Lòt atik nan seri a:
- Istwa relè a
- Istwa nan òdinatè elektwonik
- Istwa tranzistò a
- Istwa entènèt
Wout pou switch eta solid te long ak difisil. Li te kòmanse ak dekouvèt ke sèten materyèl konpòte yo etranj nan prezans elektrisite - pa jan teyori yo te prevwa. Sa ki te swiv se te yon istwa sou fason teknoloji te vin tounen yon disiplin de pli zan pli syantifik ak enstitisyonèl nan XNUMXyèm syèk la. Amatè, inisyasyon ak envantè pwofesyonèl ki pa gen okenn edikasyon syantifik te fè kontribisyon serye nan devlopman telegraf, telefòn ak radyo. Men, jan nou pral wè, prèske tout pwogrè ki fèt nan istwa elektwonik eta solid yo te soti nan syantis ki te etidye nan inivèsite (epi anjeneral gen yon PhD nan fizik) epi ki te travay nan inivèsite oswa laboratwa rechèch antrepriz.
Nenpòt moun ki gen aksè a yon atelye ak ladrès materyèl debaz ka rasanble yon relè soti nan fil, metal ak bwa. Kreye tib vakyòm mande pou zouti plis espesyalize ki ka kreye yon anpoul vè ak ponpe lè a soti nan li. Aparèy eta solid te disparèt nan yon twou lapen kote switch dijital la pa janm retounen, yo te plonje toujou pi fon nan monn ki konpreyansib sèlman nan matematik abstrè ak aksesib sèlman avèk èd nan ekipman ensanèi chè.
Galena
Nan 1874 ane , yon fizisyen 24-zan ki soti nan St. Thomas nan Leipzig, pibliye premye nan anpil travay syantifik enpòtan nan karyè long li. Papye a, "On the Passage of Electric Currents through Metal Sulfides," te aksepte nan Annalen Pogendorff a, yon jounal prestijye dedye a syans fizik yo. Malgre tit la raz, papye Brown a dekri kèk rezilta eksperimantal etone ak mystérieu.
Ferdinand Brown
Brown te entrige pa sulfid-kristal mineral ki konpoze de konpoze souf ak metal-atravè travay li. . Osi bonè ke lè 1833, Michael Faraday te note ke konduktiviti nan ilfid ajan ogmante ak tanperati a, ki se egzakteman opoze a nan konpòtman an nan kondiktè metal. Hittorf te konpile yon bon jan rapò kantite mezi efè sa a nan ane 1850 yo, pou tou de sulfid ajan ak kwiv. Koulye a, Brown, lè l sèvi avèk yon konfigirasyon eksperimantal entelijan ki peze yon fil metal kont yon kristal sulfid ak yon sous asire bon kontak, dekouvri yon bagay menm etranj. Konduktivite kristal yo depann sou direksyon an - pou egzanp, aktyèl la ka koule byen nan yon direksyon, men lè polarite batri a te ranvèse, aktyèl la ka toudenkou tonbe sevè. Kristal yo te aji plis tankou kondiktè nan yon direksyon (tankou metal nòmal) ak plis tankou izolan nan yon lòt (tankou vè oswa kawotchou). Pwopriyete sa a te vin konnen kòm redresman akòz kapasite li nan dwat "serti" kouran altènatif nan "plat" kouran dirèk.
Anviwon menm tan an, chèchè yo te dekouvri lòt pwopriyete etranj nan materyèl tankou Selenyòm, ki ta ka fonn nan sèten minrè sulfid metal. Lè ekspoze a limyè, Selenyòm ogmante konduktivite e menm te kòmanse jenere elektrisite, epi li ta ka tou itilize pou redresman. Èske te gen kèk koneksyon ak kristal sulfid? San modèl teyorik pou eksplike sa k ap pase, jaden an te nan yon eta de konfizyon.
Sepandan, mank de teyori pa t sispann eseye pratikman aplike rezilta yo. Nan fen ane 1890 yo, Brown te vin yon pwofesè nan University of Strasbourg - dènyèman te aneks soti nan Lafrans pandan la. epi li te chanje non Inivèsite Kaiser Wilhelm. Se la li te aspire nan nouvo mond lan enteresan nan radyotelegrafi. Li te dakò ak yon pwopozisyon yon gwoup antreprenè pou kreye ansanm yon sistèm kominikasyon san fil ki baze sou transmisyon vag radyo nan dlo. Sepandan, li menm ak konplis li yo byento abandone lide orijinal la an favè siyal ayeryèn, ki te itilize pa Marconi ak lòt moun.
Pami aspè yo nan radyo ke gwoup Brown a t'ap chache amelyore te gen lè sa a estanda reseptè a, . Li te baze sou lefèt ke vag radyo te lakòz fich metal yo rasanble ansanm, sa ki pèmèt kouran soti nan batri a pase nan aparèy la siyal. Li te travay, men sistèm nan sèlman reponn a siyal relativman fò, epi li te mande konstan frape nan aparèy la kraze yon boul nan syur. Brown te sonje ansyen eksperyans li yo ak kristal sulfid, epi an 1899 li te rekree ansyen konfigirasyon eksperimantal li a ak yon nouvo objektif - pou sèvi kòm yon detektè pou siyal san fil. Li te itilize efè redresman pou konvèti ti kouran osile ki te pwodwi lè yo pase vag radyo yo nan yon kouran dirèk ki ta ka alimante yon ti oratè ki te pwodwi yon klike sou chak pwen oswa priz. Aparèy sa a pita te vin konnen kòm ""akòz aparans nan fil la, ki fasil manyen tèt la nan kristal la. Nan End Britanik (kote Bangladèch la jodi a), syantis ak envanteur Jagadish Bose te konstwi yon aparèy menm jan an, petèt osi bonè ke lè 1894. Gen lòt ki byento te kòmanse fè detektè menm jan an ki baze sou Silisyòm ak Carborundum (Silisyòm Carbide).
Sepandan, li se , sulfid plon, ki te fonn pou pwodwi plon depi tan lontan, te vin materyèl chwa pou detektè kristal. Yo te fasil pou fè ak bon mache, e kòm rezilta yo te vin ekstrèmman popilè nan mitan jenerasyon amatè radyo yo. Anplis, kontrèman ak yon coherer binè (avèk syur ki swa rasanble ansanm oswa ou pa), yon redresman cristalline ka repwodui yon siyal kontinyèl. Se poutèt sa, li te kapab pwodwi vwa ak mizik ki ka tande nan zòrèy la, epi li pa jis kòd Morse ak pwen ak tirè li yo.
Detektè moustach chat ki baze sou galèn. Ti moso fil sou bò gòch la se moustach la, epi moso materyèl ajan ki anba a se kristal galèn.
Sepandan, jan amater radyo fristre yo te dekouvri byento, li ta ka pran minit oswa menm èdtan jwenn pwen an majik sou sifas la nan kristal la ki ta bay bon redresman. Ak siyal yo san anplifikasyon yo te fèb epi yo te gen yon son metalik. Nan ane 1920 yo, reseptè tib vakyòm ak anplifikatè triode te nòmalman rann detektè kristal demode prèske tout kote. Sèl karakteristik atire yo te bon mache yo.
Aparisyon kout sa a nan tèren radyo a te sanble yo dwe limit nan aplikasyon pratik nan pwopriyete yo etranj elektrik nan materyèl la dekouvri pa Brown ak lòt moun.
Ksid kòb kwiv mete
Lè sa a, nan ane 1920 yo, yon lòt fizisyen yo te rele Lars Grondahl te dekouvri yon bagay etranj ak konfigirasyon eksperimantal li. Grondahl, premye nan yon seri gason entelijan ak ajite nan istwa Lwès Ameriken an, se te pitit gason yon enjenyè sivil. Papa l, ki te emigre nan Nòvèj an 1880, te travay pandan plizyè deseni sou ray tren nan Kalifòni, Oregon ak Washington. Okòmansman, Grondahl te sanble detèmine pou l kite mond jeni papa l la dèyè, li ale nan Johns Hopkins pou yon doktora nan fizik pou pouswiv yon chemen akademik. Men, Lè sa a, li te patisipe nan biznis la tren epi li te pran yon pozisyon kòm direktè rechèch nan Union Switch ak Signal, yon divizyon nan jeyan endistriyèl la. , ki te founi ekipman pou endistri tren an.
Divès sous endike rezon konfli pou motivasyon Grondahl pou rechèch li a, men se pou sa, li te kòmanse fè eksperyans ak disk kwiv chofe sou yon bò pou kreye yon kouch soksid. Pandan w ap travay ak yo, li remake asimetri aktyèl la - rezistans nan yon direksyon te twa fwa pi gran pase nan lòt la. Yon disk kòb kwiv mete ak oksid kwiv rektifye aktyèl la, jis tankou yon kristal sulfid.
Sikwi redresman oksid kwiv
Grondahl te pase sis ane kap vini yo devlope yon redresman komèsyal ki pare pou itilize ki baze sou fenomèn sa a, li te jwenn èd yon lòt chèchè ameriken, Paul Geiger, anvan li te soumèt yon aplikasyon patant epi li te anonse dekouvèt li bay Sosyete Fizik Ameriken an an 1926. Aparèy la. imedyatman te vin yon frape komèsyal. Akòz absans filaman frajil, li te pi plis serye pase redresman tib vakyòm ki baze sou prensip valv Fleming, e li te pi bon mache pou pwodui. Kontrèman ak kristal redresman Brown, li te travay sou premye eseye, ak akòz zòn nan kontak pi gwo ant metal la ak oksid la, li te travay ak yon seri pi gwo nan kouran ak vòltaj. Li ta ka chaje pil, detekte siyal nan divès sistèm elektrik, epi aji kòm yon shunt sekirite nan dèlko pwisan. Lè yo itilize kòm yon fotocell, disk yo te kapab aji kòm mèt limyè, epi yo te itil espesyalman nan fotografi. Lòt chèchè alantou menm tan an devlope redresman Selenyòm ki te jwenn aplikasyon ki sanble.
Yon pake redresman ki baze sou oksid kwiv. Yon asanble nan plizyè disk ogmante rezistans nan ranvèse, ki te fè li posib yo sèvi ak yo ak vòltaj segondè.
Kèk ane apre, de fizisyen Bell Labs, Joseph Becker ak , deside etidye prensip k ap travay nan yon redresman kòb kwiv mete - yo te enterese nan aprann kijan li te travay ak ki jan li ta ka itilize nan Bell System la.
Brattain nan vyeyès - approx. 1950
Brattain te soti nan menm zòn ak Grondal, nan Nòdwès Pasifik la, kote li te grandi nan yon fèm yon kèk kilomèt de fwontyè Kanadyen an. Nan lekòl segondè, li te vin enterese nan fizik, li montre aptitid nan domèn nan, epi evantyèlman te resevwa yon doktora nan University of Minnesota nan fen ane 1920 yo, epi li te pran yon travay nan Bell Laboratories an 1929. Pami lòt bagay, nan inivèsite a li te etidye. dènye fizik teyorik la, ki te pran popilarite an Ewòp, e ke yo rekonèt kòm mekanik pwopòsyon (konsèvatè li yo te , ki moun ki tou konseye John Atanasoff).
Revolisyon kwantik
Yon nouvo platfòm teyorik te devlope tou dousman sou twa deseni ki sot pase yo, ak nan tan apwopriye li pral kapab eksplike tout fenomèn yo etranj ki te obsève pou ane nan materyèl tankou galèn, Selenyòm ak oksid kwiv. Yon kowòt antye nan sitou jèn fizisyen, sitou soti nan Almay ak peyi vwazen, te lakòz yon revolisyon pwopòsyon nan fizik. Tout kote yo te gade, yo pa jwenn mond lan lis ak kontinyèl yo te anseye yo, men etranj, boul disrè.
Tout bagay te kòmanse nan ane 1890 yo. Max Planck, yon pwofesè pi popilè nan Inivèsite Bèlen, te deside travay ak yon pwoblèm byen koni san rezoud: ki jan ""(yon sibstans ideyal ki absòbe tout enèji epi ki pa reflete li) emèt radyasyon nan spectre elektwomayetik la? Divès modèl yo te eseye, pa youn nan yo ki matche rezilta eksperimantal yo - yo echwe nan swa nan yon bout nan spectre la oswa nan lòt la. Planck te dekouvri ke si nou sipoze ke enèji emèt pa yon kò nan ti "pake" nan kantite disrè, Lè sa a, nou ka ekri yon lwa senp sou relasyon ki genyen ant frekans ak enèji, ki parfe matche ak rezilta yo anpirik.
Byento apre, Einstein te dekouvri ke menm bagay la te rive ak absòpsyon limyè (premye allusion foton), ak J. J. Thomson te montre ke elektrisite tou te pote pa yon likid kontinyèl oswa vag, men pa patikil disrè - elektwon. Lè sa a, Niels Bohr te kreye yon modèl pou eksplike kijan atòm eksite emèt radyasyon lè yo asiyen elektwon nan òbit endividyèl nan atòm nan, chak ak pwòp enèji pa yo. Sepandan, non sa a twonpe paske yo pa konpòte yo ditou tankou òbit planèt yo - nan modèl Bohr a, elektwon imedyatman vole soti nan yon òbit, oswa nivo enèji, nan yon lòt, san yo pa pase nan yon eta entèmedyè. Finalman, nan ane 1920 yo, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Born ak lòt moun te kreye yon platfòm matematik jeneralize ke yo rekonèt kòm mekanik pwopòsyon, enkòpore tout modèl pwopòsyon espesyal ki te kreye sou ven anvan yo.
Nan tan sa a, fizisyen yo te deja gen konfyans ke materyèl tankou Selenyòm ak galèn, ki te ekspoze fotovoltaik ak rektifye pwopriyete, ki te fè pati yon klas separe nan materyèl, ke yo rele semi-conducteurs. Klasifikasyon an te pran anpil tan pou plizyè rezon. Premyèman, kategori "kondiktè" ak "izolan" tèt yo te byen laj. T.N. "kondiktè" te varye anpil nan konduktiviti, e menm bagay la tou (nan yon pi piti limit) te vre nan izolasyon, epi li pa t evidan ki jan nenpòt kondiktè patikilye ta ka klase nan nenpòt nan klas sa yo. Anplis, jiska mitan XNUMXyèm syèk la, li te enposib pou jwenn oswa kreye sibstans ki pi bon kalite, ak nenpòt ki bizarre nan konduktiviti nan materyèl natirèl te kapab toujou atribiye a kontaminasyon.
Kounye a, fizisyen yo te gen tou de zouti matematik mekanik pwopòsyon ak yon nouvo klas materyèl pou yo ka aplike. Teorisyen Britanik la Se te premye moun ki mete tout bagay ansanm ak bati yon modèl jeneral nan semi-conducteurs ak fason yo travay an 1931.
Okòmansman, Wilson te diskite ke materyèl konduktif diferan de dielectrics nan eta a nan bann enèji yo. Mekanik kwantik deklare ke elektwon yo ka egziste nan yon kantite limite nan nivo enèji yo jwenn nan kokiy yo, oswa orbital, nan atòm endividyèl yo. Si ou peze atòm sa yo ansanm nan estrikti yon materyèl, li ta pi kòrèk pou imajine zòn enèji kontinyèl k ap pase ladan l. Gen espas vid nan kondiktè nan gwoup enèji segondè, ak jaden elektrik la ka lib deplase elektwon la. Nan izolasyon, zòn yo plen, epi li se yon grenpe byen long pou rive nan zòn ki pi wo a, kote li pi fasil pou elektrisite vwayaje.
Sa a te mennen l 'nan konklizyon ke enpurte-atòm etranje nan estrikti yon materyèl-dwe kontribye nan pwopriyete semi-conducteurs li yo. Yo ka swa bay elektwon siplemantè, ki fasil chape nan bann kondiksyon an, oswa twou-yon mank de elektwon parapò ak rès la nan materyèl la-ki kreye espas enèji vid kote elektwon gratis ka deplase. Premye opsyon an te rele pita n-tip (oswa elektwonik) semi-conducteurs paske nan chaj negatif depase, ak dezyèm lan - p-type oswa semi-conducteurs twou akòz chaj la depase pozitif.
Finalman, Wilson te pwopoze ke redresman aktyèl pa semi-conducteurs ta ka eksplike an tèm pwopòsyon pwopòsyon. , so a toudenkou nan elektwon atravè yon mens baryè elektrik nan yon materyèl. Teyori a te sanble plausible, men li te prevwa ke nan redresman an kouran an ta dwe koule soti nan oksid la nan kwiv la, byenke an reyalite li te nan lòt fason alantou.
Kidonk, malgre tout dekouvèt Wilson yo, semi-conducteurs te rete difisil pou eksplike. Kòm li piti piti te vin klè, chanjman mikwoskopik nan estrikti kristal la ak konsantrasyon enpurte yo afekte konpòtman elektrik makwoskopik yo. Inyore mank de konpreyansyon - depi pèsonn pa t 'kapab eksplike obsèvasyon eksperimantal Brown te fè 60 ane pi bonè - Brattain ak Becker te devlope yon pwosesis fabrikasyon efikas pou redresman kwiv-oksid pou patwon yo. Sistèm Bell la byen vit te kòmanse ranplase redresman tib vakyòm nan tout sistèm nan ak yon nouvo aparèy ke enjenyè yo te rele. , depi rezistans li yo varye selon direksyon an.
meday lò
Mervyn Kelly, yon fizisyen ak ansyen chèf depatman tib vakyòm Bell Labs, te vin trè enterese nan devlopman sa a. Pandan yon koup de deseni, tib vakyòm te bay Bell sèvis anpil valè, epi yo te kapab fè fonksyon ki pa t posib ak jenerasyon anvan an nan eleman mekanik ak elektwomekanik. Men, yo te kouri cho, regilyèman sichofe, konsome anpil enèji, epi yo te difisil pou kenbe. Kelly te gen entansyon rebati sistèm Bell la ak konpozan elektwonik solid eta solid ki pi serye ak dirab, tankou varistors, ki pa t mande pou ka sele, plen gaz oswa vid oswa filaman cho. An 1936, li te vin chèf depatman rechèch Bell Labs, e li te kòmanse redireksyon òganizasyon an sou yon nouvo chemen.
Lè w te jwenn yon redresman eta solid, pwochen etap la evidan se kreye yon anplifikatè eta solid. Natirèlman, tankou yon anplifikatè tib, tankou yon aparèy ta ka travay tou kòm yon switch dijital. Sa a te nan yon enterè patikilye nan konpayi Bell la, depi switch telefòn toujou itilize yon gwo kantite switch elektwomekanik dijital. Konpayi an t ap chèche yon ranplasman ki pi serye, ki pi piti, ki pi efikas ak pi fre pou tib vakyòm nan sistèm telefòn, radyo, rada ak lòt ekipman analòg, kote yo te itilize pou anplifye siyal fèb nan nivo zòrèy imen an te kapab tande.
Nan 1936, Bell Laboratories finalman leve jele anbochaj enpoze pandan . Kelly imedyatman te kòmanse rekrite ekspè mekanik pwopòsyon pou ede lanse pwogram rechèch eta solid li a, ki gen ladan , yon lòt natif natal nan West Coast, ki soti nan Palo Alto, Kalifòni. Sijè a nan dènye tèz MIT li a te parfe adapte ak bezwen Kelly yo: "Band Elektwon nan klori sodyòm."
Brattain ak Becker kontinye rechèch yo sou redresman oksid kwiv la pandan tan sa a, k ap chèche yon anplifikatè eta solid amelyore. Fason ki pi evidan pou fè li se te swiv analoji a ak yon tib vakyòm. Jis tankou Lee de Forest te pran yon amp tib ak ant katòd la ak anod la, epi Brattain ak Becker te imajine ki jan yo ta ka mete yon may nan junction kòb kwiv mete ak oksid kwiv, kote redresman te sipoze rive. Sepandan, akòz ti epesè nan kouch la, yo te jwenn li enposib fè sa, epi yo pa te reyisi nan sa a.
Pandan se tan, lòt devlopman yo te montre ke Bell Labs pa t sèlman konpayi ki enterese nan elektwonik eta solid. An 1938, Rudolf Hilsch ak Robert Pohl te pibliye rezilta eksperyans ki te fèt nan University of Göttingen sou yon anplifikatè eta solid k ap travay ki te kreye pa entwodwi yon kadriyaj nan yon kristal bromur potasyòm. Aparèy laboratwa sa a pa t gen okenn valè pratik, sitou paske li te opere nan yon frekans ki pa plis pase 1 Hz. Men, reyalizasyon sa a pa t 'kapab fè plezi tout moun ki enterese nan elektwonik eta solid. Menm ane sa a, Kelly te plase Shockley nan yon nouvo gwoup rechèch endepandan sou aparèy eta solid epi li te ba li ak kòlèg li yo Foster Nix ak Dean Woolridge kat blanch pou eksplore kapasite yo.
Omwen de lòt envantè yo te jere yo kreye anplifikatè eta solid anvan Dezyèm Gè Mondyal la. Nan 1922, Sovyetik fizisyen ak envanteur pibliye rezilta yo nan eksperyans siksè ak semi-conducteurs zenkit, men travay li te ale inapèsi pa kominote Lwès la; An 1926, envansyon Ameriken Julius Lillenfield te aplike pou yon patant pou yon anplifikatè eta solid, men pa gen okenn prèv ki montre envansyon li te travay.
Premye gwo insight Shockley nan nouvo pozisyon li te fèt pandan li t ap li travay 1938 fizisyen Britanik Neville Moth, Theory of Crystalline Rectifiers, ki te finalman eksplike prensip operasyon redresman oksid kwiv Grondahl la. Mott te itilize matematik mekanik pwopòsyon pou dekri fòmasyon yon jaden elektrik nan junction yon metal kondiktè ak yon oksid semi-conducteurs, ak fason elektwon yo "sote" sou baryè elektrik sa a, olye ke tinèl jan Wilson te pwopoze a. Kouran koule pi fasil soti nan metal la nan semi-kondiktè a pase vis vèrsa paske metal la gen anpil plis elektwon gratis.
Sa a te mennen Shockley nan egzak menm lide ke Brattain ak Becker te konsidere ak rejte ane anvan-fè yon anplifikatè eta solid pa mete yon may oksid kwiv ant kwiv la ak oksid kwiv la. Li te espere ke aktyèl k ap koule nan kadriyaj la ta ogmante baryè a limite koule aktyèl soti nan kòb kwiv mete nan oksid la, kreye yon vèsyon envèse, anplifye nan siyal la sou kadriyaj la. Premye tantativ brit li a echwe nèt, se konsa li tounen vin jwenn yon nonm ki gen plis konpetans laboratwa rafine ak abitye ak redresman: Walter Brattain. Epi, byenke li pa te gen okenn dout sou rezilta a, Brattain te dakò satisfè kiryozite Shockley a, epi li te kreye yon vèsyon pi konplèks nan anplifikatè "griy la". Li te refize travay tou.
Lè sa a, lagè te entèveni, kite nouvo pwogram rechèch Kelly a nan dezòd. Kelly te vin chèf gwoup travay rada nan Bell Labs, ki te sipòte pa prensipal sant rechèch rada ameriken nan MIT. Brattain te travay pou li yon ti tan, ak Lè sa a, te deplase sou rechèch sou deteksyon mayetik nan soumaren pou marin la. Woolridge te travay sou sistèm kontwòl dife, Nix te travay sou difizyon gaz pou Pwojè Manhattan, ak Shockley te antre nan rechèch operasyonèl, premye travay sou lagè anti-soumaren nan Atlantik la ak apre sou bonbadman estratejik nan Pasifik la.
Men, malgre entèvansyon sa a, lagè a pa te sispann devlopman nan eta solid elektwonik. Okontrè, li te òganize yon perfusion masiv nan resous nan jaden an, e li te mennen nan yon konsantrasyon nan rechèch sou de materyèl: germanium ak Silisyòm.
Ki lòt bagay pou li
Ernest Bruan ak Stuart MacDonald, Revolisyon an Miniature (1978)
Friedrich Kurylo ak Charles Susskind, Ferdinand Braun (1981)
G. L. Pearson ak W. H. Brattain, "History of Semiconductor Research," Proceedings of the IRE (Desanm 1955).
Michael Riordan ak Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
Sous: www.habr.com