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L'incudine della guerra ha preparato il terreno per l'emergere del transistor. Dal 1939 al 1945, la conoscenza tecnico-scientifica nel campo dei semiconduttori è cresciuta in modo straordinario. E c'era una ragione semplice per questo: il radar. La tecnologia più importante della guerra, tra i cui esempi di applicazione ci sono: rilevamento di attacchi aerei, ricerca di sottomarini, orientamento di attacchi aerei notturni verso obiettivi, guida di sistemi di difesa aerea e armi navali. Gli ingegneri sono riusciti persino a inserire piccoli radar nei proiettili d'artiglieria, in modo che esplodessero quando passavano vicino al bersaglio - . Tuttavia, la fonte di questa nuova e potente tecnologia militare proveniva da un ambito più pacifico: lo studio degli strati superiori dell'atmosfera a scopi scientifici.
Radar
Nel 1901, la società 'Marconi Wireless Telegraph' ha trasmesso con successo un messaggio wireless attraverso l'Atlantico, da Cornovaglia a Terranova. Questo fatto ha lasciato la scienza moderna perplessa. Se le trasmissioni radio si muovono in linea retta (come dovrebbero), una simile trasmissione non dovrebbe essere possibile. Tra l'Inghilterra e il Canada non esiste una linea di vista diretta che non attraversi la Terra, quindi il messaggio di Marconi doveva essere andato nello spazio. L'ingegnere americano Arthur Kennelly e il fisico britannico Oliver Heaviside hanno simultaneamente e indipendentemente ipotizzato che la spiegazione di questo fenomeno dovesse essere legata a uno strato di gas ionizzato negli strati superiori dell'atmosfera, capace di riflettere le onde radio di nuovo verso la Terra (Marconi stesso credeva che le onde radio seguissero la curvatura della superficie terrestre, ma i fisici non lo sostennero).
Negli anni '20, gli scienziati svilupparono nuove attrezzature che consentirono prima di dimostrare l'esistenza dell'ionosfera e poi di studiarne la struttura. Utilizzarono tubi elettronici per generare impulsi radio in onde corte, antenne direzionali per inviarli verso l'alto nell'atmosfera e registrare l'eco, e per dimostrare i risultati. Maggiore era il ritardo del ritorno dell'eco, più lontana doveva essere l'ionosfera. Questa tecnologia fu chiamata sondaggio atmosferico e fornì l'infrastruttura tecnica fondamentale per la creazione del radar (il termine 'radar', da RAdio Detection And Ranging, apparve solo negli anni '40 nella Marina degli Stati Uniti).
Il fatto che le persone dotate delle giuste conoscenze, risorse e motivazione avessero compreso il potenziale dell'uso terrestre di tale attrezzatura era solo una questione di tempo (così, la storia del radar è opposta a quella del telescopio, che inizialmente era destinato a un uso terrestre). E la probabilità di tale illuminazione aumentava man mano che la radio si diffondeva sempre più nel pianeta e sempre più persone notavano interferenze provenienti da navi, aerei e altri grandi oggetti nelle vicinanze. Le conoscenze sulla tecnologia di sondaggio degli strati superiori dell'atmosfera si diffusero durante il secondo (1932-1933), quando da diverse stazioni artiche scienziati tracciarono una mappa dell'ionosfera. Poco dopo, squadre in Gran Bretagna, Stati Uniti, Germania, Italia, URSS e altri paesi svilupparono i loro sistemi radar più semplici.
con il suo radar del 1935
Poi scoppiò la guerra e l'importanza dei radar per i paesi - e delle risorse per il loro sviluppo - aumentò notevolmente. Negli Stati Uniti, queste risorse si concentrarono attorno a una nuova organizzazione, fondata nel 1940 al MIT, nota come (chiamata così appositamente per ingannare gli spioni stranieri e dare l'impressione che nel laboratorio si stesse studiando la radioattività - all'epoca pochissimi credevano nelle bombe atomiche). Il progetto Rad Lab, che non ottenne la stessa fama del Progetto Manhattan, comunque reclutò fisici altrettanto straordinari e talentuosi da tutto il paese. Cinque dei primi membri del laboratorio (inclusi e ) in seguito ricevettero premi Nobel. Alla fine della guerra, nel laboratorio lavoravano circa 500 dottori di ricerca, scienziati e ingegneri, per un totale di 4000 persone. Cinquecentomila dollari - comparabili al budget totale per la creazione dell'ENIAC - furono spesi solo per pubblicare la Radiation Laboratory Series, ventisette volumi che descrivevano tutte le conoscenze acquisite nel laboratorio durante la guerra (e le spese del governo degli Stati Uniti per le tecnologie radar non si limitavano al budget del Rad Lab; durante la guerra il governo acquistò radar per tre miliardi di dollari).
Il 20° corpo del MIT, dove si trovava il Rad Lab
Uno dei principali settori di ricerca del Rad Lab era il radar ad alta frequenza. I primi radar utilizzavano onde con lunghezze misurate in metri. Ma i fasci di frequenza superiore, le cui lunghezze d'onda erano misurate in centimetri – onde millimetriche – permettevano di utilizzare antenne più compatte e si disperdevano meno su lunghe distanze, promettendo grandi vantaggi in termini di distanza e precisione operativa. I radar a onde millimetriche potevano essere collocati nella punta di un aereo e rilevare oggetti delle dimensioni di un periscopio di un sottomarino.
Per primi, questo problema è stato risolto da un team di fisici britannici dell'Università di Birmingham. Nel 1940, svilupparono il “”, che funzionava come un “fischietto” elettromagnetico, trasformando un impulso elettrico disordinato in un fascio di onde millimetriche potente e sintonizzato con precisione. Questo trasmettitore a microonde era mille volte più potente rispetto al concorrente più vicino; aprì la strada alla creazione di trasmettitori radar ad alta frequenza pratici. Tuttavia, necessitava di un compagno, un ricevitore in grado di registrare alte frequenze. E a questo punto torniamo alla storia dei semiconduttori.
Sezione trasversale del magnetron
Il ritorno del “punto di contatto”
Si scoprì che le valvole elettroniche non erano affatto adatte a ricevere i segnali radar a onde millimetriche. La distanza tra il catodo caldo e l'anodo freddo creava capacità, il che portava all’interruzione del circuito su frequenze elevate. La tecnologia migliore per i radar ad alta frequenza disponibile era il vecchio “” – un piccolo pezzo di filo premuto su un cristallo di semiconduttore. Questo fu scoperto indipendentemente da diverse persone, ma ciò che è più rilevante per la nostra storia è quello che stava accadendo nel New Jersey.
Nel 1938, i Bell Labs stipularono un contratto con la Marina Militare per sviluppare un radar di controllo del fuoco nella gamma di 40 cm – molto più corta, e quindi più alta in frequenza, rispetto ai radar esistenti dell’epoca pre-magnetron a risonanza. Gran parte del lavoro di ricerca fu assegnato a un'unità dei laboratori a Holmdel, a sud di Staten Island. Non ci volle molto ai ricercatori per capire di cosa avessero bisogno per un ricevitore ad alta frequenza, e presto l'ingegnere George Southworth frugava nei negozi di elettronica di Manhattan in cerca di vecchi rilevatori “punto di contatto”. Come previsto, funzionava molto meglio del rilevatore a valvole, ma lo faceva in modo instabile. Pertanto, Southworth cercò un chimico chiamato Russell Ohl e gli chiese di migliorare l’uniformità della risposta del rilevatore cristallino a punto singolo.
Ohl era una persona piuttosto peculiare, convinto che lo sviluppo della tecnologia fosse il suo destino, e raccontava di visioni occasionali del futuro. Ad esempio, dichiarava che già nel 1939 sapeva del futuro invento dell'amplificatore al silicio, ma che il destino aveva riservato l'invenzione ad un'altra persona. Dopo aver esaminato decine di opzioni, giunse alla conclusione che il silicio era il miglior materiale per i ricevitori di Southworth. Il problema era la possibilità di controllare la composizione del materiale per gestirne le proprietà elettriche. All'epoca, si utilizzavano ampiamente lingotti di silicio industriale, mai preoccupandosi, ad esempio, della presenza dell'1% di fosforo nel silicio. Con l'aiuto di alcuni metallurghi, Ohl si pose l'obiettivo di ottenere lingotti molto più puri di quanto fosse mai riuscito a fare.
Durante la lavorazione, scoprirono che alcuni dei loro cristalli rettificavano la corrente in una direzione, mentre altri facevano l'opposto. Li chiamarono “tipo n” e “tipo p”. Un'analisi successiva rivelò che questi tipi erano causati da diversi tipi di impurità. Il silicio si trova nel quarto gruppo della tavola periodica di Mendeleev, il che significa che ha quattro elettroni sul guscio esterno. In un lingotto di silicio puro, ognuno di questi elettroni si unirebbe a un vicino. Le impurità del terzo gruppo, come il boro, che ha un elettrone in meno, creavano una “ferita”, uno spazio aggiuntivo per il movimento della corrente nel cristallo. Si otteneva così un semiconduttore di tipo p (con un eccesso di cariche positive). Gli elementi del quinto gruppo, come il fosforo, fornivano elettroni liberi aggiuntivi per il trasporto della corrente, creando un semiconduttore di tipo n.
Struttura cristallina del silicio
Tutte queste ricerche erano molto interessanti, ma entro il 1940, Southworth e Ohl non si erano avvicinati alla creazione di un prototipo funzionante di radar ad alta frequenza. Il governo britannico richiedeva risultati pratici immediati a causa della minaccia imminente dalle Luftwaffe, che avevano già sviluppato rilevatori a microonde pronti per la produzione, operanti in combinazione con trasmettitori a magnetron.
Tuttavia, presto il bilanciamento dei progressi tecnici si sarebbe spostato verso il lato occidentale dell'Atlantico. Churchill decise di svelare tutti i segreti tecnici della Gran Bretagna agli americani ancor prima di entrare veramente in guerra (poiché, come supponeva, ciò sarebbe comunque accaduto). Credeva che valesse la pena rischiare una fuga di informazioni, poiché così tutte le capacità industriali degli Stati Uniti sarebbero state indirizzate a risolvere questioni come le armi nucleari e i radar. La missione scientifico-tecnologica britannica (più comunemente nota come ) arrivò a Washington nel settembre del 1940 e portò con sé un regalo di meraviglie tecniche.
La rivelazione dell'incredibile potenza del magnetron risonante e l'efficacia dei rilevatori a cristallo britannici nel ricevere il suo segnale rivitalizzò la ricerca americana nel campo dei semiconduttori come base per i radar ad alta frequenza. C'era molto lavoro da fare, specialmente nel campo dei materiali. Per soddisfare la domanda, i cristalli semiconduttori 'dovevano essere prodotti in milioni, molto più di quanto fosse possibile in precedenza. Era necessario migliorare il raddrizzamento, ridurre la sensibilità agli urti e la probabilità di guasti, e minimizzare la variazione tra diversi lotti di cristalli.'
Raddrizzatore al silicio a contatto puntiforme
Al Rad Lab furono aperti nuovi reparti di ricerca per studiare le proprietà dei cristalli semiconduttori e come modificarli per massimizzare le loro preziose caratteristiche come ricevitori. I materiali più promettenti erano silicio e germanio, quindi al Rad Lab decisero di essere prudenti e avviarono programmi paralleli per studiare entrambi: silicio all'Università della Pennsylvania e germanio a Purdue. Giganti industriali come Bell, Westinghouse, Du Pont e Sylvania iniziarono i propri programmi di ricerca sui semiconduttori e svilupparono nuove capacità produttive per i rilevatori a cristallo.
Congiuntamente si riuscì ad aumentare la purezza dei cristalli di silicio e germanio dal 99% all'99,999% — ovvero, a una particella di impurezza su 100.000 atomi. Durante questo processo, il personale di scienziati e ingegneri divenne familiare con le proprietà astratte di germanio e silicio e le tecnologie applicate per il loro controllo: fusione, crescita dei cristalli, aggiunta di impurità necessarie (come il boro, che aumentava la conduttività).
E poi la guerra finì. La richiesta di radar svanì, ma le conoscenze e le competenze acquisite durante la guerra rimasero, e il sogno di un amplificatore a stato solido non fu dimenticato. Ora la corsa si concentrava sulla creazione di tale amplificatore. E, almeno tre squadre erano in una posizione favorevole per ottenere questo premio.
West Lafayette
La prima era un gruppo dell'Università di Purdue guidato da un fisico austriaco di nome Karl Lark-Horowitz. Grazie al suo talento e alla sua influenza, portò da solo il dipartimento di fisica dell'università fuori dall'oblio e influenzò la decisione del Rad Lab di assegnare alla sua laboratorio la ricerca sul germanio.
Karl Lark-Horowitz nel 1947, al centro, con un tubo
All'inizio degli anni '40, il silicio era considerato il miglior materiale per i raddrizzatori radar, ma il materiale che si trovava direttamente sotto di esso nella tavola periodica sembrava anche meritevole di ulteriore studio. Il germanio aveva un vantaggio pratico grazie al suo punto di fusione più basso di circa 940 gradi, rispetto ai 1400 gradi del silicio (praticamente come l'acciaio). A causa dell'alta temperatura di fusione, era estremamente difficile realizzare un lingotto che non si fondesse nel silicio fuso, contaminandolo.
Perciò, Lark-Horowitz e i suoi colleghi condussero l'intera guerra studiando le proprietà chimiche, elettriche e fisiche del germanio. Il principale ostacolo era la 'tensione inversa': i raddrizzatori al germanio smettevano di raddrizzare la corrente a tensioni molto basse, permettendo al flusso di corrente di invertire direzione. L'impulso di corrente inversa bruciava gli altri componenti del radar. Uno degli assistenti di Lark-Horowitz, Seymour Benzer, studiò a lungo questo problema e infine sviluppò un additivo a base di stagno che bloccava gli impulsi inversi a tensioni fino a cento volt. Poco dopo, la Western Electric, la divisione produttiva del Bell Labs, iniziò a produrre raddrizzatori basati sul progetto di Benzer per scopi militari.
Lo studio del germanio a Purdue continuò anche dopo la guerra. Nel giugno del 1947, Benzer, già professore, segnalò un'anomalia insolita: in alcuni esperimenti, nei cristalli di germanio apparivano oscillazioni ad alta frequenza. Il suo collega Ralph Bray continuò a studiare la 'resistenza volumetrica' in un progetto iniziato durante la guerra. La resistenza volumetrica descriveva come l'elettricità si muove nei cristalli di germanio nel punto di contatto del raddrizzatore. Bray scoprì che impulsi ad alta tensione riducevano significativamente la resistenza del germanio di tipo n a questi flussi. Ignorando ciò, divenne testimone dei cosiddetti 'portatori di carica non fondamentali'. Nei semiconduttori di tipo n, l'eccesso di carica negativa funge da principale portatore di carica, ma anche le 'lacune' positive possono trasportare corrente, e in questo caso gli impulsi ad alta tensione creavano lacune nella struttura del germanio, generando portatori di carica non fondamentali.
Bray e Benzer si avvicinarono pericolosamente al transistor, senza rendersene conto. Benzer catturò Walter Brattain, uno scienziato del Bell Labs, a una conferenza nel gennaio del 1948 per discutere della resistenza volumetrica. Propose a Brattain di posizionare un ulteriore contatto puntiforme vicino al primo, in modo da condurre corrente, e così avrebbero potuto comprendere meglio cosa stava accadendo sotto la superficie. Brattain accettò silenziosamente questa proposta e se ne andò. Come vedremo, sapeva fin troppo bene cosa potesse rivelare un esperimento del genere.
Oney-su-Bois
Il gruppo di Purdue aveva sia le tecnologie sia le basi teoriche per compiere un balzo verso il transistor. Ma potevano incontrarlo solo per caso. Erano interessati alle proprietà fisiche del materiale, non alla ricerca di un dispositivo di un nuovo tipo. Una situazione completamente diversa era in corso a Oney-su-Bois (Francia), dove due ex ricercatori radar tedeschi, Heinrich Welker e Herbert Mattare, guidavano un team con l'obiettivo di creare dispositivi semiconduttori industriali.
Welker inizialmente studiò e poi insegnò fisica presso l'università di Monaco, guidata dal famoso teorico Arnold Sommerfeld. Dal 1940, abbandonò la pura teoria e iniziò a lavorare su radar per la Luftwaffe. Mattare, di origine belga, crebbe ad Aquisgrana, dove studiò fisica. Si unì al dipartimento di ricerca del gigante radio tedesco Telefunken nel 1939. Durante la guerra, trasferì il suo lavoro da Berlino a un monastero in Slesia per evitare i bombardamenti dell'alleanza anti-hitleriana, per poi tornare a ovest per sfuggire all'avanzata dell'Armata Rossa, finendo così capturato dall'esercito americano.
Come i loro concorrenti dell'alleanza anti-hitleriana, i tedeschi all'inizio degli anni '40 sapevano che i rivelatori a cristallo erano ricevitori ideali per radar e che silicio e germanio erano i materiali più promettenti per crearli. Durante la guerra, Mattare e Welker cercarono di migliorare l'efficacia di questi materiali nei raddrizzatori. Dopo la guerra, entrambi furono sottoposti a interrogatori periodici riguardo al loro lavoro militare e alla fine ricevettero un invito da un agente francese a Parigi nel 1946.
Compagnie des Freins & Signaux («компания тормозов и сигналов»), filiale francese di Westinghouse, ha ricevuto un contratto dall'amministrazione telefonica francese per la produzione di raddrizzatori a stato solido e cercava scienziati tedeschi per ricevere supporto. Questa alleanza tra recenti nemici può sembrare strana, tuttavia si è rivelata piuttosto vantaggiosa per entrambe le parti. I francesi, sconfitti nel 1940, non avevano la possibilità di acquisire conoscenze nel campo dei semiconduttori e avevano un disperato bisogno delle competenze tedesche. I tedeschi non potevano condurre ricerche in settori high-tech in un paese occupato e devastato dalla guerra, quindi colsero l'opportunità di continuare il lavoro.
Welker e Matare allestirono il quartier generale in una casa a due piani nei sobborghi di Parigi, a one-sous-Bois, e con l'aiuto di un team di tecnici avviarono con successo la produzione di raddrizzatori al germanio entro la fine del 1947. Successivamente, si rivolsero a traguardi più seri: Welker tornò a interessarsi ai superconduttori, mentre Matare agli amplificatori.
Herbert Matare nel 1950
Durante la guerra, Matare sperimentò con raddrizzatori a contatto doppio – i "duodiodi" – nel tentativo di ridurre il rumore nel circuito. Riprese gli esperimenti e presto scoprì che il secondo "vibrisse" posizionato a 1/100 milioni di metro dal primo, poteva a volte modulare la corrente che passava attraverso il primo. Creò un amplificatore a stato solido, sebbene fosse piuttosto inutile. Per ottenere un funzionamento più affidabile, si rivolse a Welker, che aveva accumulato molta esperienza con i cristalli di germanio durante la guerra. Il team di Welker cresceva campioni di cristalli di germanio più grandi e puri e, insieme al miglioramento della qualità del materiale, entro giugno 1948, gli amplificatori a contatto di Matare divennero affidabili.
Radiografia del "transistore" basato sul circuito di Matare, che ha due punti di contatto con il germanio
Matare aveva persino un modello teorico di ciò che stava accadendo: credeva che il secondo contatto creasse delle lacune nel germanio, accelerando il passaggio di corrente attraverso il primo contatto, fornendo portatori di carica di minoranza. Welker non era d'accordo con lui e pensava che ciò che accadeva dipendesse da qualche tipo di effetto di campo. Tuttavia, prima che potessero lavorare sul dispositivo o sulla teoria, vennero a sapere che un gruppo di americani aveva sviluppato esattamente la stessa concezione – un amplificatore di germanio con due punti di contatto – sei mesi prima.
Murray Hill
Alla fine della guerra, Mervin Kelly riformò il gruppo di ricerca dei Bell Labs impegnato nei semiconduttori, con Bill Shockley al timone. Il progetto crebbe, ricevette maggiori finanziamenti e si trasferì dall'edificio originale dei laboratori a un campus in espansione a Murray Hill, nel New Jersey.
Campus di Murray Hill, circa 1960
Per riavvicinarsi ai semiconduttori avanzati (dopo aver lavorato su ricerche operative durante la guerra), nella primavera del 1945 Shockley visitò il laboratorio di Russell Ohl a Holmdel. Ohl trascorse gli anni di guerra lavorando sul silicio e non sprecò tempo. Presentò a Shockley un amplificatore grezzo che aveva realizzato, chiamato "deciester". Prese un raddrizzatore a contatto di silicio e fece passare corrente da una batteria. Sembra che il calore della batteria riducesse la resistenza attraverso il punto di contatto, trasformando il raddrizzatore in un amplificatore in grado di trasmettere segnali radio in un circuito, sufficientemente potente da alimentare un altoparlante.
L'effetto era grezzo e inaffidabile, non adatto per la commercializzazione. Tuttavia, fu sufficiente a confermare la convinzione di Shockley sulla possibilità di creare un amplificatore a stato solido e che questa dovesse diventare una priorità nella ricerca sui semiconduttori. Inoltre, questo incontro con il team di Ohl convinse Shockley che silicio e germanio dovevano essere studiati prioritariamente. Dimostravano proprietà elettriche attraenti e, inoltre, i colleghi di Ohl, i metallurgi Jack Scaff e Henry Terer, avevano raggiunto risultati straordinari nella crescita, purificazione e dopaggio di questi cristalli durante la guerra, superando tutte le tecnologie disponibili per altri materiali semiconduttori. Il gruppo di Shockley non era più intenzionato a perdere tempo con gli amplificatori prebellici a ossido di rame.
Con l'aiuto di Kelly, Shockley iniziò a formare un nuovo team. Tra i membri chiave c'era Walter Brattain, che aveva assistito Shockley nel suo primo tentativo di creare un amplificatore a semiconduttore (nel 1940), e John Bardeen, un giovane fisico e nuovo collaboratore dei Bell Labs. Bardeen possedeva probabilmente le conoscenze più ampie sulla fisica dei solidi tra i membri del team: la sua tesi descriveva i livelli energetici degli elettroni nella struttura del sodio metallico. Era anche un ulteriore protetto di John H. Van Fleck, come Atanasoff e Brattain.
E come nel caso di Atanasoff, le tesi di Bardeen e Shockley richiedevano calcoli complessi. Dovevano utilizzare la teoria quantomeccanica dei semiconduttori, definita da Allan Wilson, per calcolare la struttura energetica dei materiali con l'ausilio della calcolatrice da tavolo Monroe. Aiutando a creare il transistor, in effetti, contribuirono a liberare futuri studenti laureati da questo faticoso lavoro.
Il primo approccio di Shockley all'amplificatore a stato solido si basava su quello che poi sarebbe stato definito "". Egli sospendeva una piastra metallica sopra un semiconduttore di tipo n (con un eccesso di cariche negative). Applicando una carica positiva alla piastra, si attirava l'eccesso di elettroni sulla superficie del cristallo, creando un flusso di cariche negative che potevano facilmente condurre la corrente elettrica. Il segnale amplificato (rappresentato dal livello di carica sulla piastra) poteva modulare il circuito principale (che percorso la superficie del semiconduttore). La funzionalità di questo schema gli era stata suggerita dalle sue conoscenze teoriche in fisica. Tuttavia, nonostante numerosi esperimenti, il circuito non funzionò mai.
Entro marzo 1946, Bardeen aveva sviluppato una teoria ben elaborata che spiegava la causa di ciò: la superficie del semiconduttore, a livello quantico, si comporta in modo diverso dal suo interno. Le cariche negative, attirate sulla superficie, rimanevano intrappolate in "stati superficiali" e bloccavano la penetrazione del campo elettrico dalla piastra nel materiale. Gli altri membri del team trovarono questa analisi convincente e avviarono un nuovo programma di ricerca su tre fronti:
- Dimostrare l'esistenza degli stati superficiali.
- Studiare le loro proprietà.
- Inventare un modo per superarli e realizzare un .
Dopo un anno e mezzo di ricerche ed esperimenti, il 17 novembre 1947, Brattain fece una scoperta rivoluzionaria. Comprendette che se si posizionava un fluido ionico, ad esempio acqua, tra la piastra e il semiconduttore, il campo elettrico dalla piastra avrebbe spinto gli ioni verso il semiconduttore, dove avrebbero neutralizzato le cariche intrappolate negli stati superficiali. Ora poteva controllare il comportamento elettrico di un pezzo di silicio variando la carica sulla piastra. Questo successo portò Bardeen a pensare a un nuovo approccio per creare un amplificatore: circondare il punto di contatto del raddrizzatore con acqua elettrolitica e poi utilizzare un secondo conduttore nell'acqua per controllare gli stati superficiali, in questo modo gestendo il livello di conducibilità del contatto principale. Così Bardeen e Brattain si avvicinarono all'obiettivo finale.
L'idea di Bardeen funzionò, ma l'amplificazione era debole e operava a frequenze molto basse, non udibili dall'orecchio umano – quindi risultava inutile come amplificatore telefonico o radio. Bardeen suggerì di passare al germanio resistente alla tensione inversa, ottenuto a Purdue, ritenendo che sulla sua superficie si accumulassero meno cariche. Improvvisamente ricevettero un'amplificazione potente, ma nella direzione opposta a quella attesa. Scoprirono l'effetto degli elettrodi non fondamentali: anziché gli elettroni attesi, la corrente che fluiva attraverso il germanio amplificava le lacune provenienti dall'elettrolita. La corrente nel conduttore nell'elettrolita creò uno strato di tipo p (un'area di cariche positive in eccesso) sulla superficie del germanio di tipo n.
Esperimenti successivi dimostrarono che l'elettrolita non era affatto necessario: semplicemente posizionando due punti di contatto vicini sulla superficie del germanio, si poteva modulare la corrente da uno di essi a quella dell'altro. Per avvicinarli il più possibile, Brattain avvolse un pezzo di plastica triangolare con un foglio d'oro e poi incise con cautela il foglio all'estremità. Poi, con una molla, premette il triangolo sul germanio, rendendo i due lati dell'incisione a contatto con la sua superficie a una distanza di 0,05 mm. Questo conferì al prototipo del transistor dei Bell Labs il suo aspetto caratteristico:
Il prototipo del transistor di Brattain e Bardeen
Come il dispositivo di Matare e Welker, questo era fondamentalmente un classico "punto di contatto", ma con due punti di contatto invece di uno. Il 16 dicembre ha prodotto un significativo incremento di potenza e tensione, e una frequenza di 1000 Hz nell'udibile. Una settimana dopo, dopo piccoli miglioramenti, Bardin e Breteyn hanno ottenuto un aumento della tensione di 100 volte e della potenza di 40 volte, dimostrando ai dirigenti della Bell che il loro dispositivo poteva riprodurre la voce udibile. John Pierce, un altro membro del team di sviluppo di dispositivi a stato solido, ha coniato il termine "transistor" ispirandosi al nome del raddrizzatore Bell a ossido di rame, varistore.
Nei sei mesi successivi, il laboratorio ha mantenuto la nuova creazione segreta. La direzione voleva assicurarsi di avere un vantaggio nell'implementare le opportunità commerciali del transistor prima che qualcun altro lo ottenesse. Una conferenza stampa è stata fissata per il 30 giugno 1948, proprio in tempo per infrangere tutti i sogni di Welker e Matare sull'immortalità. Nel frattempo, il gruppo di ricerca sui semiconduttori si è silenziosamente disintegrato. Sentendo dei successi di Bardin e Breteyn, il loro capo, Bill Shockley, ha iniziato a lavorare per appropriarsi di tutta la gloria. E anche se ha avuto solo un ruolo di osservatore, nella presentazione pubblica Shockley ha ricevuto un'eguale, se non maggiore, pubblicità – come evidenziato in questa foto pubblicata, dove è in mezzo all'azione, proprio davanti al tavolo di laboratorio:
Foto promozionale del 1948 – Bardin, Shockley e Breteyn
Tuttavia, a Shockley non bastava avere un'eguale fama. E ancor prima che qualcuno fuori dai laboratori della Bell fosse a conoscenza del transistor, si mise a ri-inventarlo per appropriarsene. E questo è stato solo il primo di molti simili ri-inventamenti.
Cosa leggere di più
- Robert Buderi, The Invention That Changed the World (1996)
- Michael Riordan, “How Europe Missed the Transistor,” IEEE Spectrum (1 nov. 2005)
- Michael Riordan e Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
- Armand Van Dormael, “The ‘French’ Transistor,” (1994)
Fonte: habr.com
