Artikel liyane ing seri:
- Sajarah relay
- Sejarah komputer elektronik
- Sajarah transistor
- riwayat internet
Dalan kanggo switch solid-state wis dawa lan angel. Diwiwiti kanthi panemuan manawa bahan tartamtu tumindak aneh ing ngarsane listrik - ora kaya sing diprediksi dening teori sing wis ana. Apa sing diterusake yaiku crita babagan teknologi dadi disiplin ilmu lan institusional ing abad kaping XNUMX. Amatir, wong anyar lan panemu profesional sing meh ora duwe pendhidhikan ilmiah nggawe kontribusi serius kanggo pangembangan telegraf, telephony lan radio. Nanging, kaya sing bakal kita deleng, meh kabeh kemajuan ing sejarah elektronik solid-state asale saka para ilmuwan sing sinau ing universitas (lan biasane duwe gelar PhD ing fisika) lan kerja ing universitas utawa laboratorium riset perusahaan.
Sapa wae sing duwe akses menyang bengkel lan katrampilan bahan dhasar bisa ngumpulake relay saka kabel, logam lan kayu. Nggawe tabung vakum mbutuhake alat sing luwih khusus sing bisa nggawe bohlam kaca lan ngompa hawa metu saka iku. Piranti solid-state ilang ing bolongan terwelu saka ngendi saklar digital ora nate bali, terjun luwih jero menyang jagad sing bisa dingerteni mung kanggo matematika abstrak lan mung bisa diakses kanthi bantuan peralatan sing larang banget.
Galena
Ing 1874 taun , fisikawan 24 taun saka St. Thomas ing Leipzig, nerbitake pisanan saka akeh karya ilmiah penting ing karir dawa. Makalah, "On Passage of Electric Currents through Metal Sulfides," ditampa ing Pogendorff's Annalen, jurnal bergengsi khusus kanggo ilmu fisika. Senadyan judhul mboseni, makalah Brown nerangake sawetara asil eksperimen sing nggumunake lan nggumunake.
Ferdinand Brown
Brown dadi kasengsem karo sulfida - kristal mineral sing kasusun saka senyawa belerang karo logam - liwat karyane. . Wiwit taun 1833, Michael Faraday nyathet yen konduktivitas sulfida salaka mundhak kanthi suhu, sing persis ngelawan prilaku konduktor logam. Hittorf nyusun laporan kuantitatif lengkap babagan pangukuran efek iki ing taun 1850-an, kanggo sulfida perak lan tembaga. Saiki Brown, nggunakake persiyapan eksperimen pinter sing dipencet kabel logam marang kristal sulfida karo spring kanggo mesthekake kontak apik, katutup soko malah liyo. Konduktivitas kristal gumantung ing arah - contone, arus bisa mili kanthi apik ing siji arah, nanging nalika polaritas baterei dibalik, arus bisa tiba-tiba mudhun banget. Kristal tumindak luwih kaya konduktor ing siji arah (kaya logam normal) lan luwih kaya insulator ing liyane (kaya kaca utawa karet). Properti iki dikenal minangka rectification amarga kemampuane kanggo mbenerake arus bolak-balik "crimped" dadi arus searah "flat".
Ing wektu sing padha, peneliti nemokake sifat aneh liyane saka bahan kayata selenium, sing bisa dilebur saka bijih sulfida logam tartamtu. Nalika kapapar cahya, selenium nambah konduktivitas lan malah wiwit ngasilake listrik, lan uga bisa digunakake kanggo rectification. Apa ana hubungane karo kristal sulfida? Tanpa model teoretis kanggo nerangake apa sing kedadeyan, lapangan ana ing kahanan bingung.
Nanging, kekurangan teori ora mandhegake upaya kanggo ngetrapake asil kasebut. Ing pungkasan taun 1890-an, Brown dadi profesor ing Universitas Strasbourg - bubar dicaplok saka Prancis nalika lan jenenge Universitas Kaiser Wilhelm. Ing kana dheweke disedot menyang jagad radiotelegrafi anyar sing nyenengake. Dheweke sarujuk karo proposal saka klompok pengusaha supaya bebarengan nggawe sistem komunikasi nirkabel adhedhasar transmisi gelombang radio liwat banyu. Nanging, dheweke lan accomplices enggal nilar gagasan asli ing sih saka signaling udhara, kang digunakake dening Marconi lan liyane.
Antarane aspek radio sing dikepengini klompok Brown kanggo nambah yaiku panrima standar, . Iku adhedhasar kasunyatan sing gelombang radio nyebabake filings logam kanggo clump bebarengan, saéngga saiki saka baterei kanggo pass menyang piranti signaling. Iku makarya, nanging sistem mung nanggapi kanggo sinyal relatif kuwat, lan mbutuhake pancet mencet piranti kanggo break munggah bongkahan saka sawdust. Brown ngelingi eksperimen lawas karo kristal sulfida, lan ing taun 1899 dheweke nggawe maneh persiyapan eksperimen lawas kanthi tujuan anyar - dadi detektor kanggo sinyal nirkabel. Dheweke nggunakake efek rectification kanggo ngowahi arus osilasi cilik sing diasilake kanthi ngliwati gelombang radio dadi arus langsung sing bisa menehi daya speaker cilik sing ngasilake klik sing bisa dirungokake kanggo saben titik utawa dash. Piranti iki banjur dikenal minangka ""amarga katon kawat, sing gampang kena ing ndhuwur kristal. Ing India Inggris (ing ngendi Bangladesh dumunung saiki), ilmuwan lan penemu Jagadish Bose mbangun piranti sing padha, bisa uga wiwit taun 1894. Liyane banjur wiwit nggawe detektor sing padha adhedhasar silikon lan carborundum (silikon karbida).
Nanging, iku , sulfida timbal, sing wis dilebur kanggo ngasilake timbal wiwit jaman kuna, wis dadi bahan pilihan kanggo detektor kristal. Padha gampang kanggo nggawe lan mirah, lan minangka asil padha dadi luar biasa populer ing antarane generasi awal amatir radio. Kajaba iku, ora kaya koheren binar (karo serbuk gergaji sing diklumpukake utawa ora), penyearah kristal bisa ngasilake sinyal sing terus-terusan. Mula, dheweke bisa ngasilake swara lan musik sing bisa dirungokake, lan ora mung kode Morse kanthi titik lan garis.
Detektor kumis kucing adhedhasar galena. Potongan kawat cilik ing sisih kiwa yaiku kumis, lan potongan saka bahan perak ing sisih ngisor yaiku kristal galena.
Nanging, amarga amatir radio frustasi ditemokake, bisa njupuk sawetara menit utawa malah jam kanggo nemokake titik sihir ing permukaan kristal sing bakal menehi rectification apik. Lan sinyal tanpa amplifikasi lemah lan swara metalik. Ing taun 1920-an, panrima tabung vakum kanthi amplifier triode wis meh nggawe detektor kristal ora bisa digunakake ing endi wae. Fitur mung sing menarik yaiku murah.
Penampilan singkat ing arena radio iki katon minangka watesan aplikasi praktis saka sifat listrik aneh saka materi sing ditemokake dening Brown lan liya-liyane.
Tembaga oksida
Banjur ing taun 1920-an, fisikawan liyane sing jenenge Lars Grondahl nemokake sing aneh karo persiyapan eksperimen. Grondahl, sing pisanan saka serangkaian wong sing pinter lan gelisah ing sajarah Amerika Kulon, yaiku putrane insinyur sipil. Bapake, sing emigrasi saka Norwegia ing 1880, makarya kanggo sawetara dekade ing ril sepur ing California, Oregon lan Washington. Ing kawitan, Grondahl ketoke ditemtokake kanggo ninggalake donya engineering rama konco, menyang Johns Hopkins kanggo gelar doktor ing fisika kanggo nguber path akademisi. Nanging banjur melu bisnis sepur lan njupuk posisi minangka direktur riset ing Union Switch and Signal, divisi saka raksasa industri. , sing nyedhiyakake peralatan kanggo industri sepur.
Macem-macem sumber nuduhake alasan sing bertentangan kanggo motivasi Grondahl kanggo riset, nanging sanajan bisa, dheweke wiwit nyoba cakram tembaga sing digawe panas ing sisih siji kanggo nggawe lapisan teroksidasi. Nalika nggarap wong-wong mau, dheweke ngeweruhi asimetri arus - resistance ing arah siji telu luwih gedhe tinimbang liyane. Cakram tembaga lan oksida tembaga mbenerake arus, kaya kristal sulfida.
Sirkuit Penyearah Tembaga Oksida
Grondahl ngenteni enem taun sabanjure ngembangake penyearah komersial sing siap digunakake adhedhasar fenomena iki, njaluk bantuan saka peneliti AS liyane, Paul Geiger, sadurunge ngirim aplikasi paten lan ngumumake panemune menyang American Physical Society ing taun 1926. Piranti kasebut langsung dadi hit komersial. Amarga ora ana filamen sing rapuh, luwih dipercaya tinimbang rectifier tabung vakum adhedhasar prinsip katup Fleming, lan luwih murah kanggo diproduksi. Boten kados kristal Brown rectifier, makarya ing nyoba pisanan, lan amarga area kontak luwih gedhe antarane logam lan oksida, iku bisa karo sawetara luwih saka saiki lan voltase. Bisa ngisi daya baterei, ndeteksi sinyal ing macem-macem sistem listrik, lan tumindak minangka shunt safety ing generator kuat. Nalika digunakake minangka photocell, cakram bisa tumindak minangka meter cahya, lan utamané migunani ing fotografi. Peneliti liyane ngembangake penyearah selenium ing wektu sing padha, sing nemokake aplikasi sing padha.
Paket rectifier adhedhasar oksida tembaga. Déwan saka sawetara disk nambah resistance mbalikke, kang digawe iku bisa kanggo nggunakake voltase dhuwur.
Sawetara taun sabanjure, loro fisikawan Bell Labs, Joseph Becker lan , mutusake kanggo nyinaoni prinsip kerja penyearah tembaga - padha kasengsem sinau babagan cara kerjane lan carane bisa digunakake ing Sistem Lonceng.
Brattain ing umur tuwa - kira-kira. 1950
Brattain saka wilayah sing padha karo Grondal, ing Pasifik Northwest, ing ngendi dheweke tuwuh ing peternakan sawetara kilometer saka tapel wates Kanada. Ing sekolah menengah, dheweke dadi kasengsem ing fisika, nuduhake bakat ing lapangan, lan pungkasane entuk gelar doktor saka Universitas Minnesota ing pungkasan taun 1920-an, lan kerja ing Bell Laboratories ing taun 1929. Antarane liyane, ing universitas sing dheweke sinau. fisika teoretis paling anyar, sing saya misuwur ing Eropa, lan dikenal minangka mekanika kuantum (kuratore yaiku , sing uga mentoring John Atanasoff).
revolusi kuantum
Platform teoretis anyar wis alon-alon dikembangake sajrone telung dekade kepungkur, lan ing wektu sing tepat bakal bisa nerangake kabeh fenomena aneh sing wis diamati pirang-pirang taun ing bahan kayata galena, selenium lan oksida tembaga. Sekelompok fisikawan sing umume enom, utamane saka Jerman lan negara tetangga, nyebabake revolusi kuantum ing fisika. Nang endi wae padha katon, padha ora ketemu donya Gamelan lan terus-terusan padha wis mulang, nanging aneh, lumps diskrèt.
Iku kabeh diwiwiti ing taun 1890-an. Max Planck, profesor misuwur ing Universitas Berlin, mutusake kanggo nggarap masalah sing durung ditanggulangi: kepiye ""(zat becik sing nyerep kabeh energi lan ora nggambarake) ngetokake radiasi ing spektrum elektromagnetik? Macem-macem model dicoba, ora ana sing cocog karo asil eksperimen - gagal ing salah siji ujung spektrum utawa liyane. Planck nemokake yen yen kita nganggep yen energi dipancarake dening awak ing "paket" cilik saka jumlah diskrit, mula kita bisa nulis hukum prasaja hubungan antarane frekuensi lan energi, sing cocog karo asil empiris.
Ora let suwe, Einstein nemokake manawa kedadeyan sing padha karo panyerepan cahya (petunjuk pisanan foton), lan J. J. Thomson nuduhake yen listrik uga digawa ora dening cairan utawa gelombang sing terus-terusan, nanging kanthi partikel diskrit - elektron. Niels Bohr banjur nyiptakake modhèl kanggo njlèntrèhaké cara atom bungah mancaraké radiasi kanthi menehi èlèktron ing orbit individu ing atom, saben duwé energi dhéwé. Nanging, jeneng iki mblusukake amarga padha ora nindakake babar pisan kaya orbit planet - ing model Bohr, elektron langsung mlumpat saka siji orbit, utawa tingkat energi, kanggo liyane, tanpa liwat negara penengah. Pungkasan, ing taun 1920-an, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Born lan liya-liyane nggawe platform matematika umum sing dikenal minangka mekanika kuantum, nggabungake kabeh model kuantum khusus sing wis digawe sajrone rong puluh taun kepungkur.
Ing wektu iki, para fisikawan wis yakin manawa bahan kayata selenium lan galena, sing nuduhake sifat fotovoltaik lan rectifying, kalebu kelas bahan sing kapisah, sing diarani semikonduktor. Klasifikasi kasebut suwe banget amarga sawetara alasan. Kaping pisanan, kategori "konduktor" lan "insulator" dhewe cukup jembar. T.N. "konduktor" mawarni-warni ing konduktivitas, lan padha (nganti ombone rodok kurang) bener kanggo insulators, lan iku ora ketok carane sembarang konduktor tartamtu bisa diklasifikasikaké menyang samubarang kelas iki. Kajaba iku, nganti pertengahan abad kaping-XNUMX, ora bisa dipikolehi utawa nggawe bahan sing murni banget, lan ana keanehan ing konduktivitas bahan alami bisa uga disebabake kontaminasi.
Fisikawan saiki duwe alat matematika mekanika kuantum lan kelas bahan anyar sing bisa ditrapake. ahli teori Inggris minangka sing pisanan nggabungake kabeh lan mbangun model semikonduktor umum lan cara kerjane ing taun 1931.
Ing wiwitan, Wilson nyatakake yen bahan konduktif beda karo dielektrik ing negara pita energi. Mekanika kuantum nyatakake yen elektron bisa ana ing sawetara tingkat energi sing ditemokake ing cangkang, utawa orbital, atom individu. Yen sampeyan remet atom-atom iki bebarengan ing struktur materi, iku bakal luwih bener kanggo mbayangno zona energi terus-terusan liwat iku. Ana spasi kosong ing konduktor ing pita energi dhuwur, lan medan listrik bisa kanthi bebas mindhah elektron ing kana. Ing insulator, zona diisi, lan cukup dawa kanggo tekan zona sing luwih dhuwur, nindakake zona, sing luwih gampang kanggo lelungan listrik.
Iki nuntun dheweke menyang kesimpulan yen impurities-atom asing ing struktur materi-kudu nyumbang kanggo sifat semikonduktor. Bisa uga nyedhiyakake elektron ekstra, sing gampang lolos menyang pita konduksi, utawa bolongan - kekurangan elektron relatif marang materi liyane - sing nggawe spasi energi kosong ing ngendi elektron bebas bisa mindhah. Opsi kapisan banjur diarani semikonduktor tipe n (utawa elektronik) amarga keluwihan muatan negatif, lan kaloro - tipe p utawa semikonduktor bolongan amarga keluwihan muatan positif.
Pungkasan, Wilson ngusulake manawa pembetulan saiki dening semikonduktor bisa diterangake kanthi istilah kuantum kuantum. , lompat tiba-tiba elektron ngliwati penghalang listrik tipis ing materi. Teori kasebut katon bisa dipercaya, nanging prédhiksi manawa ing rectifier saiki kudu mili saka oksida menyang tembaga, sanajan nyatane ana cara liya.
Dadi, sanajan kabeh terobosan Wilson, semikonduktor tetep angel diterangake. Minangka mboko sithik dadi cetha, owah-owahan mikroskopis ing struktur kristal lan konsentrasi impurities disproportionately mengaruhi prilaku electrical macroscopic. Nglirwakake kekurangan pangerten-amarga ora ana sing bisa nerangake pengamatan eksperimen sing ditindakake dening Brown 60 taun sadurunge-Bratteyn lan Becker ngembangake proses manufaktur sing efisien kanggo penyearah tembaga-oksida kanggo majikane. Sistem Lonceng kanthi cepet wiwit ngganti penyearah tabung vakum ing saindenging sistem kanthi piranti anyar sing diarani insinyur. , amarga resistance kasebut beda-beda gumantung saka arah.
medali emas
Mervyn Kelly, fisikawan lan mantan kepala departemen tabung vakum Bell Labs, dadi banget kasengsem ing pembangunan iki. Sajrone pirang-pirang dekade, tabung vakum nyedhiyakake layanan sing larang regane, lan bisa nindakake fungsi sing ora bisa ditindakake karo komponen mekanik lan elektromekanik generasi sadurunge. Nanging padha mlayu panas, ajeg overheated, migunakaken akèh energi, lan angel kanggo njaga. Kelly dimaksudake kanggo mbangun maneh sistem Bell kanthi komponen elektronik solid-state sing luwih dipercaya lan tahan lama, kayata varistor, sing ora mbutuhake kasus sing disegel, diisi gas utawa kosong utawa filamen panas. Ing taun 1936, dheweke dadi kepala departemen riset Bell Labs, lan wiwit ngarahake organisasi kasebut ing dalan anyar.
Sawise entuk rectifier solid-state, langkah sabanjure sing jelas yaiku nggawe amplifier solid-state. Mesthine, kaya amplifier tabung, piranti kasebut uga bisa digunakake minangka saklar digital. Iki minangka kapentingan khusus kanggo perusahaan Bell, amarga switch telpon isih nggunakake saklar digital elektromekanis sing akeh banget. Perusahaan iki nggoleki pengganti sing luwih dipercaya, luwih cilik, hemat energi lan luwih adhem kanggo tabung vakum ing sistem telpon, radio, radar lan peralatan analog liyane, sing digunakake kanggo nggedhekake sinyal sing ringkih nganti tingkat sing bisa dirungokake kuping manungsa.
Ing taun 1936, Bell Laboratories pungkasane ngangkat pembekuan hiring sing ditindakake . Kelly langsung miwiti merekrut ahli mekanika kuantum kanggo mbantu ngluncurake program riset solid-state, kalebu , liyane West Coast native, saka Palo Alto, California. Topik disertasi MIT sing paling anyar cocog karo kabutuhan Kelly: "Band Elektron ing Sodium Chloride."
Brattain lan Becker nerusake riset babagan penyearah oksida tembaga sajrone wektu iki, nggoleki penguat solid-state sing luwih apik. Cara sing paling jelas yaiku ngetutake analogi karo tabung vakum. Kaya Lee de Forest njupuk amp tabung lan antarane katoda lan anoda, lan Brattain lan Becker mbayangno carane bolong bisa dilebokake ing persimpangan saka tembaga lan tembaga oksida, ngendi rectification iki mestine kelakon. Nanging, amarga kekandelan lapisan sing cilik, dheweke ora bisa nindakake iki, lan ora sukses.
Kangge, pangembangan liyane nuduhake yen Bell Labs ora mung perusahaan sing kasengsem ing elektronik solid-state. Ing taun 1938, Rudolf Hilsch lan Robert Pohl nerbitake asil eksperimen sing ditindakake ing Universitas Göttingen babagan penguat solid-state sing digawe kanthi ngenalake kothak menyang kristal kalium bromida. Piranti laboratorium iki ora ana regane praktis, utamane amarga digunakake kanthi frekuensi ora luwih saka 1 Hz. Nanging, prestasi iki ora bisa nyenengake kabeh wong sing kasengsem ing elektronik solid-state. Ing taun sing padha, Kelly ditugasake Shockley menyang grup riset piranti solid-state anyar lan menehi dheweke lan kanca-kancane Foster Nix lan Dean Woolridge carte blanche kanggo njelajah kemampuane.
Paling ora ana rong penemu liyane sing bisa nggawe amplifier solid-state sadurunge Perang Donya II. Ing taun 1922, fisikawan Soviet lan panemu nerbitake asil eksperimen sing sukses karo semikonduktor zincite, nanging karyane ora digatekake dening masyarakat Kulon; Ing taun 1926, penemu Amerika Julius Lillenfield nglamar paten kanggo amplifier solid-state, nanging ora ana bukti yen panemuan kasebut bisa digunakake.
Wawasan utama pisanan Shockley ing posisi anyar nalika maca karya fisikawan Inggris Neville Moth taun 1938, The Theory of Crystalline Rectifiers, sing pungkasane nerangake prinsip operasi penyearah oksida tembaga Grondahl. Mott digunakake matématika saka mekanika kuantum kanggo njlèntrèhaké tatanan saka medan listrik ing prapatan saka logam nindakake lan oksida semikonduktor, lan carane elektron "mlumpat" liwat alangi electrical iki, tinimbang tunneling minangka Wilson ngajokaken. Arus mili luwih gampang saka logam menyang semikonduktor tinimbang kosok balene amarga logam kasebut nduweni elektron bebas luwih akeh.
Iki nyebabake Shockley duwe gagasan sing padha karo Brattain lan Becker sing dianggep lan ditolak taun sadurunge - nggawe amplifier solid-state kanthi nglebokake bolong oksida tembaga ing antarane tembaga lan oksida tembaga. Dheweke ngarep-arep yen arus sing mili liwat kothak bakal nambah alangan sing mbatesi aliran saiki saka tembaga menyang oksida, nggawe versi sinyal sing dikuwataké lan digedhèkaké ing kothak. Usaha mentah pisanane gagal rampung, mula dheweke dadi wong sing duwe katrampilan laboratorium sing luwih apik lan akrab karo penyearah: Walter Brattain. Lan, sanajan dheweke ora mangu-mangu babagan asil kasebut, Brattain setuju kanggo nyukupi rasa penasaran Shockley, lan nggawe versi amplifier "grid" sing luwih rumit. Dheweke uga ora gelem kerja.
Banjur perang campur tangan, ninggalaké program riset Kelly sing anyar. Kelly dadi kepala kelompok kerja radar ing Bell Labs, didhukung dening pusat riset radar utama AS ing MIT. Brattain makarya kanggo dheweke sedhela, lan banjur pindhah menyang riset ing deteksi Magnetik kapal selam kanggo angkatan laut. Woolridge makarya ing sistem kontrol geni, Nix makarya ing difusi gas kanggo Manhattan Project, lan Shockley tindak menyang riset operasional, pisanan nggarap perang anti-kapal selam ing Atlantik lan banjur ing pamboman strategis ing Pasifik.
Nanging senadyan intervensi iki, perang ora mungkasi pangembangan elektronik solid-state. Kosok baline, iki ngatur infus sumber daya sing akeh banget menyang lapangan, lan nyebabake konsentrasi riset ing rong bahan: germanium lan silikon.
Apa maneh kanggo maca
Ernest Bruan lan Stuart MacDonald, Revolusi ing Miniatur (1978)
Friedrich Kurylo lan Charles Susskind, Ferdinand Braun (1981)
G. L. Pearson lan W. H. Brattain, "History of Semiconductor Research," Prosiding IRE (Desember 1955).
Michael Riordan lan Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
Source: www.habr.com