További cikksorozatok:
- A relék története
- Az elektronikus számítógépek története
- A tranzisztor története
- Az internet története
A háború kovácsa előkészítette a talajt a tranzisztor megjelenéséhez. 1939 és 1945 között a félvezetőkkel kapcsolatos technikai tudás hihetetlenül gyorsan növekedett. Ennek egy egyszerű oka volt: a radar. A háború legfontosabb technológiája, amelynek alkalmazási példái közé tartozik: légi támadások észlelése, tengeralattjárók keresése, éjszakai légitámadások célpontokra irányítása, légvédelmi rendszerek és tengeri fegyverek irányítása. A mérnökök még arra is rájöttek, hogyan lehet apró radart elrejteni a tüzérségi lövedékekben, hogy azok a cél közelében robbanjanak. . Azonban ennek az új, erőteljes katonai technológiának a forrása egy békésebb terület volt: a légkör felső rétegeinek tudományos célú tanulmányozása.
Radar
1901-ben a „Marconi Vezeték nélküli Távírda” sikeresen küldött vezeték nélküli üzenetet az Atlanti-óceánon, Cornwallból Newfoundlandba. Ez a tény zűrzavart okozott a modern tudományban. Ha a rádióadásokat egyenes vonalon továbbítják (ahogy azt várni lehet), egy ilyen átadás lehetetlennek kellett volna lennie. Az Anglia és Kanada közötti területen nincs olyan közvetlen látási vonal, amely ne keresztezné a Földet, így Marconi üzenetének az űrbe kellett volna távoznia. Arthur Kennelly, az amerikai mérnök és Oliver Heaviside, a brit fizikus egyszerre és függetlenül feltételezték, hogy a jelenség magyarázata az ionizált gázréteggel kapcsolatos, amely a légkör felső rétegeiben található, és képes visszaverni a rádióhullámokat a Föld felé (maga Marconi úgy vélelmezte, hogy a rádióhullámok a Föld felszíne ívének mentén haladnak, azonban a fizikák nem támogatták ezt).
Az 1920-as évekre a tudósok új felszerelést fejlesztettek ki, amely lehetővé tette először is az ionószféra létezésének bizonyítását, majd a szerkezetének tanulmányozását. Elektroncsöveket használtak rövidhullámú rádióimpulzusok generálására, irányított antenna segítségével küldték azokat felfelé a légkörbe és rögzítették az echa-t, és a találatok bemutatására. Minél hosszabb a visszhang késése, annál távolabb kell lennie az ionószférának. Ezt a technológiát légköri szondázásnak nevezték, és alapvető technikai infrastruktúrát biztosított a radar létrehozásához (maga a „radar” kifejezés, az RAdio Detection And Ranging-ból származik, csak az 1940-es években bukkant fel az Egyesült Államok haditengerészetében).
Hogy az emberek, akik rendelkeznek a szükséges tudással, erőforrásokkal és motivációval, felismerjék az ilyen felszerelés földi alkalmazásainak potenciálját, csak idő kérdése volt (így a radartörténet ellentétes a teleszkóp történetével, amelyet először földi használatra szántak). Az ilyen megvilágosodás valószínűsége nőtt, ahogy a rádió egyre inkább elterjedt a bolygón, és egyre többen észlelték a közeli hajóktól, repülőktől és más nagyobb objektumoktól származó zavarokat. A felső légkör feltérképezéséhez szükséges ismeretek a második (1932-1933), amikor különböző sarkvidéki állomásokról a tudósok térképet készítettek az ionoszféráról. Nem sokkal ezután Nagy-Britanniában, az Egyesült Államokban, Németországban, Olaszországban, a Szovjetunióban és más országokban a csapatok kidolgozták saját alapvető radar rendszereiket.
a 1935-ös radarjával
Aztán kitört a háború, és a radarok jelentősége az országok számára – és az azokhoz szükséges erőforrások – hirtelen megnőtt. Az Egyesült Államokban ezek az erőforrások egy új szervezet köré összpontosultak, amelyet 1940-ben a MIT-ben alapítottak, ismert néven (ezt szándékosan így nevezték el, hogy megtévesszék a külföldi kémeket, és azt a benyomást keltsék, hogy a laboratóriumban radioaktivitást kutatnak – akkoriban még kevesen hittek az atomtámadásokban). A Rad Lab projekt, amely nem vált olyan híressé, mint a Manhattan-projekt, mégis olyan kiemelkedő és tehetséges fizikusokat vonzott az Egyesült Államok minden tájáról. A laboratórium első öt alkalmazottja közül (beleértve és ) később Nobel-díjat kapott. A háború végére a laboratóriumban körülbelül 500 PhD diplomával rendelkező kutató és mérnök dolgozott, összesen 4000 ember. Félmillió dollárt – ami megegyezik az ENIAC létrehozásának teljes költségvetésével – csupán a Radiation Laboratory Series kiadására költöttek, huszonnégy kötet, amelyben minden tudást leírtak, amit a laboratórium a háború alatt szerzett (a kormányzati költések a radar technológiákra nem korlátozódtak a Rad Lab költségvetésére; a háború során a kormány három milliárd dollár értékben vásárolt radarokat).
A 20. épület a MIT-en, ahol a Rad Lab található
A Rad Lab kutatási területei közül az egyik a nagyfrekvenciás radar volt. A korai radarok méterben mérhető hullámhosszakon működtek. De a nagyobb frekvenciájú, centiméterben mérhető hullámhosszok – mikrohullámok – lehetővé tették a kompaktabb antennák használatát, és kevesebb elhajlást mutattak nagy távolságokon, ami jelentős előnyöket ígért a hatótávolságban és a pontosságban. A mikrohullámú radarok elfértek volna egy repülőgép orrában, és képesek lettek volna felfedezni olyan objektumokat, mint egy tengeralattjáró periszkópja.
Elsők között brit fizikusok csapata a Birmingham Egyetemről oldotta meg ezt a feladatot. 1940-ben kifejlesztették a „„, amely elektromágneses „füttyként” működött, és a rendezetlen villamos impulzusokat erőteljes és pontosan hangolt mikrohullámú sugárrá alakította. Ez a mikrohullámú adó ezerszer erősebb volt a legközelebbi versenytársnál; utat nyitott a gyakorlati nagyfrekvenciás radaradók létrehozásához. Azonban szüksége volt egy kísérőre, egy vevőre, amely képes volt a nagy frekvenciák regisztrálására. Itt térünk vissza a félvezetők történetéhez.
A magnetron metszete
A macskafül második eljövetele
Kiderült, hogy az elektroncsövek egyáltalán nem voltak alkalmasak mikrohullámú radarjelek fogadására. A forró katód és a hideg anód közötti szakadék kapacitást hozott létre, ami miatt a kör nem működött magas frekvenciákon. A rendelkezésre álló legjobb technológia a nagyfrekvenciás radarokhoz a régi „” volt – egy kis vezetékdarab, amelyet egy félvezető kristályhoz szorítottak. Ezt több ember is felfedezte, de a történetünkhöz legközelebb a New Jersey-ben történt események állnak.
1938-ban a Bell laboratóriumai szerződést kötöttek a haditengerészettel egy 40 cm-es hullámhosszú radarsugár irányítására. Ez a hullámhossz sokkal rövidebb, és ezért nagyobb frekvenciájú volt, mint a korábban létező radaroké, a rezonáló magnetronok előtti időszakban. A fő kutatási munka a holmdeli laboratóriumok egyik részlegéhez került, Staten Islandtól délre. A kutatóknak nem tartott sokáig felfedezniük, hogy mit is igényelnek egy nagyfrekvenciás vevő esetében, és hamarosan George Southworth mérnök boltokat járta Manhattanben régi „macskaujj” detektorok után. Ahogy várták, ez sokkal jobban működött, mint a csöves detektor, de instabilan. Ezért Southworth felfedezte Russell All elektromérnököt, és megkérte, hogy próbálja meg javítani a kristálydetektor válaszának homogénitását, amely egyetlen érintkezőponttal rendelkezett.
All meglehetősen különc személyiség volt, aki a technológiai fejlődést a sorsának tekintette, és periódikus megvilágosodásokról mesélt, amelyek a jövőről szóló víziókat tartalmaztak. Például azt állította, hogy már 1939-ben tudta a szilícium erősítő jövőbeli feltalálásáról, de az a sors volt, hogy ezt másnak kellett kitalálnia. Tíz különböző lehetőséget vizsgált meg, végül a szilícium mellett döntött, mint Southworth vevőjének legjobb anyaga. A probléma az volt, hogy hogyan lehet kontrollálni az anyag összetevőit, hogy irányítani lehessen az elektromos tulajdonságait. Akkoriban az ipari szilícium öntvények széles körben elterjedtek voltak, amelyek acélgyárakban használták, de ilyen gyártás során senkit sem érdekelt például 1% foszfor tartalom a szilíciumban. Pár fémmérnök segítségével All célul tűzte ki, hogy sokkal tisztább öntvényeket szerezzen, mint ami korábban lehetséges volt.
Munka közben felfedezték, hogy néhány kristályuk egy irányba, míg mások a másik irányba vezettek az áramot. Ezt „n-típusúnak” és „p-típusúnak” nevezték el. További elemzések kimutatták, hogy különböző szennyező anyagok feleltek ezekért a típusokért. A szilícium a periódusos rendszer negyedik oszlopában található, ami azt jelenti, hogy négy elektronnal rendelkezik a külső héjában. A tiszta szilíciumból készült ingatlan esetén mindegyik elektron összekapcsolódna a szomszédjával. A harmadik oszlopbeli szennyező anyagok, például a bór, amelynek egy elektronja hiányzik, „lyukat” hoztak létre – extra helyet az áram mozgása számára a kristályban. Végül p-típusú félvezető keletkezett (többlet pozitív töltésekkel). Az ötödik oszlop elemei, mint például a foszfor, plusz szabad elektronokat adtak az áram szállításához, így n-típusú félvezetőt alakítottak ki.
A szilícium kristályszerkezete
Mindezek a kutatások nagyon érdekesek voltak, azonban 1940-re Southworth és Ohl nem jutottak el egy működő prototípus megalkotásáig a nagyfrekvenciás radar számára. A brit kormány pedig azonnali gyakorlati eredményeket követelt a Luftwafféval fenyegető helyzet miatt, ahol már kész mikrováltozókészülékeket fejlesztettek ki, amelyek mágnetron adókkal működtek együtt.
Hamarosan azonban a technikai vívmányok egyensúlya a nyugati Atlanti-óceán felé billent. Churchill úgy döntött, hogy minden brit technikai titkot felfed az amerikaiak előtt, még mielőtt valóban belépett volna a háborúba (mivel úgy gondolta, hogy ez úgyis meg fog történni). Úgy vélekedett, hogy érdemes kockáztatni az információk kiszivárgását, mivel ennek következtében az Egyesült Államok ipari lehetőségeit erre a feladatra irányítják, például atomfegyverek és radarrendszerek fejlesztésére. A Brit Tudományos és Technikai Misszió (ismertebb nevén ) 1940 szeptemberében érkezett Washingtonba, és bőröndjében egy technikai csodával ajándékozta meg az amerikaiakat.
A rezonáns magnetron hihetetlen teljesítményének és brit kristálydetektorok hatékonyságának felfedezése felélesztette az amerikaiak kutatásait a félvezetők terén, mint magas frekvenciájú radarok alapját. Sokat kellett dolgozni, különösen az anyagtudomány területén. Ahhoz, hogy megfeleljenek a követelményeknek, a félvezető kristályokat "milliószámra kellett előállítani, ami jóval több, mint ami korábban lehetséges volt. Fejleszteni kellett a derékaljakat, csökkenteni az ütésérzékenységet és a kiégés valószínűségét, valamint minimalizálni a különbséget a különböző kristálygyártási tételek között."
Pontos érintkezős szilíciumdiódák
A Rad Lab új kutatóosztályokat nyitott a félvezető kristályok tulajdonságainak vizsgálatára és arra, hogyan lehet azokat módosítani a legértékesebb tulajdonságok maximalizálása érdekében vevőként. A legígéretesebb anyagok a szilícium és a germánium voltak, ezért a Rad Lab úgy döntött, hogy biztosra megy, és párhuzamos programokat indított mindkettő tanulmányozására: a szilíciumot a Pennsylvaniában, míg a germániumot a Purdue Egyetemen. Olyan ipari óriások, mint a Bell, a Westinghouse, a Du Pont és a Sylvania saját félvezető kutatási programokat indítottak, és új gyártói kapacitások fejlesztésébe kezdtek a kristálydetektorok számára.
Közös erőfeszítéssel a szilícium és germánium kristályok tisztaságát 99%-ról 99,999%-ra emelték — azaz, 100 000 atomra egy szennyező anyagrészecskét. A folyamat során a tudósok és mérnökök közelről megismerkedtek a germánium és szilícium absztrakt tulajdonságaival, valamint a velük kapcsolatos alkalmazási technológiákkal: olvasztás, kristályok növesztése, szükséges szennyező anyagok (például bór, amely növelte a vezetőképességet) hozzáadása.
Aztán véget ért a háború. A radarok iránti kereslet eltűnt, de a háború alatt megszerzett tudás és készségek nem tűntek el, és az szilárdtest erősítő álma nem felejtődött el. Most a verseny a megfelelő erősítő megalkotása volt. Legalább három csapat volt kedvező helyzetben e díj elnyerésére.
West Lafayette
Az első Purdue Egyetem csoport volt, amelyet egy osztrák származású fizikus, Karl Lark-Horowitz vezetett. Tehetsége és befolyása segítségével egyedül kivezette az egyetem fizikai tanszékét a feledésből, és hatással volt arra, hogy a Rad Lab a laborjának szánja a germánium kutatását.
Karl Lark-Horowitz 1947-ben, középen, pipával
Az 1940-es évek elejére a szilíciumot a legjobb anyagnak tartották a radar egyenirányítóiként, azonban közvetlenül alatta a periódusos táblázatban egy másik anyag is méltónak tűnt a további kutatásra. A germánium gyakorlati előnyökkel bírt, mivel alacsonyabb olvadáspontja megkönnyítette a munkát: körülbelül 940 fok, szemben a szilícium 1400 fokával (majdnem mint az acél). A magas olvadáspont miatt rendkívül nehéz volt olyan ingotot készíteni, amely nem olvadt el a megolvasztott szilíciumban, szennyezve azt.
Ezért Lark-Horowitz és kollégái az egész háború alatt a germánium kémiai, elektromos és fizikai tulajdonságainak tanulmányozásával foglalkoztak. A legnagyobb akadály a „visszafelé irányuló feszültség” volt: a germánium egyenirányítók nagyon alacsony feszültségnél megszűntek az egyenirányításra és lehetővé tették, hogy a áram visszafelé folyjon. A visszaforduló áram impulzusa megsemmisítette a radar többi komponensét. Lark-Horowitz egyik doktoranduszának, Seymour Benzernek több mint egy éven át tanulmányozta ezt a problémát, és végül egy ón alapú adalékot fejlesztett ki, amely megakadályozta a visszautasító impulzusokat akár száz voltos feszültségnél is. Nem sokkal ezt követően a Western Electric, a Bell laboratórium gyártó részlege, elkezdte kiadni a Benzer tervei szerint működő egyenirányítókat katonai célokra.
A germánium tanulmányozása a Purdue Egyetemen a háború után is folytatódott. 1947 júniusában Benzer, már professzorként, beszámolt egy szokatlan anomáliáról: egyes kísérletekben a germánium kristályaiban magas frekvenciájú rezgések jelentek meg. Kollégája, Ralph Bray, folytatta a »térfogatellenállás« tanulmányozását, a háború alatt megkezdett projekt keretében. A térfogatellenállás azt írta le, hogyan áramlik az áram a germánium kristályban a derítő érintkezési pontjában. Bray felfedezte, hogy a magas feszültségű impulzusok jelentősen csökkentették a n-típusú germánium ellenállását ezen áramokkal szemben. Anélkül, hogy tudta volna, ő volt tanúja a úgynevezett »nem alap« töltéshordozóknak. Az n-típusú félvezetőkben a túlzott negatív töltés a fő töltéshordozó, de a pozitív »lyukak« is képesek áramot vezetni, és ebben az esetben a magas feszültségű impulzusok lyukakat hoztak létre a germánium struktúrájában, ami miatt nem alap töltéshordozók jelentek meg.
Bray és Benzer vonzó közelségbe került a germánium erősítőhöz, anélkül hogy ezt megértették volna. Benzer elcsípte Walter Brattain-t, a Bell laboratóriumok tudósát, egy konferencián 1948 januárjában, hogy megbeszélje vele a térfogatellenállást. Felajánlotta Brattain-nek, hogy helyezzen el egy újabb pontérintkezőt az első közelébe, amely képes áramot vezetni, és akkor talán megérthetik, mi történik a felszín alatt. Brattain halkan egyetértett e javaslattal, majd távozott. Ahogy látni fogjuk, túl jól tudta, mi rejlik egy ilyen kísérlet mögött.
One-su-Bois
A Purdue csoportnak voltak technológiái és elméleti alapjai ahhoz, hogy ugrást tegyen a tranzisztor irányába. De ahhoz, hogy rátaláljanak, csak véletlenül jöhetett össze. Ők az anyag fizikai tulajdonságai iránt érdeklődtek, nem pedig egy új típusú eszköz keresése iránt. Teljesen más helyzet volt One-su-Bois-ban (Franciaország), ahol két egykori német radar-kutató, Heinrich Welker és Herbert Matari vezette azt a csapatot, amelynek célja ipari félvezetős eszközök létrehozása volt.
Velker először fizikát tanult, majd a híres elméleti fizikus, Arnold Sommerfeld által vezetett müncheni egyetemen tanított. 1940-től elhagyta a tisztán elméleti területet, és a Luftwaffe radarfejlesztésén kezdett dolgozni. Mataré (belga származású) Aachenben nőtt fel, ahol fizikát tanult. 1939-ben a német rádióóriás, a Telefunken kutatási osztályához csatlakozott. A háború alatt munkáját Berlinből kelet felé, egy sziléziai apátságba vitte, hogy elkerülje az Antihitlerista Koalíció légitámadásait, majd vissza nyugatra, hogy elkerülje a közelgő Vörös Hadsereget, végül pedig az amerikai hadsereg kezére került.
Ahogyan az Antihitlerista Koalíció riválisaik, a németek 1940-es évek elejére rájöttek, hogy a kristálydetektorok ideális vevők a radar számára, és hogy a szilícium és a germánium a legígéretesebb anyagok a létrehozásukhoz. Mataré és Velker a háború alatt arra törekedtek, hogy javítsák e anyagok hatékony felhasználását a egyenirányítókban. A háború után mindkettőjüket időszakosan kihallgatták katonai munkájuk miatt, és végül 1946-ban meghívást kaptak egy francia kém által Párizsba.
A Compagnie des Freins & Signaux („féktárcsa és jelző cég”), a Westinghouse francia leányvállalata szerződést kötött a francia telefonhálózattal szilárd testű egyenirányítók létrehozására, és német tudósokat keresett segítségül. Ez a nemrégiben háborúban álló ellenségek szövetsége furcsának tűnhet, azonban ez a megállapodás meglepően kedvező volt mindkét fél számára. A 1940-ben vereséget szenvedett franciák nem voltak képesek tudást szerezni a félvezetőkkel kapcsolatban, és kétségbeesetten szükségük volt a németek tudására. A németek nem folytathatták a fejlesztéseket magas technológiájú területeken a háborúval sújtott és lerombolt országban, ezért megragadták a lehetőséget a munka folytatására.
Velker és Mataré egy kétemeletes házban állították fel központjukat Párizs külvárosában, Onnesou-Bois-ban, és technikai csapat segítségével 1947 végére sikeresen beindították a germánium egyenirányítók gyártását. Ezt követően komolyabb célokra összpontosítottak: Velker visszatért az általa érdekesnek tartott szupervezetők kutatásához, míg Mataré az erősítők felé fordult.
Herbert Mataré 1950-ben
A háború alatt Mataré kísérletezett két pontos érintkezős gyógyítókkal – „duodiódokkal” – hogy csökkentse a zajt a körben. Folytatta kísérleteit, és hamarosan felfedezte, hogy a második „macskausz”, amely 1/100 milliméter távolságra helyezkedett el az elsőtől, néha modulálta az elsőn átáramló áramot. Létrehozott egy szilárdtest-erősítőt, bár az meglehetősen haszontalan volt. A megbízhatóbb működés elérése érdekében felkereste Velkert, aki nagy tapasztalatra tett szert a germániumkristályokkal a háború alatt. Velker csapata nagyobb és tisztább germániumkristály mintákat növesztett, és a nyersanyag minőségének javulásával 1948 júniusára Mataré érintkezős erősítői megbízhatóak lettek.
A Mataré séma alapján készült „tranzisztoron” készült röntgenfelvétel, amelynek két érintkezési pontja van a germániumon.
Matarénak még volt egy elméleti modellje arról, ami zajlott: úgy vélte, hogy a második érintkezés lyukakat képez a germániumban, felgyorsítva az áram áthaladását az első érintkezésen, ellátva az alapvető töltéshordozókat. Velker nem értett vele egyet, és azt gondolta, hogy ami történik, az valamilyen mezőeffekten alapul. Azonban mielőtt dolgozhattak volna az eszközön vagy az elméleten, megtudták, hogy egy amerikai csoport hat hónappal korábban pontosan ugyanazt a koncepciót fejlesztette ki – egy germánium erősítőt két érintkezési ponttal.
Murray Hill
A háború végén Mervin Kelly átalakította a Bell laboratóriumok kutatócsoportját, amely a félvezetők kutatásával foglalkozott, Bill Shockley vezetésével. A projekt kibővült, több finanszírozást kapott, és átköltözött az eredeti laboratóriumi épületből a bővülő campusra Murray Hillben (New Jersey).
Campus a Murray Hillben, kb. 1960
A fémszervezés újraélesztéséhez az élvonalbeli félvezetők terén - miután a háború alatt hadműveletek kutatásával foglalkozott - 1945 tavaszán Shockley ellátogatta a Holmdelben található Russell Ohl laboratóriumába. Ohl a háború alatt éveket töltött a szilícium kutatásával, és nem pazarolta az idejét. Megmutatta Shockley-nek egy saját készítésű, 'deziszter' névre keresztelt durva erősítőt. Egy szilíciumos pontérintkezős egyenirányítót vett, és áramot vezetett rajta egy akkumulátorból. Úgy tűnik, az akkumulátor hője csökkentette az érintkezési pont ellenállását, így az egyenirányítót egy olyan erősítővé alakította, amely képes volt a bejövő rádiójelek átvitelére egy olyan áramkörbe, amely elég erős volt ahhoz, hogy meghajtson egy hangszórót.
A hatás durva és megbízhatatlan volt, nem alkalmas a kereskedelmi forgalmazásra. Azonban elegendő volt Shockley véleménye megerősítésére a félvezető erősítő létrehozásának lehetőségéről, valamint arról, hogy ezt a szilárdtestelektronika kutatásának prioritásává kell tenni. Ezenkívül ez a találkozó Ohl csapatával megerősítette Shockley-t az irányban, hogy a szilíciumot és a germániumot kell elsődlegesen tanulmányozni. Ezek vonzó elektromos tulajdonságokat mutattak, és Ohl kollégái, a fémipari szakemberek, Jack Scaff és Henry Terer, hihetetlen előrelépéseket értek el e kristályok növesztésében, tisztításában és adalékanyaggal való kezelése során a háború alatt, meghaladva az összes, más félvezető anyagokra vonatkozó technológiát. Shockley csapata már nem kívánta pazarolni az időt a régi oxidréz erősítőkre.
Kelley segítségével Shockley új csapatot kezdett összegyűjteni. A kulcsszereplők között volt Walter Brattain, aki Shockley-t segítette az első próbálkozásában a félvezető erősítő létrehozására (1940-ben), és John Bardeen, a fiatal fizikus és a Bell laboratóriumok új munkatársa. Bardeennak valószínűleg a leghosszabb tudása volt a szilárdtestfizikáról a csapat minden tagja közül – a disszertációja a nátriumfém szerkezetében lévő elektronok energiaszintjeit írta le. Ő volt John H. Van Vleck másik protezsáltja is, akárcsak Atanassov és Brattain.
Ahogy Atanasovnál, Bardin és Shockley disszertációi rendkívül bonyolult számításokat igényeltek. Nekik a félvezetőkről szóló kvantummechanikai elméletet kellett alkalmazniuk, amelyet Alan Wilson határozott meg, hogy kiszámítsák az anyagok energia szerkezetét a Monroe asztali számológép segítségével. A tranzisztor megalkotásának elősegítésével lényegében hozzájárultak ahhoz, hogy a jövőbeli doktoranduszok megszabaduljanak az ilyen munkától.
Shockley első megközelítése a szilárdtest-erősítő felé azt alapozta meg, amit később „“ neveztek. Egy fémlemezt felfüggesztett egy n-típusú félvezető (túlzott negatív töltésekkel) fölé. A lemezre alkalmazott pozitív töltés a kristály felszínére húzta a felesleges elektronokat, létrehozva egy negatív töltésű áramlatot, amelyen könnyen folyhatott az elektromos áram. A felerősített jel (amelyet a lemezen lévő töltés szintje reprezentált) képes volt így modulálni az alap kontúrt (amely a félvezető felületén haladt végig). Ezen séma működését elméleti fizikával kapcsolatos tudása sugallta számára. Azonban, számos kísérlet és teszt ellenére, a séma sosem működött.
1946 márciusára Bardin egy jól kidolgozott elméletet alakított ki, amely magyarázta ennek okát: a félvezető felülete kvantumszinten nem úgy viselkedik, mint annak belseje. A felszínre húzott negatív töltések a „felületi állapotok” csapdájába esnek, blokkolva a lemezen lévő elektromos mező anyagba való behatolását. A csapat többi tagja meggyőzőnek találta ezt az elemzést, és új kutatási programot indítottak három irányban:
- A felületi állapotok létezésének bizonyítása.
- Tulajdonságaik tanulmányozása.
- Kitalálni, hogyan lehet őket legyőzni, és működő .
Másfél évnyi kutatás és kísérletezés után 1947. november 17-én Bretteyn áttörést ért el. Felfedezte, hogy ha egy ionokkal töltött folyadékot, például vizet helyez egy lemez és egy félvezető közé, a lemez elektromos tere a félvezető felé tolja az ionokat, ahol azok semlegesítik a felületi állapotokban csapdába esett töltéseket. Most már tudta irányítani a szilícium egy darabjának elektromos viselkedését a lemezen lévő töltés megváltoztatásával. Ez a siker ötletet adott Bardinnak egy új megközelítéshez az erősítő létrehozásához: körbevenni a diódapont elektrolitikus vízzel, majd a vízben egy második vezetéket használni a felületi állapotok irányításához, így kontrollálva a fő érintkezés vezetőképességi szintjét. Így jutottak Bardinnal és Bretteynnel a célegyeneshez.
Bardin ötlete működött, azonban az erősítés gyenge volt és nagyon alacsony frekvencián működött, amely az emberi fül számára hallhatatlan – ezért haszontalan volt telefon- vagy rádióerősítőként. Bardin javasolta, hogy áttérjenek a visszanyomásra ellenálló germániumra, amelyet Purdue-ban állítottak elő, számítva arra, hogy a felületén kevesebb töltés halmozódik fel. Hirtelen hatalmas erősítést kaptak, ám az ellentétes irányban, mint amire számítottak. Felfedezték a nem alapvető hordozók hatását – a várva várt elektronok helyett a germániumon áramló áram a folyadékból érkező lyukakat erősítette. Az elektrolit vezetékében lévő áram p-típusú (túlzott pozitív töltésekből álló) réteget hozott létre a n-típusú germánium felszínén.
A további kísérletek megmutatták, hogy az elektrolitra valójában nincs szükség: egyszerűen, ha két érintkezési pontot közel helyezünk el a germánium felületén, az egyik pont áramával lehetett modulálni a második pont áramát. Hogy minél közelebb hozzák őket, Bretteyn egy aranyfóliával burkolt be egy háromszögletű műanyag darabot, majd óvatosan levágta a fóliát a végén. Ezután egy rugó segítségével a háromszöget a germániumhoz szorította, így a vágás két széle 0,05 mm távolságra érintkezett annak felületével. Ez formálta meg a Bell laboratóriumából származó tranzisztor prototípusát, amely a jellegzetes megjelenését kölcsönözte neki:
Bretteyn és Bardin tranzisztor prototípusa
A Matara és Welker eszközeihez hasonlóan ez alapvetően a klasszikus „macskauszony” volt, csak két érintkezési ponttal az egy helyett. December 16-án jelentős teljesítménynövekedést és feszültséget, valamint 1000 Hz-es frekvenciát produkált a hallható tartományban. Egy hét múlva, néhány kicsi fejlesztést követően, Bardin és Brettain 100-szoros feszültségnövelést és 40-szeres teljesítménynövekedést értek el, és bemutatták a Bell igazgatóinak, hogy az eszközük képes reprodukálni a hallható beszédet. John Pierce, a szilárdtest-eszközök fejlesztőcsapatának egy másik tagja a Bell által gyártott réz-oxidos egyenirányító neve alapján alkotta meg a „tranzisztor” kifejezést.
A következő hat hónapban a laboratórium titokban tartotta az új találmányt. A vezetőség biztosra akarta venni, hogy előnyük lesz a tranzisztor kereskedelmi lehetőségeinek megvalósításában, mielőtt azt bárki más megkapná. A sajtótájékoztató időpontját 1948. június 30-ra tűzték ki, éppen időben, hogy összetörje Welker és Matara halhatatlanságról szőtt álmait. Közben a félvezető-kutató csoport csendesen feloszlott. Hallva Bardin és Brettain eredményeit, főnökük, Bill Shockley elkezdett dolgozni rajta, hogy magának tulajdonítsa az egész hírnevet. És bár csak megfigyelő szerepet játszott, a nyilvános bemutatón Shockley egyenlő, ha nem nagyobb reklámot kapott – ami látható a közzétett felvételen, ahol a cselekmény közepén áll, közvetlenül a laborasztalnál:
1948-as reklámfotó – Bardin, Shockley és Brettain
Shockley azonban nem elégedett meg az egyenlő hírnévvel. Mielőtt bárki kívülről tudomást szerzett volna a tranzisztorról, ő már a saját újbóli feltalálásán dolgozott, hogy magának tulajdonítsa. És ez volt csak az első a sok hasonló újbóli feltalálás közül.
Mit olvass még
- Robert Buderi, A találmány, ami megváltoztatta a világot (1996)
- Michael Riordan, 'Hogyan hagyta ki Európa a tranzisztort,' IEEE Spectrum (2005. november 1.)
- Michael Riordan és Lillian Hoddeson, Kristálytűz (1997)
- Armand Van Dormael, 'A „francia” tranzisztor,' (1994)
Forrás: habr.com
