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El camino hacia los interruptores de estado sólido ha sido largo y difícil. Todo comenzó con el descubrimiento de que ciertos materiales se comportan de manera extraña en presencia de electricidad, no como predecían las teorías entonces existentes. Lo que siguió fue una historia de cómo la tecnología se convirtió en una disciplina cada vez más científica e institucional en el siglo XX. Aficionados, novatos e inventores profesionales prácticamente sin formación científica hicieron importantes contribuciones al desarrollo del telégrafo, la telefonía y la radio. Pero, como veremos, casi todos los avances en la historia de la electrónica de estado sólido provienen de científicos que estudiaron en universidades (y generalmente tienen un doctorado en física) y trabajaron en universidades o laboratorios de investigación corporativos.
Cualquiera que tenga acceso a un taller y conocimientos básicos de materiales puede montar un relé a partir de cables, metal y madera. La creación de tubos de vacío requiere herramientas más especializadas que puedan crear una bombilla de vidrio y bombear el aire fuera de ella. Los dispositivos de estado sólido desaparecieron en una madriguera de la que el interruptor digital nunca regresó, sumergiéndose cada vez más en mundos inteligibles sólo para las matemáticas abstractas y accesibles sólo con la ayuda de equipos increíblemente caros.
Galena
En el año 1874 , un físico de 24 años de St. Thomas en Leipzig, publicó el primero de muchos trabajos científicos importantes en su dilatada carrera. El artículo, "Sobre el paso de corrientes eléctricas a través de sulfuros metálicos", fue aceptado en Annalen de Pogendorff, una prestigiosa revista dedicada a las ciencias físicas. A pesar del aburrido título, el artículo de Brown describía algunos resultados experimentales sorprendentes y desconcertantes.
Fernando Brown
Brown quedó intrigado por los sulfuros (cristales minerales compuestos de compuestos de azufre con metales) a través de su trabajo. . Ya en 1833, Michael Faraday observó que la conductividad del sulfuro de plata aumenta con la temperatura, lo que es exactamente lo contrario del comportamiento de los conductores metálicos. Hittorf compiló un informe cuantitativo exhaustivo de las mediciones de este efecto en la década de 1850, tanto para los sulfuros de plata como de cobre. Ahora Brown, utilizando una inteligente configuración experimental que presionaba un alambre de metal contra un cristal de sulfuro con un resorte para asegurar un buen contacto, descubrió algo aún más extraño. La conductividad de los cristales dependía de la dirección: por ejemplo, la corriente podía fluir bien en una dirección, pero cuando se invertía la polaridad de la batería, la corriente podía caer repentinamente. Los cristales actuaban más como conductores en una dirección (como los metales normales) y más como aislantes en otra (como el vidrio o el caucho). Esta propiedad se conoció como rectificación debido a su capacidad de enderezar la corriente alterna "rizada" en corriente continua "plana".
Casi al mismo tiempo, los investigadores descubrieron otras propiedades extrañas de materiales como el selenio, que podía fundirse a partir de ciertos minerales de sulfuro metálico. Cuando se expuso a la luz, el selenio aumentó la conductividad e incluso comenzó a generar electricidad, y también podría usarse para rectificación. ¿Hubo alguna conexión con los cristales de sulfuro? Sin modelos teóricos que explicaran lo que estaba sucediendo, el campo estaba en un estado de confusión.
Sin embargo, la falta de teoría no detuvo los intentos de aplicar los resultados en la práctica. A finales de la década de 1890, Brown se convirtió en profesor en la Universidad de Estrasburgo, recientemente anexada a Francia durante la y rebautizada como Universidad Kaiser Wilhelm. Allí fue absorbido por el nuevo y apasionante mundo de la radiotelegrafía. Estuvo de acuerdo con la propuesta de un grupo de empresarios para crear conjuntamente un sistema de comunicación inalámbrica basado en la transmisión de ondas de radio a través del agua. Sin embargo, él y sus cómplices pronto abandonaron la idea original en favor de la señalización aérea, que fue utilizada por Marconi y otros.
Entre los aspectos de la radio que el grupo de brown buscó mejorar estaba el receptor estándar de entonces, . Se basó en el hecho de que las ondas de radio provocaban que las limaduras de metal se agruparan, permitiendo que la corriente de la batería pasara al dispositivo de señalización. Funcionó, pero el sistema sólo respondía a señales relativamente fuertes y era necesario golpear constantemente el dispositivo para romper un trozo de aserrín. Brown recordó sus viejos experimentos con cristales de sulfuro y en 1899 recreó su antiguo dispositivo experimental con un nuevo propósito: servir como detector de señales inalámbricas. Utilizó el efecto de rectificación para convertir la pequeña corriente oscilante generada al pasar ondas de radio en una corriente continua que podría alimentar un pequeño altavoz que producía un clic audible para cada punto o raya. Este dispositivo más tarde se conoció como ""debido a la apariencia del alambre, que fácilmente tocaba la parte superior del cristal. En la India británica (donde hoy se encuentra Bangladesh), el científico e inventor Jagadish Bose construyó un dispositivo similar, posiblemente ya en 1894. Otros pronto comenzaron a fabricar detectores similares basados en silicio y carborundo (carburo de silicio).
Sin embargo, es , el sulfuro de plomo, que se funde para producir plomo desde la antigüedad, se ha convertido en el material elegido para los detectores de cristal. Eran fáciles de fabricar y baratos, y como resultado se hicieron increíblemente populares entre la primera generación de radioaficionados. Además, a diferencia de un cohesor binario (con aserrín que se agrupa o no), un rectificador cristalino podría reproducir una señal continua. Por lo tanto, podía producir voz y música audibles para el oído, y no sólo el código Morse con sus puntos y rayas.
Detector de bigotes de gato a base de galena. El pequeño trozo de alambre de la izquierda es el bigote y el trozo de material plateado de abajo es el cristal de galena.
Sin embargo, como pronto descubrieron los frustrados radioaficionados, podría llevar minutos o incluso horas encontrar el punto mágico en la superficie del cristal que proporcionaría una buena rectificación. Y las señales sin amplificación eran débiles y tenían un sonido metálico. En la década de 1920, los receptores de válvulas de vacío con amplificadores triodos prácticamente habían dejado obsoletos los detectores de cristal en casi todas partes. Su única característica atractiva era su bajo precio.
Esta breve aparición en el ámbito de la radio parecía ser el límite de la aplicación práctica de las extrañas propiedades eléctricas del material descubierto por Brown y otros.
Así es cómo
Luego, en la década de 1920, otro físico llamado Lars Grondahl descubrió algo extraño en su configuración experimental. Grondahl, el primero de una serie de hombres inteligentes e inquietos en la historia del Oeste americano, era hijo de un ingeniero civil. Su padre, que emigró de Noruega en 1880, trabajó durante varias décadas en ferrocarriles en California, Oregón y Washington. Al principio, Grondahl parecía decidido a dejar atrás el mundo de la ingeniería de su padre e ir a Johns Hopkins para obtener un doctorado en física para seguir un camino académico. Pero luego se involucró en el negocio ferroviario y asumió el cargo de director de investigación en Union Switch and Signal, una división del gigante industrial. , que suministraba equipos para la industria ferroviaria.
Varias fuentes indican razones contradictorias sobre la motivación de Grondahl para su investigación, pero sea como fuere, comenzó a experimentar con discos de cobre calentados por un lado para crear una capa oxidada. Mientras trabajaba con ellos, notó la asimetría de la corriente: la resistencia en una dirección era tres veces mayor que en la otra. Un disco de cobre y óxido de cobre rectificaba la corriente, como un cristal de sulfuro.
Circuito rectificador de óxido de cobre
Grondahl pasó los siguientes seis años desarrollando un rectificador comercial listo para usar basado en este fenómeno, consiguiendo la ayuda de otro investigador estadounidense, Paul Geiger, antes de presentar una solicitud de patente y anunciar su descubrimiento a la Sociedad Estadounidense de Física en 1926. Inmediatamente se convirtió en un éxito comercial. Debido a la ausencia de filamentos frágiles, era mucho más fiable que el rectificador de tubo de vacío basado en el principio de válvula de Fleming y era más barato de fabricar. A diferencia de los cristales rectificadores marrones, funcionó en el primer intento y, debido a la mayor área de contacto entre el metal y el óxido, funcionó con un rango más amplio de corrientes y voltajes. Podría cargar baterías, detectar señales en varios sistemas eléctricos y actuar como derivación de seguridad en generadores potentes. Cuando se usaban como fotocélula, los discos podían actuar como fotómetros y eran especialmente útiles en fotografía. Otros investigadores desarrollaron casi al mismo tiempo rectificadores de selenio que encontraron aplicaciones similares.
Un pack de rectificadores a base de óxido de cobre. Un conjunto de varios discos aumentó la resistencia inversa, lo que permitió utilizarlos con alto voltaje.
Unos años más tarde, dos físicos de los Laboratorios Bell, Joseph Becker y , decidieron estudiar el principio de funcionamiento de un rectificador de cobre; estaban interesados en saber cómo funcionaba y cómo se podía utilizar en Bell System.
Brattain en la vejez - aprox. 1950
Brattain era de la misma zona que Grondal, en el noroeste del Pacífico, donde creció en una granja a pocos kilómetros de la frontera con Canadá. En la escuela secundaria, se interesó por la física, mostrando aptitudes en el campo, y finalmente recibió un doctorado de la Universidad de Minnesota a finales de la década de 1920, y aceptó un trabajo en los Laboratorios Bell en 1929. Entre otras cosas, en la universidad estudió la última física teórica, que estaba ganando popularidad en Europa, y conocida como mecánica cuántica (su curador fue , quien también fue mentor de John Atanasoff).
Revolución cuántica
En las últimas tres décadas se ha desarrollado lentamente una nueva plataforma teórica que, a su debido tiempo, podrá explicar todos los extraños fenómenos que se han observado durante años en materiales como la galena, el selenio y el óxido de cobre. Toda una cohorte de físicos, en su mayoría jóvenes, principalmente de Alemania y países vecinos, provocó una revolución cuántica en la física. Dondequiera que miraran, no encontraban el mundo fluido y continuo que les habían enseñado, sino bultos extraños y discretos.
Todo empezó en la década de 1890. Max Planck, un famoso profesor de la Universidad de Berlín, decidió trabajar con un conocido problema no resuelto: cómo “"(una sustancia ideal que absorbe toda la energía y no la refleja) emite radiación en el espectro electromagnético? Se probaron varios modelos, ninguno de los cuales coincidía con los resultados experimentales: fallaron en un extremo o en el otro del espectro. Planck descubrió que si asumimos que un cuerpo emite energía en pequeños “paquetes” de cantidades discretas, entonces podemos escribir una ley simple de la relación entre frecuencia y energía, que coincide perfectamente con los resultados empíricos.
Poco después, Einstein descubrió que sucedía lo mismo con la absorción de luz (el primer indicio de fotones), y J. J. Thomson demostró que la electricidad tampoco era transportada por un fluido u onda continua, sino por partículas discretas: los electrones. Luego, Niels Bohr creó un modelo para explicar cómo los átomos excitados emiten radiación asignando electrones a órbitas individuales en el átomo, cada una con su propia energía. Sin embargo, este nombre es engañoso porque no se comportan en absoluto como las órbitas de los planetas: en el modelo de Bohr, los electrones saltaban instantáneamente de una órbita o nivel de energía a otra, sin pasar por un estado intermedio. Finalmente, en la década de 1920, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Born y otros crearon una plataforma matemática generalizada conocida como mecánica cuántica, incorporando todos los modelos cuánticos especiales que se habían creado durante los veinte años anteriores.
En ese momento, los físicos ya estaban seguros de que materiales como el selenio y la galena, que presentaban propiedades fotovoltaicas y rectificadoras, pertenecían a una clase separada de materiales, a los que llamaban semiconductores. La clasificación tomó tanto tiempo por varias razones. En primer lugar, las propias categorías “conductores” y “aisladores” eran bastante amplias. TENNESSE. Los “conductores” variaban enormemente en cuanto a conductividad, y lo mismo (en menor medida) ocurría con los aisladores, y no era obvio cómo un conductor en particular podía clasificarse en cualquiera de estas clases. Además, hasta mediados del siglo XX era imposible obtener o crear sustancias muy puras, y cualquier anomalía en la conductividad de los materiales naturales siempre podía atribuirse a la contaminación.
Los físicos ahora tenían tanto las herramientas matemáticas de la mecánica cuántica como una nueva clase de materiales a los que podían aplicarse. teórico británico Fue el primero en reunirlo todo y construir un modelo general de semiconductores y cómo funcionan en 1931.
Al principio, Wilson argumentó que los materiales conductores se diferencian de los dieléctricos en el estado de sus bandas de energía. La mecánica cuántica establece que los electrones pueden existir en un número limitado de niveles de energía que se encuentran en las capas u orbitales de átomos individuales. Si juntamos estos átomos en la estructura de un material, sería más correcto imaginar zonas de energía continuas que lo atraviesen. Hay espacios vacíos en los conductores en bandas de alta energía y el campo eléctrico puede mover libremente los electrones allí. En los aisladores, las zonas están llenas y hay que subir bastante para llegar a la zona conductora más alta, a través de la cual es más fácil que viaje la electricidad.
Esto lo llevó a la conclusión de que las impurezas (átomos extraños en la estructura de un material) deben contribuir a sus propiedades semiconductoras. Pueden suministrar electrones adicionales, que escapan fácilmente a la banda de conducción, o agujeros (una falta de electrones en relación con el resto del material) que crean espacios de energía vacíos donde los electrones libres pueden moverse. La primera opción se denominó posteriormente semiconductores de tipo n (o electrónicos) debido al exceso de carga negativa, y la segunda, semiconductores de tipo p o semiconductores huecos debido al exceso de carga positiva.
Finalmente, Wilson propuso que la rectificación de corriente mediante semiconductores podría explicarse en términos cuánticos. , el salto repentino de electrones a través de una delgada barrera eléctrica en un material. La teoría parecía plausible, pero predecía que en el rectificador la corriente debería fluir del óxido al cobre, aunque en realidad era al revés.
Así pues, a pesar de todos los avances de Wilson, los semiconductores seguían siendo difíciles de explicar. Como poco a poco quedó claro, los cambios microscópicos en la estructura cristalina y la concentración de impurezas afectaron desproporcionadamente su comportamiento eléctrico macroscópico. Haciendo caso omiso de la falta de comprensión, ya que nadie podía explicar las observaciones experimentales realizadas por Brown 60 años antes, Brattain y Becker desarrollaron un proceso de fabricación eficiente para rectificadores de óxido de cobre para su empleador. Bell System rápidamente comenzó a reemplazar los rectificadores de tubo de vacío en todo el sistema con un nuevo dispositivo que sus ingenieros llamaron , ya que su resistencia variaba según la dirección.
medalla de oro
Mervyn Kelly, físico y ex jefe del departamento de tubos de vacío de Bell Labs, se interesó mucho en este desarrollo. A lo largo de un par de décadas, los tubos de vacío brindaron a Bell un servicio invaluable y pudieron realizar funciones que no eran posibles con la generación anterior de componentes mecánicos y electromecánicos. Pero se calentaban, se sobrecalentaban periódicamente, consumían mucha energía y eran difíciles de mantener. Kelly tenía la intención de reconstruir el sistema de Bell con componentes electrónicos de estado sólido más confiables y duraderos, como varistores, que no requerían cajas selladas, llenas de gas o vacías, ni filamentos calientes. En 1936, se convirtió en jefe del departamento de investigación de los Laboratorios Bell y comenzó a reorientar la organización por un nuevo camino.
Habiendo obtenido un rectificador de estado sólido, el siguiente paso obvio fue crear un amplificador de estado sólido. Naturalmente, al igual que un amplificador de válvulas, un dispositivo de este tipo también podría funcionar como un interruptor digital. Esto fue de particular interés para la empresa de Bell, ya que en los conmutadores telefónicos todavía se utilizaba una gran cantidad de conmutadores digitales electromecánicos. La empresa buscaba un sustituto más fiable, más pequeño, más eficiente energéticamente y más frío para el tubo de vacío en sistemas telefónicos, radios, radares y otros equipos analógicos, donde se utilizaban para amplificar señales débiles a niveles que el oído humano podía oír.
En 1936, los Laboratorios Bell finalmente levantaron el congelamiento de contrataciones impuesto durante . Kelly inmediatamente comenzó a reclutar expertos en mecánica cuántica para ayudarlo a lanzar su programa de investigación de estado sólido, incluido , otro nativo de la costa oeste, de Palo Alto, California. El tema de su reciente disertación en el MIT se adaptaba perfectamente a las necesidades de Kelly: "Bandas de electrones en cloruro de sodio".
Brattain y Becker continuaron su investigación sobre el rectificador de óxido de cobre durante este tiempo, buscando un amplificador de estado sólido mejorado. La forma más obvia de hacerlo era seguir la analogía con un tubo de vacío. Al igual que Lee de Forest tomó un amplificador de válvulas y entre el cátodo y el ánodo, y Brattain y Becker imaginaron cómo se podría insertar una malla en la unión del cobre y el óxido de cobre, donde se suponía que debía ocurrir la rectificación. Sin embargo, debido al pequeño espesor de la capa, les resultó imposible hacerlo y no lo consiguieron.
Mientras tanto, otros acontecimientos demostraron que Bell Labs no era la única empresa interesada en la electrónica de estado sólido. En 1938, Rudolf Hilsch y Robert Pohl publicaron los resultados de experimentos realizados en la Universidad de Göttingen con un amplificador de estado sólido funcional creado introduciendo una rejilla en un cristal de bromuro de potasio. Este dispositivo de laboratorio no tenía ningún valor práctico, principalmente porque funcionaba a una frecuencia de no más de 1 Hz. Y, sin embargo, este logro no podía dejar de complacer a todos los interesados en la electrónica de estado sólido. Ese mismo año, Kelly asignó a Shockley a un nuevo grupo independiente de investigación de dispositivos de estado sólido y le dio a él y a sus colegas Foster Nix y Dean Woolridge carta blanca para explorar sus capacidades.
Al menos otros dos inventores lograron crear amplificadores de estado sólido antes de la Segunda Guerra Mundial. En 1922, el físico e inventor soviético publicó los resultados de experimentos exitosos con semiconductores de zincita, pero su trabajo pasó desapercibido para la comunidad occidental; En 1926, el inventor estadounidense Julius Lillenfield solicitó una patente para un amplificador de estado sólido, pero no hay evidencia de que su invento funcionara.
La primera idea importante de Shockley en su nuevo puesto se produjo mientras leía el trabajo de 1938 del físico británico Neville Moth, La teoría de los rectificadores cristalinos, que finalmente explicaba el principio de funcionamiento del rectificador de óxido de cobre Grondahl. Mott utilizó las matemáticas de la mecánica cuántica para describir la formación de un campo eléctrico en la unión de un metal conductor y un óxido semiconductor, y cómo los electrones "saltan" esta barrera eléctrica, en lugar de hacer túneles como propuso Wilson. La corriente fluye más fácilmente del metal al semiconductor que al revés porque el metal tiene muchos más electrones libres.
Esto llevó a Shockley a exactamente la misma idea que Brattain y Becker habían considerado y rechazado años antes: hacer un amplificador de estado sólido insertando una malla de óxido de cobre entre el cobre y el óxido de cobre. Esperaba que la corriente que fluye a través de la red aumentara la barrera que limita el flujo de corriente del cobre al óxido, creando una versión invertida y amplificada de la señal en la red. Su primer intento falló por completo, por lo que recurrió a un hombre con habilidades de laboratorio más refinadas y familiaridad con los rectificadores: Walter Brattain. Y, aunque no tenía dudas sobre el resultado, Brattain accedió a satisfacer la curiosidad de Shockley y creó una versión más compleja del amplificador "grid". Ella también se negó a trabajar.
Luego intervino la guerra, dejando el nuevo programa de investigación de Kelly en desorden. Kelly se convirtió en el jefe del grupo de trabajo de radar de Bell Labs, apoyado por el principal centro de investigación de radar de EE. UU. en el MIT. Brattain trabajó para él brevemente y luego pasó a investigar sobre detección magnética de submarinos para la marina. Woolridge trabajó en sistemas de control de incendios, Nix trabajó en difusión de gas para el Proyecto Manhattan y Shockley se dedicó a la investigación operativa, primero trabajando en guerra antisubmarina en el Atlántico y luego en bombardeos estratégicos en el Pacífico.
Pero a pesar de esta intervención, la guerra no detuvo el desarrollo de la electrónica de estado sólido. Por el contrario, orquestó una infusión masiva de recursos en este campo y condujo a una concentración de la investigación en dos materiales: el germanio y el silicio.
que mas leer
Ernest Bruan y Stuart MacDonald, Revolución en miniatura (1978)
Friedrich Kurylo y Charles Susskind, Ferdinand Braun (1981)
G. L. Pearson y W. H. Brattain, “History of Semiconductor Research”, Actas de la IRE (diciembre de 1955).
Michael Riordan y Lillian Hoddeson, Fuego de cristal (1997)
Fuente: habr.com