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Le chemin vers les commutateurs à semi-conducteurs a été long et difficile. Tout a commencé avec la découverte que certains matériaux se comportent étrangement en présence d’électricité – pas comme le prédisaient les théories alors existantes. Ce qui a suivi était l'histoire de la façon dont la technologie est devenue une discipline de plus en plus scientifique et institutionnelle au XXe siècle. Des amateurs, des novices et des inventeurs professionnels pratiquement dépourvus de formation scientifique ont apporté une contribution majeure au développement du télégraphe, de la téléphonie et de la radio. Mais, comme nous le verrons, presque toutes les avancées dans l’histoire de l’électronique du solide sont venues de scientifiques qui ont étudié dans des universités (et ont généralement un doctorat en physique) et ont travaillé dans des universités ou des laboratoires de recherche d’entreprises.
Toute personne ayant accès à un atelier et possédant des compétences de base en matériaux peut assembler un relais à partir de fils, de métal et de bois. La création de tubes à vide nécessite des outils plus spécialisés capables de créer une ampoule en verre et d'en pomper l'air. Les appareils à semi-conducteurs ont disparu dans un terrier d'où le commutateur numérique n'est jamais revenu, plongeant toujours plus profondément dans des mondes intelligibles uniquement aux mathématiques abstraites et accessibles uniquement à l'aide d'équipements incroyablement coûteux.
Galène
Au cours de l'1874 , un physicien de 24 ans de St. Thomas à Leipzig, a publié le premier de nombreux ouvrages scientifiques importants au cours de sa longue carrière. L’article « Sur le passage des courants électriques à travers les sulfures métalliques » a été accepté dans Annalen de Pogendorff, une revue prestigieuse consacrée aux sciences physiques. Malgré son titre ennuyeux, l'article de Brown décrit des résultats expérimentaux surprenants et déroutants.
Ferdinand Brun
Brown est devenu intrigué par les sulfures, des cristaux minéraux composés de composés soufrés avec des métaux, grâce à son travail. . Dès 1833, Michael Faraday remarquait que la conductivité du sulfure d’argent augmente avec la température, ce qui est exactement le contraire du comportement des conducteurs métalliques. Hittorf a compilé un rapport quantitatif détaillé des mesures de cet effet dans les années 1850, pour les sulfures d'argent et de cuivre. Maintenant, Brown, en utilisant une configuration expérimentale intelligente qui pressait un fil métallique contre un cristal de sulfure avec un ressort pour assurer un bon contact, a découvert quelque chose d'encore plus étrange. La conductivité des cristaux dépendait de la direction - par exemple, le courant pouvait bien circuler dans une direction, mais lorsque la polarité de la batterie était inversée, le courant pouvait soudainement chuter fortement. Les cristaux agissaient davantage comme des conducteurs dans une direction (comme les métaux normaux) et davantage comme des isolants dans une autre (comme le verre ou le caoutchouc). Cette propriété est devenue connue sous le nom de rectification en raison de sa capacité à redresser le courant alternatif « serti » en courant continu « plat ».
À peu près à la même époque, les chercheurs ont découvert d’autres propriétés étranges de matériaux tels que le sélénium, qui pouvait être fondu à partir de certains minerais de sulfures métalliques. Lorsqu’il est exposé à la lumière, le sélénium augmente la conductivité et commence même à produire de l’électricité, et il pourrait également être utilisé pour la rectification. Y avait-il un lien avec les cristaux de sulfure ? Sans modèles théoriques pour expliquer ce qui se passait, le domaine était dans un état de confusion.
Cependant, le manque de théorie n’a pas empêché les tentatives d’application pratique des résultats. À la fin des années 1890, Brown devient professeur à l'Université de Strasbourg - récemment annexée à la France pendant la et rebaptisée Université Kaiser Wilhelm. Là, il fut aspiré par le nouveau monde passionnant de la radiotélégraphie. Il a accepté la proposition d'un groupe d'entrepreneurs visant à créer conjointement un système de communication sans fil basé sur la transmission d'ondes radio à travers l'eau. Cependant, lui et ses complices abandonnèrent bientôt l'idée originale en faveur de la signalisation aéroportée, utilisée par Marconi et d'autres.
Parmi les aspects de la radio que le groupe de Brown cherchait à améliorer figurait le récepteur standard de l'époque, . Il était basé sur le fait que les ondes radio provoquaient l’agglutination de la limaille de métal, permettant au courant de la batterie de passer au dispositif de signalisation. Cela a fonctionné, mais le système ne répondait qu'à des signaux relativement forts et il fallait frapper constamment l'appareil pour briser un morceau de sciure de bois. Brown s'est souvenu de ses anciennes expériences avec des cristaux de sulfure et, en 1899, il a recréé son ancienne configuration expérimentale dans un nouvel objectif : servir de détecteur de signaux sans fil. Il a utilisé l'effet de rectification pour convertir le minuscule courant oscillant généré par le passage des ondes radio en un courant continu pouvant alimenter un petit haut-parleur produisant un clic audible pour chaque point ou tiret. Cet appareil est devenu plus tard connu sous le nom de ""en raison de l'apparence du fil, qui touchait facilement le dessus du cristal. En Inde britannique (où se trouve aujourd'hui le Bangladesh), le scientifique et inventeur Jagadish Bose a construit un appareil similaire, peut-être dès 1894. D'autres ont rapidement commencé à fabriquer des détecteurs similaires à base de silicium et de carborundum (carbure de silicium).
Cependant, c'est , le sulfure de plomb, qui est fondu pour produire du plomb depuis l'Antiquité, est devenu le matériau de choix pour les détecteurs à cristaux. Ils étaient faciles à fabriquer et bon marché et sont devenus incroyablement populaires parmi la première génération de radioamateurs. De plus, contrairement à un cohéreur binaire (avec de la sciure agglomérée ou non), un redresseur cristallin pourrait reproduire un signal continu. Il pouvait donc produire une voix et une musique audibles à l'oreille, et pas seulement du code Morse avec ses points et ses tirets.
Détecteur de moustaches de chat à base de galène. Le petit morceau de fil à gauche est la moustache et le morceau de matériau argenté en bas est le cristal de galène.
Cependant, comme les radioamateurs frustrés l’ont vite découvert, cela pouvait prendre des minutes, voire des heures, pour trouver le point magique à la surface du cristal qui donnerait une bonne rectification. Et les signaux sans amplification étaient faibles et avaient un son métallique. Dans les années 1920, les récepteurs à tubes sous vide équipés d’amplificateurs triodes avaient pratiquement rendu les détecteurs à cristal obsolètes presque partout. Leur seul attrait était leur faible coût.
Cette brève apparition dans l'arène radiophonique semblait être la limite de l'application pratique des étranges propriétés électriques du matériau découvert par Brown et d'autres.
Voici comment
Puis, dans les années 1920, un autre physicien nommé Lars Grondahl a découvert quelque chose d’étrange avec son dispositif expérimental. Grondahl, le premier d’une série d’hommes intelligents et agités dans l’histoire de l’Ouest américain, était le fils d’un ingénieur civil. Son père, qui a émigré de Norvège en 1880, a travaillé pendant plusieurs décennies sur les chemins de fer en Californie, en Oregon et à Washington. Au début, Grondahl semblait déterminé à abandonner le monde de l'ingénierie de son père et à se rendre à Johns Hopkins pour obtenir un doctorat en physique afin de poursuivre des études universitaires. Mais il s'est ensuite impliqué dans le secteur ferroviaire et a pris le poste de directeur de recherche chez Union Switch and Signal, une division du géant industriel. , qui fournissait des équipements pour l'industrie ferroviaire.
Diverses sources indiquent des raisons contradictoires pour la motivation de Grondahl pour ses recherches, mais quoi qu'il en soit, il a commencé à expérimenter avec des disques de cuivre chauffés sur une face pour créer une couche oxydée. En travaillant avec eux, il a remarqué l'asymétrie du courant - la résistance dans un sens était trois fois plus grande que dans l'autre. Un disque de cuivre et d’oxyde de cuivre redressait le courant, tout comme un cristal de sulfure.
Circuit redresseur à l'oxyde de cuivre
Grondahl a passé les six années suivantes à développer un redresseur commercial prêt à l'emploi basé sur ce phénomène, en faisant appel à un autre chercheur américain, Paul Geiger, avant de déposer une demande de brevet et d'annoncer sa découverte à l'American Physical Society en 1926. L'appareil est immédiatement devenu un succès commercial. En raison de l'absence de filaments fragiles, il était beaucoup plus fiable que le redresseur à tube à vide basé sur le principe de la vanne Fleming et était moins cher à fabriquer. Contrairement aux cristaux redresseurs Brown, il a fonctionné du premier coup et, en raison de la plus grande zone de contact entre le métal et l'oxyde, il a fonctionné avec une plus grande plage de courants et de tensions. Il pourrait charger des batteries, détecter des signaux dans divers systèmes électriques et agir comme un shunt de sécurité dans de puissants générateurs. Lorsqu'ils étaient utilisés comme photocellule, les disques pouvaient servir de photomètre et étaient particulièrement utiles en photographie. À la même époque, d’autres chercheurs ont développé des redresseurs au sélénium qui ont trouvé des applications similaires.
Un pack de redresseurs à base d'oxyde de cuivre. Un assemblage de plusieurs disques augmentait la résistance inverse, ce qui permettait de les utiliser en haute tension.
Quelques années plus tard, deux physiciens des Bell Labs, Joseph Becker et , ont décidé d'étudier le principe de fonctionnement d'un redresseur en cuivre. Ils souhaitaient savoir comment il fonctionnait et comment il pouvait être utilisé dans le système Bell.
Brattain dans la vieillesse - env. 1950
Brattain était originaire de la même région que Grondal, dans le nord-ouest du Pacifique, où il a grandi dans une ferme à quelques kilomètres de la frontière canadienne. Au lycée, il s'intéresse à la physique et fait preuve d'aptitudes dans ce domaine. Il obtient finalement un doctorat de l'Université du Minnesota à la fin des années 1920 et accepte un emploi aux Laboratoires Bell en 1929. Entre autres choses, à l'université où il a étudié la dernière physique théorique, qui gagnait en popularité en Europe, et connue sous le nom de mécanique quantique (son conservateur était , qui a également encadré John Atanasoff).
Révolution quantique
Une nouvelle plate-forme théorique s'est lentement développée au cours des trois dernières décennies et sera, le moment venu, capable d'expliquer tous les phénomènes étranges observés depuis des années dans des matériaux tels que la galène, le sélénium et l'oxyde de cuivre. Toute une cohorte de jeunes physiciens, principalement originaires d’Allemagne et des pays voisins, a provoqué une révolution quantique en physique. Partout où ils regardaient, ils ne trouvaient pas le monde lisse et continu qu’on leur avait enseigné, mais des morceaux étranges et discrets.
Tout a commencé dans les années 1890. Max Planck, un célèbre professeur de l'Université de Berlin, a décidé de travailler sur un problème bien connu et non résolu : comment «"(une substance idéale qui absorbe toute l'énergie et ne la reflète pas) émet un rayonnement dans le spectre électromagnétique ? Différents modèles ont été essayés, mais aucun ne correspondait aux résultats expérimentaux : ils ont échoué à une extrémité ou à l'autre du spectre. Planck a découvert que si nous supposons que l'énergie est émise par un corps en petits « paquets » de quantités discrètes, nous pouvons alors écrire une loi simple de la relation entre la fréquence et l'énergie, qui correspond parfaitement aux résultats empiriques.
Peu de temps après, Einstein a découvert que la même chose se produisait avec l'absorption de la lumière (le premier indice de photons), et J. J. Thomson a montré que l'électricité était également transportée non pas par un fluide ou une onde continue, mais par des particules discrètes - les électrons. Niels Bohr a ensuite créé un modèle pour expliquer comment les atomes excités émettent un rayonnement en attribuant des électrons à des orbites individuelles dans l'atome, chacune ayant sa propre énergie. Cependant, ce nom est trompeur car ils ne se comportent pas du tout comme les orbites des planètes : dans le modèle de Bohr, les électrons sautaient instantanément d'une orbite, ou d'un niveau d'énergie, à une autre, sans passer par un état intermédiaire. Enfin, dans les années 1920, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Born et d’autres ont créé une plate-forme mathématique généralisée connue sous le nom de mécanique quantique, intégrant tous les modèles quantiques spéciaux créés au cours des vingt années précédentes.
À cette époque, les physiciens étaient déjà convaincus que des matériaux tels que le sélénium et la galène, qui présentaient des propriétés photovoltaïques et rectificatrices, appartenaient à une classe distincte de matériaux, qu'ils appelaient semi-conducteurs. Le classement a pris si longtemps pour plusieurs raisons. Premièrement, les catégories « conducteurs » et « isolants » elles-mêmes étaient assez larges. T.N. La conductivité des « conducteurs » variait énormément, et il en était de même (dans une moindre mesure) pour les isolants, et il n'était pas évident de savoir comment un conducteur particulier pouvait être classé dans l'une de ces classes. De plus, jusqu’au milieu du XXe siècle, il était impossible d’obtenir ou de créer des substances très pures, et toute bizarrerie dans la conductivité des matériaux naturels pouvait toujours être attribuée à une contamination.
Les physiciens disposaient désormais à la fois des outils mathématiques de la mécanique quantique et d’une nouvelle classe de matériaux auxquels ils pouvaient être appliqués. théoricien britannique a été le premier à rassembler tout cela et à construire un modèle général des semi-conducteurs et de leur fonctionnement en 1931.
Au début, Wilson a soutenu que les matériaux conducteurs diffèrent des diélectriques par l’état de leurs bandes d’énergie. La mécanique quantique stipule que les électrons peuvent exister dans un nombre limité de niveaux d’énergie trouvés dans les coquilles, ou orbitales, d’atomes individuels. Si vous serrez ces atomes ensemble dans la structure d’un matériau, il serait plus correct d’imaginer des zones d’énergie continues le traversant. Il y a des espaces vides dans les conducteurs dans les bandes de haute énergie, et le champ électrique peut y déplacer librement les électrons. Chez les isolateurs, les zones sont remplies et la montée est assez longue pour atteindre la zone conductrice supérieure, à travers laquelle circule plus facilement l'électricité.
Cela l'a amené à la conclusion que les impuretés (les atomes étrangers dans la structure d'un matériau) doivent contribuer à ses propriétés semi-conductrices. Ils peuvent soit fournir des électrons supplémentaires, qui s'échappent facilement dans la bande de conduction, soit des trous (un manque d'électrons par rapport au reste du matériau) qui créent des espaces énergétiques vides où les électrons libres peuvent se déplacer. La première option a ensuite été appelée semi-conducteurs de type N (ou électroniques) en raison de la charge négative excessive, et la seconde - semi-conducteurs de type P ou à trous en raison de la charge positive excessive.
Enfin, Wilson a proposé que la rectification du courant par les semi-conducteurs puisse être expliquée en termes quantiques. , le saut soudain d'électrons à travers une fine barrière électrique dans un matériau. La théorie semblait plausible, mais elle prévoyait que dans le redresseur le courant devait passer de l'oxyde au cuivre, alors qu'en réalité c'était l'inverse.
Ainsi, malgré toutes les avancées de Wilson, les semi-conducteurs restent difficiles à expliquer. Au fur et à mesure que cela devenait clair, les changements microscopiques dans la structure cristalline et la concentration d’impuretés affectaient de manière disproportionnée leur comportement électrique macroscopique. Ignorant le manque de compréhension - puisque personne ne pouvait expliquer les observations expérimentales faites par Brown 60 ans plus tôt - Brattain et Becker ont développé pour leur employeur un procédé de fabrication efficace de redresseurs à oxyde de cuivre. Le système Bell a rapidement commencé à remplacer les redresseurs à tubes à vide dans tout le système par un nouveau dispositif que leurs ingénieurs ont appelé , puisque sa résistance variait selon la direction.
médaille d'or
Mervyn Kelly, physicien et ancien chef du département des tubes à vide des Bell Labs, s'est montré très intéressé par ce développement. Au cours d'une vingtaine d'années, les tubes à vide ont fourni à Bell un service inestimable et ont pu exécuter des fonctions qui n'étaient pas possibles avec la génération précédente de composants mécaniques et électromécaniques. Mais ils brûlaient, surchauffaient régulièrement, consommaient beaucoup d’énergie et étaient difficiles à entretenir. Kelly avait l'intention de reconstruire le système de Bell avec des composants électroniques à semi-conducteurs plus fiables et durables, tels que des varistances, qui ne nécessitaient pas de boîtiers scellés, remplis de gaz ou vides, ni de filaments chauds. En 1936, il devient chef du département de recherche des Bell Labs et commence à réorienter l'organisation sur une nouvelle voie.
Après avoir obtenu un redresseur à semi-conducteurs, la prochaine étape évidente consistait à créer un amplificateur à semi-conducteurs. Naturellement, comme un amplificateur à tubes, un tel appareil pourrait également fonctionner comme un commutateur numérique. Cela présentait un intérêt particulier pour l'entreprise Bell, car les commutateurs téléphoniques utilisaient encore un grand nombre de commutateurs numériques électromécaniques. L'entreprise recherchait un remplacement plus fiable, plus petit, économe en énergie et plus froid pour le tube à vide dans les systèmes téléphoniques, les radios, les radars et autres équipements analogiques, où ils étaient utilisés pour amplifier les signaux faibles à des niveaux que l'oreille humaine pouvait entendre.
En 1936, les Laboratoires Bell lèvent finalement le gel des embauches imposé . Kelly a immédiatement commencé à recruter des experts en mécanique quantique pour l'aider à lancer son programme de recherche sur l'état solide, notamment , un autre natif de la côte ouest, de Palo Alto, en Californie. Le sujet de sa récente thèse au MIT était parfaitement adapté aux besoins de Kelly : « Bandes électroniques dans le chlorure de sodium ».
Brattain et Becker ont poursuivi leurs recherches sur le redresseur à l'oxyde de cuivre pendant cette période, à la recherche d'un amplificateur à semi-conducteurs amélioré. La manière la plus évidente d’y parvenir était de suivre l’analogie avec un tube à vide. Tout comme Lee de Forest a pris un ampli à lampes et entre la cathode et l'anode, et Brattain et Becker ont imaginé comment un treillis pourrait être inséré à la jonction du cuivre et de l'oxyde de cuivre, là où la rectification était censée se produire. Cependant, en raison de la faible épaisseur de la couche, ils ont trouvé impossible de le faire et n’y sont pas parvenus.
Entre-temps, d’autres développements ont montré que les Bell Labs n’étaient pas la seule entreprise intéressée par l’électronique à semi-conducteurs. En 1938, Rudolf Hilsch et Robert Pohl publièrent les résultats d'expériences menées à l'Université de Göttingen sur un amplificateur à semi-conducteurs fonctionnel créé en introduisant une grille dans un cristal de bromure de potassium. Cet appareil de laboratoire n'avait aucune valeur pratique, principalement parce qu'il fonctionnait à une fréquence ne dépassant pas 1 Hz. Et pourtant, cette réalisation ne pouvait que plaire à tous ceux qui s'intéressent à l'électronique à semi-conducteurs. La même année, Kelly a assigné Shockley à un nouveau groupe de recherche indépendant sur les dispositifs à semi-conducteurs et lui a donné carte blanche, ainsi qu'à ses collègues Foster Nix et Dean Woolridge, pour explorer leurs capacités.
Au moins deux autres inventeurs ont réussi à créer des amplificateurs à semi-conducteurs avant la Seconde Guerre mondiale. En 1922, le physicien et inventeur soviétique a publié les résultats d'expériences réussies avec des semi-conducteurs en zincite, mais ses travaux sont passés inaperçus auprès de la communauté occidentale ; En 1926, l'inventeur américain Julius Lillenfield a déposé une demande de brevet pour un amplificateur à semi-conducteurs, mais rien ne prouve que son invention ait fonctionné.
La première révélation majeure de Shockley dans son nouveau poste s'est produite en lisant l'ouvrage de 1938 du physicien britannique Neville Moth, The Theory of Crystalline Rectifiers, qui expliquait finalement le principe de fonctionnement du redresseur à oxyde de cuivre de Grondahl. Mott a utilisé les mathématiques de la mécanique quantique pour décrire la formation d'un champ électrique à la jonction d'un métal conducteur et d'un oxyde semi-conducteur, et comment les électrons « sautent » par-dessus cette barrière électrique, plutôt que de creuser un tunnel comme le proposait Wilson. Le courant circule plus facilement du métal au semi-conducteur que l’inverse, car le métal possède beaucoup plus d’électrons libres.
Cela a conduit Shockley à exactement la même idée que Brattain et Becker avaient envisagée et rejetée des années auparavant : fabriquer un amplificateur à semi-conducteurs en insérant un maillage d'oxyde de cuivre entre le cuivre et l'oxyde de cuivre. Il espérait que le courant circulant à travers la grille augmenterait la barrière limitant le flux de courant du cuivre vers l'oxyde, créant ainsi une version inversée et amplifiée du signal sur la grille. Sa première tentative grossière échoua complètement, alors il se tourna vers un homme doté de compétences de laboratoire plus raffinées et familier avec les redresseurs : Walter Brattain. Et, même s'il n'avait aucun doute sur le résultat, Brattain accepta de satisfaire la curiosité de Shockley et créa une version plus complexe de l'amplificateur « à grille ». Elle a également refusé de travailler.
Puis la guerre est intervenue, laissant le nouveau programme de recherche de Kelly dans le désarroi. Kelly est devenu chef du groupe de travail sur les radars des Bell Labs, soutenu par le principal centre américain de recherche sur les radars, le MIT. Brattain a travaillé brièvement pour lui, puis s'est lancé dans des recherches sur la détection magnétique des sous-marins pour la marine. Woolridge a travaillé sur les systèmes de contrôle de tir, Nix a travaillé sur la diffusion de gaz pour le projet Manhattan et Shockley s'est lancé dans la recherche opérationnelle, travaillant d'abord sur la guerre anti-sous-marine dans l'Atlantique, puis sur les bombardements stratégiques dans le Pacifique.
Mais malgré cette intervention, la guerre n’a pas stoppé le développement de l’électronique à semi-conducteurs. Au contraire, elle a orchestré une infusion massive de ressources dans le domaine et conduit à une concentration des recherches sur deux matériaux : le germanium et le silicium.
Quoi d'autre à lire
Ernest Bruan et Stuart MacDonald, Révolution en miniature (1978)
Friedrich Kurylo et Charles Susskind, Ferdinand Braun (1981)
G. L. Pearson et W. H. Brattain, « History of Semiconductor Research », Actes de l'IRE (décembre 1955).
Michael Riordan et Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
Source: habr.com