A sorozat további cikkei:
- A váltó története
- Az elektronikus számítógépek története
- A tranzisztor története
- Internet történelem
A háború tégelye előkészítette a terepet a tranzisztor megjelenéséhez. 1939-től 1945-ig óriási mértékben bővült a félvezetőkkel kapcsolatos műszaki tudás. Ennek pedig egy egyszerű oka volt: a radar. A háború legfontosabb technológiája, amelyre példák: légitámadások észlelése, tengeralattjárók keresése, éjszakai légitámadások célpontokra irányítása, légvédelmi rendszerek és haditengerészeti fegyverek célzása. A mérnökök még azt is megtanulták, hogyan lehet apró radarokat tüzérségi lövedékekbe tenni, hogy azok felrobbanjanak, amikor a cél közelében repülnek. . Ennek a hatalmas új haditechnikának a forrása azonban egy békésebb terület volt: a felső légkör tudományos célú vizsgálata.
radar
1901-ben a Marconi Wireless Telegraph Company sikeresen továbbított vezeték nélküli üzenetet az Atlanti-óceánon keresztül Cornwalltól Új-Fundlandig. Ez a tény zavarba hozta a modern tudományt. Ha a rádióadások egyenes vonalban haladnak (ahogyan kell), az ilyen átvitelnek lehetetlennek kell lennie. Anglia és Kanada között nincs olyan közvetlen rálátás, amely ne keresztezné a Földet, így Marconi üzenetének az űrbe kellett repülnie. Arthur Kennealy amerikai mérnök és Oliver Heaviside brit fizikus egyszerre és egymástól függetlenül azt javasolta, hogy ennek a jelenségnek a magyarázatát a felső légkörben található ionizált gázréteggel kell összefüggésbe hozni, amely képes a rádióhullámokat visszaverni a Földre (maga Marconi úgy vélte, hogy a rádióhullámok kövesse a Föld felszínének görbületét, azonban a fizikusok nem támogatták).
Az 1920-as évekre a tudósok új berendezéseket fejlesztettek ki, amelyek lehetővé tették először az ionoszféra létezésének bizonyítását, majd szerkezetének tanulmányozását. Vákuumcsöveket használtak rövidhullámú rádióimpulzusok generálására, irányított antennákkal a légkörbe küldésére és a visszhangok rögzítésére. az eredmények bemutatására. Minél hosszabb a visszhang visszatérési késleltetése, annál távolabb kell lennie az ionoszférának. Ezt a technológiát atmoszférikus szondázásnak nevezték, és ez biztosította az alapvető műszaki infrastruktúrát a radarok fejlesztéséhez (a „radar” kifejezés a RAdio Detection And Ranging szóból csak az 1940-es években jelent meg az Egyesült Államok haditengerészetében).
Csak idő kérdése volt, hogy a megfelelő tudással, erőforrásokkal és motivációval rendelkező emberek felismerjék az ilyen berendezések földi alkalmazási lehetőségeit (így a radar története az ellentéte a teleszkóp történetének, amelyet először földi használatra szántak) . Az ilyen belátás valószínűsége pedig nőtt, ahogy a rádió egyre jobban elterjedt a bolygón, és egyre többen vették észre a közeli hajókból, repülőgépekből és más nagy tárgyakból érkező interferenciát. A második során terjedtek el a felső légköri szondázási technológiák ismerete (1932-1933), amikor a tudósok összeállították az ionoszféra térképét a különböző sarkvidéki állomásokról. Nem sokkal ezután a csapatok Nagy-Britanniában, az Egyesült Államokban, Németországban, Olaszországban, a Szovjetunióban és más országokban kifejlesztették a legegyszerűbb radarrendszereiket.
1935-ös radarjával
Aztán kitört a háború, és a radarok jelentősége az országok számára – és a fejlesztésükhöz szükséges erőforrások – drámaian megnőtt. Az Egyesült Államokban ezek az erőforrások egy új szervezet köré gyűltek össze, amelyet 1940-ben alapítottak az MIT-nél, az úgynevezett (annyira kifejezetten azért nevezték el, hogy félrevezesse a külföldi kémeket, és azt a benyomást keltse, hogy a radioaktivitást vizsgálják a laboratóriumban – akkoriban kevesen hittek az atombombákban). A Rad Lab projekt, amely nem vált olyan híressé, mint a Manhattan Project, ennek ellenére az Egyesült Államok minden részéről egyformán kiemelkedő és tehetséges fizikusokat toborzott soraiba. A laboratórium első alkalmazottai közül öten (köztük и ) ezt követően Nobel-díjat kapott. A háború végéig mintegy 500 tudománydoktor, tudós és mérnök dolgozott a laboratóriumban, összesen 4000 ember dolgozott. Félmillió dollárt – a teljes ENIAC költségvetéshez mérten – csak a Radiation Laboratory Series-re költöttek, ami huszonhét kötetnyi feljegyzés a háború alatt a laboratóriumból szerzett összes tudásról (bár az Egyesült Államok kormányának radartechnológiára fordított kiadásait nem korlátozták a Rad Lab költségvetésébe; a háború alatt a kormány hárommilliárd dollár értékben vásárolt radarokat).
MIT Building 20, ahol a Rad Lab volt
A Rad Lab egyik fő kutatási területe a nagyfrekvenciás radar volt. A korai radarok méterben mért hullámhosszokat használtak. De a magasabb frekvenciájú, centiméterben mért hullámhosszú nyalábok – mikrohullámok – lehetővé tették a kompaktabb antennák létrehozását, és kevésbé szóródtak nagy távolságra, ami nagyobb előnyt ígér a hatótávolság és a pontosság terén. A mikrohullámú radarok elférnének egy repülőgép orrában, és egy tengeralattjáró periszkóp méretű objektumokat észlelhetnek.
Elsőként a Birminghami Egyetem brit fizikusaiból álló csapat oldotta meg ezt a problémát. 1940-ben kifejlesztették "“, amely elektromágneses „sípként” működött, és egy véletlenszerű elektromos impulzust erőteljes és pontosan beállított mikrohullámú sugárnyalábgá alakított. Ez a mikrohullámú adó ezerszer erősebb volt, mint legközelebbi versenytársa; gyakorlati nagyfrekvenciás radaradók előtt nyitotta meg az utat. Szüksége volt azonban egy társra, egy olyan vevőre, amely képes érzékelni a magas frekvenciákat. És ezen a ponton visszatérünk a félvezetők történetéhez.
Magnetron keresztmetszet
A macskabajusz második eljövetele
Kiderült, hogy a vákuumcsövek egyáltalán nem alkalmasak mikrohullámú radarjelek vételére. A forró katód és a hideg anód közötti rés kapacitást hoz létre, ami miatt az áramkör nem hajlandó magas frekvencián működni. A nagyfrekvenciás radarok számára elérhető legjobb technológia a régimódi volt."- egy kis huzaldarab egy félvezető kristályhoz nyomva. Ezt többen is felfedezték egymástól függetlenül, de történetünkhöz az áll a legközelebb, ami New Jersey-ben történt.
1938-ban a Bell Labs szerződést kötött a haditengerészettel egy 40 cm-es hatótávolságú tűzvezérlő radar kifejlesztésére, amely sokkal rövidebb, és ezért nagyobb frekvenciájú, mint a rezonancia előtti magnetron korszakban létező radarok. A fő kutatási munka a Staten Island-től délre található Holmdelben található laboratóriumok részlegén. Nem tartott sokáig, míg a kutatók rájöttek, mire van szükségük egy nagyfrekvenciás vevőkészülékhez, és hamarosan George Southworth mérnök a manhattani rádióüzletekben kutatta a régi macskabajusz-detektorokat. Ahogy az várható volt, sokkal jobban működött, mint a lámpaérzékelő, de instabil volt. Ezért Southworth felkeresett egy Russell Ohl nevű elektrokémikust, és megkérte, hogy próbálja meg javítani az egypontos kristálydetektor válaszának egyenletességét.
Ol meglehetősen sajátságos ember volt, aki a technika fejlődését tartotta sorsának, és időszakos meglátásokról beszélt jövőképekkel. Például kijelentette, hogy még 1939-ben tudott a szilíciumerősítő jövőbeli feltalálásáról, de a sors az volt, hogy egy másik személy találja fel. Több tucat opció tanulmányozása után a szilícium mellett döntött, mint a legjobb anyag a Southworth vevőkészülékek számára. A probléma az volt, hogy az anyag tartalmát szabályozni lehetett az elektromos tulajdonságainak szabályozása érdekében. Akkoriban elterjedtek az ipari szilíciumtömbök, acélgyárakban használták őket, de az ilyen gyártásnál senkit sem zavart mondjuk a szilícium 1%-os foszfortartalma. Néhány kohász segítségét kérve Ol arra törekedett, hogy sokkal tisztább nyersdarabokat szerezzen, mint korábban lehetséges volt.
Munka közben felfedezték, hogy egyes kristályaik az egyik irányba, míg mások a másik irányba egyenirányítják az áramot. "n-típusú"-nak és "p-típusúnak" nevezték őket. A további elemzések kimutatták, hogy ezekért a típusokért különböző típusú szennyeződések felelősek. A szilícium a periódusos rendszer negyedik oszlopában található, vagyis négy elektron van a külső héjában. Egy tiszta szilícium üresben ezek az elektronok egyesülnének egy szomszéddal. A harmadik oszlopból származó szennyeződések, mondjuk a bór, amely eggyel kevesebb elektront tartalmaz, „lyukat”, további teret hozott létre a kristályban az árammozgás számára. Az eredmény egy p-típusú félvezető volt (többlet pozitív töltésekkel). Az ötödik oszlopból származó elemek, például a foszfor, további szabad elektronokat biztosítottak az áram átviteléhez, és egy n-típusú félvezetőt kaptak.
A szilícium kristályszerkezete
Mindezek a kutatások nagyon érdekesek voltak, de 1940-re Southworth és Ohl már nem voltak közelebb a nagyfrekvenciás radar működő prototípusának megalkotásához. Ugyanakkor a brit kormány azonnali gyakorlati eredményeket követelt a Luftwaffe fenyegetése miatt, amely már korábban is készített gyártásra kész mikrohullámú detektorokat, amelyek párhuzamosan működnek a magnetron adókkal.
A technológiai fejlődés mérlege azonban hamarosan az Atlanti-óceán nyugati oldala felé billen. Churchill úgy döntött, hogy felfedi Nagy-Britannia összes technikai titkát az amerikaiaknak, mielőtt ténylegesen belépett a háborúba (mivel feltételezte, hogy ez mindenképpen megtörténik). Úgy vélte, megéri kockáztatni az információszivárgást, hiszen akkor az Egyesült Államok minden ipari képességét az atomfegyverek és radarok megoldásába vetik be. Brit Tudományos és Technológiai Misszió (ismertebb nevén ) 1940 szeptemberében érkezett Washingtonba, és poggyászában ajándékot hozott technológiai csodák formájában.
A rezonáns magnetron hihetetlen erejének felfedezése és a brit kristálydetektorok jelfogadási hatékonysága újjáélesztette a félvezetőkkel, mint a nagyfrekvenciás radarokkal kapcsolatos amerikai kutatásokat. Rengeteg munka volt, főleg az anyagtudományban. A kereslet kielégítése érdekében félvezető kristályokat „milliós nagyságrendben kellett előállítani, sokkal többet, mint amennyi korábban lehetséges volt. Javítani kellett a kiegyenlítést, csökkenteni kellett az ütésérzékenységet és a beégést, valamint minimalizálni kellett a különböző kristálytételek közötti eltéréseket.
Szilikon pont érintkező egyenirányító
A Rad Lab új kutatórészlegeket nyitott a félvezető kristályok tulajdonságainak tanulmányozására, valamint arra, hogy hogyan módosíthatók az értékes vevőtulajdonságok maximalizálása érdekében. A legígéretesebb anyagok a szilícium és a germánium volt, ezért a Rad Lab úgy döntött, hogy biztonságos, és párhuzamos programokat indított mindkettő tanulmányozására: a szilícium a Pennsylvaniai Egyetemen és a germánium Purdue-ban. Az olyan ipari óriások, mint a Bell, a Westinghouse, a Du Pont és a Sylvania saját félvezető-kutatási programokat indítottak, és új gyártási létesítményeket kezdtek fejleszteni kristálydetektorokhoz.
Közös erőfeszítések eredményeként a szilícium és germánium kristályok tisztasága a kezdeti 99%-ról 99,999%-ra emelkedett, azaz 100 000 atomonként egy szennyeződésrészecskére. A folyamat során tudósokból és mérnökökből álló káder közelről megismerkedett a germánium és a szilícium elvont tulajdonságaival, és technológiát alkalmazott ezek szabályozására: olvasztás, kristályok növesztése, a szükséges szennyeződések (például a vezetőképességet növelő bór) hozzáadása.
És akkor a háború véget ért. A radar iránti igény megszűnt, de a háború alatt megszerzett tudás és készségek megmaradtak, és a szilárdtest-erősítő álma sem merült feledésbe. Most egy ilyen erősítő létrehozása volt a verseny. És legalább három csapat jó helyzetben volt ahhoz, hogy megnyerje ezt a díjat.
West Lafayette
Az első a Purdue Egyetem csoportja volt, amelyet egy Carl Lark-Horowitz nevű osztrák származású fizikus vezetett. Tehetségével és befolyásával egyedül hozta ki az egyetem fizika tanszékét a homályból, és befolyásolta a Rad Lab döntését, hogy laboratóriumát bízza meg a germániumkutatással.
Carl Lark-Horowitz 1947-ben, középen, kezében egy pipa
Az 1940-es évek elején a szilíciumot tartották a radar egyenirányítók legjobb anyagának, de a periódusos rendszerben közvetlenül alatta lévő anyag is érdemesnek tűnt további tanulmányozásra. A germániumnak gyakorlati előnye volt az alacsonyabb olvadáspontja miatt, ami megkönnyítette a munkát: körülbelül 940 fok, szemben a szilícium 1400 fokos értékével (majdnem megegyezik az acéléval). A magas olvadáspont miatt rendkívül nehéz volt olyan nyersdarabot készíteni, amely nem szivárgott be az olvadt szilíciumba, szennyezve azt.
Ezért Lark-Horowitz és kollégái az egész háborút a germánium kémiai, elektromos és fizikai tulajdonságainak tanulmányozásával töltötték. A legfontosabb akadály a „fordított feszültség” volt: a germánium egyenirányítók nagyon alacsony feszültségnél leállították az áram egyenirányítását, és hagyták, hogy az ellenkező irányba folyjon. A fordított áramimpulzus elégette a radar többi alkatrészét. Lark-Horowitz egyik végzős diákja, Seymour Benzer több mint egy évig tanulmányozta ezt a problémát, és végül kifejlesztett egy ón alapú adalékot, amely akár több száz voltos feszültségnél is leállította a fordított impulzusokat. Nem sokkal ezután a Western Electric, a Bell Labs gyártási részlege megkezdte a Benzer egyenirányítók katonai felhasználásra való kibocsátását.
A germánium tanulmányozása Purdue-ban a háború után is folytatódott. 1947 júniusában a már professzorként tevékenykedő Benzer szokatlan anomáliáról számolt be: egyes kísérletekben a germániumkristályokban nagyfrekvenciás rezgések jelentek meg. Kollégája, Ralph Bray pedig folytatta a „térfogati ellenállás” tanulmányozását a háború alatt elkezdett projekten. A térfogati ellenállás azt írta le, hogyan áramlik az elektromosság a germánium kristályban az egyenirányító érintkezési pontjában. Bray megállapította, hogy a nagyfeszültségű impulzusok jelentősen csökkentették az n-típusú germánium ellenállását ezekkel az áramokkal szemben. Anélkül, hogy tudta volna, szemtanúja volt az ún. "kisebbségi" töltéshordozók. Az n-típusú félvezetőkben a többlet negatív töltés szolgál többségi töltéshordozóként, de a pozitív "lyukak" is szállíthatnak áramot, és ebben az esetben a nagyfeszültségű impulzusok lyukakat hoztak létre a germánium szerkezetében, így kisebbségi töltéshordozók jelennek meg. .
Bray és Benzer ijesztően közel kerültek a germánium erősítőhöz anélkül, hogy észrevették volna. Benzer elkapta Walter Brattaint, a Bell Labs tudósát egy 1948 januári konferencián, hogy megvitassák vele a térfogati ellenállást. Azt javasolta, hogy Brattain helyezzen el egy másik pontérintkezőt az első mellé, amely képes vezetni az áramot, és akkor talán megérthetik, mi történik a felszín alatt. Brattain csendben beleegyezett a javaslatba, és távozott. Amint látni fogjuk, túlságosan is jól tudta, mit tárhat fel egy ilyen kísérlet.
Oney-sous-Bois
A Purdue csoportnak megvolt a technológiája és az elméleti alapja is ahhoz, hogy ugrást tegyen a tranzisztor felé. De csak véletlenül akadhattak rá. Az anyag fizikai tulajdonságai érdekelték őket, nem pedig új típusú készülék keresése. Egészen más helyzet uralkodott Aunes-sous-Bois-ban (Franciaország), ahol két egykori német radarkutató, Heinrich Welker és Herbert Mathare vezetett egy csapatot, amelynek célja ipari félvezető eszközök létrehozása volt.
Welker először fizikát tanult, majd tanított a müncheni egyetemen, amelyet a híres teoretikus, Arnold Sommerfeld vezetett. 1940 óta elhagyta a pusztán elméleti utat, és a Luftwaffe radarján kezdett dolgozni. Mathare (belga származású) Aachenben nőtt fel, ahol fizikát tanult. 1939-ben csatlakozott a német Telefunken rádióóriás kutatóosztályához. A háború alatt Berlinből keletre helyezte át munkáját a sziléziai apátságba, hogy elkerülje a szövetséges légitámadásokat, majd vissza nyugatra, hogy elkerülje az előrenyomuló Vörös Hadsereget, végül az amerikai hadsereg kezébe került.
Akárcsak riválisai a Hitler-ellenes Koalícióban, a németek is az 1940-es évek elejére tudták, hogy a kristálydetektorok ideális vevőegységek a radar számára, és hogy a szilícium és a germánium a legígéretesebb anyagok létrehozásukhoz. Mathare és Welker a háború alatt megpróbálták javítani ezen anyagok egyenirányítókban való hatékony felhasználását. A háború után mindkettőjüket időszakonként kihallgatták katonai munkájukkal kapcsolatban, és végül 1946-ban meghívást kapott egy francia hírszerző tiszttől Párizsba.
A Compagnie des Freins & Signaux ("fékek és jelek vállalata"), a Westinghouse francia részlege szerződést kapott a francia telefonhatóságtól szilárdtest-egyenirányítók létrehozására, és német tudósokat keresett a segítségükre. A közelmúltbeli ellenségek ilyen szövetsége furcsának tűnhet, de ez a megállapodás mindkét fél számára meglehetősen kedvezőnek bizonyult. Az 1940-ben vereséget szenvedett franciák nem tudtak ismereteket szerezni a félvezetők terén, és nagy szükségük volt a németek tudására. A németek egy megszállt és háború sújtotta országban semmilyen high-tech területen nem tudtak fejlesztést végrehajtani, ezért megragadták a lehetőséget, hogy tovább dolgozhassanak.
Welker és Mathare Párizs külvárosában, Aunes-sous-Bois-ban egy kétszintes házban alakították ki a főhadiszállásukat, és egy csapat technikus segítségével 1947 végére sikeresen piacra dobták a germánium egyenirányítókat. Aztán a komolyabb felé fordultak. díjak: Welker visszatért a szupravezetők iránti érdeklődéséhez, Mathare pedig az erősítők iránt.
Herbert Mathare 1950-ben
A háború alatt Mathare kétpontos érintkezős egyenirányítókkal – „duodeódákkal” – kísérletezett az áramköri zaj csökkentésére. Újrakezdte kísérleteit, és hamarosan felfedezte, hogy egy második macskabajsz, amely az elsőtől 1/100 milliomod méternyire található, néha modulálni tudja az első bajuszon átfolyó áramot. Létrehozott egy szilárdtest-erősítőt, bár meglehetősen haszontalant. Megbízhatóbb teljesítmény elérése érdekében Welkerhez fordult, aki a háború alatt széleskörű tapasztalatot szerzett germániumkristályokkal való munkában. Welker csapata nagyobb, tisztább germániumkristály-mintákat növesztett, és ahogy az anyag minősége javult, a Mathare pontérintkezős erősítők 1948 júniusára megbízhatóvá váltak.
A Mathare áramkörön alapuló „tranzisztron” röntgenképe, amely két érintkezési ponttal rendelkezik a germániummal
Mathare-nek még elméleti modellje is volt a történésekről: úgy vélte, hogy a második érintkező lyukakat ejtett a germániumon, felgyorsítva az áram áthaladását az első érintkezőn, és kisebbségi töltéshordozókat lát el. Welker nem értett egyet vele, és úgy vélte, hogy ami történik, az valamilyen térhatástól függ. Mielőtt azonban kidolgozhatták volna az eszközt vagy az elméletet, megtudták, hogy egy amerikaiak egy csoportja pontosan ugyanezt a koncepciót – egy germánium erősítőt két pontérintkezővel – fejlesztett ki hat hónappal korábban.
Murray Hill
A háború végén Mervyn Kelly megreformálta a Bell Labs félvezető kutatócsoportját, amelyet Bill Shockley vezetett. A projekt nőtt, több finanszírozást kapott, és az eredeti manhattani laborépületből a New Jersey állambeli Murray Hillben található, bővülő kampuszba költözött.
Murray Hill Campus, kb. 1960
Hogy újra megismerkedjen a fejlett félvezetőkkel (a háború alatti hadműveleti kutatásban eltöltött idő után), Shockley 1945 tavaszán ellátogatott Russell Ohl Holmdel laboratóriumába. Ohl a háború éveit szilíciummal töltötte, és nem vesztegette az idejét. Megmutatta Shockley-nak egy saját konstrukciójú nyers erősítőt, amelyet „elutasítónak” nevezett. Fogott egy szilíciumpontos érintkezős egyenirányítót, és azon keresztül áramoltatta az akkumulátort. Úgy tűnik, az akkumulátor hője csökkentette az ellenállást az érintkezési ponton, és az egyenirányítót erősítővé változtatta, amely képes a bejövő rádiójeleket egy olyan áramkörre továbbítani, amely elég erős ahhoz, hogy táplálja a hangszórót.
A hatás durva és megbízhatatlan volt, kereskedelmi forgalomba hozatalra alkalmatlan. Ez azonban elég volt ahhoz, hogy megerősítse Shockley véleményét, miszerint lehetséges félvezető erősítőt létrehozni, és ezt a szilárdtest-elektronika területén végzett kutatások prioritásává kell tenni. Ez az Ola csapatával való találkozás is meggyőzte Shockleyt arról, hogy először a szilíciumot és a germániumot kell tanulmányozni. Vonzó elektromos tulajdonságokat mutattak, és Ohl kohásztársai, Jack Skaff és Henry Theurer elképesztő sikereket értek el e kristályok termesztésében, tisztításában és adalékolásában a háború alatt, felülmúlva a többi félvezető anyaghoz elérhető összes technológiát. Shockley csoportja nem fog több időt vesztegetni a háború előtti réz-oxid erősítőkre.
Kelly segítségével Shockley új csapatot kezdett összeállítani. A kulcsszereplők közé tartozott Walter Brattain, aki segített Shockley-nak az első szilárdtest-erősítő kísérletében (1940-ben), valamint John Bardeen, egy fiatal fizikus és a Bell Labs új alkalmazottja. A csapat tagjai közül valószínűleg Bardeen rendelkezett a legszélesebb körű szilárdtestfizika ismeretekkel – disszertációja az elektronok energiaszintjét írta le a fémnátrium szerkezetében. John Hasbrouck Van Vleck másik pártfogoltja volt, mint Atanasov és Brattain.
És Atanasovhoz hasonlóan Bardeen és Shockley disszertációi is rendkívül összetett számításokat igényeltek. A félvezetők Alan Wilson által meghatározott kvantummechanikai elméletét kellett használniuk az anyagok energiaszerkezetének kiszámításához Monroe asztali számológépével. A tranzisztor létrehozásának elősegítésével valójában hozzájárultak ahhoz, hogy a leendő végzős hallgatókat megmentsék az ilyen munkától.
Shockley első megközelítése a szilárdtest-erősítőkhöz a későbbi elnevezésen alapult.". Fémlemezt függesztett egy n-típusú félvezető fölé (a negatív töltések feleslegével). Pozitív töltés alkalmazása a lemezre a felesleges elektronokat a kristály felületére húzta, és negatív töltések folyóját hozta létre, amelyen keresztül könnyen áramolhatott az elektromos áram. Az erősített jel (amelyet a lapka töltési szintje képvisel) ily módon modulálhatja a fő áramkört (a félvezető felületén haladva). Ennek a sémának a hatékonyságát elméleti fizikaismerete sugallta számára. De a sok kísérlet és kísérlet ellenére a rendszer soha nem működött.
1946 márciusára Bardeen megalkotott egy jól kidolgozott elméletet, amely megmagyarázta ennek okát: a félvezető felülete kvantum szinten másként viselkedik, mint a belsejében. A felületre húzott negatív töltések "felületi állapotokba" kerülnek, és megakadályozzák, hogy az elektromos mező behatoljon a lemezbe az anyagba. A csapat többi tagja meggyőzőnek találta ezt az elemzést, és új kutatási programot indítottak el, három irányban:
- Bizonyítsd be a felületi állapotok létezését!
- Tanulmányozza tulajdonságaikat.
- Találja ki, hogyan győzheti le őket, és hogyan teheti meg .
Másfél éves kutatás és kísérletezés után 17. november 1947-én Brattain áttörést ért el. Felfedezte, hogy ha ionokkal teli folyadékot, például vizet helyez egy lapka és egy félvezető közé, az ostyából származó elektromos mező a félvezető felé tolja az ionokat, ahol semlegesítik a felületi állapotokban rekedt töltéseket. Most egy szilíciumdarab elektromos viselkedését tudta szabályozni az ostya töltésének megváltoztatásával. Ez a siker ötletet adott Bardeennek az erősítő létrehozásának új megközelítésére: az egyenirányító érintkezési pontját vegyük körül elektrolitos vízzel, majd egy második vezetékkel a vízben szabályozzuk a felületi viszonyokat, és így szabályozzuk a főegység vezetőképességi szintjét. kapcsolatba lépni. Bardeen és Brattain tehát célba ért.
Bardeen ötlete bevált, de az erősítő gyenge volt, és nagyon alacsony, az emberi fül számára elérhetetlen frekvencián működött – így telefon- vagy rádióerősítőként használhatatlan volt. Bardeen azt javasolta, hogy váltsanak át a Purdue-ban gyártott, fordított feszültségnek ellenálló germániumra, mert úgy gondolta, hogy kevesebb töltés gyűlik össze a felületén. Hirtelen erőteljes növekedést kaptak, de a várttól ellenkező irányban. Felfedezték a kisebbségi hordozó hatást - a várt elektronok helyett a germániumon átfolyó áramot az elektrolitból érkező lyukak erősítették fel. Az elektrolitban lévő vezetéken lévő áram p-típusú réteget (egy többlet pozitív töltések tartományát) hozott létre az n-típusú germánium felületén.
A későbbi kísérletek azt mutatták, hogy egyáltalán nincs szükség elektrolitra: egyszerűen két érintkezési pont közel helyezésével a germánium felületére, az egyikből az áramot a másikon lévő áramra lehetett modulálni. Hogy minél közelebb hozzák őket, Brattain egy darab aranyfóliát tekert egy háromszög alakú műanyagdarab köré, majd a végén óvatosan levágta a fóliát. Ezután egy rugó segítségével a germániumhoz nyomta a háromszöget, aminek következtében a vágás két széle 0,05 mm távolságban érintette a felületét. Ez adta a Bell Labs tranzisztor prototípusának jellegzetes megjelenését:
Brattain és Bardeen tranzisztor prototípusa
Mathare és Welker készülékéhez hasonlóan ez is elvileg egy klasszikus „macskabajsz” volt, csak egy helyett két érintkezési ponttal. December 16-án jelentős teljesítmény- és feszültségnövekedést, a hallható tartományban 1000 Hz-es frekvenciát produkált. Egy héttel később, kisebb fejlesztések után, Bardeen és Brattain 100-szorosára növelte a feszültséget és 40-szeresére a teljesítményt, és bebizonyították a Bell igazgatóinak, hogy készülékük hallható beszédet képes előállítani. John Pierce, a szilárdtest-fejlesztő csapat másik tagja a "tranzisztor" kifejezést Bell réz-oxid egyenirányítójának, a varisztornak a neve után találta ki.
A következő hat hónapban a laboratórium titokban tartotta az új alkotást. A vezetőség meg akart győződni arról, hogy a tranzisztor kereskedelmi forgalomba hozatala előtt járjon előnyben, mielőtt bárki más ráakadna. A sajtótájékoztatót 30. június 1948-ra tűzték ki, éppen időben, hogy összetörje Welker és Mathare halhatatlanságról szóló álmait. Eközben a félvezetőkutató csoport csendben összeomlott. Miután meghallotta Bardeen és Brattain eredményeit, főnökük, Bill Shockley elkezdett dolgozni, hogy minden elismerést magára vállaljon. És bár csak megfigyelő szerepet játszott, Shockley ugyanolyan, ha nem nagyobb nyilvánosságot kapott a nyilvános bemutatón – amint az ezen a kiadott fotón is látható, amelyen az események sűrűjében, egy laborpad mellett készült:
1948-as reklámfotó – Bardeen, Shockley és Brattain
Az egyenlő hírnév azonban nem volt elég Shockley számára. És mielőtt a Bell Labson kívül bárki is tudott volna a tranzisztorról, azzal volt elfoglalva, hogy újra feltalálja a saját számára. És ez csak az első volt a sok ilyen újratalálás közül.
Mit kell még olvasni
- Robert Buderi: A találmány, amely megváltoztatta a világot (1996)
- Michael Riordan, „How Europe Missed the Transistor”, IEEE Spectrum (1. november 2005.)
- Michael Riordan és Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
- Armand Van Dormael, "A "francia" tranzisztor, (1994)
Forrás: will.com