Artikel lain dalam seri ini:
- Relai cerita
- Sejarah komputer elektronik
- Sejarah transistor
- sejarah internet
Wadah perang menjadi landasan bagi munculnya transistor. Dari tahun 1939 hingga 1945, pengetahuan teknis di bidang semikonduktor berkembang pesat. Dan ada satu alasan sederhana untuk ini: radar. Teknologi perang yang paling penting, contohnya antara lain: mendeteksi serangan udara, mencari kapal selam, mengarahkan serangan udara malam hari ke sasaran, menyasar sistem pertahanan udara dan senjata angkatan laut. Para insinyur bahkan telah mempelajari cara memasukkan radar kecil ke dalam peluru artileri sehingga meledak saat terbang mendekati sasaran - . Namun, sumber teknologi militer baru yang kuat ini berasal dari bidang yang lebih damai: studi tentang atmosfer bagian atas untuk tujuan ilmiah.
Radar
Pada tahun 1901, Perusahaan Telegraf Nirkabel Marconi berhasil mengirimkan pesan nirkabel melintasi Atlantik, dari Cornwall ke Newfoundland. Fakta ini telah membawa ilmu pengetahuan modern ke dalam kebingungan. Jika transmisi radio berjalan dalam garis lurus (sebagaimana mestinya), transmisi seperti itu tidak mungkin dilakukan. Tidak ada garis pandang langsung antara Inggris dan Kanada yang tidak melintasi Bumi, sehingga pesan Marconi harus terbang ke luar angkasa. Insinyur Amerika Arthur Kennealy dan fisikawan Inggris Oliver Heaviside secara bersamaan dan independen mengusulkan bahwa penjelasan fenomena ini harus dikaitkan dengan lapisan gas terionisasi yang terletak di bagian atas atmosfer, yang mampu memantulkan gelombang radio kembali ke Bumi (Marconi sendiri percaya bahwa gelombang radio mengikuti kelengkungan permukaan bumi, namun fisikawan tidak mendukungnya).
Pada tahun 1920-an, para ilmuwan telah mengembangkan peralatan baru yang memungkinkan pembuktian keberadaan ionosfer terlebih dahulu dan kemudian mempelajari strukturnya. Mereka menggunakan tabung vakum untuk menghasilkan gelombang radio pendek, antena pengarah untuk mengirimnya ke atmosfer dan merekam gema, dan untuk mendemonstrasikan hasilnya. Semakin lama penundaan gema, semakin jauh jarak ionosfer. Teknologi ini disebut atmosferik, dan menyediakan infrastruktur teknis dasar untuk pengembangan radar (istilah "radar", dari RAdio Detection And Ranging, baru muncul pada tahun 1940-an di Angkatan Laut AS).
Hanya masalah waktu sebelum orang-orang dengan pengetahuan, sumber daya, dan motivasi yang tepat menyadari potensi penerapan peralatan tersebut di bumi (dengan demikian, sejarah radar adalah kebalikan dari sejarah teleskop, yang pertama kali ditujukan untuk penggunaan di bumi) . Dan kemungkinan adanya wawasan seperti itu meningkat seiring dengan semakin banyaknya penyebaran radio ke seluruh planet ini, dan semakin banyak orang yang menyadari adanya gangguan yang datang dari kapal, pesawat terbang, dan objek besar lainnya di dekatnya. Pengetahuan tentang teknologi suara atmosfer atas menyebar dalam hitungan detik (1932-1933), ketika para ilmuwan menyusun peta ionosfer dari berbagai stasiun Arktik. Segera setelah itu, tim di Inggris, Amerika Serikat, Jerman, Italia, Uni Soviet, dan negara-negara lain mengembangkan sistem radar paling sederhana.
dengan radar tahun 1935 miliknya
Lalu terjadilah perang, dan pentingnya radar bagi suatu negara—dan sumber daya untuk mengembangkannya—meningkat secara dramatis. Di Amerika Serikat, sumber daya ini dikumpulkan di sekitar organisasi baru yang didirikan pada tahun 1940 di MIT, yang dikenal sebagai (dinamakan demikian secara khusus untuk menyesatkan mata-mata asing dan menciptakan kesan bahwa radioaktivitas sedang dipelajari di laboratorium - pada saat itu hanya sedikit orang yang percaya pada bom atom). Proyek Rad Lab, yang tidak setenar Proyek Manhattan, tetap merekrut fisikawan yang sama-sama berprestasi dan berbakat dari seluruh Amerika Serikat ke dalam jajarannya. Lima karyawan pertama laboratorium (termasuk и ) kemudian menerima Hadiah Nobel. Pada akhir perang, sekitar 500 doktor sains, ilmuwan dan insinyur bekerja di laboratorium, dan total 4000 orang bekerja. Setengah juta dolar—sebanding dengan seluruh anggaran ENIAC—dihabiskan untuk Seri Laboratorium Radiasi saja, sebuah catatan sebanyak dua puluh tujuh jilid yang berisi semua pengetahuan yang diperoleh dari laboratorium selama perang (walaupun pengeluaran pemerintah AS untuk teknologi radar tidak dibatasi. dengan anggaran Rad Lab; selama perang pemerintah membeli radar senilai tiga miliar dolar).
Gedung MIT 20, tempat Rad Lab berada
Salah satu bidang penelitian utama Rad Lab adalah radar frekuensi tinggi. Radar awal menggunakan panjang gelombang yang diukur dalam meter. Namun pancaran frekuensi lebih tinggi dengan panjang gelombang diukur dalam sentimeter—gelombang mikro—memungkinkan antena lebih kompak dan lebih sedikit tersebar dalam jarak jauh, sehingga menjanjikan keuntungan lebih besar dalam jangkauan dan akurasi. Radar gelombang mikro bisa dipasang di hidung pesawat dan mendeteksi objek seukuran periskop kapal selam.
Yang pertama memecahkan masalah ini adalah tim fisikawan Inggris dari Universitas Birmingham. Pada tahun 1940 mereka mengembangkan "“, yang bekerja seperti “peluit” elektromagnetik, mengubah gelombang listrik acak menjadi pancaran gelombang mikro yang kuat dan disetel dengan tepat. Pemancar gelombang mikro ini seribu kali lebih kuat dibandingkan pesaing terdekatnya; itu membuka jalan bagi pemancar radar frekuensi tinggi yang praktis. Namun, ia membutuhkan pendamping, penerima yang mampu mendeteksi frekuensi tinggi. Dan pada titik ini kita kembali ke sejarah semikonduktor.
Penampang magnetron
Kedatangan kumis kucing yang kedua
Ternyata tabung vakum sama sekali tidak cocok untuk menerima sinyal radar gelombang mikro. Kesenjangan antara katoda panas dan anoda dingin menciptakan kapasitansi, menyebabkan rangkaian menolak beroperasi pada frekuensi tinggi. Teknologi terbaik yang tersedia untuk radar frekuensi tinggi adalah teknologi kuno."- sepotong kecil kawat ditekan pada kristal semikonduktor. Beberapa orang telah menemukan hal ini secara independen, namun hal yang paling dekat dengan cerita kami adalah apa yang terjadi di New Jersey.
Pada tahun 1938, Bell Labs mengontrak Angkatan Laut untuk mengembangkan radar pengendali tembakan dalam jangkauan 40 cm—jauh lebih pendek, dan oleh karena itu frekuensinya lebih tinggi, dibandingkan radar yang ada di era magnetron pra-resonansi. Pekerjaan penelitian utama dilakukan di divisi laboratorium di Holmdel, selatan Staten Island. Tidak butuh waktu lama bagi para peneliti untuk mengetahui apa yang mereka perlukan untuk penerima frekuensi tinggi, dan tak lama kemudian insinyur George Southworth menjelajahi toko-toko radio di Manhattan untuk mencari detektor kumis kucing tua. Seperti yang diharapkan, ini bekerja jauh lebih baik daripada detektor lampu, tapi tidak stabil. Jadi Southworth mencari ahli elektrokimia bernama Russell Ohl dan memintanya mencoba meningkatkan keseragaman respons detektor kristal titik tunggal.
Ol adalah orang yang agak aneh, yang menganggap perkembangan teknologi sebagai takdirnya, dan berbicara tentang wawasan berkala serta visi masa depan. Misalnya, dia menyatakan bahwa pada tahun 1939 dia mengetahui tentang penemuan penguat silikon di masa depan, tetapi takdir telah ditentukan bagi orang lain untuk menciptakannya. Setelah mempelajari banyak pilihan, dia memilih silikon sebagai bahan terbaik untuk receiver Southworth. Masalahnya adalah kemampuan mengontrol isi material untuk mengontrol sifat listriknya. Pada saat itu, ingot silikon industri tersebar luas, digunakan di pabrik baja, namun dalam produksi seperti itu tidak ada yang terganggu oleh, katakanlah, kandungan 1% fosfor dalam silikon. Dengan meminta bantuan beberapa ahli metalurgi, Ol berangkat untuk mendapatkan blanko yang jauh lebih bersih daripada yang mungkin dilakukan sebelumnya.
Saat mereka bekerja, mereka menemukan bahwa beberapa kristal mereka memperbaiki arus di satu arah, sementara yang lain memperbaiki arus di arah lain. Mereka menyebutnya "tipe-n" dan "tipe-p". Analisis lebih lanjut menunjukkan bahwa berbagai jenis pengotor bertanggung jawab atas jenis-jenis ini. Silikon berada di kolom keempat tabel periodik, artinya ia memiliki empat elektron di kulit terluarnya. Dalam blanko silikon murni, masing-masing elektron ini akan bergabung dengan elektron tetangganya. Kotoran dari kolom ketiga, misalnya boron, yang memiliki satu elektron lebih sedikit, menciptakan “lubang”, ruang tambahan untuk pergerakan arus dalam kristal. Hasilnya adalah semikonduktor tipe-p (dengan muatan positif berlebih). Unsur-unsur dari kolom kelima, seperti fosfor, menyediakan elektron bebas tambahan untuk membawa arus, dan diperoleh semikonduktor tipe-n.
Struktur kristal silikon
Semua penelitian ini sangat menarik, tetapi pada tahun 1940 Southworth dan Ohl belum bisa menciptakan prototipe radar frekuensi tinggi yang berfungsi. Pada saat yang sama, pemerintah Inggris menuntut hasil praktis segera karena ancaman dari Luftwaffe, yang telah menciptakan detektor gelombang mikro siap produksi yang bekerja bersama-sama dengan pemancar magnetron.
Namun, keseimbangan kemajuan teknologi akan segera mengarah ke sisi barat Atlantik. Churchill memutuskan untuk mengungkapkan semua rahasia teknis Inggris kepada Amerika sebelum dia benar-benar memasuki perang (karena dia berasumsi hal ini akan tetap terjadi). Dia percaya bahwa risiko kebocoran informasi sepadan, karena semua kemampuan industri Amerika Serikat akan digunakan untuk memecahkan masalah seperti senjata atom dan radar. Misi Sains dan Teknologi Inggris (lebih dikenal sebagai ) tiba di Washington pada bulan September 1940 dan membawa di dalam kopernya hadiah berupa keajaiban teknologi.
Penemuan kekuatan luar biasa dari magnetron resonansi dan efektivitas detektor kristal Inggris dalam menerima sinyalnya merevitalisasi penelitian Amerika terhadap semikonduktor sebagai dasar radar frekuensi tinggi. Ada banyak pekerjaan yang harus dilakukan, terutama di bidang ilmu material. Untuk memenuhi permintaan, kristal semikonduktor “harus diproduksi dalam jumlah jutaan, jauh lebih banyak daripada yang mungkin dilakukan sebelumnya. Hal ini diperlukan untuk meningkatkan rektifikasi, mengurangi sensitivitas guncangan dan burn-in, serta meminimalkan variasi antara kumpulan kristal yang berbeda.”
Penyearah Kontak Titik Silikon
Rad Lab telah membuka departemen penelitian baru untuk mempelajari sifat-sifat kristal semikonduktor dan bagaimana kristal tersebut dapat dimodifikasi untuk memaksimalkan sifat penerima yang berharga. Bahan yang paling menjanjikan adalah silikon dan germanium, sehingga Rad Lab memutuskan untuk bermain aman dan meluncurkan program paralel untuk mempelajari keduanya: silikon di Universitas Pennsylvania dan germanium di Purdue. Raksasa industri seperti Bell, Westinghouse, Du Pont, dan Sylvania memulai program penelitian semikonduktor mereka sendiri dan mulai mengembangkan fasilitas manufaktur baru untuk detektor kristal.
Melalui upaya bersama, kemurnian kristal silikon dan germanium ditingkatkan dari 99% pada awalnya menjadi 99,999% - yaitu, menjadi satu partikel pengotor per 100 atom. Dalam prosesnya, sekelompok ilmuwan dan insinyur mengenal secara dekat sifat-sifat abstrak germanium dan silikon serta menerapkan teknologi untuk mengendalikannya: peleburan, pertumbuhan kristal, penambahan pengotor yang diperlukan (seperti boron, yang meningkatkan konduktivitas).
Dan kemudian perang berakhir. Permintaan akan radar menghilang, tetapi pengetahuan dan keterampilan yang diperoleh selama perang tetap ada, dan impian akan amplifier solid-state tidak dilupakan. Sekarang perlombaannya adalah menciptakan amplifier seperti itu. Dan setidaknya ada tiga tim yang berada dalam posisi bagus untuk memenangkan hadiah ini.
Lafayette Barat
Yang pertama adalah kelompok dari Universitas Purdue yang dipimpin oleh fisikawan kelahiran Austria bernama Carl Lark-Horowitz. Dia sendirian membawa departemen fisika universitas keluar dari ketidakjelasan melalui bakat dan pengaruhnya dan mempengaruhi keputusan Rad Lab untuk mempercayakan laboratoriumnya dengan penelitian germanium.
Carl Lark-Horowitz pada tahun 1947, tengah, memegang pipa
Pada awal tahun 1940-an, silikon dianggap sebagai bahan terbaik untuk penyearah radar, namun bahan yang berada tepat di bawahnya pada tabel periodik juga tampak layak untuk dipelajari lebih lanjut. Germanium memiliki keunggulan praktis karena titik lelehnya yang lebih rendah, sehingga lebih mudah untuk dikerjakan: sekitar 940 derajat, dibandingkan 1400 derajat untuk silikon (hampir sama dengan baja). Karena titik lelehnya yang tinggi, sangat sulit untuk membuat blanko yang tidak bocor ke dalam silikon cair, sehingga mencemarinya.
Oleh karena itu, Lark-Horowitz dan rekan-rekannya menghabiskan seluruh perang untuk mempelajari sifat kimia, listrik, dan fisik germanium. Hambatan yang paling penting adalah “tegangan balik”: penyearah germanium, pada tegangan yang sangat rendah, berhenti menyearahkan arus dan membiarkannya mengalir ke arah yang berlawanan. Pulsa arus balik membakar sisa komponen radar. Salah satu mahasiswa pascasarjana Lark-Horowitz, Seymour Benzer, mempelajari masalah ini selama lebih dari setahun, dan akhirnya mengembangkan aditif berbahan dasar timah yang menghentikan pulsa balik pada tegangan hingga ratusan volt. Tak lama kemudian, Western Electric, divisi manufaktur Bell Labs, mulai mengeluarkan penyearah Benzer untuk keperluan militer.
Studi tentang germanium di Purdue berlanjut setelah perang. Pada bulan Juni 1947, Benzer, yang sudah menjadi profesor, melaporkan anomali yang tidak biasa: dalam beberapa percobaan, osilasi frekuensi tinggi muncul pada kristal germanium. Dan rekannya Ralph Bray terus mempelajari “perlawanan volumetrik” pada proyek yang dimulai selama perang. Resistansi volume menggambarkan bagaimana listrik mengalir dalam kristal germanium pada titik kontak penyearah. Bray menemukan bahwa pulsa tegangan tinggi secara signifikan mengurangi resistensi germanium tipe-n terhadap arus ini. Tanpa menyadarinya, dia menyaksikan apa yang disebut. pembawa biaya "minoritas". Dalam semikonduktor tipe-n, kelebihan muatan negatif berfungsi sebagai pembawa muatan mayoritas, namun "lubang" positif juga dapat membawa arus, dan dalam hal ini, pulsa tegangan tinggi menciptakan lubang pada struktur germanium, menyebabkan munculnya pembawa muatan minoritas. .
Bray dan Benzer mendekati amplifier germanium tanpa menyadarinya. Benzer menangkap Walter Brattain, seorang ilmuwan Bell Labs, di sebuah konferensi pada bulan Januari 1948 untuk membahas gaya tarik volumetrik dengannya. Dia menyarankan agar Brattain menempatkan titik kontak lain di sebelah titik pertama yang dapat menghantarkan arus, dan kemudian mereka mungkin dapat memahami apa yang terjadi di bawah permukaan. Brattain diam-diam menyetujui usulan ini dan pergi. Seperti yang akan kita lihat, dia tahu betul apa yang bisa diungkapkan oleh eksperimen semacam itu.
Oney-sous-Bois
Kelompok Purdue memiliki teknologi dan landasan teoritis untuk membuat lompatan menuju transistor. Tapi mereka hanya bisa menemukannya secara tidak sengaja. Mereka tertarik pada sifat fisik material, dan bukan pada pencarian perangkat jenis baru. Situasi yang sangat berbeda terjadi di Aunes-sous-Bois (Prancis), di mana dua mantan peneliti radar dari Jerman, Heinrich Welker dan Herbert Mathare, memimpin tim yang bertujuan untuk menciptakan perangkat semikonduktor industri.
Welker pertama kali belajar dan kemudian mengajar fisika di Universitas Munich, yang dijalankan oleh ahli teori terkenal Arnold Sommerfeld. Sejak 1940, ia meninggalkan jalur teoretis murni dan mulai mengerjakan radar untuk Luftwaffe. Mathare (asal Belgia) dibesarkan di Aachen, tempat dia belajar fisika. Ia bergabung dengan departemen penelitian raksasa radio Jerman Telefunken pada tahun 1939. Selama perang, ia memindahkan pekerjaannya dari Berlin ke timur ke biara di Silesia untuk menghindari serangan udara Sekutu, dan kemudian kembali ke barat untuk menghindari serbuan Tentara Merah, yang akhirnya jatuh ke tangan tentara Amerika.
Seperti saingan mereka dalam Koalisi Anti-Hitler, Jerman sudah mengetahui pada awal tahun 1940-an bahwa detektor kristal adalah penerima radar yang ideal, dan bahwa silikon dan germanium adalah bahan yang paling menjanjikan untuk pembuatannya. Mathare dan Welker mencoba selama perang untuk meningkatkan efisiensi penggunaan bahan-bahan ini dalam penyearah. Setelah perang, keduanya diinterogasi secara berkala mengenai pekerjaan militer mereka, dan akhirnya menerima undangan dari seorang perwira intelijen Prancis ke Paris pada tahun 1946.
Compagnie des Freins & Signaux ("perusahaan rem dan sinyal"), sebuah divisi Westinghouse di Prancis, menerima kontrak dari otoritas telepon Prancis untuk membuat penyearah solid-state dan mencari ilmuwan Jerman untuk membantu mereka. Aliansi yang terdiri dari musuh-musuh baru-baru ini mungkin tampak aneh, tetapi pengaturan ini ternyata cukup menguntungkan kedua belah pihak. Prancis, yang dikalahkan pada tahun 1940, tidak memiliki kemampuan untuk menimba ilmu di bidang semikonduktor, dan mereka sangat membutuhkan keterampilan Jerman. Jerman tidak dapat melakukan pengembangan di bidang teknologi tinggi mana pun di negara yang diduduki dan dilanda perang, sehingga mereka memanfaatkan kesempatan untuk terus bekerja.
Welker dan Mathare mendirikan kantor pusat di sebuah rumah dua lantai di pinggiran kota Paris, Aunes-sous-Bois, dan dengan bantuan tim teknisi, mereka berhasil meluncurkan penyearah germanium pada akhir tahun 1947. Kemudian mereka beralih ke penyearah yang lebih serius. hadiah: Welker kembali tertarik pada superkonduktor, dan Mathare pada amplifier.
Herbert Mathare pada tahun 1950
Selama perang, Mathare bereksperimen dengan penyearah kontak dua titik—“duodeoda”—dalam upaya mengurangi kebisingan sirkuit. Dia melanjutkan eksperimennya dan segera menemukan bahwa kumis kucing kedua, yang terletak 1/100 juta meter dari kumis kucing pertama, terkadang dapat memodulasi arus yang mengalir melalui kumis pertama. Dia menciptakan penguat solid state, meskipun tidak berguna. Untuk mencapai kinerja yang lebih andal, dia beralih ke Welker, yang telah memperoleh pengalaman luas bekerja dengan kristal germanium selama perang. Tim Welker mengembangkan sampel kristal germanium yang lebih besar dan lebih murni, dan seiring dengan peningkatan kualitas material, amplifier kontak titik Mathare menjadi dapat diandalkan pada bulan Juni 1948.
Gambar sinar-X dari "transistron" berdasarkan sirkuit Mathare, yang memiliki dua titik kontak dengan germanium
Mathare bahkan mempunyai model teoritis tentang apa yang terjadi: dia percaya bahwa kontak kedua membuat lubang di germanium, mempercepat aliran arus melalui kontak pertama, memasok pembawa muatan minoritas. Welker tidak setuju dengannya, dan percaya bahwa apa yang terjadi bergantung pada semacam efek medan. Namun, sebelum mereka dapat mengembangkan perangkat atau teorinya, mereka mengetahui bahwa sekelompok orang Amerika telah mengembangkan konsep yang persis sama – penguat germanium dengan dua kontak titik – enam bulan sebelumnya.
Bukit Murray
Di akhir perang, Mervyn Kelly mereformasi kelompok penelitian semikonduktor Bell Labs yang dipimpin oleh Bill Shockley. Proyek ini berkembang, menerima lebih banyak dana, dan berpindah dari gedung laboratorium aslinya di Manhattan ke kampus yang berkembang di Murray Hill, New Jersey.
Kampus Murray Hill, ca. 1960
Untuk mengenal kembali dirinya dengan semikonduktor canggih (setelah waktunya dalam penelitian operasi selama perang), Shockley mengunjungi laboratorium Holmdel milik Russell Ohl pada musim semi 1945. Ohl menghabiskan tahun-tahun perangnya mengerjakan silikon dan tidak membuang waktu. Dia menunjukkan kepada Shockley amplifier kasar yang dibuatnya sendiri, yang dia sebut sebagai “desister”. Dia mengambil penyearah kontak titik silikon dan mengirimkan arus dari baterai melaluinya. Rupanya, panas dari baterai mengurangi hambatan di seluruh titik kontak, dan mengubah penyearah menjadi penguat yang mampu mentransmisikan sinyal radio yang masuk ke sirkuit yang cukup kuat untuk memberi daya pada speaker.
Efeknya kasar dan tidak dapat diandalkan, tidak cocok untuk komersialisasi. Namun, hal ini cukup untuk mengkonfirmasi pendapat Shockley bahwa penguat semikonduktor dapat dibuat, dan hal ini harus dijadikan prioritas untuk penelitian di bidang elektronik solid-state. Pertemuan dengan tim Ola inilah yang meyakinkan Shockley bahwa silikon dan germanium harus dipelajari terlebih dahulu. Mereka menunjukkan sifat listrik yang menarik, dan rekan metalurgi Ohl, Jack Skaff dan Henry Theurer telah mencapai kesuksesan luar biasa dalam menumbuhkan, memurnikan, dan mendoping kristal ini selama perang, melampaui semua teknologi yang tersedia untuk bahan semikonduktor lainnya. Kelompok Shockley tidak akan membuang waktu lagi untuk amplifier oksida tembaga sebelum perang.
Dengan bantuan Kelly, Shockley mulai membentuk tim baru. Pemain kuncinya termasuk Walter Brattain, yang membantu Shockley dengan upaya pertamanya pada amplifier solid-state (pada tahun 1940), dan John Bardeen, seorang fisikawan muda dan karyawan baru Bell Labs. Bardeen mungkin memiliki pengetahuan paling luas tentang fisika benda padat dibandingkan anggota tim mana pun—disertasinya menjelaskan tingkat energi elektron dalam struktur logam natrium. Dia juga merupakan anak didik John Hasbrouck Van Vleck, seperti Atanasov dan Brattain.
Dan seperti Atanasov, disertasi Bardeen dan Shockley memerlukan perhitungan yang sangat rumit. Mereka harus menggunakan teori mekanika kuantum semikonduktor, yang didefinisikan oleh Alan Wilson, untuk menghitung struktur energi material menggunakan kalkulator desktop Monroe. Dengan membantu menciptakan transistor, mereka sebenarnya berkontribusi dalam menyelamatkan mahasiswa pascasarjana di masa depan dari pekerjaan semacam itu.
Pendekatan pertama Shockley terhadap penguat solid-state bergantung pada apa yang kemudian disebut "". Dia menggantungkan pelat logam di atas semikonduktor tipe-n (dengan muatan negatif berlebih). Penerapan muatan positif pada pelat akan menarik kelebihan elektron ke permukaan kristal, menciptakan aliran muatan negatif yang melaluinya arus listrik dapat dengan mudah mengalir. Sinyal yang diperkuat (diwakili oleh tingkat muatan pada wafer) dengan cara ini dapat memodulasi rangkaian utama (melewati permukaan semikonduktor). Efisiensi skema ini ditunjukkan kepadanya oleh pengetahuan teoretisnya tentang fisika. Namun, meskipun banyak percobaan dan eksperimen, skema tersebut tidak pernah berhasil.
Pada bulan Maret 1946, Bardeen telah menciptakan teori yang berkembang dengan baik yang menjelaskan alasannya: permukaan semikonduktor pada tingkat kuantum berperilaku berbeda dari bagian dalamnya. Muatan negatif yang ditarik ke permukaan terperangkap dalam "keadaan permukaan" dan menghalangi medan listrik menembus pelat ke dalam material. Anggota tim lainnya menganggap analisis ini menarik, dan meluncurkan program penelitian baru melalui tiga jalur:
- Buktikan keberadaan keadaan permukaan.
- Pelajari propertinya.
- Cari tahu cara mengalahkan mereka dan membuatnya berhasil .
Setelah satu setengah tahun melakukan penelitian dan eksperimen, pada 17 November 1947, Brattain membuat terobosan. Ia menemukan bahwa jika ia menempatkan cairan berisi ion, seperti air, di antara wafer dan semikonduktor, medan listrik dari wafer akan mendorong ion-ion tersebut menuju semikonduktor, di mana ion-ion tersebut akan menetralkan muatan yang terperangkap di permukaan. Sekarang dia dapat mengontrol perilaku listrik sepotong silikon dengan mengubah muatan wafer. Keberhasilan ini memberi Bardeen ide untuk pendekatan baru dalam menciptakan penguat: kelilingi titik kontak penyearah dengan air elektrolit, lalu gunakan kabel kedua di dalam air untuk mengontrol kondisi permukaan, dan dengan demikian mengontrol tingkat konduktivitas listrik utama. kontak. Jadi Bardeen dan Brattain mencapai garis finis.
Ide Bardeen berhasil, tetapi amplifikasinya lemah dan beroperasi pada frekuensi yang sangat rendah yang tidak dapat diakses oleh telinga manusia - sehingga tidak berguna sebagai penguat telepon atau radio. Bardeen menyarankan untuk beralih ke germanium tahan tegangan balik yang diproduksi di Purdue, karena percaya bahwa lebih sedikit muatan yang terkumpul di permukaannya. Tiba-tiba mereka menerima peningkatan yang kuat, tetapi berlawanan arah dari yang diharapkan. Mereka menemukan efek pembawa minoritas - alih-alih elektron yang diharapkan, arus yang mengalir melalui germanium diperkuat oleh lubang yang berasal dari elektrolit. Arus pada kawat dalam elektrolit menciptakan lapisan tipe-p (daerah dengan muatan positif berlebih) pada permukaan germanium tipe-n.
Eksperimen selanjutnya menunjukkan bahwa elektrolit tidak diperlukan sama sekali: hanya dengan menempatkan dua titik kontak dekat pada permukaan germanium, arus dari salah satu titik kontak dapat dimodulasi ke arus di titik kontak lainnya. Untuk mendekatkannya, Brattain membungkus selembar kertas emas di sekitar plastik berbentuk segitiga dan kemudian dengan hati-hati memotong kertas itu di ujungnya. Kemudian, dengan menggunakan pegas, ia menekan segitiga tersebut ke germanium, sehingga kedua tepi potongan menyentuh permukaannya pada jarak 0,05 mm. Hal ini memberikan prototipe transistor Bell Labs tampilan yang khas:
Prototipe transistor Brattain dan Bardeen
Seperti perangkat Mathare dan Welker, pada prinsipnya perangkat ini merupakan "kumis kucing" klasik, hanya dengan dua titik kontak, bukan satu. Pada tanggal 16 Desember, terjadi peningkatan daya dan tegangan yang signifikan, serta frekuensi 1000 Hz dalam rentang suara. Seminggu kemudian, setelah perbaikan kecil, Bardeen dan Brattain meningkatkan voltase sebanyak 100 kali lipat dan daya sebanyak 40 kali lipat, dan menunjukkan kepada direktur Bell bahwa perangkat mereka dapat menghasilkan ucapan yang dapat didengar. John Pierce, anggota lain dari tim pengembangan solid-state, menciptakan istilah "transistor" setelah nama penyearah oksida tembaga Bell, varistor.
Selama enam bulan berikutnya, laboratorium merahasiakan ciptaan baru tersebut. Manajemen ingin memastikan bahwa mereka memiliki langkah awal dalam mengkomersialkan transistor sebelum orang lain mendapatkannya. Konferensi pers dijadwalkan pada tanggal 30 Juni 1948, tepat pada waktunya untuk menghancurkan impian keabadian Welker dan Mathare. Sementara itu, kelompok riset semikonduktor diam-diam runtuh. Setelah mendengar tentang pencapaian Bardeen dan Brattain, bos mereka, Bill Shockley, mulai berusaha mendapatkan semua pujian untuk dirinya sendiri. Dan meskipun ia hanya memainkan peran observasi, Shockley menerima publisitas yang setara, jika tidak lebih, dalam presentasi publik - seperti yang terlihat dalam foto dirinya yang dirilis di tengah-tengah aksi, tepat di sebelah bangku laboratorium:
Foto publisitas tahun 1948 - Bardeen, Shockley dan Brattain
Namun, ketenaran yang setara tidak cukup bagi Shockley. Dan sebelum orang di luar Bell Labs mengetahui tentang transistor, dia sibuk menciptakannya kembali untuk dirinya sendiri. Dan ini hanyalah yang pertama dari sekian banyak penemuan kembali.
Apa lagi yang harus dibaca?
- Robert Buderi, Penemuan yang Mengubah Dunia (1996)
- Michael Riordan, “Bagaimana Eropa Merindukan Transistor,” IEEE Spectrum (1 November 2005)
- Michael Riordan dan Lillian Hoddeson, Api Kristal (1997)
- Armand Van Dormael, “Transistor 'Prancis',” (1994)
Sumber: www.habr.com