Muut artikkelit sarjassa:
- Releen historia
- Elektronisten tietokoneiden historia
- Transistorin historia
- Internetin historia
Sodan upokas loi vaiheen transistorin tulolle. Vuosina 1939–1945 puolijohteiden alan tekninen tietämys laajeni valtavasti. Ja tähän oli yksi yksinkertainen syy: tutka. Sodan tärkein tekniikka, josta esimerkkejä ovat: ilmahyökkäysten havaitseminen, sukellusveneiden etsintä, yölentohyökkäysten ohjaaminen kohteisiin, ilmapuolustusjärjestelmien ja laivaston aseiden kohdistaminen. Insinöörit ovat jopa oppineet lyömään pieniä tutkia tykistökuoriksi niin, että ne räjähtävät lentäessään lähellä kohdetta. . Tämän tehokkaan uuden sotateknologian lähde oli kuitenkin rauhallisemmalla alalla: yläilmakehän tutkiminen tieteellisiin tarkoituksiin.
tutka
Vuonna 1901 Marconi Wireless Telegraph Company lähetti onnistuneesti langattoman viestin Atlantin yli Cornwallista Newfoundlandiin. Tämä tosiasia on johtanut modernin tieteen hämmennykseen. Jos radiolähetykset kulkevat suorassa linjassa (kuten niiden pitäisi), tällaisen lähetyksen pitäisi olla mahdotonta. Englannin ja Kanadan välillä ei ole suoraa näköyhteyttä, joka ei ylittäisi maata, joten Marconin viestin piti lentää avaruuteen. Amerikkalainen insinööri Arthur Kennealy ja brittiläinen fyysikko Oliver Heaviside ehdottivat samanaikaisesti ja itsenäisesti, että tämän ilmiön selitys on liitettävä ilmakehän yläosassa sijaitsevaan ionisoituneen kaasun kerrokseen, joka pystyy heijastamaan radioaaltoja takaisin maahan (Marconi itse uskoi, että radioaallot seurata maan pinnan kaarevuutta, fyysikot eivät kuitenkaan tukeneet sitä).
1920-luvulle mennessä tiedemiehet olivat kehittäneet uusia laitteita, joiden avulla oli mahdollista ensin todistaa ionosfäärin olemassaolo ja sitten tutkia sen rakennetta. He käyttivät tyhjiöputkia lyhytaaltoisten radiopulssien tuottamiseen, suunta-antenneja lähettämään ne ilmakehään ja tallentamaan kaiut, ja osoittaakseen tuloksia. Mitä pidempi kaiun paluuviive on, sitä kauempana ionosfäärin on oltava. Tätä tekniikkaa kutsuttiin ilmakehän luotaukseksi, ja se tarjosi teknisen perusinfrastruktuurin tutkan kehittämiseen (termi "tutka", sanoista RAdio Detection And Ranging, ilmestyi Yhdysvaltain laivastossa vasta 1940-luvulla).
Oli vain ajan kysymys, ennen kuin ihmiset, joilla on oikeat tiedot, resurssit ja motivaatio, tajusivat tällaisten laitteiden maanpäällisten sovellusten mahdollisuudet (tutkan historia on siis vastakohta kaukoputken historialle, joka oli alun perin tarkoitettu maanpäälliseen käyttöön) . Ja tällaisen näkemyksen todennäköisyys kasvoi, kun radio levisi yhä enemmän ympäri planeettaa, ja yhä useammat ihmiset huomasivat häiriöitä läheisistä aluksista, lentokoneista ja muista suurista esineistä. Yläilmakehän luotaustekniikoiden tuntemus levisi toisen aikana (1932-1933), kun tiedemiehet laativat kartan ionosfääristä eri arktisilta asemilla. Pian tämän jälkeen ryhmät Isossa-Britanniassa, Yhdysvalloissa, Saksassa, Italiassa, Neuvostoliitossa ja muissa maissa kehittivät yksinkertaisimmat tutkajärjestelmänsä.
vuoden 1935 tutkallaan
Sitten tapahtui sota, ja tutkien merkitys maille – ja resurssit niiden kehittämiseen – kasvoi dramaattisesti. Yhdysvalloissa nämä resurssit keräsivät MIT:ssä vuonna 1940 perustetun uuden organisaation, joka tunnetaan nimellä (se nimettiin niin nimenomaan johtamaan ulkomaisia vakoojia harhaan ja luomaan vaikutelman, että radioaktiivisuutta tutkittiin laboratoriossa - tuohon aikaan harvat uskoivat atomipommeihin). Rad Lab -projekti, vaikkakaan ei niin kuuluisa kuin Manhattan Project, rekrytoi silti yhtä erinomaisia ja lahjakkaita fyysikoita kaikkialta Yhdysvalloista. Viisi laboratorion ensimmäisistä työntekijöistä (mukaan lukien и ) sai myöhemmin Nobel-palkinnot. Sodan loppuun mennessä laboratoriossa työskenteli noin 500 tieteen tohtoria, tiedemiestä ja insinööriä ja yhteensä 4000 XNUMX henkilöä. Puoli miljoonaa dollaria – verrattavissa koko ENIAC-budjettiin – käytettiin pelkästään Radiation Laboratory Series -sarjaan, joka on XNUMX nidettä kaikesta laboratoriosta sodan aikana saadusta tiedosta (vaikka Yhdysvaltain hallituksen menoja tutkateknologiaan ei rajoitettu Rad Labin budjettiin; sodan aikana hallitus osti tutkat kolmen miljardin dollarin arvosta).
MIT Building 20, jossa Rad Lab sijaitsi
Yksi Rad Labin päätutkimusalueista oli suurtaajuustutka. Varhaiset tutkat käyttivät metreinä mitattuja aallonpituuksia. Mutta korkeataajuiset säteet, joiden aallonpituudet mitattiin senttimetreinä – mikroaallot – mahdollistivat kompaktimman antennin ja olivat vähemmän hajallaan pitkiä matkoja, mikä lupasi suurempia etuja kantaman ja tarkkuuden suhteen. Mikroaaltotutkat mahtuivat lentokoneen nokkaan ja havaitsivat sukellusveneen periskoopin kokoisia esineitä.
Ensimmäinen, joka ratkaisi tämän ongelman, oli brittiläisten fyysikkojen ryhmä Birminghamin yliopistosta. Vuonna 1940 he kehittivät "", joka toimi kuin sähkömagneettinen "pilli" muuttaen satunnaisen sähköpulssin tehokkaaksi ja tarkasti viritetyksi mikroaaltosäteeksi. Tämä mikroaaltouunilähetin oli tuhat kertaa tehokkaampi kuin sen lähin kilpailija; se tasoitti tietä käytännöllisille suurtaajuuksisille tutkalähettimille. Hän tarvitsi kuitenkin kumppanin, vastaanottimen, joka pystyi havaitsemaan korkeat taajuudet. Ja tässä vaiheessa palaamme puolijohteiden historiaan.
Magnetronin poikkileikkaus
Kissan viiksien toinen tulo
Kävi ilmi, että tyhjiöputket eivät sovellu lainkaan mikroaaltotutkasignaalien vastaanottamiseen. Kuuman katodin ja kylmän anodin välinen rako luo kapasitanssin, mikä saa piirin kieltäytymään toimimasta korkeilla taajuuksilla. Paras saatavilla oleva korkeataajuustutkatekniikka oli vanhanaikainen ""- pieni pala lankaa puristettuna puolijohdekidettä vasten. Useat ihmiset ovat havainneet tämän itsenäisesti, mutta lähimpänä tarinaamme on se, mitä tapahtui New Jerseyssä.
Vuonna 1938 Bell Labs teki sopimuksen laivaston kanssa tulenhallintatutkan kehittämiseksi 40 cm:n etäisyydelle – paljon lyhyemmäksi ja siksi taajuudeltaan korkeammalle kuin olemassa olevat tutkat resonanssia edeltävän magnetronin aikakaudella. Pääasiallinen tutkimustyö meni laboratorioiden osastolle Holmdelissa, Staten Islandin eteläpuolella. Ei kestänyt kauan, ennen kuin tutkijat selvittivät, mitä he tarvitsisivat korkeataajuiselle vastaanottimelle, ja pian insinööri George Southworth etsi Manhattanin radioliikkeistä vanhoja kissan viiksitunnistimia. Kuten odotettiin, se toimi paljon paremmin kuin lampun ilmaisin, mutta se oli epävakaa. Joten Southworth etsi sähkökemistiä nimeltä Russell Ohl ja pyysi häntä yrittämään parantaa yksipisteisen kideilmaisimen vasteen tasaisuutta.
Ol oli melko erikoinen persoona, joka piti kohtalokseensa tekniikan kehitystä ja puhui jaksollisista oivalluksista tulevaisuuden visioiden kanssa. Hän esimerkiksi totesi, että hän tiesi jo vuonna 1939 tulevasta piivahvistimen keksinnöstä, mutta kohtalo oli tarkoitettu toisen ihmisen keksimään se. Tutkittuaan kymmeniä vaihtoehtoja hän päätyi piihin parhaana aineena Southworth-vastaanottimille. Ongelmana oli kyky hallita materiaalin sisältöä sen sähköisten ominaisuuksien hallitsemiseksi. Tuolloin teolliset piiharkot olivat yleisiä, niitä käytettiin terästehtaalla, mutta sellaisessa tuotannossa ei ketään häirinnyt esimerkiksi piin 1 %:n fosforipitoisuus. Pyytäen parin metallurgin avun Ol päätti hankkia paljon puhtaampia aihioita kuin aiemmin oli ollut mahdollista.
Työskennellessään he havaitsivat, että jotkut heidän kiteistään tasasuuntasivat virtaa yhteen suuntaan, kun taas toiset tasasivat virran toiseen suuntaan. He kutsuivat niitä "n-tyypin" ja "p-tyypin". Lisäanalyysi osoitti, että erityyppiset epäpuhtaudet olivat vastuussa näistä tyypeistä. Pii on jaksollisen taulukon neljännessä sarakkeessa, mikä tarkoittaa, että sen ulkokuoressa on neljä elektronia. Puhtaan piin aihiossa jokainen näistä elektroneista yhdistyisi naapurinsa kanssa. Kolmannen sarakkeen epäpuhtaudet, esimerkiksi boori, jossa on yksi elektroni vähemmän, loivat "reiän", lisätilan virran liikkeelle kiteen. Tuloksena oli p-tyyppinen puolijohde (jossa on ylimäärä positiivisia varauksia). Viidennestä kolonnista peräisin olevat elementit, kuten fosfori, tarjosivat lisää vapaita elektroneja kuljettamaan virtaa, ja saatiin n-tyyppinen puolijohde.
Piin kiderakenne
Kaikki tämä tutkimus oli erittäin mielenkiintoista, mutta vuoteen 1940 mennessä Southworth ja Ohl eivät olleet lähempänä toimivan korkeataajuisen tutkan prototyypin luomista. Samaan aikaan Britannian hallitus vaati välittömiä käytännön tuloksia Luftwaffen uhkaavan uhan vuoksi, sillä Luftwaffella oli jo valmiita tuotantovalmiita mikroaaltoilmaisimia, jotka toimivat yhdessä magnetronilähettimien kanssa.
Teknologisen kehityksen tasapaino kallistuu kuitenkin pian kohti Atlantin länsipuolta. Churchill päätti paljastaa kaikki Britannian tekniset salaisuudet amerikkalaisille ennen kuin hän todella astui sotaan (koska hän oletti tämän tapahtuvan joka tapauksessa). Hän uskoi, että tietovuodon riski oli sen arvoista, koska silloin kaikki Yhdysvaltojen teolliset valmiudet heitettäisiin ongelmien, kuten atomiaseiden ja tutkien, ratkaisemiseen. British Science and Technology Mission (tunnetaan paremmin nimellä ) saapui Washingtoniin syyskuussa 1940 ja toi matkatavaroihinsa lahjan teknisten ihmeiden muodossa.
Resonoivan magnetronin uskomattoman voiman ja brittiläisten kristalliilmaisimien tehokkuuden havaitseminen sen signaalin vastaanottamisessa elvytti amerikkalaisen puolijohteiden tutkimuksen korkeataajuisen tutkan perustana. Töitä oli paljon, etenkin materiaalitieteen alalla. Vastatakseen kysyntään puolijohdekiteitä ”pitiin tuottaa miljoonia, paljon enemmän kuin aiemmin oli mahdollista. Oli tarpeen parantaa oikaisua, vähentää iskuherkkyyttä ja sisäänpalamista sekä minimoida vaihtelu eri kideerien välillä."
Silicon Point Kontaktitasasuuntaaja
Rad Lab on avannut uusia tutkimusosastoja tutkimaan puolijohdekiteiden ominaisuuksia ja sitä, miten niitä voidaan muokata arvokkaiden vastaanottimen ominaisuuksien maksimoimiseksi. Lupaavimpia materiaaleja olivat pii ja germanium, joten Rad Lab päätti toimia turvallisesti ja käynnisti rinnakkaisia ohjelmia molempien tutkimiseksi: piitä Pennsylvanian yliopistossa ja germaniumia Purduessa. Alan jättiläiset, kuten Bell, Westinghouse, Du Pont ja Sylvania, aloittivat omat puolijohdetutkimusohjelmansa ja alkoivat kehittää uusia tuotantolaitoksia kristalliilmaisimille.
Yhteistyöllä pii- ja germaniumkiteiden puhtaus nostettiin alun 99 %:sta 99,999 %:iin eli yhteen epäpuhtaushiukkaseen 100 000 atomia kohti. Prosessin aikana joukko tiedemiehiä ja insinöörejä tutustui tiiviisti germaniumin ja piin abstrakteihin ominaisuuksiin ja sovelsi teknologioita niiden hallintaan: sulatus, kiteiden kasvattaminen, tarvittavien epäpuhtauksien (kuten johtavuutta lisäävän boorin) lisääminen.
Ja sitten sota loppui. Tutkan kysyntä katosi, mutta sodan aikana saadut tiedot ja taidot säilyivät, eikä unelma solid-state-vahvistimesta unohdettu. Nyt kilpailu oli luoda tällainen vahvistin. Ja ainakin kolmella joukkueella oli hyvät mahdollisuudet voittaa tämä palkinto.
West Lafayette
Ensimmäinen oli Purduen yliopiston ryhmä, jota johti itävaltalaissyntyinen fyysikko Carl Lark-Horowitz. Hän yksin toi yliopiston fysiikan osaston hämäryydestä lahjakkuutensa ja vaikutusvaltansa avulla ja vaikutti Rad Labin päätökseen uskoa germaniumtutkimusta hänen laboratorioonsa.
Carl Lark-Horowitz vuonna 1947, keskellä, kädessään piippu
1940-luvun alussa piitä pidettiin parhaana materiaalina tutkan tasasuuntaajille, mutta myös sen alapuolella oleva materiaali jaksollisessa taulukossa näytti lisätutkimuksen arvoiselta. Germaniumilla oli käytännön etu sen alhaisemman sulamispisteen ansiosta, mikä helpotti sen käsittelyä: noin 940 astetta verrattuna piin 1400 asteeseen (melkein sama kuin teräs). Korkeasta sulamispisteestä johtuen oli äärimmäisen vaikeaa valmistaa aihiota, joka ei vuotanut sulaan piin sisään ja saastuttaa sen.
Siksi Lark-Horowitz ja hänen kollegansa viettivät koko sodan tutkiessaan germaniumin kemiallisia, sähköisiä ja fysikaalisia ominaisuuksia. Tärkein este oli "käänteinen jännite": germanium-tasasuuntaajat, erittäin alhaisella jännitteellä, lopettivat virran tasasuuntaamisen ja antoivat sen virrata vastakkaiseen suuntaan. Käänteinen virtapulssi poltti tutkan loput komponentit. Yksi Lark-Horowitzin jatko-opiskelijoista, Seymour Benzer, tutki tätä ongelmaa yli vuoden ajan ja kehitti lopulta tinapohjaisen lisäaineen, joka pysäytti käänteispulssit jopa satojen volttien jännitteillä. Pian sen jälkeen Western Electric, Bell Labsin valmistusosasto, alkoi tuottaa Benzer-tasasuuntaajia sotilaskäyttöön.
Germaniumin tutkimus Purduessa jatkui sodan jälkeen. Kesäkuussa 1947 Benzer, joka oli jo professori, ilmoitti epätavallisesta poikkeamasta: joissakin kokeissa germaniumkiteissä ilmeni korkeataajuisia värähtelyjä. Ja hänen kollegansa Ralph Bray jatkoi "volumetrisen vastuksen" tutkimista sodan aikana aloitetussa hankkeessa. Tilavuusvastus kuvasi kuinka sähkö virtaa germaniumkiteessä tasasuuntaajan kosketuspisteessä. Bray havaitsi, että korkeajännitepulssit vähensivät merkittävästi n-tyypin germaniumin vastusta näille virroille. Tietämättään hän näki ns. "vähemmistön" varauksen kantajat. n-tyyppisissä puolijohteissa ylimääräinen negatiivinen varaus toimii enemmistövarauksen kantajana, mutta positiiviset "reiät" voivat myös kuljettaa virtaa, ja tässä tapauksessa suurjännitepulssit loivat reikiä germaniumrakenteeseen, jolloin vähemmistövarauksen kantajia ilmaantui. .
Bray ja Benzer tulivat kiehtovan lähelle germaniumvahvistinta huomaamattaan. Benzer sai kiinni Walter Brattainin, Bell Labsin tiedemiehen, konferenssissa tammikuussa 1948 keskustellakseen tilavuusvastusta hänen kanssaan. Hän ehdotti, että Brattain sijoittaisi toisen pistekoskettimen ensimmäisen viereen, joka voisi johtaa virtaa, ja sitten he voisivat ymmärtää, mitä pinnan alla tapahtuu. Brattain suostui hiljaa tähän ehdotukseen ja lähti. Kuten tulemme näkemään, hän tiesi aivan liiankin hyvin, mitä tällainen kokeilu voisi paljastaa.
Oney-sous-Bois
Purdue-ryhmällä oli sekä tekniikka että teoreettinen perusta tehdä harppaus kohti transistoria. Mutta he olisivat voineet törmätä siihen vain vahingossa. He olivat kiinnostuneita materiaalin fyysisistä ominaisuuksista, eivät uudentyyppisten laitteiden etsimisestä. Hyvin erilainen tilanne vallitsi Aunes-sous-Bois'ssa (Ranska), jossa kaksi entistä saksalaista tutkatutkijaa, Heinrich Welker ja Herbert Mathare, johtivat ryhmää, jonka tavoitteena oli luoda teollisia puolijohdelaitteita.
Welker opiskeli ja opetti ensin fysiikkaa Münchenin yliopistossa, jota johti kuuluisa teoreetikko Arnold Sommerfeld. Vuodesta 1940 lähtien hän jätti puhtaasti teoreettisen polun ja aloitti työskentelyn Luftwaffen tutkan parissa. Mathare (belgialaista alkuperää) varttui Aachenissa, jossa hän opiskeli fysiikkaa. Hän liittyi saksalaisen radiojättiläisen Telefunkenin tutkimusosastolle vuonna 1939. Sodan aikana hän siirsi työnsä Berliinistä itään Sleesian luostariin välttääkseen liittoutuneiden ilmahyökkäysten ja sitten takaisin länteen välttääkseen etenevän puna-armeijan, joutuen lopulta Yhdysvaltain armeijan käsiin.
Kuten kilpailijansa Anti-Hitler-koalitiossa, saksalaiset tiesivät 1940-luvun alussa, että kristalliilmaisimet olivat ihanteellisia tutkavastaanottimia ja että pii ja germanium olivat lupaavimpia materiaaleja niiden luomiseen. Mathare ja Welker yrittivät sodan aikana parantaa näiden materiaalien tehokasta käyttöä tasasuuntaajissa. Sodan jälkeen molempia kuulusteltiin ajoittain sotilastyöstään, ja lopulta he saivat ranskalaisen tiedusteluupseerin kutsun Pariisiin vuonna 1946.
Compagnie des Freins & Signaux ("jarrujen ja signaalien yritys"), Westinghousen ranskalainen osasto, sai Ranskan puhelinviranomaiselta sopimuksen puolijohdetasasuuntaajien luomisesta ja haki saksalaisia tiedemiehiä auttamaan niitä. Tällainen viimeaikaisten vihollisten liitto saattaa tuntua oudolta, mutta tämä järjestely osoittautui varsin suotuisaksi molemmille osapuolille. Vuonna 1940 tappion saaneilla ranskalaisilla ei ollut kykyä hankkia tietoa puolijohteiden alalla, ja he tarvitsivat kipeästi saksalaisten taitoja. Saksalaiset eivät voineet kehittää miehitetyssä ja sodan runtelemassa maassa millään korkean teknologian alalla, joten he tarttuivat tilaisuuteen jatkaa työskentelyä.
Welker ja Mathare perustivat pääkonttorin kaksikerroksiseen taloon Pariisin Aunes-sous-Boisin esikaupunkiin, ja teknikkoryhmän avulla he lanseerasivat onnistuneesti germanium-tasasuuntaajia vuoden 1947 loppuun mennessä. Sitten he siirtyivät vakavampaan suuntaan. palkinnot: Welker palasi kiinnostuksensa suprajohtimiin ja Mathare vahvistimiin.
Herbert Mathare vuonna 1950
Sodan aikana Mathare kokeili kaksipistekoskettimien tasasuuntaajia - "duodeodeja" - yrittääkseen vähentää piirien melua. Hän jatkoi kokeitaan ja huomasi pian, että toinen kissan viiksi, joka sijaitsee metrin 1/100 miljoonasosan päässä ensimmäisestä, saattoi joskus moduloida ensimmäisen viiksen läpi kulkevaa virtaa. Hän loi puolijohdevahvistimen, vaikkakin melko hyödyttömän. Luotettavamman suorituskyvyn saavuttamiseksi hän kääntyi Welkerin puoleen, jolla oli sodan aikana laaja kokemus germaniumkiteiden parissa työskentelemisestä. Welkerin tiimi kasvatti suurempia, puhtaampia germaniumkiteiden näytteitä, ja kun materiaalin laatu parani, Matharen pistekosketusvahvistimista tuli luotettavia kesäkuuhun 1948 mennessä.
Röntgenkuva "transistronista", joka perustuu Mathare-piiriin, jolla on kaksi kosketuspistettä germaniumin kanssa
Matharella oli jopa teoreettinen malli siitä, mitä oli tapahtumassa: hän uskoi, että toinen kosketin teki reikiä germaniumiin, nopeuttaen virran kulkua ensimmäisen koskettimen läpi, toimittaen vähemmistövarauksen kantajia. Welker ei ollut samaa mieltä hänen kanssaan ja uskoi, että se, mitä tapahtui, riippui jonkinlaisesta kenttävaikutuksesta. Kuitenkin ennen kuin he ehtivät kehittää laitetta tai teoriaa, he saivat tietää, että ryhmä amerikkalaisia oli kehittänyt täsmälleen saman konseptin - germaniumvahvistimen kahdella pistekoskettimella - kuusi kuukautta aiemmin.
Murray Hill
Sodan lopussa Mervyn Kelly uudisti Bell Labsin puolijohdetutkimusryhmän, jota johti Bill Shockley. Projekti kasvoi, sai lisää rahoitusta ja muutti alkuperäisestä laboratoriorakennuksestaan Manhattanilta laajenevalle kampukselle Murray Hillissä, New Jerseyssä.
Murray Hillin kampus, n. 1960
Tutustuakseen uudelleen edistyneisiin puolijohteisiin (sodan aikaisen operaatiotutkimuksen jälkeen) Shockley vieraili Russell Ohlin Holmdel-laboratoriossa keväällä 1945. Ohl vietti sotavuodet piin parissa eikä haaskannut aikaa. Hän näytti Shockleylle oman rakentamansa raakavahvistimen, jota hän kutsui "sisariksi". Hän otti piipistekontaktin tasasuuntaajan ja lähetti virran akusta sen läpi. Ilmeisesti akun lämpö vähensi vastusta kosketuspisteen poikki ja muutti tasasuuntaajan vahvistimeksi, joka pystyy lähettämään saapuvat radiosignaalit piiriin, joka on riittävän tehokas kaiuttimen virransyöttöön.
Vaikutus oli karkea ja epäluotettava, ei sovellu kaupallistamiseen. Se kuitenkin riitti vahvistamaan Shockleyn näkemyksen siitä, että puolijohdevahvistimen luominen oli mahdollista ja että tämä tulisi asettaa etusijalle puolijohdeelektroniikan tutkimuksessa. Myös tämä tapaaminen Olan tiimin kanssa vakuutti Shockleyn siitä, että piitä ja germaniumia tulisi tutkia ensin. Niillä oli houkuttelevia sähköisiä ominaisuuksia, ja Ohlin toverit metallurgit Jack Skaff ja Henry Theurer olivat saavuttaneet hämmästyttävän menestyksen näiden kiteiden kasvattamisessa, puhdistamisessa ja dopingissa sodan aikana, ylittäen kaikki muiden puolijohdemateriaalien tekniikat. Shockleyn ryhmä ei aikonut tuhlata enempää aikaa sotaa edeltäneisiin kuparioksidivahvistimiin.
Kellyn avulla Shockley aloitti uuden joukkueen kokoamisen. Avainpelaajia olivat Walter Brattain, joka auttoi Shockleya hänen ensimmäisessä solid-state-vahvistimessa (vuonna 1940), ja John Bardeen, nuori fyysikko ja uusi Bell Labsin työntekijä. Bardeenilla oli luultavasti laajin tieto kiinteän olomuodon fysiikasta kaikista ryhmän jäsenistä – hänen väitöskirjansa kuvaili elektronien energiatasoja natriummetallin rakenteessa. Hän oli myös toinen John Hasbrouck Van Vleckin suojelija, kuten Atanasov ja Brattain.
Ja Atanasovin tavoin Bardeenin ja Shockleyn väitöskirjat vaativat erittäin monimutkaisia laskelmia. Heidän täytyi käyttää Alan Wilsonin määrittelemää puolijohteiden kvanttimekaanista teoriaa materiaalien energiarakenteen laskemiseen Monroen pöytälaskimella. Auttamalla luomaan transistorin he itse asiassa auttoivat pelastamaan tulevat jatko-opiskelijat tällaiselta työltä.
Shockleyn ensimmäinen lähestymistapa solid-state-vahvistimeen perustui siihen, mitä myöhemmin kutsuttiin "". Hän ripusti metallilevyn n-tyypin puolijohteen päälle (jossa on ylimäärä negatiivisia varauksia). Positiivisen varauksen levittäminen levyyn veti ylimääräisiä elektroneja kiteen pinnalle, mikä loi negatiivisten varausten joen, jonka läpi sähkövirta saattoi virrata helposti. Vahvistettu signaali (jota edustaa kiekon varaustaso) voisi tällä tavalla moduloida pääpiiriä (johteen kulkee pitkin puolijohteen pintaa). Tämän järjestelmän tehokkuutta ehdotti hänelle hänen teoreettinen fysiikan tuntemus. Mutta monista kokeista ja kokeiluista huolimatta järjestelmä ei koskaan toiminut.
Maaliskuuhun 1946 mennessä Bardeen oli luonut hyvin kehittyneen teorian, joka selitti syyn tähän: puolijohteen pinta kvanttitasolla käyttäytyy eri tavalla kuin sen sisäosat. Pintaan vedetyt negatiiviset varaukset jäävät loukkuun "pintatiloihin" ja estävät sähkökentän tunkeutumisen levyn materiaaliin. Muu ryhmä piti tätä analyysiä vakuuttavana ja käynnisti uuden tutkimusohjelman kolmella tavalla:
- Todista pintatilojen olemassaolo.
- Tutki niiden ominaisuuksia.
- Mieti, kuinka voit voittaa heidät ja saada se toimimaan .
Puolentoista vuoden tutkimuksen ja kokeilun jälkeen Brattain teki läpimurron 17. marraskuuta 1947. Hän havaitsi, että jos hän laittoi ionilla täytettyä nestettä, kuten vettä, kiekon ja puolijohteen väliin, kiekosta tuleva sähkökenttä työntäisi ionit kohti puolijohdetta, jossa ne neutraloivat pintatiloihin jääneet varaukset. Nyt hän pystyi hallitsemaan piipalan sähköistä käyttäytymistä muuttamalla kiekon varausta. Tämä menestys antoi Bardeenille idean uudesta lähestymistavasta vahvistimen luomiseen: ympäröi tasasuuntaajan kosketuspiste elektrolyyttivedellä ja käytä sitten toista johtoa vedessä pintaolosuhteiden säätämiseen ja siten päävirtalähteen johtavuustason säätelyyn. ottaa yhteyttä. Joten Bardeen ja Brattain saavuttivat maaliin.
Bardeenin idea toimi, mutta vahvistin oli heikko ja toimi hyvin matalilla taajuuksilla, joihin ihmiskorva ei pääse käsiksi – joten se oli hyödytön puhelin- tai radiovahvistimena. Bardeen ehdotti vaihtamista Purduessa valmistettuun käänteistä jännitettä kestävään germaniumiin uskoen, että sen pinnalle kerääntyisi vähemmän varauksia. Yhtäkkiä ne saivat voimakkaan nousun, mutta päinvastaiseen suuntaan kuin odotettiin. He löysivät vähemmistökantajavaikutuksen - odotettujen elektronien sijaan germaniumin läpi kulkevaa virtaa vahvistivat elektrolyytistä tulevat reiät. Elektrolyytissä oleva langan virta loi p-tyypin kerroksen (ylimääräisten positiivisten varausten alueen) n-tyypin germaniumin pinnalle.
Myöhemmät kokeet osoittivat, että elektrolyyttiä ei tarvittu ollenkaan: yksinkertaisesti asettamalla kaksi kosketuspistettä lähelle germaniumin pintaa, oli mahdollista moduloida virta toisesta niistä toisen virtaan. Tuodakseen ne mahdollisimman lähelle Brattain kietoi kultafolion palan kolmion muotoisen muovipalan ympärille ja leikkasi sitten folion varovasti lopussa. Sitten hän painoi jousella kolmion germaniumia vasten, minkä seurauksena leikkauksen kaksi reunaa koskettivat sen pintaa 0,05 mm:n etäisyydellä. Tämä antoi Bell Labsin transistorin prototyypille sen erottuvan ulkonäön:
Brettain- ja Bardeen-transistorin prototyyppi
Kuten Matharen ja Welkerin laite, se oli periaatteessa klassinen "kissan viikset", vain kaksi kosketuspistettä yhden sijasta. Joulukuun 16. päivänä se nosti merkittävästi tehoa ja jännitettä sekä 1000 Hz:n taajuutta kuultavalla alueella. Viikkoa myöhemmin, pienten parannusten jälkeen, Bardeen ja Brattain olivat lisänneet jännitettä 100-kertaisesti ja tehoa 40-kertaisesti ja osoittivat Bellin johtajille, että heidän laitteensa pystyi tuottamaan kuultavaa puhetta. John Pierce, toinen solid-state-kehitysryhmän jäsen, loi termin "transistori" Bellin kuparioksiditasasuuntaajan, varistorin, nimen mukaan.
Seuraavan kuuden kuukauden ajan laboratorio piti uutta luomusta salassa. Johto halusi varmistaa, että heillä oli etumatka transistorin kaupallistamisessa ennen kuin kukaan muu sai sen käsiinsä. Lehdistötilaisuus oli määrä pitää 30. kesäkuuta 1948, juuri sopivasti murskatakseen Welkerin ja Matharen unelmat kuolemattomuudesta. Samaan aikaan puolijohteiden tutkimusryhmä romahti hiljaa. Kuultuaan Bardeenin ja Brattainin saavutuksista heidän pomonsa Bill Shockley alkoi työskennellä ottaakseen kaiken kunnian itselleen. Ja vaikka hän näytteli vain havainnollistavaa roolia, Shockley sai julkisessa esittelyssä yhtä, ellei enemmänkin julkisuutta – kuten näkyy tässä julkaistussa valokuvassa hänestä toiminnan ytimessä, aivan laboratoriopenkin vieressä:
1948 julkisuuskuva - Bardeen, Shockley ja Brattain
Sama maine ei kuitenkaan riittänyt Shockleylle. Ja ennen kuin kukaan Bell Labsin ulkopuolella tiesi transistorista, hän oli kiireinen keksimään sitä uudelleen omaa käyttöä varten. Ja tämä oli vasta ensimmäinen monista tällaisista keksinnöistä.
Mitä muuta luettavaa
- Robert Buderi, Keksintö, joka muutti maailman (1996)
- Michael Riordan, "How Europe Missed the Transistor", IEEE Spectrum (1. marraskuuta 2005)
- Michael Riordan ja Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
- Armand Van Dormael, "ranskalainen" transistori, (1994)
Lähde: will.com