Sarja teised artiklid:
- Relee ajalugu
- Elektrooniliste arvutite ajalugu
- Transistori ajalugu
- Interneti ajalugu
Tee tahkislülititeni on olnud pikk ja raske. See sai alguse avastamisest, et teatud materjalid käituvad elektri juuresolekul kummaliselt – mitte nii, nagu tollal eksisteerinud teooriad ennustasid. Järgnes lugu sellest, kuidas tehnoloogia muutus XNUMX. sajandil üha enam teaduslikuks ja institutsionaalsemaks distsipliiniks. Praktiliselt teadusliku hariduseta amatöörid, algajad ja professionaalsed leiutajad andsid tõsise panuse telegraafi, telefoni ja raadio arendamisse. Kuid nagu näeme, on peaaegu kõik tahkiselektroonika ajaloo edusammud tulnud teadlastelt, kes õppisid ülikoolides (ja tavaliselt on neil füüsika doktorikraad) ja töötasid ülikoolides või ettevõtete uurimislaborites.
Relee saab kokku panna juhtmetest, metallist ja puidust igaüks, kellel on töökojas ligipääs ja elementaarsed materjalioskused. Vaakumtorude loomiseks on vaja rohkem spetsialiseeritud tööriistu, millega saab luua klaaskolbi ja sealt õhku välja pumbata. Tahkisseadmed kadusid jäneseauku, kust digitaalne lüliti enam tagasi ei tulnud, sukeldudes üha sügavamale maailmadesse, mis olid arusaadavad ainult abstraktse matemaatika jaoks ja millele pääseb ligi vaid meeletult kallite seadmete abil.
Galena
In 1874 aastal , 24-aastane füüsik St. Thomas Leipzigis, avaldas oma pika karjääri jooksul esimese paljudest olulistest teadustöödest. Paber "Elektrivoolude kulgemisest metallisulfiidide kaudu" võeti vastu mainekas füüsikateadustele pühendatud ajakirjas Pogendorff's Annalen. Vaatamata igavale pealkirjale kirjeldas Browni artikkel üllatavaid ja mõistatuslikke katsetulemusi.
Ferdinand Brown
Brown huvitasid oma töö kaudu sulfiidid – mineraalkristallid, mis koosnevad väävliühenditest metallidega. . Michael Faraday märkis juba 1833. aastal, et hõbesulfiidi juhtivus suureneb temperatuuri tõustes, mis on täpselt vastupidine metalljuhtide käitumisele. Hittorf koostas põhjaliku kvantitatiivse aruande selle mõju mõõtmiste kohta 1850. aastatel nii hõbe- kui ka vasksulfiidide kohta. Nüüd avastas Brown, kasutades nutikat katseseadet, mis surus vedruga metalltraati vastu sulfiidkristalli, et tagada hea kontakt, midagi veelgi kummalisemat. Kristallide juhtivus sõltus suunast – näiteks võis vool ühes suunas hästi voolata, kuid aku polaarsuse pööramisel võis vool ootamatult järsult langeda. Kristallid toimisid rohkem kui juhid ühes suunas (nagu tavalised metallid) ja rohkem nagu isolaatorid teises (nagu klaas või kumm). Seda omadust hakati nimetama alaldamiseks, kuna see suudab sirgendada "pressitud" vahelduvvoolu "tasaseks" alalisvooluks.
Umbes samal ajal avastasid teadlased ka muid kummalisi omadusi materjalidel, nagu seleen, mida saab sulatada teatud metallisulfiidmaagidest. Valguse käes suurendas seleen juhtivust ja hakkas isegi elektrit tootma ning seda sai kasutada ka alaldamiseks. Kas oli mingi seos sulfiidkristallidega? Ilma teoreetiliste mudeliteta, mis toimuvat selgitaksid, oli valdkond segaduses.
Siiski ei takistanud teooria puudumine katseid tulemusi praktiliselt rakendada. 1890. aastate lõpus sai Brownist Strasbourgi ülikooli professor, mis annekteeriti hiljuti Prantsusmaalt. ja nimetati ümber Kaiser Wilhelmi ülikooliks. Seal imeti ta uude põnevasse raadiotelegraafi maailma. Ta nõustus ettevõtjate rühma ettepanekuga luua ühiselt raadiolainete vee kaudu edastamisel põhinev traadita sidesüsteem. Tema ja ta kaaslased loobusid aga peagi algsest ideest, valides õhussignalisatsiooni, mida Marconi ja teised kasutasid.
Raadio aspektide hulgas, mida Browni rühm püüdis parandada, oli tollane standardvastuvõtja, . See põhines tõsiasjal, et raadiolained põhjustasid metalliviilide kokkukleepumise, võimaldades aku voolul edasi liikuda signaalimisseadmesse. See töötas, kuid süsteem reageeris ainult suhteliselt tugevatele signaalidele ja see nõudis seadme pidevat löömist, et saepuru tükk purustada. Brown mäletas oma vanu katseid sulfiidkristallidega ja 1899. aastal taastas ta oma vana katseseade uue eesmärgiga – toimida traadita signaalide detektorina. Ta kasutas alaldusefekti, et muuta raadiolainete edastamisel tekkiv väike võnkuv vool alalisvooluks, mis võiks anda toite väikesele kõlarile, mis tekitas iga punkti või kriipsu kohta kuuldava klõpsatuse. See seade sai hiljem tuntuks kui ""traadi välimuse tõttu, mis puudutas kergesti kristalli ülaosa. Briti Indias (kus praegu asub Bangladesh) ehitas teadlane ja leiutaja Jagadish Bose sarnase seadme, võib-olla juba 1894. aastal. Teised hakkasid peagi valmistama sarnaseid detektoreid, mis põhinesid ränil ja karborundil (ränikarbiidil).
Siiski on , pliisulfiid, mida on iidsetest aegadest plii tootmiseks sulatatud, on muutunud kristallidetektorite eelistatud materjaliks. Neid oli lihtne valmistada ja odavad ning seetõttu said need varase põlvkonna raadioamatööride seas uskumatult populaarseks. Veelgi enam, erinevalt kahendkohererist (saepuruga, mis kas kokku või mitte), võib kristalne alaldi reprodutseerida pidevat signaali. Seetõttu suutis ta toota kõrvaga kuuldavat häält ja muusikat, mitte ainult morsekoodi koos selle punktide ja kriipsudega.
Galeenil põhinev kassi vurrude detektor. Vasakpoolne väike traaditükk on vurr ja hõbedane materjal põhjas on galeenikristall.
Kuid nagu pettunud raadioamatöörid peagi avastasid, võib kuluda minuteid või isegi tunde, et leida kristalli pinnalt maagiline punkt, mis annaks hea alalduse. Ja ilma võimenduseta signaalid olid nõrgad ja metallilise heliga. 1920. aastateks muutsid trioodvõimenditega vaakumlampvastuvõtjad kristallidetektorid peaaegu kõikjal aegunuks. Nende ainus atraktiivne omadus oli odavus.
See lühike esinemine raadioareenil näis olevat Browni ja teiste avastatud materjali kummaliste elektriliste omaduste praktilise rakendamise piir.
Vaskoksiid
Seejärel avastas 1920. aastatel teine füüsik Lars Grondahl oma katseseadega midagi kummalist. Grondahl, esimene tarkade ja rahutute meeste hulgast Ameerika Lääne ajaloos, oli ehitusinseneri poeg. Tema isa, kes emigreerus 1880. aastal Norrast, töötas mitu aastakümmet California, Oregoni ja Washingtoni raudteedel. Alguses näis Grondahl olevat otsustanud oma isa insenerimaailma selja taha jätta, minnes Johns Hopkinsi juurde füüsikadoktori kraadi, et jätkata akadeemilist teed. Kuid siis sattus ta raudteeärisse ja asus tööstushiiglase osakonna Union Switch and Signal uurimisdirektorina. , mis tarnis seadmeid raudteetööstusele.
Erinevad allikad viitavad Grondahli uurimistöö motivatsioonile vastuolulistel põhjustel, kuid olgu nii, et ta alustas katsetamist ühelt poolt kuumutatud vaskketastega, et luua oksüdeeritud kiht. Nendega töötades märkas ta voolu asümmeetriat – ühes suunas oli takistus kolm korda suurem kui teises. Vasest ja vaskoksiidist koosnev ketas alaldas voolu, nagu sulfiidikristall.
Vaskoksiidi alaldi vooluahel
Järgmised kuus aastat töötas Grondahl sellel nähtusel põhineva kasutusvalmis kaubandusliku alaldi väljatöötamisel, kasutades selleks enne patenditaotluse esitamist ja oma avastusest teatamist Ameerika Füüsika Seltsile 1926. aastal appi teist USA teadlast Paul Geigerit. sai kohe kommertshitiks. Habraste filamentide puudumise tõttu oli see palju töökindlam kui Flemingi klapi põhimõttel põhinev vaakumtoru alaldi ja seda oli odavam toota. Erinevalt Browni alaldikristallidest töötas see esimesel katsel ning tänu metalli ja oksiidi suuremale kontaktpinnale töötas see suurema voolu- ja pingevahemikuga. See võib laadida akusid, tuvastada signaale erinevates elektrisüsteemides ja toimida võimsate generaatorite ohutusšundina. Fotoelemendina kasutatuna võisid kettad toimida valgusmõõtjatena ja olid eriti kasulikud fotograafias. Teised teadlased töötasid samal ajal välja seleenialaldid, mis leidsid sarnaseid rakendusi.
Vaskoksiidi baasil valmistatud alaldi pakk. Mitme ketta koost suurendas pöördtakistust, mis võimaldas neid kasutada kõrgepingega.
Mõni aasta hiljem kaks Bell Labsi füüsikut Joseph Becker ja , otsustasid uurida vasest alaldi tööpõhimõtet – nad olid huvitatud sellest, kuidas see töötab ja kuidas seda Bell Systemis kasutada saab.
Brattain vanas eas - u. 1950. aasta
Brattain oli pärit Grondaliga samast piirkonnast Vaikse ookeani loodeosas, kus ta kasvas üles Kanada piirist mõne kilomeetri kaugusel asuvas farmis. Keskkoolis tundis ta huvi füüsika vastu, näidates üles antud valdkonnas sobivust ja lõpuks sai ta 1920. aastate lõpus Minnesota ülikoolis doktorikraadi ning asus 1929. aastal tööle Bell Laboratories. Muuhulgas õppis ta ülikoolis, mida ta õppis. uusim Euroopas populaarsust koguv teoreetiline füüsika, mida tuntakse kvantmehaanika nime all (selle kuraator oli , kes juhendas ka John Atanasoffi).
Kvantrevolutsioon
Viimase kolme aastakümne jooksul on aeglaselt arenenud uus teoreetiline platvorm, mis suudab õigel ajal selgitada kõiki kummalisi nähtusi, mida on aastaid täheldatud sellistes materjalides nagu galeen, seleen ja vaskoksiid. Terve hulk peamiselt noori füüsikuid, peamiselt Saksamaalt ja naaberriikidest, põhjustas füüsikas kvantrevolutsiooni. Kõikjal, kuhu nad vaatasid, ei leidnud nad mitte seda sujuvat ja pidevat maailma, mida neile oli õpetatud, vaid kummalisi, diskreetseid tükke.
Kõik sai alguse 1890. aastatel. Berliini ülikooli kuulus professor Max Planck otsustas töötada tuntud lahendamata probleemiga: kuidas ""(ideaalne aine, mis neelab kogu energia ja ei peegelda seda) kiirgab elektromagnetilises spektris kiirgust? Prooviti erinevaid mudeleid, millest ükski ei vastanud katsetulemustele – need ebaõnnestusid kas spektri ühes või teises otsas. Planck avastas, et kui eeldada, et keha kiirgab energiat väikeste diskreetsete koguste “pakettidena”, siis saame kirja panna lihtsa sageduse ja energia vahelise seose seaduse, mis sobib ideaalselt empiiriliste tulemustega.
Varsti pärast seda avastas Einstein, et sama juhtus ka valguse neeldumisega (esimene vihje footonitele) ja J. J. Thomson näitas, et ka elektrit ei kandnud pidev vedelik või laine, vaid diskreetsed osakesed – elektronid. Seejärel lõi Niels Bohr mudeli, et selgitada, kuidas ergastatud aatomid kiirgavad kiirgust, määrates aatomis üksikutele orbiitidele elektronid, millest igaühel on oma energia. See nimetus on aga eksitav, sest need ei käitu sugugi nagu planeetide orbiidid – Bohri mudelis hüppasid elektronid hetkega ühelt orbiidilt ehk energiatasemelt teisele, läbimata vahepealset olekut. Lõpuks lõid Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Born ja teised 1920. aastatel kvantmehaanikana tuntud üldistatud matemaatilise platvormi, mis hõlmas kõiki viimase kahekümne aasta jooksul loodud spetsiaalseid kvantmudeleid.
Selleks ajaks olid füüsikud juba kindlad, et materjalid, nagu seleen ja galeen, millel on fotogalvaanilised ja alaldatavad omadused, kuuluvad eraldi materjalide klassi, mida nad nimetasid pooljuhtideks. Klassifitseerimine võttis nii kaua aega mitmel põhjusel. Esiteks olid kategooriad “juhid” ja “isolaatorid” ise üsna laiad. T.N. "juhtide" juhtivus oli tohutult erinev ja sama (vähemal määral) kehtis isolaatorite kohta ning polnud selge, kuidas saaks mõnda konkreetset juhti mõnda neist klassidest liigitada. Veelgi enam, kuni XNUMX. sajandi keskpaigani oli võimatu saada ega luua väga puhtaid aineid ning looduslike materjalide juhtivuse veidrusi võis alati seostada saastumisega.
Füüsikutel olid nüüd olemas nii kvantmehaanika matemaatilised tööriistad kui ka uus klass materjale, millele neid rakendada. Briti teoreetik oli esimene, kes selle kõik kokku pani ja koostas üldise pooljuhtide mudeli ja nende toimimise 1931. aastal.
Alguses väitis Wilson, et juhtivad materjalid erinevad dielektrikutest oma energiaribade oleku poolest. Kvantmehaanika väidab, et elektronid võivad eksisteerida piiratud arvul energiatasemetel, mida leidub üksikute aatomite kestades või orbitaalides. Kui pigistada need aatomid materjali struktuuris kokku, oleks õigem ette kujutada pidevaid energiatsoone, mis seda läbivad. Kõrge energiaga ribades olevates juhtides on tühjad ruumid ja elektriväli saab seal vabalt elektrone liigutada. Isolaatorites on tsoonid täidetud ja kõrgemale juhtivale tsoonile, kust elektril on kergem liikuda, on üsna pikk tõus.
See viis ta järeldusele, et lisandid – materjali struktuuris olevad võõraatomid – peavad kaasa aitama selle pooljuhtide omadustele. Need võivad anda kas lisaelektrone, mis pääsevad kergesti juhtivusriba, või auke – elektronide puudust ülejäänud materjali suhtes –, mis loovad tühjad energiaruumid, kus vabad elektronid saavad liikuda. Esimest varianti nimetati hiljem liigse negatiivse laengu tõttu n-tüüpi (või elektroonilisteks) pooljuhtideks ja teist - p-tüüpi või aukudega pooljuhtideks liigse positiivse laengu tõttu.
Lõpuks tegi Wilson ettepaneku, et pooljuhtide voolu alaldamist saaks seletada kvantkvantidega. , elektronide järsk hüpe üle õhukese elektribarjääri materjalis. Teooria tundus usutav, kuid ennustas, et alaldis peaks vool oksiidist vasele liikuma, kuigi tegelikkuses oli see vastupidi.
Nii et hoolimata kõigist Wilsoni läbimurretest jäi pooljuhte raske seletada. Nagu järk-järgult selgus, mõjutasid mikroskoopilised muutused kristallstruktuuris ja lisandite kontsentratsioonis nende makroskoopilist elektrilist käitumist ebaproportsionaalselt. Ignoreerides arusaamatust – kuna keegi ei suutnud kunagi selgitada Browni 60 aastat varem tehtud eksperimentaalseid tähelepanekuid – töötasid Bratteyn ja Becker oma tööandja jaoks välja tõhusa vaskoksiidi alaldi tootmisprotsessi. Bell System hakkas kiiresti kogu süsteemis vaakumtoru alaldeid asendama uue seadmega, mida nende insenerid nimetasid , kuna selle takistus varieerus olenevalt suunast.
kuldmedal
Mervyn Kelly, füüsik ja endine Bell Labsi vaakumtorude osakonna juhataja, tundis selle arengu vastu suurt huvi. Paari aastakümne jooksul pakkusid vaakumtorud Bellile hindamatut teenust ja suutsid täita funktsioone, mida eelmise põlvkonna mehaaniliste ja elektromehaaniliste komponentidega ei olnud võimalik teha. Kuid need jooksid kuumalt, kuumenesid regulaarselt üle, tarbisid palju energiat ja neid oli raske hooldada. Kelly kavatses Belli süsteemi ümber ehitada usaldusväärsemate ja vastupidavamate tahkiselektrooniliste komponentidega, nagu varistorid, mis ei vaja suletud, gaasiga täidetud või tühje korpuseid ega kuumi hõõgniite. 1936. aastal sai temast Bell Labsi uurimisosakonna juhataja ja ta hakkas organisatsiooni uuele teele suunama.
Pärast pooljuht-alaldi saamist oli järgmine ilmselge samm pooljuhtvõimendi loomine. Loomulikult, nagu lampvõimendi, võiks selline seade töötada ka digilülitina. See pakkus Belli ettevõttele erilist huvi, kuna telefonikommutaatorites kasutati endiselt tohutul hulgal elektromehaanilisi digitaalseid lüliteid. Ettevõte otsis töökindlamat, väiksemat, energiasäästlikumat ja jahedamat vaakumtoru asendust telefonisüsteemides, raadiotes, radarites ja muudes analoogseadmetes, kus neid kasutati nõrkade signaalide võimendamiseks inimkõrva kuuldavale tasemele.
1936. aastal tühistas Bell Laboratories lõpuks kehtestatud töölevõtmise piirangu . Kelly hakkas kohe värbama kvantmehaanika eksperte, et aidata käivitada tema tahkis-uuringute programmi, sealhulgas , teine lääneranniku põliselanik, Californiast Palo Altost. Tema hiljutise MIT-i väitekirja teema sobis ideaalselt Kelly vajadustega: "Electron Bands in Sodium Chloride".
Brattain ja Becker jätkasid selle aja jooksul vaskoksiidi alaldi uurimist, otsides täiustatud pooljuhtvõimendit. Kõige ilmsem viis selle tegemiseks oli järgida analoogiat vaakumtoruga. Nii nagu Lee de Forest võttis lampvõimendi ja katoodi ja anoodi vahele ning Brattain ja Becker kujutasid ette, kuidas saab sisestada võre vase ja vaskoksiidi liitumiskohta, kus pidi toimuma alaldamine. Kuid kihi väikese paksuse tõttu oli neil võimatu seda teha ja see ei õnnestunud.
Vahepeal näitasid muud arengud, et Bell Labs polnud ainus tahkiselektroonikast huvitatud ettevõte. 1938. aastal avaldasid Rudolf Hilsch ja Robert Pohl Göttingeni ülikoolis läbiviidud katsete tulemused töötava tahkisvõimendiga, mis loodi kaaliumbromiidi kristalli ruudustiku sisestamisega. Sellel laboriseadmel polnud praktilist väärtust, peamiselt seetõttu, et see töötas sagedusel, mis ei ületanud 1 Hz. Ja ometi ei saanud see saavutus rõõmustada kõiki, kes on huvitatud pooljuhtelektroonikast. Samal aastal määras Kelly Shockley uude sõltumatusse tahkisseadmete uurimisrühma ning andis talle ja ta kolleegidele Foster Nixile ja Dean Woolridge'ile võimaluse uurida.
Vähemalt veel kahel leiutajal õnnestus enne Teist maailmasõda luua pooljuhtvõimendid. 1922. aastal nõukogude füüsik ja leiutaja avaldas tsintsiitpooljuhtidega tehtud edukate katsete tulemused, kuid tema töö jäi lääne kogukonnale märkamatuks; 1926. aastal taotles Ameerika leiutaja Julius Lillenfield pooljuhtvõimendi patenti, kuid puuduvad tõendid tema leiutise toimimise kohta.
Shockley esimene suurem arusaam oma uuest ametikohast tekkis Briti füüsiku Neville Mothi 1938. aasta teose "The Theory of Crystalline Rectifiers" lugemisel, mis lõpuks selgitas Grondahli vaskoksiidi alaldi tööpõhimõtet. Mott kasutas kvantmehaanika matemaatikat, et kirjeldada elektrivälja teket juhtiva metalli ja pooljuhtoksiidi liitumiskohas ning seda, kuidas elektronid "hüppavad" üle selle elektribarjääri, selle asemel, et tunneldada, nagu Wilson pakkus. Vool liigub metallist pooljuhi poole kergemini kui vastupidi, kuna metallis on palju rohkem vabu elektrone.
See viis Shockley täpselt samale ideele, mida Brattain ja Becker olid aastaid varem kaalunud ja tagasi lükanud – tahkis-võimendi valmistamine, sisestades vase ja vaskoksiidi vahele vaskoksiidivõrgu. Ta lootis, et võrku läbiv vool suurendab barjääri, mis piirab voolu voolu vasest oksiidini, luues võrgus oleva signaali ümberpööratud, võimendatud versiooni. Tema esimene toores katse ebaõnnestus täielikult, nii et ta pöördus mehe poole, kellel on täpsemad laborioskused ja alaldid: Walter Brattain. Ja kuigi tal polnud tulemuses kahtlust, nõustus Brattain rahuldama Shockley uudishimu ja lõi "võrgu" võimendi keerukama versiooni. Ta keeldus ka töötamast.
Siis sekkus sõda, mis jättis Kelly uue uurimisprogrammi segamini. Kellyst sai Bell Labsi radaritöörühma juht, keda toetas USA peamine radariuuringute keskus MIT-is. Brattain töötas tema heaks lühikest aega ja seejärel asus uurima mereväe allveelaevade magnettuvastust. Woolridge töötas tulejuhtimissüsteemide kallal, Nix töötas Manhattani projekti gaaside difusiooni kallal ja Shockley tegeles operatiivuuringutega, tegeledes esmalt Atlandi ookeani allveelaevadevastase sõjapidamisega ja seejärel Vaikse ookeani strateegilise pommitamise kallal.
Kuid hoolimata sellest sekkumisest ei peatanud sõda tahkiselektroonika arengut. Vastupidi, see korraldas tohutu ressursside infusiooni valdkonda ja tõi kaasa uuringute koondumise kahele materjalile: germaaniumile ja ränile.
Mida muud lugeda
Ernest Bruan ja Stuart MacDonald, Revolution in Miniature (1978)
Friedrich Kurylo ja Charles Susskind, Ferdinand Braun (1981)
G. L. Pearson ja W. H. Brattain, “History of Semiconductor Research”, Proceedings of the IRE (detsember 1955).
Michael Riordan ja Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
Allikas: www.habr.com