenabteilung von Bell Labs, interessierte sich sehr für diese Entwicklung. Im Laufe einiger Jahrzehnte leisteten Vakuumröhren für Bell unschätzbare Dienste und konnten Funktionen ausführen, die mit der vorherigen Generation mechanischer und elektromechanischer Komponenten nicht möglich waren. Aber sie liefen heiß, überhitzten sich regelmäßig, verbrauchten viel Energie und waren schwer zu warten. Kelly beabsichtigte, Bells System mit zuverlässigeren und langlebigeren elektronischen Festkörperkomponenten wie Varistoren umzubauen, die keine versiegelten, gasgefüllten oder leeren Gehäuse oder heißen Glühfäden erforderten. 1936 wurde er Leiter der Forschungsabteilung von Bell Labs und begann, die Organisation auf einen neuen Weg zu lenken.
Nachdem wir einen Halbleitergleichrichter erhalten hatten, bestand der nächste offensichtliche Schritt darin, einen Halbleiterverstärker zu entwickeln. Natürlich könnte ein solches Gerät wie ein Röhrenverstärker auch als digitaler Schalter fungieren. Dies war für Bells Unternehmen von besonderem Interesse, da in Telefonvermittlungsstellen noch immer eine große Anzahl elektromechanischer Digitalschalter zum Einsatz kam. Das Unternehmen war auf der Suche nach einem zuverlässigeren, kleineren, energieeffizienteren und kühleren Ersatz für die Vakuumröhre in Telefonsystemen, Radios, Radargeräten und anderen analogen Geräten, wo sie zur Verstärkung schwacher Signale auf ein für das menschliche Ohr hörbares Niveau eingesetzt werden.
Im Jahr 1936 hoben die Bell Laboratories schließlich den Einstellungsstopp auf, der im Jahr XNUMX verhängt worden war
Brattain und Becker setzten in dieser Zeit ihre Forschungen zum Kupferoxid-Gleichrichter fort und suchten nach einem verbesserten Festkörperverstärker. Der naheliegendste Weg, dies zu erreichen, bestand darin, der Analogie mit einer Vakuumröhre zu folgen. Genau wie Lee de Forest einen Röhrenverstärker nahm und
Unterdessen zeigten andere Entwicklungen, dass Bell Labs nicht das einzige Unternehmen war, das sich für Festkörperelektronik interessierte. Im Jahr 1938 veröffentlichten Rudolf Hilsch und Robert Pohl die Ergebnisse von Experimenten, die an der Universität Göttingen an einem funktionierenden Festkörperverstärker durchgeführt wurden, der durch Einbringen eines Gitters in einen Kaliumbromidkristall entstand. Dieses Laborgerät hatte keinen praktischen Nutzen, vor allem weil es mit einer Frequenz von nicht mehr als 1 Hz arbeitete. Und doch konnte diese Errungenschaft allen, die sich für Festkörperelektronik interessieren, nur gefallen. Im selben Jahr wies Kelly Shockley einer neuen unabhängigen Forschungsgruppe für Festkörpergeräte zu und gab ihm und seinen Kollegen Foster Nix und Dean Woolridge freie Hand, ihre Fähigkeiten zu erkunden.
Mindestens zwei weiteren Erfindern gelang es vor dem Zweiten Weltkrieg, Festkörperverstärker zu entwickeln. 1922 sowjetischer Physiker und Erfinder
Shockleys erste wichtige Einsicht in seine neue Position erlangte er, als er das Werk „The Theory of Crystalline Rectifiers“ des britischen Physikers Neville Moth aus dem Jahr 1938 las, in dem schließlich das Funktionsprinzip des Grondahl-Kupferoxidgleichrichters erläutert wurde. Mott nutzte die Mathematik der Quantenmechanik, um die Bildung eines elektrischen Feldes an der Verbindungsstelle eines leitenden Metalls und eines halbleitenden Oxids zu beschreiben und wie Elektronen über diese elektrische Barriere „springen“ statt zu tunneln, wie Wilson vorgeschlagen hat. Der Strom fließt leichter vom Metall zum Halbleiter als umgekehrt, da das Metall viel mehr freie Elektronen hat.
Dies führte Shockley zu genau der gleichen Idee, die Brattain und Becker Jahre zuvor in Betracht gezogen und verworfen hatten: die Herstellung eines Festkörperverstärkers durch Einfügen eines Kupferoxidnetzes zwischen Kupfer und Kupferoxid. Er hoffte, dass der durch das Gitter fließende Strom die Barriere erhöhen würde, die den Stromfluss vom Kupfer zum Oxid begrenzt, und so eine invertierte, verstärkte Version des Signals im Gitter erzeugen würde. Sein erster grober Versuch scheiterte völlig, also wandte er sich an einen Mann mit verfeinerten Laborkenntnissen und Vertrautheit mit Gleichrichtern: Walter Brattain. Und obwohl er keine Zweifel am Ergebnis hatte, erklärte sich Brattain bereit, Shockleys Neugier zu befriedigen und entwickelte eine komplexere Version des „Gitter“-Verstärkers. Sie weigerte sich auch zu arbeiten.
Dann kam es zum Krieg, der Kellys neues Forschungsprogramm ins Wanken brachte. Kelly wurde Leiterin der Radar-Arbeitsgruppe bei Bell Labs, unterstützt vom wichtigsten US-amerikanischen Radarforschungszentrum am MIT. Brattain arbeitete kurz für ihn und forschte dann für die Marine an der magnetischen Erkennung von U-Booten. Woolridge arbeitete an Feuerleitsystemen, Nix arbeitete an der Gasdiffusion für das Manhattan-Projekt und Shockley widmete sich der operativen Forschung, zunächst an der U-Boot-Abwehr im Atlantik und dann an strategischen Bombenangriffen im Pazifik.
Doch trotz dieser Intervention stoppte der Krieg die Entwicklung der Festkörperelektronik nicht. Im Gegenteil, es orchestrierte eine massive Infusion von Ressourcen in diesem Bereich und führte zu einer Konzentration der Forschung auf zwei Materialien: Germanium und Silizium.
Was gibt es sonst noch zu lesen?
Ernest Bruan und Stuart MacDonald, Revolution in Miniatur (1978)
Friedrich Kurylo und Charles Süßkind, Ferdinand Braun (1981)
G. L. Pearson und W. H. Brattain, „History of Semiconductor Research“, Proceedings of the IRE (Dezember 1955).
Michael Riordan und Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
Source: habr.com