Artikel lain dalam seri ini:
- Relai cerita
- Sejarah komputer elektronik
- Sejarah transistor
- sejarah internet
Jalan menuju switch solid-state masih panjang dan sulit. Hal ini dimulai dengan penemuan bahwa material tertentu berperilaku aneh jika terkena listrik - tidak seperti prediksi teori yang ada saat itu. Yang terjadi selanjutnya adalah kisah bagaimana teknologi menjadi disiplin ilmu dan institusional yang semakin meningkat di abad ke-20. Para amatir, pemula, dan penemu profesional yang hampir tidak memiliki pendidikan ilmiah memberikan kontribusi serius terhadap perkembangan telegraf, telepon, dan radio. Namun, seperti yang akan kita lihat, hampir semua kemajuan dalam sejarah elektronik solid-state datang dari para ilmuwan yang belajar di universitas (dan biasanya memiliki gelar PhD di bidang fisika) dan bekerja di universitas atau laboratorium penelitian perusahaan.
Siapa pun yang memiliki akses ke bengkel dan keterampilan bahan dasar dapat merakit relai dari kabel, logam, dan kayu. Membuat tabung vakum memerlukan alat yang lebih khusus yang dapat membuat bola kaca dan memompa udara keluar. Perangkat solid-state menghilang ke dalam lubang kelinci dimana saklar digital tidak pernah kembali, terjun semakin jauh ke dalam dunia yang hanya dapat dipahami oleh matematika abstrak dan hanya dapat diakses dengan bantuan peralatan yang sangat mahal.
galena
Pada tahun 1874 , seorang fisikawan berusia 24 tahun dari St. Thomas di Leipzig, menerbitkan karya ilmiah pertama dari banyak karya ilmiah penting dalam karirnya yang panjang. Makalah, “On the Passage of Electric Currents through Metal Sulfides,” diterima di Pogendorff’s Annalen, sebuah jurnal bergengsi yang didedikasikan untuk ilmu fisika. Meskipun judulnya membosankan, makalah Brown menggambarkan beberapa hasil eksperimen yang mengejutkan dan membingungkan.
Ferdinand Brown
Brown menjadi tertarik dengan sulfida—kristal mineral yang tersusun dari senyawa belerang dengan logam—melalui karyanya . Pada awal tahun 1833, Michael Faraday mencatat bahwa konduktivitas perak sulfida meningkat seiring suhu, yang merupakan kebalikan dari perilaku konduktor logam. Hittorf menyusun laporan kuantitatif menyeluruh tentang pengukuran efek ini pada tahun 1850-an, baik untuk perak maupun tembaga sulfida. Sekarang Brown, menggunakan pengaturan eksperimental cerdas yang menekan kawat logam ke kristal sulfida dengan pegas untuk memastikan kontak yang baik, menemukan sesuatu yang lebih aneh lagi. Konduktivitas kristal bergantung pada arahnya - misalnya, arus dapat mengalir dengan baik dalam satu arah, tetapi bila polaritas baterai dibalik, arus dapat tiba-tiba turun tajam. Kristal bertindak lebih seperti konduktor dalam satu arah (seperti logam normal) dan lebih seperti isolator dalam arah lain (seperti kaca atau karet). Properti ini dikenal sebagai rektifikasi karena kemampuannya untuk meluruskan arus bolak-balik yang "berkerut" menjadi arus searah yang "datar".
Sekitar waktu yang sama, para peneliti menemukan sifat aneh lainnya dari bahan seperti selenium, yang dapat dilebur dari bijih logam sulfida tertentu. Ketika terkena cahaya, selenium meningkatkan konduktivitas dan bahkan mulai menghasilkan listrik, dan juga dapat digunakan untuk perbaikan. Apakah ada hubungannya dengan kristal sulfida? Tanpa model teoritis untuk menjelaskan apa yang terjadi, lapangan berada dalam kebingungan.
Namun, kurangnya teori tidak menghentikan upaya untuk menerapkan hasil secara praktis. Pada akhir tahun 1890-an, Brown menjadi profesor di Universitas Strasbourg - yang baru-baru ini dianeksasi dari Perancis selama dan berganti nama menjadi Universitas Kaiser Wilhelm. Di sana dia tersedot ke dalam dunia radiotelegrafi baru yang menarik. Ia menyetujui usulan sekelompok pengusaha untuk bersama-sama membuat sistem komunikasi nirkabel berbasis transmisi gelombang radio melalui air. Namun, dia dan kaki tangannya segera meninggalkan ide awal dan memilih sinyal udara, yang digunakan oleh Marconi dan lainnya.
Di antara aspek radio yang ingin ditingkatkan oleh kelompok Brown adalah receiver standarnya, . Hal ini didasarkan pada fakta bahwa gelombang radio menyebabkan serbuk logam menggumpal, memungkinkan arus dari baterai mengalir ke perangkat pemberi sinyal. Ini berhasil, tetapi sistem hanya merespons sinyal yang relatif kuat, dan memerlukan pukulan terus-menerus pada perangkat untuk memecah gumpalan serbuk gergaji. Brown teringat eksperimen lamanya dengan kristal sulfida, dan pada tahun 1899 ia menciptakan kembali eksperimen lamanya dengan tujuan baru - untuk berfungsi sebagai pendeteksi sinyal nirkabel. Dia menggunakan efek penyearah untuk mengubah arus osilasi kecil yang dihasilkan dengan melewatkan gelombang radio menjadi arus searah yang dapat memberi daya pada speaker kecil yang menghasilkan bunyi klik untuk setiap titik atau garis. Perangkat ini kemudian dikenal sebagai "karena munculnya kawat yang mudah menyentuh bagian atas kristal. Di British India (tempat Bangladesh berada saat ini), ilmuwan dan penemu Jagadish Bose membuat perangkat serupa, mungkin pada awal tahun 1894. Yang lain segera mulai membuat detektor serupa berdasarkan silikon dan karborundum (silikon karbida).
Namun, itu , timbal sulfida, yang telah dilebur untuk menghasilkan timbal sejak zaman kuno, telah menjadi bahan pilihan detektor kristal. Radio ini mudah dibuat dan murah, sehingga menjadi sangat populer di kalangan amatir radio generasi awal. Selain itu, tidak seperti koherer biner (dengan serbuk gergaji yang menggumpal atau tidak), penyearah kristal dapat mereproduksi sinyal kontinu. Oleh karena itu, ia dapat menghasilkan suara dan musik yang terdengar di telinga, dan bukan hanya kode Morse dengan titik dan garisnya.
Detektor kumis kucing berbahan galena. Sepotong kecil kawat di sebelah kiri adalah kumis, dan potongan bahan berwarna keperakan di bawah adalah kristal galena.
Namun, seperti yang segera diketahui oleh amatir radio yang frustrasi, diperlukan waktu beberapa menit atau bahkan berjam-jam untuk menemukan titik ajaib di permukaan kristal yang dapat memberikan perbaikan yang baik. Dan sinyal tanpa amplifikasi lemah dan memiliki suara metalik. Pada tahun 1920-an, penerima tabung vakum dengan amplifier triode hampir membuat detektor kristal menjadi usang hampir di semua tempat. Satu-satunya fitur menarik mereka adalah murahnya.
Kemunculan singkat di arena radio ini tampaknya menjadi batas penerapan praktis sifat listrik aneh dari material yang ditemukan oleh Brown dan lain-lain.
Oksida tembaga
Kemudian pada tahun 1920-an, fisikawan lain bernama Lars Grondahl menemukan sesuatu yang aneh dengan pengaturan eksperimentalnya. Grondahl, orang pertama dari serangkaian orang cerdas dan gelisah dalam sejarah Amerika Barat, adalah putra seorang insinyur sipil. Ayahnya, yang beremigrasi dari Norwegia pada tahun 1880, bekerja selama beberapa dekade di perusahaan kereta api di California, Oregon dan Washington. Pada awalnya, Grondahl tampaknya bertekad untuk meninggalkan dunia teknik ayahnya, pergi ke Johns Hopkins untuk mendapatkan gelar doktor di bidang fisika untuk melanjutkan jalur akademis. Namun kemudian ia terlibat dalam bisnis kereta api dan mengambil posisi sebagai direktur penelitian di Union Switch and Signal, sebuah divisi dari raksasa industri tersebut. , yang memasok peralatan untuk industri perkeretaapian.
Berbagai sumber menunjukkan alasan yang bertentangan atas motivasi Grondahl dalam penelitiannya, namun demikian, ia mulai bereksperimen dengan piringan tembaga yang dipanaskan di satu sisi untuk membuat lapisan teroksidasi. Saat bekerja dengan mereka, dia memperhatikan asimetri arus - hambatan di satu arah tiga kali lebih besar daripada yang lain. Piringan tembaga dan tembaga oksida memperbaiki arus, seperti kristal sulfida.
Rangkaian Penyearah Tembaga Oksida
Grondahl menghabiskan enam tahun berikutnya mengembangkan penyearah komersial siap pakai berdasarkan fenomena ini, meminta bantuan peneliti AS lainnya, Paul Geiger, sebelum mengajukan permohonan paten dan mengumumkan penemuannya ke American Physical Society pada tahun 1926. Perangkat tersebut segera menjadi hit komersial. Karena tidak adanya filamen yang rapuh, penyearah ini jauh lebih andal dibandingkan penyearah tabung vakum berdasarkan prinsip katup Fleming, dan lebih murah untuk diproduksi. Tidak seperti kristal penyearah coklat, ia bekerja pada percobaan pertama, dan karena area kontak yang lebih besar antara logam dan oksida, ia bekerja dengan rentang arus dan tegangan yang lebih besar. Ini dapat mengisi baterai, mendeteksi sinyal di berbagai sistem kelistrikan, dan bertindak sebagai shunt pengaman pada generator yang bertenaga. Ketika digunakan sebagai fotosel, cakram tersebut dapat berfungsi sebagai pengukur cahaya, dan khususnya berguna dalam fotografi. Peneliti lain pada waktu yang sama mengembangkan penyearah selenium yang menemukan penerapan serupa.
Satu pak penyearah berdasarkan oksida tembaga. Perakitan beberapa disk meningkatkan resistansi balik, yang memungkinkan penggunaannya dengan tegangan tinggi.
Beberapa tahun kemudian, dua fisikawan Bell Labs, Joseph Becker dan , memutuskan untuk mempelajari prinsip kerja penyearah tembaga - mereka tertarik mempelajari cara kerjanya dan cara penggunaannya di Sistem Lonceng.
Brattain di usia tua - kira-kira. 1950
Brattain berasal dari daerah yang sama dengan Grondal, di Pacific Northwest, tempat ia dibesarkan di sebuah pertanian beberapa kilometer dari perbatasan Kanada. Di sekolah menengah, ia menjadi tertarik pada fisika, menunjukkan bakat di bidangnya, dan akhirnya menerima gelar doktor dari Universitas Minnesota pada akhir tahun 1920-an, dan mengambil pekerjaan di Bell Laboratories pada tahun 1929. Antara lain, di universitas tersebut ia belajar. fisika teoretis terbaru, yang mulai populer di Eropa, dan dikenal sebagai mekanika kuantum (kuratornya adalah , yang juga membimbing John Atanasoff).
Revolusi kuantum
Sebuah platform teoretis baru perlahan-lahan berkembang selama tiga dekade terakhir, dan pada waktunya platform tersebut akan mampu menjelaskan semua fenomena aneh yang telah diamati selama bertahun-tahun pada material seperti galena, selenium, dan oksida tembaga. Sekelompok besar fisikawan muda, terutama dari Jerman dan negara-negara tetangga, menyebabkan revolusi kuantum dalam fisika. Ke mana pun mereka memandang, mereka tidak menemukan dunia mulus dan berkesinambungan seperti yang telah mereka pelajari, melainkan gumpalan-gumpalan aneh dan terpisah.
Semuanya dimulai pada tahun 1890-an. Max Planck, seorang profesor terkenal di Universitas Berlin, memutuskan untuk menangani masalah terkenal yang belum terpecahkan: bagaimana “"(zat ideal yang menyerap semua energi dan tidak memantulkannya) memancarkan radiasi dalam spektrum elektromagnetik? Berbagai model dicoba, tidak ada satupun yang cocok dengan hasil eksperimen - model tersebut gagal pada salah satu ujung spektrum atau ujung lainnya. Planck menemukan bahwa jika kita berasumsi bahwa energi dipancarkan oleh suatu benda dalam “paket” kecil dengan jumlah yang berbeda-beda, maka kita dapat menuliskan hukum sederhana tentang hubungan antara frekuensi dan energi, yang sangat sesuai dengan hasil empiris.
Segera setelah itu, Einstein menemukan bahwa hal yang sama terjadi dengan penyerapan cahaya (petunjuk pertama mengenai foton), dan J. J. Thomson menunjukkan bahwa listrik juga dibawa bukan oleh fluida atau gelombang kontinu, tetapi oleh partikel-partikel diskrit - elektron. Niels Bohr kemudian menciptakan model untuk menjelaskan bagaimana atom yang tereksitasi memancarkan radiasi dengan menempatkan elektron pada orbit individu dalam atom, yang masing-masing memiliki energinya sendiri. Namun, nama ini menyesatkan karena perilakunya sama sekali tidak seperti orbit planet - dalam model Bohr, elektron langsung berpindah dari satu orbit, atau tingkat energi, ke orbit lain, tanpa melalui keadaan peralihan. Akhirnya, pada tahun 1920-an, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Born dan lainnya menciptakan platform matematika umum yang dikenal sebagai mekanika kuantum, menggabungkan semua model kuantum khusus yang telah dibuat selama dua puluh tahun sebelumnya.
Pada saat ini, fisikawan sudah yakin bahwa bahan seperti selenium dan galena, yang menunjukkan sifat fotovoltaik dan penyearah, termasuk dalam kelas bahan terpisah, yang mereka sebut semikonduktor. Klasifikasinya memakan waktu lama karena beberapa alasan. Pertama, kategori “konduktor” dan “isolator” sendiri cukup luas. Hal. Konduktivitas “konduktor” sangat bervariasi, dan hal yang sama (pada tingkat lebih rendah) juga berlaku untuk isolator, dan tidak jelas bagaimana konduktor tertentu dapat diklasifikasikan ke dalam salah satu kelas ini. Selain itu, hingga pertengahan abad ke-20, mustahil memperoleh atau membuat zat yang sangat murni, dan setiap keanehan dalam konduktivitas bahan alami selalu dapat dikaitkan dengan kontaminasi.
Fisikawan kini memiliki alat matematika mekanika kuantum dan kelas material baru yang dapat diterapkan. ahli teori Inggris adalah orang pertama yang menggabungkan semuanya dan membangun model umum semikonduktor dan cara kerjanya pada tahun 1931.
Pada awalnya, Wilson berpendapat bahwa bahan konduktif berbeda dari dielektrik dalam hal pita energinya. Mekanika kuantum menyatakan bahwa elektron dapat berada pada sejumlah tingkat energi terbatas yang terdapat pada kulit, atau orbital, atom individu. Jika Anda menyatukan atom-atom ini dalam struktur suatu material, akan lebih tepat jika membayangkan zona energi kontinu yang melewatinya. Terdapat ruang kosong pada konduktor pada pita energi tinggi, dan medan listrik dapat dengan bebas memindahkan elektron ke sana. Dalam isolator, zona-zona tersebut terisi, dan diperlukan pendakian yang cukup panjang untuk mencapai zona penghantar yang lebih tinggi, yang melaluinya listrik lebih mudah mengalir.
Hal ini membawanya pada kesimpulan bahwa pengotor—atom asing dalam struktur suatu material—pasti berkontribusi pada sifat semikonduktornya. Mereka dapat menyuplai elektron ekstra, yang dengan mudah lolos ke pita konduksi, atau lubang—kekurangan elektron dibandingkan material lainnya—yang menciptakan ruang energi kosong tempat elektron bebas dapat bergerak. Opsi pertama kemudian disebut semikonduktor tipe-n (atau elektronik) karena kelebihan muatan negatif, dan opsi kedua - semikonduktor tipe-p atau lubang karena kelebihan muatan positif.
Terakhir, Wilson mengusulkan agar perbaikan saat ini oleh semikonduktor dapat dijelaskan dalam istilah kuantum kuantum. , lompatan elektron secara tiba-tiba melintasi penghalang listrik tipis pada suatu material. Teori tersebut tampaknya masuk akal, namun memperkirakan bahwa pada penyearah arus harus mengalir dari oksida ke tembaga, meskipun kenyataannya sebaliknya.
Jadi, terlepas dari semua terobosan Wilson, semikonduktor masih sulit dijelaskan. Secara bertahap menjadi jelas, perubahan mikroskopis dalam struktur kristal dan konsentrasi pengotor secara tidak proporsional mempengaruhi perilaku listrik makroskopisnya. Mengabaikan kurangnya pemahaman - karena tidak ada yang bisa menjelaskan pengamatan eksperimental yang dilakukan oleh Brown 60 tahun sebelumnya - Brattain dan Becker mengembangkan proses manufaktur yang efisien untuk penyearah tembaga-oksida untuk perusahaan mereka. Sistem Bell dengan cepat mulai mengganti penyearah tabung vakum di seluruh sistem dengan perangkat baru yang disebut oleh insinyur mereka , karena hambatannya bervariasi tergantung arahnya.
medali emas
Mervyn Kelly, seorang fisikawan dan mantan kepala departemen tabung vakum Bell Labs, menjadi sangat tertarik dengan perkembangan ini. Selama beberapa dekade, tabung vakum memberikan Bell layanan yang sangat berharga, dan mampu melakukan fungsi yang tidak mungkin dilakukan pada komponen mekanis dan elektromekanis generasi sebelumnya. Namun peralatan tersebut menjadi panas, sering kepanasan, menghabiskan banyak energi, dan sulit dirawat. Kelly bermaksud membangun kembali sistem Bell dengan komponen elektronik solid-state yang lebih andal dan tahan lama, seperti varistor, yang tidak memerlukan wadah tertutup, berisi gas, atau kosong, atau filamen panas. Pada tahun 1936, ia menjadi kepala departemen penelitian Bell Labs, dan mulai mengarahkan organisasinya ke jalur baru.
Setelah memperoleh penyearah solid-state, langkah selanjutnya yang jelas adalah membuat penguat solid-state. Tentu saja, seperti amplifier tabung, perangkat semacam itu juga dapat berfungsi sebagai saklar digital. Hal ini menjadi perhatian khusus bagi perusahaan Bell, karena saklar telepon masih menggunakan sejumlah besar saklar digital elektromekanis. Perusahaan sedang mencari pengganti tabung vakum yang lebih andal, lebih kecil, hemat energi, dan lebih dingin di sistem telepon, radio, radar, dan peralatan analog lainnya, yang digunakan untuk memperkuat sinyal lemah hingga tingkat yang dapat didengar telinga manusia.
Pada tahun 1936, Bell Laboratories akhirnya mencabut pembekuan perekrutan yang diberlakukan selama ini . Kelly segera mulai merekrut ahli mekanika kuantum untuk membantu meluncurkan program penelitian solid-state miliknya, termasuk , penduduk asli Pantai Barat lainnya, dari Palo Alto, California. Topik disertasinya di MIT baru-baru ini sangat sesuai dengan kebutuhan Kelly: "Pita Elektron dalam Natrium Klorida."
Brattain dan Becker melanjutkan penelitian mereka pada penyearah oksida tembaga selama ini, mencari penguat solid-state yang lebih baik. Cara yang paling jelas untuk membuatnya adalah dengan mengikuti analogi dengan tabung vakum. Sama seperti Lee de Forest mengambil tube amp dan antara katoda dan anoda, dan Brattain dan Becker membayangkan bagaimana jaring dapat disisipkan di persimpangan tembaga dan oksida tembaga, di mana seharusnya terjadi perbaikan. Namun, karena ketebalan lapisan yang kecil, mereka merasa tidak mungkin melakukan hal ini, dan tidak berhasil dalam hal ini.
Sementara itu, perkembangan lain menunjukkan bahwa Bell Labs bukanlah satu-satunya perusahaan yang tertarik pada elektronik solid-state. Pada tahun 1938, Rudolf Hilsch dan Robert Pohl menerbitkan hasil eksperimen yang dilakukan di Universitas Göttingen pada penguat keadaan padat yang dibuat dengan memasukkan kisi-kisi ke dalam kristal kalium bromida. Perangkat laboratorium ini tidak memiliki nilai praktis, terutama karena beroperasi pada frekuensi tidak lebih dari 1 Hz. Namun pencapaian ini sangat menyenangkan semua orang yang tertarik dengan elektronik solid-state. Pada tahun yang sama, Kelly menugaskan Shockley ke kelompok penelitian perangkat solid-state independen baru dan memberi dia dan rekannya Foster Nix dan Dean Woolridge kekuasaan penuh untuk mengeksplorasi kemampuan mereka.
Setidaknya dua penemu lainnya berhasil menciptakan amplifier solid-state sebelum Perang Dunia II. Pada tahun 1922, fisikawan dan penemu Soviet menerbitkan hasil eksperimen sukses dengan semikonduktor zincite, namun karyanya luput dari perhatian komunitas Barat; Pada tahun 1926, penemu Amerika Julius Lillenfield mengajukan paten untuk penguat solid-state, namun tidak ada bukti bahwa penemuannya berhasil.
Wawasan besar pertama Shockley dalam posisi barunya terjadi saat membaca karya fisikawan Inggris Neville Moth tahun 1938, The Theory of Crystalline Rectifiers, yang akhirnya menjelaskan prinsip pengoperasian penyearah oksida tembaga Grondahl. Mott menggunakan matematika mekanika kuantum untuk mendeskripsikan pembentukan medan listrik di persimpangan logam penghantar dan oksida semikonduktor, dan bagaimana elektron "melompati" penghalang listrik ini, bukannya melakukan terowongan seperti yang diusulkan Wilson. Arus mengalir lebih mudah dari logam ke semikonduktor dibandingkan sebaliknya karena logam mempunyai lebih banyak elektron bebas.
Hal ini mengarahkan Shockley pada ide yang sama persis dengan yang telah dipertimbangkan dan ditolak oleh Brattain dan Becker bertahun-tahun sebelumnya—membuat penguat solid-state dengan memasukkan jaring oksida tembaga di antara tembaga dan oksida tembaga. Dia berharap bahwa arus yang mengalir melalui jaringan akan meningkatkan penghalang yang membatasi aliran arus dari tembaga ke oksida, menciptakan versi sinyal yang terbalik dan diperkuat pada jaringan. Upaya kasar pertamanya gagal total, jadi dia beralih ke seorang pria dengan keterampilan laboratorium yang lebih baik dan akrab dengan penyearah: Walter Brattain. Dan, meskipun dia tidak ragu dengan hasilnya, Brattain setuju untuk memuaskan keingintahuan Shockley, dan menciptakan versi penguat “grid” yang lebih kompleks. Dia juga menolak untuk bekerja.
Kemudian perang ikut campur, menyebabkan program penelitian baru Kelly berantakan. Kelly menjadi ketua kelompok kerja radar di Bell Labs, didukung oleh pusat penelitian radar utama AS di MIT. Brattain bekerja sebentar untuknya, dan kemudian melanjutkan penelitian tentang deteksi magnetik kapal selam untuk angkatan laut. Woolridge mengerjakan sistem pengendalian kebakaran, Nix mengerjakan difusi gas untuk Proyek Manhattan, dan Shockley melakukan penelitian operasional, pertama mengerjakan peperangan anti-kapal selam di Atlantik dan kemudian pada pemboman strategis di Pasifik.
Namun terlepas dari intervensi ini, perang tidak menghentikan pengembangan elektronik solid-state. Sebaliknya, hal ini mengatur pemasukan sumber daya secara besar-besaran ke lapangan, dan menyebabkan konsentrasi penelitian pada dua bahan: germanium dan silikon.
Apa lagi yang harus dibaca?
Ernest Bruan dan Stuart MacDonald, Revolusi dalam Miniatur (1978)
Friedrich Kurylo dan Charles Susskind, Ferdinand Braun (1981)
G. L. Pearson dan W. H. Brattain, “Sejarah Penelitian Semikonduktor,” Prosiding IRE (Desember 1955).
Michael Riordan dan Lillian Hoddeson, Api Kristal (1997)
Sumber: www.habr.com