🥇Transistori ajalugu: pimeduses toimetades

Transistori ajalugu: pimeduses katsudes

Teised tsükli artiklid:

Tee tahkete lülitite juurde oli pikk ja keeruline. See algas avastusest, et teatud materjalid käituvad elektri kohalolekul kummaliselt – mitte nii, nagu tollased teooriad ette nägid. Sellele järgnes lugu sellest, kuidas XX sajandi jooksul muutus tehnoloogia üha rohkem teaduslikuks ja institutsionaalseteks distsipliinideks. Hobi- ja algajad leiutajad, kellel oli peaaegu puudulik teaduslik haridus, tegid tähtsaid panuseid telegraafi, telefonitehnoloogia ja raadioside kujunemisse. Kuid nagu me näeme, toimusid peaaegu kõik edusammud tahkete elektroonikate ajaloos tänu teadlastele, kes olid õppinud ülikoolides (ja kellel oli tavaliselt doktorikraad füüsikas) ning töötasid ülikoolide või ettevõtete teaduslaborites.

Iga inimene, kellel on juurdepääs töökohale ja põhioskused materjalide töötlemises, suudab kokkupanekuks relee juhtmetest, metallist ja puidust. Elektriliste lampide valmistamiseks on vajalikud spetsiifilisemad tööriistad, mis suudavad luua klaaskupli ja välja tõmmata sellest õhu. Tahked seadmed on kadunud küülikuaugusse, kust digitaalne lüliti enam tagasi ei tulnud, ning nad süvenesid sügavamale maailmadesse, mis on arusaadavad vaid abstraktsele matemaatikale ja millele pääseb ligi vaid uskumatult kallite seadmete abil.

Galeniit

Aastal 1874 Ferdinand Braun, 24-aastane füüsik pühapäeva koolist Leipzigi Pühast Toomasest, avaldas oma pika karjääri jooksul esimese paljude oluliste teadustööde seast. Töö "Elektrivoolude läbimine metallide sulfiidide kaudu" võeti vastu Pogendorffi Annalenis, prestiižikas ajakirjas, mis oli pühendatud füüsikateadustele. Hoolimata igavast pealkirjast, kirjeldas Braun oma töös mitmeid hämmastavaid ja salapäraseid katsetulemusi.

Transistori ajalugu: pimeduses katsudes
Ferdinand Braun

Brauni paelusid sulfiidid – mineraalikristallid, mis koosnevad väävli ja metallide ühenditest – tänu uuringutele Johanna Wilhelm Gittorff. Juba 1833. aastal märkis Michael Faraday, et hõbeda sulfidi juhtivus suureneb temperatuuriga, mis on täielikult vastupidine metalliliste juhtide käitumisele. Gittorff koostas selget kvantitatiivset aruanne uurimise efekti kohta 1850. aastatel nii hõbeda kui ka vask sulfide puhul. Nüüd avastas Brown, kasutades nutikat katserajatist, mis surus metalljuhtme sulfiidikristallile vedru abil, et tagada hea kontakt, midagi veelgi kummalisemat. Kristallide juhtivus sõltus suunast – näiteks vool võis ühes suunas hästi voolata, kuid kui patarei polaarsust vahetati, võis vool järsku oluliselt väheneda. Kristallid töötasid ühes suunas rohkem nagu juhid (nagu tavalised metallid), ja teises suunas rohkem nagu isolaatorid (nagu klaas või kumm). Seda omadust hakati nimetama sirgestamiseks, kuna see suutis „keerulist“ vaheldusvoolu sirgestada, muutes selle „tasaseks“ alalisvooluks.

Umbes samal ajal avastasid teadlased ka muid kummalisi omadusi selliste materjalide nagu näiteks seleeni puhul, mida sai sulatada teatud metallide sulfiidsetest maardlatest. Valguse mõjul suurendas seleen oma juhtivust ning hakkas isegi elektrit genereerima ja seda sai kasutada ka sirgestamiseks. Kas siin oli mingisugune seos sulfiidkristallidega? Ilma teoreetiliste mudeliteta, mis suudaksid seletada toimuvat, valitses selles valdkonnas segadus.

Kuid teooria puudumine ei takistanud praktiliste rakenduste katsetamist. 1890. aastate lõpus sai Braun Strasbourg'i ülikooli professoriks – Prantsusmaalt hiljuti annekteeritud. Prantsus-Preisi sõda ja muudeti Wilhelm Kaiseri Ülikooliks. Seal tõi teda maagiline uus raadiotelegraafia maailm. Ta nõustus ettevõtjate rühmaga koostööd tegema, et luua traadita side süsteem, mis põhines raadiolainete ülekandel vee kaudu. Kuid koos kaasosalistega loobusid nad peagi algsest ideest signaalide õhust edastamise kasuks, mida kasutasid Marconi ja teised.

Brawni grupi püüdlemise seas raadiovaldkonnas oli standardne tol ajal vastuvõtja, koherer. Ta põhines faktil, et raadiolained sundisid metallipiike kokku kogunema, mis võimaldas patareist voolul jõuda signaaliseadmestikku. See toimis, kuid süsteem reageeris ainult suhteliselt tugevatele signaalidele ning kokku kogunenud piike tuli pidevalt seadmest alla lüüa. Brown meenutas oma vana eksperimente vääveldioksiidikristallidega ning 1899. aastal rekonstrueeris ta oma vana eksperimentaalse seadme uue eesmärgiga – toimida traadita signaalide detektorina. Ta kasutas sirgestamise efekti, et muuta läbivad raadiolained tekitatud väike vahelduv vool konstantseks vooluks, mis suutis toita väikest kõlarit, mis andis kuulda klõpse iga punkti või kriipsu jaoks. See seade sai hiljem tuntuks kuikassi vurru detektor» kaabli välimuse tõttu, mis kergesti puudutas kristalli ülemist osa. Briti Indias (kus asub tänapäeva Bangladeshi) ehitas teadlane ja leiutaja Jagadis Bose sarnase seadme, võimalikult juba 1894. aastal. Peagi hakkasid teised tootma sarnaseid detektoreid alusel räni ja karborundi (räni karbiidi).

Kuid just galeniit, plii sulfiid, mida on sulatatud plii saamiseks juba iidsetest aegadest, sai eelistatud materjaliks kristalliliste detektorite jaoks. Nad olid lihtsad toota ja odavad ning seetõttu said nad ennekuulmatu populaarsuse varaste raadiohuviliste seas. Veelgi enam, erinevalt binaarsest kogereerist (puuseente, mis kas klumpsasid kokku või mitte), suutis kristalliline sirgesti edastada pidevat signaali. Seetõttu võis ta edastada inimese kuulmisele sagedusi hääle ja muusika, mitte ainult morse koodi koos punktide ja kriipsudega.

Transistori ajalugu: pimeduses katsudes
Galeniidist valmistatud «kassitundlik» detektor. Vasakul olev väike kaabel on tundlik, all olev hõbedane materjal on galeniidi kristall.

Kuid nagu varsti selgus nurisevatelt raadiohuvilistelt, võis maagilise punkti leidmine kristalli pinnal, mis annaks hea sirgendamise, võtta minuteid või isegi tunde. Ja signaalid ilma võimenduseta olid nõrgad ja neil oli metalliline kõla. 1920. aastateks olid elektronlampidega triode võimenditega vastuvõtjad praktiliselt kristallidetektoreid peaaegu igalt poolt välja tõrjunud. Nende atraktiivne omadus oli ainult odavus.

See lühike ilmumine raadiosagedusese tundus olevat eraklike elektriliste omaduste praktilise rakenduse piir, mille avastas Brown ja teised.

Vaskoksiid

Kuid 1920. aastatel avastas teine füüsik nimega Lars Grondahl oma katse seadme abil midagi kummalist. Grondahl, esimene nutikate ja rahutute meeste jada, kes on teada Ameerika lääne ajaloos, oli ehitusinseneri poeg. Tema isa, kes emigreerus Norrast 1880. aastal, töötas paar aastakümmet raudteedel Californias, Oregoni osariigis ja Washingtonis. Alguses näis Grondahl otsustanud jätta oma isa insenerimaailma seljataha ning asus Johns Hopkinsi ülikooli füüsika doktorikraadi nimel, et astuda akadeemilisele teele. Kuid seejärel tõmbas ta end ka raudteetegevusse sisse ja sai Union Switch and Signal'i, tööstusgigandi divisjoni, teadusuuringute juhiks. Westinghouse, mis tarnis seadmeid raudtee tööstusele.

Erinevates allikates tuuakse välja vastuolulisi põhjuseid, miks Grondal oma uuringutega alustas, kuid igal juhul alustas ta katsetamist ühekülgselt kuumutatud vaskdiskidega, et luua oksüdatsiooni kiht. Töötades nendega, märkis ta voolu asymmeetriat – takistus ühes suunas oli kolm korda suurem kui teises. Vask- ja vaseoksiidist disk sirutas voolu, nagu kristall sulfiidi.

Transistori ajalugu: pimeduses katsudes
Vaseoksiidi dioodiskeem

Järgmise kuue aasta jooksul arendas Grondal selle nähtuse põhjal välja kaubanduslikult kasutusvalmis sirgestaja, saanud abi USA teadlaselt Paul Geigerilt. Seejärel esitas ta patenditaotluse ja kuulutas oma leidmist 1926. aastal Ameerika Füüsika Seltsi koosolekul. Seade sai kohe kaubanduslikuks hittiks. Tänu haprate kiudude puudumisele oli see palju usaldusväärsem kui elektronlampidel põhinev Fleming'i klapi põhimõttel töötav sirgestaja ning seda oli odav toota. Erinevalt Brauni kristallidest, mis olid sirgestajad, töötas see esimesel katsel ning suurema metall- ja oksüdikontakti pinna tõttu töötas see laiemas voolude ja pingete ulatuses. See suutis laadida akusid, tuvastada signaale erinevates elektrilistes süsteemides ning töötada turvashuntina võimsates generaatorites. Kasutades fotoelemendina, võisid kettad töötada valguse mõõturitena ning nad olid eriti kasulikud fotograafias. Teised teadlased arendasid umbes sel ajal välja ka sulfiididel põhinevaid sirgestajaid, mida kasutati sarnastes rakendustes.

Transistori ajalugu: pimeduses katsudes
Vaskoksiidist valmistatud sirgestajate partii. Mitme ketta kokkupanek suurendas tagasivoolutakistust, mis võimaldas neid kasutada kõrge pingega.

Mõne aasta pärast otsustasid kaks füüsikut Bell Labs'ist, Joseph Becker ja Walter Brattain, uurida vasksirgestaja tööpõhimõtteid – neid huvitas, kuidas see töötab ja kuidas seda Bell Systemis kasutada saab.

Transistori ajalugu: pimeduses katsudes
Brattain vanemas eas – u. 1950

Brattain oli pärit samadest kohtadest nagu Grondahl, Vaikse ookeani loodeosast, kus ta kasvas üles farmis, mis asus paarikümne kilomeetri kaugusel Kanada piirist. Keskkoolis hakkas teda huvitama füüsika, ta näitas selles valdkonnas andeid ning lõpuks sai 1920-ndate lõpus Minnesotast doktorikraadi ja alustas tööd Bell Labs'is 1929. Samuti õppis ta ülikoolis uusimat teoreetilist füüsikat, mis oli Euroopas populaarsust kogumas, ja mida tuntakse kvantmehaanika nime all (tema juhendajaks oli John Hasbrouck Van Vleck, kes juhendas ka John Atanasovi).

Kvantrevolutsioon

Uus teoreetiline platvorm on viimase kolme aastakümne jooksul aeglaselt välja arenenud ning suudab oma aja jooksul selgitada kõiki kummalisi nähtusi, mida on aastaid täheldatud sellistes materjalides nagu galenit, seleen ja vaseoksiid. Terve nooremate füüsikute grupp, peamiselt Saksamaalt ja naaberriikidest, on tõukunud kvanta revolutsioonini füüsikas. Igaüks, kes on uurinud, on leidnud mitte sujuva ja pideva maailma, mida neile õpetati, vaid kummalised eraldatud tükid.

Kõik algas 1890. aastatel. Max Planck, tuntud professor Berliini ülikoolis, otsustas töötada tuntud lahendamata probleemiga: kuidas «absoluutselt must kehake» (ideaalne aine, mis neelab kogu energia ja ei peegelda seda) kiirgab elektromagnetilises spektris? Erinevaid mudeleid on proovitud, kuid ükski ei vastanud eksperimentaalsetele tulemustele — nad ei toiminud kas spektri ühes või teises otsas. Planck leidis, et kui eeldada, et energia kiirgab kehast väikeste 'pakettide' diskreetse suurusega, saab kirjutada lihtsa seaduse sageduse ja energia seose kohta, mis sobib ideaalselt empiiriliste tulemustega.

Peagi pärast seda avastas Einstein, et sama toimub ka valguse neeldumise puhul (esimene vihje fotonite olemasolule), ja J.J. Thomson näitas, et elektrit ei kanna edasi pidev vedelik või laine, vaid eraldi osakesed – elektronid. Seejärel lõi Niels Bohr mudeli, mis selgitas, kuidas erutatud aatomid kiirgavad kiirgust, määrates elektronidele aatomis eraldi orbiidid, millest igaühel on oma energia. Kuid see nimetus võib olla eksitav, kuna nad ei käitu sugugi nagu planeetide orbiidid – Bohr’i mudelis elektronid hüppasid kohe ühest orbiidist, või energiatasemest, teise, läbides vahepealset seisundit. Lõpuks, 1920. aastatel, lõid Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Born ja teised üldise matemaatilise platvormi, mida tuntakse kvantmehaanika nime all, mis hõlmas kõiki konkreetseid kvantmudeleid, mis loodi eelneva kahekümne aasta jooksul.

Kellest alates olid füüsikud kindlad, et sellised materjalid nagu seleen ja galena, millel on fotogalvaanilised ja sirgendavad omadused, kuuluvad eraldi materjalide klassi, mida nad nimetasid pooljuhtideks. Klassifitseerimine võttis aega mitmel põhjusel. Esiteks olid ise kategooriad "juhtivad" ja "isolaatorid" üsna laiad. Nii-öelda "juhtide" vahel olid ulatuslikud erinevused juhtivuses, samuti oli see (vähemal määral) isoleerijate puhul ja ei olnud selge, kuidas mingit kindlat juhti võib seostada nende klassidega. Veelgi enam, kuni XX sajandi keskpaigani ei olnud võimalik saada või luua väga puhtaid aineid, ning kõik looduslike materjalide juhtivuse kummalised omadused võis alati seostada rikutusega.

Nüüd olid füüsikutel olemas nii kvantmehhaanika matemaatilised tööriistad kui ka uus materjalide klass, millele neid rakendada. Briti teoreetik Alan Wilson oli esimene, kes selle kõik kokku kogus ja konstrueeris 1931. aastal pooljuhtide üldise mudeli ja nende tööpõhimõtte.

Esialgu väitis Wilson, et juhtivad materjalid erinevad dielektrikutest energiaaluste seisundite poolest. Kvantmehaanika väidab, et elektronid võivad eksisteerida piiratud arvu energia tasemetel, mis kuuluvad individuaalsete atomite kestadele või orbitaalidele. Kui need atomid kokku suruda mingi materjali struktuuris, on korrektsem kujutleda pidevaid energiaaluseid, mis läbivad seda. Juhtivates materjalides on kõrgetes energia tasemetes vabad kohad ning elektriväli saab sinna vabalt elektronid liigutada. Isolaatorites on alad täidetud ja kõrgemale, juhtivale alale, mille kaudu elektril on kergem liikuda, on üsna kaugele ronida.

See on viinud teda järeldusele, et lisandid – välised atomid materjali struktuuris – peavad panustama selle pooljuhtlikele omadustele. Need võivad kas anda üleliigseid elektrone, mis liiguvad kergesti juhtivusvööndisse, või lünki – elektronide puudumise võrreldes ülejäänud materjaliga – mis loob tühjad energiakohtad, kuhu vabade elektronide liikuda. Esimese variandi nimetati hiljem n-tüüpi pooljuhtideks (või elektronideks) – üleliigse negatiivse laengu tõttu, ja teised – p-tüüpi, või lükkes – üleliigse positiivse laengu tõttu.

Lõpuks oletab Wilson, et voolu suunamist pooljuhtide kaudu saab selgitada kvantpfenomeni tunneli efekti, kus elektronid hüppavad ootamatult läbi õhukese elektrilise tõkke materjalis. Teooria tundus usutav, kuid ennustas, et suunamisel peaks vool liikuma oksiidist vaske, kuigi tegelikkuses oli kõik vastupidi.

Nii et, hoolimata Wilsoni kõigist läbimurretest, jäid pooljuhid keerulisteks selgitada. Aja jooksul sai selgeks, et mikroosakestega seotud muutused kristallstruktuuris ja lisandite kontsentratsioonis mõjutavad ebaproportsionaalselt nende makroskoopilist elektri käitumist. Sellegipoolest, vaatamata arusaamatuse puudumisele — kuna keegi ei suutnud selgitada eksperimentaalseid vaatlust, mida Brown tegi 60 aastat enne seda — arendasid Brattain ja Becker välja tõhusa tootmisprotsessi vaseoksiidist õigustite jaoks oma tööandjale. Bell Systems hakkas kiiresti kogu süsteemis elektronlampide õigustid asendama seadmega, mida nende insenerid nimetasid varistoriks, kuna selle takistus muutus sõltuvalt suunast.

Kuldmedal

Mervin Kelly, füüsik ja endine Bell Laboratories'i elektronlampide osakonna juhataja, oli selle saavutusega väga huvitatud. Aastate jooksul olid elektronlambid Bellile osutatud hindamatut teenust, täites funktsioone, mis eelnenud mehaaniliste ja elektromehaaniliste komponentide jaoks polnud kättesaadavad. Kuid nad kuumenesid tugevalt, üleküpsesid regulaarselt, tarbisid palju energiat ja nende hooldamine oli keeruline. Kelly kavatseb Belli süsteemi uuesti üles ehitada, kasutades usaldusväärsemaid ja vastupidavamaid tahkefaasilisi elektroonilisi komponente nagu varistorid, mis ei nõudnud ei hermeetiliselt suletud, gaasiga täidetud ega tühje korpusi, ega kuumi kiu. 1936. aastal sai ta Bell Laboratories'i uurimisosakonna juhatajaks ning alustas organisatsiooni suunamist uuele teele.

Saanud tahkisülearvuti, oli järgmine loogiline samm luua tahkisvõimendi. Loomulikult võiks see seade töötada ka digitaalse lülitina, sarnaselt toru võimendiga. See huvitas eriti Bell Labs'i, kuna telefonivahetustes töötas endiselt suur hulk elektromehaanilisi digitaalset lülitit. Ettevõte otsis usaldusväärsemat, kompaktsemat, energiasäästlikumat ja jahedamat asendust elektronlampidele telefonisüsteemides, raadiovastuvõtjates, radarites ja muudes analoogseadmetes, kus neid kasutati nõrkade signaalide tugevdamiseks tasemeni, mis on inimese kõrvale kuuldav.

Aastal 1936 lõpetas Bell Labs lõpuks personali palgalepingu keelu, mis oli kehtestatud Suure Depressiooni. Kelly hakkas viivitamatult värbama kvantmehaanika eksperte, et aidata tal käivitada oma tahkisseadmete uurimisprogramm, mille hulka kuulus ka William Shockley, veel se alle välja West Coastist, Palo Alto (California). Teema tema hiljuti MIT-is kaitstud väitest sobis Kelly vajadustele paremini kui hästi: „Elektroonilised tsoonid naatriumkloriidis”.

Brattain ja Becker jätkasid sel ajal oma uuringut vaseoksiidi sirgestaja kohta, püüdes saada parendatud tahke oleku võimendit. Kõige ilmsem viis selle valmistamiseks oli minna sarnaselt elektritorule. Nii nagu Lee de Forest võttis toru võimendi ja paigutas elektrivõrgu katoodi ja anoodi vahele, nii esitasid Brattain ja Becker ideed, kuidas võrku sisse panna vask- ja vaseoksiidi kontaktpunkti, kus, nagu arvati, toimub sirgestamine. Kuid nende arvates ei olnud võimalik seda õhukese kihi tõttu teostada ja nad ei õnnestunud sellega.

Samas ajal on teised arendused näidanud, et Bell Laboratories ei olnud ainus ettevõte, kes oli huvitatud tahke staatuse elektroonikast. 1938. aastal avaldasid Rudolf Hilsh ja Robert Paul Göttingeni ülikoolis läbiviidud katsete tulemused töötava tahke staatuse võimendi kohta, mis oli loodud võrgu sissetoomise kaudu kaaliumbromiidi kristallisse. Praktikas ei omanud see laboriseade mingisugust väärtust – peamiselt seetõttu, et see töötas vähem kui 1 Hz sagedusel. Siiski ei saanud see saavutus kõiki tahke staatuse elektroonikaga tegelevad entusiaste mitte rõõmustada. Samal aastal määras Kelly Shockley uude iseseissevasse tahke seadme uurimisgruppi ning andis talle koos kolleegidega – Foster Nix ja Dean Woolridge – vabaduse uurida nende võimalusi.

Tõenäoliselt suutsid veel kaks leiutajat enne Teist maailmasõda luua tahke staatuse võimendeid. 1922. aastal suutis vene füüsik ja leiutaja Oleg Vladimirovich Losev Avalikustas edukaid katsetusi tsinkite pooljuhtidega, kuid tema tööd jäid lääne kogukonnale märkamata; 1926. aastal esitas Ameerika leiutaja Julius Lilienfeld patenteerimisavalduse tahkete võimendite kohta, kuid tõendeid tema leiutise toimivuse kohta ei ole.

Shokli esimene peamine arusaam uuel ametikohal juhtus briti füüsiku Neville Motti 1938. aastal avaldatud tööd lugedes "Kristalsed sirgendite teooria", kus lõpuks selgitati Grondali sirgendite toimimise põhimõtet vasemedioksiidil. Mott kasutas kvantmehaanika matemaatikat, et kirjeldada elektrivälja tekkimist juhtiva metalli ja pooljuhtoksiidi vahel, ja kuidas elektronid "vahelt hüppavad" selle elektrilise tasandi kaudu, mitte ei tunneli, nagu Wilson oli pakkunud. Praegune voolab kergemini metallist pooljuhtisse, mitte vastupidi, kuna metallil on palju rohkem vabu elektrone.

See tõi Shokli kaasa täpselt sama idee, mida Brattain ja Becker mitmeid aastaid varem kaalusid ja tagasi tõukasid – valmistada tahke aine võimendi, paigutades vaskoksiidi võrku vase ja vaskoksiidi vahele. Ta lootis, et võrgu kaudu voolav vool suurendab barjääri, mis piirab voolu vase jaoksiidi vahel, luues signaali võimendatud, pöördversiooni võrgu kaudu. Tema esimene jäme katse ebaõnnestus täielikult, seega pöördus ta inimese poole, kellel olid paremad labori oskused ja kes tundis hästi sirgeid – Walter Brattain. Ja kuigi tal ei olnud kahtlusi tulemuse osas, nõustus Brattain rahuldama Shokli uudishimu ja lõi keerukama versiooni „võrgu“ võimendist. See ebaõnnestus samuti.

Siis sõda sekkus, jättes Kelly uue teadusprogrammi segamini. Kelly juhtis radarigruppi Bell Labsis, töötades USA peamise radaritehnoloogia uurimiskeskuse toele MITis. Brattain töötas seal lühikest aega, enne kui läks uurima magnetilise allveelaevade avastamise projekte sõjaväe tellimusel. Wooldridge töötas tulejuhtimissüsteemide kallal, Nix gaaside difusiooni Manhattani projekti jaoks, ja Shockley suundus operatsiooniteadustes, alustades allveelaevade vastaste operatsioonidega Atlandi ookeanis ja seejärel strateegilistel pommitamisülesannetes Vaikse ookeani piirkonnas.

Kuid vaatamata sellele sekkumisele ei peatunud sõda tahkete elektroonikate arendamine. Vastupidi, see organiseeris massilise ressursivoolu sellesse valdkonda ning tõi kaasa uurimistööde koondumise kahele materjalile: saksa ja räni.

Mida veel 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, “Pooljuhtide teadusuuringute ajalugu,” IRE toimetised (detsember 1955).

Michael Riordan ja Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)

Allikas: habr.com