Kiti šios serijos straipsniai:
- Estafetės istorija
- Elektroninių kompiuterių istorija
- Tranzistoriaus istorija
- Interneto istorija
Karo tiglis padėjo tranzistoriaus atsiradimui. Nuo 1939 iki 1945 metų techninės žinios puslaidininkių srityje labai išsiplėtė. Ir tam buvo viena paprasta priežastis: radaras. Svarbiausia karo technologija, kurios pavyzdžiai yra: oro antskrydžių aptikimas, povandeninių laivų paieška, naktinių antskrydžių nukreipimas į taikinius, oro gynybos sistemų ir jūrų pabūklų taikymas. Inžinieriai netgi išmoko, kaip mažus radarus įsmeigti į artilerijos sviedinius, kad jie sprogtų skrisdami šalia taikinio. . Tačiau šios galingos naujos karinės technologijos šaltinis buvo taikesnė sritis: viršutinių atmosferos sluoksnių tyrimas mokslo tikslais.
Radaras
1901 m. Marconi Wireless Telegraph Company sėkmingai perdavė belaidį pranešimą per Atlanto vandenyną iš Kornvalio į Niufaundlendą. Šis faktas sukėlė šiuolaikinį mokslą sumaišties. Jei radijo transliacijos sklinda tiesia linija (kaip turėtų), toks perdavimas turėtų būti neįmanomas. Tarp Anglijos ir Kanados nėra tiesioginio matymo linijos, kuri nekerta Žemės, todėl Marconi žinutė turėjo skristi į kosmosą. Amerikiečių inžinierius Arthuras Kennealy ir britų fizikas Oliveris Heaviside'as vienu metu ir nepriklausomai pasiūlė, kad šio reiškinio paaiškinimas turi būti siejamas su jonizuotų dujų sluoksniu, esančiu viršutiniuose atmosferos sluoksniuose, galinčiu atspindėti radijo bangas atgal į Žemę (pats Marconi manė, kad radijo bangos sekti Žemės paviršiaus kreivumą, tačiau fizikai tam nepritarė).
Iki 1920-ųjų mokslininkai sukūrė naują įrangą, kuri leido pirmiausia įrodyti jonosferos egzistavimą, o paskui ištirti jos struktūrą. Jie naudojo vakuuminius vamzdžius trumpųjų bangų radijo impulsams generuoti, kryptines antenas, kad siųstų juos į atmosferą ir fiksuotų aidus. parodyti rezultatus. Kuo ilgesnis aido grąžinimo delsas, tuo toliau turi būti jonosfera. Ši technologija buvo vadinama atmosferiniu zondavimu ir suteikė pagrindinę techninę infrastruktūrą radarų kūrimui (terminas „radaras“, iš RAdio Detection And Ranging, JAV kariniame jūrų laivyne atsirado tik 1940 m.).
Tai buvo tik laiko klausimas, kada žmonės, turintys reikiamų žinių, išteklių ir motyvacijos, suvoks tokios įrangos antžeminio pritaikymo galimybes (taigi radaro istorija yra priešinga teleskopo istorijai, kuri pirmą kartą buvo skirta antžeminiam naudojimui). . Ir tokios įžvalgos tikimybė didėjo, nes radijas vis labiau plito po planetą ir vis daugiau žmonių pastebėjo, kad trukdžiai kyla iš netoliese esančių laivų, lėktuvų ir kitų didelių objektų. Antrosios metu pasklido žinios apie viršutinės atmosferos zondavimo technologijas (1932-1933), kai mokslininkai sudarė jonosferos žemėlapį iš skirtingų Arkties stočių. Netrukus Didžiosios Britanijos, JAV, Vokietijos, Italijos, SSRS ir kitų šalių komandos sukūrė savo paprasčiausias radarų sistemas.
su savo 1935 m. radaru
Tada įvyko karas, o radarų svarba šalims – ir ištekliai jiems sukurti – labai išaugo. Jungtinėse Valstijose šie ištekliai susibūrė aplink naują organizaciją, įkurtą 1940 m. MIT, žinomą kaip (jis buvo pavadintas taip konkrečiai, kad suklaidintų užsienio šnipus ir susidarytų įspūdis, kad radioaktyvumas buvo tiriamas laboratorijoje – tuo metu mažai kas tikėjo atominėmis bombomis). „Rad Lab“ projektas, kuris taip ir neišgarsėjo kaip Manheteno projektas, vis dėlto į savo gretas įdarbino ne mažiau iškilių ir talentingų fizikų iš visų JAV. Penki pirmieji laboratorijos darbuotojai (įskaitant и ) vėliau gavo Nobelio premiją. Iki karo pabaigos laboratorijoje dirbo apie 500 mokslų daktarų, mokslininkų ir inžinierių, iš viso dirbo 4000 tūkst. Pusė milijono dolerių (palyginti su visu ENIAC biudžetu) buvo išleista vien Radiation Laboratory Series – dvidešimt septynių tomų visų žinių, gautų iš laboratorijos karo metu, įrašas (nors JAV vyriausybės išlaidos radarų technologijoms nebuvo ribojamos į Rad Lab biudžetą; karo metu vyriausybė įsigijo radarų už tris milijardus dolerių).
MIT pastatas 20, kur buvo įsikūrusi Rad Lab
Viena iš pagrindinių „Rad Lab“ tyrimų sričių buvo aukšto dažnio radarai. Ankstyvieji radarai naudojo metrais matuojamus bangos ilgius. Tačiau aukštesnio dažnio pluoštai, kurių bangos ilgis matuojamas centimetrais – mikrobangos – leido sukurti kompaktiškesnes antenas ir buvo mažiau išsklaidytos dideliais atstumais, o tai žada didesnį diapazono ir tikslumo pranašumą. Mikrobangų radarai galėtų tilpti lėktuvo nosyje ir aptikti povandeninio laivo periskopo dydžio objektus.
Pirmoji šią problemą išsprendė britų fizikų komanda iš Birmingamo universiteto. 1940 m. jie sukūrė "“, kuris veikė kaip elektromagnetinis „švilpukas“, atsitiktinį elektros impulsą paversdamas galingu ir tiksliai sureguliuotu mikrobangų pluoštu. Šis mikrobangų siųstuvas buvo tūkstantį kartų galingesnis už artimiausią konkurentą; tai atvėrė kelią praktiškiems aukšto dažnio radarų siųstuvams. Tačiau jam reikėjo palydovo – imtuvo, galinčio aptikti aukštus dažnius. Ir šiuo metu grįžtame prie puslaidininkių istorijos.
Magnetrono skerspjūvis
Antrasis katės ūsų atėjimas
Paaiškėjo, kad vakuuminiai vamzdžiai visiškai netinkami mikrobangų radaro signalams priimti. Tarpas tarp karšto katodo ir šalto anodo sukuria talpą, todėl grandinė atsisako veikti aukštais dažniais. Geriausia aukšto dažnio radaro technologija buvo senamadiška.“ – mažas vielos gabalas prispaustas prie puslaidininkinio kristalo. Keletas žmonių tai atrado savarankiškai, bet artimiausia mūsų istorijai yra tai, kas nutiko Naujajame Džersyje.
1938 m. „Bell Labs“ sudarė sutartį su kariniu jūrų laivynu, kad sukurtų 40 cm nuotolio ugnies valdymo radarą – daug trumpesnį, taigi ir didesnio dažnio, nei ikirezonansinės magnetroninės eros radarai. Pagrindinis tiriamasis darbas buvo atliktas Holmdelio laboratorijų padalinyje, esančiame į pietus nuo Stateno salos. Neilgai trukus mokslininkai išsiaiškino, ko jiems prireiks aukšto dažnio imtuvui, ir netrukus inžinierius George'as Southworthas žvalgėsi radijo parduotuvėse Manhetene, ieškodamas senų kačių ūsų detektorių. Kaip ir tikėtasi, jis veikė daug geriau nei lempos detektorius, tačiau buvo nestabilus. Taigi Southworthas ieškojo elektrochemiko Russello Ohl ir paprašė jo pabandyti pagerinti vieno taško kristalų detektoriaus atsaką.
Olas buvo gana savotiškas žmogus, savo likimu laikė technologijų vystymąsi, o apie periodines įžvalgas kalbėjo su ateities vizijomis. Pavyzdžiui, jis pareiškė, kad dar 1939 metais žinojo apie būsimą silicio stiprintuvo išradimą, tačiau likimui lemta jį išrasti kitam žmogui. Ištyręs daugybę variantų, jis apsistojo ties siliciu, kaip geriausia medžiaga Southworth imtuvams. Problema buvo galimybė valdyti medžiagos turinį, kad būtų galima valdyti jos elektrines savybes. Tuo metu pramoniniai silicio luitai buvo plačiai paplitę, jie buvo naudojami plieno gamyklose, tačiau tokioje gamyboje niekam netrukdė, tarkime, 1% fosforo kiekis silicyje. Į pagalbą pasitelkęs porą metalurgų Olas užsimojo gauti daug švaresnių ruošinių, nei buvo įmanoma anksčiau.
Dirbdami jie atrado, kad kai kurie jų kristalai ištaiso srovę viena kryptimi, o kiti – kita. Jie vadino juos „n tipo“ ir „p tipo“. Tolesnė analizė parodė, kad už šias rūšis buvo atsakingos skirtingos priemaišos. Silicis yra ketvirtame periodinės lentelės stulpelyje, tai reiškia, kad jo išoriniame apvalkale yra keturi elektronai. Gryno silicio ruošinyje kiekvienas iš šių elektronų susijungtų su kaimynu. Trečiojo stulpelio priemaišos, tarkime, boras, turintis vienu elektronu mažiau, sukūrė „skylę“, papildomą erdvę srovės judėjimui kristale. Rezultatas buvo p tipo puslaidininkis (su teigiamų krūvių pertekliumi). Elementai iš penktosios kolonėlės, pavyzdžiui, fosforas, suteikė papildomų laisvųjų elektronų srovei pernešti, ir buvo gautas n tipo puslaidininkis.
Silicio kristalinė struktūra
Visi šie tyrimai buvo labai įdomūs, tačiau iki 1940 m. Southworth ir Ohl nebuvo arčiau, kad sukurtų veikiantį aukšto dažnio radaro prototipą. Tuo pat metu Didžiosios Britanijos vyriausybė pareikalavo neatidėliotinų praktinių rezultatų dėl gresiančios grėsmės iš Luftwaffe, kuri jau buvo sukūrusi gamybai paruoštus mikrobangų detektorius, veikiančius kartu su magnetroniniais siųstuvais.
Tačiau technologijų pažangos pusiausvyra greitai pasisuks vakarinėje Atlanto pusėje. Churchillis nusprendė atskleisti visas Didžiosios Britanijos technines paslaptis amerikiečiams prieš iš tikrųjų įstodamas į karą (nes manė, kad tai įvyks bet kuriuo atveju). Jis manė, kad verta rizikuoti informacijos nutekėjimu, nes tada visos JAV pramoninės galimybės bus panaudotos sprendžiant tokias problemas kaip atominiai ginklai ir radarai. Britų mokslo ir technologijų misija (geriau žinoma kaip ) 1940 m. rugsėjį atvyko į Vašingtoną ir į savo bagažą atsinešė dovaną technologinių stebuklų pavidalu.
Neįtikėtinos rezonansinio magnetrono galios atradimas ir britų kristalų detektorių efektyvumas priimant jo signalą atgaivino amerikiečių puslaidininkių, kaip aukšto dažnio radaro pagrindo, tyrimus. Buvo daug darbo, ypač medžiagų mokslo srityje. Kad būtų patenkinta paklausa, puslaidininkinių kristalų „turėjo būti pagaminta milijonais, daug daugiau, nei buvo įmanoma anksčiau. Reikėjo pagerinti ištaisymą, sumažinti jautrumą smūgiams ir perdegimą bei sumažinti skirtumus tarp skirtingų kristalų partijų.
Silicio taško kontaktinis lygintuvas
„Rad Lab“ atidarė naujus tyrimų skyrius, kad ištirtų puslaidininkių kristalų savybes ir kaip juos galima modifikuoti, kad būtų maksimaliai padidintos vertingos imtuvo savybės. Perspektyviausios medžiagos buvo silicis ir germanis, todėl Rad Lab nusprendė elgtis saugiai ir pradėjo lygiagrečias programas, skirtas studijuoti abiem: silicį Pensilvanijos universitete ir germanį Purdue. Pramonės gigantai, tokie kaip Bell, Westinghouse, Du Pont ir Sylvania, pradėjo savo puslaidininkių tyrimų programas ir pradėjo kurti naujas kristalų detektorių gamybos patalpas.
Bendromis pastangomis silicio ir germanio kristalų grynumas buvo padidintas nuo 99 % pradžioje iki 99,999 % – tai yra iki vienos priemaišos dalelės 100 000 atomų. Šio proceso metu būrys mokslininkų ir inžinierių iš arti susipažino su abstrakčiomis germanio ir silicio savybėmis ir taikė technologijas joms kontroliuoti: lydyti, auginti kristalus, pridėti reikalingų priemaišų (pvz., boro, kuris padidino laidumą).
Ir tada karas baigėsi. Radarų paklausa išnyko, tačiau karo metu įgytos žinios ir įgūdžiai išliko, o svajonė apie kietojo kūno stiprintuvą nebuvo pamiršta. Dabar lenktynės buvo sukurti tokį stiprintuvą. Ir bent trys komandos turėjo gerą poziciją laimėti šį prizą.
Vakarų Lafajetas
Pirmoji buvo grupė iš Purdue universiteto, kuriai vadovavo austrų kilmės fizikas Carlas Larkas-Horowitzas. Jis vienas savo talentu ir įtaka ištraukė universiteto fizikos katedrą iš nežinomybės ir paveikė Rad Lab sprendimą patikėti savo laboratorijai germanio tyrimus.
Carlas Larkas-Horowitzas 1947 m., centre, laiko pypkę
Iki 1940-ųjų pradžios silicis buvo laikomas geriausia medžiaga radarų lygintuvams, tačiau medžiaga, esanti po juo periodinėje lentelėje, taip pat atrodė verta tolesnio tyrimo. Germanis turėjo praktinį pranašumą dėl žemesnės lydymosi temperatūros, dėl kurios buvo lengviau dirbti: apie 940 laipsnių, palyginti su 1400 laipsnių siliciui (beveik toks pat kaip plienas). Dėl aukštos lydymosi temperatūros buvo itin sunku pagaminti ruošinį, kuris nepratekėtų į išsilydžiusį silicį, jį užteršdamas.
Todėl Larkas-Horowitzas ir jo kolegos visą karą tyrinėjo chemines, elektrines ir fizines germanio savybes. Svarbiausia kliūtis buvo „atvirkštinė įtampa“: germanio lygintuvai, esant labai žemai įtampai, nustojo ištaisyti srovę ir leido jai tekėti priešinga kryptimi. Atvirkštinės srovės impulsas sudegino likusius radaro komponentus. Vienas iš Lark-Horowitzo absolventų Seymouras Benzeris šią problemą tyrinėjo daugiau nei metus ir galiausiai sukūrė alavo pagrindu pagamintą priedą, kuris sustabdė atvirkštinius impulsus esant iki šimtų voltų įtampai. Netrukus po to „Western Electric“, „Bell Labs“ gamybos padalinys, pradėjo gaminti „Benzer“ lygintuvus kariniams tikslams.
Germanio tyrimai Purdue buvo tęsiami po karo. 1947 m. birželį Benzeris, jau būdamas profesoriumi, pranešė apie neįprastą anomaliją: kai kurių eksperimentų metu germanio kristaluose atsirado aukšto dažnio virpesiai. O jo kolega Ralphas Bray'us toliau tyrinėjo „tūrinį pasipriešinimą“ karo metu pradėtame projekte. Tūrinis pasipriešinimas apibūdino, kaip elektra teka germanio kristale lygintuvo kontaktiniame taške. Bray nustatė, kad aukštos įtampos impulsai žymiai sumažino n tipo germanio atsparumą šioms srovėms. Jis pats to nežinodamas tapo liudininku vadinamojo. „mažumos“ krūvininkai. n tipo puslaidininkiuose perteklinis neigiamas krūvis yra pagrindinis krūvininkas, tačiau teigiamos „skylės“ taip pat gali nešti srovę, o šiuo atveju aukštos įtampos impulsai germanio struktūroje sukūrė skylutes, dėl kurių atsiranda mažumos krūvininkų. .
Bray ir Benzer priartėjo prie germanio stiprintuvo to nesuvokdami. Benzeris sugavo Walterį Brattainą, Bell Labs mokslininką, 1948 m. sausio mėn. konferencijoje, kad aptartų su juo tūrinį pasipriešinimą. Jis pasiūlė, kad Brattain šalia pirmojo kontakto, kuris galėtų vesti srovę, pastatytų kitą tašką, ir tada jie galėtų suprasti, kas vyksta po paviršiumi. Brattanas tyliai sutiko su šiuo pasiūlymu ir išėjo. Kaip matysime, jis puikiai žinojo, ką toks eksperimentas gali atskleisti.
Oney-sous-Bois
„Purdue“ grupė turėjo ir technologiją, ir teorinį pagrindą padaryti šuolį link tranzistoriaus. Tačiau jie galėjo užkliūti tik atsitiktinai. Juos domino fizinės medžiagos savybės, o ne naujo tipo įrenginio paieška. Visai kitokia situacija susiklostė Aunes-sous-Bois (Prancūzija), kur du buvę radarų tyrinėtojai iš Vokietijos Heinrichas Welkeris ir Herbertas Mathare'as vadovavo komandai, kurios tikslas buvo sukurti pramoninius puslaidininkinius įrenginius.
Welkeris iš pradžių studijavo, o vėliau dėstė fiziką Miuncheno universitete, kuriam vadovavo garsus teoretikas Arnoldas Sommerfeldas. Nuo 1940 m. jis paliko grynai teorinį kelią ir pradėjo dirbti su Luftwaffe radaru. Mathare (belgų kilmės) užaugo Achene, kur studijavo fiziką. 1939 m. jis įstojo į Vokietijos radijo milžino „Telefunken“ tyrimų skyrių. Karo metu jis perkėlė savo darbą iš Berlyno į rytus į abatiją Silezijoje, kad išvengtų sąjungininkų oro antskrydžių, o paskui grįžo į vakarus, kad išvengtų besiveržiančios Raudonosios armijos, kuri galiausiai pateko į Amerikos armijos rankas.
Kaip ir jų varžovai Antihitlerio koalicijoje, vokiečiai jau 1940-ųjų pradžioje žinojo, kad kristalų detektoriai yra idealūs radaro imtuvai, o silicis ir germanis yra perspektyviausios medžiagos jiems sukurti. Mathare ir Welker karo metu bandė pagerinti šių medžiagų efektyvumą lygintuvuose. Po karo abu buvo periodiškai tardomi dėl karinio darbo, o galiausiai 1946 m. gavo prancūzų žvalgybos pareigūno kvietimą į Paryžių.
„Compagnie des Freins & Signaux“ („stabdžių ir signalų įmonė“), „Westinghouse“ padalinys Prancūzijoje, gavo sutartį iš Prancūzijos telefono ryšio tarnybos sukurti kietojo kūno lygintuvus ir ieškojo vokiečių mokslininkų, kurie jiems padėtų. Toks pastarųjų priešų aljansas gali pasirodyti keistas, tačiau toks susitarimas pasirodė gana palankus abiem pusėms. Prancūzai, nugalėti 1940 m., neturėjo galimybių įgyti žinių puslaidininkių srityje, jiems labai reikėjo vokiečių įgūdžių. Okupuotoje ir karo draskomoje šalyje vokiečiai negalėjo plėtoti jokiose aukštųjų technologijų srityse, todėl pasinaudojo galimybe tęsti darbą.
Welkeris ir Mathare įkūrė būstinę dviejų aukštų name Paryžiaus priemiestyje Aunes-sous-Bois ir, padedami technikų komandos, iki 1947 m. pabaigos sėkmingai paleido germanio lygintuvus. Tada jie kreipėsi į rimtesnius prizai: Welkeris vėl domėjosi superlaidininkais, o Mathare – prie stiprintuvų.
Herbertas Mathare'as 1950 m
Karo metu Mathare eksperimentavo su dviejų taškų kontaktiniais lygintuvais – „duodeodais“, siekdamas sumažinti grandinės triukšmą. Jis atnaujino savo eksperimentus ir netrukus išsiaiškino, kad antrasis katės ūsas, esantis 1/100 milijonosios metro dalies nuo pirmojo, kartais gali moduliuoti srovę, tekančią per pirmąjį ūsą. Jis sukūrė kietojo kūno stiprintuvą, nors ir gana nenaudingą. Siekdamas patikimesnio veikimo, jis kreipėsi į Welkerį, kuris karo metu įgijo didelę patirtį dirbdamas su germanio kristalais. Welkerio komanda išaugino didesnius, grynesnius germanio kristalų pavyzdžius, o pagerėjus medžiagos kokybei, Mathare taškiniai kontaktiniai stiprintuvai tapo patikimi iki 1948 m. birželio mėn.
Mathare grandine pagrįsto „tranzistrono“, turinčio du sąlyčio su germaniu taškus, rentgeno vaizdas
Mathare'as netgi turėjo teorinį to, kas vyksta, modelį: jis manė, kad antrasis kontaktas padarė skylutes germanyje, pagreitindamas srovės praėjimą per pirmąjį kontaktą, tiekdamas mažumos krūvininkus. Welkeris su juo nesutiko ir tikėjo, kad tai, kas vyksta, priklauso nuo kažkokio lauko efekto. Tačiau dar nespėję parengti prietaiso ar teorijos, jie sužinojo, kad grupė amerikiečių sukūrė lygiai tokią pačią koncepciją – germanio stiprintuvą su dviem taškais kontaktais – prieš šešis mėnesius.
Murray Hill
Pasibaigus karui Mervyn Kelly pertvarkė „Bell Labs“ puslaidininkių tyrimų grupę, kuriai vadovavo Billas Shockley. Projektas išaugo, gavo daugiau finansavimo ir persikėlė iš pirminio laboratorijos pastato Manhetene į besiplečiantį miestelį Murray Hill mieste, Naujajame Džersyje.
Murray Hill miestelis, maždaug. 1960 m
Norėdamas iš naujo susipažinti su pažangiais puslaidininkiais (po karo operacijų tyrimų laiko), Shockley apsilankė Russell Ohl Holmdel laboratorijoje 1945 m. pavasarį. Ohlas karo metus praleido dirbdamas su siliciu ir nešvaistė laiko. Jis parodė Shockley savo sukurtą neapdorotą stiprintuvą, kurį pavadino „desiste“. Jis paėmė silicio taškinį kontaktinį lygintuvą ir per jį pasiuntė srovę iš akumuliatoriaus. Matyt, akumuliatoriaus šiluma sumažino varžą per kontaktinį tašką ir pavertė lygintuvą stiprintuvu, galinčiu perduoti gaunamus radijo signalus į grandinę, pakankamai galingą, kad maitintų garsiakalbį.
Poveikis buvo grubus ir nepatikimas, netinkamas komercializacijai. Tačiau to pakako patvirtinti Shockley nuomonę, kad įmanoma sukurti puslaidininkinį stiprintuvą, ir tai turėtų būti prioritetas atliekant tyrimus kietojo kūno elektronikos srityje. Taip pat šis susitikimas su Olos komanda įtikino Shockley, kad pirmiausia reikia ištirti silicį ir germanį. Jie pasižymėjo patraukliomis elektrinėmis savybėmis, o Ohlo kolegos metalurgai Jackas Skaffas ir Henry Theureris per karą pasiekė nuostabios sėkmės augindami, valydami ir legiruodami šiuos kristalus, pranokdami visas kitų puslaidininkinių medžiagų technologijas. Shockley grupė neketino daugiau gaišti laiko prieškariniams vario oksido stiprintuvams.
Kelly padedamas Shockley pradėjo burti naują komandą. Pagrindiniai žaidėjai buvo Walteris Brattainas, padėjęs Shockley pirmą kartą pabandyti sukurti kietojo kūno stiprintuvą (1940 m.), ir Johnas Bardeenas, jaunas fizikas ir naujasis „Bell Labs“ darbuotojas. Bardeenas tikriausiai turėjo daugiausiai žinių apie kietojo kūno fiziką iš bet kurio komandos nario – jo disertacijoje buvo aprašyti elektronų energijos lygiai natrio metalo struktūroje. Jis taip pat buvo dar vienas Johno Hasbroucko Van Vlecko protežė, kaip Atanasovas ir Brattainas.
Ir kaip Atanasovas, Bardeen ir Shockley disertacijos reikalavo itin sudėtingų skaičiavimų. Jie turėjo naudoti kvantinę mechaninę puslaidininkių teoriją, kurią apibrėžė Alanas Wilsonas, norėdami apskaičiuoti medžiagų energijos struktūrą naudodami Monroe stalinį skaičiuotuvą. Padėdami sukurti tranzistorių, jie iš tikrųjų prisidėjo prie būsimų magistrantų išgelbėjimo nuo tokio darbo.
Pirmasis Shockley požiūris į kietojo kūno stiprintuvą rėmėsi tuo, kas vėliau buvo pavadinta "“. Jis pakabino metalinę plokštę virš n tipo puslaidininkio (su neigiamų krūvių pertekliumi). Pritaikius teigiamą krūvį ant plokštelės, ant kristalo paviršiaus ištraukė elektronų perteklių, sukurdama neigiamų krūvių upę, per kurią lengvai galėjo tekėti elektros srovė. Sustiprintas signalas (atstovaujamas plokštelės įkrovimo lygiu) tokiu būdu galėtų moduliuoti pagrindinę grandinę (eidama puslaidininkio paviršiumi). Šios schemos efektyvumą jam pasiūlė teorinės fizikos žinios. Tačiau, nepaisant daugybės eksperimentų ir eksperimentų, schema niekada neveikė.
1946 m. kovo mėn. Bardeenas sukūrė gerai išvystytą teoriją, paaiškinančią to priežastį: puslaidininkio paviršius kvantiniame lygmenyje elgiasi kitaip nei jo vidus. Neigiami krūviai, ištraukti į paviršių, įstringa „paviršiaus būsenose“ ir neleidžia elektriniam laukui prasiskverbti į plokštę į medžiagą. Likusiai komandai ši analizė buvo įtikinama ir pradėjo naują tyrimų programą trimis būdais:
- Įrodykite paviršiaus būsenų egzistavimą.
- Išstudijuokite jų savybes.
- Išsiaiškinkite, kaip juos nugalėti ir priversti tai veikti .
Po pusantrų metų trukusių tyrimų ir eksperimentų 17 m. lapkričio 1947 d. Brattainas padarė persilaužimą. Jis išsiaiškino, kad jei tarp plokštelės ir puslaidininkio patalpintų jonų pripildytą skystį, pavyzdžiui, vandenį, plokštelės elektrinis laukas stumtų jonus link puslaidininkio, kur jie neutralizuotų paviršiaus būsenose įstrigusius krūvius. Dabar jis galėjo kontroliuoti silicio gabalo elektrinį elgesį pakeisdamas plokštelės krūvį. Ši sėkmė suteikė Bardeenui idėją naujam požiūriui į stiprintuvo kūrimą: lygintuvo kontaktinį tašką apjuoskite elektrolitiniu vandeniu, o tada naudokite antrąjį vandenyje esantį laidą paviršiaus sąlygoms valdyti ir tokiu būdu valdyti pagrindinio stiprintuvo laidumo lygį. kontaktas. Taigi Bardeenas ir Brattainas pasiekė finišą.
Bardeeno idėja pasiteisino, tačiau stiprinimas buvo silpnas ir veikė labai žemais žmogaus ausiai neprieinamais dažniais – todėl jis buvo nenaudingas kaip telefono ar radijo stiprintuvas. Bardeenas pasiūlė pereiti prie atvirkštinei įtampai atsparaus germanio, pagaminto Purdue, manydamas, kad ant jo paviršiaus susikaups mažiau krūvių. Staiga jie sulaukė galingo padidėjimo, bet priešinga kryptimi nei tikėtasi. Jie atrado mažumos nešiklio efektą – vietoj lauktų elektronų per germanį tekančią srovę sustiprino iš elektrolito ateinančios skylės. Elektrolite esanti laido srovė sukūrė p tipo sluoksnį (teigiamų krūvių pertekliaus sritį) n tipo germanio paviršiuje.
Vėlesni eksperimentai parodė, kad elektrolito visiškai nereikia: tiesiog ant germanio paviršiaus uždėjus du kontaktinius taškus, buvo galima moduliuoti srovę iš vieno iš jų į srovę kitame. Norėdamas juos kuo arčiau priartinti, Brattainas auksinės folijos gabalėliu apvyniojo trikampį plastiko gabalėlį, o pabaigoje foliją atsargiai nupjovė. Tada spyruokle jis prispaudė trikampį prie germanio, dėl to du pjūvio kraštai palietė jo paviršių 0,05 mm atstumu. Tai suteikė „Bell Labs“ tranzistoriaus prototipui išskirtinę išvaizdą:
Brattain ir Bardeen tranzistorių prototipas
Kaip ir Mathare'o ir Welkerio prietaisas, tai iš principo buvo klasikinis „katės ūsas“, tik su dviem sąlyčio taškais vietoj vieno. Gruodžio 16 d. jis žymiai padidino galią ir įtampą, o garsiniame diapazone - 1000 Hz dažnį. Po savaitės, po nedidelių patobulinimų, Bardeen ir Brattain padidino įtampą 100 kartų, o galią - 40 kartų ir pademonstravo Bell direktoriams, kad jų prietaisas gali skleisti garsinę kalbą. Johnas Pierce'as, kitas kietojo kūno kūrimo komandos narys, sugalvojo terminą „tranzistorius“ pagal „Bell“ vario oksido lygintuvo varistoriaus pavadinimą.
Kitus šešis mėnesius laboratorija laikė naują kūrinį paslaptyje. Vadovybė norėjo įsitikinti, kad jie turėjo pagrindą pradėti komercializuoti tranzistorių, kol kas nors kitas nepastebėjo jo. Spaudos konferencija buvo suplanuota 30 m. birželio 1948 d., kaip tik laiku, kad sužlugdytų Welkerio ir Matharo svajones apie nemirtingumą. Tuo tarpu puslaidininkių tyrimų grupė tyliai žlugo. Išgirdęs apie Bardeeno ir Brattaino pasiekimus, jų bosas Billas Shockley pradėjo dirbti, kad prisiimtų visus nuopelnus. Ir nors jis atliko tik stebėtojo vaidmenį, Shockley viešame pristatyme sulaukė tiek pat, jei ne daugiau, viešumo – kaip matyti šioje paskelbtoje nuotraukoje, kurioje jis vaizduojamas veiksmo įkarštyje, prie pat laboratorijos stendo:
1948 m. viešinimo nuotrauka – Bardeen, Shockley ir Brattain
Tačiau vienodos šlovės Shockley nepakako. Ir prieš tai, kai kas nors iš Bell Labs nežinojo apie tranzistorių, jis buvo užsiėmęs iš naujo jį išradęs savo reikmėms. Ir tai buvo tik pirmasis iš daugelio tokių išradimų.
Ką dar skaityti
- Robertas Buderi, Išradimas, kuris pakeitė pasaulį (1996)
- Michaelas Riordanas, „Kaip Europa praleido tranzistorių“, IEEE spektras (1 m. lapkričio 2005 d.)
- Michaelas Riordanas ir Lillian Hoddeson, „Crystal Fire“ (1997)
- Armand Van Dormael, „Prancūziškas tranzistorius“, (1994)
Šaltinis: www.habr.com