🥇トランジスタの歴史: 暗闇の中で手探り |プロホスター

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ソリッドステートスイッチへの道は長く、困難でした。それは、特定の材料が電気の存在下で奇妙な挙動を示すこと、つまり当時存在していた理論が予測していたものとは異なるという発見から始まりました。その後に続いたのは、20 世紀にテクノロジーがどのようにしてますます科学的かつ制度的な学問となったかについての物語でした。事実上科学的教育を受けていないアマチュア、初心者、プロの発明家が、電信、電話、ラジオの発展に多大な貢献をしました。しかし、これから説明するように、ソリッドステートエレクトロニクスの歴史における進歩のほとんどすべては、大学で学び（通常は物理学の博士号を取得している）、大学または企業の研究所で働いていた科学者によってもたらされました。

ワークショップにアクセスでき、基本的な材料スキルがあれば誰でも、ワイヤー、金属、木材からリレーを組み立てることができます。真空管を作成するには、ガラス球を作成し、そこから空気を送り出すことができる、より特殊なツールが必要です。ソリッドステートデバイスは、デジタルスイッチが戻らないウサギの穴に消え、抽象的な数学でのみ理解でき、非常に高価な機器の助けを借りてのみアクセスできる世界にさらに深く突入しました。

ガリーナ

1874年にフェルディナンド・ブラウン、セントポール出身の24歳の物理学者。ライプツィヒのトーマスは、彼の長いキャリアの中で多くの重要な科学的著作の最初のものを出版しました。「金属硫化物を通る電流の通過について」という論文が、物理科学専門の権威あるジャーナルであるポーゲンドルフのアナレン誌に受理されました。退屈なタイトルにもかかわらず、ブラウンの論文にはいくつかの驚くべき不可解な実験結果が記載されていました。

フェルディナンド・ブラウン

ブラウンは、彼の研究を通じて、硫化物（硫黄化合物と金属で構成される鉱物結晶）に興味を持つようになりました。ヨハン・ヴィルヘルム・ヒトルフ。マイケル・ファラデーはすでに 1833 年に、硫化銀の導電率は温度とともに増加するが、これは金属導体の挙動とはまったく逆であると指摘しました。ヒットルフは、1850 年代に銀と硫化銅の両方について、この効果を測定した徹底的な定量的報告書をまとめました。さて、ブラウンは、金属線をバネで硫化物の結晶に押し付けて良好な接触を確保するという巧妙な実験装置を使用して、さらに奇妙なものを発見しました。結晶の導電率は方向に依存します。たとえば、電流は一方向によく流れることができますが、バッテリーの極性が逆になると、電流が突然急激に低下する可能性があります。結晶は、ある方向では導体（通常の金属のような）として機能し、別の方向では絶縁体（ガラスやゴムなど）のように機能します。この特性は、「圧着された」交流を「フラットな」直流に整流する能力があるため、整流として知られるようになりました。

同じ頃、研究者たちは、特定の金属硫化鉱石から製錬できるセレンなどの材料の他の奇妙な特性を発見しました。セレンは光にさらされると導電率が上昇し、さらには電気を発生し始め、整流にも使用できるようになりました。硫化物の結晶と何か関係があったのでしょうか？何が起こっているのかを説明する理論モデルがなかったため、現場は混乱状態に陥りました。

しかし、理論が不足していても、結果を実際に適用する試みは止められませんでした。 1890 年代後半、ブラウンはストラスブール大学の教授になりました。ストラスブール大学は、フランスから最近併合されました。普仏戦争そしてカイザー・ヴィルヘルム大学と改名されました。そこで彼は無線電信というエキサイティングな新しい世界に引き込まれました。彼は、水を介した電波の伝送に基づく無線通信システムを共同で構築するという起業家グループからの提案に同意した。しかし、彼とその共犯者たちはすぐに当初のアイデアを放棄し、マルコーニらが使用した空中信号を支持した。

ブラウンのグループが改善しようとしたラジオの側面の中には、当時の標準受信機がありました。コヒーラー。これは、電波により金属粉が凝集し、バッテリーから信号装置に電流が流れるという事実に基づいていました。それは機能しましたが、システムは比較的強い信号にのみ反応し、おがくずの塊を粉砕するには装置を継続的に叩く必要がありました。ブラウンは硫化物結晶を使った古い実験を思い出し、1899 年に無線信号の検出器として機能するという新しい目的を持って古い実験装置を再構築しました。彼は、整流効果を利用して、電波の通過によって生成される微小な振動電流を直流に変換し、点やダッシュごとにクリック音が聞こえる小型スピーカーに電力を供給することができました。この装置は後に「」として知られるようになりました。猫のひげ検出器「ワイヤーの外観により、結晶の上部に簡単に接触したためです。英領インド (現在バングラデシュが位置する場所) では、科学者で発明家のジャガディッシュ・ボースが同様の装置をおそらく 1894 年頃に製造しました。すぐに他の企業もシリコンやカーボランダム (炭化ケイ素) をベースにした同様の検出器を製造し始めました。

しかし、それは方鉛鉱硫化鉛は、古くから鉛を生成するために製錬されており、水晶検出器に最適な材料となっています。作り方が簡単で安価だったため、アマチュア無線の初期世代の間で非常に人気になりました。さらに、バイナリコヒーラー（おがくずが凝集したか否か）とは異なり、結晶整流器は連続信号を再生できます。したがって、彼は点と点からなるモールス信号だけでなく、耳に聞こえる音声や音楽を作り出すことができました。

方鉛鉱をベースにした猫のひげ検出器。左側の小さなワイヤー片はウィスカー、下部の銀色の物質片は方鉛鉱結晶です。

しかし、イライラしたアマチュア無線家たちがすぐに気づいたように、結晶の表面上に良好な整流をもたらすマジックポイントを見つけるには、数分から数時間もかかる可能性があります。そして、増幅されていない信号は弱く、金属的な音でした。 1920 年代までに、三極管アンプを備えた真空管受信機により、水晶検出器はほぼどこでも事実上時代遅れになりました。唯一の魅力はその安さでした。

ラジオの分野でのこの短期間の登場は、ブラウンらによって発見された材料の奇妙な電気特性の実用化の限界であるように思われた。

酸化銅

そして 1920 年代に、ラースグロンダールという名前の別の物理学者が、実験装置で何か奇妙なことを発見しました。グロンダールは、アメリカ西部史上、頭が良くて落ち着きのない一連の人物の最初の人物であり、土木技師の息子でした。 1880 年にノルウェーから移住した彼の父親は、カリフォルニア、オレゴン、ワシントンの鉄道で数十年間働いていました。当初、グロンダールは父親のエンジニアリングの世界を離れ、学問の道に進むために物理学の博士号を取得するためにジョンズ・ホプキンス大学に進学する決心をしたようでした。しかしその後、彼は鉄道事業に携わるようになり、産業大手の一部門であるユニオン・スイッチ・アンド・シグナル社の研究部長に就任した。ウェスティングハウス、鉄道業界に機器を供給しました。

さまざまな情報源が、グロンダールの研究動機について相反する理由を示していますが、いずれにせよ、彼は酸化層を作成するために片面を加熱した銅ディスクの実験を開始しました。彼らと協力している間、彼は電流の非対称性に気づきました。一方向の抵抗は他の方向の抵抗の 3 倍でした。銅と酸化銅のディスクは、硫化物の結晶と同じように電流を整流します。

酸化銅整流回路

グロンダールは、1926 年に特許出願を提出し、彼の発見をアメリカ物理学会に発表する前に、別の米国の研究者であるポールガイガーの協力を得て、この現象に基づいてすぐに使用できる商用整流器の開発に次の XNUMX 年間を費やしました。すぐに商業的なヒットとなりました。壊れやすいフィラメントがないため、フレミングバルブの原理に基づいた真空管整流器よりもはるかに信頼性が高く、製造コストも安価でした。ブラウン整流器結晶とは異なり、最初の試行で動作し、金属と酸化物の間の接触面積が大きいため、より広い範囲の電流と電圧で動作しました。バッテリーを充電したり、さまざまな電気システムの信号を検出したり、強力な発電機の安全シャントとして機能したりできます。光電池として使用すると、ディスクは露出計として機能し、特に写真撮影に役立ちました。同時期に他の研究者も同様の用途を発見したセレン整流器を開発しました。

酸化銅をベースにした整流器のパック。複数のディスクを組み合わせることで逆方向抵抗が増加し、高電圧での使用が可能になりました。

数年後、ベル研究所の二人の物理学者、ジョセフ・ベッカーとウォルター・ブラッテン彼らは、銅製の整流器の動作原理を研究することにしました。彼らは、それがどのように動作し、ベルシステムでどのように使用できるかを知ることに興味を持っていました。

老後のブラッテン - 約。 1950年

ブラッテンは太平洋岸北西部のグロンダルと同じ地域の出身で、カナダ国境から数キロ離れた農場で育ちました。高校時代に物理学に興味を持ち、その分野での適性を示し、最終的には 1920 年代後半にミネソタ大学で博士号を取得し、1929 年にベル研究所に就職しました。ヨーロッパで人気を博し、量子力学として知られる最新の理論物理学 (そのキュレーターはジョン・ハズブルック・ヴァン・ブレック、ジョン・アタナソフの指導者でもあった）。

量子革命

新しい理論基盤は過去 30 年にわたってゆっくりと発展しており、やがて方鉛鉱、セレン、酸化銅などの物質で長年観察されてきたすべての奇妙な現象を説明できるようになるでしょう。主にドイツと近隣諸国から集まった若い物理学者からなる集団全体が、物理学に量子革命を引き起こしました。彼らがどこを見ても、教えられてきた滑らかで連続した世界ではなく、奇妙な離散的な塊が見えました。

すべては 1890 年代に始まりました。ベルリン大学の有名な教授であるマックスプランクは、よく知られている未解決の問題に取り組むことにしました。真っ黒なボディ「（すべてのエネルギーを吸収し、反射しない理想的な物質は）電磁スペクトルの放射線を放射しますか？さまざまなモデルが試みられましたが、どれも実験結果と一致しませんでした。いずれもスペクトルの一方の端で失敗しました。プランクは、エネルギーが離散量の小さな「パケット」として物体から放出されると仮定すると、周波数とエネルギーの関係に関する単純な法則を書き留めることができ、これは経験的結果と完全に一致することを発見しました。

その後すぐに、アインシュタインは、同じことが光の吸収でも起こることを発見し (光子の最初のヒント)、J. J. トムソンは、電気も連続的な流体や波ではなく、離散的な粒子、つまり電子によって運ばれることを示しました。ニールス・ボーアは、電子を原子内の個々の軌道に割り当て、それぞれが独自のエネルギーを持つことで、励起された原子がどのように放射線を放出するかを説明するモデルを作成しました。ただし、この名前は誤解を招きます。なぜなら、電子は惑星の軌道のようにはまったく振る舞わないからです。ボーアのモデルでは、電子は中間状態を通過することなく、ある軌道またはエネルギーレベルから別の軌道に瞬時に飛び移りました。最後に、1920 年代に、エルヴィンシュレーディンガー、ヴェルナーハイゼンベルク、マックスボルンらが、それまでの XNUMX 年間に作成されたすべての特殊な量子モデルを組み込んだ、量子力学として知られる一般化された数学的プラットフォームを作成しました。

この時までに、物理学者はすでに、光起電性と整流性を示すセレンや方鉛鉱などの材料は、半導体と呼ばれる別の種類の材料に属すると確信していました。分類にこれほど時間がかかったのにはいくつかの理由があります。まず、「導体」と「絶縁体」というカテゴリー自体が非常に幅広いものでした。 T.N. 「導体」の導電率は非常に多様であり、同様のことが（程度は低いですが）絶縁体にも当てはまり、特定の導体がこれらのクラスのいずれかにどのように分類できるかは明らかではありませんでした。さらに、20 世紀半ばまでは、非常に純粋な物質を入手したり作成したりすることは不可能であり、天然素材の導電率の異常は常に汚染に起因する可能性がありました。

物理学者は、量子力学の数学的ツールと、それを適用できる新しいクラスの材料の両方を手に入れました。イギリスの理論家アラン・ウィルソンは、1931 年にすべてをまとめて半導体とその仕組みの一般的なモデルを構築した最初の企業でした。

ウィルソンは当初、導電性材料はエネルギーバンドの状態において誘電体とは異なると主張した。量子力学では、電子は個々の原子の殻または軌道にある限られた数のエネルギー準位に存在できると述べています。これらの原子を材料の構造内に押し込むと、それを通過する連続的なエネルギーゾーンを想像する方がより正確になります。高エネルギー帯の導体には空の空間があり、電場によって電子がそこに自由に移動できます。絶縁体ではゾーンが満たされており、電気が伝わりやすい、より高い導電ゾーンに到達するにはかなり長い登りが必要です。

このことから、彼は不純物 (材料の構造中の外来原子) がその半導体特性に寄与しているに違いないという結論に達しました。それらは、伝導帯に容易に逃げてしまう余分な電子、または自由電子が移動できる空のエネルギー空間を作り出す正孔（材料の残りの部分に比べて電子が不足している）のいずれかを供給することができます。最初のオプションは、過剰な負電荷のため、後に n 型 (または電子) 半導体と呼ばれ、2 番目のオプションは、過剰な正電荷のため、p 型またはホール半導体と呼ばれるようになりました。

最後に、ウィルソンは、半導体による電流整流は量子量子用語で説明できると提案しました。トンネル効果、材料内の薄い電気障壁を越えて電子が突然飛び出すこと。この理論はもっともらしいように思えましたが、実際には逆であっても、整流器内では電流が酸化物から銅に流れるはずであると予測されました。

したがって、ウィルソンのすべての画期的な進歩にもかかわらず、半導体を説明するのは依然として困難でした。徐々に明らかになるにつれて、結晶構造の微視的な変化と不純物の濃度が巨視的な電気的挙動に不釣り合いな影響を与えていることが明らかになりました。 60年前にブラウンが行った実験観察を誰も説明できなかったため、理解の欠如を無視して、ブラッテンとベッカーは雇用主のために酸化銅整流器の効率的な製造プロセスを開発しました。ベルシステムはすぐに、システム全体の真空管整流器を、エンジニアが呼んだ新しいデバイスに置き換え始めました。バリスタ方向によって抵抗が異なるため。

金メダル

物理学者でベル研究所の真空管部門の元責任者であるマーヴィン・ケリーは、この開発に非常に興味を持ちました。数十年にわたり、真空管はベルに貴重なサービスを提供し、前世代の機械および電気機械コンポーネントでは不可能だった機能を実行できるようになりました。しかし、それらは熱くなり、定期的に過熱し、大量のエネルギーを消費し、維持するのが困難でした。ケリー氏は、密封、ガス充填、または空のケースや高温のフィラメントを必要としないバリスタなど、より信頼性が高く耐久性のあるソリッドステート電子部品を使用してベルのシステムを再構築することを意図していました。 1936 年に、彼はベル研究所の研究部門の責任者となり、組織を新しい方向に向け始めました。

ソリッドステート整流器を入手したら、次の明らかなステップはソリッドステート増幅器を作成することでした。当然、真空管アンプと同様に、このようなデバイスはデジタルスイッチとしても機能します。電話交換機には依然として膨大な数の電気機械式デジタル交換機が使用されていたため、これはベルの会社にとって特に興味深いことでした。同社は、電話システム、ラジオ、レーダー、その他のアナログ機器の真空管に代わる、より信頼性が高く、小型で、エネルギー効率が高く、低温の製品を探していました。真空管は、弱い信号を人間の耳に聞こえるレベルまで増幅するために使用されていました。

1936 年、ベル研究所は、XNUMX 年に課されていた採用凍結をついに解除しました。大恐慌。ケリーはすぐに、固体研究プログラムの立ち上げを支援してくれる量子力学の専門家を募集し始めました。ウィリアム・ショックレー、同じく西海岸出身でカリフォルニア州パロアルト出身。彼の最近の MIT 博士論文のテーマは、「塩化ナトリウム中の電子バンド」というケリーのニーズに完全に適合していました。

ブラッテンとベッカーはこの間、改良されたソリッドステートアンプを求めて酸化銅整流器の研究を続けました。これを作成する最も明白な方法は、真空管の類似性に従うことでした。リー・デ・フォレストが真空管アンプを手に取ったように、送電網を設置しましたブラッテンとベッカーは、カソードとアノードの間に、整流が起こるはずの銅と酸化銅の接合部にどのようにメッシュを挿入できるかを想像しました。しかし、層の厚さが薄いため、これを行うのは不可能であることがわかり、成功しませんでした。

一方、他の開発は、ベル研究所がソリッドステートエレクトロニクスに興味を持っている唯一の企業ではないことを示しました。 1938 年、ルドルフヒルシュとロバートポールは、ゲッティンゲン大学で、臭化カリウム結晶にグリッドを導入することによって作成された動作するソリッドステート増幅器に関して実施された実験の結果を発表しました。この実験用装置は、主に 1 Hz 以下の周波数で動作するため、実用的な価値はありませんでした。それでも、この成果はソリッドステートエレクトロニクスに興味のあるすべての人を喜ばせずにはいられませんでした。同年、ケリーはショックリーを新しい独立したソリッドステートデバイス研究グループに割り当て、彼と同僚のフォスター・ニックスとディーン・ウールリッジに、彼らの能力を探求するための完全な選択肢を与えた。

少なくとも他の 1922 人の発明者が第二次世界大戦前にソリッドステート増幅器を作成することに成功しました。 XNUMX年、ソ連の物理学者で発明家オレグ・ウラジミロヴィチ・ロセフジンカイト半導体の成功した実験の結果を発表しましたが、彼の研究は西側社会には注目されませんでした。 1926 年、アメリカの発明家ジュリアス・リレンフィールドはソリッドステート増幅器の特許を申請しましたが、彼の発明が機能したという証拠はありません。

ショックレー氏が彼の新しい立場について最初に大きな洞察を得たのは、イギリスの物理学者ネビル・モスの 1938 年の著作『結晶整流器の理論』を読んでいたときでした。この著作では、グロンダールの酸化銅整流器の動作原理が最終的に説明されました。モットは、量子力学の数学を使用して、導電性金属と半導体酸化物の接合における電場の形成と、ウィルソンが提案したようなトンネリングではなく、電子がこの電気障壁をどのように「ジャンプ」するかを説明しました。金属にはより多くの自由電子があるため、電流は金属から半導体へ、その逆よりも流れやすくなります。

これによりショックレー氏は、ブラッテン氏とベッカー氏が何年も前に検討して却下したのとまったく同じアイデア、つまり銅と酸化銅の間に酸化銅メッシュを挿入してソリッドステートアンプを作るというアイデアにたどり着きました。彼は、グリッドを流れる電流によって銅から酸化物への電流の流れを制限する障壁が増加し、グリッド上に信号の反転増幅バージョンが生成されることを期待していました。彼の最初の粗野な試みは完全に失敗したため、彼はより洗練された実験スキルと整流器に精通した人物、ウォルター・ブラッテンに頼りました。そして、ブラッテンは結果に何の疑問も持っていませんでしたが、ショックレーの好奇心を満たすことに同意し、より複雑なバージョンの「グリッド」アンプを作成しました。彼女は働くことも拒否した。

その後戦争が介入し、ケリーの新しい研究プログラムは混乱に陥った。ケリーは、MIT の米国主要レーダー研究センターの支援を受けて、ベル研究所のレーダー作業グループの責任者になりました。ブラッテンは短期間彼の下で働き、その後海軍の潜水艦の磁気探知の研究に移りました。ウールリッジは火器管制システムに取り組み、ニックスはマンハッタン計画のガス拡散に取り組み、ショックレーは運用研究に取り組み、最初は大西洋での対潜水艦戦、次に太平洋での戦略爆撃に取り組みました。

しかし、この介入にもかかわらず、戦争はソリッドステートエレクトロニクスの開発を止めませんでした。それどころか、この分野への大量のリソースの注入が計画され、ゲルマニウムとシリコンという 2 つの材料に研究が集中することになりました。

他に何を読むべきか

アーネスト・ブルーアンとスチュアート・マクドナルド、ミニチュア革命 (1978)

フリードリヒ・クリロとチャールズ・サスキンド、フェルディナンド・ブラウン (1981)

G. L. ピアソンおよび W. H. ブラッテン、「半導体研究の歴史」、IRE 論文集 (1955 年 XNUMX 月)。

マイケル・ライオーダンとリリアン・ホッデソン『クリスタル・ファイア』（1997年）

出所： habr.com

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