Transistori ajalugu, osa 2: sõda ja selle mõju

Teised tsükli artiklid:

• Relay ajalugu
  • Kiire teabe edastamise meetod, või Reléde tekkimine
  • Kaugkirjutaja
  • Galvanism
  • Ettevõtjad
  • Ja lõpuks on siin relé
  • Rääkiv telegraaf
  • Lihtsalt ühendada
  • Unustatud rälite arvutite põlvkond
  • Elektrooniline ajastu
• Elektrooniliste arvutite ajalugu
  • Proloog
  • Koloss
  • ENIAC
  • Elektrooniline revolutsioon
• Transistori ajalugu
  • Käies pimeduses komberdades
  • Sõja sügavusest
  • Korduvalt leiutatud
• Internet ajalugu
  • Tugivõrk
  • Lagunemine, osa 1
  • Lagunemine, osa 2
  • Avades interaktiivsuse
  • Laiendades interaktiivsust
  • ARPANET - algus
  • ARPANET - pakett
  • ARPANET - alamsüsteem
  • Arvuti kui suhtlemisseade
  • Interneti ajalugu: võrguvahetamine

Sõda lõi aluse transistori tekkimisele. Aastatel 1939–1945 laienes tehniline teadmus pooljuhtidest tohutult. Selle põhjuseks oli üks lihtne asjaolu: radar. Sõja kõige olulisem tehnoloogia, mille rakendamiseks olid näiteks: õhulöögi tuvastamine, allveelaevade leidmine, öiste lennureidide suunamine sihtmärkidele, õhutõrje ja mere relvade suunamine. Insenerid õppisid isegi paigutama tillukesi radareid miinidesse, et need plahvataksid sihtmärgi läheduses – raadiosüüteplokid. Kuid selle uue võimsa sõjatehnoloogia allikas oli rahulikum valdkond: ülemiste atmosfääride teaduslik uurimine.

Radar

Aastal 1901 edastas ettevõte "Marconi Wireless Telegraph" edukalt juhtmeta sõnumi üle Atlandi ookeani Cornwallist Newfoundlandile. See fakt tekitas kaasaegses teaduses segadust. Kui raadiosignaalid liiguvad sirgelt (kuidas nad peaksid), siis ei tohiks selline edastus olla võimalik. Inglismaa ja Kanada vahel pole sirget nähtavust, mis ei ületaks maapinda, seega pidi Marconi sõnum minema kosmosesse. Ameerika insener Arthur Kennelly ja Briti füüsik Oliver Heaviside arvasid samaaegselt ja iseseisvalt, et selle nähtuse seletus peaks olema seotud ioonilise gaasi kihiga ülemistes atmosfääri kihtides, mis on võimeline peegeldama raadiosignaale tagasi maale (Marconi arvas, et raadiosignaalid järgivad maapinna kumerust, kuid füüsikud ei toetanud teda).

1920. aastateks olid teadlased välja töötanud uue seadme, mis võimaldas kõigepealt tõendada ioonosfääri olemasolu ja seejärel uurida selle struktuuri. Nad kasutasid elektronlampide abil lühikeste raadiosignaalide genereerimiseks suunatud antenne nende saatmiseks atmosfääri ülespoole ja kaja registreerimiseks ning elektronkiireadereid tulemuste demonstreerimiseks. Mida suurem oli kaja tagasipöördumise viivitus, seda kaugemal pidi ioonosfäär olema. Seda tehnoloogiat nimetati atmosfääride uuringuks ja see pakkus tehnilist infrastruktuuri radarite loomiseks (isegi termin "radar", tähistades RAdio Detection And Ranging, ilmus alles 1940. aastatel USA sõjaväelaevade seas).

Ettepanekud, et inimesed, kellel on vajalikud teadmised, ressursid ja motivatsioon, mõistavad selle seadme maapealset rakendust, oli vaid aja küsimus (seega on radari ajalugu vastupidine teleskoobi ajaloole, mis oli algselt mõeldud maapealseks kasutamiseks). Ja tõenäosus selliseks taipamiseks suurenes koos raadio üha laieneva levikuga planeedil ning üha rohkem inimesi märkas lähedal asuvatelt laevadelt, lennukitelt ja teistelt suurte objektidelt tulenevaid häireid. Teadmised atmosfääri ülemiste kihtide kaugseire tehnoloogiatest levisid teise Rahvusvahelise polaristaadi aasta (1932-1933), mil teadlased koostasid ionosfääri kaarti erinevatelt Arktika jaamadelt. Peagi pärast seda töötasid Ühendkuningriigi, USA, Saksamaa, Itaalia, Nõukogude Liidu ja teiste riikide meeskonnad välja oma lihtsad radarite süsteemid.

Robert Watson-Watt oma 1935. aasta radariga.

Siis tuli sõda ja radarite tähtsus riikide jaoks – ning nende arendamiseks vajalike ressursside hulk – kasvas järsult. USA-s koondusid need ressursid ümber uue organisatsiooni, mis asutati 1940. aastal MITis, tuntud kui Rad Lab (see pälvis selle nime spetsiaalselt, et eksitada välisluurekaid ja tekitada mulje, et laboris uuritakse radioaktiivsust – tol ajal ei uskunud paljud atomite pommidesse). Rad Labi projekt, mis ei saanud nii suurt kuulsust nagu Manhattaniprojekt, sai siiski enda ridadesse võrdväärselt silmapaistvaid ja andekaid füüsikuid kogu Ameerika Ühendriikidest. Viis esimest labori töötajat (sealhulgas Luis Alvarez ja Isidor Isaac Rabi) said hiljem Nobeli preemia. Sõja lõpuks töötas laboris umbes 500 doktorikraadi omavat teadlast ja inseneri, kokku töötas seal 4000 inimest. Pool miljonit dollarit – mis on võrreldav ENIACi loomise kogubudjetiga – kulutati ainult Radiation Laboratory Series väljastamisele, kahekümne seitsme köite peale, kus oli kirjas kõik teadmised, mis laboratooriumis sõja ajal saadi (samuti ei piirdu USA valitsuse kulutused radaritehnoloogiatele Rad Labi eelarvega; sõja jooksul ostis valitsus radareid kolme miljardi dollari eest).

MITi 20. hoone, kus Rad Lab asus.

Üks Rad Labi peamisi uurimisvaldkondi oli kõrgsageduslik radar. Varased radarid kasutasid laineid, mille pikkusi mõõdeti meetrites. Kuid kõrgema sagedusega kiired, mille lainepikkused mõõdeti sentimeetrites – mikroained – võimaldasid kasutada kompaktsemaid antenne ja hajusid suurel kaugusel vähem, mis lubas suurt kauguse ja täpsuse kasu. Mikrolaine radarid mahtusid lennuki nina ja suudavad tuvastada sukeldumise periskopiga sarnaseid objekte.

Esimene, kes selle ülesande lahendas, oli Briti füüsikute meeskond Birminghamist. 1940. aastal töötasid nad välja „resonantse magnetroni“, mis töötas elektromagnetilise „vilistina“, muutes juhusliku elektriimpulsi võimsaks ja täpselt häälestatud mikrolainekiireks. See mikrolaine saatja oli tuhat korda võimsam kui lähim konkurent; see avas tee praktiliste kõrgsageduslike radarisaatjate loomiseks. Kuid sellele oli vaja kaaslast, vastuvõtjat, mis suudaks kõrgeid sagedusi registreerida. Ja siin naaseme pooljuhtide ajalukku.

Magnetron lõikes

Kassikaru teine tulemine

Selgus, et elektronlampide ei olnud üldse kohandatud radarite mikrolaine signaalide vastuvõtmiseks. Kuuma katoodi ja külma anoodi vaheline lõhe tekitab mahtuvuse, mistõttu ring ei tööta kõrgetel sagedustel. Kõrgsageduslike radarite jaoks parim tehnoloogia, mis oli saadaval, oli vananemine „kassikaru“ – väike traadi tükk, mis oli kinnitatud pooljuhtkristallile. Seda avastas mitu inimest iseseisvalt, kuid meie loo jaoks on kõige lähedasem see, mis toimus New Jerseys.

1938. aastal sõlmisid Bell Labs sõjaväe laevastikuga lepingu tule juhtimise radari arendamiseks 40 cm lainepikkuses – see oli oluliselt lühikese, ning seega kõrgema sagedusega, kui tollased radarid enne resoneerivate magnetronide ajastut. Peamine teadustöö viidi läbi labori haru osakonnas Holmdelis, Staten Islandi lõunaosas. Uurijatel ei läinud kaua aega, et mõista, mida nad vajavad kõrgsagedusliku vastuvõtja jaoks, ning peagi otsis insener George Southworth Manhattani raadiokaupade poode, otsides vanu

Oli üsna omanäoline inimene, kes pidas tehnoloogia arendamist oma saatuseks ning rääkis perioodiliselt valgustushetkedest ja tuleviku nägemustest. Näiteks väitis ta, et juba 1939. aastal teadis ta silikooni võimendi tulevasest leiutisest, kuid oli määratud selle leiutise andmiseks kellelegi teisele. Uuringud paljude variantide vahel viisid ta silikoonini, mis osutus parimaks materjaliks Southworthi vastuvõtjatele. Probleemiks oli aga selle materjali koostise kontrollimine selle elektriliste omaduste juhtimiseks. Sel ajal kasutati laialdaselt tööstuslikke silikoontöödeldud plokke, mida kasutati terasetööstuses, kuid sellises tootmises ei olnud kedagi, kes oleks muretsenud näiteks 1% fosfori olemasolu pärast silikoonis. Koostöös paari metallurgiga seadis Oll endale eesmärgiks toota palju puhtamaid plokke kui varem.

Töötamise käigus avastasid nad, et mõned nende kristallidest suunavad voolu ühte suunda, samas kui teised suunavad seda teise suunda. Nad nimetasid neid „n-tüübiks” ja „p-tüübiks”. Edasine analüüs näitas, et nende tüüpide eest vastutavad erinevad tüübid lisanditest. Ränil on neljas veerg perioodilisest tabelist, mis tähendab, et sellel on neli elektroni väliskihis. Puhta räni ingerdus, igaühes neist elektronidest liitus naabriga. Kolmanda veeru lisandid, näiteks boor, millel on üks elektron vähem, tekitasid „auku”, täiendava ruumi voolu liikumiseks kristallis. Tulemuseks oli p-tüüpi pooljuht (üleminekuga positiivsetele laadidele). Viienda veeru elemendid, nagu fosfor, andsid täiendavaid vabu elektrone, et voolu edasi kanda, mille tulemusena saadi n-tüüpi pooljuht.

Räni kristalli struktuur

Kõik need uurimised olid väga huvitavad, kuid 1940. aastaks ei olnud Southworth ja Olla saanud töötavat prototüüpi kõrgsageduslikust radarist. Sel perioodil nõudis Suurbritannia valitsus kiireid praktilisi tulemusi, kuna hirmuõhust kujutati endast Luftwaffe, kes oli juba valmis tootmiseks mikrolaineandureid, mis töötasid koos magnetroni saatjatega.

Kuid peagi kaldus tehnoloogia saavutuste tasakaal Atlandi lääne poole. Churchill otsustas paljastada Suurbritannia tehnilised saladused ameeriklastele isegi enne, kui sõda tõeliselt algas (kuna ta arvas, et see nii või teisiti peab toimuma). Ta uskus, et on väärt riskida teabe lekkimisega, kuna sel juhul suunatakse kõik USA tööstusvõimed sellistele ülesannetele nagu tuumarelvad ja radarid. Suurbritannia teadus- ja tehnika missioon (tuntud ka kui Tizardi missioon) saabus Washingtoni 1940. aasta septembris ja tõi kaasa kingituse tehniliste imede näol.

Resonant magnetron'i uskumatute võimsuse ja Briti kristalldetektorite efektiivsus signaali vastuvõtmisel äratas Ameerika Ühendriikide teadlaste huvi poolsüdamike valdkonnas, mis on kõrgsageduslike radarite aluseks. Ootas palju tööd, eelkõige materjalitehnoloogia valdkonnas. Nõudluse rahuldamiseks tuli poolsüdamikukristalle toota miljonites, palju rohkem, kui varem oli võimalik. Üksusi tuli täiustada, vähendada löökide tundlikkust ja tulekahjude riski ning minimeerida erinevuste ulatust erinevate kristallipartii vahel.

Keraamiline ülepinge diood

Rad Labis avati uued teadusosakonnad poolsüdamikukristallide omaduste uurimiseks ja nende muutmiseks väärtuslike omaduste maksimeerimiseks vastuvõtjana. Kõige lubavamateks materjalideks olid räni ja germaanium, mistõttu Rad Lab otsustas end kindlustada ning alustas paralleelseid programme mõlema uurimiseks: räni Penn State'i ülikoolis ja germaanium Purdue ülikoolis. Sellised tööstusgigandid nagu Bell, Westinghouse, Du Pont ja Sylvania käivitasid oma poolsüdamiku uurimisprogrammid ja hakkasid välja töötama uusi tootmisvõimekusi kristallide detektorite jaoks.

Ühiste jõudude abil õnnestus räni ja germaaniumikristallide puhtust tõsta 99%-lt 99,999%-ni – see tähendab, et 100 000 aatomile langes enamasti vaid üks mustusosakene. Selle protsessi käigus said teadlased ja insenerid lähedalt tuttavaks germaaniumi ja räni abstraktsete omaduste ning nende kontrollimise rakenduslike tehnoloogiatega: sulatamine, kristallide kasvatamine, vajalike lisandite (näiteks boori, mis suurendas juhtivust) lisamine.

Siis sõda lõppes. Radarite nõudlus kadus, kuid teadmised ja oskused, mis sõja ajal omandati, ei kadunud kuhugi ning tahvelmaterjali võimendi unistus ei ununenud. Nüüd käidi võidu nimel võimendi loomise võistlust. Ja vähemalt kolm meeskonda olid õnnelikus asendis selle auhinna saamiseks.

West Lafayette

Esimene oli Purdue ülikooli grupp, mille juhtis Austriast pärit füüsik Karl Lark-Horowitz. Tema talent ja mõju aitasid üksi tuua ülikooli füüsikateaduskonna unustamisest välja ning mõjutasid Rad Labi otsust määrata tema laboratooriumile uuringud germaaniumi kohta.

Karl Lark-Horowitz 1947. aastal, keskel, pipe'iga

1940. aastate alguseks peeti räni parimaks materjaliks radarite sirgestajatena, kuid just selle all tabelis asuv materjal nägi samuti välja vääriline edasise uurimise jaoks. Germaaniumil oli praktiline eelis madalama sulamistemperatuuri tõttu: umbes 940 kraadi, võrreldes räni 1400 kraadiga (praktiliselt nagu terasel). Kõrge sulamistemperatuuriga oli äärmiselt keeruline valmistada toorikut, mis ei sulaks kokku sulanud räni, saastades seda.

Seetõttu viis Lark-Horowitz koos kolleegidega terve sõja germaaniumi keemiliste, elektriliste ja füüsikaliste omaduste uurimisega. Suurim takistus oli 'tagasipööre': germaaniumist sirgestajad lakkasid väga madalal pingel voolu sirgestamisest ja lubasid selle voolata tagasi. Tagasipinge impulss põletas ülejäänud radarikomponente. Üks Lark-Horowitzi doktorantidest, Seymour Benzer, uuris seda probleemi üle aasta ning lõpuks töötas välja tina põhjalise lisa, mis lõpetas tagasipöörde impulsid pinge ulatuses kuni sada volti. Peagi pärast seda hakkas Western Electric, Bell Labs'i tootmisüksus, tootma Benzeri skeemi järgi töötavaid sirgestajaid sõjaväelisteks eesmärkideks.

Saksa uuringud Purdue ülikoolis jätkusid ka sõja järel. Juunis 1947 teatas professor Benzer ebatavalisest anomaaliast: teatud katsetes tekkis germaaniumikristallides kõrgsageduslikke võnkeid. Tema kolleeg Ralph Bray jätkas „mahutavuse resistentsuse“ uurimist projekti raames, mis oli alanud sõja ajal. Mahutavuse resistentsus kirjeldas, kuidas elekter voolab germaaniumi kristallis sirge suuna kontaktpunktis. Bray avastas, et kõrgepingelised impulssid vähendasid oluliselt n-tüüpi germaaniumi resistentsust nende voolude suhtes. Teadmata, muutus ta tunnistajaks nn „mittepeamiste“ laengukandjate tekkimisele. N-tüüpi pooljuhtides teenib liigne negatiivne laeng peamise laengukandjana, kuid positiivsed „augud“ võivad samuti voolu kanda ning antud juhul tekitasid kõrgepingelised impulssid augud germaaniumistruktuuris, mistõttu ilmusid mittepeamised laengukandjad.

Bray ja Benzer jõudsid germaaniumivõimendile üllatavalt lähedale, seda arusaamata. Benzer püüdis Januaris 1948 Bell Laboratories teadlast Walter Brattaini, et arutada temaga mahutavuse resistentsust. Ta pakkus Brattainile välja, et paigutada veel üks kontakt esimese kõrvale, mis võiks voolu juhtida ja siis suudaksid nad võib-olla mõista, mis pinnal toimub. Brattain nõustus selle ettepanekuga ja lahkus. Nagu me näeme, teadis ta liiga hästi, mida selline katse võiks paljastada.

One-su-Bois

Purdue rühm omas nii tehnoloogiat kui ka teoreetilisi aluseid, et teha hüpe transistoride suunas. Kuid nad said seda avastada ainult juhuslikult. Nad olid huvitatud materjali füüsikalistest omadustest, mitte uue seadme otsimisest. Töö One-su-Bois (Prantsusmaal) oli täiesti erinev, kus kaks endist radariteadlast Saksamaalt, Heinrich Welker ja Herbert Mataré, juhtisid meeskonda, mille eesmärk oli luua tööstuslikke pooljuhtseadmeid.

Velker õppis algselt ja siis õpetas füüsikat Müncheni ülikoolis, mille juhtis kuulus teoreetik Arnold Sommerfeld. Alates 1940. aastast lahkus ta puhtast teoreetilisest suunast ja hakkas töötama radarite kallal Luftwaffe jaoks. Matare (belgia päritolu) kasvas Aachenis, kus ta õppis füüsikat. Ta liitus Saksa raadiohiiglase Telefunkeni teadusosakonnaga 1939. aastal. Sõja ajal viis ta oma töö Berliinist ida poole, Sileesia kloostrisse, et vältida Antihitleri koalitsiooni lennukite rünnakuid, ja seejärel tagasi läände, et vältida Punaarmee edasiviimist, ning lõpuks sattus ta Ameerika armee kätesse.

Nagu nende vastased Antihitleri koalitsioonis, teadsid sakslased 1940. aastate alguseks, et kristalsed detektorid olid ideaalsed radarite vastuvõtjad ning et silikoon ja germaanium olid nende valmistamiseks kõige paljutõotavamad materjalid. Matare ja Velker püüdsid sõja ajal nende materjalide tõhusat kasutamist diodides parandada. Pärast sõda kuulati mõlemat perioodiliselt üle nende sõjalise töö kohta ning lõpuks said nad 1946. aastal kutse Prantsuse luureametnikult Pariisi.

Compagnie des Freins & Signaux („pidurite ja signaalide ettevõte“), Prantsuse Westinghouse'i filiaal, sai Prantsuse telefonihalduselt lepingu tahkete dioodide loomise kohta ning otsis endale abi Saksamaa teadlastelt. Selline liit endiste vaenlaste vahel võib tunduda kummaline, kuid see kokkulepe osutus mõlemale poolele üsna soodsaks. Prantslased, kes olid 1940. aastal kaotanud, ei saanud oma teadmisi pooljuhtide alal arendada ning vajasid desperately teadlaste oskusi. Sakslased ei suutnud okupatsiooni all ja sõjast kahjustatud riigis arendada mingeid kõrgtehnoloogilisi valdkondi, seega haarasid nad kinni võimalusest töö jätkamiseks.

Velker ja Matare rajasid peakorteri kahekorruselisse majja Pariisi eeslinnas, Oney-sur-Bois, ja tehnikute meeskonna abiga käivitasid nad edukalt germaaniumdioodide tootmise 1947. aasta lõpuks. Seejärel pöördusid nad tõsisemate sihtide poole: Velker naasis teda huvitavate ülijuhtide juurde ja Matare võimendite juurde.

Herbert Matare 1950

Sõja ajal katsetas Matare kahe punktkontakti - «duodiode» - abil, et vähendada ringi müra. Ta jätkas katsetusi ja avastas peagi, et teine «kassi vunts», mis asus 1/100 miljoni meetri kaugusel esimesest, suutis mõnikord modereerida esimesest vindi kaudu kulgevat voolu. Ta lõi tahke aine võimendi, kuigi see polnud kuigi kasulik. Usaldusväärsema töö saavutamiseks pöördus ta Velkeri poole, kes oli sõja ajal kriitiliselt töötanud saksa kristallidega. Velkeri meeskond kasvatas suuremaid ja puhtamaid saksa kristallide proove ning koos materjali kvaliteedi paranemisega said Matare punktkontaktiga võimendid juuni 1948. aastaks usaldusväärseks.

Röntgenpilt «tranzistronist», mis põhineb Matare skeemil, millel on kaks kontaktpunkti saksa peale

Matarel oli isegi teoreetiline mudel, kuidas see toimib: ta arvas, et teine kontakt teeb saksa haprikuks, kiirendades voolu läbimist esimesest kontaktist, pakkudes mitte-põhjuslike laadijate. Velker ei olnud temaga nõus ja arvas, et see sõltub mingist välise efektist. Kuid enne kui nad suutsid seadet või teooriat välja töötada, kuulsid nad, et Ameerika rühm oli välja töötanud täpselt sellise kontseptsiooni - saksa võimendi kahe punktkontaktiga - kuus kuud varem.

Murray Hill

Sõja lõpus reformis Mervin Kelly Bell Labs'i pooljuhtide uurimisrühma, mille eesotsas oli Bill Shockley. Projekt laienes, sai rohkem rahastust ja kolis Manhattan'i algse labori hoonest laienevasse kampusesse Murray Hillis (New Jersey).

Murray Hilli kampus, u. 1960

Ette, et saada taas tuttavaks edasijõudnud pooljuhtidega (pärast seda, kui ta sõja ajal tegeles operatsioonide uurimisega), külastas Shockley 1945. aasta kevadel Russell Olli laboratooriumi Holmdelis. Oll oli sõja aastad töötanud räni kallal ega olnud aega raisanud. Ta näitas Shockleyle oma valmistatud jämedat võimendit, mille ta nimetas „deziisteriks“. Ta kasutas pinna kontaktiga räni sirgendajat ning juhtis sellele voolu akust. Paistab, et akude soojus vähendas kontaktpunkti takistust ning muundas sirgendaja võimendiks, mis suudab edastada sissetulevaid raadiosignaale ringlusse, mis on piisavalt tugev, et toita kõlarit.

Mõju oli jäme ja ebausaldusväärne, mitte kommertsialiseerimiseks sobiv. Siiski piisab sellest, et kinnitada Shockley arvamust poolejuhtvõimendi loomise võimalikkusest ja et see peaks olema prioriteetse uurimistöö suund kindlas elektritööstuses. Samuti veenis see kohtumine Olli meeskonnaga Shockley’t, et räni ja germaani uurimist tuleb alustada esmajärjekorras. Need demonstreerisid atraktiivseid elektrilisi omadusi ning lisaks saavutasid Olli kolleegid, metallurgid Jack Skaff ja Henry Terer, sõja ajal hämmastavaid edusamme nende kristallide kasvatamises, puhastamises ja lisandite lisamises, ületades kõik tehnoloogiad, mis olid olemas teiste pooljuhtmaterjalide jaoks. Shockley grupp ei kavatse enam aega raisata enne sõjna võimenditele, mis olid valmistatud vaskoksiidist.

Kelly abil hakkas Shockley koguma uut meeskonda. Üks peamisi tegijaid oli Walter Brattain, kes aitas Shockley’d tema esimeses katsetuses pooljuhtvõimendi loomisel (1940. aastal) ja John Bardeen, noor füüsik ja uus Bell’i laborite töötaja. Bardeenil oli tõenäoliselt kõigi meeskonna liikmete seas kõige laiemad teadmised tahke aine füüsikast – tema väitekiri käsitles elektronide energiatase metallnatriumi struktuuris. Ta oli samuti veel üks John Hazebrooka Van Flecki protežee, nagu Atanasoff ja Brattain.

Nagu Atanasovi puhul, nõudsid Bardini ja Shockley väitekiri kõige keerukamaid arvutusi. Nad pidid kasutama kvantmehaanilist pooljuhtide teooriat, mille koostas Alan Wilson, et arvutada materjalide energiakonstruktsioone Monroe lauaarvuti abil. Aitavad transistori loomisel, aitasid nad tegelikult tulevaste kraadiõppurite sellisest tööst vabastamisel.

Shockley esimene lähenemine tahkekehade võimendajale põhines sellel, mida hiljem hakati nimetama „väljaefektiks“. Ta riputas metallplaadi pooljuht n-tüüpi (ülemääraste negatiivsete laadidega) kohal. Positiivse laengu rakendamine plaadile tõmbas ülemäärased elektronid kristalli pinnale, luues negatiivsete laadide jõe, mille kaudu elektrivool kergesti voolata sai. Nii saadud signaal (mida esindas laengu tase plaadil) suutis modulleerida põhiringi (mis kulges pooljuhtmaterjali pinnal). Selle skeemi toimimist vihjas tema teoreetilised teadmised füüsikast. Kuid vaatamata paljudele katsetele ja eksperimenteerimisele ei töödanud skeem kunagi.

1946. aasta märtsiks oli Bardin loonud hästi välja töötatud teooria, mis selgitas selle põhjus: pooljuhtmaterjali pind käitub kvanttasandil teistsuguselt kui selle sisemus. Pinnale tõmmatud negatiivsed laadid sattusid „pinnaseisundite” lõksu ja takistasid elektrivälja tungimist plaadilt materjali. Ülejäänud meeskonna liikmed pidasid antud analüüsi veenvaks ning käivitasid uue uurimisprogrammi kolme suuna kaudu:

1. Tõestada pinnaseisundite olemasolu.
2. Uurida nende omadusi.
3. Mõelda välja, kuidas neid võita ja teha töökorras väljaefekti transistor.

Pärast poolteist aastat uurimist ja katsetamist, 17. novembril 1947 avastas Brettain läbimurde. Ta leidis, et kui asetada ioonidega täidetud vedelik, näiteks vesi, plaadi ja pooljuhi vahele, surub plaadi elektriväli ioone pooljuhi poole, kus nad neutraliseerivad pinnaseisudes kinni peetud laengud. Nüüd suutis ta juhtida silikoni elektrikäitumist, muutes plaadi laengut. See edu andis Bardinile idee uue lähenemise jaoks võimendi loomisel: ümbritseda diodiga kontaktpunkt elektrolüüdiveega ja seejärel kasutada teist juhet vees pinnaseisuste juhtimiseks, et kontrollida põhikontakti juhtivuse taset. Nii jõudsid Bardin ja Brettain finišijoonele.

Bardini idee toimis, kuid võimendus oli nõrk ja töötas väga madalatel sagedustel, mis olid inimese kuulmise jaoks kättesaamatud - seetõttu oli see telefonivõi raadio võimendina kasutu. Bardin soovitas minna tagasi tagasivoolu suhtes vastupidavale germaaniumile, mis oli saadud Purdue's, arvates, et selle pinnale koguneb vähem laenguid. Äkki said nad võimsa võimenduse, kuid vastupidises suunas, kui oodati. Nad avastasid mittealgse kandjate efekti - oodatud elektronide asemel tugevdasid germaaniumi kaudu voolavad augud, mis tulid elektrolüüdist. Vool elektrolüüdijuhtmes tekitas germaaniumi n-tüüpi pinnal p-tüüpi kihi (ülekaaluliste positiivsete laengute ala).

Subsequent experiments showed that the electrolyte was not needed at all: simply placing two contact points close together on the surface of germanium allowed the current from one to modulate the current on the other. To bring them as close together as possible, Brettain wrapped a triangular piece of plastic with a piece of gold foil and then carefully cut the foil at the end. Then, with the help of a spring, he pressed the triangle against the germanium, causing the two edges of the cut to touch its surface at a distance of 0.05 mm. This gave the Bell Labs transistor prototype its distinctive appearance.

Brettaini ja Bardini transistor prototüüp

Nii nagu Matara ja Velkera seade, oli see põhimõtteliselt klassikaline „kassi habe“, lihtsalt kahe kontaktpunktiga ühe asemel. 16. detsembril saavutas ta märkimisväärse tugevuse ja pingetõusu ning 1000 Hz sageduse kuulmiskauguses. Nädala pärast, väikeste täiustustega, saavutasid Bardin ja Brettain 100-kordse pinge ja 40-kordse jõu ning demonstreerisid Bell'i direktoritele, et nende seade suudab edastada kuulmist kõnet. John Pierce, veel üks tahkete seadmete arendamise meeskonna liige, lõi termini „tranzistor“, tuginedes Bell'i vaskoksiidi sirgestajale, varistorile.

Järgmised kuus kuud hoidis laboratoorium uut leiutist saladuses. Juhtkond soovis veenduda, et nad saavad ärilisest võimalusest rongi ees tähistada, enne kui keegi teine selle omandab. Pressikonverents toimus 30. juunil 1948, just õigel ajal, et purustada Velkera ja Matara igavese elu unistused. Sel ajal lagunes pooljuhtide uurimisgrupp vaikselt. Kuuldes Bardini ja Brettaini edusammudest, hakkas nende ülem Bill Shockley töötama, et endale kogu au omistada. Kuigi ta mängis vaid vaatleja rolli, sai Shockley avalikus esituses samasugust, kui mitte rohkem reklaami – nagu näha sellest avaldatud pildist, kus ta on sündmuste keskel ja otse labori laua juures:

Reklaamfoto aastast 1948 – Bardin, Shockley ja Brettain

Kuid Shockley’le ei olnud see võrdsus piisav. Ja enne, kui keegi väljaspool Bell'i laboratooriume tostis teada tranzistorist, hakkas ta selle uuesti leiutama, et endale omistada. See oli vaid esimene paljusid sarnaseid uuesti leiutamisi.

Lisa lugemist

• Robert Buderi, Leiutis, mis Muutus Maailma (1996)
• Michael Riordan, „Kuidas Euroopa Tranzistori Mahajäeti,” IEEE Spectrum (1. nov 2005)
• Michael Riordan ja Lillian Hoddeson, Kristall Tule (1997)
• Armand Van Dormael, „Prantsuse Tranzistor,” www.cdvandt.org/VanDormael.pdf (1994)

Allikas: habr.com