ट्रांजिस्टर का इतिहास, भाग 2: युद्ध के क्रूसिबल से

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युद्ध की भट्ठी ने ट्रांजिस्टर के आगमन के लिए मंच तैयार किया। 1939 से 1945 तक अर्धचालक के क्षेत्र में तकनीकी ज्ञान का अत्यधिक विस्तार हुआ। और इसका एक सरल कारण था: रडार। युद्ध की सबसे महत्वपूर्ण तकनीक, जिसके उदाहरणों में शामिल हैं: हवाई हमलों का पता लगाना, पनडुब्बियों की खोज करना, रात के हवाई हमलों को लक्ष्य तक निर्देशित करना, वायु रक्षा प्रणालियों और नौसैनिक बंदूकों को लक्षित करना। इंजीनियरों ने यह भी सीख लिया है कि छोटे राडार को तोपखाने के गोले में कैसे बदला जाए ताकि वे लक्ष्य के पास उड़ते ही फट जाएं - रेडियो फ़्यूज़. हालाँकि, इस शक्तिशाली नई सैन्य तकनीक का स्रोत अधिक शांतिपूर्ण क्षेत्र में था: वैज्ञानिक उद्देश्यों के लिए ऊपरी वायुमंडल का अध्ययन।

राडार

1901 में, मार्कोनी वायरलेस टेलीग्राफ कंपनी ने अटलांटिक पार, कॉर्नवाल से न्यूफ़ाउंडलैंड तक एक वायरलेस संदेश सफलतापूर्वक प्रसारित किया। इस तथ्य ने आधुनिक विज्ञान को भ्रम में डाल दिया है। यदि रेडियो प्रसारण एक सीधी रेखा में चलता है (जैसा कि होना चाहिए), तो ऐसा प्रसारण असंभव होना चाहिए। इंग्लैंड और कनाडा के बीच कोई सीधी दृष्टि रेखा नहीं है जो पृथ्वी को पार न करती हो, इसलिए मार्कोनी के संदेश को अंतरिक्ष में उड़ना पड़ा। अमेरिकी इंजीनियर आर्थर केनेली और ब्रिटिश भौतिक विज्ञानी ओलिवर हीविसाइड ने एक साथ और स्वतंत्र रूप से प्रस्तावित किया कि इस घटना का स्पष्टीकरण ऊपरी वायुमंडल में स्थित आयनित गैस की एक परत से जुड़ा होना चाहिए, जो रेडियो तरंगों को पृथ्वी पर वापस प्रतिबिंबित करने में सक्षम है (मार्कोनी स्वयं मानते थे कि रेडियो तरंगें पृथ्वी की सतह की वक्रता का अनुसरण करें, हालाँकि, भौतिकविदों ने इसका समर्थन नहीं किया)।

1920 के दशक तक, वैज्ञानिकों ने नए उपकरण विकसित कर लिए थे जिससे पहले आयनमंडल के अस्तित्व को साबित करना और फिर इसकी संरचना का अध्ययन करना संभव हो गया। उन्होंने शॉर्ट-वेव रेडियो पल्स उत्पन्न करने के लिए वैक्यूम ट्यूबों का उपयोग किया, उन्हें वायुमंडल में भेजने और गूँज को रिकॉर्ड करने के लिए दिशात्मक एंटेना का उपयोग किया, और इलेक्ट्रॉन बीम उपकरण परिणाम प्रदर्शित करने के लिए. प्रतिध्वनि वापसी में जितनी देर होगी, आयनमंडल उतना ही दूर होगा। इस तकनीक को वायुमंडलीय ध्वनि कहा जाता था, और इसने रडार के विकास के लिए बुनियादी तकनीकी बुनियादी ढांचा प्रदान किया (रेडियो डिटेक्शन एंड रेंजिंग से "रडार" शब्द, अमेरिकी नौसेना में 1940 के दशक तक दिखाई नहीं दिया)।

यह केवल समय की बात है जब सही ज्ञान, संसाधन और प्रेरणा वाले लोगों को ऐसे उपकरणों के स्थलीय अनुप्रयोगों की क्षमता का एहसास हुआ (इस प्रकार रडार का इतिहास दूरबीन के इतिहास के विपरीत है, जो पहले स्थलीय उपयोग के लिए था) . और इस तरह की अंतर्दृष्टि की संभावना बढ़ गई क्योंकि रेडियो ग्रह पर अधिक से अधिक फैल गया, और अधिक लोगों ने पास के जहाजों, विमानों और अन्य बड़ी वस्तुओं से आने वाले हस्तक्षेप को देखा। ऊपरी वायुमंडल ध्वनि प्रौद्योगिकियों का ज्ञान दूसरे के दौरान फैल गया अंतर्राष्ट्रीय ध्रुवीय वर्ष (1932-1933), जब वैज्ञानिकों ने विभिन्न आर्कटिक स्टेशनों से आयनमंडल का एक मानचित्र संकलित किया। इसके तुरंत बाद, ब्रिटेन, अमेरिका, जर्मनी, इटली, यूएसएसआर और अन्य देशों की टीमों ने अपने सबसे सरल रडार सिस्टम विकसित किए।

रॉबर्ट वॉटसन-वाट अपने 1935 रडार के साथ

फिर युद्ध हुआ, और देशों के लिए राडार का महत्व - और उन्हें विकसित करने के लिए संसाधन - नाटकीय रूप से बढ़ गए। संयुक्त राज्य अमेरिका में, ये संसाधन 1940 में एमआईटी में स्थापित एक नए संगठन के आसपास एकत्रित हुए, जिसे इस नाम से जाना जाता है रेड लैब (इसका नाम विशेष रूप से विदेशी जासूसों को गुमराह करने और यह धारणा बनाने के लिए रखा गया था कि प्रयोगशाला में रेडियोधर्मिता का अध्ययन किया जा रहा था - उस समय बहुत कम लोग परमाणु बम में विश्वास करते थे)। रेड लैब परियोजना, जो मैनहट्टन परियोजना जितनी प्रसिद्ध नहीं हुई, फिर भी पूरे संयुक्त राज्य अमेरिका से समान रूप से उत्कृष्ट और प्रतिभाशाली भौतिकविदों को अपने रैंक में भर्ती किया। प्रयोगशाला के पांच मूल कर्मचारी (सहित) लुइस अल्वारेज़ и इसिडोर इसहाक रबी) बाद में नोबेल पुरस्कार प्राप्त हुआ। युद्ध के अंत तक, विज्ञान के लगभग 500 डॉक्टर, वैज्ञानिक और इंजीनियर प्रयोगशाला में काम करते थे, और कुल 4000 लोग काम करते थे। पूरे ENIAC बजट की तुलना में आधा मिलियन डॉलर अकेले विकिरण प्रयोगशाला श्रृंखला पर खर्च किए गए थे, जो युद्ध के दौरान प्रयोगशाला से प्राप्त सभी ज्ञान का सत्ताईस-खंड का रिकॉर्ड था (हालांकि रडार प्रौद्योगिकी पर अमेरिकी सरकार का खर्च सीमित नहीं था) रेड लैब बजट में; युद्ध के दौरान सरकार ने तीन अरब डॉलर मूल्य के रडार खरीदे)।

एमआईटी बिल्डिंग 20, जहां रेड लैब स्थित थी

रेड लैब के अनुसंधान के मुख्य क्षेत्रों में से एक उच्च-आवृत्ति रडार था। प्रारंभिक राडार मीटर में मापी गई तरंग दैर्ध्य का उपयोग करते थे। लेकिन सेंटीमीटर-माइक्रोवेव में मापी गई तरंग दैर्ध्य वाली उच्च-आवृत्ति किरणें अधिक कॉम्पैक्ट एंटेना के लिए अनुमति देती हैं और लंबी दूरी पर कम बिखरी होती हैं, जो रेंज और सटीकता में अधिक लाभ का वादा करती हैं। माइक्रोवेव रडार एक हवाई जहाज की नाक में फिट हो सकते हैं और पनडुब्बी के पेरिस्कोप के आकार की वस्तुओं का पता लगा सकते हैं।

इस समस्या को हल करने वाले पहले व्यक्ति बर्मिंघम विश्वविद्यालय के ब्रिटिश भौतिकविदों की एक टीम थी। 1940 में उन्होंने विकसित किया "गुंजयमान मैग्नेट्रोन", जो एक विद्युत चुम्बकीय "सीटी" की तरह काम करता था, जो बिजली की एक यादृच्छिक पल्स को माइक्रोवेव की एक शक्तिशाली और सटीक ट्यून्ड किरण में बदल देता था। यह माइक्रोवेव ट्रांसमीटर अपने निकटतम प्रतिद्वंद्वी से एक हजार गुना अधिक शक्तिशाली था; इसने व्यावहारिक उच्च-आवृत्ति रडार ट्रांसमीटरों के लिए मार्ग प्रशस्त किया। हालाँकि, उन्हें एक साथी की आवश्यकता थी, एक रिसीवर जो उच्च आवृत्तियों का पता लगाने में सक्षम हो। और इस बिंदु पर हम अर्धचालकों के इतिहास पर लौटते हैं।

मैग्नेट्रोन क्रॉस-सेक्शन

बिल्ली की मूंछ का दूसरा आगमन

यह पता चला कि वैक्यूम ट्यूब माइक्रोवेव रडार सिग्नल प्राप्त करने के लिए बिल्कुल उपयुक्त नहीं थे। गर्म कैथोड और ठंडे एनोड के बीच का अंतर एक कैपेसिटेंस बनाता है, जिससे सर्किट उच्च आवृत्तियों पर काम करने से इंकार कर देता है। उच्च-आवृत्ति रडार के लिए उपलब्ध सर्वोत्तम तकनीक पुराने ज़माने की थी"बिल्ली की मूंछ"- अर्धचालक क्रिस्टल के खिलाफ दबाया गया तार का एक छोटा टुकड़ा। कई लोगों ने स्वतंत्र रूप से इसकी खोज की है, लेकिन हमारी कहानी के सबसे करीब वह है जो न्यू जर्सी में हुआ था।

1938 में, बेल लैब्स ने 40 सेमी रेंज में अग्नि-नियंत्रण रडार विकसित करने के लिए नौसेना के साथ अनुबंध किया - जो कि प्री-रेजोनेंट मैग्नेट्रोन युग में मौजूदा रडार की तुलना में बहुत छोटा और इसलिए आवृत्ति में अधिक था। मुख्य शोध कार्य स्टेटन द्वीप के दक्षिण में होल्मडेल में प्रयोगशालाओं के एक प्रभाग में गया। शोधकर्ताओं को यह पता लगाने में देर नहीं लगी कि उन्हें उच्च-आवृत्ति रिसीवर के लिए क्या चाहिए होगा, और जल्द ही इंजीनियर जॉर्ज साउथवर्थ पुराने कैट-व्हिस्कर डिटेक्टरों के लिए मैनहट्टन में रेडियो स्टोरों की खोज कर रहे थे। जैसा कि अपेक्षित था, इसने लैंप डिटेक्टर की तुलना में बहुत बेहतर काम किया, लेकिन यह अस्थिर था। इसलिए साउथवर्थ ने रसेल ओहल नामक एक इलेक्ट्रोकेमिस्ट की तलाश की और उनसे एकल-बिंदु क्रिस्टल डिटेक्टर की प्रतिक्रिया की एकरूपता में सुधार करने का प्रयास करने के लिए कहा।

ओल एक अजीब व्यक्ति थे, जो प्रौद्योगिकी के विकास को अपनी नियति मानते थे और भविष्य की दृष्टि के साथ समय-समय पर अंतर्दृष्टि के बारे में बात करते थे। उदाहरण के लिए, उन्होंने कहा कि 1939 में उन्हें सिलिकॉन एम्पलीफायर के भविष्य के आविष्कार के बारे में पता था, लेकिन इसका आविष्कार किसी अन्य व्यक्ति द्वारा किया जाना तय था। दर्जनों विकल्पों का अध्ययन करने के बाद, उन्होंने साउथवर्थ रिसीवर्स के लिए सर्वोत्तम पदार्थ के रूप में सिलिकॉन पर निर्णय लिया। समस्या सामग्री की विद्युत गुणों को नियंत्रित करने के लिए उसकी सामग्री को नियंत्रित करने की क्षमता थी। उस समय, औद्योगिक सिलिकॉन सिल्लियां व्यापक थीं; उनका उपयोग स्टील मिलों में किया जाता था, लेकिन ऐसे उत्पादन में, सिलिकॉन में 1% फॉस्फोरस की मात्रा से कोई भी परेशान नहीं था। कुछ धातुकर्मियों की मदद से, ओएल ने पहले की तुलना में कहीं अधिक स्वच्छ रिक्त स्थान प्राप्त करने का निश्चय किया।

जैसे ही उन्होंने काम किया, उन्हें पता चला कि उनके कुछ क्रिस्टल एक दिशा में करंट को ठीक करते थे, जबकि अन्य क्रिस्टल दूसरी दिशा में करंट को ठीक करते थे। उन्होंने उन्हें "एन-टाइप" और "पी-टाइप" कहा। आगे के विश्लेषण से पता चला कि इन प्रकारों के लिए विभिन्न प्रकार की अशुद्धियाँ जिम्मेदार थीं। सिलिकॉन आवर्त सारणी के चौथे स्तंभ में है, जिसका अर्थ है कि इसके बाहरी आवरण में चार इलेक्ट्रॉन हैं। शुद्ध सिलिकॉन के रिक्त स्थान में, इनमें से प्रत्येक इलेक्ट्रॉन एक पड़ोसी के साथ संयोजित होगा। तीसरे स्तंभ से अशुद्धियाँ, जैसे कि बोरान, जिसमें एक कम इलेक्ट्रॉन होता है, ने क्रिस्टल में वर्तमान आंदोलन के लिए एक "छेद" अतिरिक्त स्थान बनाया। परिणाम एक पी-प्रकार अर्धचालक (धनात्मक आवेश की अधिकता के साथ) था। पांचवें स्तंभ के तत्व, जैसे फॉस्फोरस, ने करंट ले जाने के लिए अतिरिक्त मुक्त इलेक्ट्रॉन प्रदान किए, और एक एन-प्रकार अर्धचालक प्राप्त किया गया।

सिलिकॉन की क्रिस्टल संरचना

यह सारा शोध बहुत दिलचस्प था, लेकिन 1940 तक साउथवर्थ और ओहल उच्च-आवृत्ति रडार का कार्यशील प्रोटोटाइप बनाने के करीब नहीं थे। उसी समय, ब्रिटिश सरकार ने लूफ़्टवाफे़ से आसन्न खतरे के कारण तत्काल व्यावहारिक परिणामों की मांग की, जिसने मैग्नेट्रोन ट्रांसमीटरों के साथ मिलकर काम करने वाले रेडी-टू-प्रोडक्शन माइक्रोवेव डिटेक्टर पहले ही बना लिए थे।

हालाँकि, तकनीकी प्रगति का संतुलन जल्द ही अटलांटिक के पश्चिमी हिस्से की ओर झुक जाएगा। चर्चिल ने वास्तव में युद्ध में प्रवेश करने से पहले ब्रिटेन के सभी तकनीकी रहस्यों को अमेरिकियों के सामने प्रकट करने का निर्णय लिया (क्योंकि उन्होंने मान लिया था कि यह वैसे भी होगा)। उनका मानना ​​था कि सूचना लीक होने का जोखिम उठाना उचित है, तब से संयुक्त राज्य अमेरिका की सभी औद्योगिक क्षमताओं को परमाणु हथियारों और रडार जैसी समस्याओं को हल करने में लगा दिया जाएगा। ब्रिटिश विज्ञान और प्रौद्योगिकी मिशन (जिसे बेहतर रूप में जाना जाता है छिपकली का मिशन) सितंबर 1940 में वाशिंगटन पहुंचीं और अपने सामान में तकनीकी चमत्कार के रूप में एक उपहार लेकर आईं।

गुंजयमान मैग्नेट्रोन की अविश्वसनीय शक्ति की खोज और इसके संकेत प्राप्त करने में ब्रिटिश क्रिस्टल डिटेक्टरों की प्रभावशीलता ने उच्च आवृत्ति रडार के आधार के रूप में अर्धचालकों में अमेरिकी अनुसंधान को पुनर्जीवित किया। बहुत काम किया जाना बाकी था, खासकर सामग्री विज्ञान में। मांग को पूरा करने के लिए, सेमीकंडक्टर क्रिस्टल का उत्पादन लाखों की संख्या में किया जाना था, जो पहले संभव से कहीं अधिक था। सुधार में सुधार करना, शॉक संवेदनशीलता और बर्न-इन को कम करना और क्रिस्टल के विभिन्न बैचों के बीच भिन्नता को कम करना आवश्यक था।

सिलिकॉन प्वाइंट संपर्क सुधारक

रेड लैब ने सेमीकंडक्टर क्रिस्टल के गुणों का अध्ययन करने के लिए नए शोध विभाग खोले हैं और मूल्यवान रिसीवर गुणों को अधिकतम करने के लिए उन्हें कैसे संशोधित किया जा सकता है। सबसे आशाजनक सामग्री सिलिकॉन और जर्मेनियम थे, इसलिए रेड लैब ने इसे सुरक्षित रखने का फैसला किया और दोनों का अध्ययन करने के लिए समानांतर कार्यक्रम शुरू किए: पेंसिल्वेनिया विश्वविद्यालय में सिलिकॉन और पर्ड्यू में जर्मेनियम। बेल, वेस्टिंगहाउस, डू पोंट और सिल्वेनिया जैसे उद्योग के दिग्गजों ने अपने स्वयं के अर्धचालक अनुसंधान कार्यक्रम शुरू किए और क्रिस्टल डिटेक्टरों के लिए नई विनिर्माण सुविधाएं विकसित करना शुरू किया।

संयुक्त प्रयासों के माध्यम से, सिलिकॉन और जर्मेनियम क्रिस्टल की शुद्धता को शुरुआत में 99% से बढ़ाकर 99,999% कर दिया गया - यानी, प्रति 100 परमाणुओं पर एक अशुद्धता कण तक। इस प्रक्रिया में, वैज्ञानिकों और इंजीनियरों का एक समूह जर्मेनियम और सिलिकॉन के अमूर्त गुणों से निकटता से परिचित हो गया और उन्हें नियंत्रित करने के लिए प्रौद्योगिकियों को लागू किया: पिघलना, क्रिस्टल बढ़ाना, आवश्यक अशुद्धियाँ जोड़ना (जैसे बोरान, जिसने चालकता बढ़ा दी)।

और फिर युद्ध ख़त्म हो गया. रडार की मांग गायब हो गई, लेकिन युद्ध के दौरान प्राप्त ज्ञान और कौशल बने रहे, और एक ठोस-राज्य एम्पलीफायर का सपना नहीं भुलाया गया। अब होड़ थी एक ऐसा एम्प्लिफायर बनाने की. और कम से कम तीन टीमें यह पुरस्कार जीतने की अच्छी स्थिति में थीं।

वेस्ट लाफायेट

पहला पर्ड्यू विश्वविद्यालय का एक समूह था जिसका नेतृत्व ऑस्ट्रिया में जन्मे भौतिक विज्ञानी कार्ल लार्क-होरोविट्ज़ ने किया था। उन्होंने अकेले ही अपनी प्रतिभा और प्रभाव से विश्वविद्यालय के भौतिकी विभाग को गुमनामी से बाहर निकाला और अपनी प्रयोगशाला को जर्मेनियम अनुसंधान का काम सौंपने के रेड लैब के फैसले को प्रभावित किया।

1947 में कार्ल लार्क-होरोविट्ज़, बीच में, एक पाइप पकड़े हुए

1940 के दशक की शुरुआत तक, सिलिकॉन को रडार रेक्टिफायर के लिए सबसे अच्छी सामग्री माना जाता था, लेकिन आवर्त सारणी पर इसके ठीक नीचे की सामग्री भी आगे के अध्ययन के योग्य लग रही थी। जर्मेनियम को अपने कम पिघलने बिंदु के कारण व्यावहारिक लाभ मिला, जिससे काम करना आसान हो गया: सिलिकॉन के लिए 940 डिग्री (लगभग स्टील के समान) की तुलना में लगभग 1400 डिग्री। उच्च गलनांक के कारण, ऐसा ब्लैंक बनाना अत्यंत कठिन था जो पिघले हुए सिलिकॉन में रिसकर उसे दूषित न कर दे।

इसलिए, लार्क-होरोविट्ज़ और उनके सहयोगियों ने पूरा युद्ध जर्मेनियम के रासायनिक, विद्युत और भौतिक गुणों का अध्ययन करने में बिताया। सबसे महत्वपूर्ण बाधा "रिवर्स वोल्टेज" थी: जर्मेनियम रेक्टिफायर, बहुत कम वोल्टेज पर, करंट को सुधारना बंद कर देते थे और इसे विपरीत दिशा में प्रवाहित करने की अनुमति देते थे। रिवर्स करंट पल्स ने रडार के शेष घटकों को जला दिया। लार्क-होरोविट्ज़ के स्नातक छात्रों में से एक, सेमुर बेंज़र ने एक वर्ष से अधिक समय तक इस समस्या का अध्ययन किया, और अंततः एक टिन-आधारित योजक विकसित किया जो सैकड़ों वोल्ट तक के वोल्टेज पर रिवर्स पल्स को रोक देता है। इसके तुरंत बाद, बेल लैब्स के विनिर्माण प्रभाग, वेस्टर्न इलेक्ट्रिक ने सैन्य उपयोग के लिए बेंज़र रेक्टिफायर जारी करना शुरू कर दिया।

पर्ड्यू में जर्मेनियम का अध्ययन युद्ध के बाद भी जारी रहा। जून 1947 में, बेंज़र, जो पहले से ही एक प्रोफेसर थे, ने एक असामान्य विसंगति की सूचना दी: कुछ प्रयोगों में, जर्मेनियम क्रिस्टल में उच्च आवृत्ति दोलन दिखाई दिए। और उनके सहयोगी राल्फ ब्रे ने युद्ध के दौरान शुरू की गई एक परियोजना पर "वॉल्यूमेट्रिक प्रतिरोध" का अध्ययन जारी रखा। वॉल्यूम प्रतिरोध ने बताया कि रेक्टिफायर के संपर्क बिंदु पर जर्मेनियम क्रिस्टल में बिजली कैसे प्रवाहित होती है। ब्रे ने पाया कि उच्च वोल्टेज दालों ने इन धाराओं के प्रति एन-प्रकार के जर्मेनियम के प्रतिरोध को काफी कम कर दिया है। इसे जाने बिना, उसने तथाकथित देखा। "अल्पसंख्यक" प्रभारी वाहक। एन-प्रकार के अर्धचालकों में, अतिरिक्त नकारात्मक चार्ज बहुसंख्यक चार्ज वाहक के रूप में कार्य करता है, लेकिन सकारात्मक "छेद" भी करंट ले जा सकते हैं, और इस मामले में, उच्च-वोल्टेज दालों ने जर्मेनियम संरचना में छेद बनाए, जिससे अल्पसंख्यक चार्ज वाहक दिखाई देते हैं .

ब्रे और बेन्ज़र बिना किसी एहसास के जर्मेनियम एम्पलीफायर के करीब आ गए। बेन्ज़र ने जनवरी 1948 में एक सम्मेलन में बेल लैब्स के वैज्ञानिक वाल्टर ब्रैटन को अपने साथ वॉल्यूमेट्रिक ड्रैग पर चर्चा करने के लिए पकड़ा। उन्होंने सुझाव दिया कि ब्रैटन पहले बिंदु के बगल में एक और बिंदु संपर्क रखें जो करंट का संचालन कर सके, और तब वे यह समझने में सक्षम हो सकते हैं कि सतह के नीचे क्या हो रहा था। ब्रेटन चुपचाप इस प्रस्ताव पर सहमत हो गये और चले गये। जैसा कि हम देखेंगे, वह अच्छी तरह से जानता था कि इस तरह के प्रयोग से क्या पता चल सकता है।

ओनी-सूस-बोइस

पर्ड्यू समूह के पास ट्रांजिस्टर की ओर छलांग लगाने के लिए प्रौद्योगिकी और सैद्धांतिक आधार दोनों थे। लेकिन वे केवल दुर्घटनावश ही इस पर ठोकर खा सकते थे। वे सामग्री के भौतिक गुणों में रुचि रखते थे, न कि किसी नए प्रकार के उपकरण की खोज में। औनेस-सूस-बोइस (फ्रांस) में एक बहुत ही अलग स्थिति व्याप्त थी, जहां जर्मनी के दो पूर्व रडार शोधकर्ताओं, हेनरिक वेलकर और हर्बर्ट मथारे ने एक टीम का नेतृत्व किया, जिसका लक्ष्य औद्योगिक अर्धचालक उपकरण बनाना था।

वेलकर ने पहले प्रसिद्ध सिद्धांतकार अर्नोल्ड सोमरफेल्ड द्वारा संचालित म्यूनिख विश्वविद्यालय में भौतिकी का अध्ययन किया और फिर भौतिकी पढ़ाया। 1940 से, उन्होंने विशुद्ध सैद्धांतिक मार्ग छोड़ दिया और लूफ़्टवाफे़ के लिए रडार पर काम करना शुरू कर दिया। मथारे (बेल्जियम मूल के) आचेन में पले-बढ़े, जहां उन्होंने भौतिकी का अध्ययन किया। वह 1939 में जर्मन रेडियो दिग्गज टेलीफंकन के अनुसंधान विभाग में शामिल हुए। युद्ध के दौरान, मित्र देशों के हवाई हमलों से बचने के लिए उन्होंने अपना काम बर्लिन के पूर्व से सिलेसिया के मठ में स्थानांतरित कर दिया, और फिर आगे बढ़ती लाल सेना से बचने के लिए पश्चिम की ओर वापस चले गए, अंततः अमेरिकी सेना के हाथों में पड़ गए।

हिटलर-विरोधी गठबंधन में अपने प्रतिद्वंद्वियों की तरह, जर्मनों को 1940 के दशक की शुरुआत में पता था कि क्रिस्टल डिटेक्टर रडार के लिए आदर्श रिसीवर थे, और सिलिकॉन और जर्मेनियम उनके निर्माण के लिए सबसे आशाजनक सामग्री थे। मथारे और वेलकर ने युद्ध के दौरान रेक्टिफायर में इन सामग्रियों के कुशल उपयोग को बेहतर बनाने की कोशिश की। युद्ध के बाद, दोनों से उनके सैन्य कार्य के संबंध में समय-समय पर पूछताछ की गई और अंततः 1946 में एक फ्रांसीसी खुफिया अधिकारी से पेरिस का निमंत्रण मिला।

वेस्टिंगहाउस के एक फ्रांसीसी प्रभाग, कॉम्पैग्नी डेस फ़्रीन्स एंड सिग्नॉक्स ("ब्रेक और सिग्नल की कंपनी") को सॉलिड-स्टेट रेक्टिफायर बनाने के लिए फ्रांसीसी टेलीफोन प्राधिकरण से एक अनुबंध प्राप्त हुआ और उन्होंने जर्मन वैज्ञानिकों से उनकी मदद करने की मांग की। हाल के शत्रुओं का ऐसा गठबंधन अजीब लग सकता है, लेकिन यह व्यवस्था दोनों पक्षों के लिए काफी अनुकूल साबित हुई। 1940 में पराजित फ्रांसीसियों के पास अर्धचालक के क्षेत्र में ज्ञान प्राप्त करने की कोई क्षमता नहीं थी और उन्हें जर्मनों के कौशल की सख्त जरूरत थी। जर्मन कब्जे वाले और युद्धग्रस्त देश में किसी भी उच्च तकनीक वाले क्षेत्र में विकास नहीं कर सकते थे, इसलिए उन्होंने काम जारी रखने के अवसर का फायदा उठाया।

वेलकर और मथारे ने पेरिस के उपनगर औनेस-सूस-बोइस में एक दो मंजिला घर में मुख्यालय स्थापित किया, और तकनीशियनों की एक टीम की मदद से, उन्होंने 1947 के अंत तक जर्मेनियम रेक्टिफायर को सफलतापूर्वक लॉन्च किया। फिर वे और अधिक गंभीर हो गए। पुरस्कार: वेलकर सुपरकंडक्टर्स में अपनी रुचि की ओर लौट आए, और मथारे एम्पलीफायरों में।

1950 में हर्बर्ट मथारे

युद्ध के दौरान, मथारे ने सर्किट शोर को कम करने के प्रयास में दो-बिंदु संपर्क रेक्टिफायर - "डुओडोड" का प्रयोग किया। उन्होंने अपने प्रयोगों को फिर से शुरू किया और जल्द ही पता चला कि पहली बिल्ली से एक मीटर के 1/100 मिलियनवें हिस्से में स्थित दूसरी बिल्ली की मूंछें, कभी-कभी पहली मूंछों से बहने वाली धारा को नियंत्रित कर सकती हैं। उन्होंने एक ठोस राज्य एम्पलीफायर बनाया, हालांकि यह काफी बेकार था। अधिक विश्वसनीय प्रदर्शन प्राप्त करने के लिए, उन्होंने वेलकर की ओर रुख किया, जिन्होंने युद्ध के दौरान जर्मेनियम क्रिस्टल के साथ काम करने का व्यापक अनुभव प्राप्त किया था। वेलकर की टीम ने जर्मेनियम क्रिस्टल के बड़े, शुद्ध नमूने लिए, और जैसे-जैसे सामग्री की गुणवत्ता में सुधार हुआ, जून 1948 तक मथारे पॉइंट संपर्क एम्पलीफायर विश्वसनीय हो गए।

मथारे सर्किट पर आधारित "ट्रांजिस्ट्रॉन" की एक्स-रे छवि, जिसमें जर्मेनियम के साथ संपर्क के दो बिंदु हैं

मथारे के पास इस बात का एक सैद्धांतिक मॉडल भी था कि क्या हो रहा था: उनका मानना ​​था कि दूसरे संपर्क ने जर्मेनियम में छेद कर दिया, जिससे पहले संपर्क के माध्यम से करंट का प्रवाह तेज हो गया, जिससे अल्पसंख्यक चार्ज वाहक की आपूर्ति हुई। वेलकर उनसे सहमत नहीं थे और उनका मानना ​​था कि जो कुछ हो रहा था वह किसी प्रकार के क्षेत्र प्रभाव पर निर्भर था। हालाँकि, इससे पहले कि वे उपकरण या सिद्धांत पर काम कर सकें, उन्हें पता चला कि छह महीने पहले अमेरिकियों के एक समूह ने बिल्कुल वही अवधारणा विकसित की थी - दो बिंदु संपर्कों वाला एक जर्मेनियम एम्पलीफायर।

मुर्रे हिल

युद्ध के अंत में, मर्विन केली ने बिल शॉक्ले की अध्यक्षता में बेल लैब्स के सेमीकंडक्टर अनुसंधान समूह में सुधार किया। परियोजना बढ़ी, अधिक धन प्राप्त हुआ, और मैनहट्टन में अपने मूल प्रयोगशाला भवन से मुर्रे हिल, न्यू जर्सी में एक विस्तारित परिसर में स्थानांतरित हो गया।

मुर्रे हिल कैम्पस, सीए। 1960

उन्नत अर्धचालकों (युद्ध के दौरान संचालन अनुसंधान में बिताए समय के बाद) से खुद को पुनः परिचित करने के लिए, शॉक्ले ने 1945 के वसंत में रसेल ओहल की होल्मडेल प्रयोगशाला का दौरा किया। ओहल ने युद्ध के वर्षों को सिलिकॉन पर काम करते हुए बिताया और कोई समय बर्बाद नहीं किया। उन्होंने शॉक्ले को अपने स्वयं के निर्माण का एक कच्चा एम्पलीफायर दिखाया, जिसे उन्होंने "डिसिस्टर" कहा। उन्होंने एक सिलिकॉन पॉइंट कॉन्टैक्ट रेक्टिफायर लिया और इसके माध्यम से बैटरी से करंट भेजा। जाहिरा तौर पर, बैटरी से निकलने वाली गर्मी ने संपर्क बिंदु पर प्रतिरोध को कम कर दिया, और रेक्टिफायर को एक एम्पलीफायर में बदल दिया, जो आने वाले रेडियो संकेतों को एक स्पीकर को पावर देने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली सर्किट में संचारित करने में सक्षम था।

प्रभाव अपरिष्कृत और अविश्वसनीय था, व्यावसायीकरण के लिए अनुपयुक्त था। हालाँकि, यह शॉक्ले की राय की पुष्टि करने के लिए पर्याप्त था कि सेमीकंडक्टर एम्पलीफायर बनाना संभव है, और इसे सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रॉनिक्स के क्षेत्र में अनुसंधान के लिए प्राथमिकता दी जानी चाहिए। ओला की टीम के साथ इसी मुलाकात ने शॉक्ले को आश्वस्त किया कि पहले सिलिकॉन और जर्मेनियम का अध्ययन किया जाना चाहिए। उन्होंने आकर्षक विद्युत गुणों का प्रदर्शन किया, और ओहल के साथी धातुकर्मी जैक स्केफ़ और हेनरी थ्यूरर ने युद्ध के दौरान इन क्रिस्टलों को विकसित करने, शुद्ध करने और डोपिंग में अन्य अर्धचालक सामग्रियों के लिए उपलब्ध सभी प्रौद्योगिकियों को पार करने में आश्चर्यजनक सफलता हासिल की थी। शॉक्ले का समूह युद्ध-पूर्व कॉपर ऑक्साइड एम्पलीफायरों पर और अधिक समय बर्बाद नहीं करने वाला था।

केली की मदद से, शॉक्ले ने एक नई टीम को इकट्ठा करना शुरू किया। प्रमुख खिलाड़ियों में वाल्टर ब्रैटन शामिल थे, जिन्होंने शॉक्ले को सॉलिड-स्टेट एम्पलीफायर (1940 में) के पहले प्रयास में मदद की थी, और जॉन बार्डीन, एक युवा भौतिक विज्ञानी और बेल लैब्स के नए कर्मचारी। बार्डीन को संभवतः टीम के किसी भी सदस्य की तुलना में ठोस अवस्था भौतिकी का सबसे व्यापक ज्ञान था - उनके शोध प्रबंध में सोडियम धातु की संरचना में इलेक्ट्रॉनों के ऊर्जा स्तर का वर्णन किया गया था। वह भी अटानासोव और ब्रैटन की तरह जॉन हैस्ब्रुक वान वेलेक का एक और शिष्य था।

और अटानासोव की तरह, बार्डीन और शॉक्ले के शोध प्रबंधों के लिए बेहद जटिल गणनाओं की आवश्यकता थी। उन्हें मोनरो के डेस्कटॉप कैलकुलेटर का उपयोग करके सामग्रियों की ऊर्जा संरचना की गणना करने के लिए एलन विल्सन द्वारा परिभाषित अर्धचालकों के क्वांटम यांत्रिक सिद्धांत का उपयोग करना पड़ा। ट्रांजिस्टर बनाने में मदद करके, वास्तव में, उन्होंने भविष्य के स्नातक छात्रों को ऐसे काम से बचाने में योगदान दिया।

सॉलिड-स्टेट एम्पलीफायर के लिए शॉक्ले का पहला दृष्टिकोण उस पर निर्भर था जिसे बाद में "कहा गया"क्षेत्र प्रभाव". उन्होंने एन-प्रकार के अर्धचालक (नकारात्मक चार्ज की अधिकता के साथ) पर एक धातु की प्लेट को निलंबित कर दिया। प्लेट पर धनात्मक आवेश लगाने से अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन क्रिस्टल की सतह पर आ गए, जिससे ऋणात्मक आवेशों की एक नदी बन गई जिसके माध्यम से विद्युत धारा आसानी से प्रवाहित हो सकती थी। इस तरह से प्रवर्धित सिग्नल (वेफर पर चार्ज स्तर द्वारा दर्शाया गया) मुख्य सर्किट (अर्धचालक की सतह के साथ गुजरते हुए) को मॉड्यूलेट कर सकता है। इस योजना की दक्षता का सुझाव उन्हें भौतिकी के उनके सैद्धांतिक ज्ञान से मिला था। लेकिन, कई प्रयोगों और प्रयोगों के बावजूद यह योजना कभी काम नहीं आई।

मार्च 1946 तक, बार्डीन ने एक अच्छी तरह से विकसित सिद्धांत बनाया था जिसने इसका कारण बताया था: क्वांटम स्तर पर एक अर्धचालक की सतह उसके अंदर से अलग व्यवहार करती है। सतह पर खींचे गए नकारात्मक आवेश "सतह की स्थिति" में फंस जाते हैं और विद्युत क्षेत्र को प्लेट को सामग्री में प्रवेश करने से रोकते हैं। टीम के बाकी सदस्यों को यह विश्लेषण आकर्षक लगा और उन्होंने तीन रास्तों पर एक नया शोध कार्यक्रम शुरू किया:

1. सतही अवस्थाओं के अस्तित्व को सिद्ध करें।
2. उनके गुणों का अध्ययन करें.
3. पता लगाएं कि उन्हें कैसे हराया जाए और इसे कैसे काम में लाया जाए फील्ड इफ़ेक्ट ट्रांजिस्टर.

डेढ़ साल के शोध और प्रयोग के बाद, 17 नवंबर, 1947 को ब्रेटन को एक सफलता मिली। उन्होंने पाया कि यदि वे वेफर और सेमीकंडक्टर के बीच पानी जैसे आयन से भरे तरल पदार्थ रखते हैं, तो वेफर से एक विद्युत क्षेत्र आयनों को सेमीकंडक्टर की ओर धकेल देगा, जहां वे सतह की स्थिति में फंसे चार्ज को बेअसर कर देंगे। अब वह वेफर पर चार्ज बदलकर सिलिकॉन के एक टुकड़े के विद्युत व्यवहार को नियंत्रित कर सकता था। इस सफलता ने बार्डीन को एक एम्पलीफायर बनाने के लिए एक नए दृष्टिकोण का विचार दिया: इलेक्ट्रोलाइट पानी के साथ रेक्टिफायर के संपर्क बिंदु को घेरें, और फिर सतह की स्थिति को नियंत्रित करने के लिए पानी में एक दूसरे तार का उपयोग करें, और इस प्रकार मुख्य के चालकता स्तर को नियंत्रित करें संपर्क करना। इस प्रकार बार्डीन और ब्रैटन समाप्ति रेखा पर पहुंच गए।

बार्डीन का विचार काम कर गया, लेकिन प्रवर्धन कमजोर था और मानव कान के लिए दुर्गम बहुत कम आवृत्तियों पर संचालित होता था - इसलिए यह टेलीफोन या रेडियो एम्पलीफायर के रूप में बेकार था। बार्डीन ने पर्ड्यू में उत्पादित रिवर्स-वोल्टेज-प्रतिरोधी जर्मेनियम पर स्विच करने का सुझाव दिया, यह विश्वास करते हुए कि इसकी सतह पर कम चार्ज एकत्र होंगे। अचानक उन्हें ज़बरदस्त बढ़ोतरी मिली, लेकिन उम्मीद से विपरीत दिशा में। उन्होंने अल्पसंख्यक वाहक प्रभाव की खोज की - अपेक्षित इलेक्ट्रॉनों के बजाय, जर्मेनियम के माध्यम से बहने वाली धारा को इलेक्ट्रोलाइट से आने वाले छिद्रों द्वारा बढ़ाया गया था। इलेक्ट्रोलाइट में तार पर मौजूद करंट ने एन-टाइप जर्मेनियम की सतह पर एक पी-टाइप परत (अतिरिक्त सकारात्मक चार्ज का एक क्षेत्र) बनाया।

बाद के प्रयोगों से पता चला कि किसी भी इलेक्ट्रोलाइट की आवश्यकता नहीं थी: केवल जर्मेनियम सतह पर दो संपर्क बिंदुओं को एक साथ रखकर, उनमें से एक से दूसरे पर मौजूद करंट को नियंत्रित करना संभव था। उन्हें जितना संभव हो उतना करीब लाने के लिए, ब्रेटन ने प्लास्टिक के त्रिकोणीय टुकड़े के चारों ओर सोने की पन्नी का एक टुकड़ा लपेटा और फिर ध्यान से पन्नी को अंत में काट दिया। फिर, एक स्प्रिंग का उपयोग करके, उसने जर्मेनियम के खिलाफ त्रिकोण को दबाया, जिसके परिणामस्वरूप कट के दोनों किनारे 0,05 मिमी की दूरी पर इसकी सतह को छू गए। इससे बेल लैब्स के ट्रांजिस्टर प्रोटोटाइप को इसकी विशिष्ट उपस्थिति मिली:

ब्रैटन और बार्डीन ट्रांजिस्टर प्रोटोटाइप

मथारे और वेलकर के उपकरण की तरह, सिद्धांत रूप में, यह एक क्लासिक "बिल्ली की मूंछ" थी, जिसमें एक के बजाय संपर्क के दो बिंदु थे। 16 दिसंबर को, इसने बिजली और वोल्टेज में उल्लेखनीय वृद्धि और श्रव्य सीमा में 1000 हर्ट्ज की आवृत्ति उत्पन्न की। एक सप्ताह बाद, मामूली सुधार के बाद, बार्डीन और ब्रैटन ने वोल्टेज को 100 गुना और बिजली को 40 गुना बढ़ा दिया, और बेल के निदेशकों को दिखाया कि उनका उपकरण श्रव्य भाषण उत्पन्न कर सकता है। सॉलिड-स्टेट डेवलपमेंट टीम के एक अन्य सदस्य जॉन पियर्स ने बेल के कॉपर ऑक्साइड रेक्टिफायर, वेरिस्टर के नाम पर "ट्रांजिस्टर" शब्द गढ़ा।

अगले छह महीनों तक प्रयोगशाला ने नई रचना को गुप्त रखा। प्रबंधन यह सुनिश्चित करना चाहता था कि किसी और के हाथ लगने से पहले वे ट्रांजिस्टर के व्यावसायीकरण की दिशा में आगे बढ़ें। वेलकर और मथारे के अमरता के सपनों को चकनाचूर करने के लिए ठीक समय पर 30 जून, 1948 को एक प्रेस कॉन्फ्रेंस निर्धारित की गई थी। इस बीच, अर्धचालक अनुसंधान समूह चुपचाप ध्वस्त हो गया। बार्डीन और ब्रैटन की उपलब्धियों के बारे में सुनने के बाद, उनके बॉस बिल शॉक्ले ने सारा श्रेय खुद लेने के लिए काम करना शुरू कर दिया। और यद्यपि उन्होंने केवल एक पर्यवेक्षक की भूमिका निभाई, शॉक्ले को सार्वजनिक प्रस्तुति में समान, यदि अधिक नहीं, तो प्रचार मिला - जैसा कि एक लैब बेंच के ठीक बगल में, कार्रवाई के दौरान उनकी जारी की गई तस्वीर में देखा गया था:

1948 प्रचार फोटो - बार्डीन, शॉक्ले और ब्रैटन

हालाँकि, शॉक्ले के लिए समान प्रसिद्धि पर्याप्त नहीं थी। और इससे पहले कि बेल लैब्स के बाहर किसी को ट्रांजिस्टर के बारे में पता चले, वह इसे अपने लिए फिर से आविष्कार करने में व्यस्त था। और यह ऐसे कई पुनर्आविष्कारों में से केवल पहला था।

और क्या पढ़ें

• रॉबर्ट बुडेरी, द इन्वेंशन दैट चेंज्ड द वर्ल्ड (1996)
• माइकल रिओर्डन, "हाउ यूरोप मिस्ड द ट्रांजिस्टर," आईईईई स्पेक्ट्रम (1 नवंबर, 2005)
• माइकल रिओर्डन और लिलियन हॉडेसन, क्रिस्टल फायर (1997)
• आर्मंड वान डोर्मेल, "'फ़्रेंच' ट्रांजिस्टर," www.cdvandt.org/VanDormael.pdf (1994)

स्रोत: www.habr.com