Άλλα άρθρα της σειράς:
- Η ιστορία του ρελέ
- Ιστορία των ηλεκτρονικών υπολογιστών
- Η ιστορία του τρανζίστορ
- Ιστορία του Διαδικτύου
Το χωνευτήριο του πολέμου έθεσε τις βάσεις για την έλευση του τρανζίστορ. Από το 1939 έως το 1945, οι τεχνικές γνώσεις στον τομέα των ημιαγωγών επεκτάθηκαν πάρα πολύ. Και υπήρχε ένας απλός λόγος για αυτό: ραντάρ. Η πιο σημαντική τεχνολογία πολέμου, παραδείγματα της οποίας περιλαμβάνουν: ανίχνευση αεροπορικών επιδρομών, αναζήτηση υποβρυχίων, κατεύθυνση νυχτερινών αεροπορικών επιδρομών σε στόχους, στόχευση συστημάτων αεράμυνας και ναυτικών όπλων. Οι μηχανικοί έχουν μάθει ακόμη και πώς να βάζουν τα μικροσκοπικά ραντάρ σε βλήματα πυροβολικού έτσι ώστε να εκραγούν καθώς πετούν κοντά στον στόχο - . Ωστόσο, η πηγή αυτής της ισχυρής νέας στρατιωτικής τεχνολογίας ήταν σε ένα πιο ειρηνικό πεδίο: τη μελέτη της ανώτερης ατμόσφαιρας για επιστημονικούς σκοπούς.
Ραντάρ
Το 1901, η Marconi Wireless Telegraph Company μετέδωσε με επιτυχία ένα ασύρματο μήνυμα πέρα από τον Ατλαντικό, από την Κορνουάλη στη Νέα Γη. Αυτό το γεγονός έχει οδηγήσει τη σύγχρονη επιστήμη σε σύγχυση. Εάν οι ραδιοφωνικές εκπομπές ταξιδεύουν σε ευθεία γραμμή (όπως θα έπρεπε), μια τέτοια μετάδοση θα πρέπει να είναι αδύνατη. Δεν υπάρχει άμεση οπτική επαφή μεταξύ Αγγλίας και Καναδά που να μην διασχίζει τη Γη, οπότε το μήνυμα του Μαρκόνι έπρεπε να πετάξει στο διάστημα. Ο Αμερικανός μηχανικός Arthur Kennealy και ο Βρετανός φυσικός Oliver Heaviside πρότειναν ταυτόχρονα και ανεξάρτητα ότι η εξήγηση αυτού του φαινομένου πρέπει να σχετίζεται με ένα στρώμα ιονισμένου αερίου που βρίσκεται στην ανώτερη ατμόσφαιρα, ικανό να ανακλά τα ραδιοκύματα πίσω στη Γη (ο ίδιος ο Marconi πίστευε ότι τα ραδιοκύματα ακολουθούν την καμπυλότητα της επιφάνειας της Γης, ωστόσο, οι φυσικοί δεν το υποστήριξαν).
Μέχρι τη δεκαετία του 1920, οι επιστήμονες είχαν αναπτύξει νέο εξοπλισμό που επέτρεψε πρώτα να αποδείξουν την ύπαρξη της ιονόσφαιρας και στη συνέχεια να μελετήσουν τη δομή της. Χρησιμοποίησαν σωλήνες κενού για να δημιουργήσουν ραδιοπαλμούς βραχέων κυμάτων, κατευθυντικές κεραίες για να τους στείλουν στην ατμόσφαιρα και να καταγράψουν τις ηχώ, και για την επίδειξη των αποτελεσμάτων. Όσο μεγαλύτερη είναι η καθυστέρηση επιστροφής της ηχούς, τόσο πιο μακριά πρέπει να είναι η ιονόσφαιρα. Αυτή η τεχνολογία ονομάστηκε ατμοσφαιρική ηχογράφηση και παρείχε τη βασική τεχνική υποδομή για την ανάπτυξη ραντάρ (ο όρος «ραντάρ», από το RAdio Detection And Ranging, εμφανίστηκε μέχρι τη δεκαετία του 1940 στο Ναυτικό των ΗΠΑ).
Ήταν μόνο θέμα χρόνου να συνειδητοποιήσουν οι άνθρωποι με τις κατάλληλες γνώσεις, πόρους και κίνητρα τις δυνατότητες για επίγειες εφαρμογές τέτοιου εξοπλισμού (άρα η ιστορία του ραντάρ είναι το αντίθετο από την ιστορία του τηλεσκοπίου, το οποίο προοριζόταν για πρώτη φορά για επίγεια χρήση) . Και η πιθανότητα μιας τέτοιας εικόνας αυξήθηκε καθώς το ραδιόφωνο εξαπλώθηκε όλο και περισσότερο σε όλο τον πλανήτη και περισσότεροι άνθρωποι παρατήρησαν παρεμβολές που προέρχονταν από κοντινά πλοία, αεροπλάνα και άλλα μεγάλα αντικείμενα. Η γνώση των τεχνολογιών ηχογράφησης στην ανώτερη ατμόσφαιρα διαδόθηκε κατά τη διάρκεια του δεύτερου (1932-1933), όταν οι επιστήμονες συνέταξαν έναν χάρτη της ιονόσφαιρας από διαφορετικούς αρκτικούς σταθμούς. Αμέσως μετά, ομάδες στη Βρετανία, τις ΗΠΑ, τη Γερμανία, την Ιταλία, την ΕΣΣΔ και άλλες χώρες ανέπτυξαν τα πιο απλά συστήματα ραντάρ τους.
με το ραντάρ του 1935
Μετά συνέβη ο πόλεμος και η σημασία των ραντάρ για τις χώρες —και οι πόροι για την ανάπτυξή τους— αυξήθηκε δραματικά. Στις Ηνωμένες Πολιτείες, αυτοί οι πόροι συγκεντρώθηκαν γύρω από μια νέα οργάνωση που ιδρύθηκε το 1940 στο MIT, γνωστή ως (ονομάστηκε έτσι ειδικά για να παραπλανήσει τους ξένους κατασκόπους και να δημιουργήσει την εντύπωση ότι η ραδιενέργεια μελετήθηκε στο εργαστήριο - εκείνη την εποχή λίγοι άνθρωποι πίστευαν στις ατομικές βόμβες). Το έργο Rad Lab, το οποίο δεν έγινε τόσο διάσημο όσο το Manhattan Project, στρατολόγησε ωστόσο εξίσου εξαιρετικούς και ταλαντούχους φυσικούς από όλες τις Ηνωμένες Πολιτείες στις τάξεις του. Πέντε από τους πρώτους υπαλλήλους του εργαστηρίου (συμπεριλαμβανομένων и ) έλαβε στη συνέχεια βραβεία Νόμπελ. Μέχρι το τέλος του πολέμου, στο εργαστήριο εργάζονταν περίπου 500 διδάκτορες επιστήμης, επιστήμονες και μηχανικοί και συνολικά 4000 άτομα. Μισό εκατομμύριο δολάρια - συγκρίσιμα με ολόκληρο τον προϋπολογισμό της ENIAC - δαπανήθηκαν μόνο για τη σειρά Radiation Laboratory, ένα αρχείο είκοσι επτά τόμων όλης της γνώσης που αποκτήθηκε από το εργαστήριο κατά τη διάρκεια του πολέμου (αν και οι δαπάνες της κυβέρνησης των ΗΠΑ για την τεχνολογία ραντάρ δεν ήταν περιορισμένες στον προϋπολογισμό του Rad Lab· κατά τη διάρκεια του πολέμου η κυβέρνηση αγόρασε ραντάρ αξίας τριών δισεκατομμυρίων δολαρίων).
MIT Building 20, όπου βρισκόταν το Rad Lab
Ένας από τους κύριους τομείς έρευνας του Rad Lab ήταν τα ραντάρ υψηλής συχνότητας. Τα πρώτα ραντάρ χρησιμοποιούσαν μήκη κύματος μετρημένα σε μέτρα. Αλλά οι δέσμες υψηλότερης συχνότητας με μήκη κύματος μετρημένα σε εκατοστά - μικροκύματα - επέτρεπαν πιο συμπαγείς κεραίες και ήταν λιγότερο διασκορπισμένες σε μεγάλες αποστάσεις, υπόσχοντας μεγαλύτερα πλεονεκτήματα σε εμβέλεια και ακρίβεια. Τα ραντάρ μικροκυμάτων θα μπορούσαν να χωρέσουν στη μύτη ενός αεροπλάνου και να ανιχνεύσουν αντικείμενα στο μέγεθος του περισκοπίου ενός υποβρυχίου.
Η πρώτη που έλυσε αυτό το πρόβλημα ήταν μια ομάδα Βρετανών φυσικών από το Πανεπιστήμιο του Μπέρμιγχαμ. Το 1940 ανέπτυξαν "», που λειτουργούσε σαν ηλεκτρομαγνητική «σφυρίχτρα», μετατρέποντας έναν τυχαίο παλμό ηλεκτρισμού σε μια ισχυρή και με ακρίβεια συντονισμένη δέσμη μικροκυμάτων. Αυτός ο πομπός μικροκυμάτων ήταν χίλιες φορές πιο ισχυρός από τον πλησιέστερο ανταγωνιστή του. άνοιξε το δρόμο για πρακτικούς πομπούς ραντάρ υψηλής συχνότητας. Ωστόσο, χρειαζόταν έναν σύντροφο, έναν δέκτη ικανό να ανιχνεύει υψηλές συχνότητες. Και σε αυτό το σημείο επιστρέφουμε στην ιστορία των ημιαγωγών.
Διατομή μαγνητρονίου
Ο δεύτερος ερχομός του μουστάκι της γάτας
Αποδείχθηκε ότι οι σωλήνες κενού δεν ήταν καθόλου κατάλληλοι για τη λήψη σημάτων ραντάρ μικροκυμάτων. Το κενό μεταξύ της θερμής καθόδου και της ψυχρής ανόδου δημιουργεί μια χωρητικότητα, με αποτέλεσμα το κύκλωμα να αρνείται να λειτουργήσει σε υψηλές συχνότητες. Η καλύτερη διαθέσιμη τεχνολογία για ραντάρ υψηλής συχνότητας ήταν η παλιομοδίτικη ""- ένα μικρό κομμάτι σύρματος πιεσμένο πάνω σε ένα κρύσταλλο ημιαγωγών. Αρκετοί άνθρωποι το έχουν ανακαλύψει ανεξάρτητα, αλλά το πιο κοντινό πράγμα στην ιστορία μας είναι αυτό που συνέβη στο Νιου Τζέρσεϊ.
Το 1938, η Bell Labs συνήψε σύμβαση με το Πολεμικό Ναυτικό για την ανάπτυξη ενός ραντάρ ελέγχου πυρκαγιάς στην εμβέλεια των 40 cm—πολύ μικρότερο και επομένως υψηλότερο σε συχνότητα από τα υπάρχοντα ραντάρ στην εποχή του προ-συντονισμού μάγνητρον. Η κύρια ερευνητική εργασία πήγε σε ένα τμήμα εργαστηρίων στο Holmdel, νότια του Staten Island. Δεν χρειάστηκε πολύς χρόνος για να καταλάβουν οι ερευνητές τι θα χρειάζονταν για έναν δέκτη υψηλής συχνότητας και σύντομα ο μηχανικός George Southworth έψαχνε σε καταστήματα ραδιοφώνου στο Μανχάταν για ανιχνευτές παλιών γατών. Όπως ήταν αναμενόμενο, λειτούργησε πολύ καλύτερα από τον ανιχνευτή της λάμπας, αλλά ήταν ασταθής. Έτσι ο Southworth αναζήτησε έναν ηλεκτροχημικό ονόματι Russell Ohl και του ζήτησε να προσπαθήσει να βελτιώσει την ομοιομορφία της απόκρισης ενός ανιχνευτή κρυστάλλων ενός σημείου.
Ο Ol ήταν ένα αρκετά περίεργο άτομο, που θεωρούσε την ανάπτυξη της τεχνολογίας ως το πεπρωμένο του και μιλούσε για περιοδικές ιδέες με οράματα για το μέλλον. Για παράδειγμα, δήλωσε ότι το 1939 γνώριζε για τη μελλοντική εφεύρεση ενός ενισχυτή πυριτίου, αλλά ότι η μοίρα προοριζόταν για άλλο άτομο να τον εφεύρει. Αφού μελέτησε δεκάδες επιλογές, στάθηκε στο πυρίτιο ως η καλύτερη ουσία για τους δέκτες Southworth. Το πρόβλημα ήταν η δυνατότητα ελέγχου του περιεχομένου του υλικού για τον έλεγχο των ηλεκτρικών του ιδιοτήτων. Εκείνη την εποχή, τα βιομηχανικά πλινθώματα πυριτίου ήταν ευρέως διαδεδομένα· χρησιμοποιήθηκαν σε χαλυβουργεία, αλλά σε τέτοια παραγωγή κανείς δεν ενοχλήθηκε, ας πούμε, από την περιεκτικότητα σε φώσφορο 1% στο πυρίτιο. Ζητώντας τη βοήθεια μερικών μεταλλουργών, ο Ol ξεκίνησε να αποκτήσει πολύ καθαρότερα κενά από ό,τι ήταν δυνατό στο παρελθόν.
Καθώς δούλευαν, ανακάλυψαν ότι μερικοί από τους κρυστάλλους τους διόρθωναν το ρεύμα προς τη μία κατεύθυνση, ενώ άλλοι διόρθωναν το ρεύμα προς την άλλη. Τα ονόμασαν «n-type» και «p-type». Περαιτέρω ανάλυση έδειξε ότι διαφορετικοί τύποι ακαθαρσιών ήταν υπεύθυνοι για αυτούς τους τύπους. Το πυρίτιο βρίσκεται στην τέταρτη στήλη του περιοδικού πίνακα, που σημαίνει ότι έχει τέσσερα ηλεκτρόνια στο εξωτερικό του περίβλημα. Σε ένα τυφλό καθαρού πυριτίου, καθένα από αυτά τα ηλεκτρόνια θα συνδυαζόταν με έναν γείτονα. Οι ακαθαρσίες από την τρίτη στήλη, ας πούμε το βόριο, που έχει ένα λιγότερο ηλεκτρόνιο, δημιούργησαν μια «τρύπα», πρόσθετο χώρο για την κίνηση του ρεύματος στον κρύσταλλο. Το αποτέλεσμα ήταν ένας ημιαγωγός τύπου p (με περίσσεια θετικών φορτίων). Στοιχεία από την πέμπτη στήλη, όπως ο φώσφορος, παρείχαν πρόσθετα ελεύθερα ηλεκτρόνια για τη μεταφορά ρεύματος και λήφθηκε ένας ημιαγωγός τύπου n.
Κρυσταλλική δομή πυριτίου
Όλη αυτή η έρευνα ήταν πολύ ενδιαφέρουσα, αλλά μέχρι το 1940 οι Southworth και Ohl δεν ήταν πιο κοντά στη δημιουργία ενός λειτουργικού πρωτοτύπου ενός ραντάρ υψηλής συχνότητας. Ταυτόχρονα, η βρετανική κυβέρνηση ζήτησε άμεσα πρακτικά αποτελέσματα λόγω της διαφαινόμενης απειλής από τη Luftwaffe, η οποία είχε ήδη δημιουργήσει έτοιμους προς παραγωγή ανιχνευτές μικροκυμάτων που λειτουργούσαν παράλληλα με πομπούς μαγνητρόν.
Ωστόσο, η ισορροπία της τεχνολογικής προόδου σύντομα θα κλίνει προς τη δυτική πλευρά του Ατλαντικού. Ο Τσόρτσιλ αποφάσισε να αποκαλύψει όλα τα τεχνικά μυστικά της Βρετανίας στους Αμερικανούς προτού μπει πραγματικά στον πόλεμο (αφού υπέθεσε ότι αυτό θα συνέβαινε ούτως ή άλλως). Πίστευε ότι άξιζε τον κίνδυνο διαρροής πληροφοριών, αφού τότε όλες οι βιομηχανικές δυνατότητες των Ηνωμένων Πολιτειών θα ρίχτηκαν στην επίλυση προβλημάτων όπως τα ατομικά όπλα και τα ραντάρ. Βρετανική Αποστολή Επιστήμης και Τεχνολογίας (περισσότερο γνωστή ως ) έφτασε στην Ουάσιγκτον τον Σεπτέμβριο του 1940 και έφερε στις αποσκευές της ένα δώρο με τη μορφή τεχνολογικών θαυμάτων.
Η ανακάλυψη της απίστευτης δύναμης του συντονισμένου μαγνητρόνου και η αποτελεσματικότητα των βρετανικών ανιχνευτών κρυστάλλων στη λήψη του σήματος αναζωογόνησε την αμερικανική έρευνα στους ημιαγωγούς ως τη βάση του ραντάρ υψηλής συχνότητας. Έπρεπε να γίνει πολλή δουλειά, ειδικά στην επιστήμη των υλικών. Για να καλυφθεί η ζήτηση, οι κρύσταλλοι ημιαγωγών «έπρεπε να παραχθούν σε εκατομμύρια, πολύ περισσότερα από ό,τι ήταν προηγουμένως δυνατό. Ήταν απαραίτητο να βελτιωθεί η διόρθωση, να μειωθεί η ευαισθησία των κραδασμών και η καύση και να ελαχιστοποιηθεί η διακύμανση μεταξύ των διαφορετικών παρτίδων κρυστάλλων».
Ανορθωτής επαφής πυριτίου
Το Rad Lab άνοιξε νέα ερευνητικά τμήματα για να μελετήσει τις ιδιότητες των κρυστάλλων ημιαγωγών και πώς μπορούν να τροποποιηθούν για να μεγιστοποιήσουν τις πολύτιμες ιδιότητες του δέκτη. Τα πιο πολλά υποσχόμενα υλικά ήταν το πυρίτιο και το γερμάνιο, οπότε το Rad Lab αποφάσισε να το παίξει με ασφάλεια και ξεκίνησε παράλληλα προγράμματα για να μελετήσει και τα δύο: το πυρίτιο στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια και το γερμάνιο στο Purdue. Γίγαντες της βιομηχανίας όπως η Bell, η Westinghouse, η Du Pont και η Sylvania ξεκίνησαν τα δικά τους ερευνητικά προγράμματα ημιαγωγών και άρχισαν να αναπτύσσουν νέες εγκαταστάσεις παραγωγής για ανιχνευτές κρυστάλλων.
Μέσω κοινών προσπαθειών, η καθαρότητα των κρυστάλλων πυριτίου και γερμανίου αυξήθηκε από 99% στην αρχή σε 99,999% - δηλαδή σε ένα σωματίδιο ακαθαρσίας ανά 100 άτομα. Στην πορεία, μια ομάδα επιστημόνων και μηχανικών εξοικειώθηκε στενά με τις αφηρημένες ιδιότητες του γερμανίου και του πυριτίου και εφάρμοσε τεχνολογίες για τον έλεγχό τους: τήξη, ανάπτυξη κρυστάλλων, προσθήκη των απαραίτητων ακαθαρσιών (όπως το βόριο, που αύξησε την αγωγιμότητα).
Και μετά τελείωσε ο πόλεμος. Η ζήτηση για ραντάρ εξαφανίστηκε, αλλά οι γνώσεις και οι δεξιότητες που αποκτήθηκαν κατά τη διάρκεια του πολέμου παρέμειναν και το όνειρο ενός ενισχυτή στερεάς κατάστασης δεν ξεχάστηκε. Τώρα ο αγώνας ήταν να δημιουργηθεί ένας τέτοιος ενισχυτής. Και τουλάχιστον τρεις ομάδες ήταν σε καλή θέση να κερδίσουν αυτό το έπαθλο.
Δυτικό Λαφαγιέτ
Η πρώτη ήταν μια ομάδα από το Πανεπιστήμιο Purdue με επικεφαλής έναν αυστριακής καταγωγής φυσικό ονόματι Carl Lark-Horowitz. Έβγαλε μόνος του το τμήμα φυσικής του πανεπιστημίου από την αφάνεια μέσω του ταλέντου και της επιρροής του και επηρέασε την απόφαση του Rad Lab να εμπιστευτεί στο εργαστήριό του την έρευνα γερμανίου.
Ο Carl Lark-Horowitz το 1947, κέντρο, κρατώντας έναν σωλήνα
Στις αρχές της δεκαετίας του 1940, το πυρίτιο θεωρούνταν το καλύτερο υλικό για ανορθωτές ραντάρ, αλλά το υλικό ακριβώς κάτω από αυτό στον περιοδικό πίνακα φαινόταν επίσης άξιο περαιτέρω μελέτης. Το γερμάνιο είχε ένα πρακτικό πλεονέκτημα λόγω του χαμηλότερου σημείου τήξης του, το οποίο διευκόλυνε την εργασία με: περίπου 940 μοίρες, σε σύγκριση με 1400 μοίρες για το πυρίτιο (σχεδόν το ίδιο με το ατσάλι). Λόγω του υψηλού σημείου τήξης, ήταν εξαιρετικά δύσκολο να κατασκευαστεί ένα τεμάχιο που δεν θα διαρρεύσει στο λιωμένο πυρίτιο, μολύνοντάς το.
Ως εκ τούτου, ο Lark-Horowitz και οι συνεργάτες του πέρασαν ολόκληρο τον πόλεμο μελετώντας τις χημικές, ηλεκτρικές και φυσικές ιδιότητες του γερμανίου. Το πιο σημαντικό εμπόδιο ήταν η «αντίστροφη τάση»: οι ανορθωτές γερμανίου, σε πολύ χαμηλή τάση, σταμάτησαν να ανορθώνουν το ρεύμα και του επέτρεψαν να ρέει προς την αντίθετη κατεύθυνση. Ο παλμός του αντίστροφου ρεύματος έκαψε τα υπόλοιπα στοιχεία του ραντάρ. Ένας από τους μεταπτυχιακούς φοιτητές του Lark-Horowitz, ο Seymour Benzer, μελέτησε αυτό το πρόβλημα για περισσότερο από ένα χρόνο και τελικά ανέπτυξε ένα πρόσθετο με βάση τον κασσίτερο που σταματούσε τους αντίστροφους παλμούς σε τάσεις έως και εκατοντάδες βολτ. Λίγο αργότερα, η Western Electric, το τμήμα παραγωγής της Bell Labs, άρχισε να εκδίδει ανορθωτές Benzer για στρατιωτική χρήση.
Η μελέτη του γερμανίου στο Purdue συνεχίστηκε και μετά τον πόλεμο. Τον Ιούνιο του 1947, ο Benzer, ήδη καθηγητής, ανέφερε μια ασυνήθιστη ανωμαλία: σε ορισμένα πειράματα, εμφανίστηκαν ταλαντώσεις υψηλής συχνότητας σε κρυστάλλους γερμανίου. Και ο συνάδελφός του Ralph Bray συνέχισε να μελετά την «ογκομετρική αντίσταση» σε ένα έργο που ξεκίνησε κατά τη διάρκεια του πολέμου. Η αντίσταση όγκου περιέγραψε πώς ρέει ηλεκτρισμός στον κρύσταλλο γερμανίου στο σημείο επαφής του ανορθωτή. Ο Bray διαπίστωσε ότι οι παλμοί υψηλής τάσης μείωσαν σημαντικά την αντίσταση του γερμανίου τύπου n σε αυτά τα ρεύματα. Χωρίς να το ξέρει, έγινε μάρτυρας του λεγόμενου. φορείς «μειοψηφίας». Στους ημιαγωγούς τύπου n, το πλεονάζον αρνητικό φορτίο χρησιμεύει ως ο κύριος φορέας φορτίου, αλλά οι θετικές "τρύπες" μπορούν επίσης να μεταφέρουν ρεύμα, και σε αυτήν την περίπτωση, οι παλμοί υψηλής τάσης δημιουργούν οπές στη δομή του γερμανίου, προκαλώντας την εμφάνιση μειοψηφικών φορέων φορτίου .
Ο Bray και ο Benzer πλησίασαν δελεαστικά τον ενισχυτή γερμανίου χωρίς να το καταλάβουν. Ο Benzer έπιασε τον Walter Brattain, έναν επιστήμονα των Bell Labs, σε ένα συνέδριο τον Ιανουάριο του 1948 για να συζητήσει μαζί του την ογκομετρική οπισθέλκουσα. Πρότεινε στον Brattain να τοποθετήσει μια άλλη σημειακή επαφή δίπλα στην πρώτη που θα μπορούσε να διοχετεύει ρεύμα και στη συνέχεια μπορεί να καταλάβουν τι συνέβαινε κάτω από την επιφάνεια. Ο Brattain συμφώνησε αθόρυβα σε αυτήν την πρόταση και έφυγε. Όπως θα δούμε, ήξερε πολύ καλά τι θα μπορούσε να αποκαλύψει ένα τέτοιο πείραμα.
Oney-sous-Bois
Η ομάδα Purdue είχε τόσο την τεχνολογία όσο και τη θεωρητική βάση για να κάνει το άλμα προς το τρανζίστορ. Αλλά θα μπορούσαν να το έχουν πέσει μόνο τυχαία. Ενδιαφέρονταν για τις φυσικές ιδιότητες του υλικού και όχι για την αναζήτηση ενός νέου τύπου συσκευής. Μια πολύ διαφορετική κατάσταση επικράτησε στο Aunes-sous-Bois (Γαλλία), όπου δύο πρώην ερευνητές ραντάρ από τη Γερμανία, ο Heinrich Welker και ο Herbert Mathare, ηγήθηκαν μιας ομάδας που στόχος της ήταν να δημιουργήσει βιομηχανικές συσκευές ημιαγωγών.
Ο Welker αρχικά σπούδασε και στη συνέχεια δίδαξε φυσική στο Πανεπιστήμιο του Μονάχου, το οποίο διευθύνει ο διάσημος θεωρητικός Arnold Sommerfeld. Από το 1940, άφησε μια καθαρά θεωρητική πορεία και άρχισε να εργάζεται σε ένα ραντάρ για τη Luftwaffe. Ο Μαθάρε (βελγικής καταγωγής) μεγάλωσε στο Άαχεν, όπου σπούδασε φυσική. Εντάχθηκε στο ερευνητικό τμήμα του γερμανικού ραδιοφωνικού γίγαντα Telefunken το 1939. Κατά τη διάρκεια του πολέμου, μετέφερε το έργο του από το Βερολίνο ανατολικά στο αβαείο στη Σιλεσία για να αποφύγει τις αεροπορικές επιδρομές των Συμμάχων και στη συνέχεια πίσω στη δύση για να αποφύγει τον προελαύνοντα Κόκκινο Στρατό, πέφτοντας τελικά στα χέρια του αμερικανικού στρατού.
Όπως και οι αντίπαλοί τους στον Συνασπισμό κατά του Χίτλερ, οι Γερμανοί γνώριζαν από τις αρχές της δεκαετίας του 1940 ότι οι ανιχνευτές κρυστάλλων ήταν ιδανικοί δέκτες για ραντάρ και ότι το πυρίτιο και το γερμάνιο ήταν τα πιο πολλά υποσχόμενα υλικά για τη δημιουργία τους. Οι Mathare και Welker προσπάθησαν κατά τη διάρκεια του πολέμου να βελτιώσουν την αποτελεσματική χρήση αυτών των υλικών στους ανορθωτές. Μετά τον πόλεμο, και οι δύο υποβλήθηκαν σε περιοδικές ανακρίσεις σχετικά με το στρατιωτικό τους έργο και τελικά έλαβαν πρόσκληση από έναν Γάλλο αξιωματικό πληροφοριών στο Παρίσι το 1946.
Η Compagnie des Freins & Signaux ("εταιρεία φρένων και σημάτων"), ένα γαλλικό τμήμα της Westinghouse, έλαβε σύμβαση από τη γαλλική τηλεφωνική αρχή για τη δημιουργία ανορθωτών στερεάς κατάστασης και αναζήτησε Γερμανούς επιστήμονες να τους βοηθήσουν. Μια τέτοια συμμαχία πρόσφατων εχθρών μπορεί να φαίνεται περίεργη, αλλά αυτή η διευθέτηση αποδείχθηκε αρκετά ευνοϊκή και για τις δύο πλευρές. Οι Γάλλοι, ηττημένοι το 1940, δεν είχαν καμία ικανότητα να αποκτήσουν γνώσεις στον τομέα των ημιαγωγών και χρειάζονταν απεγνωσμένα τις δεξιότητες των Γερμανών. Οι Γερμανοί δεν μπορούσαν να πραγματοποιήσουν ανάπτυξη σε κανέναν τομέα υψηλής τεχνολογίας σε μια κατεχόμενη και κατεστραμμένη από τον πόλεμο χώρα, έτσι άδραξαν την ευκαιρία να συνεχίσουν να εργάζονται.
Ο Welker και ο Mathare δημιούργησαν τα κεντρικά τους γραφεία σε ένα διώροφο σπίτι στο προάστιο Aunes-sous-Bois του Παρισιού και με τη βοήθεια μιας ομάδας τεχνικών, εκτόξευσαν επιτυχώς ανορθωτές γερμανίου μέχρι τα τέλη του 1947. Στη συνέχεια στράφηκαν σε πιο σοβαρές βραβεία: Ο Welker επέστρεψε στο ενδιαφέρον του για τους υπεραγωγούς και ο Mathare στους ενισχυτές.
Herbert Mathare το 1950
Κατά τη διάρκεια του πολέμου, ο Mathare πειραματίστηκε με ανορθωτές επαφής δύο σημείων - "duodeodes" - σε μια προσπάθεια να μειώσει το θόρυβο του κυκλώματος. Συνέχισε τα πειράματά του και σύντομα ανακάλυψε ότι το μουστάκι μιας δεύτερης γάτας, που βρίσκεται 1/100 εκατομμυριοστό του μέτρου από το πρώτο, μπορούσε μερικές φορές να ρυθμίζει το ρεύμα που ρέει μέσα από το πρώτο μουστάκι. Δημιούργησε έναν ενισχυτή στερεάς κατάστασης, αν και μάλλον άχρηστο. Για να επιτύχει πιο αξιόπιστη απόδοση, στράφηκε στον Welker, ο οποίος είχε αποκτήσει μεγάλη εμπειρία δουλεύοντας με κρυστάλλους γερμανίου κατά τη διάρκεια του πολέμου. Η ομάδα του Welker μεγάλωσε μεγαλύτερα, καθαρότερα δείγματα κρυστάλλων γερμανίου και καθώς η ποιότητα του υλικού βελτιωνόταν, οι σημειακοί ενισχυτές επαφής Mathare έγιναν αξιόπιστοι τον Ιούνιο του 1948.
Εικόνα ακτίνων Χ ενός "τρανσίστρον" που βασίζεται στο κύκλωμα Mathare, το οποίο έχει δύο σημεία επαφής με το γερμάνιο
Ο Mathare είχε ακόμη και ένα θεωρητικό μοντέλο για το τι συνέβαινε: πίστευε ότι η δεύτερη επαφή έκανε τρύπες στο γερμάνιο, επιταχύνοντας τη διέλευση του ρεύματος μέσω της πρώτης επαφής, παρέχοντας μειοψηφικούς φορείς φορτίου. Ο Γουέλκερ δεν συμφωνούσε μαζί του και πίστευε ότι αυτό που συνέβαινε εξαρτιόταν από κάποιου είδους φαινόμενο πεδίου. Ωστόσο, πριν προλάβουν να επεξεργαστούν τη συσκευή ή τη θεωρία, έμαθαν ότι μια ομάδα Αμερικανών είχε αναπτύξει ακριβώς την ίδια ιδέα - έναν ενισχυτή γερμανίου με δύο σημειακές επαφές - έξι μήνες νωρίτερα.
Murray Hill
Στο τέλος του πολέμου, ο Mervyn Kelly αναμόρφωσε την ερευνητική ομάδα ημιαγωγών της Bell Labs με επικεφαλής τον Bill Shockley. Το έργο μεγάλωσε, έλαβε περισσότερη χρηματοδότηση και μετακόμισε από το αρχικό του εργαστήριο στο Μανχάταν σε μια επεκτεινόμενη πανεπιστημιούπολη στο Murray Hill του Νιου Τζέρσεϊ.
Murray Hill Campus, περ. 1960
Για να ξαναγνωριστεί με τους προηγμένους ημιαγωγούς (μετά την περίοδο του στην επιχειρησιακή έρευνα κατά τη διάρκεια του πολέμου), ο Σόκλεϊ επισκέφτηκε το εργαστήριο Holmdel του Russell Ohl την άνοιξη του 1945. Ο Ohl πέρασε τα χρόνια του πολέμου δουλεύοντας στο πυρίτιο και δεν έχασε χρόνο. Έδειξε στον Σόκλεϊ έναν ακατέργαστο ενισχυτή δικής του κατασκευής, τον οποίο ονόμασε «επιζητή». Πήρε έναν ανορθωτή επαφής σημείου πυριτίου και έστειλε ρεύμα από την μπαταρία μέσω αυτού. Προφανώς, η θερμότητα από την μπαταρία μείωσε την αντίσταση σε όλο το σημείο επαφής και μετέτρεψε τον ανορθωτή σε έναν ενισχυτή ικανό να μεταδίδει εισερχόμενα ραδιοφωνικά σήματα σε ένα κύκλωμα αρκετά ισχυρό για να τροφοδοτεί ένα ηχείο
Το αποτέλεσμα ήταν χονδροειδές και αναξιόπιστο, ακατάλληλο για εμπορευματοποίηση. Ωστόσο, ήταν αρκετό για να επιβεβαιωθεί η άποψη του Shockley ότι ήταν δυνατή η δημιουργία ενός ενισχυτή ημιαγωγών και ότι αυτό θα έπρεπε να γίνει προτεραιότητα για την έρευνα στον τομέα των ηλεκτρονικών στερεάς κατάστασης. Ήταν επίσης αυτή η συνάντηση με την ομάδα του Ola που έπεισε τον Shockley ότι το πυρίτιο και το γερμάνιο πρέπει να μελετηθούν πρώτα. Έδειξαν ελκυστικές ηλεκτρικές ιδιότητες και οι συνάδελφοι μεταλλουργοί του Ohl, Jack Skaff και Henry Theurer, είχαν επιτύχει εκπληκτική επιτυχία στην ανάπτυξη, τον καθαρισμό και το ντόπινγκ αυτών των κρυστάλλων κατά τη διάρκεια του πολέμου, ξεπερνώντας όλες τις διαθέσιμες τεχνολογίες για άλλα υλικά ημιαγωγών. Η ομάδα του Shockley δεν επρόκειτο να χάσει άλλο χρόνο σε προπολεμικούς ενισχυτές οξειδίου του χαλκού.
Με τη βοήθεια της Kelly, ο Shockley άρχισε να συγκροτεί μια νέα ομάδα. Οι βασικοί παίκτες περιλάμβαναν τον Walter Brattain, ο οποίος βοήθησε τον Shockley με την πρώτη του προσπάθεια σε έναν ενισχυτή στερεάς κατάστασης (το 1940), και τον John Bardeen, έναν νεαρό φυσικό και νέο υπάλληλο της Bell Labs. Ο Μπαρντίν είχε πιθανώς την πιο εκτεταμένη γνώση της φυσικής στερεάς κατάστασης από οποιοδήποτε μέλος της ομάδας - η διατριβή του περιέγραφε τα ενεργειακά επίπεδα των ηλεκτρονίων στη δομή του μετάλλου νατρίου. Ήταν επίσης ένας άλλος προστατευόμενος του John Hasbrouck Van Vleck, όπως ο Atanasov και ο Brattain.
Και όπως ο Atanasov, οι διατριβές των Bardeen και Shockley απαιτούσαν εξαιρετικά περίπλοκους υπολογισμούς. Έπρεπε να χρησιμοποιήσουν την κβαντομηχανική θεωρία των ημιαγωγών, που ορίστηκε από τον Άλαν Γουίλσον, για να υπολογίσουν την ενεργειακή δομή των υλικών χρησιμοποιώντας τον επιτραπέζιο υπολογιστή του Monroe. Βοηθώντας στη δημιουργία του τρανζίστορ, στην πραγματικότητα, συνέβαλαν στο να σωθούν μελλοντικοί μεταπτυχιακοί φοιτητές από τέτοιες εργασίες.
Η πρώτη προσέγγιση του Shockley σε έναν ενισχυτή στερεάς κατάστασης βασίστηκε σε αυτό που αργότερα ονομάστηκε "". Κρέμασε μια μεταλλική πλάκα πάνω από έναν ημιαγωγό τύπου n (με περίσσεια αρνητικών φορτίων). Η εφαρμογή θετικού φορτίου στην πλάκα τράβηξε τα πλεονάζοντα ηλεκτρόνια στην επιφάνεια του κρυστάλλου, δημιουργώντας έναν ποταμό αρνητικών φορτίων μέσω του οποίου το ηλεκτρικό ρεύμα θα μπορούσε εύκολα να ρέει. Το ενισχυμένο σήμα (που αντιπροσωπεύεται από το επίπεδο φόρτισης στη γκοφρέτα) με αυτόν τον τρόπο θα μπορούσε να διαμορφώσει το κύριο κύκλωμα (περνώντας κατά μήκος της επιφάνειας του ημιαγωγού). Η αποτελεσματικότητα αυτού του σχήματος του υποδείχθηκε από τις θεωρητικές του γνώσεις στη φυσική. Όμως, παρά τα πολλά πειράματα και τα πειράματα, το σχήμα δεν λειτούργησε ποτέ.
Μέχρι τον Μάρτιο του 1946, ο Bardeen είχε δημιουργήσει μια καλά ανεπτυγμένη θεωρία που εξηγούσε τον λόγο για αυτό: η επιφάνεια ενός ημιαγωγού σε κβαντικό επίπεδο συμπεριφέρεται διαφορετικά από το εσωτερικό του. Τα αρνητικά φορτία που έλκονται στην επιφάνεια παγιδεύονται σε «επιφανειακές καταστάσεις» και εμποδίζουν το ηλεκτρικό πεδίο να διεισδύσει στην πλάκα μέσα στο υλικό. Η υπόλοιπη ομάδα βρήκε αυτή την ανάλυση συναρπαστική και ξεκίνησε ένα νέο ερευνητικό πρόγραμμα σε τρεις δρόμους:
- Να αποδείξετε την ύπαρξη επιφανειακών καταστάσεων.
- Μελετήστε τις ιδιότητες τους.
- Μάθετε πώς να τους νικήσετε και να το κάνετε να λειτουργήσει .
Μετά από ενάμιση χρόνο έρευνας και πειραματισμού, στις 17 Νοεμβρίου 1947, ο Brattain έκανε μια σημαντική ανακάλυψη. Ανακάλυψε ότι εάν τοποθετούσε ένα υγρό γεμάτο ιόντα, όπως το νερό, μεταξύ μιας γκοφρέτας και ενός ημιαγωγού, ένα ηλεκτρικό πεδίο από τη γκοφρέτα θα ωθούσε τα ιόντα προς τον ημιαγωγό, όπου θα εξουδετέρωναν φορτία παγιδευμένα σε επιφανειακές καταστάσεις. Τώρα μπορούσε να ελέγξει την ηλεκτρική συμπεριφορά ενός κομματιού πυριτίου αλλάζοντας τη φόρτιση στη γκοφρέτα. Αυτή η επιτυχία έδωσε στον Bardeen μια ιδέα για μια νέα προσέγγιση στη δημιουργία ενός ενισχυτή: περιβάλετε το σημείο επαφής του ανορθωτή με νερό ηλεκτρολύτη και, στη συνέχεια, χρησιμοποιήστε ένα δεύτερο καλώδιο στο νερό για να ελέγξετε τις συνθήκες της επιφάνειας και έτσι να ελέγξετε το επίπεδο αγωγιμότητας του κύριου Επικοινωνία. Έτσι ο Bardeen και ο Brattain έφτασαν στη γραμμή του τερματισμού.
Η ιδέα του Bardeen λειτούργησε, αλλά η ενίσχυση ήταν αδύναμη και λειτουργούσε σε πολύ χαμηλές συχνότητες απρόσιτες στο ανθρώπινο αυτί - επομένως ήταν άχρηστος ως ενισχυτής τηλεφώνου ή ραδιοφώνου. Ο Bardeen πρότεινε τη μετάβαση στο γερμάνιο ανθεκτικό στην αντίστροφη τάση που παράγεται στο Purdue, πιστεύοντας ότι θα συγκεντρώνονταν λιγότερα φορτία στην επιφάνειά του. Ξαφνικά έλαβαν ισχυρή αύξηση, αλλά προς την αντίθετη κατεύθυνση από την αναμενόμενη. Ανακάλυψαν το φαινόμενο του μειοψηφικού φορέα - αντί για τα αναμενόμενα ηλεκτρόνια, το ρεύμα που διέρρεε το γερμάνιο ενισχύθηκε από οπές που προέρχονταν από τον ηλεκτρολύτη. Το ρεύμα στο σύρμα στον ηλεκτρολύτη δημιούργησε ένα στρώμα τύπου p (μια περιοχή περίσσειας θετικών φορτίων) στην επιφάνεια του γερμανίου τύπου n.
Μεταγενέστερα πειράματα έδειξαν ότι δεν χρειαζόταν καθόλου ηλεκτρολύτης: απλά τοποθετώντας δύο σημεία επαφής κοντά στην επιφάνεια του γερμανίου, ήταν δυνατό να ρυθμιστεί το ρεύμα από το ένα από αυτά στο ρεύμα στο άλλο. Για να τα φέρει όσο το δυνατόν πιο κοντά, ο Brattain τύλιξε ένα κομμάτι χρυσό φύλλο γύρω από ένα τριγωνικό κομμάτι πλαστικό και στη συνέχεια έκοψε προσεκτικά το αλουμινόχαρτο στο τέλος. Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας ένα ελατήριο, πίεσε το τρίγωνο πάνω στο γερμάνιο, με αποτέλεσμα οι δύο άκρες της κοπής να ακουμπήσουν στην επιφάνεια του σε απόσταση 0,05 mm. Αυτό έδωσε στο πρωτότυπο τρανζίστορ της Bell Labs τη χαρακτηριστική του εμφάνιση:
Πρωτότυπο τρανζίστορ Brattain και Bardeen
Όπως και η συσκευή των Mathare και Welker, ήταν, καταρχήν, ένα κλασικό «μουστάκι της γάτας», με δύο μόνο σημεία επαφής αντί για ένα. Στις 16 Δεκεμβρίου, παρήγαγε μια σημαντική αύξηση στην ισχύ και την τάση και μια συχνότητα 1000 Hz στο ηχητικό εύρος. Μια εβδομάδα αργότερα, μετά από μικρές βελτιώσεις, ο Bardeen και ο Brattain είχαν αυξήσει την τάση κατά 100 φορές και την ισχύ κατά 40 φορές και έδειξαν στους διευθυντές του Bell ότι η συσκευή τους μπορούσε να παράγει ακουστική ομιλία. Ο John Pierce, ένα άλλο μέλος της ομάδας ανάπτυξης στερεάς κατάστασης, επινόησε τον όρο "τρανζίστορ" μετά το όνομα του ανορθωτή οξειδίου του χαλκού Bell, το βαρίστορ.
Για τους επόμενους έξι μήνες, το εργαστήριο κράτησε μυστικό τη νέα δημιουργία. Η διοίκηση ήθελε να βεβαιωθεί ότι είχαν ένα προβάδισμα στην εμπορευματοποίηση του τρανζίστορ προτού το πιάσει οποιοσδήποτε άλλος. Μια συνέντευξη Τύπου είχε προγραμματιστεί για τις 30 Ιουνίου 1948, ακριβώς στην ώρα που θα γκρεμίσει τα όνειρα του Γουέλκερ και του Μαθάρε για αθανασία. Εν τω μεταξύ, η ερευνητική ομάδα ημιαγωγών κατέρρευσε αθόρυβα. Αφού άκουσε για τα επιτεύγματα του Bardeen και του Brattain, το αφεντικό τους, Bill Shockley, άρχισε να εργάζεται για να πάρει όλα τα εύσημα για τον εαυτό του. Και παρόλο που έπαιξε μόνο έναν ρόλο παρατήρησης, ο Σόκλεϊ έλαβε ίση, αν όχι περισσότερη, δημοσιότητα στη δημόσια παρουσίαση - όπως φαίνεται σε αυτή τη δημοσιευμένη φωτογραφία του στο βάθος της δράσης, ακριβώς δίπλα σε έναν πάγκο εργαστηρίου:
Φωτογραφία δημοσιότητας 1948 - Bardeen, Shockley και Brattain
Ωστόσο, η ίδια φήμη δεν ήταν αρκετή για τον Σόκλεϊ. Και πριν κάποιος εκτός Bell Labs μάθει για το τρανζίστορ, ήταν απασχολημένος να το εφεύρει εκ νέου για τους δικούς του. Και αυτή ήταν μόνο η πρώτη από πολλές τέτοιες επανεφευρέσεις.
Τι άλλο να διαβάσετε
- Robert Buderi, Η εφεύρεση που άλλαξε τον κόσμο (1996)
- Michael Riordan, «How Europe Missed the Transistor», IEEE Spectrum (1 Νοεμβρίου 2005)
- Michael Riordan and Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
- Armand Van Dormael, «Το «γαλλικό» τρανζίστορ» (1994)
Πηγή: www.habr.com