🥇트랜지스터의 역사, 2부: 전쟁의 도가니에서

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전쟁의 도가니는 트랜지스터 출현의 무대를 마련했습니다. 1939년부터 1945년까지 반도체 분야의 기술 지식이 엄청나게 확장되었습니다. 여기에는 한 가지 간단한 이유가 있었습니다. 바로 레이더였습니다. 가장 중요한 전쟁 기술로는 공습 감지, 잠수함 수색, 야간 공습 목표물 지정, 대공 방어 시스템 및 해군 총 타겟팅 등이 있습니다. 엔지니어들은 작은 레이더를 포탄에 끼워서 표적 근처로 날아갈 때 폭발하도록 하는 방법도 배웠습니다. 라디오 퓨즈. 그러나 이 강력하고 새로운 군사 기술의 원천은 좀 더 평화로운 분야, 즉 과학적 목적을 위한 상층 대기 연구에 있었습니다.

레이다

1901년에 Marconi Wireless Telegraph Company는 콘월에서 뉴펀들랜드까지 대서양을 건너 무선 메시지를 성공적으로 전송했습니다. 이 사실은 현대 과학을 혼란에 빠뜨렸습니다. 무선 전송이 직선으로 이동하는 경우(원하는 대로) 그러한 전송은 불가능합니다. 영국과 캐나다 사이에는 지구를 가로지르지 않는 직접적인 시선이 없기 때문에 마르코니의 메시지는 우주로 날아가야 했습니다. 미국 엔지니어 Arthur Kennealy와 영국 물리학자 Oliver Heaviside는 동시에 독립적으로 이 현상에 대한 설명이 전파를 지구로 다시 반사할 수 있는 상층 대기에 위치한 이온화된 가스층과 연관되어야 한다고 제안했습니다(Marconi 자신은 전파가 전파를 지구 표면의 곡률을 따르지만 물리학자들은 이를 지원하지 않았습니다.)

1920년대에 과학자들은 전리층의 존재를 먼저 증명하고 그 구조를 연구할 수 있는 새로운 장비를 개발했습니다. 그들은 단파 라디오 펄스를 생성하기 위해 진공관을 사용했고, 이를 대기권으로 보내고 반향을 기록하기 위해 지향성 안테나를 사용했습니다. 전자빔 장치 결과를 보여주기 위해. 에코 반환 지연이 길어질수록 전리층은 더 멀어져야 합니다. 이 기술을 대기 측심이라고 하며 레이더 개발을 위한 기본 기술 인프라를 제공했습니다(RAdioDetection And Ranging의 "레이더"라는 용어는 1940년대까지 미 해군에 나타나지 않았습니다).

올바른 지식, 자원 및 동기를 가진 사람들이 그러한 장비의 지상 응용 가능성을 깨닫는 것은 시간 문제였습니다(따라서 레이더의 역사는 처음 지상에서 사용하도록 의도된 망원경의 역사와 반대입니다). . 그리고 라디오가 행성 전체에 점점 더 많이 퍼지고 더 많은 사람들이 인근 선박, 비행기 및 기타 대형 물체에서 오는 간섭을 발견함에 따라 그러한 통찰력의 가능성이 높아졌습니다. XNUMX차로 전파되는 상층대기 측량 기술에 대한 지식 국제 극지의 해 (1932-1933), 과학자들이 여러 북극 관측소에서 전리층 지도를 작성했을 때입니다. 얼마 지나지 않아 영국, 미국, 독일, 이탈리아, 소련 및 기타 국가의 팀이 가장 간단한 레이더 시스템을 개발했습니다.

로버트 왓슨-와트 1935년 레이더로

그런 다음 전쟁이 발생했고 국가에 대한 레이더의 중요성과 이를 개발하기 위한 자원이 극적으로 증가했습니다. 미국에서는 1940년 MIT에서 설립된 새로운 조직을 중심으로 이러한 자원이 모였습니다. 라드랩 (외국 스파이를 오도하고 실험실에서 방사능이 연구되고 있다는 인상을주기 위해 특별히 명명되었습니다. 당시에는 원자 폭탄을 믿는 사람이 거의 없었습니다). 맨해튼 프로젝트만큼 유명해지지는 않았지만 Rad Lab 프로젝트는 미국 전역에서 동등하게 뛰어나고 재능 있는 물리학자들을 모집했습니다. 실험실의 첫 번째 직원 중 XNUMX명(포함) 루이스 알바레즈 и 이시도르 아이작 라비) 이후 노벨상을 받았습니다. 전쟁이 끝날 무렵 약 500명의 과학박사, 과학자, 엔지니어가 실험실에서 일했고 총 4000명이 일했습니다. 전체 ENIAC 예산과 맞먹는 XNUMX만 달러가 방사선 실험실 시리즈에만 지출되었습니다. 방사선 실험실 시리즈는 전쟁 중 실험실에서 얻은 모든 지식을 담은 XNUMX권의 기록입니다(레이더 기술에 대한 미국 정부의 지출은 제한되지 않았습니다). Rad Lab 예산에 적용되었으며 전쟁 중에 정부는 XNUMX억 달러 상당의 레이더를 구입했습니다.

Rad Lab이 위치한 MIT 빌딩 20

Rad Lab의 주요 연구 분야 중 하나는 고주파 레이더였습니다. 초기 레이더는 미터 단위로 측정된 파장을 사용했습니다. 그러나 센티미터 단위로 측정되는 파장(마이크로파)을 갖는 고주파 빔은 더 작은 안테나를 허용하고 장거리에서 산란이 적어 범위와 정확도에서 더 큰 이점을 약속합니다. 마이크로파 레이더는 비행기 기수에 장착되어 잠수함 잠망경 크기의 물체를 탐지할 수 있습니다.

이 문제를 최초로 해결한 사람은 버밍엄 대학의 영국 물리학자 팀이었습니다. 1940년에 그들은 "공진 마그네트론"는 전자기 "휘파람"처럼 작동하여 임의의 전기 펄스를 강력하고 정밀하게 조정된 마이크로파 빔으로 바꿉니다. 이 마이크로파 송신기는 가장 가까운 경쟁사보다 XNUMX배 더 강력했습니다. 이는 실용적인 고주파 레이더 송신기의 길을 열었습니다. 하지만 그에게는 고주파를 감지할 수 있는 수신기, 즉 동반자가 필요했습니다. 그리고 이 시점에서 우리는 반도체의 역사로 돌아갑니다.

마그네트론 단면

고양이 수염의 재림

진공관은 마이크로파 레이더 신호를 수신하는 데 전혀 적합하지 않은 것으로 나타났습니다. 뜨거운 음극과 차가운 양극 사이의 간격으로 인해 정전 용량이 생성되어 회로가 고주파수에서 작동하지 않게 됩니다. 고주파 레이더에 사용할 수 있는 최고의 기술은 구식 "고양이 수염"-반도체 결정에 눌려진 작은 와이어 조각. 몇몇 사람들이 이 사실을 독립적으로 발견했지만, 우리 이야기에 가장 가까운 것은 뉴저지에서 일어난 일입니다.

1938년 벨 연구소는 공진 이전 마그네트론 시대의 기존 레이더보다 훨씬 짧고 주파수가 높은 40cm 범위의 사격 통제 레이더를 개발하기 위해 해군과 계약을 맺었습니다. 주요 연구 작업은 Staten Island 남쪽의 Holmdel에 있는 실험실로 옮겨졌습니다. 연구자들이 고주파수 수신기에 필요한 것이 무엇인지 알아내는 데는 오랜 시간이 걸리지 않았고, 곧 엔지니어인 George Southworth는 오래된 고양이 수염 탐지기를 찾기 위해 맨해튼에 있는 라디오 매장을 뒤지고 있었습니다. 예상대로 램프 감지기보다 훨씬 잘 작동했지만 불안정했습니다. 그래서 Southworth는 Russell Ohl이라는 전기화학자를 찾아 단일점 결정 검출기의 반응 균일성을 개선해 달라고 요청했습니다.

올은 기술의 발전을 자신의 운명으로 여기고, 미래에 대한 비전을 담은 주기적인 통찰을 이야기하는 다소 특이한 사람이었습니다. 예를 들어, 그는 1939년에 실리콘 증폭기의 미래 발명에 대해 알고 있었지만 그 운명은 다른 사람이 그것을 발명할 운명이었다고 말했습니다. 수십 가지 옵션을 연구한 후 그는 Southworth 수신기에 가장 적합한 물질로 실리콘을 선택했습니다. 문제는 물질의 전기적 특성을 제어하기 위해 물질의 함량을 제어할 수 있는 능력이었습니다. 당시 산업용 실리콘 잉곳은 널리 퍼져 제철소에서 사용되었지만 그러한 생산에서는 실리콘의 인 함량이 1%라는 사실에 아무도 신경 쓰지 않았습니다. 두 명의 야금학자의 도움을 받아 Ol은 이전에 가능했던 것보다 훨씬 깨끗한 블랭크를 얻기 시작했습니다.

그들은 연구를 진행하면서 일부 수정이 한 방향으로 전류를 정류하고 다른 수정은 다른 방향으로 전류를 수정한다는 사실을 발견했습니다. 그들은 이를 "n형"과 "p형"이라고 불렀습니다. 추가 분석에 따르면 다양한 유형의 불순물이 이러한 유형을 담당하는 것으로 나타났습니다. 실리콘은 주기율표의 네 번째 열에 속하며, 이는 실리콘의 외부 껍질에 XNUMX개의 전자가 있음을 의미합니다. 순수한 실리콘 공백에서는 이들 전자 각각이 이웃 전자와 결합합니다. 전자가 하나 적은 붕소와 같은 세 번째 열의 불순물은 결정 내 전류 이동을 위한 추가 공간인 "구멍"을 생성했습니다. 그 결과 p형 반도체(과도한 양전하 포함)가 탄생했습니다. 인과 같은 다섯 번째 열의 원소는 전류를 운반하기 위해 추가 자유 전자를 제공하여 n형 반도체를 얻었습니다.

실리콘의 결정구조

이 모든 연구는 매우 흥미로웠지만 1940년까지 Southworth와 Ohl은 고주파 레이더의 작동 가능한 프로토타입을 만드는 데 더 가까워졌습니다. 동시에 영국 정부는 이미 마그네트론 송신기와 함께 작동하는 즉시 생산 가능한 마이크로파 탐지기를 제작한 루프트바페의 다가오는 위협으로 인해 즉각적인 실제 결과를 요구했습니다.

그러나 기술 발전의 균형은 곧 대서양 서쪽으로 기울게 될 것입니다. 처칠은 실제로 전쟁에 참여하기 전에 영국의 모든 기술 비밀을 미국인들에게 공개하기로 결정했습니다(그는 어쨌든 이런 일이 일어날 것이라고 생각했기 때문입니다). 그는 정보 유출의 위험을 감수할 가치가 있다고 믿었습니다. 그러면 미국의 모든 산업 능력이 원자 무기와 레이더와 같은 문제를 해결하는 데 투입될 것이기 때문입니다. 영국 과학 기술 사절단(영국 과학 기술 사절단(British Science and Technology Mission)으로 더 잘 알려져 있음) 티자드의 임무) 1940년 XNUMX월 워싱턴에 도착하여 기술적 기적의 형태로 선물을 가방에 가져왔습니다.

공명 마그네트론의 놀라운 성능의 발견과 그 신호를 수신하는 영국 크리스털 탐지기의 효율성은 고주파 레이더의 기초인 반도체에 대한 미국의 연구에 활력을 불어넣었습니다. 특히 재료과학 분야에서 해야 할 일이 많았습니다. 수요를 충족시키기 위해 반도체 결정은 “이전보다 훨씬 더 많은 수백만 개를 생산해야 했습니다. 정류를 개선하고, 충격 민감도와 번인(burn-in)을 줄이고, 다양한 크리스탈 배치 간의 변동을 최소화하는 것이 필요했습니다.”

실리콘 포인트 접점 정류기

Rad Lab은 반도체 결정의 특성과 이를 수정하여 귀중한 수신기 특성을 극대화할 수 있는 방법을 연구하기 위해 새로운 연구 부서를 개설했습니다. 가장 유망한 재료는 실리콘과 게르마늄이었기 때문에 Rad Lab은 안전하게 사용하기로 결정하고 펜실베이니아 대학의 실리콘과 퍼듀 대학의 게르마늄을 모두 연구하는 병행 프로그램을 시작했습니다. Bell, Westinghouse, Du Pont 및 Sylvania와 같은 업계 거대 기업은 자체 반도체 연구 프로그램을 시작하고 크리스탈 검출기를 위한 새로운 제조 시설을 개발하기 시작했습니다.

공동 노력을 통해 실리콘과 게르마늄 결정의 순도는 초기 99%에서 99,999%, 즉 원자 100만 개당 불순물 입자 000개로 높아졌습니다. 그 과정에서 과학자와 엔지니어들은 게르마늄과 실리콘의 추상적인 특성에 대해 자세히 알게 되었고 이를 제어하기 위한 기술(예: 용융, 결정 성장, 필요한 불순물(예: 전도성을 높이는 붕소) 추가)을 적용했습니다.

그리고 전쟁은 끝났습니다. 레이더에 대한 수요는 사라졌지만, 전쟁 중에 얻은 지식과 기술은 남아 있었고, 솔리드 스테이트 앰프에 대한 꿈은 잊혀지지 않았습니다. 이제 경주는 그러한 증폭기를 만드는 것이 었습니다. 그리고 적어도 세 팀이 이 상을 받을 수 있는 좋은 위치에 있었습니다.

웨스트 라파예트

첫 번째는 오스트리아 태생의 물리학자인 Carl Lark-Horowitz가 이끄는 퍼듀 대학의 그룹이었습니다. 그는 자신의 재능과 영향력을 통해 혼자서 대학의 물리학과를 무명에서 이끌어냈고 게르마늄 연구를 자신의 연구실에 맡기기로 한 Rad Lab의 결정에 영향을 미쳤습니다.

1947년 칼 라크-호로비츠(가운데, 파이프를 들고 있는 모습)

1940년대 초까지 실리콘은 레이더 정류기에 가장 적합한 재료로 간주되었지만 주기율표에서 실리콘 바로 아래에 있는 재료도 추가 연구할 가치가 있는 것으로 보였습니다. 게르마늄은 녹는점이 낮아서 작업하기가 더 쉽다는 실용적인 장점이 있었습니다. 즉, 실리콘의 경우(강철과 거의 동일함) 940도에 비해 약 1400도였습니다. 녹는점이 높기 때문에 용융된 실리콘에 새어 들어가 오염되지 않는 블랭크를 만드는 것이 극히 어려웠습니다.

따라서 Lark-Horowitz와 그의 동료들은 전쟁 내내 게르마늄의 화학적, 전기적, 물리적 특성을 연구했습니다. 가장 중요한 장애물은 "역전압"이었습니다. 게르마늄 정류기는 매우 낮은 전압에서 전류 정류를 중단하고 전류가 반대 방향으로 흐르도록 허용했습니다. 역전류 펄스는 레이더의 나머지 구성 요소를 태웠습니다. Lark-Horowitz의 대학원생 중 한 명인 Seymour Benzer는 이 문제를 XNUMX년 넘게 연구한 끝에 마침내 최대 수백 볼트의 전압에서 역펄스를 멈추는 주석 기반 첨가제를 개발했습니다. 그 직후 Bell Labs의 제조 부문인 Western Electric은 군용으로 Benzer 정류기를 출시하기 시작했습니다.

퍼듀에서의 게르마늄 연구는 전쟁 후에도 계속되었습니다. 1947년 XNUMX월, 이미 교수였던 Benzer는 특이한 이상 현상을 보고했습니다. 일부 실험에서 게르마늄 결정에 고주파 진동이 나타났습니다. 그리고 그의 동료인 Ralph Bray는 전쟁 중에 시작된 프로젝트에서 "체적 저항"을 계속 연구했습니다. 볼륨 저항은 정류기 접점의 게르마늄 결정에 전기가 흐르는 방식을 나타냅니다. Bray는 고전압 펄스가 이러한 전류에 대한 n형 게르마늄의 저항을 크게 감소시킨다는 사실을 발견했습니다. 그것을 모르고 그는 소위를 목격했습니다. "소수" 전하 캐리어. n형 반도체에서는 과도한 음전하가 다수의 전하 운반체 역할을 하지만 양의 "정공"도 전류를 전달할 수 있으며, 이 경우 고전압 펄스가 게르마늄 구조에 정공을 생성하여 소수 전하 운반자가 나타나게 합니다. .

Bray와 Benzer는 그것을 깨닫지도 못한 채 게르마늄 앰프에 감질나게 가까이 다가갔습니다. Benzer는 1948년 XNUMX월 회의에서 벨 연구소의 과학자인 Walter Brattain을 만나 체적 항력에 대해 논의했습니다. 그는 Brattain이 전류를 전도할 수 있는 첫 번째 접점 옆에 또 다른 접점을 배치하면 표면 아래에서 무슨 일이 일어나고 있는지 이해할 수 있을 것이라고 제안했습니다. 브래튼은 조용히 이 제안에 동의하고 떠났습니다. 앞으로 살펴보겠지만 그는 그러한 실험이 무엇을 밝혀낼 수 있는지 너무나 잘 알고 있었습니다.

오니수부아

퍼듀그룹은 트랜지스터로 도약할 수 있는 기술과 이론적 기반을 모두 갖고 있었다. 그러나 그들은 우연히 그것을 우연히 발견했을 뿐입니다. 그들은 새로운 유형의 장치를 찾는 것이 아니라 재료의 물리적 특성에 관심이 있었습니다. Aunes-sous-Bois(프랑스)에서는 매우 다른 상황이 발생했습니다. 독일 출신의 전직 레이더 연구원인 Heinrich Welker와 Herbert Mathare가 산업용 반도체 장치를 만드는 것이 목표인 팀을 이끌었습니다.

Welker는 유명한 이론가인 Arnold Sommerfeld가 운영하는 뮌헨 대학에서 처음으로 물리학을 공부하고 가르쳤습니다. 1940년부터 그는 순전히 이론적인 길을 떠나 독일 공군의 레이더 연구를 시작했습니다. Mathare(벨기에 출신)는 Aachen에서 자랐으며 그곳에서 물리학을 공부했습니다. 그는 1939년 독일의 거대 라디오 방송인 텔레풍켄(Telefunken)의 연구 부서에 합류했습니다. 전쟁 중에 그는 연합군의 공습을 피하기 위해 동쪽 베를린에서 슐레지엔 수도원으로 작업을 옮겼고, 그 후 진격하는 붉은 군대를 피하기 위해 서쪽으로 돌아와 결국 미군의 손에 넘어갔습니다.

반히틀러 연합의 라이벌과 마찬가지로 독일도 1940년대 초에 수정 탐지기가 레이더의 이상적인 수신기이며 실리콘과 게르마늄이 가장 유망한 재료라는 사실을 알고 있었습니다. Mathare와 Welker는 전쟁 중에 정류기에서 이러한 재료의 효율적인 사용을 개선하기 위해 노력했습니다. 전쟁이 끝난 후 두 사람 모두 군사 활동과 관련하여 정기적인 심문을 받았고, 결국 1946년 프랑스 정보 장교로부터 파리로 초청을 받았습니다.

Westinghouse의 프랑스 사업부인 Compagnie des Freins & Signaux("브레이크 및 신호 회사")는 프랑스 전화국으로부터 솔리드 스테이트 정류기를 만드는 계약을 받고 독일 과학자들에게 도움을 요청했습니다. 최근 적들의 이러한 동맹은 이상하게 보일 수 있지만 이러한 합의는 양측 모두에게 상당히 유리한 것으로 나타났습니다. 1940년 패전한 프랑스는 반도체 분야에 대한 지식을 얻을 능력이 없었고, 독일의 기술이 절실히 필요했다. 독일인들은 점령되고 전쟁으로 피폐해진 국가에서 어떤 첨단 기술 분야에서도 개발을 수행할 수 없었기 때문에 계속해서 일할 수 있는 기회에 뛰어들었습니다.

Welker와 Mathare는 파리 교외 Aunes-sous-Bois의 1947층 건물에 본사를 세웠고, 기술자 팀의 도움으로 XNUMX년 말까지 게르마늄 정류기를 성공적으로 출시했습니다. 상: Welker는 초전도체에 대한 관심으로 돌아갔고 Mathare는 증폭기에 관심을 가졌습니다.

1950년의 허버트 마타레

전쟁 중에 Mathare는 회로 잡음을 줄이기 위해 1점 접촉 정류기("듀오오드")를 실험했습니다. 그는 실험을 재개했고 곧 첫 번째 고양이의 100억분의 1948미터에 위치한 두 번째 고양이의 수염이 때때로 첫 번째 수염을 통해 흐르는 전류를 조절할 수 있다는 것을 발견했습니다. 비록 쓸모는 없지만 그는 솔리드 스테이트 앰프를 만들었습니다. 보다 안정적인 성능을 얻기 위해 그는 전쟁 중에 게르마늄 결정 작업에 대한 광범위한 경험을 쌓은 Welker에게 의지했습니다. Welker의 팀은 게르마늄 결정의 더 크고 순수한 샘플을 성장시켰으며 재료의 품질이 향상됨에 따라 Mathare 점접촉 증폭기는 XNUMX년 XNUMX월에 신뢰성을 갖게 되었습니다.

게르마늄과 두 개의 접촉점이 있는 마타레 회로를 기반으로 한 "트랜지스트론"의 X선 이미지

Mathare는 무슨 일이 일어나고 있는지에 대한 이론적 모델까지 가지고 있었습니다. 그는 두 번째 접촉이 게르마늄에 구멍을 만들어 첫 번째 접촉을 통해 전류 흐름을 가속화하고 소수 전하 캐리어를 공급한다고 믿었습니다. Welker는 그의 의견에 동의하지 않았으며 무슨 일이 일어나고 있는지는 일종의 전계 효과에 달려 있다고 믿었습니다. 그러나 장치나 이론을 연구하기 전에 미국인 그룹이 XNUMX개월 전에 정확히 동일한 개념, 즉 XNUMX점 접점이 있는 게르마늄 증폭기를 개발했다는 사실을 알게 되었습니다.

머레이 힐

전쟁이 끝나자 Mervyn Kelly는 Bill Shockley가 이끄는 Bell Labs의 반도체 연구 그룹을 개혁했습니다. 프로젝트는 성장하고 더 많은 자금을 지원받으며 맨해튼에 있는 원래 연구실 건물에서 뉴저지 머레이 힐에 있는 확장 캠퍼스로 이전했습니다.

머레이 힐 캠퍼스, ca. 1960년

(전쟁 중 운영 연구를 마친 후) 고급 반도체에 대해 다시 알아보기 위해 Shockley는 1945년 봄에 Russell Ohl의 Holmdel 연구소를 방문했습니다. Ohl은 전쟁 기간 동안 실리콘을 연구하면서 시간을 낭비하지 않았습니다. 그는 쇼클리에게 자신이 직접 제작한 투박한 증폭기를 보여 주었는데, 그는 이를 "디시스터"라고 불렀습니다. 그는 실리콘 점접촉 정류기를 사용하여 배터리에서 전류를 보냈습니다. 분명히 배터리의 열은 접점 전체의 저항을 감소시키고 정류기를 스피커에 전원을 공급할 수 있을 만큼 강력한 회로에 들어오는 무선 신호를 전송할 수 있는 증폭기로 전환시켰습니다.

그 효과는 조잡하고 신뢰할 수 없으며 상업화에 적합하지 않았습니다. 그러나 반도체 증폭기를 만드는 것이 가능하며, 이것이 고체 전자 분야 연구에서 우선순위가 되어야 한다는 Shockley의 의견을 확인하는 데 충분했습니다. Shockley가 실리콘과 게르마늄을 먼저 연구해야 한다고 확신한 것도 Ola 팀과의 만남이었습니다. 그것들은 매력적인 전기적 특성을 보여주었으며, Ohl의 동료 야금학자인 Jack Skaff와 Henry Theurer는 전쟁 중에 이러한 결정을 성장, 정제 및 도핑하는 데 놀라운 성공을 거두었으며, 이는 다른 반도체 재료에 사용할 수 있는 모든 기술을 능가합니다. Shockley의 그룹은 전쟁 전 구리 산화물 증폭기에 더 이상 시간을 낭비하지 않을 것입니다.

Kelly의 도움으로 Shockley는 새로운 팀을 구성하기 시작했습니다. 주요 참가자로는 1940년에 Shockley의 고체 증폭기에 대한 첫 시도를 도와준 Walter Brattain과 젊은 물리학자이자 Bell Labs의 새로운 직원인 John Bardeen이 있었습니다. Bardeen은 아마도 팀 구성원 중 고체 물리학에 대한 가장 광범위한 지식을 가지고 있었을 것입니다. 그의 논문은 나트륨 금속 구조에서 전자의 에너지 수준을 설명했습니다. 그는 또한 Atanasov 및 Brattain과 같은 John Hasbrouck Van Vleck의 또 다른 제자였습니다.

그리고 Atanasov와 마찬가지로 Bardeen과 Shockley의 논문에는 매우 복잡한 계산이 필요했습니다. 그들은 먼로의 데스크탑 계산기를 사용하여 물질의 에너지 구조를 계산하기 위해 Alan Wilson이 정의한 반도체의 양자 역학 이론을 사용해야 했습니다. 실제로 그들은 트랜지스터를 만드는 데 도움을 줌으로써 그러한 작업에서 미래의 대학원생을 구하는 데 기여했습니다.

고체 증폭기에 대한 Shockley의 첫 번째 접근 방식은 나중에 "전계 효과". 그는 n형 반도체(과도한 음전하를 띤) 위에 금속판을 매달았습니다. 판에 양전하를 가하면 과잉 전자가 결정 표면으로 끌어당겨 전류가 쉽게 흐를 수 있는 음전하 강이 생성됩니다. 이러한 방식으로 증폭된 신호(웨이퍼의 전하 수준으로 표시)는 주 회로(반도체 표면을 따라 전달)를 변조할 수 있습니다. 이 계획의 효율성은 물리학에 대한 그의 이론적 지식에 의해 그에게 제안되었습니다. 그러나 수많은 실험과 실험에도 불구하고 그 계획은 결코 성공하지 못했습니다.

1946년 XNUMX월까지 Bardeen은 그 이유를 설명하는 잘 발달된 이론을 만들었습니다. 즉, 양자 수준에서 반도체 표면은 내부와 다르게 행동한다는 것입니다. 표면으로 끌려간 음전하는 "표면 상태"에 갇히게 되어 전기장이 판을 재료로 침투하는 것을 차단합니다. 나머지 팀은 이 분석이 설득력이 있다고 판단하고 다음 세 가지 경로에 따라 새로운 연구 프로그램을 시작했습니다.

표면 상태의 존재를 증명하십시오.
그들의 속성을 연구하십시오.
그들을 물리치고 성공하게 만드는 방법을 찾아보세요. 전계 효과 트랜지스터.

17년 반 동안의 연구와 실험 끝에 1947년 XNUMX월 XNUMX일 브래튼은 획기적인 발전을 이루었습니다. 그는 웨이퍼와 반도체 사이에 물과 같은 이온으로 채워진 액체를 놓으면 웨이퍼의 전기장이 이온을 반도체 쪽으로 밀어내어 표면 상태에 갇힌 전하를 중성화한다는 사실을 발견했습니다. 이제 그는 웨이퍼의 전하를 변화시켜 실리콘 조각의 전기적 동작을 제어할 수 있게 되었습니다. 이 성공으로 Bardeen은 증폭기 제작에 대한 새로운 접근 방식에 대한 아이디어를 얻었습니다. 즉, 정류기의 접촉점을 전해질 물로 둘러싼 다음 물 속의 두 번째 와이어를 사용하여 표면 상태를 제어하고 이를 통해 메인 앰프의 전도성 수준을 제어하는 것입니다. 연락하다. 그래서 Bardeen과 Brattain은 결승선에 도달했습니다.

Bardeen의 아이디어는 효과가 있었지만 증폭이 약하고 사람의 귀에 닿을 수 없는 매우 낮은 주파수에서 작동했기 때문에 전화나 라디오 증폭기로는 쓸모가 없었습니다. Bardeen은 표면에 전하가 더 적게 모일 것이라고 믿고 Purdue에서 생산된 역전압 저항성 게르마늄으로 전환할 것을 제안했습니다. 갑자기 그들은 강력한 증가를 얻었지만 예상했던 것과는 반대 방향이었습니다. 그들은 소수 캐리어 효과를 발견했습니다. 즉, 예상된 전자 대신 게르마늄을 통해 흐르는 전류가 전해질에서 나오는 정공에 의해 증폭되었습니다. 전해질 내 와이어의 전류는 n형 게르마늄 표면에 p형 층(과도한 양전하 영역)을 생성했습니다.

후속 실험에서는 전해질이 전혀 필요하지 않은 것으로 나타났습니다. 게르마늄 표면에 두 개의 접점을 가까이 배치하기만 하면 그 중 하나의 전류를 다른 쪽의 전류로 조절할 수 있었습니다. 가능한 한 가깝게 만들기 위해 Brattain은 삼각형 플라스틱 조각 주위에 금박 조각을 감은 다음 호일 끝 부분을 조심스럽게 자릅니다. 그런 다음 그는 스프링을 사용하여 삼각형을 게르마늄에 대고 눌렀으며 그 결과 컷의 두 가장자리가 0,05mm 거리에서 표면에 닿았습니다. 이는 Bell Labs의 트랜지스터 프로토타입에 독특한 외관을 부여했습니다.

Brattain 및 Bardeen 트랜지스터 프로토타입

Mathare와 Welker의 장치와 마찬가지로 이 장치는 원칙적으로 하나가 아닌 두 개의 접촉 지점만 있는 고전적인 "고양이 수염"이었습니다. 16월 1000일에는 전력과 전압이 크게 증가했고 가청 범위에서 주파수가 100Hz에 이르렀습니다. 일주일 후, 약간의 개선을 거친 후 Bardeen과 Brattain은 전압을 40배, 전력을 XNUMX배 증가시켰고 Bell의 이사들에게 그들의 장치가 들을 수 있는 음성을 생성할 수 있음을 시연했습니다. 솔리드 스테이트 개발팀의 또 다른 멤버인 John Pierce는 Bell의 산화 구리 정류기인 배리스터의 이름을 따서 "트랜지스터"라는 용어를 만들었습니다.

그 후 30개월 동안 연구소는 새로운 창조물을 비밀로 유지했습니다. 경영진은 다른 사람이 트랜지스터를 손에 넣기 전에 먼저 트랜지스터 상용화를 시작하기를 원했습니다. 1948년 XNUMX월 XNUMX일 기자 회견이 예정되어 있었는데, 이때 벨커와 마타레의 불멸의 꿈이 산산조각이 났습니다. 그 사이 반도체 연구그룹은 조용히 무너졌다. Bardeen과 Brattain의 업적에 대해 듣고 그들의 상사인 Bill Shockley는 자신의 공로를 모두 인정받기 위해 노력하기 시작했습니다. 쇼클리는 관찰자 역할만 수행했지만 공개 프레젠테이션에서 동등하거나 더 많은 홍보를 받았습니다. 공개된 사진에서 볼 수 있듯이 연구실 벤치 바로 옆에서 한창 활동 중인 그의 사진을 볼 수 있습니다.

1948년 홍보 사진 - Bardeen, Shockley 및 Brattain

그러나 Shockley에게는 동등한 명성만으로는 충분하지 않았습니다. 그리고 Bell Labs 외부의 누군가가 트랜지스터에 대해 알기도 전에 그는 트랜지스터를 자신의 것으로 재창조하느라 바빴습니다. 그리고 이것은 그러한 많은 재창조 중 첫 번째에 불과했습니다.

또 무엇을 읽을까

로버트 부데리, 세상을 바꾼 발명품(1996)
Michael Riordan, "유럽이 어떻게 트랜지스터를 놓쳤는가", IEEE Spectrum(1년 2005월 XNUMX일)
마이클 리오단, 릴리안 호데슨, 크리스탈 파이어(1997)
아르망 반 도마엘(Armand Van Dormael), “'프랑스' 트랜지스터” www.cdvandt.org/VanDormael.pdf (1994)

출처 : habr.com

트랜지스터의 역사 2부: 전쟁의 도가니에서

레이다

고양이 수염의 재림

웨스트 라파예트

오니수부아

머레이 힐

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