Aðrar greinar í seríunni:
- Saga gengisins
- Saga rafrænna tölva
- Saga smárisins
- Internet saga
Leiðin að rofa í föstu formi hefur verið löng og erfið. Það byrjaði með uppgötvuninni að ákveðin efni hegða sér undarlega í nærveru rafmagns - ekki eins og þær kenningar sem þá voru til sögðu fyrir um. Það sem fylgdi var saga um hvernig tækni varð sífellt meira vísinda- og stofnanafræðigrein á 20. öld. Áhugamenn, nýliðar og faglegir uppfinningamenn með nánast enga vísindamenntun lögðu alvarlegt framlag til þróunar símtækja, síma og útvarps. En eins og við munum sjá hafa næstum allar framfarir í sögu rafeindatækni í föstu formi komið frá vísindamönnum sem stunduðu nám við háskóla (og eru venjulega með doktorsgráðu í eðlisfræði) og störfuðu við háskóla eða rannsóknarstofur fyrirtækja.
Allir sem hafa aðgang að verkstæði og undirstöðu efniskunnáttu geta sett saman gengi úr vírum, málmi og tré. Til að búa til tómarúmsrör þarf sérhæfðari verkfæri sem geta búið til glerperu og dælt loftinu út úr henni. Fastástandstæki hurfu niður kanínuholu sem stafræni rofinn snéri aldrei aftur úr, steypa sér sífellt dýpra inn í heima sem eru skiljanlegir aðeins fyrir óhlutbundna stærðfræði og aðeins aðgengilegir með hjálp brjálæðislega dýrs búnaðar.
Galena
Í 1874 ári , 24 ára eðlisfræðingur frá St. Thomas í Leipzig, gaf út fyrsta af mörgum mikilvægum vísindaritum á löngum ferli sínum. Blaðið, „Um leið rafstrauma í gegnum málmsúlfíð,“ var samþykkt í Pogendorff's Annalen, virtu tímariti tileinkað raunvísindum. Þrátt fyrir leiðinlegan titil lýsti blað Browns nokkrum óvæntum og furðulegum tilraunaniðurstöðum.
Ferdinand Brown
Brown varð hrifinn af súlfíðum - steinefnakristöllum úr brennisteinssamböndum með málmum - í gegnum verk sín . Strax árið 1833 tók Michael Faraday fram að leiðni silfursúlfíðs eykst með hitastigi, sem er nákvæmlega andstæða hegðun málmleiðara. Hittorf tók saman ítarlega magnskýrslu um mælingar á þessum áhrifum á 1850, bæði fyrir silfur- og koparsúlfíð. Nú uppgötvaði Brown eitthvað enn undarlegra, með snjöllri tilraunauppsetningu sem þrýsti málmvír að súlfíðkristalli með gormi til að tryggja góða snertingu. Leiðni kristallanna var háð stefnunni - til dæmis gat straumurinn runnið vel í eina átt, en þegar pólun rafhlöðunnar var snúið við gat straumurinn skyndilega lækkað verulega. Kristallar virkuðu meira eins og leiðarar í eina átt (eins og venjulegir málmar) og meira eins og einangrunarefni í aðra (eins og gler eða gúmmí). Þessi eiginleiki varð þekktur sem leiðrétting vegna hæfni hans til að rétta „krumpuðum“ riðstraumi í „flatan“ jafnstraum.
Um svipað leyti uppgötvuðu vísindamenn aðra undarlega eiginleika efna eins og selen, sem hægt var að bræða úr ákveðnum málmsúlfíðgrýti. Þegar það varð fyrir ljósi jók selen leiðni og fór jafnvel að framleiða rafmagn og það var líka hægt að nota það til úrbóta. Var einhver tenging við súlfíðkristalla? Án fræðilegra módela til að útskýra hvað var að gerast var vettvangurinn í rugli.
Hins vegar stöðvaði skortur á kenningum ekki tilraunir til að hagnýta niðurstöðurnar. Seint á tíunda áratugnum varð Brown prófessor við háskólann í Strassborg - nýlega innlimaður frá Frakklandi á og endurnefnt Kaiser Wilhelm University. Þar sogaðist hann inn í hinn spennandi nýja heim geislafræðinnar. Hann féllst á tillögu hóps frumkvöðla um að búa sameiginlega til þráðlaust fjarskiptakerfi sem byggist á sendingu útvarpsbylgna í gegnum vatn. Hann og vitorðsmenn hans hættu hins vegar fljótlega frá upphaflegu hugmyndinni í þágu loftborinna merkja, sem Marconi og fleiri notuðu.
Meðal þeirra þátta í útvarpinu sem hópur Browns reyndi að bæta var þáverandi venjulegi móttakari, . Það var byggt á því að útvarpsbylgjur urðu til þess að málmþráður klessuðust saman og hleypti straumi frá rafhlöðunni yfir í merkjatækið. Það virkaði en kerfið brást aðeins við tiltölulega sterkum merkjum og það þurfti stöðugt högg á tækið til að brjóta upp sagklump. Brown mundi eftir gömlum tilraunum sínum með súlfíðkristalla og árið 1899 endurskapaði hann gamla tilraunauppsetningu sína með nýjum tilgangi - að þjóna sem skynjari fyrir þráðlaus merki. Hann notaði leiðréttingaráhrifin til að umbreyta örlítið sveiflustraumi sem myndast við útvarpsbylgjur í jafnstraum sem gæti knúið lítinn hátalara sem framkallaði heyranlegan smell fyrir hvern punkt eða strik. Þetta tæki varð síðar þekkt sem "„vegna útlits vírsins, sem snerti auðveldlega toppinn á kristalnum. Á Breska Indlandi (þar sem Bangladesh er staðsett í dag) smíðaði vísindamaðurinn og uppfinningamaðurinn Jagadish Bose svipað tæki, hugsanlega strax árið 1894. Aðrir fóru fljótlega að búa til svipaða skynjara byggða á kísil og karbórundum (kísilkarbíði).
Hins vegar er það , blýsúlfíð, sem hefur verið brædd til að framleiða blý frá fornu fari, hefur orðið valið efni fyrir kristalskynjara. Þeir voru auðveldir í gerð og ódýrir og urðu fyrir vikið ótrúlega vinsælir meðal fyrstu kynslóðar radíóamatöra. Þar að auki, ólíkt tvískipt samhengi (með sagi sem annað hvort klumpaðist saman eða ekki), gæti kristallaður afriðari endurskapað samfellt merki. Þess vegna gat hann framkallað rödd og tónlist sem heyrðist í eyrað, en ekki bara morse-kóða með punktum og strikum.
Skurðarskynjari katta byggður á galenu. Litli vírstykkið vinstra megin er hornið og stykkið af silfurgljáandi efni á botninum er galena kristal.
Hins vegar, eins og svekktir radíóamatörar komust fljótlega að, gæti það tekið mínútur eða jafnvel klukkustundir að finna töfrapunktinn á yfirborði kristalsins sem myndi gefa góða leiðréttingu. Og merki án mögnunar voru veik og höfðu málmhljóm. Um 1920 höfðu lofttæmisrörmóttakarar með þríóða mögnurum nánast gert kristalskynjara úrelta nánast alls staðar. Eini aðlaðandi eiginleiki þeirra var ódýrleiki þeirra.
Þessi stutta framkoma á útvarpsvettvangi virtist vera takmörk hagnýtingar á undarlegum rafeiginleikum efnisins sem Brown og fleiri uppgötvaði.
Koparoxíð
Svo á 1920 uppgötvaði annar eðlisfræðingur að nafni Lars Grondahl eitthvað undarlegt með tilraunauppsetningu sinni. Gröndahl, sá fyrsti af röð snjöllra og eirðarlausra manna í sögu vesturlanda Bandaríkjanna, var sonur byggingarverkfræðings. Faðir hans, sem flutti frá Noregi árið 1880, vann í nokkra áratugi við járnbrautir í Kaliforníu, Oregon og Washington. Í fyrstu virtist Grondahl staðráðinn í að yfirgefa verkfræðiheim föður síns og fara til Johns Hopkins í doktorsgráðu í eðlisfræði til að fara á fræðilegan hátt. En svo tók hann þátt í járnbrautarbransanum og tók við stöðu sem forstöðumaður rannsókna hjá Union Switch and Signal, deild iðnaðarrisans. , sem útvegaði búnað fyrir járnbrautaiðnaðinn.
Ýmsar heimildir benda til misvísandi ástæðna fyrir hvata Gröndahls til rannsókna sinna, en hvernig sem á það er litið byrjaði hann að gera tilraunir með koparskífa sem voru hituð á annarri hliðinni til að búa til oxað lag. Þegar hann vann með þeim tók hann eftir ósamhverfu straumsins - viðnámið í aðra áttina var þrisvar sinnum meira en í hina. Diskur úr kopar og koparoxíði leiðrétti strauminn, rétt eins og súlfíðkristall.
Koparoxíð afriðunarrás
Gröndahl eyddi næstu sex árum í að þróa tilbúinn afriðlara til notkunar sem byggist á þessu fyrirbæri og fékk aðstoð annars bandarísks vísindamanns, Paul Geiger, áður en hann sendi inn einkaleyfisumsókn og tilkynnti American Physical Society um uppgötvun sína árið 1926. Tækið varð strax auglýsingasmellur. Vegna skorts á viðkvæmum þráðum var hann mun áreiðanlegri en lofttæmisrörafriðillinn byggður á Fleming ventilreglunni og var ódýrari í framleiðslu. Ólíkt Brown rectifier kristöllum virkaði það í fyrstu tilraun og vegna stærra snertiflöturs milli málms og oxíðs virkaði það með stærra svið strauma og spennu. Það gæti hlaðið rafhlöður, greint merki í ýmsum rafkerfum og virkað sem öryggissending í öflugum rafala. Þegar þeir voru notaðir sem ljósseli gátu diskarnir virkað sem ljósmælar og voru sérstaklega gagnlegir í ljósmyndun. Aðrir vísindamenn um svipað leyti þróuðu selenafriðara sem fundu svipaða notkun.
Pakki af afriðlum byggðum á koparoxíði. Samsetning nokkurra diska jók afturviðnámið, sem gerði það mögulegt að nota þá með háspennu.
Nokkrum árum síðar, tveir Bell Labs eðlisfræðingar, Joseph Becker og , ákváðu að rannsaka vinnuregluna um koparafriðara - þeir höfðu áhuga á að læra hvernig það virkaði og hvernig það væri hægt að nota það í Bell System.
Brattain í ellinni - ca. 1950
Brattain var frá sama svæði og Grondal, í norðvesturhluta Kyrrahafs, þar sem hann ólst upp á sveitabæ nokkrum kílómetrum frá kanadísku landamærunum. Í menntaskóla fékk hann áhuga á eðlisfræði, sýndi hæfileika á þessu sviði og fékk að lokum doktorsgráðu frá háskólanum í Minnesota seint á 1920. áratugnum og tók við starfi hjá Bell Laboratories árið 1929. Hann stundaði meðal annars nám við háskólann. nýjasta fræðilega eðlisfræði, sem var að ná vinsældum í Evrópu, og þekkt sem skammtafræði (sýningarstjóri hennar var , sem einnig leiðbeindi John Atanasoff).
Skammtabylting
Nýr fræðilegur vettvangur hefur þróast hægt og rólega undanfarna þrjá áratugi og á sínum tíma mun hann geta útskýrt öll þau undarlegu fyrirbæri sem hafa sést í mörg ár í efnum eins og galena, seleni og koparoxíði. Heilur árgangur af aðallega ungum eðlisfræðingum, aðallega frá Þýskalandi og nágrannalöndum, olli skammtabyltingu í eðlisfræði. Hvert sem þeir litu fundu þeir ekki hinn slétta og samfellda heim sem þeim hafði verið kennt, heldur undarlega, staka kekki.
Þetta byrjaði allt á 1890. Max Planck, frægur prófessor við háskólann í Berlín, ákvað að vinna með vel þekkt óleyst vandamál: hvernig „„(tilvalið efni sem gleypir alla orku og endurkastar henni ekki) gefur frá sér geislun í rafsegulrófinu? Ýmis líkön voru reynd, engin þeirra passaði við tilraunaniðurstöðurnar - þær misheppnuðust annaðhvort á öðrum enda litrófsins. Planck uppgötvaði að ef við gerum ráð fyrir að orka sé gefin frá líkama í litlum „pökkum“ af staku magni, þá getum við skrifað niður einfalt lögmál um samband tíðni og orku, sem passar fullkomlega við reynsluniðurstöðurnar.
Stuttu síðar uppgötvaði Einstein að það sama gerðist með frásog ljóss (fyrsta vísbending um ljóseindir) og J. J. Thomson sýndi fram á að rafmagn var ekki flutt af samfelldum vökva eða bylgju, heldur af stakum ögnum - rafeindum. Niels Bohr bjó síðan til líkan til að útskýra hvernig spennt frumeindir gefa frá sér geislun með því að úthluta rafeindum á einstaka brautir í atóminu, hver með sína orku. Hins vegar er þetta nafn villandi vegna þess að þær hegða sér alls ekki eins og brautir reikistjarna - í líkani Bohrs hoppaði rafeindir samstundis úr einni braut, eða orkustigi, yfir í annað, án þess að fara í gegnum millistig. Að lokum, á 1920. áratugnum, bjuggu Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Born og fleiri til almennan stærðfræðilegan vettvang sem kallast skammtafræði, sem inniheldur öll sérstök skammtalíkön sem höfðu verið búin til undanfarin tuttugu ár.
Á þessum tíma voru eðlisfræðingar þegar fullvissir um að efni eins og selen og galena, sem sýndu ljósvökva og leiðréttingareiginleika, tilheyrðu sérstökum flokki efna, sem þeir kölluðu hálfleiðara. Flokkunin tók svo langan tíma af ýmsum ástæðum. Í fyrsta lagi voru flokkarnir „leiðarar“ og „einangrarar“ sjálfir nokkuð breiðir. T.N. „leiðarar“ voru gríðarlega mismunandi í leiðni og það sama (í minna mæli) átti við um einangrunartæki og það var ekki augljóst hvernig hægt væri að flokka einhvern ákveðinn leiðara í einhvern af þessum flokkum. Þar að auki, fram á miðja 20. öld, var ómögulegt að fá eða búa til mjög hrein efni, og hvers kyns einkenni í leiðni náttúrulegra efna var alltaf hægt að rekja til mengunar.
Eðlisfræðingar höfðu nú bæði stærðfræðileg verkfæri skammtafræðinnar og nýjan flokk efna sem hægt var að nota þau á. breskur kenningasmiður var fyrstur til að setja þetta allt saman og smíða almennt líkan af hálfleiðurum og hvernig þeir virka árið 1931.
Í fyrstu hélt Wilson því fram að leiðandi efni væru frábrugðin raforku í ástandi orkusviða þeirra. Skammtafræði segir að rafeindir geti verið til í takmörkuðum fjölda orkustiga sem finnast í skeljum, eða sporbrautum, einstakra atóma. Ef þú þrýstir þessum atómum saman í uppbyggingu efnis væri réttara að ímynda sér samfelld orkusvæði sem færi í gegnum það. Það eru tóm rými í leiðurum í háorkusviðum og rafsviðið getur fært rafeindir frjálslega þangað. Í einangrunartækjum eru svæðin fyllt og það er nokkuð langt klifur að komast á hærra leiðandi svæði, þar sem auðveldara er fyrir rafmagn að ferðast.
Þetta leiddi hann að þeirri niðurstöðu að óhreinindi - framandi atóm í byggingu efnis - hljóta að stuðla að hálfleiðaraeiginleikum þess. Þeir geta annaðhvort veitt auka rafeindir, sem sleppa auðveldlega inn í leiðslubandið, eða holur - skortur á rafeindum miðað við restina af efninu - sem skapar tóm orkurými þar sem frjálsar rafeindir geta hreyft sig. Fyrsti valkosturinn var síðar kallaður n-gerð (eða rafræn) hálfleiðarar vegna umfram neikvæðrar hleðslu og sá seinni - p-gerð eða holu hálfleiðarar vegna umfram jákvæðrar hleðslu.
Að lokum lagði Wilson til að hægt væri að útskýra núverandi leiðréttingu með hálfleiðurum með skammtaskammtaskilmálum. , skyndilegt stökk rafeinda yfir þunnt rafmagnshindrun í efni. Kenningin virtist trúverðug, en hún spáði því að í afriðlinum ætti straumurinn að renna frá oxíðinu til koparsins, þó í raun væri það öfugt.
Svo, þrátt fyrir allar byltingar Wilson, var erfitt að útskýra hálfleiðara. Eins og það kom smám saman í ljós höfðu smásæjar breytingar á kristalbyggingu og styrk óhreininda óhófleg áhrif á stórsæja rafhegðun þeirra. Með því að hunsa skilningsleysið - þar sem enginn gat útskýrt tilraunaathugunirnar sem Brown gerði 60 árum áður - þróuðu Brattain og Becker skilvirkt framleiðsluferli fyrir koparoxíðafriðara fyrir vinnuveitanda sinn. Bjöllukerfið byrjaði fljótt að skipta út lofttæmisrörafriðrunum um allt kerfið fyrir nýtt tæki sem verkfræðingar þeirra kölluðu. , þar sem viðnám hennar var mismunandi eftir stefnu.
gull medalía
Mervyn Kelly, eðlisfræðingur og fyrrverandi yfirmaður tómarúmsröradeildar Bell Labs, fékk mikinn áhuga á þessari þróun. Á nokkrum áratugum veittu tómarúmsrör Bell ómetanlega þjónustu og gátu framkvæmt aðgerðir sem voru ekki mögulegar með fyrri kynslóð vélrænna og rafvélrænna íhluta. En þau voru heit, ofhitnuðu reglulega, eyddu mikilli orku og var erfitt að viðhalda þeim. Kelly ætlaði að endurbyggja kerfi Bells með áreiðanlegri og endingargóðari rafeindahlutum í föstu formi, svo sem varistorum, sem ekki þurftu innsigluð, gasfyllt eða tóm hulstur eða heita þráða. Árið 1936 varð hann yfirmaður rannsóknardeildar Bell Labs og byrjaði að beina stofnuninni á nýja braut.
Eftir að hafa fengið solid-state afriðara var næsta augljósa skrefið að búa til solid-state magnara. Auðvitað, eins og rörmagnari, gæti slíkt tæki líka virkað sem stafrænn rofi. Þetta var sérstaklega áhugavert fyrir fyrirtæki Bell, þar sem símarofar notuðu enn gríðarlegan fjölda rafvélrænna stafrænna rofa. Fyrirtækið leitaði að áreiðanlegri, minni, orkunýtnari og svalari staðgengil fyrir lofttæmisrörið í símakerfum, útvarpstækjum, ratsjám og öðrum hliðrænum búnaði, þar sem þau voru notuð til að magna upp veik merki upp að stigum sem mannseyrað heyrði.
Árið 1936 aflétti Bell Laboratories loksins ráðningarstöðvuninni sem sett var á . Kelly byrjaði strax að ráða skammtafræðisérfræðinga til að hjálpa til við að hefja rannsóknaáætlun sína í föstu formi, þar á meðal , annar vesturstrandarbúi, frá Palo Alto, Kaliforníu. Efni nýlegrar MIT-ritgerðar hans var fullkomlega við hæfi Kellys: "Rafeindabönd í natríumklóríði."
Brattain og Becker héldu áfram rannsóknum sínum á koparoxíðafriðlinum á þessum tíma og leituðu að endurbættum solid-state magnara. Augljósasta leiðin til að gera það var að fylgja líkingunni með lofttæmisrör. Rétt eins og Lee de Forest tók túbumagnara og milli bakskautsins og rafskautsins, og Brattain og Becker ímynduðu sér hvernig hægt væri að setja möskva á mótum kopar og koparoxíðs, þar sem leiðrétting átti að eiga sér stað. Hins vegar, vegna lítillar þykktar lagsins, reyndust þeir ómögulegt að gera þetta og náðu ekki árangri í þessu.
Á sama tíma sýndi önnur þróun að Bell Labs var ekki eina fyrirtækið sem hafði áhuga á rafeindatækni í föstu formi. Árið 1938 birtu Rudolf Hilsch og Robert Pohl niðurstöður tilrauna sem gerðar voru við háskólann í Göttingen á virkum magnara í föstu formi sem búinn var til með því að setja rist inn í kalíumbrómíð kristal. Þetta rannsóknarstofutæki var ekkert hagnýtt gildi, aðallega vegna þess að það starfaði á tíðni sem var ekki meira en 1 Hz. Og samt gat þetta afrek ekki annað en þóknast öllum sem hafa áhuga á rafeindatækni í föstu formi. Sama ár úthlutaði Kelly Shockley til nýs óháðs rannsóknarhóps um solid-state tæki og gaf honum og samstarfsfélögum hans Foster Nix og Dean Woolridge lausafjármuni til að kanna getu sína.
Að minnsta kosti tveimur öðrum uppfinningamönnum tókst að búa til solid-state magnara fyrir seinni heimsstyrjöldina. Árið 1922, sovéskur eðlisfræðingur og uppfinningamaður birti niðurstöður árangursríkra tilrauna með sinkít hálfleiðara, en verk hans fóru framhjá vestrænu samfélagi; Árið 1926 sótti bandaríski uppfinningamaðurinn Julius Lillenfield um einkaleyfi fyrir solid-state magnara, en ekkert bendir til þess að uppfinning hans hafi virkað.
Fyrsta stóra innsýn Shockleys í nýju stöðu sinni átti sér stað þegar hann las rit breska eðlisfræðingsins Neville Moth frá 1938, The Theory of Crystalline Rectifiers, sem að lokum útskýrði meginregluna um notkun Grondahl koparoxíðs afriðunarbúnaðarins. Mott notaði stærðfræði skammtafræðinnar til að lýsa myndun rafsviðs á mótum leiðandi málms og hálfleiðandi oxíðs og hvernig rafeindir „stökkva“ yfir þessa rafmagnshindrun, frekar en að fara í jarðgöng eins og Wilson lagði til. Straumur flæðir auðveldara frá málmnum til hálfleiðarans en öfugt vegna þess að málmurinn hefur miklu fleiri frjálsar rafeindir.
Þetta leiddi Shockley til nákvæmlega sömu hugmyndar og Brattain og Becker höfðu íhugað og hafnað á árum áður - að búa til magnara í föstu formi með því að setja koparoxíðnet á milli koparsins og koparoxíðsins. Hann vonaði að straumur sem flæðir í gegnum ristina myndi auka hindrunina sem takmarkar straumflæði frá kopar til oxíðs, sem myndi öfuga, magnaða útgáfu af merkinu á ristinni. Fyrsta grófa tilraun hans mistókst algjörlega, svo hann sneri sér að manni með fágaðari rannsóknarhæfileika og kunni við afriðara: Walter Brattain. Og þó að hann hafi ekki efast um útkomuna, samþykkti Brattain að svala forvitni Shockleys og bjó til flóknari útgáfu af „grid“ magnaranum. Hún neitaði líka að vinna.
Svo greip stríð inn í, sem skildi nýja rannsóknaráætlun Kelly eftir í upplausn. Kelly varð yfirmaður ratsjárvinnuhóps Bell Labs, studd af helstu ratsjárrannsóknarmiðstöð Bandaríkjanna við MIT. Brattain vann stuttlega fyrir hann og hélt síðan áfram að rannsóknum á segulgreiningu kafbáta fyrir sjóherinn. Woolridge vann við eldvarnarkerfi, Nix vann að gasdreifingu fyrir Manhattan verkefnið og Shockley fór í rekstrarrannsóknir, fyrst að vinna að kafbátahernaði á Atlantshafi og síðan við stefnumótandi sprengjuárásir á Kyrrahafinu.
En þrátt fyrir þessa inngrip stöðvaði stríðið ekki þróun rafeindatækni í föstu formi. Þvert á móti, það skipulagði gríðarlegt innrennsli auðlinda inn á sviðið og leiddi til samþjöppunar rannsókna á tveimur efnum: germaníum og sílikoni.
Hvað annað að lesa
Ernest Bruan og Stuart MacDonald, Revolution in Miniature (1978)
Friedrich Kurylo og Charles Susskind, Ferdinand Braun (1981)
G. L. Pearson og W. H. Brattain, „History of Semiconductor Research,“ Proceedings of the IRE (desember 1955).
Michael Riordan og Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
Heimild: www.habr.com