További cikksorozatok:
- A relék története
- Az elektronikus számítógépek története
- A tranzisztor története
- Az internet története
Az út a szilárdtestkapcsolókhoz hosszú és bonyolult volt. Azzal kezdődött, hogy felfedezték, hogy bizonyos anyagok furcsán viselkednek az elektromosság jelenlétében – nem úgy, ahogy a korabeli elméletek megjósolták. Ezt követően egy történet következett arról, hogyan vált a XX. századra a technológia egyre inkább tudományos és intézményi diszciplínává. Az amatőrök, újoncok és professzionális feltalálók, akik szinte teljesen tudományos képzettség nélkül, komoly hozzájárulásokat tettek a távíró, telefon és rádió kialakulásához. De, ahogy látni fogjuk, szinte minden előrelépés a szilárdtest-elektronika történetében tudósok révén történt, akik egyetemeken tanultak (és általában fizikai doktori fokozattal rendelkeztek), és egyetemekhez vagy vállalati kutató laboratóriumokhoz tartoztak.
Bárki, aki hozzáfér egy műhelyhez és alapszintű anyagkezelési készségekkel rendelkezik, össze tud állítani egy relét vezetékekből, fémből és fából. Az elektroncsövek előállításához viszont specializáltabb eszközök szükségesek, amelyek képesek üvegballon létrehozására és a levegő kiürítésére belőle. A szilárdtestes eszközök viszont egy nyúlüregbe tűntek, ahonnan a digitális kapcsoló sosem tért vissza, és egyre mélyebbre süllyedtek olyan világokba, amelyeket csak elvont matematikai fogalmak értenek, és amelyekhez csak elképesztően drága berendezések révén lehetett hozzáférni.
Galénit
1874-ben , a 24 éves fizikus a Szent Tamás Iskolából Lipcsében, publikálta pályafutása során számos fontos tudományos munka elsőjét. A "Fém-szulfidokon áthaladó elektromos áramokról" című munkáját a Pogendorff’s Annalen című, a természettudományoknak szentelt neves folyóiratban fogadták el. A unalmas cím ellenére, Braun munkája több lenyűgöző és rejtélyes kísérleti eredményt írt le.
Ferdinand Braun
Braunt a szulfidok, a kén és fémek vegyületeiből álló ásványi kristályok, lenyűgözték az . 1833-ban Michael Faraday megjegyezte, hogy az ezüst-szulfid vezetőképessége nő a hőmérséklettel, ami teljesen ellentétes a fémvezetők viselkedésével. Gitthorff alapos mennyiségi jelentést készített ennek a hatásnak a méréseiről az 1850-es években, mind az ezüst, mind a réz szulfidjaira vonatkozóan. Most Brown, egy ügyes kísérleti berendezést használva, amely fémtartót préselt a szulfid kristályhoz egy rugóval, hogy jó kapcsolatot biztosítson, valami még furcsábbat fedezett fel. A kristályok vezetőképessége az iránytól függött – például az áram jól áramolhatott egy irányban, de ha megfordították az akkumulátor polaritását, az áram hirtelen drasztikusan csökkenhetett. A kristályok egy irányban inkább fémvezetők (mint a normál fémek), míg a másik irányban inkább szigetelők (mint az üveg vagy a gumi) voltak. Ezt a tulajdonságot egyenirányításnak nevezték el, mivel képes volt „kanyargós” váltakozó áramot „síkká” átalakítani, állandó árammá.
Körülbelül ebben az időben a kutatók felfedeztek más furcsa tulajdonságokat is az olyan anyagoknál, mint a szelén, amelyet bizonyos fém-szulfid ércekből lehetett kiolvasztani. A fény hatására a szelén növelte a vezetőképességet, sőt, elkezdett áramot generálni, és használható volt egyenirányításra is. Volt-e valamilyen összefüggés a szulfid kristályokkal? Elméleti modellek hiányában, amelyek magyarázni tudták volna az eseményeket, zűrzavar uralkodott ezen a területen.
Az elmélet hiánya azonban nem állította meg a gyakorlati alkalmazások kísérleteit. Az 1890-es évek végén Brown a Strasbourg Egyetem professzora lett – amelyet nemrég a Franciától annektáltak és átnevezték Vilmos Császár Egyetemének. Ott a rádiótávírás izgalmas új világába merült. Elfogadta egy vállalkozói csoport javaslatát egy vezeték nélküli kommunikációs rendszer közös létrehozására, amely vízen keresztüli rádióhullámok átvitelére alapozott. Azonban ő és a társai hamarosan feladták az eredeti ötletet a jelek légies átvitele érdekében, amelyet Marconi és mások használtak.
Brown csoportja által javítani kívánt rádió aspektusai közé tartozott a korabeli standard vevőkészülék, Ez a tény alapján készült, hogy a rádióhullámok fémforgácsokat csomóba vonzanak, ami lehetővé tette, hogy az áram a elemről átfolyjon a jelzőberendezéshez. Működött, de a rendszer csak viszonylag erős jelekre reagált, és a fémforgácsok szétszedéséhez folyamatosan ütni kellett a készüléket. Brown emlékezett régi kísérleteire a szulfid-kristályokkal, és 1899-ben újra létrehozta régi kísérleti berendezését azzal a céllal, hogy vezeték nélküli jelek detektoraként szolgáljon. Az egyenirányító hatást arra használta, hogy a rádióhullámok által létrehozott apró, rezgő áramot állandó árammá alakítsa, amely táplálhatott egy kis hangszórót, amely hallható kattanásokat adott ki minden pontra vagy vonásra. Ezt a készüléket később "" -nek hívták, a drót kinézete miatt, amely könnyen érintkezett a kristály tetejével. Brit Indiában (ahol ma Banglades található) Jagadish Bose tudós és feltaláló hasonló készüléket épített, talán már 1894-ben. Hamarosan mások is elkezdtek hasonló detektorokat készíteni szilícium és karborundum (szilícium-karbid) alapjain.
De valójában , a ólomszulfid, amelyet ősidők óta olvasztanak az ólom előállítására, a kristályos detektorok preferált anyagává vált. Ezek elkészítése egyszerű és olcsó volt, így elképesztően népszerűvé váltak a korai rádiórajongók körében. Továbbá, a bináris kogerához képest (amelynek fémforgácsai vagy csomóba álltak, vagy nem), a kristályos egyenirányító folyamatos jelet tudott reprodukálni. Ezért képes volt olyan hangok átjátszására, amit a fül hallani tudott, például beszédet és zenét, nem csak a Morse-ábécét pontokkal és vonásokkal.
A galenit alapú "macskaborostyán" detektor. Az alján lévő kicsi drót, az a bajusz, míg a lent látható ezüstös anyag darab – a galenit kristály.
Azonban, ahogy a csalódott rádióamatőrök hamarosan felfedezték, a varázslatos pont keresése a kristály felszínén, amely jó egyenirányítást biztosított, perceket vagy akár órákat is igénybe vehetett. Az erősítés nélküli jelek gyengék voltak, és fémes zúgással rendelkeztek. Az 1920-as évekre a triódás erősítőkkel rendelkező elektroncsöves vevők gyakorlatilag kiszorították a kristály detektorokat szinte mindenhol. Csak az olcsóságuk maradt vonzó tulajdonságuk.
Ez a rádióvevők arénájában tett rövid megjelenés úgy tűnt, hogy a Brown és mások által felfedezett anyag furcsa elektromos tulajdonságainak gyakorlati alkalmazásának határvonalát jelenti.
Réz-oxid
Aztán az 1920-as években egy másik fizikus, Lars Grondahl, furcsa dolgot fedezett fel kísérleti berendezése segítségével. Grondahl, az amerikai nyugat történetének első sorozatának okos és nyugtalan férfija, egy építőmérnök fiaként született. Apja, aki Norvégiából emigrált az 1880-as években, évtizedeken át dolgozott a kaliforniai, oregoni és washingtoni vasutakon. Eleinte Grondahl úgy tűnt, hogy otthagyja apja mérnöki világát, és a Johns Hopkins Intézetbe ment, hogy doktorátust szerezzen fizikából, hogy akadémiai pályára lépjen. De később ő is bevonódott a vasúti üzletbe, és a Union Switch and Signal, az ipari óriás leányvállalata kutatási igazgatójaként dolgozott. , amely a vasúti ipar számára szállított berendezéseket.
Különböző forrásokban ellentmondásos okokat említenek, amelyek Grondahlt kutatásaira motiválták, de bárhogyan is legyen, elkezdett kísérletezni az egyik oldalán felmelegített rézkörökkel, hogy oxidált réteget hozzon létre. Munkája során észrevette a megfelelő irányú áram aszimmetriáját - az ellenállás egy irányban háromszorosa volt a másik irányban mértnek. A réz és réz-oxid lemez egyenirányította az áramot, pontosan úgy, mint a szulfid kristály.
Réz-oxid egyenirányító áramkör
A következő hat évben Grondal ezen jelenség alapján kereskedelmi forgalomra kész egyenirányítót fejlesztett ki, Paul Geiger amerikai kutató segítségével, később pedig bejelentette felfedezését az Amerikai Fizikai Társaság előtt 1926-ban. Az eszköz azonnal kereskedelmi sláger lett. A törékeny szálak hiánya miatt sokkal megbízhatóbb volt, mint a Fleming-elvén alapuló elektroncsővel működő egyenirányítók, és olcsóbb volt a gyártása. Ellentétben a brauniai kristály-e egyenirányítókkal, ez első próbálkozásra működött, és a nagyobb fémtartó és oxid felület miatt szélesebb tartományban kezelt áramokat és feszültségeket. Akkumulátorok töltésére, jelek detektálására különböző elektromos rendszerekben, és biztonsági átkapcsolásként is működött erőteljes generátorokban. Fotodiódaként használva a lemezek fénymérésekre is alkalmasak voltak, és különösen hasznosak voltak a fényképezésben. Más kutatók körülbelül ekkoriban szelén alapú egyenirányítókat fejlesztettek, amelyek hasonló alkalmazásokat találtak.
Réz-oxid alapú egyenirányítók halmaza. Több lemezből készült szerkezet növelte a visszaható ellenállást, így magas feszültségen is használható volt.
Néhány év múlva két fizikus a Bell Laboratories-ből, Joseph Becker és , úgy döntött, hogy megvizsgálják a réz egyenirányító működési elvét – érdekli őket, hogyan működik, és hogyan használható a Bell Systemnél.
Brattain idősebb korában – kb. 1950
Brattain ugyanabból a régióból származott, mint Grondal, a Csendes-óceán északnyugati részén, ahol egy farmon nőtt fel, néhány kilométerre a kanadai határtól. A középiskolai évek alatt a fizika iránti érdeklődése fokozódott, és tehetsége is megnyilvánult ezen a területen; végül 1920-as évek végén a Minnesota Egyetemen doktorált, és 1929-ben a Bell Laboratories-hez került. Mások mellett az egyetemen a legújabb elméleti fizikát tanulmányozta, amely Európában népszerűvé vált, és kvantummechanikának hívták (tutora , aki John Atanasovot is tanította).
Kvantumforradalom
Az új elméleti platform az utolsó három évtized során lassan fejlődött, és idővel képes lesz magyarázni azokat a furcsa jelenségeket, amelyeket évek óta megfigyeltek olyan anyagokban, mint a galenit, a szelén és a réz-oxid. Egy egész csoport döntően fiatal fizikussal, főként Németországból és szomszédos országokból, kvantumfordulót idézett elő a fizikában. Mindenhol, ahová csak néztek, nem a sima és folytonos világot találták, amiről tanították őket, hanem furcsa diszkrét golyócskákat.
Minden az 1890-es években kezdődött. Max Planck, a Berlini Egyetem legismertebb professzora, úgy döntött, hogy foglalkozik egy híres megoldatlan problémával: hogyan is(az a tökéletes anyag, amely minden energiát elnyel és nem tükröz vissza) sugároz elektromágneses spektrumon belül? Különféle modelleket próbáltak ki, de egyik sem felelt meg a kísérleti eredményeknek – vagy az egyik, vagy a másik spektrum végén nem tudtak helytállni. Planck felfedezte, hogy ha feltételezzük, hogy az energia kisebb „csomagokban”, diszkrét mennyiségben kerül kibocsátásra, akkor fel lehet írni egy egyszerű összefüggést a frekvencia és az energia között, amely tökéletesen megfelel az empirikus eredményeknek.
Nem sokkal ezután Einstein felfedezte, hogy ez ugyanúgy igaz a fény elnyelésére (az első utalás a fotonokra), míg J. J. Thomson megmutatta, hogy az áramlás nem folyamatos folyadék vagy hullám által, hanem diszkrét részecskék – elektronok – révén történik. Ezután Niels Bohr létrehozott egy modellt, amely megmagyarázta, hogyan bocsátanak ki sugárzást az izgatott atomok, az elektrónoknak különböző pályákat rendelve az atomon belül, mindegyik saját energiával. Azonban ez a megnevezés félrevezető, mivel az elektronok viselkedése egyáltalán nem hasonlít a bolygók pályájára – Bohr modelljében az elektronok azonnal átugrottak egyik pályáról vagy energiaszintről a másikra úgy, hogy nem haladtak át köztes állapoton. Végül, az 1920-as években, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Born és mások létrehoztak egy általános matematikai platformot, amelyet kvantummechanikának neveznek, amely tartalmazta az összes különleges kvantum modellt, amelyet az előző húsz év során kidolgoztak.
Ekkorra a fizikák már biztosak voltak abban, hogy olyan anyagok, mint a szelén és a galenit, amelyek fotokatalitikus és egyenirányító tulajdonságokat mutatnak, egy különálló anyagkategóriába tartoznak, amelyet félvezetőknek neveztek el. A besorolás sok időt vett igénybe több okból. Először is, maguk a "vezetők" és "szigetelők" kategóriák meglehetősen szélesek voltak. Az úgynevezett "vezetők" vezetőképességükben rendkívül eltértek, ugyanilyen (kisebb mértékben) igaz volt a szigetelőkre is, és nem volt egyértelmű, hogyan lehet egy adott vezetőt egy ezek közül bármelyik osztályba sorolni. Ráadásul a XX. század közepe előtt lehetetlen volt nagyon tiszta anyagokat előállítani vagy létrehozni, és a természetes anyagok vezetőképességének bármilyen szokatlanságát mindig a szennyeződésre lehetett visszavezetni.
Most a fizikák rendelkezésére álltak a kvantummechanika matematikai eszközei, valamint egy új anyagkategória, amelyre alkalmazhatták őket. Az brit elméleti először egyesítette mindezt, és 1931-ben egy általános modellt alkotott a félvezetőkről és működési elvükről.
Wilson eleinte azt állította, hogy a vezető anyagok eltérnek a dielektromosoktól az energiasávok állapotában. A kvantummechanika azt állítja, hogy az elektronok egy korlátozott számú energiaszinten létezhetnek, amelyek az egyes atomok héjaira vagy orbitálisaira jellemzők. Ha ezeket az atomokat összeszorítjuk egy anyag felépítésében, akkor helyesebb úgy gondolni, hogy folyamatos energiasávok haladnak át rajta. A vezetők magas energiasávjaiban üres helyek vannak, és az elektromos mező szabadon képes oda mozgatni az elektronokat. A szigetelők zónái telítettek, és a magasabb, vezető zónához, amelyen az áram könnyen haladhat, viszonylag messze kell mászni.
Ez arra a következtetésre juttatta, hogy a szennyeződések – idegen atomok az anyag struktúrájában – hozzájárulhatnak a félvezető tulajdonságaihoz. Ezek vagy extra elektronokat szolgáltathatnak, amelyek könnyen bejutnak a vezetési sávba, vagy rést – elektronok hiányát a többi anyaghoz képest – ami üres energetikai helyeket teremt, ahová a szabad elektronok mozoghatnak. Az első lehetőséget később n-típusú (vagy elektronikus) félvezetőknek nevezték, mivel felesleges negatív töltést hordoznak, míg a másodikat p-típusú, vagy réstípusú félvezetőknek – a felesleges pozitív töltés miatt.
Végül Wilson azt javasolta, hogy a félvezetők által végzett áramegyenesítés magyarázható a kvantum , amely az elektronok hirtelen ugrását jelenti egy vékony elektromos gát felett az anyagban. A teória elképzelhetőnek tűnt, de azt jósolta, hogy az áram a rézből az oxid felé kellene, hogy áramoljon, míg a valóságban éppen ellenkezőleg történt.
Így, Wilson minden áttörése ellenére a félvezetők magyarázata továbbra is bonyolult maradt. Ahogy fokozatosan világossá vált, a kristályszerkezet mikroszkopikus változásai és a szennyeződés koncentrációja aránytalanul erősen befolyásolta a makroszkopikus elektromos viselkedésüket. Figyelmen kívül hagyva a megértés hiányát – mivel senki nem tudta megmagyarázni a 60 évvel korábban Brown által végzett kísérleti megfigyeléseket – Brattain és Becker hatékony gyártási folyamatot dolgozott ki rezet oxidáló egyenirányítók számára munkáltatójának. A Bell System gyorsan kezdte cserélni az elektroncsöves egyenirányítókat az egész rendszerben egy új eszközre, amelyet mérnökeik neveztek, mivel az ellenállása a folyás irányától függően változott.
Aranyérem
Mervin Kelly, fizikus és volt a Bell Laboratórium elektroncsövekkel foglalkozó osztályának vezetője, nagyon érdeklődött ezen fejlesztés iránt. Évtizedek alatt az elektroncsövek felbecsülhetetlen szolgálatot tettek a Bell számára, és olyan funkciókat láttak el, amelyek a korábbi mechanikus és elektromechanikus alkatrészek számára nem voltak elérhetők. De komolyan felmelegedtek, gyakran túlmelegedtek, sok energiát fogyasztottak és bonyolultak voltak a karbantartásuk. Kelly újra akarta építeni a Bell rendszerét megbízhatóbb és strapabíróbb szilárdtest-elektronikus alkatrészek, például varisztorok alapjára, amelyekhez nem szükségesek sem hermetikusan zárt, gázosított házak, sem izzó szálak. 1936-ban ő lett a Bell Laboratórium kutatási osztályának vezetője, és elkezdte az intézmény irányításának átalakítását.
Miután elkészítette a szilárdtest-diodát, a következő nyilvánvaló lépés egy szilárdtest-erősítő létrehozása volt. Természetesen, akárcsak a csöves erősítő, ez a készülék digitális kapcsolóként is működhetett. Ez különösen érdekelte a Bell céget, mivel a telefonos hálózatokban még mindig hatalmas mennyiségű elektromechanikus digitális kapcsoló működött. A vállalat megbízhatóbb, kompaktabb, energiahatékonyabb és hűvösebb alternatívát keresett az elektroncső helyettesítésére telefonrendszerekben, rádióvevőkben, radaron és egyéb analóg berendezésekben, ahol azokat a gyenge jelek emberi fül számára hallható szintre történő erősítésére használták.
1936-ban a Bell Laboratórium végre feloldotta a személyzet felvételére vonatkozó tilalmat, amelyet a idején vezettek be. Kelly azonnal nekiállt szakértőket felvenni a kvantummechanika területéről, hogy segítsenek elindítani a szilárdtest-eszközökre irányuló kutatási programját, akárcsak , még egy Palo Altóból (Kalifornia) származó szakember. A MIT-nél nemrégiben elkészült disszertációja tökéletesen illeszkedett Kelly igényeihez: „Elektronikus zónák nátrium-kloridban.”
Brattain és Becker eközben folytatták a réz-oxidos egyenirányító kutatásukat, hogy fejlettebb szilárdtest erősítőt állítsanak elő. A legnyilvánvalóbb módszer ennek megvalósítására a vákuumcső analógiája szerint haladni volt. Ahogyan Lee de Forest vette a csöves erősítőt és a katód és az anód között, úgy Brattain és Becker is elképzelték, hogyan lehetne a rácsot a réz és a réz-oxid érintkezési pontjába helyezni, ahol feltételezhetően az egyenirányítás történik. Azonban a vékony réteg miatt lehetetlennek tartották ezt megvalósítani, és nem jártak sikerrel.
Miközben más fejlesztések azt mutatták, hogy a Bell Laboratórium nem volt az egyetlen cég, amely a szilárdtest elektronika iránt érdeklődött. 1938-ban Rudolf Hilb és Robert Paul közzétették a Göttingeni Egyetemen végzett kísérleteik eredményeit egy működő szilárdtest erősítőről, amelyet a rács beépítésével hoztak létre a kálium-bromid kristályába. Ennek a laboratóriumi eszköznek gyakorlati értéke nem volt – főleg, mert legfeljebb 1 Hz frekvencián működött. Mégis ez az eredmény örömmel töltötte el mindazokat, akik a szilárdtest elektronikát érdeklik. Ugyanebben az évben Kelly Shockley-t a szilárdtest eszközök új független kutatócsoportjába sorolta, és szabadkezet adott neki és kollégáinak – Foster Nix-nek és Dean Woolridge-nek – a lehetőségeik tanulmányozásához.
Legalább még két feltaláló képes volt szilárdtest erősítők készítésére a második világháború előtt. 1922-ben a szovjet fizikus és feltaláló közzétette a cink-oxid félvezetőkkel végzett sikeres kísérleteinek eredményeit, azonban munkái elkerülték a nyugati közösség figyelmét; 1926-ban az amerikai feltaláló Julius Lilienfeld szabadalmi kérelmet nyújtott be egy szilárdtest erősítőre, de nincs bizonyíték az ő találmányának működőképességére.
A Shockley első főként világossága az új pozíciójában akkor született, amikor elolvasta Neville Mott brit fizikus "Kristályos egyenirányítók elmélete" című 1938-as munkáját, amely végre magyarázatot adott a Grondal réz-oxid alapú egyenirányító működési elvére. Mott a kvantummechanika matematikáját felhasználva írta le az elektromos mező kialakulását a vezető fém és a félvezető oxid határán, valamint azt, hogy az elektronok hogyan "ugranak" át ezen az elektromos akadályon, ahelyett, hogy alagútnak, mint Wilson javasolta. Az áram könnyebben áramlik a fémből a félvezetőbe, mint fordítva, mivel a fémnek sokkal több szabad elektronja van.
Ez pontosan arra az ötletre vezette Shockley-t, amelyet Brattain és Becker sok évvel korábban elvetett - egy szilárdtest-erősítő készítése, úgy, hogy rézből és réz-oxidból készült rácsot helyeztek el. Remélte, hogy a rács által vezetett áram növeli az elektromos akadályt, amely a fémből az oxidba folytatódik, így létrehozva a rács megerősített, inverz változatát a jelnek. Az első durva próbálkozása teljesen meghiúsult, ezért egy olyan emberhez fordult, aki kifinomultabb laboratóriumi készségekkel rendelkezett és jól ismerte az egyenirányítók működését – Walter Brattainhez. És bár nem volt kétsége az eredménnyel kapcsolatban, Brattain beleegyezett, hogy kielégítse Shockley kíváncsiságát, és létrehozott egy összetettebb változatot a "rácsos" erősítőből. Ez is megbukott.
Ezt követően beavatkozott a háború, amely káoszba taszította Kelly új kutatási programját. Kelly a Bell Laboratóriumok radar munkacsoportjának élére került, amely az Egyesült Államok legfőbb radar-kutató központjának, az MIT-nek a támogatásával működött. Brattain rövid ideig dolgozott nála, majd a haditengerészet megbízásából tengeralattjárók mágneses észlelésével foglalkozott. Woolridge a tűzvezetési rendszereken dolgozott, Nix a Manhattan Projekt gázdiffúzióval, míg Shockley operációs kutatásokra lépett, először az Atlanti-óceáni tengeralattjárók elleni küzdelemben, majd a csendes-óceáni stratégiai bombázások során.
Ennek ellenére a háború nem állította meg a szilárdtest-elektronika fejlődését. Éppen ellenkezőleg, hatalmas erőforrás-beáramlást generált ezen a területen, és a kutatások összpontosítását két anyagra irányította: germániumra és szilíciumra.
Mit olvass még
Ernest Bruan és Stuart MacDonald, Forradalom a Miniatűrökben (1978)
Friedrich Kurylo és Charles Susskind, Ferdinand Braun (1981)
G. L. Pearson és W. H. Brattain, "A félvezető kutatás története," Proceedings of the IRE (1955. december).
Michael Riordan és Lillian Hoddeson, Kristálytűz (1997)
Forrás: habr.com
