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La strada verso i circuiti solidi è stata lunga e complicata. È iniziata con la scoperta che determinati materiali si comportano in modo strano in presenza di elettricità – non come le teorie esistenti prevedevano. Da qui è seguito un racconto di come, nel XX secolo, la tecnologia stava diventando sempre più una disciplina scientifica e istituzionale. Dilettanti, principianti e inventori professionisti, con poca o nessuna istruzione scientifica, hanno dato contributi significativi alla nascita del telegrafo, della telefonia e della radio. Ma, come vedremo, quasi tutti i progressi nella storia dell'elettronica solida sono avvenuti grazie a scienziati formati nelle università (e di solito in possesso di un dottorato in fisica), che lavoravano presso università o laboratori di ricerca aziendali.
Chiunque abbia accesso a un laboratorio e possieda competenze di base con i materiali può assemblare un relè usando fili, metallo e legno. La creazione di lampade elettroniche richiede strumenti più specializzati in grado di produrre un bulbo di vetro e di aspirarne l'aria. I dispositivi solidi, invece, sono scomparsi in un mondo più profondo, comprendente solo l'astratta matematica, accessibile soltanto tramite attrezzature estremamente costose.
Galena
Nel 1874 , fisico ventiquattrenne della Scuola di San Tommaso a Lipsia, pubblicò il primo di molti importanti lavori scientifici nella sua lunga carriera. Il suo articolo, "Sulla conduzione di correnti elettriche attraverso i solfuri metallici", fu accettato nel giornale Pogendorff’s Annalen, una prestigiosa rivista dedicata alle scienze fisiche. Nonostante il titolo noioso, il lavoro di Braun descriveva diversi risultati sperimentali sorprendenti e misteriosi.
Ferdinand Braun
Braun era affascinato dai solfuri – cristalli minerali composti da composti di zolfo e metalli – grazie ai lavori di . Già nel 1833, Michael Faraday notò che la conducibilità del solfuro d'argento aumentava con la temperatura, il che era completamente opposto al comportamento dei conduttori metallici. Hittorf redasse un rapporto quantitativo dettagliato su questo effetto negli anni '50, per i solfuri sia d'argento che di rame. Ora Braun, utilizzando un'astuta configurazione sperimentale che premeva un filo 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 crollare. I cristalli in una direzione si comportavano più come conduttori (come normali metalli), mentre nell'altra più come isolatori (come vetro o gomma). Questa proprietà è diventata nota come raddrizzamento, per la capacità di raddrizzare la corrente alternata "ondulata", trasformandola in corrente continua "liscia".
All'incirca nello stesso periodo, i ricercatori scoprirono altre proprietà strane di materiali come il selenio, che poteva essere estratto da alcuni minerali di solfuro metallici. Sotto l'azione della luce, il selenio aumentava la conducibilità e persino cominciava a generare elettricità, e poteva essere utilizzato anche per il raddrizzamento. C'era qualche collegamento con i cristalli di solfuri? Senza modelli teorici in grado di spiegare ciò che accadeva, regnava la confusione in questo campo.
Tuttavia, la mancanza di teoria non ha fermato i tentativi di applicare praticamente i risultati. Alla fine degli anni '90, Braun divenne professore all'Università di Strasburgo – recentemente annessa alla Francia durante e ribattezzata Università dell'Imperatore Guglielmo. Lì fu risucchiato in un nuovo e affascinante mondo della radio-telegrafia. Accettò l'offerta di un gruppo di imprenditori di avviare congiuntamente un sistema di comunicazione senza fili, basato sulla trasmissione di onde radio attraverso l'acqua. Tuttavia, lui e i suoi soci abbandonarono presto l'idea iniziale a favore della trasmissione aerea dei segnali, utilizzata da Marconi e altri.
Fra gli aspetti della radio che il gruppo di Braun cercava di migliorare c'era il ricevitore standard dell'epoca, . Si basava sul fatto che le onde radio facevano raggruppare trucioli di metallo, permettendo alla corrente della batteria di passare all'apparato di segnale. Funzionò, ma il sistema rispondeva solo a segnali relativamente forti, e per rompere il raggruppamento di trucioli era necessario colpire costantemente il dispositivo. Brown ricordò i suoi esperimenti passati con i cristalli di solfuro, e nel 1899 ricreò il suo vecchio apparato sperimentale con un nuovo scopo: servire da rivelatore di segnali wireless. Utilizzò l'effetto di rettificazione per convertire la minuscola corrente oscillante generata dalle onde radio in corrente continua, che poteva alimentare un piccolo altoparlante, producendo clic udibili per ogni punto o trattino. Questo dispositivo divenne poi noto come “” a causa dell'aspetto del filo che sfiorava delicatamente la parte superiore del cristallo. In India britannica (dove oggi si trova il Bangladesh), lo scienziato e inventore Jagadish Bose costruì un dispositivo simile, forse già nel 1894. Altri presto iniziarono a produrre rivelatori simili basati su silicio e carburo di silicio.
Tuttavia, proprio il , solfuro di piombo, che veniva fuso per ottenere piombo fin dai tempi antichi, divenne il materiale preferito per i rivelatori a cristallo. Erano facili da produrre e poco costosi, diventando così incredibilmente popolari tra le prime generazioni di radioamatori. Inoltre, a differenza del coherer binario (con i trucioli che si raggruppavano o meno), il rettificatore a cristallo poteva riprodurre un segnale continuo. Pertanto, poteva emettere trasmissioni vocali e musicali udibili, non solo il codice Morse con i suoi punti e trattini.
Il 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 presto scoprirono i frustrati radioamatori, trovare il punto magico sulla superficie del cristallo che fornisce una buona rettificazione poteva richiedere minuti o addirittura ore. E i segnali senza amplificazione erano deboli e presentavano un'intonazione metallica. Negli anni '20, i ricevitori basati su tubi elettronici con amplificatori a triodo ridussero quasi all'uso i rivelatori a cristallo ovunque. Il loro unico punto di attrattiva rimaneva il basso costo.
Questa breve apparizione nella scena dei ricevitori radio sembrava essere il limite dell'applicazione pratica delle strane proprietà elettriche del materiale scoperte da Brown e altri.
Ossido di rame
Poi, negli anni '20, un altro fisico di nome Lars Grondal scoprì qualcosa di strano attraverso il suo apparato sperimentale. Grondal, il primo di una catena di uomini intelligenti e instancabili nella storia dell'America occidentale, era il figlio di un ingegnere civile. Suo padre, emigrato dalla Norvegia nel 1880, lavorò per decenni sulle ferrovie in California, Oregon e Washington. Inizialmente, Grondal sembrava aver deciso di lasciare il mondo ingegneristico del padre per andare al Johns Hopkins Institute per ottenere un dottorato in fisica, per intraprendere una carriera accademica. Ma poi anche lui fu coinvolto nel business ferroviario e assunse la posizione di direttore della ricerca presso la Union Switch and Signal, una filiale del colosso industriale , che forniva attrezzature per l'industria ferroviaria.
Fonti diverse indicano motivazioni contrastanti per la ricerca di Grondal, ma comunque iniziò a sperimentare con dischi di rame riscaldati da un lato per creare uno strato ossidato. Lavorando con essi, notò l'asimmetria della corrente: la resistenza in un verso era tre volte maggiore che nell'altro. Un disco di rame e ossido di rame rettificava la corrente, proprio come un cristallo di solfuro.
Schema del rettificatore di ossido di rame
Nei sei anni seguenti, Grondal sviluppò un raddrizzatore commerciale pronto all'uso basato su questo fenomeno, avvalendosi della collaborazione di un altro ricercatore statunitense, Paul Geiger, e poi presentò una domanda di brevetto annunciando la sua scoperta alla Società Fisica Americana nel 1926. Il dispositivo divenne subito un successo commerciale. Grazie all'assenza di fili fragili, era molto più affidabile del 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 tentativo e, grazie a una maggiore area di contatto tra il metallo e l'ossido, operava con un'ampia gamma di correnti e tensioni. Poteva caricare batterie, rilevare segnali in vari sistemi elettrici e funzionare come un dispositivo di sicurezza in potenti generatori. Utilizzato come fotocellula, i dischi potevano fungere da misuratori della luce e si rivelarono particolarmente utili nella fotografia. Altri ricercatori, all'incirca nello stesso periodo, svilupparono raddrizzatori a base di selenio, trovando utilizzi simili.
Un pacco di raddrizzatori a base di ossido di rame. L'assemblaggio di più dischi aumentava la resistenza inversa, consentendo di utilizzarli ad alta tensione.
Dopo qualche anno, due fisici dei Bell Labs, Joseph Becker e , decisero di studiare il principio di funzionamento del raddrizzatore di rame – erano interessati a capire come funzionasse e come potesse essere utilizzato nella Bell System.
Brattain in età avanzata – circa 1950
Brattain era originario della stessa zona di Grondal, nella regione nordoccidentale del Pacifico, dove cresciò in una fattoria a pochi chilometri dal confine canadese. Negli anni 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, iniziando a lavorare ai Bell Labs nel 1929. Tra l'altro, all'università studiò la più recente fisica teorica, che stava guadagnando popolarità in Europa, nota come meccanica quantistica (il suo tutor era , che aveva anche tutorato John Atanasoff).
Rivoluzione quantistica
La nuova piattaforma teorica si sviluppò lentamente negli ultimi tre decenni e nel suo tempo fu in grado di spiegare tutti i fenomeni strani che erano stati osservati per anni in materiali come galena, selenio e ossido di rame. Un'intera generazione di fisici, prevalentemente giovani e provenienti principalmente dalla Germania e paesi limitrofi, scatenò una rivoluzione quantistica nella fisica. Ovunque si volesse guardare, scoprivano un mondo non fluido e continuo, come era stato loro insegnato, ma strane particelle discrete.
Tutto ebbe inizio negli anni '90. Max Planck, un noto professore dell'Università di Berlino, decise di affrontare un noto problema irrisolto: in che modo un "" (una sostanza ideale che assorbe tutta l'energia e non la riflette) emette radiazioni nello spettro elettromagnetico? Furono provate diverse modelli, nessuno dei quali coincise con i risultati sperimentali – fallivano o da un lato o dall'altro dello spettro. Planck scoprì che, se si presumeva che l'energia fosse emessa dal corpo in piccoli "pacchetti" di grandezza discreta, si poteva scrivere una semplice legge di relazione tra frequenza e energia, perfettamente in accordo con i risultati empirici.
Poco dopo, Einstein scoprì che lo stesso valeva per l'assorbimento della luce (il primo accenno ai fotoni), e J.J. Thomson mostrò che l'elettricità era trasportata non da un fluido continuo o onda, ma da particelle discrete – elettroni. Poi, Niels Bohr creò un modello che spiegava come gli atomi eccitati emettessero radiazioni, assegnando agli elettroni orbite separate nell'atomo, ognuna delle quali possedeva la propria energia. Tuttavia, questo termine può trarre in inganno, poiché gli elettroni non si comportano affatto come le orbite dei pianeti – nel modello di Bohr, gli elettroni saltavano immediatamente da un'orbita, o livello energetico, a un altro, senza passare attraverso uno stato intermedio. Infine, negli anni '20, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Born e altri crearono una piattaforma matematica generalizzata, nota come meccanica quantistica, che includeva tutti i modelli quantistici specifici creati nei vent'anni precedenti.
A questo punto, i fisici erano già convinti che materiali come il selenio e il galenite, che mostrano proprietà fotovoltaiche e raddrizzatrici, appartenessero a una classe separata di materiali che chiamarono semiconduttori. La classificazione richiese tempo per diverse ragioni. Innanzitutto, le categorie di 'conduttori' e 'isolatori' erano abbastanza vaste. I cosiddetti 'conduttori' variavano notevolmente in termini di conduttività, mentre gli isolatori lo facevano in misura minore, e non era chiaro come un conduttore specifico potesse essere assegnato a una di queste classi. Inoltre, fino alla metà del XX secolo, era impossibile ottenere o creare sostanze molto pure, e qualsiasi anomalia nella conduttività dei materiali naturali poteva sempre essere attribuita a contaminazione.
Ora i fisici avevano sia strumenti matematici della meccanica quantistica sia una nuova classe di materiali a cui potevano applicarli. Il teorico britannico fu il primo a mettere tutto insieme e 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 solo a un numero limitato di livelli energetici, propri delle shell o orbitali degli atomi. Se si comprimono questi atomi all'interno della struttura di un materiale, è più corretto immaginare bande energetiche continue che lo attraversano. Nei conduttori vi sono posti liberi nelle bande energetiche superiori, e il campo elettrico può muovere liberamente gli elettroni in quelle zone. Negli isolatori, le bande sono piene, e per arrivare a una banda superiore, quella conduttiva, su cui l'elettricità scorre più facilmente, occorre scalare notevolmente.
Ciò lo portò a concludere che le impurità – atomi estranei nella struttura del materiale – devono contribuire alle sue proprietà semiconduttrici. Possono fornire elettroni in eccesso, che escono facilmente nella banda di conduzione, o lacune – assenza di elettroni rispetto al resto del materiale – che creano spazi energetici vuoti dove possono muoversi elettroni liberi. La prima opzione venne poi chiamata semiconduttori di tipo n (o elettronici) – per il carico negativo in eccesso, e la seconda – di tipo p, o lacunari – per il carico positivo in eccesso.
Infine, Wilson ipotizzò che il raddrizzamento della corrente nei semiconduttori potesse essere spiegato in termini di salto quantico , un improvviso salto degli elettroni attraverso 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 il contrario.
Così, nonostante tutte le scoperte di Wilson, i semiconduttori rimasero difficili da spiegare. Man mano che si comprendeva, le variazioni microniche della struttura cristallina e della concentrazione di impurità influenzavano in modo sproporzionato il loro comportamento elettrico macroscopico. Ignorando la mancanza di comprensione – poiché nessuno riusciva a spiegare le osservazioni sperimentali fatte da Braun sessant'anni prima – Brattain e Becker svilupparono un processo produttivo efficace per i raddrizzatori di ossido di rame per il loro datore di lavoro. Il sistema Bell cominciò rapidamente a sostituire i raddrizzatori a valvola elettronica in tutto il sistema con un nuovo dispositivo che i loro ingegneri chiamarono , poiché la sua resistenza variava a seconda della direzione.
Medaglia d'oro
Mervin Kelly, fisico e già capo del dipartimento di valvole elettroniche dei Bell Labs, si interessò molto a questa scoperta. Negli ultimi decenni, le valvole elettroniche avevano fornito un servizio prezioso a Bell, e potevano svolgere funzioni non disponibili alla generazione precedente di componenti meccanici ed elettromeccanici. Ma si surriscaldavano, sovente surriscaldandosi, consumavano molta energia e richiedevano una manutenzione complessa. Kelly intendeva ricostruire il sistema Bell basandosi su componenti elettronici a stato solido più affidabili e resistenti, come il varistore, che non necessitavano di involucri ermetici pieni di gas o vuoti, né di filamenti incandescenti. Nel 1936 divenne il capo del dipartimento di ricerca dei Bell Labs e iniziò a reindirizzare l'organizzazione verso una nuova direzione.
Dopo aver sviluppato un rettificatore a stato solido, il passo successivo ovvio era creare un amplificatore a stato solido. È naturale che, proprio come un amplificatore a valvole, un tale dispositivo potesse funzionare anche come un interruttore digitale. Questo era particolarmente interessante per la Bell Labs, poiché nei centralini telefonici continuavano a essere in uso un grande numero di interruttori digitali elettromeccanici. L'azienda cercava una sostituzione più affidabile, compatta, efficiente dal punto di vista energetico e fredda per il tubo elettronico nei sistemi telefonici, ricevitori radio, radar e altre apparecchiature analogiche, dove questi venivano utilizzati per amplificare segnali deboli fino a livelli udibili dall'orecchio umano.
Nel 1936, la Bell Laboratories finalmente revocò il divieto di assunzione di personale, imposto durante la . Kelly iniziò subito a reclutare esperti di meccanica quantistica per aiutarlo a avviare il suo programma di ricerca sui dispositivi a stato solido, tra cui c'era , un altro californiano originario di Palo Alto. L’argomento della sua tesi recentemente elaborata al MIT si adattava perfettamente alle esigenze di Kelly: «Zone elettroniche nel cloruro di sodio».
Brattain e Bakker nel frattempo continuavano le loro ricerche sul rettificatore a ossido di rame, cercando di produrre un miglior amplificatore a stato solido. Il modo più ovvio per farlo era seguire l'analogia con il tubo elettronico. Proprio come Lee de Forest prese un amplificatore a valvole e tra il catodo e l'anodo, così Brattain e Bakker immaginarono come inserire una griglia nel punto di contatto tra rame e ossido di rame, dove si presumeva avvenisse la rettificazione. Tuttavia, a causa dello spessore ridotto del film, ritennero impossibile farlo e non ebbero successo.
Nel frattempo, altri sviluppi mostrarono che la Bell Laboratories non era 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 Gottinga su un amplificatore a stato solido realizzato tramite l'inserimento di una griglia in un cristallo di bromuro di potassio. Questo dispositivo di laboratorio non ha avuto valore pratico, principalmente perché operava a una frequenza non superiore a 1 Hz. Tuttavia, questo risultato non poté non rallegrare tutti gli interessati all'elettronica a stato solido. Nello stesso anno, Kelly assegnò Shockley a un nuovo gruppo di ricerca indipendente sui dispositivi a stato solido e diede a lui e ai suoi colleghi – Foster Nichols e Dean Woolridge – carta bianca per esplorare le loro possibilità.
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 di zinco, ma le sue opere rimasero inosservate nella comunità occidentale; nel 1926, l'inventore americano Julius Lilienfeld fece domanda per un brevetto su un amplificatore a stato solido, ma non ci sono evidenze della funzionalità della sua invenzione.
La prima grande rivelazione per Shockley nel suo nuovo ruolo si verificò durante la lettura del lavoro del fisico britannico Neville Mott «Teoria dei rettificatori cristallini» del 1938, dove veniva finalmente spiegato il principio di funzionamento del rettificatore Grondahl in ossido di rame. Mott utilizzò la matematica della meccanica quantistica per descrivere la formazione di un campo elettrico all'interfaccia tra un metallo conduttore e un ossido semiconduttore e come gli elettroni «saltano» oltre questa barriera elettrica, invece di tunnelare, come suggeriva Wilson. La corrente fluisce più facilmente dal metallo al semiconduttore piuttosto che viceversa, poiché il metallo ha molte più cariche libere.
Questo portò Shockley a un'idea simile a quella che Brattain e Becker avevano esaminato e respinto molti anni prima: costruire un amplificatore a stato solido inserendo una rete di ossido di rame nello spazio tra il rame e l'ossido di rame. Sperava che la corrente che passava attraverso la rete aumentasse la barriera che limitava la corrente dal rame all'ossido, creando una versione invertita e amplificata del segnale sulla rete. Il suo primo tentativo grezzo fallì completamente, così si rivolse a una persona con abilità di laboratorio più affinate e ben nota per i suoi rettificatori: 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 non funzionò.
Poi intervenne la guerra, lasciando il nuovo programma di ricerca di Kelly in disordine. Kelly guidò un gruppo di lavoro sui radar presso i Bell Labs, supportato dal principale centro di ricerca radar degli Stati Uniti al MIT. Brattain lavorò brevemente con lui, per poi passare alla ricerca sulla rilevazione magnetica dei sottomarini su incarico della marina militare. Wooldridge lavorò sui sistemi di controllo del fuoco, Nix sulla diffusione dei gas per il progetto Manhattan, e Shockley si dedicò alle ricerche operative, affrontando inizialmente il problema dei sottomarini nell'Atlantico e in seguito i bombardamenti strategici nel Pacifico.
Tuttavia, nonostante questa interferenza, la guerra non fermò lo sviluppo dell'elettronica a stato solido. Al contrario, organizzò un massiccio afflusso di risorse in questo settore e portò a una concentrazione di ricerche su due materiali: germanio e silicio.
Cosa leggere di più
Ernest Bruan e Stuart MacDonald, Revolution in Miniature (1978)
Friedrich Kurylo e Charles Susskind, Ferdinand Braun (1981)
G. L. Pearson e W. H. Brattain, “History of Semiconductor Research,” Proceedings of the IRE (dicembre 1955).
Michael Riordan e Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
Fonte: habr.com
