Teised tsükli artiklid:
- Relay ajalugu
- Elektrooniliste arvutite ajalugu
- Transistori ajalugu
- Internet ajalugu
Tee kõvaketasülititele oli pikk ja keeruline. See algas avastusega, et teatud materjalid käituvad elektri kohalolekul kummaliselt – mitte nii, nagu tookord loodud teooriad ennustasid. Järgnes lugu sellest, kuidas 20. sajandi tehnoloogia muutus üha teaduslikumaks ja institutsionaliseeritumaks distsipliiniks. Huvilised, algajad ja professionaalsed leiutajad, kellel ei olnud praktiliselt mingeid teaduslikke teadmisi, andsid tõsise panuse telegraafi, telefoniteabe ja raadio kujundamises. Kuid nagu me näeme, toimusid peaaegu kõik edusammud kõvaketaselise elektroonika ajaloos teadlaste, kes olid õppinud ülikoolides (ja enamasti doktorikraadiga füüsikas), ja kes töötasid ülikoolides või ettevõtete teaduslaborites.
Igaühel, kellel on juurdepääs töökodadele ja kes omab põhioskusi materjalide töötlemises, on võimalik kokku panna relee juhtmetest, metallist ja puidust. Elektriliste lampide valmistamiseks on vajalikud spetsialiseeritud tööriistad, mis suudavad luua klaaspudeli ja õhku sealt välja pumbata. Kuid kõvakere seadmed kadusid küülikurästa, millest digitaalne lüliti ei naasnud, ja süvenesid üha sügavamale maailmadesse, mis on mõistetavad ainult abstraktsest matemaatikast ning ligipääsetavad ainult ülikalli varustuse abil.
Galeniit
1874. aastal , 24-aastane füüsik St. Thome koolist Leipzigis, avaldas esimese paljusid olulisi teadustöid oma pika karjääri jooksul. Töö "Elektrivoolude läbimine metallisulfidide kaudu" avaldati Pogendorffi Annalenis, tunnustatud ajakirjas, mis on pühendatud füüsikateadustele. Hoolimata igavast pealkirjast, kirjeldas Brauni töö mitmeid hämmastavaid ja mõistatuslikke eksperimentaalseid tulemusi.
Ferdinand Braun
Brauni köitis sulfide – mineraalsed kristallid, mis koosnevad väävli ja metallide ühenditest – tänu . Juba 1833. aastal märkis Michael Faraday, et hõbesulfiidi juhtivus suureneb temperatuuriga, mis on täielikult vastupidine metalliliste juhtide käitumisele. Gitterhof koostas 1850. aastatel põhjaliku kvantitatiivse aruande selle efekti mõõtmistest, hõlmates nii hõbe- kui ka vask-sulfiide. Nüüd avastas Brown keeruka eksperimentaalse seadme abil, mis surus metalljuhtme sulfiidikristallile, et tagada hea kontakt, midagi veel kummalisemat. Kristallide juhtivus sõltus suunast – näiteks võis vool hästi liikuda ühes suunas, kuid kui patarei polaarsust muuta, võis vool järsult langeda. Kristallid töötasid ühes suunas rohkem nagu juhid (nagu tavalised metallid), ja teises suunas rohkem nagu isolaatorid (nagu klaas või kumm). Seda omadust tuntakse kui sirgestamine, tänu võimele sirgendada
Umbes samal ajal avastasid teadlased ka teisi kummalisi omadusi, nagu näiteks seleen, mida oli võimalik sulatada mõnest metallide sulfiidigeost. Valguse mõjul suurenes seleeni juhtivus ja ta hakkas isegi genereerima elektrit, lisaks sellele võis seda kasutada sirgestamiseks. Kas sel oli mingi seos sulfiidikristallidega? Teoreetiliste mudelite puudumisel, mis suudaksid seletada toimuvat, valitses valdkonnas segadus.
Kuid teooria puudumine ei takistanud praktiliste rakenduste otsimist. 1890. aastate lõpus sai Brown Strasbourgi ülikooli professoriks – Prantsusmaalt hiljuti annekteeritud ülikool, mille nimetati ümber Keiser Wilhelm ülikooliks. Seal tõmbas teda võluv uus raadiotelegrafia maailm. Ta nõustus ettevõtjate grupi ettepanekuga luua koos traadita side süsteem, mis põhines raadiolaine edastamisel vee kaudu. Kuid nad ja tema kaaslased loobusid peatselt algsest ideest, eelistades õhu kaudu signaalide edastamist, mida kasutasid Marconi ja teised.
Eraldi aspektidest raadiotehnoloogias, mida Browni grupp püüdis täiustada, oli toona standardne vastuvõtja, See põhines tõsiasjal, et raadiolained sundisid metallipuru kogunema kuhjakeseks, mis võimaldas akust voolavatel elektril jõuda signaaliseadmestikku. See töötas, kuid süsteem reageeris ainult suhteliselt tugevatele signaalidele, ning puru kuhja purustamiseks oli vaja seadmele pidevalt lüüa. Brown meenutas oma varasemaid katseid sulfiidkristallidega ning 1899. aastal taastas ta oma vana katse seadme uue eesmärgiga – teenida traadita signaalide detektorina. Tõkestamise efekti kasutas ta, et muuta raadiolainete poolt genereeritud väike vooluvoog ühtseks vooluks, mis suudaks toita väikest kostjat, andes kuulda klikke igas punktis või kriipsus. See seade sai hiljem nimeks „“ tänu juhtme välimusele, mis kergesti puutus kristalli ülemise osa külge. Briti Indias (koht, kus täna asub Bangladeš) ehitas teadlane ja leiutaja Jagadish Bose sarnase seadme, võib-olla isegi 1894. aastal. Varsti hakkasid teised valmistama sarnaseid detektoreid, mis põhinevad räni ja karborundi (silicon carbide) kasutamisel.
Kuid just , pliisulfiid, mida on sulatatud plii saamiseks juba iidsetest aegadest, sai eelistatud materjaliks kristallilistele detektoritele. Need olid lihtsad valmistada ja odavad, mistõttu said nad hulluks populaarsust varaste raadiovõhiku seas. Lisaks sellele suutis kristalliline sirgestaja erinevalt binaarsest kogereerist (kus puru kas kogunes kuhjakeseks või mitte) edastada pidevat signaali. Seetõttu suutis ta edastada kuuldaolevaid hääle- ja muusikateateid, mitte ainult need Morse'i koodi punktid ja kriipsud.
Kassi vihu detektor, mis põhineb galenitil. Vasakul olev väike tükike juhet on vihu, ja all olev hõbedane materjal on galenitkristall.
Kuid nagu peagi selgus rahulolematutele raadiohuvilistele, võisid ideaalsete punktide leidmine kristalli pinnalt, mis tagas kvaliteetse sirgendamise, võtta minuteid või isegi tunde. Signaalid ilma võimenduseta olid nõrgad ja neil oli metalliline kõla. 1920. aastateks olid elektroodiga vastuvõtjad trioodide võimenditega praktiliselt kõrvaldades kristallide detektorid pea igalt poolt. Nende atraktiivne omadus jäi vaid odavuseks.
See lühike ilmumine raadiovastuvõtjate areenile näis olevat materjali kummaliste elektriliste omaduste praktilise rakenduse piir.
Vaskoksiid
Seejärel 1920. aastatel avastas teine füüsik nimega Lars Grøndahl midagi kummalist oma eksperimentaalses seadmes. Grøndahl, esimene nutikate ja rahutute meeste jada Ameerika Läänes, oli inseneri poeg. Tema isa, kes immigratsiooni Norra 1880. aastal, töötas mitu aastakümmet raudteedel Californias, Oregoni ja Washingtonis. Alguses näis Grøndahl olevat otsustanud jätta oma isa insenerimaailma selja taha ning asus Johns Hopkinsi ülikooli doktorikraadi saamiseks füüsikas, et minna akadeemilise teega. Kuid seejärel tõmbas ka teda raudteebisness ja ta sai Union Switch and Signal, tööstusgigandi, teadusosakonna direktoriks. , mis varustas raudteetööstuse seadmetega.
Erinevates allikates on vastuolulised põhjused, mis motiveerisid Grøndahli tema uuringutes, kuid igal juhul hakkas ta eksperimenteerima kuumutatud vaskplaatidega, et luua oksüdeeritud kiht. Nende plaatidega töötades pööras ta tähelepanu voolu asümmeetriatele – takistus ühes suunas oli kolm korda suurem kui teises. Vask- ja vaskoksiidist plaat sirgendas voolu, nagu ka sulfiidi kristall.
Vaskoksiidi sirgendaja skeem
Järgmise kuue aasta jooksul töötas Grondahl selle nähtuse põhjal välja kaubanduslikult kasutusvalmis sirgesti, koostöös USA teadlase Paul Geigeriga, ning esitas patenditaotluse, kuulutades oma avastusest Ameerika Füüsika Seltsis 1926. aastal. Seade sai koheselt kaubanduslikuks hitiks. Nii nagu õrnade fiibrite puudumine, oli see palju usaldusväärsem kui elektronlampidel põhinevad Fleming'i aluselised sirgestid ning see oli ookeanis odavam toota. Erinevalt Brown'i kristall-sirgestidest, töötas see juba esimesel katsel ning suurema metalli ja oksüdi kontakti pindala tõttu töötas see suurema elektrivoolu ja pingega. See suutis laadida akusid, tuvastada signaale eri elektrisüsteemides ning töötada suurte generaatorite ohutusšuntina. Kasutades fotokomplektina, suudeti plaadid töötada valguse koguse mõõtjateks ning need olid eriti kasulikud fotograafias. Teised teadlased valmistasid enam-vähem samal ajal seleeni sirgesti, mis tõid kaasa sarnased rakendused.
Vaskoksiidil põhinevate sirgestite pakend. Mitme plaadi kogum suurendas tagasivoolu takistust, võimaldades kasutada neid kõrgepingel.
Mõne aasta pärast kujundasid kaks Bell Labs'i füüsikut, Joseph Becker ja , otsustades uurida vasksirgesti tööpõhimõtet – neid huvitas, kuidas see töötab ja kuidas seda võiks kasutada Bell Systemis.
Brattain eakatena – ca 1950
Brattain oli pärit samadest paikkondadest nagu Grondahl, Vaikse ookeani loodeosa, kus ta kasvas üles farmis, mis asus mitme kilomeetri kaugusel Kanada piirist. Gümnaasiumi viimastel klassidel hakkas teda huvitama füüsika ja ta näitas sellel alal andeid ning lõpuks sai doktorikraadi Minnesota Ülikoolis 1920-ndate lõpus ning asus tööle Bell Labs'is 1929. aastal. Üks neist asjadest, mida ta ülikoolis õppis, oli hiljuti Euroopas populaarsust kogunud teoreetiline füüsika, tuntud kui kvantmehhaanika (tema juhendajaks oli , kes juhendas ka John Atanasevits).
Kvantrevolutsioon
Uus teoreetiline platvorm on viimase kolme kümnendi jooksul aeglaselt arenenud ning kunagi suudab see seletada kõiki kummalisi nähtusi, mida on aastaid jälgitud sellistes materjalides nagu galena, seleen ja vaskoksiid. Terve hulk peamiselt noori füüsikuid, enamik Saksamaalt ja naaberriikidest, on käivitanud kvantrevolutsiooni füüsikas. Kuskil, kuhu vaadata, avastasid nad, et maailm ei ole sujuv ja pidev, nagu neid on õpetatud, vaid kummalised diskreetsed tükid.
Kõik algas 1890. aastatel. Max Planck, Berliini ülikooli tuntud professor, otsustas töötada tuntud lahendamata küsimusega: kuidas "" (ideaalne aine, mis neelab kogu energia ja ei peegelda seda) kiirgab elektromagnetilise spektri kaudu? Erinevaid mudeleid on katsetatud, millest ükski ei ühtinud eksperimenteeritud tulemustega – nad ei saanud hakkama kas ühe või teise spektri otsaga. Planck avastas, et kui eeldada, et keha kiirgab energiat väikeste "pakettide" diskreetse suurusega, siis on võimalik kirja panna lihtne sageduse ja energia seose seadus, mis ühtib ideaalselt empiiriliste tulemustega.
Peagi pärast seda avastas Einstein, et sama kehtib ka valguse neeldumise kohta (esimene vihje fotonite olemasolule), ja J. J. Thomson näitas, et elektrilisus ei edastata pideva vedeliku või laine kaudu, vaid diskreetsete osakeste – elektronide kaudu. Seejärel lõi Niels Bohr mudeli, mis selgitas, kuidas erksad aatomid kiirgavad, määrates elektronidele erinevad orbiidid aatomis, millest igaühel on oma energia. Siiski võib see nimetus eksitada, kuna nende käitumine ei sarnane kuigi palju planeetide orbiitidega – Bohr'i mudelis liikusid elektronid koheselt ühelt orbiidilt, või energiatasemelt, teisele, ilma üleminekut seisundit läbimata. Ja lõpuks, 1920. aastatel, lõid Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Born ja teised üldise matemaatilise platvormi, mida tuntakse kui kvantmehaanika, hõlmates kõiki erikvantmudeleid, mis olid loodud viimase kahekümne aasta jooksul.
Sel ajal olid füüsikud juba veendunud, et sellised materjalid nagu seleen ja galenit, mis demonstreerivad fotoelektrilisi ja sirgeid omadusi, kuuluvad eraldi materjalide klassi, mida nad nimetasid pooljuhtideks. Kategooriate klassifitseerimine kestis nii kaua mitmel põhjusel. Esiteks, nimelt kategoriseerimine 'juhtide' ja 'isolaatorite' alla oli piisavalt lai. Nn 'juhtmetel' oli väga erinev juhtivus, sama (vähenenud määral) kehtis ka isolaatorite kohta, ja ei olnud selge, kuidas mingit kindlat juhti saaks seostada ühegi nende klassidega. Veelgi enam, enne 20. sajandi keskpaika polnud võimalik saada või luua väga puhtaid aineid, ja kõik looduslike materjalide juhtivuse ebakorrapärasused võis alati omistada saasteainetele.
Nüüd olid füüsikutel olemas nii kvantmehaanika matemaatilised tööriistad kui ka uus materjalide klass, millele neid rakendada. Briti teoreetik koondas kõik selle kokku ja ehitas 1931. aastal üldise pooljuhtide mudeli ja nende tööpõhimõtte.
Esialgu väitis Wilson, et juhtivad materjalid erinevad dielektrikutest energiatasemete olekuga. Kvantmehaanika väidab, et elektronid võivad eksisteerida piiratud hulgal energia tasemel, mis on iseloomulik individuaalsete aatomite väljakujunenud kestadele või orbitaalidele. Kui suruda need aatomid kokku mis tahes materjali struktuuri, on õigem ette kujutada, et selle sees on pidevad energiaperioodid, mis läbivad seda. Juhtivates materjalides on kõrgete energia tasemete juures tühjad kohad, ning elektriväli suudab elektronid sinna vabalt liikuda. Isolaatorites on tasemed täidetud, ja kõrgemale, juhtivale tasemele, kuhu elekter liigub kergemini, ronimine on üsna kaugel.
See viis teda järeldusele, et lisandid – võõrad aatomid materjali struktuuris – peavad aitama kaasa selle pooljuhtlike omaduste kujunemisele. Need võivad kas pakkuda liigseid elektrone, mis kergesti pääsevad juhtivuspiirkonda, või aukusid – elektronide puudumist võrreldes ülejäänud materjaliga – mis loob tühjad energiaasetused, kuhu võivad liikuda vabad elektronid. Esimese variandi nimetati hiljem n-tüüpi pooljuhtideks (või elektrilisteks), kuna neil oli üleliigne negatiivne laeng, ja teise variandi p-tüüpi või aukjuhtivateks – üleliigse positiivse laenguga.
Lõpuks pakkus Wilson, et pooljuhtide kaudu voolava elektri suunamine võib olla seletatav kvantfenomeniga , elektroni äkilise hüppega läbi õhukese elektrilise barjääri materjalis. Teooria tundus usutavana, kuid ennustas, et vool peaks liikuma oksüdist vaske, kuigi tegelikult oli kõik vastupidi.
Nii et hoolimata Wilsoni kõikidest läbimurretest olid pooljuhte endiselt keeruline seletada. Aja jooksul sai selgeks, et mikroskoopilised muutused kristallstruktuuris ja lisandite kontsentratsioonis mõjutasid nende makroskoopilist elektrilist käitumist ebaproportsionaalselt. Rohkem tähelepanu pööramata arusaamatusele – kuna keegi ei suutnud seletada katsevaatlusi, mida Brown oli teinud 60 aastat enne seda – arendasid Brattain ja Becker välja tõhusa tootmisprotsessi vask-oksiidide sirgestitajate jaoks oma tööandjale. Bell System asus kiiresti asendama elektroonilisi lampe kogu süsteemis uue seadmega, mida nende insenerid nimetasid , kuna selle takistus muutus sõltuvalt suunast.
Kuldmedal
Mervin Kelly, füüsik ja endine Bell Labs'i elektronlampide osakonna juht, oli selle saavutuse vastu väga huvitatud. Aastate jooksul olid elektronlampid Bellile hindamatut teenistust osutanud, täites funktsioone, mis olid eelnevale mehaanilistele ja elektromehaanilistele komponentidele kättesaamatud. Kuid need kuumenesid tugevalt, üle kuumenesid regulaarselt, tarbisid palju energiat ning nende hooldamine oli keeruline. Kelly plaanis üles ehitada Bell'i süsteemi uuesti, tuginedes usaldusväärsematele ja vastupidavamatele pooljuhtkomponentidele, nagu varistor, mis ei vajanud hermeetilisi, gaasiga täidetud ega tühjeコorjaid, ega kuumi niite. 1936. aastal sai temast Bell Labs'i uurimisosakonna juht ja ta hakkas organisatsiooni suunama uuele teele.
Saades pooljuhtvõimendi, oli järgmine loogiline samm luua pooljuhtvõimendi. Loomulikult saaks selline seade, nagu ka lambi võimendi, töötada ka digitaalse lülitina. See huvitas eriti Bell'i ettevõtet, kuna telefonikeskustes töötas endiselt tohutult palju elektromehaanilisi digitaalset lülitust. Ettevõte otsis usaldusväärsemat, kompaktselt, energiatõhusat ja jahedat asendust elektronlampidele telefonisüsteemides, raadiovastuvõtjates, radarites ja muudes analoogseadmetes, kus neid kasutati nõrkade signaalide tugevdamiseks tasemeni, mis oli inimese kõrvadele kergesti kuuldav.
1936. aastal tühistas Bell Labs lõpuks töölevõtmise keelu, mis oli kehtestatud . Kelly hakkas kohe palkama kvantmehaanika eksperte, et aidata tal käivitada oma pooljuhtseadmete uurimisprogrammi, sealhulgas , veel üks lääneranniku mees Palo Altost (California). Tema hiljuti MIT-s kaitstud doktoritöö teema sobis Kelly vajalike nõudmistega: „Elektroonilised alad naatriumkloriidis“.
Brattain ja Becker jätkasid sel ajal oma uuringute tegemist vaskoksiidil põhineva sirgesti, püüdes saavutada paremat tahkisvõimendit. Kõige ilmselgem viis selle valmistamiseks oli minna elektroonilise toru analooge järgides. Just nagu Lee de Forest võttis toru võimendi ja katoodi ja anoodi vahele, kujutasid Brattain ja Becker, kuidas oleks võimalik paigaldada võrgu vaske ja vaskoksiidi kokkupuute kohta, kus arvatavasti toimub sirgestamine. Siiski, nende arvates oli see väikese kihi paksuse tõttu võimatu, ja nad ei saavutanud selles edu.
Samal ajal näitasid teised arengud, et Bell Labs ei olnud ainus ettevõte, kellel oli huvi tahkiselektroonika vastu. 1938. aastal avaldas Rudolf Hilth ja Robert Paul eksperimente, mida tehti Göttingeni ülikoolis töötava tahkisvõimendi üle, mis loodi võrgu integreerimise kaudu kaaliumbromiidi kristalli. Praktiliselt ei olnud sellel laboriseade mingit väärtust – peamiselt seetõttu, et see töötas sagedusel mitte üle 1 Hz. Ometigi ei saanud see saavutus mitte rõõmustada kõiki, kes olid huvitatud tahkiselektroonikast. Samal aastal määras Kelly Shockley uude sõltumatute tahkis-seadmete uurimisgruppi ja andis talle koos kolleegidega – Foster Nix ja Dean Woolridge – vabaduse uurida nende võimalusi.
Vähemalt kaks leiutajat suutsid luua tahkisvõimendi enne Teise maailmasõda. 1922. aastal avaldas Vene füüsik ja leiutaja edukate katsete tulemused tsinkite semikonduktoritega, kuid tema tööd jäid lääne kogukonna tähelepanuta; 1926. aastal esitas Ameerika leiutaja Julius Lilienfeld patenditaotluse tahkisvõimendi kohta, kuid ei ole mingeid tõendeid tema leiutise toimimise kohta.
Šokli esimene suur taipamine uues ametis toimus, kui ta luges Briti füüsiku Neville Motta 1938. aasta tööd "Kristalliliste sirgendajate teooria", kus lõpuks seletati Grondali sirgendaja tööpõhimõtet vaseoksiidil. Mott kasutas kvantmehaanika matemaatikat, et kirjeldada elektrivälja tekkimist juhtiva metalli ja pooljuhtoksiidi vahel ning seda, kuidas elektronid "üle hüppavad" selle elektrilise tõkke, selle asemel et tunnelida, nagu Wilson oli soovitanud. Praegune vool voolab kergemini metallist pooljuhtisse kui vastupidi, kuna metallil on palju rohkem vabade elektrone.
See viis Šokli just sellise idee poole, mille Brotherin ja Becker olid aastaid varem arutanud ja tagasi lükanud – valmistada tahke staatiline võimendi, sisestades vaseoksiidist võrgu vaske ja vaseoksiidi vahele. Ta lootsis, et vool võrgu kaudu suurendab takistust, mis piirab voolu, mis voolab vasest oksiidi, luues võrgu inversse, tugevdatud versiooni signaalist. Tema esimene karmi katse ebaõnnestus täielikult, seega pöördus ta mehe poole, kellel olid paremad laborioskused ja kes oli sirgendajatega hästi tuttav – Walter Brattain. Ja kuigi tal ei saanud olla kahtlusi tulemuses, nõustus Brattain rahuldama Šokli uudishimu ning lõi keerulisema versiooni "võrgu" võimendist. See mõistis samuti ametist loobuda.
Siis sekkus sõda, jättes Kelly uue uurimisprogrammi segadusse. Kelly asumises Bell Labs'i radarigrupp, mis töötas Ameerika Ühendriikide MIT peamise radari teadusliku keskuse toetusel. Brattain töötas lühikest aega tema juures, seejärel suundus ta mereväe tellimisel allveelaevade magnetilise tuvastamise uuringutesse. Wooldrige töötas tulekontrollsüsteemide kallal, Nix gaaside difusiooniga Manhattan projekti jaoks, ja Šokli suundus operatsioonilistele uuringutele, alustades allveelaevade vastase võitlusega Atlandi ookeanis ja hiljem strateegiliste pommitamistega Vaikse ookeani piirkonnas.
Kuid hoolimata sellest sekkumisest ei peatunud sõda tahkiselektroonika arengut. Vastupidi, see organiseeris massilise rahasüstimise sellesse valdkonda ning tõi kaasa teadusuuringute keskendumise kahele materjalile: germaaniumile ja räni.
Lisa lugemist
Ernest Bruan ja Stuart MacDonald, Revolutsioon miniatuuris (1978)
Friedrich Kurylo ja Charles Susskind, Ferdinand Braun (1981)
G. L. Pearson ja W. H. Brattain, „Pooljuhtide teadusuuringute ajalugu,“ IRE Proceedings (detsember 1955).
Michael Riordan ja Lillian Hoddeson, Kristall Tule (1997)
Allikas: habr.com
