Oare artikels yn 'e searje:
- Skiednis fan de estafette
- Skiednis fan elektroanyske kompjûters
- Skiednis fan de transistor
- Ynternet skiednis
De wei nei solid-state switches hat lang en dreech west. It begûn mei de ûntdekking dat bepaalde materialen har nuver gedrage yn 'e oanwêzigens fan elektrisiteit - net sa't de doe besteande teoryen foarsei. Wat folge wie in ferhaal fan hoe't technology yn 'e XNUMXe ieu in hieltyd mear wittenskiplike en ynstitúsjonele dissipline waard. Amateurs, begjinners en profesjonele útfiners mei praktysk gjin wittenskiplike oplieding levere serieuze bydragen oan de ûntwikkeling fan telegraaf, telefoany en radio. Mar, sa't wy sille sjen, hast alle foarútgong yn 'e skiednis fan solid-state elektroanika binne kommen fan wittenskippers dy't studearre oan universiteiten (en meastentiids hawwe in PhD yn natuerkunde) en wurke oan universiteiten of bedriuwsûndersykslaboratoaria.
Elkenien mei tagong ta in workshop en basismateriaalfeardigens kin in estafette gearstalle fan triedden, metaal en hout. It meitsjen fan fakuümbuizen fereasket mear spesjalisearre ark dy't in glêzen bulb meitsje kinne en de loft derút pompe kinne. Solid-state-apparaten ferdwûnen yn in konijngat dêr't de digitale skeakel noait werom kaam, en dûkten hieltyd djipper yn wrâlden dy't allinich fersteanber binne foar abstrakte wiskunde en allinich tagonklik mei help fan waanzinnig djoere apparatuer.
Galena
Yn 1874 jier , in 24-jierrige natuerkundige út St. Thomas yn Leipzig, publisearre de earste fan in protte wichtige wittenskiplike wurken yn syn lange karriêre. It papier, "On the Passage of Electric Currents through Metal Sulfides," waard akseptearre yn Pogendorff's Annalen, in prestizjeuze tydskrift wijd oan 'e fysike wittenskippen. Nettsjinsteande de saaie titel beskreau Brown's papier wat ferrassende en ferrassende eksperimintele resultaten.
Ferdinand Brown
Brown waard yntrigearre troch sulfiden - minerale kristallen gearstald út swevelferbiningen mei metalen - troch syn wurk . Al yn 1833, Michael Faraday merkte op dat de conductivity fan sulver sulfide nimt ta mei temperatuer, dat is krekt it tsjinoerstelde fan it gedrach fan metalen diriginten. Hittorf makke in yngeand kwantitatyf rapport gearstald fan mjittingen fan dit effekt yn 'e jierren 1850, foar sawol sulver as kopersulfiden. No ûntduts Brown, mei in tûke eksperimintele opset dy't in metalen tried tsjin in sulfidekristal mei in spring drukte om goed kontakt te garandearjen, wat noch frjemder. De konduktiviteit fan de kristallen wie ôfhinklik fan de rjochting - de stroom koe bygelyks goed yn ien rjochting rinne, mar as de polariteit fan de batterij omkeard waard, koe de stroom ynienen flink sakje. Kristallen diene mear as diriginten yn ien rjochting (lykas normale metalen) en mear as isolators yn in oare (lykas glês of rubber). Dit pân waard bekend as rektifikaasje fanwegen it fermogen om "gekrimpte" wikselstroom te rjochtsjen yn "platte" direkte stroom.
Om deselde tiid ûntdutsen ûndersikers oare nuveraardige eigenskippen fan materialen lykas selenium, dy't út beskate metalen sulfide-ertsen smelte wurde kinne. Wannear't bleatsteld oan ljocht, selenium ferhege conductivity en sels begûn te generearjen elektrisiteit, en it koe ek brûkt wurde foar rektifikaasje. Wie der wat ferbân mei sulfidekristallen? Sûnder teoretyske modellen om te ferklearjen wat der barde, wie it fjild yn in steat fan betizing.
Lykwols, it gebrek oan teory net stopje besykjen om praktysk tapassen fan de resultaten. Yn 'e lette jierren 1890 waard Brown heechlearaar oan' e Universiteit fan Straatsburch - koartlyn anneksearre út Frankryk tidens de en omneamd ta Kaiser Wilhelm University. Dêr waard er meisûge yn de spannende nije wrâld fan radiotelegrafy. Hy gie akkoart mei in útstel fan in groep ûndernimmers om tegearre in draadloos kommunikaasjesysteem te meitsjen basearre op it oerdragen fan radiogolven troch wetter. Hy en syn makkers lieten lykwols al gau it orizjinele idee yn it foardiel fan sinjalearring yn 'e loft, dy't brûkt waard troch Marconi en oaren.
Under de aspekten fan radio dy't Brown's groep besocht te ferbetterjen wie de doe standert ûntfanger, . It wie basearre op it feit dat radio weagen feroarsake metalen filings te clump tegearre, wêrtroch't stroom fan 'e batterij trochjaan nei it sinjaal apparaat. It wurke, mar it systeem reagearre allinnich op relatyf sterke sinjalen, en it easke konstante slaan fan it apparaat te brekken in bult zaagsel. Brown tocht oan syn âlde eksperiminten mei sulfidekristallen, en yn 1899 makke hy syn âlde eksperimintele opset opnij mei in nij doel - om te tsjinjen as detektor foar draadloze sinjalen. Hy brûkte it rektifikaasje-effekt om de lytse oscillerende stroom te konvertearjen dy't ûntstien is troch trochjaan fan radiogolven yn in direkte stroom dy't in lytse sprekker koe oandriuwe dy't in te hearren klik produsearre foar elke stip of streep. Dit apparaat waard letter bekend as ""fanwege it uterlik fan 'e draad, dy't maklik de top fan it kristal oanrekke. Yn Britsk-Ynje (wêr't hjoeddedei Bangladesh leit) boude wittenskipper en útfiner Jagadish Bose in ferlykber apparaat, mooglik al yn 1894. Oaren begûnen al gau ferlykbere detektors te meitsjen basearre op silisium en karborundum (silisiumkarbid).
Lykwols, it is , lead sulfide, dat is smelt om lead te produsearjen sûnt âlde tiden, is it materiaal fan kar wurden foar kristaldetektors. Se wiene maklik te meitsjen en goedkeap, en as gefolch waarden se ongelooflijk populêr ûnder de iere generaasje fan radioamateurs. Boppedat, yn tsjinstelling ta in binêre gearhinger (mei zaagsel dat al of net gearklontere), koe in kristallijne lykrjochter in trochgeand sinjaal reprodusearje. Dêrom koe hy stim en muzyk produsearje te hearren foar it ear, en net allinich Morsekoade mei syn stippen en streepkes.
Cat's whiskerdetektor basearre op galena. It lytse stikje tried oan de linkerkant is de whisker, en it stik sulveren materiaal op 'e boaiem is it galena kristal.
Lykas frustrearre radioamateurs lykwols gau ûntdutsen, koe it minuten of sels oeren duorje om it magyske punt op it oerflak fan it kristal te finen dat goede rektifikaasje soe jaan. En de sinjalen sûnder fersterking wiene swak en hienen in metallysk lûd. Tsjin de jierren 1920 hienen fakuümbuisûntfangers mei triode-fersterkers hast oeral kristaldetektors frijwol ferâldere makke. Har iennichste oantreklike eigenskip wie har goedkeap.
Dit koarte optreden yn 'e radio arena like te wêzen de limyt fan praktyske tapassing fan de frjemde elektryske eigenskippen fan it materiaal ûntdutsen troch Brown en oaren.
Koper okside
Doe yn 'e 1920's ûntduts in oare natuerkundige Lars Grondahl wat frjemds mei syn eksperimintele opset. Grondahl, de earste fan in string tûke en ûnrêstige manlju yn 'e skiednis fan it Amerikaanske Westen, wie de soan fan in sivile yngenieur. Syn heit, dy't yn 1880 út Noarwegen emigrearre, wurke ferskate desennia oan spoarwegen yn Kalifornje, Oregon en Washington. Yn it earstoan like Grondahl besletten om de yngenieurswrâld fan syn heit efter te litten, nei Johns Hopkins te gean foar in doktoraat yn 'e natuerkunde om in akademysk paad te folgjen. Mar doe rekke er belutsen by it spoarbedriuw en naam in posysje as direkteur fan ûndersyk by Union Switch and Signal, in ôfdieling fan 'e yndustriële reus. , dy't apparatuer levere foar de spoaryndustry.
Ferskate boarnen jouwe tsjinstridige redenen oan foar Grondahl syn motivaasje foar syn ûndersyk, mar hoe dan ek, hy begûn te eksperimintearjen mei oan ien kant ferwaarme koperen skiven om in oksidearre laach te meitsjen. Wylst er mei har wurke, merkte hy de asymmetry fan 'e stroom - de wjerstân yn ien rjochting wie trije kear grutter as yn' e oare. In skiif fan koper en koper okside rjochte de stroom, krekt as in sulfidekristal.
Koper okside rectifier Circuit
Grondahl brocht de kommende seis jier troch oan it ûntwikkeljen fan in klear te brûken kommersjele gelykrjochter basearre op dit ferskynsel, en rôp de help fan in oare Amerikaanske ûndersiker, Paul Geiger, foardat hy in oktroaioanfraach yntsjinne en syn ûntdekking oankundige oan 'e American Physical Society yn 1926. It apparaat waard fuortendaliks in kommersjele hit. Troch it ûntbrekken fan fragile filaminten wie it folle betrouberer as de fakuümbuisrjochtrjochter basearre op it Fleming-klepprinsipe, en wie goedkeaper te produsearjen. Oars as Brown rectifier kristallen, it wurke op 'e earste poging, en troch it grutter kontakt gebiet tusken it metaal en it okside, it wurke mei in grutter oanbod fan streamingen en voltages. It koe batterijen oplade, sinjalen detektearje yn ferskate elektryske systemen, en fungearje as feiligensshunt yn krêftige generators. By gebrûk as fotosel koene de skiven as ljochtmeters fungearje, en wiene benammen nuttich yn fotografy. Oare ûndersikers om deselde tiid ûntwikkele selenium-lykrjochters dy't ferlykbere applikaasjes fûnen.
In pakje gelykrjochters basearre op koper okside. In gearstalling fan ferskate skiven fergrutte de omkearde ferset, wêrtroch't it mooglik wie om se te brûken mei hege spanning.
In pear jier letter, twa Bell Labs natuerkundigen, Joseph Becker en , besletten om it wurkprinsipe fan in koperen rjochter te studearjen - se wiene ynteressearre yn te learen hoe't it wurke en hoe't it koe wurde brûkt by it Bell System.
Brattain yn âlderdom - ca. 1950
Brattain wie út itselde gebiet as Grondal, yn it Pacific Northwest, dêr't er opgroeide op in pleats in pear kilometer fan 'e Kanadeeske grins. Op 'e middelbere skoalle krige er belangstelling foar natuerkunde, liet him oanlieding sjen op it mêd, en promovearre úteinlik oan 'e Universiteit fan Minnesota yn 'e lette jierren 1920, en naam in baan by Bell Laboratories yn 1929. Hy studearre ûnder oare oan 'e universiteit de lêste teoretyske natuerkunde, dy't yn Jeropa populaasje wint, en bekend as kwantummeganika (har kurator wie , dy't ek John Atanasoff begeliede).
Quantum revolúsje
In nij teoretysk platfoarm hat him de ôfrûne trije desennia stadichoan ûntwikkele, en op 'e tiid sil it alle nuvere ferskynsels ferklearje kinne dy't al jierren waarnommen binne yn materialen lykas galena, selenium en koperokside. In hiele kohort fan meast jonge natuerkundigen, benammen út Dútslân en oanbuorjende lannen, feroarsake in kwantumrevolúsje yn de natuerkunde. Oeral wêr't se seagen, fûnen se net de glêde en trochgeande wrâld dy't se leard wiene, mar frjemde, diskrete bulten.
It begûn allegear yn de jierren 1890. Max Planck, in ferneamde heechlearaar oan 'e Universiteit fan Berlyn, besleat om te wurkjen mei in bekend ûnoplost probleem: hoe ""(in ideale stof dy't alle enerzjy opnimt en net reflektearret) strieling útstjit yn it elektromagnetyske spektrum? Ferskate modellen waarden besocht, wêrfan gjinien oerienkomt mei de eksperimintele resultaten - se mislearre oan ien of oare ein fan it spektrum. Planck ûntduts dat as wy oannimme dat enerzjy wurdt útstjoerd troch in lichem yn lytse "pakketten" fan diskrete hoemannichten, dan kinne wy opskriuwe in ienfâldige wet fan de relaasje tusken frekwinsje en enerzjy, dy't perfekt oerienkomt mei de empiryske resultaten.
Koart dêrnei ûntdekte Einstein dat itselde ding barde mei de opname fan ljocht (de earste hint fan fotonen), en J. J. Thomson liet sjen dat elektrisiteit ek net troch in trochgeande floeistof of welle droegen waard, mar troch diskrete dieltsjes - elektroanen. Niels Bohr makke doe in model om te ferklearjen hoe't opwûne atomen strieling útstjitte troch elektroanen oan yndividuele banen yn it atoom te jaan, elk mei syn eigen enerzjy. Dizze namme is lykwols misleidend, om't se har hielendal net gedrage as de banen fan planeten - yn Bohr syn model sprongen elektroanen daliks fan de iene baan, of enerzjynivo, nei de oare, sûnder troch in tuskenstân te gean. Uteinlik makken Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Born en oaren yn 'e 1920's in generalisearre wiskundige platfoarm bekend as kwantummeganika, mei alle spesjale kwantummodellen dy't yn 'e foargeande tweintich jier makke wiene.
Tsjin dy tiid wiene natuerkundigen der al wis fan dat materialen lykas selenium en galena, dy't fotovoltaïske en rjochtsjende eigenskippen hawwe, hearden ta in aparte klasse fan materialen, dy't se semiconductors neamden. De klassifikaasje duorre sa lang om ferskate redenen. As earste wiene de kategoryen "dirigenten" en "isolatoaren" sels frij breed. T.N. "conductors" fariearre enoarm yn conductivity, en itselde (yn mindere mjitte) wie wier foar isolators, en it wie net dúdlik hoe't in bepaalde dirigint koe wurde yndield yn ien fan dizze klassen. Boppedat, oant it midden fan de XNUMXe ieu wie it ûnmooglik te krijen of meitsje hiel suvere stoffen, en alle eigenaardichheden yn conductivity fan natuerlike materialen koe altyd wurde taskreaun oan fersmoarging.
Natuerkundigen hiene no sawol de wiskundige ark fan 'e kwantummeganika as in nije klasse fan materialen wêrop se kinne wurde tapast. Britske teoretikus wie de earste dy't it allegear byinoar sette en in algemien model fan semiconductors bouwe en hoe't se yn 1931 wurkje.
Ynearsten, Wilson bewearde dat conductive materialen ferskille fan dielectrics yn de steat fan harren enerzjy bands. Kwantummeganika stelt dat elektroanen kinne bestean yn in beheind oantal enerzjynivo's fûn yn 'e skulpen, of orbitalen, fan yndividuele atomen. As jo dizze atomen byinoar yn 'e struktuer fan in materiaal squeeze, soe it krekter wêze om te tinken dat trochgeande enerzjysônes der trochhinne passe. Der binne lege romten yn diriginten yn hege enerzjy bands, en it elektryske fjild kin frij ferpleatse elektroanen dêr. Yn isolatoaren binne de sônes fol, en it is nochal in lange klim om de hegere, liedende sône te berikken, dêr't it makliker is foar elektrisiteit om te reizgjen.
Dit liedt him ta de konklúzje dat ûnreinheden - frjemde atomen yn 'e struktuer fan in materiaal - moatte bydrage oan de semiconductor-eigenskippen. Se kinne ekstra elektroanen leverje, dy't maklik yn 'e konduksjeband ûntkomme, of gatten - in tekoart oan elektroanen relatyf oan 'e rest fan it materiaal - wat lege enerzjyromten skept wêr't frije elektroanen kinne bewege. De earste opsje waard letter neamd n-type (of elektroanyske) semiconductors fanwegen de oerstallige negative lading, en de twadde - p-type of gat semiconductors fanwege de oerstallige positive lading.
Uteinlik stelde Wilson foar dat aktuele rektifikaasje troch semiconductors koe wurde ferklearre yn kwantum kwantum termen. , de hommelse sprong fan elektroanen oer in tinne elektryske barriêre yn in materiaal. De teory like oannimlik, mar se foarsei dat yn 'e lykrjochter de stroom fan it okside nei it koper streame soe, hoewol't it yn werklikheid oarsom wie.
Dat, nettsjinsteande alle trochbraken fan Wilson, bleaunen semiconductors lestich te ferklearjen. As it stadichoan dúdlik waard, hawwe mikroskopyske feroaringen yn 'e kristalstruktuer en konsintraasje fan ûnreinheden ûnevenredich ynfloed op har makroskopysk elektryske gedrach. Negearjen fan it gebrek oan begryp - om't gjinien de eksperimintele waarnimmings makke troch Brown 60 jier earder koe ferklearje - Brattain en Becker ûntwikkele in effisjint fabrikaazjeproses foar koperokside-lykrjochters foar har wurkjouwer. It Bell-systeem begon gau fakuümbuislikerjochters yn it heule systeem te ferfangen mei in nij apparaat dat har yngenieurs neamden , sûnt syn wjerstân fariearre ôfhinklik fan 'e rjochting.
gouden medalje
Mervyn Kelly, in natuerkundige en earder haad fan 'e fakuümbuisôfdieling fan Bell Labs, waard tige ynteressearre yn dizze ûntwikkeling. Yn de rin fan in pear desennia, fakuüm buizen foarsjoen Bell mei ûnskatbere wearde tsjinst, en wienen by steat om te fieren funksjes dy't wiene net mooglik mei de foarige generaasje fan meganyske en elektromechanyske komponinten. Mar se rûnen hyt, regelmjittich oerferhit, konsumeare in protte enerzjy en wiene dreech te ûnderhâlden. Kelly wie fan doel it systeem fan Bell opnij op te bouwen mei mear betroubere en duorsume elektroanyske komponinten, lykas varistors, dy't gjin fersegele, gasfolle of lege kisten of hjitte filaminten nedich hawwe. Yn 1936 waard hy haad fan 'e ûndersyksôfdieling fan Bell Labs, en begon de organisaasje op in nij paad te rjochtsjen.
Nei it krijen fan in solid-state-lykrjochter, wie de folgjende foar de hân lizzende stap it meitsjen fan in solid-state fersterker. Fansels, lykas in buizenfersterker, kin sa'n apparaat ek wurkje as in digitale switch. Dit wie fan bysûnder belang foar Bell's bedriuw, om't telefoanswitches noch in grut oantal elektromechanyske digitale skeakels brûkten. It bedriuw socht nei in mear betroubere, lytsere, enerzjysunige en koeler ferfanging foar de fakuümbuis yn telefoansystemen, radio's, radars en oare analoge apparatuer, wêr't se brûkt waarden om swakke sinjalen te fersterkjen nei nivo's dy't it minsklik ear koe hearre.
Yn 1936 opheft Bell Laboratories úteinlik de ynhierfries dy't oplein waard . Kelly begon fuortendaliks kwantummeganika-saakkundigen te rekrutearjen om te helpen syn solid-state ûndersyksprogramma te starten, ynklusyf , in oare West Coast lânseigen, út Palo Alto, California. It ûnderwerp fan syn resinte MIT-proefskrift wie perfekt geskikt foar Kelly's behoeften: "Electron Bands in Sodium Chloride."
Brattain en Becker gongen har ûndersyk troch nei de koperokside-lykrjochter yn dizze tiid, op syk nei in ferbettere solid-state fersterker. De meast foar de hân lizzende manier om it te meitsjen wie de analogy te folgjen mei in fakuümbuis. Krekt as Lee de Forest naam in buizen amp en tusken de katode en de anode, en Brattain en Becker stelden foar hoe't der in gaas ynfoege wurde koe op it krúspunt fan koper en koper okside, dêr't rektifikaasje foarkomme soe. Troch de lytse dikte fan de laach fûnen se it lykwols ûnmooglik om dit te dwaan, en wiene dêr net suksesfol yn.
Underwilens lieten oare ûntjouwings sjen dat Bell Labs net it ienige bedriuw wie dat ynteressearre wie yn solid-state elektroanika. Yn 1938 publisearren Rudolf Hilsch en Robert Pohl de resultaten fan eksperiminten útfierd oan 'e Universiteit fan Göttingen op in wurkjende solid-state fersterker makke troch it ynfieren fan in raster yn in kaliumbromide kristal. Dit laboratoarium apparaat wie fan gjin praktyske wearde, benammen omdat it operearre op in frekwinsje fan net mear as 1 Hz. En dochs, dizze prestaasje koe net mar behagen elkenien ynteressearre yn solid-state elektroanika. Datselde jiers joech Kelly Shockley oan in nije unôfhinklike ûndersyksgroep foar solid-state apparaten en joech him en syn kollega's Foster Nix en Dean Woolridge carte blanche om har mooglikheden te ferkennen.
Op syn minst twa oare útfiners wisten solid-state fersterkers te meitsjen foar de Twadde Wrâldoarloch. Yn 1922, Sovjet natuerkundige en útfiner publisearre de resultaten fan suksesfolle eksperiminten mei sincite-halfgeleiders, mar syn wurk gie ûngemurken troch de westerske mienskip; Yn 1926 die de Amerikaanske útfiner Julius Lillenfield in oktroai oan foar in solid-state fersterker, mar der is gjin bewiis dat syn útfining wurke.
Shockley syn earste grutte ynsjoch yn syn nije posysje barde by it lêzen fan de Britske natuerkundige Neville Moth syn 1938 wurk, The Theory of Crystalline Rectifiers, dy't úteinlik ferklearre it prinsipe fan wurking fan de Grondahl koper okside gelykrichter. Mott brûkte de wiskunde fan 'e kwantummeganika om de formaasje fan in elektrysk fjild te beskriuwen op it krúspunt fan in liedend metaal en in semi-liedende okside, en hoe't elektroanen "springe" oer dizze elektryske barriêre, ynstee fan tunneling lykas Wilson foarstelde. Strom streamt makliker fan it metaal nei de healgeleider as oarsom, om't it metaal folle mear frije elektroanen hat.
Dit late Shockley ta it eksakte selde idee dat Brattain en Becker jierren earder hie beskôge en ôfwiisd - it meitsjen fan in solid-state fersterker troch it ynfoegjen fan in koper okside gaas tusken it koper en it koper okside. Hy hope dat de stroom dy't troch it roaster streamt, de barriêre beheine stroomstream fan it koper nei it okside soe fergrutsje, in omkearde, fersterke ferzje fan it sinjaal op it roaster meitsje. Syn earste rûge besykjen mislearre folslein, dat hy kearde him ta in man mei mear ferfine laboratoariumfeardigens en bekendheid mei gelykrjochters: Walter Brattain. En, hoewol hy gjin twifels hie oer de útkomst, stimde Brattain yn om de nijsgjirrigens fan Shockley te befredigjen, en makke in mear komplekse ferzje fan 'e "grid" fersterker. Sy wegere ek te wurkjen.
Doe grypte de oarloch yn, wêrtroch't Kelly's nije ûndersyksprogramma yn disarray liet. Kelly waard it haad fan 'e radarwurkgroep by Bell Labs, stipe troch it wichtichste Amerikaanske radarûndersyksintrum by MIT. Brattain wurke koart foar him, en gie doe nei ûndersyk nei magnetyske deteksje fan ûnderseeboaten foar de marine. Woolridge wurke oan fjoerkontrôlesystemen, Nix wurke oan gasdiffusion foar it Manhattan-projekt, en Shockley gie yn operasjoneel ûndersyk, earst wurke oan anty-ûnderseeboatoarlochfiering yn 'e Atlantyske Oseaan en dêrnei oan strategysk bombardemint yn 'e Stille Oseaan.
Но, несмотря на это вмешательство, война не остановила развитие твердотельной электроники. Наоборот, она организовала массивное вливание ресурсов в эту область, и привела к концентрации исследований на двух материалах: германии и кремнии.
Wat oars te lêzen
Ernest Bruan en Stuart MacDonald, Revolution in Miniature (1978)
Friedrich Kurylo en Charles Susskind, Ferdinand Braun (1981)
G. L. Pearson en W. H. Brattain, "History of Semiconductor Research," Proceedings of the IRE (desimber 1955).
Michael Riordan en Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
Boarne: www.habr.com