Altri articoli del ciclo:
- Storia del relè
- Storia dei computer elettronici
- Storia del transistor
- Storia di Internet
La strada verso gli switch a stato solido è stata lunga e complessa. È iniziata con la scoperta che alcuni materiali si comportano in modo strano in presenza di elettricità - non come prevedevano le teorie esistenti all'epoca. Seguirono storie su come nel XX secolo la tecnologia diventasse sempre più una disciplina scientifica e istituzionale. Dilettanti, principianti e inventori professionisti, praticamente privi di qualsivoglia formazione scientifica, contribuirono significativamente alla nascita del telegrafo, della telefonia e della radio. Ma, come vedremo, quasi tutti i progressi nella storia dell'elettronica a stato solido avvennero grazie a scienziati che avevano studiato nelle università (e di solito possedevano un dottorato in fisica) e lavoravano presso università o laboratori di ricerca aziendali.
Chiunque abbia accesso a un laboratorio e possieda abilità di base nella lavorazione dei materiali può assemblare un relè utilizzando fili, metallo e legno. Per creare lampade elettroniche sono necessari strumenti più specializzati, in grado di creare un bulb di vetro e aspirare l'aria al suo interno. I dispositivi a stato solido, invece, sono scomparsi in un buco del coniglio da cui l'interruttore digitale non è mai tornato, immergendosi sempre più in mondi comprensibili solo alla matematica astratta e accessibili solo attraverso attrezzature estremamente costose.
Galena
Nel 1874 , un fisico di 24 anni della Scuola di San Tommaso di Lipsia, pubblicò il primo di una serie di importanti lavori scientifici nella sua lunga carriera. Il lavoro "Sulla conduzione delle correnti elettriche attraverso i solfuri metallici" fu accolto dalla rivista Pogendorff’s Annalen, una prestigiosa pubblicazione dedicata alle scienze fisiche. Nonostante il noioso titolo, il lavoro di Braun descriveva alcuni sorprendenti e misteriosi risultati sperimentali.
Ferdinand Braun
Braun fu affascinato dai solfuri - cristalli minerali composti da sulfuri e metalli - grazie ai lavori di . Già nel 1833, Michael Faraday osservò che la conducibilità del solfuro d'argento aumentava con la temperatura, il che è completamente opposto al comportamento dei conduttori metallici. Gittorf redasse un accurato rapporto quantitativo sulle misurazioni di questo effetto negli anni 1850, per i solfuri sia d'argento che di rame. Ora Brown, utilizzando un ingegnoso apparato sperimentale che premeva un conduttore metallico contro un cristallo di solfuro con una molla per garantire un buon contatto, scoprì qualcosa di ancora più strano. La conducibilità dei cristalli dipendeva dalla direzione: ad esempio, la corrente poteva fluire bene in una direzione, ma invertendo la polarità della batteria, la corrente poteva improvvisamente calare drasticamente. I cristalli in una direzione si comportavano più come conduttori (come normali metalli), mentre nell'altra più come isolanti (come vetro o gomma). Questa proprietà divenne nota come rettificazione, a causa della sua capacità di rettificare la corrente alternata
All'incirca nello stesso periodo, i ricercatori scoprirono anche altre strane proprietà di materiali come il selenio, che poteva essere estratto da alcune rocce solfuri. Sotto l'influenza della luce, il selenio aumentava la conducibilità e iniziava persino a generare elettricità, oltre a poter essere utilizzato per la rettificazione. C'era qualche legame con i cristalli di solfuri? Senza modelli teorici in grado di spiegare ciò che accadeva, regnava la confusione in questo campo.
Tuttavia, l'assenza di una teoria non fermò i tentativi di applicare praticamente i risultati. Alla fine del 1890, Brown divenne professore all'Università di Strasburgo – recentemente annessa alla Francia durante la e rinominata Università del Kaiser Guglielmo. Lì fu risucchiato in un'affascinante nuova realtà della radiotelegraphicità. Rispose positivamente alla proposta di un gruppo di imprenditori per la creazione congiunta di un sistema di comunicazione senza fili basato sulla trasmissione di onde radio attraverso l'acqua. Tuttavia, lui e i complici abbandonarono presto l'idea originale a favore della trasmissione aerea dei segnali, utilizzata da Marconi e altri.
Tra gli aspetti della radio che il gruppo di Brown cercava di migliorare c'era il ricevitore standard dell'epoca, . Si basava sul fatto che le onde radio facevano accumulare trucioli di metallo in un agglomerato, permettendo così alla corrente della batteria di fluire verso il dispositivo di segnale. Questo funzionava, ma il sistema rispondeva solo a segnali relativamente forti e per rompere l'agglomerato di trucioli era necessario colpire costantemente il dispositivo. Brown ricordò i suoi vecchi esperimenti con i cristalli di solfuro e nel 1899 ricreò il suo vecchio impianto sperimentale con un nuovo obiettivo: servire da rivelatore di segnali wireless. Utilizzò l'effetto di rettificazione per trasformare la minuscola corrente oscillante generata dalle onde radio in corrente continua, in grado di alimentare un piccolo altoparlante, che emetteva clic udibili per ogni punto o trattino. Questo dispositivo divenne successivamente noto come “” a causa dell'aspetto di un filo che toccava facilmente la parte superiore del cristallo. Nell'India britannica (dove oggi si trova il Bangladesh), il particolare scienziato e inventore Jagadish Bose costruì un dispositivo simile, forse già nel 1894. Altri iniziarono subito a realizzare rivelatori simili utilizzando silicio e carburo di silicio.
Tuttavia, fu il , solfuro di piombo, fuso per ottenere piombo fin dai tempi antichi, a diventare il materiale preferito per i rivelatori cristallini. Erano semplici da fabbricare ed economici, e in seguito divennero incredibilmente popolari tra i primi appassionati di radio. Inoltre, a differenza del coherer binario (con i trucioli che potevano essere aggregati o meno), il rivelatore cristallino poteva riprodurre un segnale continuo. Pertanto, poteva emettere trasmissioni vocali e musicali udibili, non solo il codice Morse con i suoi punti e trattini.
Rivelatore “baffi di gatto” basato sulla galenite. Il piccolo pezzo di filo a sinistra è il baffo, e il pezzo di materiale argentato in basso è il cristallo di galenite.
Tuttavia, come stabilirono presto i delusi radioamatori, la ricerca del punto magico sulla superficie del cristallo, che forniva una buona rettificazione, poteva richiedere minuti o addirittura ore. E i segnali senza amplificazione erano deboli e avevano un timbro metallico. Negli anni '20, i ricevitori a valvole elettroniche con amplificatori a triodo praticamente resero i rivelatori a cristallo obsoleti ovunque. La loro unica caratteristica attraente rimaneva il costo ridotto.
Questa breve apparizione nell'arena dei ricevitori radio sembrava essere il limite dell'applicazione pratica delle strane proprietà elettriche del materiale, scoperte da Braun e altri.
Ossido di rame
Poi, negli anni '20, un altro fisico di nome Lars Grondal scoprì qualcosa di strano grazie al suo setup sperimentale. Grondal, il primo di una serie di ingegni instancabili della storia dell'Ovest americano, era figlio di un ingegnere edile. Suo padre, emigrato dalla Norvegia nel 1880, lavorò per diversi decenni sulle ferrovie in California, Oregon e Washington. Inizialmente, Grondal sembrava volersi lasciare alle spalle il mondo ingegneristico del padre e si iscrisse presso l'Università Johns Hopkins per ottenere il dottorato in fisica, intraprendendo un percorso accademico. Ma poi anche lui si coinvolse nel settore ferroviario, ricoprendo la posizione di direttore della ricerca presso la Union Switch and Signal, una divisione del gigante industriale , fornendo attrezzature per l'industria ferroviaria.
Diverse fonti indicano motivazioni discordanti che hanno spinto Grondal nelle sue ricerche, ma ad ogni modo, iniziò a sperimentare con dischi di rame riscaldati da un lato per creare uno strato ossidato. Lavorando con essi, notò l'asedimo della corrente: la resistenza in un verso era tre volte superiore rispetto all'altro. Un disco di rame e ossido di rame rettificava la corrente proprio come un cristallo di solfuro.
Schema di rettificatore a ossido di rame
Per sei anni, Grondahl sviluppò un raddrizzatore commerciale pronto per l'uso basato su questo fenomeno, con l'aiuto di un altro ricercatore degli Stati Uniti, Paul Geiger, e poi presentò una domanda di brevetto rivelando la sua scoperta all'American Physical Society nel 1926. Il dispositivo divenne subito un successo commerciale. Grazie all'assenza di fili fragili, era molto più affidabile di un raddrizzatore a valvole elettroniche basato sul principio di Fleming ed era economico da produrre. A differenza dei raddrizzatori a cristallo di Braun, funzionava al primo colpo e, grazie a una maggiore superficie di contatto tra metallo e ossido, operava su un'ampia gamma di correnti e tensioni. Poteva caricare batterie, rilevare segnali in vari sistemi elettrici e funzionare come shunt di sicurezza in potenti generatori. Utilizzando i dischi come fotoelemento, poteva essere impiegato come misuratore della luce, risultando particolarmente utile in fotografia. Altri ricercatori, grosso modo nello stesso periodo, svilupparono raddrizzatori a base di selenio, trovando applicazioni simili.
Un pacchetto di raddrizzatori a base di ossido di rame. L'assemblaggio di più dischi aumentava la resistenza inversa, permettendo di utilizzarli ad alta tensione.
Dopo alcuni anni, due fisici dei Bell Laboratories, Joseph Becker e , decisero di studiare il principio di funzionamento del raddrizzatore di rame – erano curiosi di sapere come funzionasse e come potesse essere utilizzato nella Bell System.
Brattain in età avanzata – circa 1950
Brattain proveniva dalla stessa zona di Grondahl, dal Pacific Northwest, dove crebbe in una fattoria a pochi chilometri dal confine canadese. Nel corso delle scuole superiori si interessò alla fisica, dimostrando abilità in questo campo, e alla fine ottenne un dottorato all'Università del Minnesota alla fine degli anni '20, per poi lavorare ai Bell Laboratories nel 1929. Tra le altre cose, all'università studiò la più recente fisica teorica, che stava guadagnando popolarità in Europa e conosciuta come meccanica quantistica (il suo tutor fu , che fu anche mentore di John Atanasoff).
Rivoluzione quantistica
Una nuova piattaforma teorica si è sviluppata lentamente negli ultimi tre decenni, e in futuro potrà spiegare tutti i fenomeni strani che per anni sono stati osservati in materiali come galena, selenio e ossido rameo. Un'intera coorte di fisici, prevalentemente giovani e per lo più provenienti dalla Germania e dai paesi vicini, ha dato vita a una rivoluzione quantistica nella fisica. Ovunque si guardasse, scoprivano non un mondo continuo e fluido, come gli era stato insegnato, ma strane particelle discrete.
Tutto è cominciato negli anni '90 dell'Ottocento. Max Planck, il più famoso professore dell'Università di Berlino, decise di lavorare su un noto problema irrisolto: come un "" (una sostanza ideale che assorbe tutta l'energia senza rifletterla) emette radiazione nello spettro elettromagnetico? Furono provati vari modelli, nessuno dei quali corrispondeva ai risultati sperimentali: fallivano sia in un'estremità che nell'altra dello spettro. Planck scoprì che, se si supponeva che l'energia venisse emessa dal corpo in piccoli "pacchetti" di grandezza discreta, si poteva scrivere una semplice legge di proporzionalità tra frequenza ed energia, che corrispondeva perfettamente ai risultati empirici.
Poco dopo, Einstein scoprì che lo stesso valeva per l'assorbimento della luce (il primo accenno ai fotoni), e J.J. Thomson dimostrò che l'elettricità viene trasportata non da un fluido continuo o da un'onda, ma da particelle discrete: gli elettroni. Successivamente, Niels Bohr creò un modello che spiegava come gli atomi eccitati emettessero radiazione, assegnando agli elettroni orbite separate nell'atomo, ognuna delle quali possedeva la propria energia. Tuttavia, questo termine è fuorviante, poiché non si comportano affatto come le orbite planetarie: nel modello di Bohr, gli elettroni passavano istantaneamente da un'orbita o livello energetico a un altro, senza attraversare uno stato intermedio. Infine, negli anni '20, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Born e altri crearono una piattaforma matematica generale, nota come meccanica quantistica, che includeva tutti i modelli quantistici speciali sviluppati nei venti anni precedenti.
A questo punto, i fisici erano già convinti che materiali come il selenio e il galenite, che mostrano proprietà fotovoltaiche e di rettificazione, appartengano a una categoria a sé stante di materiali, che hanno chiamato semiconduttori. La classificazione ha richiesto molto tempo per vari motivi. Innanzitutto, le categorie di "conduttori" e "isolanti" erano piuttosto ampie. I cosiddetti "conduttori" differivano notevolmente per conducibilità; lo stesso si può dire, ma in misura minore, per gli isolanti, e non era evidente come un determinato conduttore potesse essere attribuito a una di queste categorie. Inoltre, fino alla metà del XX secolo, era impossibile ottenere o creare sostanze molto pure, e qualsiasi anomalia nella conducibilità dei materiali naturali poteva sempre essere attribuita a contaminazioni.
Ora i fisici disponevano sia di strumenti matematici derivati dalla meccanica quantistica, sia di una nuova classe di materiali a cui potevano applicarli. Il teorico britannico è stato il primo a mettere tutto questo insieme e a costruire un modello generale dei semiconduttori e del loro funzionamento nel 1931.
Inizialmente, Wilson sosteneva che i materiali conduttivi si differenziano dai dielettrici per lo stato delle bande energetiche. La meccanica quantistica afferma che gli elettroni possono esistere su un numero limitato di livelli energetici associati ai gusci, o orbitali, di atomi singoli. Se si comprimono questi atomi insieme in una struttura di un materiale, è più corretto immaginare bande energetiche continue che attraversano il materiale. Nei conduttori, ci sono spazi liberi nelle bande ad alta energia, e il campo elettrico può muovere liberamente gli elettroni lì. Negli isolanti, le bande sono piene, e per arrivare a una bande conduttiva più alta, dove l'elettricità può muoversi più facilmente, è necessario un notevole sforzo.
Questo lo portò alla conclusione che le impurità – atomi estranei nella struttura del materiale – devono contribuire alle sue proprietà semiconduttrici. Possono fornire elettroni in eccesso, che si spostano facilmente nella banda di conduzione, o lacune – assenza di elettroni rispetto al resto del materiale – creando posti energetici vuoti dove possono muoversi elettroni liberi. Il primo caso è stato successivamente chiamato semiconduttore di tipo n (o elettronico) – per il suo eccesso di carica negativa, e il secondo – di tipo p, o lacunare – per il suo eccesso di carica positiva.
Infine, Wilson suggerì che il raddrizzamento della corrente tramite semiconduttori potesse essere spiegato in termini di , un improvviso salto degli elettroni oltre un sottile barriera elettrica nel materiale. La teoria sembrava plausibile, ma prevedeva che nel raddrizzatore la corrente dovesse fluire dall'ossido al rame, mentre in realtà era esattamente il contrario.
E così, nonostante tutte le scoperte di Wilson, i semiconduttori rimasero difficili da spiegare. Man mano che diventava chiaro, le variazioni microscopiche nella struttura cristallina e nella concentrazione di impurità influenzavano in modo sproporzionato il loro comportamento elettrico macroscopico. Ignorando la mancanza di comprensione – poiché nessuno era riuscito a spiegare le osservazioni sperimentali fatte da Brown 60 anni prima – Brattain e Becker svilupparono un processo di produzione efficiente per raddrizzatori a base di rame e ossido per il loro datore di lavoro. Il Bell System iniziò rapidamente a sostituire i raddrizzatori a tubi elettronici in tutto il sistema con un nuovo dispositivo che i loro ingegneri chiamarono , poiché la sua resistenza cambiava a seconda della direzione.
Medaglia d'oro
Mervin Kelly, fisico e ex capo del dipartimento delle lampade elettroniche dei Bell Labs, si è mostrato molto interessato a questo risultato. Negli ultimi decenni, le lampade elettroniche hanno fornito un servizio inestimabile a Bell, eseguendo funzioni che erano inaccessibili alla generazione precedente di componenti meccanici ed elettromeccanici. Tuttavia, si surriscaldavano, spesso surriscaldandosi, consumavano molta energia e erano complicate da mantenere. Kelly intendeva riprogettare il sistema Bell basandosi su componenti elettronici a stato solido più affidabili e resistenti, come i varistori, che non richiedevano involucri ermetici riempiti di gas o vuoti, né filamenti incandescenti. Nel 1936 divenne capo del dipartimento di ricerca dei Bell Labs e iniziò a indirizzare l'organizzazione su un nuovo percorso.
Dopo aver ricevuto il raddrizzatore a stato solido, il passo successivo ovvio era creare un amplificatore a stato solido. Naturalmente, proprio come l'amplificatore a valvole, un tale dispositivo potrebbe funzionare anche come interruttore digitale. Questo interessava particolarmente l'azienda Bell, poiché nei centralini telefonici erano ancora in uso un'enorme quantità di interruttori digitali elettromeccanici. L'azienda cercava una sostituzione più affidabile, compatta, energeticamente efficiente e fredda della lampada elettronica nei sistemi telefonici, nei ricevitori radio, nei radar e in altre attrezzature analogiche, dove erano utilizzate per amplificare segnali deboli a un livello udibile dall'orecchio umano.
Nel 1936, i Bell Labs hanno finalmente revocato il divieto di assunzione di personale, imposto durante la . Kelly iniziò immediatamente a reclutare esperti in meccanica quantistica per aiutarlo a lanciare il suo programma di ricerca sui dispositivi a stato solido, tra cui , un altro escluso dalla costa occidentale, da Palo Alto (California). Il tema della sua recente tesi di dottorato al MIT si adattava perfettamente alle esigenze di Kelly: "Zone elettroniche nel cloruro di sodio".
Brattain e Becker nel frattempo continuavano le loro ricerche sul raddrizzatore a ossido di rame, cercando di ottenere un miglior amplificatore a stato solido. Il modo più ovvio per costruirlo era seguire l'analogia con la valvola elettronica. Proprio come Lee de Forest prese l'amplificatore a valvola e tra il catodo e l'anodo, Brattain e Becker si immaginarono come si potesse inserire una griglia nel punto di contatto tra rame e ossido di rame, dove si supponeva avvenisse il raddrizzamento. Tuttavia, a causa dello spessore ridotto del materiale, considerarono impossibile realizzarlo, e non riuscirono in questo.
Nel frattempo, altri sviluppi hanno dimostrato che i Bell Laboratories non erano l'unica azienda interessata all'elettronica a stato solido. Nel 1938, Rudolf Hilsh e Robert Paul pubblicarono i risultati di esperimenti condotti all'Università di Göttingen su un amplificatore a stato solido funzionante, creato mediante l'inserimento di una griglia cristallo di bromuro di potassio. Questo dispositivo laboratorio non aveva valore pratico – principalmente perché operava a frequenza non superiore a 1 Hz. Eppure, questa conquista non poteva non rallegrarre tutti gli interessati all'elettronica a stato solido. Nello stesso anno, Kelly assegnò Shockley a un nuovo gruppo indipendente di ricerca sui dispositivi a stato solido e gli concesse, con i colleghi – Foster Nixon e Dean Woolridge – carta bianca per esplorare le loro potenzialità.
Almeno altri due inventori riuscirono a creare amplificatori a stato solido prima della Seconda guerra mondiale. Nel 1922, il fisico e inventore sovietico pubblicò i risultati di esperimenti riusciti con semiconduttori a zincoite, ma le sue opere rimasero inosservate dalla comunità occidentale; nel 1926, l'inventore americano Julius Lilienfeld presentò una domanda di brevetto per un amplificatore a stato solido, ma non ci sono prove della funzionalità della sua invenzione.
La prima grande illuminazione di Shockley nel suo nuovo ruolo avvenne durante la lettura del lavoro del fisico britannico Neville Mott "Teoria dei raddrizzatori cristallini" del 1938, dove finalmente veniva spiegato il principio di funzionamento del raddrizzatore Grondal all'ossido di rame. Mott utilizzava la matematica della meccanica quantistica per descrivere la formazione del campo elettrico all'interfaccia tra il metallo conduttore e l'ossido semiconduttore, e come gli elettroni "saltano" oltre questa barriera elettrica, invece di tunnelare, come proposto da Wilson. La corrente scorre più facilmente dal metallo al semiconduttore che viceversa, poiché il metallo ha un numero di elettroni liberi di gran lunga maggiore.
Questo portò Shockley esattamente alla stessa idea che Brattain e Becker avevano esaminato e scartato molti anni prima: realizzare un amplificatore a stato solido inserendo una rete di ossido di rame tra il rame e l'ossido di rame. Sperava che la corrente nella rete avrebbe aumentato la barriera che limitava la corrente dal rame all'ossido, creando una versione invertita e amplificata del segnale nella rete. Il suo primo tentativo goffo fallì completamente, quindi si rivolse a una persona con abilità di laboratorio più affinate e ben nota per i raddrizzatori: Walter Brattain. E, sebbene non avesse dubbi sul risultato, Brattain accettò di soddisfare la curiosità di Shockley e creò una versione più complessa dell'amplificatore "a rete". Anche questa si rifiutò di funzionare.
Poi intervenne la guerra, lasciando il nuovo programma di ricerca di Kelly in disordine. Kelly prese la guida di un gruppo di lavoro sui radar nei Bell Labs, sostenuto dal principale centro di ricerca radar degli Stati Uniti al MIT. Brattain lavorò brevemente con lui, poi passò alla ricerca sulla rilevazione magnetica dei sottomarini per conto della marina militare. Woolridge lavorava sui sistemi di controllo del fuoco, Nix sulla diffusione dei gas per il Progetto Manhattan, mentre Shockley si dedicò alle ricerche operative, occupandosi inizialmente della lotta contro i sottomarini nell'Atlantico e poi dei bombardamenti strategici nel Pacifico.
Tuttavia, nonostante questo intervento, la guerra non ha fermato lo sviluppo dell'elettronica a stato solido. Al contrario, ha portato a un massiccio afflusso di risorse in questo settore, conducendo a una concentrazione della ricerca su due materiali: germanio e silicio.
Cosa leggere ancora
Ernest Bruan e Stuart MacDonald, Rivoluzione in Miniatura (1978)
Friedrich Kurylo e Charles Susskind, Ferdinand Braun (1981)
G. L. Pearson e W. H. Brattain, “Storia della ricerca sui semiconduttori,” Atti dell'IRE (dicembre 1955).
Michael Riordan e Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
Fonte: habr.com
