A sorozat további cikkei:
- A váltó története
- Az elektronikus számítógépek története
- A tranzisztor története
- Internet történelem
A szilárdtestkapcsolókhoz vezető út hosszú és nehéz volt. Azzal a felfedezéssel kezdődött, hogy bizonyos anyagok furcsán viselkednek elektromosság jelenlétében – nem úgy, ahogy az akkori elméletek előre jelezték. Ezt követte annak története, hogyan vált a technológia egyre inkább tudományos és intézményes tudományággá a 20. században. A természettudományos végzettséggel nem rendelkező amatőrök, újoncok és hivatásos feltalálók komolyan hozzájárultak a távíró, a telefonálás és a rádiózás fejlődéséhez. De amint látni fogjuk, a szilárdtest-elektronika történetében elért szinte minden előrelépés olyan tudósoktól származik, akik egyetemeken tanultak (és általában fizikai doktori fokozattal rendelkeznek), és egyetemeken vagy vállalati kutatólaboratóriumokban dolgoztak.
Bárki, aki bejut a műhelybe, és rendelkezik alapvető anyagokkal, összeállíthat relét drótból, fémből és fából. A vákuumcsövek létrehozásához speciálisabb eszközökre van szükség, amelyek képesek üvegburát létrehozni, és kiszivattyúzni belőle a levegőt. A szilárdtest-eszközök eltűntek egy nyúlüregben, ahonnan a digitális kapcsoló soha nem tért vissza, és egyre mélyebbre süllyedt a csak az absztrakt matematika számára érthető és csak őrülten drága berendezések segítségével hozzáférhető világokba.
Galenit
In 1874 évben , egy 24 éves fizikus Szentpétervárból. Thomas Lipcsében, hosszú pályafutása során számos fontos tudományos munka közül az elsőt publikálta. Az „Az elektromos áramok áthaladásáról fémszulfidokon” című tanulmányt a Pogendorff Annalen, a fizikai tudományokkal foglalkozó tekintélyes folyóirat fogadta el. Az unalmas cím ellenére Brown írása néhány meglepő és rejtélyes kísérleti eredményt írt le.
Ferdinánd Brown
Brown munkája révén felkeltette érdeklődését a szulfidok – a fémekkel alkotott kénvegyületekből álló ásványi kristályok . Michael Faraday már 1833-ban megjegyezte, hogy az ezüst-szulfid vezetőképessége nő a hőmérséklettel, ami pontosan az ellenkezője a fémvezetők viselkedésének. Hittorf összeállított egy alapos kvantitatív jelentést ennek a hatásnak az 1850-es években mért méréseiről, mind az ezüst, mind a réz-szulfidok esetében. Most Brown egy okos kísérleti elrendezéssel, amely egy fémhuzalt egy szulfidkristályhoz nyomott egy rugóval, hogy biztosítsa a jó érintkezést, még furcsábbat fedezett fel. A kristályok vezetőképessége az iránytól függött - például az áram egy irányban jól tudott folyni, de amikor az akkumulátor polaritását megfordították, az áram hirtelen erősen leeshetett. A kristályok inkább vezetőként működtek az egyik irányban (mint a normál fémek), és inkább szigetelőként egy másik irányban (például üveg vagy gumi). Ez a tulajdonság egyenirányítás néven vált ismertté, mivel képes a "krimpelt" váltakozó áramot "lapos" egyenárammá alakítani.
Körülbelül ugyanebben az időben a kutatók olyan anyagok más furcsa tulajdonságait is felfedezték, mint például a szelén, amely bizonyos fém-szulfidércekből kiolvasztható. Fény hatására a szelén megnövelte a vezetőképességet, sőt elektromosságot is termelni kezdett, és egyenirányításra is felhasználható volt. Volt valami összefüggés a szulfidkristályokkal? Elméleti modellek nélkül, amelyek megmagyaráznák, mi történik, a terület zavart állapotba került.
Az elmélet hiánya azonban nem akadályozta meg az eredmények gyakorlati alkalmazására tett kísérleteket. Az 1890-es évek végén Brown a Strasbourg-i Egyetem professzora lett – a közelmúltban csatolták el Franciaországtól. és átkeresztelték a Kaiser Wilhelm Egyetemre. Ott beszippantotta a rádiótávírás izgalmas új világa. Elfogadta egy vállalkozói csoport javaslatát, hogy közösen hozzanak létre egy vezeték nélküli kommunikációs rendszert, amely rádióhullámok vízen történő átvitelén alapul. Azonban ő és társai hamarosan felhagytak az eredeti ötlettel a légi jelzések javára, amelyet Marconi és mások is használtak.
A rádiózás azon aspektusai közé tartozik, amelyeket Brown csoportja fejleszteni kívánt, az akkori szabványos vevőegység, . Azon a tényen alapult, hogy a rádióhullámok fémreszelékek összetapadását okozták, lehetővé téve az akkumulátor áramának átjutását a jelzőberendezésbe. Működött, de a rendszer csak viszonylag erős jelekre reagált, és a fűrészpor feldarabolásához folyamatos ütésre volt szükség a készülékre. Brown emlékezett a szulfidkristályokkal végzett régi kísérleteire, és 1899-ben újraalkotta régi kísérleti elrendezését egy új céllal - hogy vezeték nélküli jelek detektoraként szolgáljon. Az egyenirányító effektust arra használta, hogy a rádióhullámok átengedése által generált apró oszcilláló áramot egyenárammá alakítsa, amely képes egy kis hangszórót táplálni, amely minden pontra vagy kötőjelre hallható kattanást produkált. Ez az eszköz később ""a drót megjelenése miatt, amely könnyen hozzáért a kristály tetejéhez. Brit Indiában (ahol ma Banglades található) Jagadish Bose tudós és feltaláló épített egy hasonló eszközt, valószínűleg már 1894-ben. Mások hamarosan elkezdtek hasonló szilícium és karborundum (szilícium-karbid) alapú detektorokat gyártani.
Azonban azt , az ólom-szulfid, amelyet ősidők óta ólom előállítására olvasztanak, a kristálydetektorok választott anyagává vált. Könnyen elkészíthetőek és olcsók voltak, ennek eredményeként hihetetlenül népszerűvé váltak a rádióamatőrök korai generációja körében. Sőt, a bináris koherenstől eltérően (amely fűrészporral vagy összetapadt, vagy nem), a kristályos egyenirányító képes folyamatos jelet reprodukálni. Ezért képes volt hallani hangot és zenét előállítani, nem csak morze-kódot a pontokkal és kötőjelekkel.
Galéna alapú macskabajusz-detektor. A bal oldali kis drótdarab a bajusz, az alsó ezüstös anyagdarab pedig a galéna kristály.
Azonban, ahogy a csalódott rádióamatőrök hamarosan felfedezték, percekbe, sőt órákba is telhet, amíg megtalálják a kristály felszínén azt a varázspontot, amely jó helyreigazítást adna. Az erősítés nélküli jelek pedig gyengék és fémes hangzásúak voltak. Az 1920-as évekre a triódaerősítővel ellátott vákuumcsöves vevőkészülékek gyakorlatilag mindenhol elavulttá tették a kristálydetektorokat. Egyetlen vonzó tulajdonságuk az olcsóságuk volt.
Ez a rövid megjelenés a rádióarénában a Brown és mások által felfedezett anyag furcsa elektromos tulajdonságainak gyakorlati alkalmazásának a határa volt.
Réz-oxid
Aztán az 1920-as években egy másik fizikus, Lars Grondahl valami különöset fedezett fel kísérleti elrendezésével. Grondahl, az első az okos és nyugtalan emberek sorából az amerikai Nyugat történetében, egy építőmérnök fia volt. Apja, aki 1880-ban emigrált Norvégiából, több évtizeden át a kaliforniai, oregoni és washingtoni vasutaknál dolgozott. Eleinte úgy tűnt, Grondahl elhatározta, hogy maga mögött hagyja apja mérnöki világát, és Johns Hopkinshoz ment fizikából doktorált, hogy akadémiai úton haladjon. De aztán bekapcsolódott a vasúti üzletbe, és kutatási igazgatói posztot kapott az ipari óriásvállalat Union Switch and Signal részlegénél. , amely a vasúti ipar számára szállított berendezéseket.
Különböző források egymásnak ellentmondó okokat jeleznek Grondahl kutatásai iránti motivációjára, de bármi is legyen, kísérletezni kezdett az egyik oldalán melegített rézkorongokkal, hogy oxidált réteget hozzon létre. Miközben velük dolgozott, észrevette az áram aszimmetriáját - az ellenállás az egyik irányban háromszor nagyobb volt, mint a másikban. Egy rézből és réz-oxidból álló korong egyenirányította az áramot, akár egy szulfidkristály.
Réz-oxid egyenirányító áramkör
Grondahl a következő hat évben egy használatra kész kereskedelmi egyenirányító fejlesztésével töltötte ezt a jelenséget, egy másik amerikai kutató, Paul Geiger segítségét kérve, mielőtt szabadalmi kérelmet nyújtott be, és 1926-ban bejelentette felfedezését az Amerikai Fizikai Társaságnak. azonnal kereskedelmi sláger lett. A törékeny szálak hiánya miatt sokkal megbízhatóbb volt, mint a Fleming-szelep elvén alapuló vákuumcsöves egyenirányító, és olcsóbb volt a gyártása. A Brown egyenirányító kristályokkal ellentétben első próbálkozásra működött, és a fém és az oxid közötti nagyobb érintkezési felület miatt nagyobb áram- és feszültségtartományban működött. Töltheti az akkumulátorokat, érzékelheti a jeleket különböző elektromos rendszerekben, és biztonsági söntként működhet az erős generátorokban. Fotocellaként használva a lemezek fénymérőként működtek, és különösen hasznosak voltak a fotózásban. Más kutatók ugyanebben az időben szelén egyenirányítókat fejlesztettek ki, amelyek hasonló alkalmazásokat találtak.
Réz-oxid alapú egyenirányító csomag. A több lemezből álló összeállítás növelte a fordított ellenállást, ami lehetővé tette a nagyfeszültségű használatot.
Néhány évvel később a Bell Labs két fizikusa, Joseph Becker és , úgy döntött, hogy tanulmányozza a réz egyenirányító működési elvét – érdeklődtek, hogy megtudják, hogyan működik és hogyan használható a Bell Systemnél.
Brattain idős korban - kb. 1950
Brattain Grondal területéről származott, a Csendes-óceán északnyugati részén, ahol egy farmon nőtt fel néhány kilométerre a kanadai határtól. Középiskolás korában érdeklődni kezdett a fizika iránt, rátermettséget mutatott a területen, majd az 1920-as évek végén a Minnesotai Egyetemen doktorált, majd 1929-ben a Bell Laboratories-nál kapott állást. Többek között az egyetemen tanult. az Európában egyre népszerűbb elméleti fizika, kvantummechanikaként ismert (kurátora , aki John Atanasoffot is mentorálta).
kvantumforradalom
Az elmúlt három évtizedben lassan kialakult egy új elméleti platform, amely idővel képes lesz megmagyarázni mindazokat a furcsa jelenségeket, amelyeket évek óta megfigyeltek olyan anyagokban, mint a galéna, a szelén és a réz-oxid. Többnyire fiatal fizikusok egész csoportja, főleg Németországból és a szomszédos országokból, kvantumforradalmat idézett elő a fizikában. Bármerre néztek, nem azt a sima és folytonos világot találták, amelyet tanítottak nekik, hanem furcsa, diszkrét csomókat.
Minden az 1890-es években kezdődött. Max Planck, a Berlini Egyetem híres professzora úgy döntött, hogy egy jól ismert megoldatlan problémával dolgozik: hogyan?"(ideális anyag, amely elnyeli az összes energiát, és nem tükrözi vissza) sugárzást bocsát ki az elektromágneses spektrumban? Különféle modelleket próbáltak ki, amelyek egyike sem felelt meg a kísérleti eredményeknek – a spektrum egyik vagy másik végén kudarcot vallottak. Planck felfedezte, hogy ha feltételezzük, hogy egy test kis, diszkrét mennyiségek „csomagjaiban” bocsát ki energiát, akkor felírhatunk egy egyszerű törvényt a frekvencia és az energia kapcsolatáról, amely tökéletesen megegyezik a tapasztalati eredményekkel.
Nem sokkal ezután Einstein felfedezte, hogy ugyanez történt a fény elnyelésével (a fotonok első jele), J. J. Thomson pedig kimutatta, hogy az elektromosságot szintén nem egy folytonos folyadék vagy hullám szállítja, hanem különálló részecskék - elektronok. Niels Bohr ezután modellt készített annak magyarázatára, hogy a gerjesztett atomok miként bocsátanak ki sugárzást azáltal, hogy elektronokat rendeltek az atomon belüli egyes pályákhoz, mindegyiknek saját energiája van. Ez az elnevezés azonban megtévesztő, mert egyáltalán nem úgy viselkednek, mint a bolygók keringése – Bohr modelljében az elektronok azonnal átugrottak egyik pályáról vagy energiaszintről a másikra anélkül, hogy közbenső állapoton áthaladnának. Végül az 1920-as években Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Born és mások létrehoztak egy kvantummechanika néven ismert általánosított matematikai platformot, amely magában foglalta az elmúlt húsz év során megalkotott összes speciális kvantummodellt.
Ekkorra a fizikusok már biztosak voltak abban, hogy az olyan anyagok, mint a szelén és a galéna, amelyek fotovoltaikus és egyenirányító tulajdonságokkal rendelkeznek, az anyagok külön osztályába tartoznak, amelyeket félvezetőknek neveztek. Az osztályozás több okból is ilyen sokáig tartott. Először is, maguk a „vezetők” és „szigetelők” kategóriák meglehetősen tágak voltak. T.N. A „vezetők” vezetőképessége rendkívül változatos volt, és ugyanez (kisebb mértékben) igaz a szigetelőkre is, és nem volt nyilvánvaló, hogy egy adott vezetőt hogyan lehetne besorolni ezen osztályok bármelyikébe. Ráadásul egészen a 20. század közepéig nem lehetett nagyon tiszta anyagokat beszerezni vagy létrehozni, és a természetes anyagok vezetőképességének furcsaságai mindig a szennyeződésnek tulajdoníthatók.
A fizikusok ma már rendelkeztek a kvantummechanika matematikai eszközeivel és az anyagok új osztályával, amelyre alkalmazni tudták őket. brit teoretikus 1931-ben volt az első, aki mindezt összerakta, és megépítette a félvezetők általános modelljét és működésüket.
Wilson először azzal érvelt, hogy a vezető anyagok energiasávjuk állapotában különböznek a dielektrikumoktól. A kvantummechanika azt állítja, hogy az elektronok korlátozott számú energiaszinten létezhetnek az egyes atomok héjában vagy pályáján. Ha ezeket az atomokat összepréseljük egy anyag szerkezetében, helyesebb lenne elképzelni, hogy folytonos energiazónák haladnak át rajta. A nagy energiájú sávok vezetőiben üres terek vannak, és ott az elektromos tér szabadon mozgathatja az elektronokat. A szigetelőkben a zónák ki vannak töltve, és elég hosszú az emelkedő a magasabb, vezető zónába, amin keresztül könnyebben halad az áram.
Ebből arra a következtetésre jutott, hogy a szennyeződéseknek – az anyag szerkezetében lévő idegen atomoknak – hozzá kell járulniuk az anyag félvezető tulajdonságaihoz. Vagy további elektronokat szállíthatnak, amelyek könnyen kijutnak a vezetési sávba, vagy lyukakat – az elektronok hiányát az anyag többi részéhez képest –, amelyek üres energiatereket hoznak létre, ahol a szabad elektronok mozoghatnak. Az első opciót később n-típusú (vagy elektronikus) félvezetőknek nevezték a túlzott negatív töltés miatt, a másodikat pedig p-típusú vagy lyuk félvezetőknek a túlzott pozitív töltés miatt.
Végül Wilson azt javasolta, hogy a félvezetők általi áramkiegyenlítés kvantumkvantum kifejezésekkel magyarázható. , az elektronok hirtelen ugrása egy vékony elektromos gáton keresztül egy anyagban. Az elmélet hihetőnek tűnt, de azt jósolta, hogy az egyenirányítóban az áramnak az oxidból a rézbe kell folynia, bár a valóságban ez fordítva történt.
Tehát Wilson összes áttörése ellenére a félvezetőket nehéz volt megmagyarázni. Ahogy fokozatosan világossá vált, a kristályszerkezet mikroszkópos változásai és a szennyeződések koncentrációja aránytalanul befolyásolta makroszkopikus elektromos viselkedésüket. A megértés hiányát figyelmen kívül hagyva – mivel Brown 60 évvel korábbi kísérleti megfigyeléseit senki sem tudta megmagyarázni – Brattain és Becker hatékony gyártási eljárást dolgozott ki réz-oxid egyenirányítókhoz munkaadójuk számára. A Bell System gyorsan megkezdte a vákuumcsöves egyenirányítók lecserélését az egész rendszerben egy új eszközre, amelyet mérnökeik ún. , mivel az ellenállása iránytól függően változott.
aranyérem
Mervyn Kelly fizikus, a Bell Labs vákuumcsöves részlegének korábbi vezetője nagyon érdeklődött a fejlesztés iránt. A vákuumcsövek néhány évtized leforgása alatt felbecsülhetetlen értékű szolgáltatást nyújtottak a Bellnek, és olyan funkciókat is elláttak, amelyekre a mechanikai és elektromechanikus alkatrészek előző generációja nem volt képes. De melegen futottak, rendszeresen túlmelegedtek, sok energiát fogyasztottak, és nehéz volt karbantartani. Kelly a Bell rendszerének újjáépítését tervezte megbízhatóbb és tartósabb szilárdtest-elektronikai alkatrészekkel, például varisztorokkal, amelyekhez nem volt szükség zárt, gázzal töltött vagy üres tokra vagy forró izzószálakra. 1936-ban a Bell Labs kutatási részlegének vezetője lett, és elkezdte új útra terelni a szervezetet.
Miután megszereztük a szilárdtest-egyenirányítót, a következő kézenfekvő lépés egy szilárdtest-erősítő létrehozása volt. Természetesen a csöves erősítőhöz hasonlóan egy ilyen eszköz digitális kapcsolóként is működhet. Ez különösen érdekelte Bell cégét, mivel a telefonkapcsolók még mindig rengeteg elektromechanikus digitális kapcsolót használtak. A vállalat megbízhatóbb, kisebb, energiahatékonyabb és hűvösebb vákuumcsövet keresett a telefonrendszerekben, rádiókban, radarokban és más analóg berendezésekben, ahol a gyenge jeleket az emberi fül által hallható szintre erősítik.
1936-ban a Bell Laboratories végül feloldotta a munkaerő-felvételi időszak alatt bevezetett befagyasztást . Kelly azonnal elkezdett kvantummechanikai szakértőket toborozni, hogy segítsenek elindítani szilárdtest-kutatási programját, beleértve a , egy másik nyugati parton őshonos, a kaliforniai Palo Altóból. Legutóbbi MIT disszertációjának témája tökéletesen megfelelt Kelly igényeinek: "Electron Bands in Sodium Chloride".
Brattain és Becker ez idő alatt folytatták a réz-oxid egyenirányító kutatását, és egy továbbfejlesztett szilárdtest-erősítőt kerestek. Ennek legkézenfekvőbb módja a vákuumcsővel való analógia volt. Ahogy Lee de Forest vett egy csöves erősítőt és a katód és az anód közé, Brattain és Becker pedig elképzelte, hogyan lehetne egy hálót behelyezni a réz és a réz-oxid találkozási pontjába, ahol az egyenirányításnak meg kellett történnie. Ezt azonban a réteg kis vastagsága miatt lehetetlennek találták, és nem jártak sikerrel.
Eközben más fejlemények azt mutatták, hogy nem a Bell Labs volt az egyetlen cég, aki érdeklődött a szilárdtest-elektronika iránt. 1938-ban Rudolf Hilsch és Robert Pohl publikálták a Göttingeni Egyetemen egy működő szilárdtest-erősítőn végzett kísérletek eredményeit, amelyeket úgy hoztak létre, hogy rácsot helyeztek egy kálium-bromid kristályba. Ennek a laboratóriumi berendezésnek nem volt gyakorlati értéke, főleg azért, mert 1 Hz-nél nem nagyobb frekvencián működött. És mégis, ez az eredmény nem tehetett mást, mint mindenki, aki érdeklődik a szilárdtest-elektronika iránt. Ugyanebben az évben Kelly Shockley-t egy új, független szilárdtestalapú eszközök kutatócsoportjához rendelte, és munkatársaival, Foster Nix-szel és Dean Woolridge-vel szabadlábra helyezte, hogy felfedezzék képességeiket.
Legalább két másik feltalálónak sikerült szilárdtest-erősítőt létrehoznia a második világháború előtt. 1922-ben szovjet fizikus és feltaláló publikálta a cinkit félvezetőkkel végzett sikeres kísérletek eredményeit, de munkáját a nyugati közösség nem vette észre; 1926-ban Julius Lillenfield amerikai feltaláló szabadalmat kért egy szilárdtest-erősítőre, de nincs bizonyíték arra, hogy találmánya működött volna.
Shockley új beosztásában az első jelentősebb betekintést Neville Moth brit fizikus 1938-as munkájának, a The Theory of Crystalline Rectifiers (A kristályos egyenirányítók elméletének) elolvasása közben értette meg, amely végül elmagyarázta a Grondahl réz-oxid egyenirányító működési elvét. Mott a kvantummechanika matematikáját használta arra, hogy leírja az elektromos tér kialakulását egy vezető fém és egy félvezető oxid találkozásánál, és azt, hogy az elektronok hogyan „ugrálnak” át ezen az elektromos gáton, ahelyett, hogy alagutat alakítottak volna ki, ahogy Wilson javasolta. Az áram könnyebben folyik a fémből a félvezetőbe, mint fordítva, mivel a fémben sokkal több szabad elektron van.
Ez vezette Shockley-t pontosan ugyanarra az ötletre, amelyet Brattain és Becker évekkel azelőtt fontolgattak és elutasítottak – szilárdtest-erősítőt kellett készíteni úgy, hogy réz-oxid hálót helyeztek a réz és a réz-oxid közé. Remélte, hogy a rácson átfolyó áram növeli a rézből az oxid felé áramló áramot korlátozó gátat, és a jel fordított, felerősített változatát hozza létre a hálózaton. Első nyers kísérlete teljesen kudarcot vallott, ezért egy olyan emberhez fordult, aki kifinomultabb laboratóriumi ismeretekkel rendelkezik és jártas az egyenirányítókban: Walter Brattain. És bár nem voltak kétségei az eredményt illetően, Brattain beleegyezett, hogy kielégítse Shockley kíváncsiságát, és megalkotta a „grid” erősítő egy összetettebb változatát. Nem volt hajlandó dolgozni is.
Aztán közbeszólt a háború, és Kelly új kutatási programja összezavarodott. Kelly a Bell Labs radar munkacsoportjának vezetője lett, amelyet az MIT fő amerikai radarkutató központja támogat. Brattain rövid ideig dolgozott nála, majd a tengeralattjárók mágneses detektálásával foglalkozott a haditengerészet számára. Woolridge tűzvezérlő rendszereken dolgozott, Nix a Manhattan Project gázdiffúzióján dolgozott, Shockley pedig operatív kutatásba kezdett, először az atlanti-óceáni tengeralattjáró-ellenes hadviselésen, majd a Csendes-óceánon a stratégiai bombázáson.
De ennek ellenére a háború nem állította meg a szilárdtest-elektronika fejlődését. Éppen ellenkezőleg, hatalmas erőforrás-befúvást vezetett be a területre, és a kutatás két anyagra koncentrálódott: germániumra és szilíciumra.
Mit kell még olvasni
Ernest Bruan és Stuart MacDonald, Revolution in Miniature (1978)
Friedrich Kurylo és Charles Susskind, Ferdinand Braun (1981)
G. L. Pearson és W. H. Brattain, „History of Semiconductor Research”, Proceedings of the IRE (1955. december).
Michael Riordan és Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
Forrás: will.com