מאמרים נוספים בסדרה:
- היסטוריה של הממסר
- היסטוריה של מחשבים אלקטרוניים
- היסטוריה של הטרנזיסטור
- היסטוריית אינטרנט
כור היתוך המלחמה היווה את הבמה להופעת הטרנזיסטור. מ-1939 עד 1945, הידע הטכני בתחום המוליכים למחצה התרחב מאוד. והייתה לכך סיבה אחת פשוטה: מכ"ם. הטכנולוגיה החשובה ביותר של המלחמה, שדוגמאות לה כוללות: איתור התקפות אוויר, חיפוש צוללות, הכוונת התקפות לילה למטרות, הכוונת מערכות הגנה אוויריות ותותחים ימיים. מהנדסים אפילו למדו כיצד להפריש מכ"מים זעירים לתוך פגזי ארטילריה, כך שהם מתפוצצים כשהם עפים ליד המטרה - . עם זאת, המקור של הטכנולוגיה הצבאית החדשה והחזקה הזו היה בתחום שליו יותר: חקר האטמוספירה העליונה למטרות מדעיות.
מכ"ם
בשנת 1901, חברת Marconi Wireless Telegraph שידרה בהצלחה הודעה אלחוטית על פני האוקיינוס האטלנטי, מקורנוול לניופאונדלנד. עובדה זו הובילה את המדע המודרני לבלבול. אם שידורי רדיו נעים בקו ישר (כפי שהם צריכים), שידור כזה אמור להיות בלתי אפשרי. אין קו ראייה ישיר בין אנגליה לקנדה שאינו חוצה את כדור הארץ, ולכן המסר של מרקוני היה צריך לעוף לחלל. המהנדס האמריקני ארתור קנילי והפיזיקאי הבריטי אוליבר Heaviside הציעו בו-זמנית ובאופן עצמאי כי ההסבר לתופעה זו חייב להיות קשור לשכבת גז מיונן הנמצאת באטמוספרה העליונה, המסוגלת להחזיר גלי רדיו חזרה לכדור הארץ (מרקוני עצמו האמין שגלי רדיו). עקבו אחר העקמומיות של פני כדור הארץ, עם זאת, פיזיקאים לא תמכו בכך).
עד שנות ה-1920, מדענים פיתחו ציוד חדש שאפשר להוכיח תחילה את קיומה של היונוספירה ולאחר מכן לחקור את המבנה שלה. הם השתמשו בצינורות ואקום כדי ליצור פולסי רדיו עם גלים קצרים, אנטנות כיווניות כדי לשלוח אותם לאטמוספירה ולהקליט את ההדים, ו כדי להדגים את התוצאות. ככל שעיכוב החזרת ההד ארוך יותר, כך היונוספירה חייבת להיות רחוקה יותר. טכנולוגיה זו כונתה סאונד אטמוספרי, והיא סיפקה את התשתית הטכנית הבסיסית לפיתוח מכ"ם (המונח "רדאר", מ-RAdio Detection And Ranging, לא הופיע עד שנות ה-1940 בצי האמריקני).
זה היה רק עניין של זמן עד שאנשים עם הידע, המשאבים והמוטיבציה הנכונים יבינו את הפוטנציאל ליישומים יבשתיים של ציוד כזה (ולכן ההיסטוריה של המכ"ם היא הפוכה מההיסטוריה של הטלסקופ, שנועד לראשונה לשימוש יבשתי) . והסבירות לתובנה כזו גדלה ככל שהרדיו התפשט יותר ויותר על פני כדור הארץ, ויותר אנשים הבחינו בהפרעות שהגיעו מספינות, מטוסים וחפצים גדולים אחרים. הידע על טכנולוגיות צליל אטמוספירה עליונה התפשט במהלך השני (1932-1933), כאשר מדענים ערכו מפה של היונוספירה מתחנות ארקטיות שונות. זמן קצר לאחר מכן, צוותים בבריטניה, ארה"ב, גרמניה, איטליה, ברית המועצות ומדינות אחרות פיתחו את מערכות המכ"ם הפשוטות ביותר שלהם.
עם הרדאר שלו משנת 1935
ואז קרתה המלחמה, וחשיבות המכ"מים למדינות - והמשאבים לפיתוחם - גדלה באופן דרמטי. בארצות הברית, משאבים אלה התאספו סביב ארגון חדש שנוסד ב-1940 ב-MIT, המכונה (זה נקרא כל כך ספציפי כדי להטעות מרגלים זרים וליצור את הרושם שרדיואקטיביות נחקרה במעבדה - באותה תקופה מעטים האנשים שהאמינו בפצצות אטום). פרויקט Rad Lab, שלא התפרסם כמו פרויקט מנהטן, גייס בכל זאת לשורותיו פיזיקאים מצטיינים ומוכשרים לא פחות מכל רחבי ארצות הברית. חמישה מהעובדים הראשונים של המעבדה (כולל и ) קיבלה לאחר מכן פרסי נובל. עד סוף המלחמה עבדו במעבדה כ-500 דוקטורים למדע, מדענים ומהנדסים, ובסך הכל עבדו 4000 איש. חצי מיליון דולר - בהשוואה לכל תקציב ENIAC - הוצא על סדרת מעבדות הקרינה בלבד, תיעוד של עשרים ושבעה כרכים של כל הידע שנרכש מהמעבדה במהלך המלחמה (אם כי הוצאות ממשלת ארה"ב על טכנולוגיית מכ"ם לא הוגבלו לתקציב ראד לאב; במהלך המלחמה רכשה הממשלה מכ"מים בשווי שלושה מיליארד דולר).
בניין MIT 20, בו הייתה ממוקמת מעבדת ראד
אחד מתחומי המחקר העיקריים של מעבדת ראד היה מכ"ם בתדר גבוה. מכ"מים מוקדמים השתמשו באורכי גל שנמדדו במטרים. אבל אלומות בתדירות גבוהה יותר עם אורכי גל הנמדדים בסנטימטרים - גלי מיקרו - אפשרו אנטנות קומפקטיות יותר והן היו פחות מפוזרות למרחקים ארוכים, מה שהבטיח יתרונות גדולים יותר בטווח ובדיוק. מכ"מים מיקרוגל יכלו להיכנס לאף של מטוס ולזהות עצמים בגודל של פריסקופ של צוללת.
הראשון שפתר את הבעיה הזו היה צוות של פיזיקאים בריטיים מאוניברסיטת ברמינגהם. בשנת 1940 הם פיתחו "", שעבדה כמו "משרוקית" אלקטרומגנטית, והפכה פולס אקראי של חשמל לאלומת גלי מיקרו עוצמתית ומכווננת במדויק. משדר המיקרוגל הזה היה חזק פי אלף מהמתחרה הקרוב ביותר שלו; זה סלל את הדרך למשדרי מכ"ם מעשיים בתדר גבוה. עם זאת, הוא היה זקוק לבן לוויה, מקלט המסוגל לזהות תדרים גבוהים. ובנקודה זו אנו חוזרים להיסטוריה של מוליכים למחצה.
חתך מגנטרון
הבא השני של שפם החתול
התברר שצינורות ואקום כלל לא מתאימים לקליטת אותות מכ"ם מיקרוגל. הפער בין הקתודה החמה לאנודה הקרה יוצר קיבול, הגורם למעגל לסרב לפעול בתדרים גבוהים. הטכנולוגיה הטובה ביותר הזמינה עבור מכ"ם בתדר גבוה הייתה המיושנת ""- חתיכת חוט קטנה שנלחצה על גביש מוליכים למחצה. כמה אנשים גילו זאת באופן עצמאי, אבל הדבר הקרוב ביותר לסיפור שלנו הוא מה שקרה בניו ג'רזי.
בשנת 1938, בלבס התקשרה עם חיל הים לפיתוח מכ"ם בקרת אש בטווח של 40 ס"מ - קצר בהרבה, ולכן בתדירות גבוהה יותר, מאשר מכ"מים קיימים בעידן המגנטרון שלפני התהודה. עבודת המחקר העיקרית עברה לחטיבה של מעבדות בהולדל, דרומית לסטטן איילנד. לא לקח הרבה זמן עד שהחוקרים הבינו מה הם יצטרכו עבור מקלט בתדר גבוה, ועד מהרה המהנדס ג'ורג' סאות'וורת' סרק בחנויות רדיו במנהטן אחר גלאי חתולים ישנים. כצפוי, זה עבד הרבה יותר טוב מגלאי המנורות, אבל זה היה לא יציב. אז סאות'וורת' חיפש אלקטרוכימאי בשם ראסל אוהל וביקש ממנו לנסות לשפר את אחידות התגובה של גלאי גביש חד-נקודתי.
אול היה אדם מוזר למדי, שראה בפיתוח הטכנולוגיה את ייעודו, ודיבר על תובנות תקופתיות עם חזיונות עתיד. לדוגמה, הוא הצהיר כי עוד ב-1939 הוא ידע על המצאה עתידית של מגבר סיליקון, אך נגזר גורלו של אדם אחר להמציא אותו. לאחר שלמד עשרות אפשרויות, הוא הסתפק בסיליקון כחומר הטוב ביותר עבור מקלטי Southworth. הבעיה הייתה היכולת לשלוט בתכולת החומר כדי לשלוט בתכונות החשמליות שלו. באותה תקופה, מטילי סיליקון תעשייתיים היו נפוצים; הם שימשו במפעלי פלדה, אבל בייצור כזה איש לא הפריע, למשל, מהתכולה של 1% זרחן בסיליקון. אול נעזר בכמה מטלורגים, ויצא להשיג פריטים נקיים הרבה יותר ממה שהיה אפשרי קודם לכן.
תוך כדי עבודתם, הם גילו שחלק מהגבישים שלהם תיקנו את הזרם בכיוון אחד, בעוד שאחרים תיקנו את הזרם בכיוון השני. הם קראו להם "סוג n" ו"סוג p". ניתוח נוסף הראה שסוגים שונים של זיהומים היו אחראים לסוגים אלה. הסיליקון נמצא בעמודה הרביעית של הטבלה המחזורית, כלומר יש לו ארבעה אלקטרונים בקליפה החיצונית שלו. בריק של סיליקון טהור, כל אחד מהאלקטרונים הללו יתחבר עם שכן. זיהומים מהעמודה השלישית, למשל בורון, שיש לו אלקטרון אחד פחות, יצרו "חור", מקום נוסף לתנועת זרם בגביש. התוצאה הייתה מוליך למחצה מסוג p (עם עודף של מטענים חיוביים). יסודות מהעמודה החמישית, כמו זרחן, סיפקו אלקטרונים חופשיים נוספים לשאת זרם, והתקבל מוליך למחצה מסוג n.
מבנה גבישי של סיליקון
כל המחקר הזה היה מאוד מעניין, אבל ב-1940 סאות'וורת' ואוהל לא היו קרובים יותר ליצור אב טיפוס עובד של מכ"ם בתדר גבוה. במקביל, ממשלת בריטניה דרשה תוצאות מעשיות מיידיות בשל האיום הממשמש ובא מהלופטוואפה, שכבר יצרו גלאי מיקרוגל מוכנים לייצור הפועלים במקביל למשדרי מגנטרון.
עם זאת, מאזן ההתקדמות הטכנולוגית ייטה בקרוב לעבר הצד המערבי של האוקיינוס האטלנטי. צ'רצ'יל החליט לחשוף את כל הסודות הטכניים של בריטניה לאמריקאים לפני שהוא נכנס בפועל למלחמה (שכן הוא הניח שזה יקרה בכל מקרה). הוא האמין ששווה להסתכן בדליפת מידע, שכן אז כל היכולות התעשייתיות של ארצות הברית יוזרקו לפתרון בעיות כמו נשק אטומי ומכ"מים. משימת המדע והטכנולוגיה הבריטית (מוכרת יותר בשם ) הגיעה לוושינגטון בספטמבר 1940 והביאה במזוודה מתנה בדמות ניסים טכנולוגיים.
גילוי הכוח המדהים של המגנטרון המהדהד והיעילות של גלאי קריסטל בריטיים בקליטת האות שלו החיו את המחקר האמריקאי על מוליכים למחצה כבסיס לרדאר בתדר גבוה. הייתה עבודה רבה לעשות, במיוחד במדעי החומרים. כדי לענות על הביקוש, גבישי מוליכים למחצה "היה צריכים להיות מיוצרים במיליונים, הרבה יותר ממה שהיה אפשרי בעבר. היה צורך לשפר את התיקון, להפחית את רגישות ההלם וצריבה ולמזער את השונות בין קבוצות גבישים שונות".
מיישר מגע נקודת סיליקון
מעבדת ראד פתחה מחלקות מחקר חדשות כדי לחקור את המאפיינים של גבישים מוליכים למחצה וכיצד ניתן לשנותם כדי למקסם את תכונות המקלט יקרות הערך. החומרים המבטיחים ביותר היו סיליקון וגרמניום, אז מעבדת ראד החליטה לעשות את זה בטוח והשיקה תוכניות מקבילות ללימוד שניהם: סיליקון באוניברסיטת פנסילבניה וגרמניום בפורדו. ענקיות התעשייה כמו בל, וסטינגהאוס, דו פונט וסילבניה החלו בתוכניות מחקר מוליכים למחצה משלהן והחלו לפתח מתקני ייצור חדשים לגלאי גבישים.
באמצעות מאמצים משותפים, הטוהר של גבישי הסיליקון והגרמניום הועלה מ-99% בהתחלה ל-99,999% - כלומר לחלקיק טומאה אחד לכל 100 אטומים. תוך כדי כך, צוות של מדענים ומהנדסים הכירו מקרוב את התכונות המופשטות של גרמניום וסיליקון וטכנולוגיות יישומיות לשליטה בהם: התכה, גידול גבישים, הוספת הזיהומים הדרושים (כגון בורון, שהגביר את המוליכות).
ואז הסתיימה המלחמה. הדרישה לרדאר נעלמה, אך הידע והמיומנויות שנצברו במהלך המלחמה נותרו, והחלום על מגבר מצב מוצק לא נשכח. עכשיו המירוץ היה ליצור מגבר כזה. ולפחות שלוש קבוצות היו בעמדה טובה לזכות בפרס הזה.
ווסט לאפייט
הראשון היה קבוצה מאוניברסיטת פרדו בראשות פיזיקאי יליד אוסטריה בשם קרל לארק-הורוביץ. הוא הוציא לבדו את המחלקה לפיזיקה של האוניברסיטה מאפילה באמצעות כישרונו והשפעתו והשפיע על החלטת מעבדת הרד להפקיד במעבדתו את מחקר הגרמניום.
קרל לארק-הורוביץ ב-1947, במרכז, אוחז בצינור
בתחילת שנות ה-1940, הסיליקון נחשב לחומר הטוב ביותר עבור מיישרי מכ"ם, אך גם החומר שמתחתיו בטבלה המחזורית נראה ראוי למחקר נוסף. לגרמניום היה יתרון מעשי בזכות נקודת ההתכה הנמוכה שלו, שהקלה על העבודה: כ-940 מעלות, לעומת 1400 מעלות לסיליקון (כמעט זהה לפלדה). בשל נקודת ההיתוך הגבוהה, היה קשה מאוד ליצור ריק שלא ידלוף לתוך הסיליקון המותך, ויזהם אותו.
לכן, לארק-הורוביץ ועמיתיו בילו את כל המלחמה בחקר התכונות הכימיות, החשמליות והפיזיקליות של גרמניום. המכשול החשוב ביותר היה "מתח הפוך": מיישרי גרמניום, במתח נמוך מאוד, הפסיקו ליישר את הזרם ואפשרו לו לזרום בכיוון ההפוך. דופק הזרם ההפוך שרף את שאר מרכיבי המכ"ם. אחד הסטודנטים לתואר שני של לארק-הורוביץ, סימור בנצר, למד את הבעיה הזו במשך יותר משנה, ולבסוף פיתח תוסף על בסיס פח שעצר פולסים הפוכים במתחים של עד מאות וולט. זמן קצר לאחר מכן, Western Electric, חטיבת הייצור של מעבדות בל, החלה להנפיק מיישרי בנצר לשימוש צבאי.
חקר הגרמניום בפורדו נמשך לאחר המלחמה. ביוני 1947, בנצר, שכבר היה פרופסור, דיווח על חריגה יוצאת דופן: בניסויים מסוימים הופיעו תנודות בתדר גבוה בגבישי גרמניום. ועמיתו ראלף בריי המשיך לחקור "התנגדות נפחית" בפרויקט שהחל במהלך המלחמה. התנגדות נפח תיארה כיצד החשמל זורם בגביש הגרמניום בנקודת המגע של המיישר. ברי מצא שפולסי מתח גבוה הפחיתו באופן משמעותי את ההתנגדות של גרמניום מסוג n לזרמים אלה. בלי לדעת זאת, הוא היה עד למה שנקרא. נושאי תשלום "מיעוט". במוליכים למחצה מסוג n, המטען השלילי העודף משמש כנושא רוב המטען, אך "חורים" חיוביים יכולים גם לשאת זרם, ובמקרה זה, פולסי המתח הגבוה יצרו חורים במבנה הגרמניום, וגרמו להופעת נושאי מטען מיעוט. .
בריי ובנצר התקרבו בצורה מגרה למגבר הגרמניום בלי לשים לב. בנצר תפס את וולטר בראטיין, מדען בל מעבדות, בכנס בינואר 1948 כדי לדון עמו בגרירה נפחית. הוא הציע לברטיין למקם מגע נקודתי נוסף ליד המגע הראשון שיכול להוליך זרם, ואז הם אולי יוכלו להבין מה קורה מתחת לפני השטח. בראטן הסכים בשקט להצעה הזו ועזב. כפי שנראה, הוא ידע טוב מדי מה ניסוי כזה יכול לחשוף.
אוני-סוס-בויס
לקבוצת Purdue היו גם הטכנולוגיה וגם הבסיס התיאורטי לעשות את הקפיצה לעבר הטרנזיסטור. אבל הם יכלו להיתקל בזה רק במקרה. הם התעניינו בתכונות הפיזיקליות של החומר, ולא בחיפוש אחר סוג חדש של מכשיר. מצב שונה מאוד שרר באונס-סוס-בואה (צרפת), שם שני חוקרי מכ"ם לשעבר מגרמניה, היינריך וולקר והרברט מאטהאר, הובילו צוות שמטרתו הייתה ליצור התקני מוליכים למחצה תעשייתיים.
וולקר למד תחילה ולאחר מכן לימד פיזיקה באוניברסיטת מינכן, בניהולו של התיאורטיקן המפורסם ארנולד זומרפלד. מאז 1940, הוא עזב מסלול תיאורטי בלבד והחל לעבוד על מכ"ם עבור הלופטוואפה. Mathare (ממוצא בלגי) גדל באאכן, שם למד פיזיקה. הוא הצטרף למחלקת המחקר של ענקית הרדיו הגרמנית טלפונקן ב-1939. במהלך המלחמה, הוא העביר את עבודתו מברלין מזרחה למנזר בשלזיה כדי להימנע מהתקפות אוויריות של בעלות הברית, ולאחר מכן חזרה מערבה כדי להימנע מהצבא האדום המתקדם, ובסופו של דבר ליפול לידי הצבא האמריקני.
כמו יריביהם בקואליציה נגד היטלר, הגרמנים ידעו בתחילת שנות ה-1940 שגלאי גבישים הם מקלטים אידיאליים לרדאר, ושסיליקון וגרמניום הם החומרים המבטיחים ביותר ליצירתם. Mathare ו-Welker ניסו במהלך המלחמה לשפר את השימוש היעיל של חומרים אלה במיישרים. לאחר המלחמה, שניהם עברו חקירה תקופתית בנוגע לעבודתם הצבאית, ולבסוף קיבלו הזמנה מקצין מודיעין צרפתי לפריז ב-1946.
Compagnie des Freins & Signaux ("חברת בלמים ואותות"), חטיבה צרפתית של וסטינגהאוס, קיבלה חוזה מרשות הטלפון הצרפתית ליצור מיישרי מצב מוצק וחיפשה מדענים גרמנים שיעזרו להם. ברית כזו של אויבים אחרונים עלולה להיראות מוזרה, אבל הסדר זה התברר כטוב למדי עבור שני הצדדים. לצרפתים, שהובסו ב-1940, לא הייתה יכולת לצבור ידע בתחום המוליכים למחצה, והם נזקקו נואשות לכישוריהם של הגרמנים. הגרמנים לא יכלו לבצע פיתוח בשום תחום היי-טק במדינה כבושה ושסועת מלחמה, אז הם קפצו על ההזדמנות להמשיך לעבוד.
וולקר ומטהאר הקימו את המטה בבית בן שתי קומות בפרבר פריז של Aunes-sous-Bois, ובעזרת צוות של טכנאים, הם השיקו בהצלחה מיישרי גרמניום עד סוף 1947. ואז הם פנו לרצינות יותר. פרסים: וולקר חזר לעניין שלו במוליכי-על, ומטהאר למגברים.
הרברט מאטהאר ב-1950
במהלך המלחמה, מת'ארה התנסה במיישרי מגע דו-נקודתיים - "דואודיאודים" - בניסיון להפחית את רעשי המעגל. הוא חידש את הניסויים שלו ועד מהרה גילה ששפם של חתול שני, הממוקם במרחק של 1/100 מיליון המטר מהראשון, יכול לפעמים לווסת את הזרם הזורם דרך השפם הראשון. הוא יצר מגבר מצב מוצק, אם כי חסר תועלת למדי. כדי להשיג ביצועים אמינים יותר, הוא פנה לוולקר, שצבר ניסיון רב בעבודה עם גבישי גרמניום במהלך המלחמה. הצוות של וולקר גדל דגימות גדולות וטהורות יותר של גבישי גרמניום, וככל שאיכות החומר השתפרה, מגברי מגע נקודתיים של Mathare הפכו לאמינים ביוני 1948.
תמונת רנטגן של "טרנזיסרון" המבוססת על מעגל Mathare, שיש לו שתי נקודות מגע עם גרמניום
למתארה אפילו היה מודל תיאורטי של מה שקורה: הוא האמין שהמגע השני יוצר חורים בגרמניום, מאיץ את מעבר הזרם דרך המגע הראשון, מספק נושאי מטען מיעוט. וולקר לא הסכים איתו, והאמין שמה שקורה תלוי בסוג של אפקט שדה. עם זאת, לפני שהצליחו להבין את המכשיר או התיאוריה, הם למדו שקבוצה של אמריקאים פיתחה בדיוק את אותו רעיון - מגבר גרמניום עם שני מגעים נקודתיים - שישה חודשים קודם לכן.
מורי היל
בסוף המלחמה, מרווין קלי ביצעה רפורמה בקבוצת המחקר מוליכים למחצה של Bell Labs בראשות ביל שוקלי. הפרויקט גדל, קיבל מימון נוסף ועבר מבניין המעבדה המקורי שלו במנהטן לקמפוס מתרחב במורי היל, ניו ג'רזי.
קמפוס מורי היל, בערך. 1960
כדי להכיר מחדש מוליכים למחצה מתקדמים (לאחר תקופתו במחקר מבצעים במהלך המלחמה), ביקר שוקלי במעבדת הולדל של ראסל אוהל באביב 1945. אוהל בילה את שנות המלחמה בעבודה על סיליקון ולא בזבז זמן. הוא הראה לשוקלי מגבר גולמי במבנה שלו, שאותו כינה "דסיסט". הוא לקח מיישר מגע נקודת סיליקון ושלח דרכו זרם מהסוללה. ככל הנראה, החום מהסוללה הפחית את ההתנגדות על פני נקודת המגע, והפך את המיישר למגבר המסוגל להעביר אותות רדיו נכנסים למעגל חזק מספיק כדי להפעיל רמקול
האפקט היה גס ולא אמין, לא מתאים למסחור. עם זאת, די היה בכך כדי לאשר את דעתו של שוקלי כי ניתן ליצור מגבר מוליכים למחצה, וכי יש להעמיד זאת בראש סדר העדיפויות למחקר בתחום האלקטרוניקה של המצב המוצק. הפגישה הזו עם הצוות של אולה היא גם ששכנעה את שוקלי שצריך לחקור תחילה את הסיליקון והגרמניום. הם הציגו מאפיינים חשמליים אטרקטיביים, וחבריו של אוהל, המתכתים ג'ק סקף והנרי תאורר, השיגו הצלחה מדהימה בגידול, טיהור וסימום הגבישים הללו במהלך המלחמה, תוך שהם עולים על כל הטכנולוגיות הזמינות לחומרים מוליכים למחצה אחרים. הקבוצה של שוקלי לא התכוונה לבזבז יותר זמן על מגברי תחמוצת נחושת לפני המלחמה.
בעזרתה של קלי, שוקלי החל להרכיב צוות חדש. שחקני המפתח כללו את וולטר בראטיין, שעזר לשוקלי בניסיון הראשון שלו למגבר מצב מוצק (ב-1940), וג'ון ברדין, פיזיקאי צעיר ועובד חדש במעבדת בל. לבארדין היה כנראה הידע הנרחב ביותר בפיזיקה של מצב מוצק של כל אחד מחברי הצוות - עבודת הגמר שלו תיארה את רמות האנרגיה של אלקטרונים במבנה של מתכת נתרן. הוא היה גם בן חסות נוסף של ג'ון הסברוק ואן ולק, כמו אטנסוב וברטיין.
ובדומה לאטנאסוב, עבודת הגמר של ברדין ושוקלי דרשה חישובים מורכבים ביותר. הם נאלצו להשתמש בתיאוריה המכנית הקוונטית של מוליכים למחצה, שהוגדרה על ידי אלן ווילסון, כדי לחשב את מבנה האנרגיה של חומרים באמצעות המחשבון השולחני של מונרו. בכך שעזרו ביצירת הטרנזיסטור, הם, למעשה, תרמו להצלת סטודנטים לתארים מתקדמים עתידיים מעבודה כזו.
הגישה הראשונה של שוקלי למגבר מצב מוצק הסתמכה על מה שנקרא מאוחר יותר "". הוא התלה לוחית מתכת על מוליך למחצה מסוג n (עם עודף של מטענים שליליים). הפעלת מטען חיובי על הצלחת משכה עודפי אלקטרונים על פני הגביש, ויצרה נהר של מטענים שליליים שדרכו זרם חשמלי יכול היה לזרום בקלות. האות המוגבר (המיוצג על ידי רמת הטעינה על הפרוסה) בדרך זו יכול לווסת את המעגל הראשי (עובר לאורך פני השטח של המוליך למחצה). היעילות של תכנית זו הוצעה לו על ידי הידע התיאורטי שלו בפיזיקה. אבל, למרות ניסויים וניסויים רבים, התוכנית מעולם לא עבדה.
עד מרץ 1946, ברדין יצר תיאוריה מפותחת שהסבירה את הסיבה לכך: פני השטח של מוליך למחצה ברמה הקוונטית מתנהגים בצורה שונה מבפנים שלו. מטענים שליליים הנמשכים אל פני השטח נלכדים ב"מצבי פני השטח" וחוסמים את השדה החשמלי מלחדור מהלוח לתוך החומר. שאר הצוות מצא את הניתוח הזה משכנע, והשיק תוכנית מחקר חדשה לאורך שלושה מסלולים:
- הוכח את קיומם של מצבי פני השטח.
- למד את המאפיינים שלהם.
- גלה כיצד להביס אותם ולגרום לזה לעבוד .
לאחר שנה וחצי של מחקר וניסויים, ב-17 בנובמבר 1947, בראטן פרץ דרך. הוא גילה שאם יניח נוזל מלא יונים, כמו מים, בין רקיק ומוליך למחצה, שדה חשמלי מהפרוס ידחוף את היונים לכיוון המוליך למחצה, שם הם ינטרלו מטענים הכלואים במצבי פני השטח. כעת הוא יכול היה לשלוט בהתנהגות החשמלית של חתיכת סיליקון על ידי שינוי המטען על הוופל. הצלחה זו נתנה לבארדין רעיון לגישה חדשה ליצירת מגבר: הקף את נקודת המגע של המיישר במי אלקטרוליט, ולאחר מכן השתמש בחוט שני במים כדי לשלוט בתנאי פני השטח, וכך לשלוט ברמת המוליכות של המיישר הראשי. איש קשר. אז ברדין וברטיין הגיעו לקו הסיום.
הרעיון של ברדין עבד, אבל ההגברה הייתה חלשה ופעלה בתדרים נמוכים מאוד שאינם נגישים לאוזן האנושית - כך שהיא לא הייתה שימושית כמגבר טלפון או רדיו. ברדין הציע לעבור לגרמניום עמיד במתח הפוך המיוצר ב-Purdue, מתוך אמונה שפחות מטענים ייאספו על פני השטח שלו. פתאום הם קיבלו עלייה חזקה, אבל בכיוון ההפוך מהמצופה. הם גילו את אפקט נשא המיעוט - במקום האלקטרונים הצפויים, הזרם הזורם דרך הגרמניום הוגבר על ידי חורים שהגיעו מהאלקטרוליט. הזרם על החוט באלקטרוליט יצר שכבה מסוג p (אזור של עודף מטענים חיוביים) על פני השטח של גרמניום מסוג n.
ניסויים שלאחר מכן הראו כי לא היה צורך כלל באלקטרוליט: פשוט על ידי הצבת שתי נקודות מגע קרובות על פני הגרמניום, ניתן היה לווסת את הזרם מאחת מהן לזרם על השני. כדי לקרב אותם כמה שיותר, ברטן עטף פיסת נייר זהב סביב פיסת פלסטיק משולשת ואז חתך בזהירות את נייר הכסף בקצה. לאחר מכן, באמצעות קפיץ, הוא לחץ את המשולש על הגרמניום, וכתוצאה מכך שני קצוות החתך נגעו בפני השטח שלו במרחק של 0,05 מ"מ. זה נתן את אב הטיפוס לטרנזיסטור של Bell Labs את המראה הייחודי שלו:
אב טיפוס של טרנזיסטור ברטן וברדין
כמו המכשיר של Mathare ו-Welker, זה היה, באופן עקרוני, "שפם של חתול" קלאסי, רק עם שתי נקודות מגע במקום אחת. ב-16 בדצמבר היא הפיקה עלייה משמעותית בהספק ובמתח, ותדר של 1000 הרץ בתחום הנשמע. שבוע לאחר מכן, לאחר שיפורים קלים, ברדין וברטיין הגדילו את המתח פי 100 ואת ההספק פי 40, והוכיחו למנהלים של בל שהמכשיר שלהם יכול להפיק דיבור נשמע. ג'ון פירס, חבר נוסף בצוות הפיתוח של מצב מוצק, טבע את המונח "טרנזיסטור" על שמו של מיישר תחמוצת הנחושת של בל, הווריסטור.
במשך ששת החודשים הבאים שמרה המעבדה את היצירה החדשה בסוד. ההנהלה רצתה לוודא שיש להם התחלה במסחר הטרנזיסטור לפני שמישהו אחר ישים עליו את היד. מסיבת עיתונאים נקבעה ל-30 ביוני 1948, בדיוק בזמן כדי לנפץ את חלומות האלמוות של וולקר ומטהאר. בינתיים, קבוצת המחקר מוליכים למחצה קרסה בשקט. לאחר ששמע על ההישגים של ברדין וברטיין, הבוס שלהם, ביל שוקלי, החל לעבוד כדי לקחת את כל הקרדיט לעצמו. ולמרות שהוא שיחק רק תפקיד תצפיתני, שוקלי זכה לפרסום שווה, אם לא יותר, במצגת הפומבית - כפי שניתן לראות בתמונה שפורסמה זו שלו בעובי העשייה, ממש ליד ספסל מעבדה:
תמונת פרסום משנת 1948 - ברדין, שוקלי וברטיין
עם זאת, תהילה שווה לא הספיקה עבור שוקלי. ולפני שמישהו מחוץ למעבדות בל ידע על הטרנזיסטור, הוא היה עסוק בלהמציא אותו מחדש עבורו. וזו הייתה רק ההמצאה הראשונה מבין רבות כאלה.
מה עוד לקרוא
- רוברט בודרי, ההמצאה ששינתה את העולם (1996)
- מייקל ריורדן, "איך אירופה פספסה את הטרנזיסטור", ספקטרום IEEE (1 בנובמבר 2005)
- מייקל ריורדן וליליאן הודסון, קריסטל פייר (1997)
- ארמנד ואן דורמאל, "הטרנזיסטור ה'צרפתי'", (1994)
מקור: www.habr.com