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La strada verso gli switch a stato solido è stata lunga e difficile. Tutto ebbe inizio con la scoperta che alcuni materiali si comportano in modo strano in presenza di elettricità, non come previsto dalle teorie allora esistenti. Ciò che seguì fu la storia di come la tecnologia divenne una disciplina sempre più scientifica e istituzionale nel XX secolo. Dilettanti, principianti e inventori professionisti praticamente privi di istruzione scientifica hanno dato un contributo serio allo sviluppo del telegrafo, della telefonia e della radio. Ma, come vedremo, quasi tutti i progressi nella storia dell’elettronica a stato solido sono arrivati da scienziati che hanno studiato nelle università (e di solito hanno un dottorato in fisica) e hanno lavorato nelle università o nei laboratori di ricerca aziendali.
Chiunque abbia accesso a un laboratorio e abbia competenze di base sui materiali può assemblare un relè con fili, metallo e legno. La creazione di tubi a vuoto richiede strumenti più specializzati in grado di creare un bulbo di vetro e pompare l'aria fuori da esso. I dispositivi a stato solido sono scomparsi in una tana del coniglio da cui l’interruttore digitale non è mai tornato, immergendosi sempre più in profondità in mondi comprensibili solo alla matematica astratta e accessibili solo con l’aiuto di apparecchiature follemente costose.
Galena
Nell'anno 1874 , un fisico di 24 anni di St. Thomas di Lipsia, pubblicò il primo di molti importanti lavori scientifici della sua lunga carriera. L’articolo, “Sul passaggio delle correnti elettriche attraverso i solfuri metallici”, fu accettato negli Annalen di Pogendorff, una prestigiosa rivista dedicata alle scienze fisiche. Nonostante il titolo noioso, l'articolo di Brown descriveva alcuni risultati sperimentali sorprendenti e sconcertanti.
Ferdinando Marrone
Brown è rimasto incuriosito dai solfuri, cristalli minerali composti da composti di zolfo con metalli, attraverso il suo lavoro . Già nel 1833 Michael Faraday notò che la conduttività del solfuro d'argento aumenta con la temperatura, il che è esattamente l'opposto del comportamento dei conduttori metallici. Hittorf compilò un rapporto quantitativo approfondito delle misurazioni di questo effetto nel 1850, sia per i solfuri di argento che di rame. Ora Brown, utilizzando un ingegnoso apparato sperimentale che premeva un filo metallico contro un cristallo di solfuro con una molla per garantire un buon contatto, ha scoperto qualcosa di ancora più strano. La conduttività dei cristalli dipendeva dalla direzione: ad esempio, la corrente poteva fluire bene in una direzione, ma quando la polarità della batteria veniva invertita, la corrente poteva diminuire bruscamente. I cristalli si comportavano più come conduttori in una direzione (come i normali metalli) e più come isolanti in un'altra (come il vetro o la gomma). Questa proprietà divenne nota come rettifica per la sua capacità di raddrizzare la corrente alternata "aggraffata" in corrente continua "piatta".
Nello stesso periodo, i ricercatori scoprirono altre strane proprietà di materiali come il selenio, che poteva essere fuso da alcuni minerali di solfuro metallico. Esposto alla luce, il selenio aumentava la conduttività e cominciava persino a generare elettricità, e poteva essere utilizzato anche per la rettifica. C'era qualche connessione con i cristalli di solfuro? Senza modelli teorici per spiegare ciò che stava accadendo, il settore era in uno stato di confusione.
Tuttavia, la mancanza di teoria non ha fermato i tentativi di applicare praticamente i risultati. Alla fine degli anni Novanta dell'Ottocento, Brown divenne professore all'Università di Strasburgo, recentemente annessa alla Francia durante il 1890 e ribattezzata Università Kaiser Wilhelm. Lì fu risucchiato nel nuovo entusiasmante mondo della radiotelegrafia. Ha accettato la proposta di un gruppo di imprenditori di creare congiuntamente un sistema di comunicazione senza fili basato sulla trasmissione di onde radio attraverso l'acqua. Tuttavia, lui e i suoi complici abbandonarono presto l'idea originale a favore della segnalazione aerea, utilizzata da Marconi e altri.
Tra gli aspetti della radio che il gruppo di Brown cercò di migliorare c'era il ricevitore allora standard, . Si basava sul fatto che le onde radio provocavano l'aggregazione della limatura metallica, consentendo alla corrente della batteria di passare al dispositivo di segnalazione. Funzionava, ma il sistema rispondeva solo a segnali relativamente forti e richiedeva un battito costante del dispositivo per rompere un pezzo di segatura. Brown si ricordò dei suoi vecchi esperimenti con i cristalli di solfuro e nel 1899 ricreò il suo vecchio apparato sperimentale con un nuovo scopo: fungere da rilevatore di segnali wireless. Ha utilizzato l'effetto di rettifica per convertire la minuscola corrente oscillante generata dal passaggio delle onde radio in una corrente continua in grado di alimentare un piccolo altoparlante che produceva un clic udibile per ogni punto o linea. Questo dispositivo in seguito divenne noto come ""a causa dell'aspetto del filo, che toccava facilmente la parte superiore del cristallo. Nell’India britannica (dove oggi si trova il Bangladesh), lo scienziato e inventore Jagadish Bose costruì un dispositivo simile, forse già nel 1894. Altri iniziarono presto a produrre rilevatori simili basati su silicio e carborundum (carburo di silicio).
Tuttavia, lo è , il solfuro di piombo, che fin dai tempi antichi veniva fuso per produrre piombo, è diventato il materiale preferito per i rilevatori di cristalli. Erano facili da realizzare ed economici e di conseguenza divennero incredibilmente popolari tra la prima generazione di radioamatori. Inoltre, a differenza di un coerente binario (con segatura che si aggrega o meno), un raddrizzatore cristallino potrebbe riprodurre un segnale continuo. Pertanto, poteva produrre voce e musica udibili all'orecchio, e non solo il codice Morse con i suoi punti e trattini.
Rilevatore di baffi di gatto basato sulla galena. Il piccolo pezzo di filo a sinistra è il baffo, e il pezzo di materiale argentato sul fondo è il cristallo di galena.
Tuttavia, come scoprirono presto i radioamatori frustrati, potevano volerci minuti o addirittura ore per trovare il punto magico sulla superficie del cristallo che avrebbe dato una buona rettifica. E i segnali senza amplificazione erano deboli e avevano un suono metallico. Negli anni '1920, i ricevitori a valvole con amplificatori a triodo avevano praticamente reso obsoleti i rilevatori di cristalli quasi ovunque. La loro unica caratteristica interessante era la loro convenienza.
Questa breve apparizione nell'arena radiofonica sembrò essere il limite dell'applicazione pratica delle strane proprietà elettriche del materiale scoperto da Brown e altri.
Ossido di rame
Poi negli anni '1920, un altro fisico di nome Lars Grondahl scoprì qualcosa di strano con il suo apparato sperimentale. Grondahl, il primo di una serie di uomini intelligenti e irrequieti nella storia del West americano, era figlio di un ingegnere civile. Suo padre, emigrato dalla Norvegia nel 1880, lavorò per diversi decenni nelle ferrovie in California, Oregon e Washington. All'inizio, Grondahl sembrava determinato a lasciarsi alle spalle il mondo dell'ingegneria di suo padre, andando alla Johns Hopkins per un dottorato in fisica per seguire un percorso accademico. Ma poi si è dedicato al business ferroviario e ha assunto la carica di direttore della ricerca presso la Union Switch and Signal, una divisione del colosso industriale. , che forniva attrezzature per l'industria ferroviaria.
Diverse fonti indicano ragioni contrastanti nella motivazione di Grondahl per la sua ricerca, ma comunque sia, iniziò a sperimentare con dischi di rame riscaldati su un lato per creare uno strato ossidato. Mentre lavorava con loro, notò l'asimmetria della corrente: la resistenza in una direzione era tre volte maggiore che nell'altra. Un disco di rame e ossido di rame raddrizzava la corrente, proprio come un cristallo di solfuro.
Circuito raddrizzatore all'ossido di rame
Grondahl trascorse i successivi sei anni sviluppando un raddrizzatore commerciale pronto all'uso basato su questo fenomeno, avvalendosi dell'aiuto di un altro ricercatore statunitense, Paul Geiger, prima di presentare una domanda di brevetto e annunciare la sua scoperta all'American Physical Society nel 1926. divenne immediatamente un successo commerciale. A causa dell'assenza di filamenti fragili, era molto più affidabile del raddrizzatore a tubi sottovuoto basato sul principio della valvola Fleming ed era più economico da produrre. A differenza dei cristalli raddrizzatori Brown, ha funzionato al primo tentativo e, grazie all'area di contatto più ampia tra il metallo e l'ossido, ha funzionato con una gamma più ampia di correnti e tensioni. Potrebbe caricare batterie, rilevare segnali in vari sistemi elettrici e fungere da shunt di sicurezza in potenti generatori. Se usati come fotocellule, i dischi potevano fungere da esposimetri ed erano particolarmente utili in fotografia. Nello stesso periodo altri ricercatori svilupparono raddrizzatori al selenio che trovarono applicazioni simili.
Un pacchetto di raddrizzatori a base di ossido di rame. L'assemblaggio di più dischi ha aumentato la resistenza inversa, rendendo possibile l'utilizzo con alta tensione.
Alcuni anni dopo, due fisici dei Bell Labs, Joseph Becker e , decisero di studiare il principio di funzionamento di un raddrizzatore in rame: erano interessati a sapere come funzionava e come poteva essere utilizzato presso il Bell System.
Brattain in vecchiaia - ca. 1950
Brattain era originario della stessa zona di Grondal, nel Pacifico nordoccidentale, dove era cresciuto in una fattoria a pochi chilometri dal confine canadese. Al liceo, si interessò alla fisica, mostrando attitudine nel campo, e alla fine ricevette un dottorato presso l'Università del Minnesota alla fine degli anni '1920, e accettò un lavoro presso i 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 curatore era , che ha anche fatto da mentore a John Atanasoff).
Rivoluzione quantistica
Negli ultimi tre decenni si è lentamente sviluppata una nuova piattaforma teorica, che a tempo debito sarà in grado di spiegare tutti gli strani fenomeni osservati per anni in materiali come la galena, il selenio e l'ossido di rame. Un intero gruppo di fisici per lo più giovani, provenienti principalmente dalla Germania e dai paesi vicini, ha causato una rivoluzione quantistica nella fisica. Ovunque guardassero, non trovavano il mondo liscio e continuo che gli era stato insegnato, ma grumi strani e discreti.
Tutto iniziò nel 1890. Max Planck, un famoso professore dell’Università di Berlino, ha deciso di lavorare con un noto problema irrisolto: come “"(una sostanza ideale che assorbe tutta l'energia e non la riflette) emette radiazioni nello spettro elettromagnetico? Sono stati provati vari modelli, nessuno dei quali corrispondeva ai risultati sperimentali: hanno fallito a un'estremità o all'altra dello spettro. Planck scoprì che se assumiamo che l'energia sia emessa da un corpo in piccoli “pacchetti” di quantità discrete, allora possiamo scrivere una semplice legge del rapporto tra frequenza ed energia, che corrisponde perfettamente ai risultati empirici.
Poco dopo, Einstein scoprì che la stessa cosa accadeva con l'assorbimento della luce (il primo accenno di fotoni), e J. J. Thomson dimostrò che anche l'elettricità non veniva trasportata da un fluido o un'onda continua, ma da particelle discrete: gli elettroni. Niels Bohr creò quindi un modello per spiegare come gli atomi eccitati emettono radiazioni assegnando elettroni a orbite individuali nell'atomo, ciascuna con la propria energia. Tuttavia, questo nome è fuorviante perché non si comportano affatto come le orbite dei pianeti: nel modello di Bohr, gli elettroni saltavano istantaneamente da un'orbita, o livello energetico, a un altro, senza passare attraverso uno stato intermedio. Infine, negli anni ’1920, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Born e altri crearono una piattaforma matematica generalizzata nota come meccanica quantistica, incorporando tutti i modelli quantistici speciali che erano stati creati nei vent’anni precedenti.
A quel tempo, i fisici erano già sicuri che materiali come il selenio e la galena, che presentavano proprietà fotovoltaiche e raddrizzanti, appartenessero a una classe separata di materiali, che chiamarono semiconduttori. La classificazione ha richiesto così tanto tempo per diversi motivi. In primo luogo, le categorie stesse “conduttori” e “isolanti” erano piuttosto ampie. T.N. I “conduttori” variavano enormemente in termini di conduttività, e lo stesso (in misura minore) valeva per gli isolanti, e non era ovvio come un particolare conduttore potesse essere classificato in una di queste classi. Inoltre, fino alla metà del XX secolo era impossibile ottenere o creare sostanze molto pure, ed eventuali stranezze nella conduttività dei materiali naturali potevano sempre essere attribuite a contaminazioni.
I fisici ora disponevano sia degli strumenti matematici della meccanica quantistica sia di una nuova classe di materiali a cui potevano essere applicati. teorico britannico fu il primo a mettere insieme il tutto e a costruire un modello generale dei semiconduttori e del loro funzionamento nel 1931.
Inizialmente Wilson sostenne che i materiali conduttivi differiscono dai dielettrici per lo stato delle loro bande energetiche. La meccanica quantistica afferma che gli elettroni possono esistere in un numero limitato di livelli energetici presenti nei gusci, o orbitali, dei singoli atomi. Se si mettono insieme questi atomi nella struttura di un materiale, sarebbe più corretto immaginare zone di energia continue che lo attraversano. Ci sono spazi vuoti nei conduttori nelle bande ad alta energia e il campo elettrico può spostare liberamente gli elettroni lì. Negli isolanti, le zone sono piene, ed è una salita piuttosto lunga per raggiungere la zona conduttrice più alta, attraverso la quale è più facile viaggiare per l'elettricità.
Ciò lo ha portato alla conclusione che le impurità (atomi estranei nella struttura di un materiale) devono contribuire alle sue proprietà semiconduttrici. Possono fornire elettroni extra, che sfuggono facilmente nella banda di conduzione, o buchi – una mancanza di elettroni rispetto al resto del materiale – che creano spazi energetici vuoti dove gli elettroni liberi possono muoversi. La prima opzione fu successivamente chiamata semiconduttori di tipo n (o elettronici) a causa dell'eccesso di carica negativa, e la seconda - semiconduttori di tipo p o lacunosi a causa dell'eccesso di carica positiva.
Infine, Wilson propose che il raddrizzamento della corrente da parte dei semiconduttori potesse essere spiegato in termini quantistici. , il salto improvviso di elettroni attraverso una sottile barriera elettrica in un materiale. La teoria sembrava plausibile, ma prevedeva che nel raddrizzatore la corrente dovesse fluire dall'ossido al rame, mentre in realtà avveniva il contrario.
Quindi, nonostante tutte le scoperte di Wilson, i semiconduttori rimanevano difficili da spiegare. Come divenne gradualmente chiaro, i cambiamenti microscopici nella struttura cristallina e la concentrazione delle impurità influenzavano in modo sproporzionato il loro comportamento elettrico macroscopico. Ignorando la mancanza di comprensione, perché nessuno avrebbe mai potuto spiegare le osservazioni sperimentali fatte da Brown 60 anni prima, Bratteyn e Becker svilupparono un processo di produzione efficiente per i raddrizzatori all'ossido di rame per il loro datore di lavoro. Il sistema Bell iniziò rapidamente a sostituire i raddrizzatori a tubi a vuoto in tutto il sistema con un nuovo dispositivo chiamato dai suoi ingegneri , poiché la sua resistenza variava a seconda della direzione.
medaglia d'oro
Mervyn Kelly, fisico ed ex capo del dipartimento dei tubi a vuoto dei Bell Labs, si interessò molto a questo sviluppo. Nel corso di un paio di decenni, i tubi a vuoto hanno fornito a Bell un servizio inestimabile e sono stati in grado di svolgere funzioni che non erano possibili con la precedente generazione di componenti meccanici ed elettromeccanici. Ma si surriscaldavano, si surriscaldavano regolarmente, consumavano molta energia ed erano difficili da mantenere. Kelly intendeva ricostruire il sistema di Bell con componenti elettronici a stato solido più affidabili e durevoli, come varistori, che non richiedessero custodie sigillate, piene di gas o vuote o filamenti caldi. Nel 1936 divenne capo del dipartimento di ricerca dei Bell Labs e iniziò a reindirizzare l'organizzazione su un nuovo percorso.
Dopo aver ottenuto un raddrizzatore a stato solido, il passo successivo era quello di creare un amplificatore a stato solido. Naturalmente, come un amplificatore a valvole, un dispositivo del genere potrebbe funzionare anche come interruttore digitale. Ciò era di particolare interesse per l'azienda Bell, poiché i commutatori telefonici utilizzavano ancora un numero enorme di commutatori digitali elettromeccanici. L'azienda era alla ricerca di un sostituto più affidabile, più piccolo, più efficiente dal punto di vista energetico e più fresco per i tubi a vuoto nei sistemi telefonici, radio, radar e altre apparecchiature analogiche, dove venivano utilizzati per amplificare i segnali deboli a livelli udibili dall'orecchio umano.
Nel 1936, i Bell Laboratories revocarono finalmente il blocco delle assunzioni imposto durante . Kelly iniziò immediatamente a reclutare esperti di meccanica quantistica per aiutarlo a lanciare il suo programma di ricerca sullo stato solido , un altro originario della costa occidentale, di Palo Alto, California. L'argomento della sua recente tesi al MIT era perfettamente adatto alle esigenze di Kelly: "Bande di elettroni nel cloruro di sodio".
Brattain e Becker continuarono la loro ricerca sul raddrizzatore all'ossido di rame durante questo periodo, alla ricerca di un amplificatore a stato solido migliorato. Il modo più ovvio per realizzarlo è stato seguire l'analogia con un tubo a vuoto. Proprio come Lee de Forest ha preso un amplificatore a valvole e tra il catodo e l'anodo, e Brattain e Becker immaginarono come inserire una rete nella giunzione di rame e ossido di rame, dove avrebbe dovuto avvenire la rettifica. Tuttavia, a causa dello spessore ridotto dello strato, hanno ritenuto impossibile farlo e non ci sono riusciti.
Nel frattempo, altri sviluppi hanno dimostrato che i Bell Labs non erano l’unica azienda interessata all’elettronica a stato solido. Nel 1938, Rudolf Hilsch e Robert Pohl pubblicarono i risultati di esperimenti condotti presso l'Università di Göttingen su un amplificatore a stato solido funzionante creato introducendo una griglia in un cristallo di bromuro di potassio. Questo dispositivo da laboratorio non aveva alcun valore pratico, principalmente perché funzionava a una frequenza non superiore a 1 Hz. Eppure, questo risultato non poteva che accontentare 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 Nix e Dean Woolridge carta bianca per esplorare le loro capacità.
Almeno altri due inventori riuscirono a creare amplificatori a stato solido prima della seconda guerra mondiale. Nel 1922, fisico e inventore sovietico pubblicò i risultati di esperimenti riusciti con semiconduttori di zincite, ma il suo lavoro passò inosservato alla comunità occidentale; Nel 1926, l'inventore americano Julius Lillenfield fece domanda per un brevetto per un amplificatore a stato solido, ma non ci sono prove che la sua invenzione funzionasse.
La prima importante intuizione di Shockley nella sua nuova posizione avvenne durante la lettura del lavoro del 1938 del fisico britannico Neville Moth, The Theory of Crystalline Rectifiers, che finalmente spiegò il principio di funzionamento del raddrizzatore all'ossido di rame Grondahl. Mott usò la matematica della meccanica quantistica per descrivere la formazione di un campo elettrico alla giunzione di un metallo conduttore e un ossido semiconduttore, e come gli elettroni "saltano" oltre questa barriera elettrica, anziché creare un tunnel come proposto da Wilson. La corrente scorre più facilmente dal metallo al semiconduttore che viceversa perché il metallo ha molti più elettroni liberi.
Ciò portò Shockley alla stessa identica idea che Brattain e Becker avevano considerato e rifiutato 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 che scorre attraverso la rete aumentasse la barriera che limita il flusso di corrente dal rame all'ossido, creando una versione invertita e amplificata del segnale sulla rete. Il suo primo rozzo tentativo fallì completamente, così si rivolse a un uomo con capacità di laboratorio più raffinate e familiarità con 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 griglia”. Si rifiutò anche di lavorare.
Poi intervenne la guerra, lasciando il nuovo programma di ricerca di Kelly nel caos. Kelly divenne il capo del gruppo di lavoro sui radar dei Bell Labs, supportato dal principale centro di ricerca radar degli Stati Uniti, il MIT. Brattain lavorò brevemente per lui, per poi passare alla ricerca sul rilevamento magnetico dei sottomarini per la marina. Woolridge lavorò sui sistemi di controllo del fuoco, Nix lavorò sulla diffusione del gas per il Progetto Manhattan e Shockley si dedicò alla ricerca operativa, lavorando prima sulla guerra antisommergibile nell'Atlantico e poi sui bombardamenti strategici nel Pacifico.
Ma nonostante questo intervento, la guerra non fermò lo sviluppo dell’elettronica a stato solido. Al contrario, ha orchestrato una massiccia infusione di risorse nel campo e ha portato a una concentrazione della ricerca su due materiali: germanio e silicio.
Cos'altro leggere
Ernest Bruan e Stuart MacDonald, Rivoluzione in miniatura (1978)
Friedrich Kurylo e Charles Susskind, Ferdinand Braun (1981)
G. L. Pearson e W. H. Brattain, “History of Semiconductor Research”, Atti dell’IRE (dicembre 1955).
Michael Riordan e Lillian Hoddeson, Fuoco di cristallo (1997)
Fonte: habr.com