Muut artikkelit sarjassa:
- Releen historia
- Elektronisten tietokoneiden historia
- Transistorin historia
- Internetin historia
Tie solid-state-kytkimiin on ollut pitkä ja vaikea. Se alkoi havainnosta, että tietyt materiaalit käyttäytyvät oudosti sähkön läsnäollessa - ei niin kuin silloin olemassa olevat teoriat ennustivat. Siitä seurasi tarina siitä, kuinka tekniikasta tuli XNUMX-luvulla yhä tieteellisempi ja institutionaalisempi tieteenala. Amatöörit, aloittelijat ja ammattikeksijät, joilla ei ollut käytännössä minkäänlaista tieteellistä koulutusta, osallistuivat vakavasti lennätin, puhelintoiminnan ja radion kehittämiseen. Mutta kuten tulemme näkemään, melkein kaikki puolijohdeelektroniikan historian edistysaskeleet ovat peräisin tiedemiehiltä, jotka ovat opiskelleet yliopistoissa (ja yleensä heillä on tohtorin tutkinto fysiikasta) ja työskennelleet yliopistoissa tai yritysten tutkimuslaboratorioissa.
Jokainen, jolla on työpajaan pääsy ja perusmateriaalitaidot, voi koota releen langoista, metallista ja puusta. Tyhjiöputkien luominen vaatii erikoistuneempia työkaluja, joilla voidaan luoda lasikupu ja pumpata ilma siitä pois. Solid-state-laitteet katosivat kaninkoloon, josta digitaalinen kytkin ei koskaan palannut, syöksyen yhä syvemmälle maailmoihin, jotka olivat ymmärrettävissä vain abstraktille matematiikan kannalta ja joihin pääsee käsiksi vain järjettömän kalliiden laitteiden avulla.
Galena
Vuonna 1874 vuosi
Ferdinand Brown
Brown kiinnosti työnsä ansiosta sulfideja – mineraalikiteitä, jotka koostuvat rikkiyhdisteistä metallien kanssa.
Noin samaan aikaan tutkijat löysivät muitakin outoja ominaisuuksia materiaaleista, kuten seleenistä, joka voitiin sulattaa tietyistä metallisulfidimalmeista. Valon vaikutuksesta seleeni lisäsi johtavuutta ja alkoi jopa tuottaa sähköä, ja sitä voitiin käyttää myös tasasuuntaukseen. Oliko sillä jotain yhteyttä sulfidikiteisiin? Ilman teoreettisia malleja, jotka selittäisivät mitä tapahtui, kenttä oli hämmentyneessä tilassa.
Teorian puute ei kuitenkaan estänyt yrityksiä soveltaa tuloksia käytännössä. 1890-luvun lopulla Brownista tuli professori Strasbourgin yliopistossa, joka liitettiin hiljattain Ranskasta
Yksi radion näkökohdista, joita Brownin ryhmä pyrki parantamaan, oli tuolloin tavallinen vastaanotin,
Kuitenkin se
Galeenian perustuva kissan viiksitunnistin. Vasemmalla oleva pieni lanka on viiksi ja hopeanhohtoinen materiaali pohjassa on galeenin kristalli.
Kuitenkin, kuten turhautuneet radioamatöörit pian huomasivat, voi kestää minuutteja tai jopa tunteja löytääkseen kiteen pinnalla olevan maagisen pisteen, joka antaisi hyvän korjauksen. Ja signaalit ilman vahvistusta olivat heikkoja ja niissä oli metallinen ääni. 1920-luvulle mennessä triodivahvistimilla varustettujen tyhjiöputkivastaanottimien kristalliilmaisimet olivat käytännössä vanhentuneet lähes kaikkialla. Niiden ainoa houkutteleva ominaisuus oli halpa.
Tämä lyhyt esiintyminen radioareenalla näytti olevan Brownin ja muiden löytämien materiaalin outojen sähköisten ominaisuuksien käytännön soveltamisen raja.
Kuparioksidi
Sitten 1920-luvulla toinen fyysikko Lars Grondahl löysi jotain outoa kokeellisella järjestelyllään. Grondahl, ensimmäinen älykkäiden ja levottomien miesten joukosta Amerikan lännen historiassa, oli rakennusinsinöörin poika. Hänen isänsä, joka muutti Norjasta vuonna 1880, työskenteli useita vuosikymmeniä rautateillä Kaliforniassa, Oregonissa ja Washingtonissa. Aluksi Grondahl vaikutti päättäväiseltä jättää isänsä insinöörimaailma taakseen ja meni Johns Hopkinsille fysiikan tohtoriksi jatkaakseen akateemista polkua. Mutta sitten hän osallistui rautatieliiketoimintaan ja otti tutkimusjohtajan aseman teollisuusjättiläisen Union Switch and Signal -divisioonassa.
Useat lähteet osoittavat ristiriitaisia syitä Grondahlin motivaatioon tutkimuksessaan, mutta oli miten oli, hän alkoi kokeilla kuparilevyjä, jotka oli kuumennettu toiselta puolelta hapettuneen kerroksen luomiseksi. Työskennellessään heidän kanssaan hän huomasi virran epäsymmetrian - vastus yhdessä suunnassa oli kolme kertaa suurempi kuin toisessa. Kupari- ja kuparioksidilevy tasasuuntasi virran, aivan kuin sulfidikide.
Kuparioksiditasasuuntaajan piiri
Grondahl käytti seuraavat kuusi vuotta tähän ilmiöön perustuvan käyttövalmiin kaupallisen tasasuuntaajan kehittämiseen ja pyysi apua toiselta yhdysvaltalaiselta tutkijalta, Paul Geigeriltä, ennen kuin hän jätti patenttihakemuksen ja ilmoitti löydöstään American Physical Societylle vuonna 1926. Laite. siitä tuli heti kaupallinen hitti. Hauraiden filamenttien puuttumisen vuoksi se oli paljon luotettavampi kuin Fleming-venttiiliperiaatteeseen perustuva tyhjiöputkitasasuuntaaja ja halvempaa valmistaa. Toisin kuin Brownin tasasuuntaajakiteet, se toimi ensimmäisellä kerralla, ja koska metallin ja oksidin välinen kosketuspinta-ala oli suurempi, se toimi suuremmalla virralla ja jännitteellä. Se voi ladata akkuja, havaita signaaleja eri sähköjärjestelmissä ja toimia turvashunttina tehokkaissa generaattoreissa. Valokennoina käytettäessä levyt saattoivat toimia valomittareina ja olivat erityisen hyödyllisiä valokuvauksessa. Muut tutkijat suunnilleen samaan aikaan kehittivät seleenitasasuuntaajia, jotka löysivät samanlaisia sovelluksia.
Pakkaus kuparioksidipohjaisia tasasuuntaajia. Useiden levyjen kokoonpano lisäsi käänteistä vastusta, mikä mahdollisti niiden käytön korkealla jännitteellä.
Muutamaa vuotta myöhemmin kaksi Bell Labsin fyysikkoa, Joseph Becker ja
Brattain vanhuudessa - n. 1950
Brattain oli kotoisin Grondalin kanssa Tyynenmeren luoteisosasta, missä hän varttui maatilalla muutaman kilometrin päässä Kanadan rajalta. Lukiossa hän kiinnostui fysiikasta, osoitti soveltuvuuttaan alaan ja sai lopulta tohtorin tutkinnon Minnesotan yliopistosta 1920-luvun lopulla ja työskenteli Bell Laboratoriesissa vuonna 1929. Muun muassa yliopistossa, jota hän opiskeli viimeisin teoreettinen fysiikka, joka oli saavuttamassa suosiota Euroopassa ja joka tunnetaan nimellä kvanttimekaniikka (sen kuraattori oli
Kvanttivallankumous
Uusi teoreettinen alusta on kehittynyt hitaasti viimeisen kolmen vuosikymmenen aikana, ja se pystyy aikanaan selittämään kaikki omituiset ilmiöt, joita on havaittu vuosia materiaaleissa, kuten galeenissa, seleenissä ja kuparioksidissa. Kokonainen joukko enimmäkseen nuoria fyysikoita, pääasiassa Saksasta ja naapurimaista, aiheutti kvanttivallankumouksen fysiikassa. Mihin tahansa he katsoivat, he eivät löytäneet heille opetettua sujuvaa ja jatkuvaa maailmaa, vaan outoja, erillisiä kokkareita.
Kaikki alkoi 1890-luvulla. Max Planck, kuuluisa Berliinin yliopiston professori, päätti työskennellä hyvin tunnetun ratkaisemattoman ongelman kanssa: kuinka "
Pian sen jälkeen Einstein havaitsi, että sama tapahtui valon absorption kanssa (ensimmäinen vihje fotoneista), ja J. J. Thomson osoitti, että sähköä ei myöskään kuljettanut jatkuva neste tai aalto, vaan erilliset hiukkaset - elektronit. Niels Bohr loi sitten mallin selittääkseen, kuinka kiihtyneet atomit lähettävät säteilyä osoittamalla elektroneja atomin yksittäisille kiertoradoille, joilla kullakin on oma energiansa. Tämä nimi on kuitenkin harhaanjohtava, koska ne eivät toimi ollenkaan kuten planeettojen kiertoradat - Bohrin mallissa elektronit hyppäsivät hetkessä yhdeltä kiertoradalta tai energiatasolta toiselle kulkematta välitilan läpi. Lopulta 1920-luvulla Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Born ja muut loivat yleisen matemaattisen alustan, joka tunnetaan nimellä kvanttimekaniikka ja joka sisälsi kaikki erityiset kvanttimallit, jotka oli luotu viimeisen kahdenkymmenen vuoden aikana.
Tähän mennessä fyysikot olivat jo varmoja, että seleenin ja galeenin kaltaiset materiaalit, joilla oli aurinkosähköisiä ja tasasuuntaavia ominaisuuksia, kuuluivat erilliseen materiaaliluokkaan, jota he kutsuivat puolijohteiksi. Luokittelu kesti niin kauan useista syistä. Ensinnäkin itse luokat "johtimet" ja "eristimet" olivat melko laajoja. T.N. "johtimien" johtavuus vaihteli valtavasti, ja sama (vähemmässä määrin) pätee eristimiin, eikä ollut selvää, kuinka jokin tietty johtime voitaisiin luokitella mihinkään näistä luokista. Lisäksi XNUMX-luvun puoliväliin asti oli mahdotonta saada tai luoda erittäin puhtaita aineita, ja luonnonmateriaalien johtavuuden omituisuudet voitiin aina johtua kontaminaatiosta.
Fyysikoilla oli nyt sekä kvanttimekaniikan matemaattiset työkalut että uusi materiaaliluokka, johon niitä voitiin soveltaa. brittiläinen teoreetikko
Aluksi Wilson väitti, että johtavat materiaalit eroavat eristeistä energiavyöhykkeidensä tilassa. Kvanttimekaniikka väittää, että elektronit voivat esiintyä rajoitetulla määrällä energiatasoja, joita löytyy yksittäisten atomien kuorista tai kiertoradoista. Jos puristat nämä atomit yhteen materiaalin rakenteessa, olisi oikeampaa kuvitella jatkuvia energiavyöhykkeitä kulkevan sen läpi. Korkean energian kaistan johtimissa on tyhjiä tiloja, joissa sähkökenttä voi vapaasti siirtää elektroneja. Eristeissä vyöhykkeet täyttyvät ja korkeammalle johtavalle vyöhykkeelle, jonka läpi sähkön on helpompi kulkea, on melko pitkä nousu.
Tämä johti hänet siihen johtopäätökseen, että epäpuhtauksien - materiaalin rakenteessa olevien vieraiden atomien - täytyy myötävaikuttaa sen puolijohdeominaisuuksiin. Ne voivat joko toimittaa ylimääräisiä elektroneja, jotka pääsevät helposti johtavuuskaistalle, tai reikiä – elektronien puutetta suhteessa muuhun materiaaliin – mikä luo tyhjiä energiatiloja, joissa vapaat elektronit voivat liikkua. Ensimmäistä vaihtoehtoa kutsuttiin myöhemmin n-tyypin (tai elektronisiksi) puolijohteiksi ylimääräisen negatiivisen varauksen vuoksi, ja toista - p-tyyppisiksi tai reikäpuolijohteiksi ylimääräisen positiivisen varauksen vuoksi.
Lopuksi Wilson ehdotti, että virran tasaaminen puolijohteilla voitaisiin selittää kvanttikvanttitermeillä.
Joten kaikista Wilsonin läpimurroista huolimatta puolijohteita oli vaikea selittää. Kuten vähitellen kävi selväksi, mikroskooppiset muutokset kiderakenteessa ja epäpuhtauksien pitoisuudessa vaikuttivat suhteettomasti niiden makroskooppiseen sähköiseen käyttäytymiseen. Jättäen huomioimatta ymmärryksen puutteen – koska kukaan ei koskaan pystynyt selittämään Brownin 60 vuotta aiemmin tekemiä kokeellisia havaintoja – Bratteyn ja Becker kehittivät työnantajalleen tehokkaan valmistusprosessin kuparioksiditasasuuntaajille. Bell System alkoi nopeasti korvata tyhjiöputkitasasuuntaajia koko järjestelmässä uudella laitteella, jota heidän suunnittelijansa kutsuivat
kultamitali
Mervyn Kelly, fyysikko ja Bell Labsin tyhjiöputkiosaston entinen johtaja, kiinnostui suuresti tästä kehityksestä. Muutaman vuosikymmenen aikana tyhjiöputket tarjosivat Bellille korvaamatonta palvelua ja pystyivät suorittamaan toimintoja, jotka eivät olleet mahdollisia edellisen sukupolven mekaanisilla ja sähkömekaanisilla komponenteilla. Mutta ne olivat kuumia, ylikuumenivat säännöllisesti, kuluttivat paljon energiaa ja niitä oli vaikea ylläpitää. Kelly aikoi rakentaa Bellin järjestelmän uudelleen luotettavammilla ja kestävämmillä puolijohdeelektroniikkakomponenteilla, kuten varistoreilla, jotka eivät vaadi suljettuja, kaasulla täytettyjä tai tyhjiä koteloita tai kuumia filamentteja. Vuonna 1936 hänestä tuli Bell Labsin tutkimusosaston johtaja ja hän alkoi ohjata organisaatiota uudelle tielle.
Puolijohde-tasasuuntaajan hankinnan jälkeen seuraava ilmeinen askel oli puolijohdevahvistimen luominen. Luonnollisesti tällainen laite voisi toimia putkivahvistimen tavoin myös digitaalisena kytkimenä. Tämä kiinnosti erityisesti Bellin yritystä, sillä puhelinkytkimissä käytettiin edelleen valtavasti sähkömekaanisia digitaalikytkimiä. Yhtiö etsi luotettavampaa, pienempää, energiatehokkaampaa ja viileämpää korvaavaa tyhjiöputkea puhelinjärjestelmissä, radioissa, tutoissa ja muissa analogisissa laitteissa, joissa niitä käytettiin vahvistamaan heikkoja signaaleja ihmiskorvan kuulemalle tasolle.
Vuonna 1936 Bell Laboratories viimein poisti aikana asetetun palkkaamisen jäädytyksen
Brattain ja Becker jatkoivat kuparioksiditasasuuntaajan tutkimustaan tänä aikana etsiessään parannettua puolijohdevahvistinta. Ilmeisin tapa tehdä se oli seurata analogiaa tyhjiöputken kanssa. Aivan kuten Lee de Forest otti putkivahvistimen ja
Samaan aikaan muu kehitys osoitti, että Bell Labs ei ollut ainoa puolijohdeelektroniikasta kiinnostunut yritys. Vuonna 1938 Rudolf Hilsch ja Robert Pohl julkaisivat tulokset kokeista, jotka suoritettiin Göttingenin yliopistossa toimivalla solid-state-vahvistimella, joka luotiin viemällä hila kaliumbromidikiteeseen. Tällä laboratoriolaitteella ei ollut käytännön arvoa, lähinnä siksi, että se toimi enintään 1 Hz:n taajuudella. Ja silti, tämä saavutus ei voinut muuta kuin miellyttää kaikkia puolijohdeelektroniikasta kiinnostuneita. Samana vuonna Kelly määräsi Shockleyn uuteen riippumattomaan solid-state-laitteiden tutkimusryhmään ja antoi hänelle ja hänen kollegoilleen Foster Nixille ja Dean Woolridgelle mahdollisuuden tutkia heidän kykyjään.
Ainakin kaksi muuta keksijää onnistuivat luomaan puolijohdevahvistimia ennen toista maailmansotaa. Vuonna 1922 Neuvostoliiton fyysikko ja keksijä
Shockleyn ensimmäinen merkittävä oivallus uudessa asemassaan tapahtui lukiessaan brittiläisen fyysikon Neville Mothin vuoden 1938 työtä The Theory of Crystalline Rectifiers, joka lopulta selitti Grondahlin kuparioksiditasasuuntaajan toimintaperiaatteen. Mott käytti kvanttimekaniikan matematiikkaa kuvaamaan sähkökentän muodostumista johtavan metallin ja puolijohtavan oksidin risteyksessä ja kuinka elektronit "hyppäävät" tämän sähköesteen yli sen sijaan, että Wilson ehdotti tunnelointia. Virta kulkee helpommin metallista puolijohteeseen kuin päinvastoin, koska metallissa on paljon enemmän vapaita elektroneja.
Tämä johti Shockleyn täsmälleen samaan ajatukseen, jota Brattain ja Becker olivat harkinneet ja hylänneet vuosia aiemmin – puolijohdevahvistimen valmistaminen asettamalla kuparioksidiverkko kuparin ja kuparioksidin väliin. Hän toivoi, että verkon läpi kulkeva virta lisäisi estoa, joka rajoittaa virran virtausta kuparista oksidiin, luoden käänteisen, vahvistetun version signaalista verkkoon. Hänen ensimmäinen karkea yritys epäonnistui täysin, joten hän kääntyi miehen puoleen, jolla oli hienostuneemmat laboratoriotaidot ja tasassuuntaajat: Walter Brattain. Ja vaikka Brattain ei epäillytkään lopputulosta, hän suostui tyydyttämään Shockleyn uteliaisuuden ja loi monimutkaisemman version "grid"-vahvistimesta. Hän myös kieltäytyi tekemästä työtä.
Sitten sota puuttui asiaan ja jätti Kellyn uuden tutkimusohjelman sekaisin. Kellystä tuli Bell Labsin tutkatyöryhmän johtaja, jota tuki Yhdysvaltain MIT:n tärkein tutkatutkimuskeskus. Brattain työskenteli hänelle hetken ja siirtyi sitten tutkimaan sukellusveneiden magneettista havaitsemista laivastolle. Woolridge työskenteli palonhallintajärjestelmien parissa, Nix työskenteli kaasun diffuusion parissa Manhattan-projektissa ja Shockley aloitti operatiivisen tutkimuksen työskennellen ensin sukellusveneiden vastaisessa sodassa Atlantilla ja sitten strategisessa pommituksessa Tyynellämerellä.
Mutta tästä väliintulosta huolimatta sota ei estänyt puolijohdeelektroniikan kehitystä. Päinvastoin, se ohjasi valtavan resurssien infuusion kentälle ja johti tutkimuksen keskittämiseen kahdelle materiaalille: germaniumille ja piille.
Mitä muuta luettavaa
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 (joulukuu 1955).
Michael Riordan ja Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
Lähde: will.com