Artikel lain dalam siri ini:
- Sejarah relay
- Sejarah komputer elektronik
- Sejarah transistor
- sejarah internet
Pisau perang menetapkan pentas untuk kemunculan transistor. Dari tahun 1939 hingga 1945, pengetahuan teknikal dalam bidang semikonduktor berkembang dengan pesat. Dan terdapat satu sebab mudah untuk ini: radar. Teknologi perang yang paling penting, contohnya termasuk: mengesan serangan udara, mencari kapal selam, mengarahkan serangan udara malam ke sasaran, menyasarkan sistem pertahanan udara dan senjata tentera laut. Jurutera juga telah mempelajari cara menyumbat radar kecil ke dalam peluru meriam supaya ia meletup semasa ia terbang berhampiran sasaran - . Walau bagaimanapun, sumber teknologi ketenteraan baru yang berkuasa ini adalah dalam bidang yang lebih aman: kajian atmosfera atas untuk tujuan saintifik.
Radar
Pada tahun 1901, Syarikat Telegraf Tanpa Wayar Marconi berjaya menghantar mesej tanpa wayar merentasi Atlantik, dari Cornwall ke Newfoundland. Fakta ini telah membawa sains moden ke dalam kekeliruan. Jika transmisi radio bergerak dalam garis lurus (seperti yang sepatutnya), penghantaran sedemikian sepatutnya mustahil. Tiada garis penglihatan langsung antara England dan Kanada yang tidak melintasi Bumi, jadi mesej Marconi terpaksa terbang ke angkasa. Jurutera Amerika Arthur Kennealy dan ahli fizik British Oliver Heaviside secara serentak dan bebas mencadangkan bahawa penjelasan untuk fenomena ini mesti dikaitkan dengan lapisan gas terion yang terletak di atmosfera atas, yang mampu memantulkan gelombang radio kembali ke Bumi (Marconi sendiri percaya bahawa gelombang radio ikut kelengkungan permukaan bumi, namun ahli fizik tidak menyokongnya).
Menjelang tahun 1920-an, saintis telah membangunkan peralatan baru yang memungkinkan untuk pertama kali membuktikan kewujudan ionosfera dan kemudian mengkaji strukturnya. Mereka menggunakan tiub vakum untuk menghasilkan denyutan radio gelombang pendek, antena berarah untuk menghantarnya ke atmosfera dan merekodkan gema, dan untuk menunjukkan keputusan. Semakin lama kelewatan pemulangan gema, semakin jauh ionosfera mesti berada. Teknologi ini dipanggil bunyi atmosfera, dan ia menyediakan infrastruktur teknikal asas untuk pembangunan radar (istilah "radar", daripada Pengesanan Dan Ranging RAdio, tidak muncul sehingga tahun 1940-an di Tentera Laut AS).
Ia hanya menunggu masa sebelum orang yang mempunyai pengetahuan, sumber dan motivasi yang betul menyedari potensi untuk aplikasi terestrial peralatan tersebut (oleh itu sejarah radar adalah bertentangan dengan sejarah teleskop, yang pertama kali bertujuan untuk kegunaan darat) . Dan kemungkinan cerapan sedemikian meningkat apabila radio semakin tersebar di seluruh planet, dan lebih ramai orang menyedari gangguan datang dari kapal, kapal terbang dan objek besar lain yang berdekatan. Pengetahuan tentang teknologi bunyi atmosfera atas tersebar semasa detik (1932-1933), apabila saintis menyusun peta ionosfera dari stesen Artik yang berbeza. Tidak lama selepas itu, pasukan di Britain, Amerika Syarikat, Jerman, Itali, USSR dan negara lain membangunkan sistem radar paling mudah mereka.
dengan radar 1935 beliau
Kemudian perang berlaku, dan kepentingan radar kepada negara-dan sumber untuk membangunkannya-meningkat secara mendadak. Di Amerika Syarikat, sumber-sumber ini berkumpul di sekitar organisasi baharu yang ditubuhkan pada tahun 1940 di MIT, yang dikenali sebagai (ia dinamakan begitu khusus untuk mengelirukan pengintip asing dan menimbulkan tanggapan bahawa radioaktiviti sedang dikaji di makmal - pada masa itu hanya sedikit orang yang percaya dengan bom atom). Projek Rad Lab, yang tidak menjadi terkenal seperti Projek Manhattan, bagaimanapun merekrut ahli fizik yang cemerlang dan berbakat dari seluruh Amerika Syarikat ke dalam barisannya. Lima daripada pekerja pertama makmal (termasuk и ) seterusnya menerima Hadiah Nobel. Menjelang akhir perang, kira-kira 500 doktor sains, saintis dan jurutera bekerja di makmal, dan sejumlah 4000 orang bekerja. Setengah juta dolar—setanding dengan keseluruhan bajet ENIAC—dibelanjakan untuk Siri Makmal Sinaran sahaja, rekod dua puluh tujuh jilid semua pengetahuan yang diperoleh daripada makmal semasa perang (walaupun perbelanjaan kerajaan A.S. untuk teknologi radar tidak terhad kepada belanjawan Rad Lab; semasa perang kerajaan membeli radar bernilai tiga bilion dolar).
Bangunan MIT 20, di mana Lab Rad berada
Salah satu bidang penyelidikan utama Rad Lab ialah radar frekuensi tinggi. Radar awal menggunakan panjang gelombang yang diukur dalam meter. Tetapi rasuk frekuensi lebih tinggi dengan panjang gelombang diukur dalam sentimeter—gelombang mikro—membenarkan antena yang lebih padat dan kurang bertaburan pada jarak jauh, menjanjikan kelebihan yang lebih besar dalam julat dan ketepatan. Radar gelombang mikro boleh masuk ke dalam hidung kapal terbang dan mengesan objek sebesar periskop kapal selam.
Yang pertama untuk menyelesaikan masalah ini ialah sepasukan ahli fizik British dari Universiti Birmingham. Pada tahun 1940 mereka membangunkan "", yang berfungsi seperti "wisel" elektromagnet, menukar nadi elektrik rawak menjadi pancaran gelombang mikro yang berkuasa dan ditala dengan tepat. Pemancar gelombang mikro ini seribu kali lebih berkuasa daripada pesaing terdekatnya; ia membuka jalan untuk pemancar radar frekuensi tinggi yang praktikal. Bagaimanapun, dia memerlukan teman, penerima yang mampu mengesan frekuensi tinggi. Dan pada ketika ini kita kembali kepada sejarah semikonduktor.
Keratan rentas magnetron
Kedatangan kedua misai kucing
Ternyata tiub vakum tidak sesuai sama sekali untuk menerima isyarat radar gelombang mikro. Jurang antara katod panas dan anod sejuk mewujudkan kapasiti, menyebabkan litar enggan beroperasi pada frekuensi tinggi. Teknologi terbaik yang tersedia untuk radar frekuensi tinggi ialah teknologi lama ""- sekeping wayar kecil yang ditekan pada kristal semikonduktor. Beberapa orang telah menemui perkara ini secara bebas, tetapi perkara yang paling hampir dengan kisah kami ialah apa yang berlaku di New Jersey.
Pada tahun 1938, Bell Labs berkontrak dengan Tentera Laut untuk membangunkan radar kawalan kebakaran dalam julat 40 cm-jauh lebih pendek, dan oleh itu lebih tinggi dalam kekerapan, daripada radar sedia ada dalam era magnetron pra-resonan. Kerja penyelidikan utama pergi ke bahagian makmal di Holmdel, selatan Pulau Staten. Ia tidak mengambil masa yang lama untuk penyelidik memikirkan apa yang mereka perlukan untuk penerima frekuensi tinggi, dan tidak lama kemudian jurutera George Southworth sedang menjelajah kedai radio di Manhattan untuk pengesan kumis kucing lama. Seperti yang dijangkakan, ia berfungsi lebih baik daripada pengesan lampu, tetapi ia tidak stabil. Jadi Southworth mencari seorang ahli elektrokimia bernama Russell Ohl dan memintanya untuk cuba meningkatkan keseragaman tindak balas pengesan kristal satu titik.
Ol adalah seorang yang agak pelik, yang menganggap perkembangan teknologi sebagai takdirnya, dan bercakap tentang pandangan berkala dengan visi masa depan. Sebagai contoh, dia menyatakan bahawa pada tahun 1939 dia tahu tentang ciptaan masa depan penguat silikon, tetapi nasib itu telah ditakdirkan untuk orang lain menciptanya. Selepas mengkaji berpuluh-puluh pilihan, dia memilih silikon sebagai bahan terbaik untuk penerima Southworth. Masalahnya ialah keupayaan untuk mengawal kandungan bahan untuk mengawal sifat elektriknya. Pada masa itu, jongkong silikon perindustrian meluas; ia digunakan dalam kilang keluli, tetapi dalam pengeluaran sedemikian tiada siapa yang diganggu, katakan, kandungan fosforus 1% dalam silikon. Dengan meminta bantuan beberapa ahli metalurgi, Ol berusaha untuk mendapatkan tempat kosong yang lebih bersih daripada yang mungkin dilakukan sebelum ini.
Semasa mereka bekerja, mereka mendapati bahawa beberapa kristal mereka membetulkan arus dalam satu arah, manakala yang lain membetulkan arus di arah yang lain. Mereka memanggil mereka "jenis-n" dan "jenis-p". Analisis lanjut menunjukkan bahawa pelbagai jenis kekotoran bertanggungjawab untuk jenis ini. Silikon berada dalam lajur keempat jadual berkala, bermakna ia mempunyai empat elektron dalam kulit luarnya. Dalam silikon tulen kosong, setiap elektron ini akan bergabung dengan jiran. Kekotoran dari lajur ketiga, katakan boron, yang mempunyai kurang satu elektron, mencipta "lubang," ruang tambahan untuk pergerakan semasa dalam kristal. Hasilnya ialah semikonduktor jenis-p (dengan lebihan cas positif). Unsur-unsur dari lajur kelima, seperti fosforus, menyediakan elektron bebas tambahan untuk membawa arus, dan semikonduktor jenis-n diperolehi.
Struktur kristal silikon
Semua penyelidikan ini sangat menarik, tetapi menjelang 1940 Southworth dan Ohl tidak lebih dekat untuk mencipta prototaip kerja radar frekuensi tinggi. Pada masa yang sama, kerajaan British menuntut keputusan praktikal segera kerana ancaman yang menjulang daripada Luftwaffe, yang telah mencipta pengesan gelombang mikro sedia untuk pengeluaran yang berfungsi seiring dengan pemancar magnetron.
Walau bagaimanapun, keseimbangan kemajuan teknologi tidak lama lagi akan menuju ke sebelah barat Atlantik. Churchill memutuskan untuk mendedahkan semua rahsia teknikal Britain kepada Amerika sebelum dia benar-benar memasuki perang (kerana dia menganggap ini akan berlaku juga). Beliau percaya bahawa ia berbaloi dengan risiko kebocoran maklumat, sejak itu semua keupayaan perindustrian Amerika Syarikat akan dilemparkan ke dalam menyelesaikan masalah seperti senjata atom dan radar. Misi Sains dan Teknologi British (lebih dikenali sebagai ) tiba di Washington pada September 1940 dan membawa masuk bagasinya hadiah dalam bentuk keajaiban teknologi.
Penemuan kuasa luar biasa magnetron resonans dan keberkesanan pengesan kristal British dalam menerima isyaratnya menghidupkan semula penyelidikan Amerika ke dalam semikonduktor sebagai asas radar frekuensi tinggi. Terdapat banyak kerja yang perlu dilakukan, terutamanya dalam sains bahan. Untuk memenuhi permintaan, kristal semikonduktor "terpaksa dihasilkan dalam jutaan, jauh lebih banyak daripada yang mungkin sebelum ini. Ia adalah perlu untuk meningkatkan pembetulan, mengurangkan sensitiviti kejutan dan terbakar, dan meminimumkan variasi antara kelompok kristal yang berbeza."
Penerus Sentuhan Titik Silikon
Lab Rad telah membuka jabatan penyelidikan baharu untuk mengkaji sifat kristal semikonduktor dan bagaimana ia boleh diubah suai untuk memaksimumkan sifat penerima yang berharga. Bahan yang paling menjanjikan ialah silikon dan germanium, jadi Rad Lab memutuskan untuk memainkannya dengan selamat dan melancarkan program selari untuk mengkaji kedua-duanya: silikon di University of Pennsylvania dan germanium di Purdue. Gergasi industri seperti Bell, Westinghouse, Du Pont, dan Sylvania memulakan program penyelidikan semikonduktor mereka sendiri dan mula membangunkan kemudahan pembuatan baharu untuk pengesan kristal.
Melalui usaha bersama, ketulenan kristal silikon dan germanium dinaikkan daripada 99% pada permulaan kepada 99,999% - iaitu, kepada satu zarah kekotoran setiap 100 atom. Dalam proses itu, kader saintis dan jurutera telah mengenali sifat abstrak germanium dan silikon dan menggunakan teknologi untuk mengawalnya: mencairkan, membesar kristal, menambah kekotoran yang diperlukan (seperti boron, yang meningkatkan kekonduksian).
Dan kemudian perang berakhir. Permintaan untuk radar hilang, tetapi pengetahuan dan kemahiran yang diperoleh semasa perang kekal, dan impian penguat keadaan pepejal tidak dilupakan. Sekarang perlumbaan adalah untuk mencipta penguat sedemikian. Dan sekurang-kurangnya tiga pasukan berada dalam kedudukan yang baik untuk memenangi hadiah ini.
Lafayette Barat
Yang pertama ialah kumpulan dari Universiti Purdue yang diketuai oleh ahli fizik kelahiran Austria bernama Carl Lark-Horowitz. Dia seorang diri membawa jabatan fizik universiti keluar dari kekaburan melalui bakat dan pengaruhnya dan mempengaruhi keputusan Lab Rad untuk mempercayakan makmalnya dengan penyelidikan germanium.
Carl Lark-Horowitz pada tahun 1947, tengah, memegang paip
Menjelang awal 1940-an, silikon dianggap sebagai bahan terbaik untuk penerus radar, tetapi bahan di bawahnya pada jadual berkala juga kelihatan layak untuk kajian lanjut. Germanium mempunyai kelebihan praktikal kerana takat leburnya yang lebih rendah, yang menjadikannya lebih mudah untuk digunakan: kira-kira 940 darjah, berbanding 1400 darjah untuk silikon (hampir sama dengan keluli). Oleh kerana takat lebur yang tinggi, adalah amat sukar untuk membuat kosong yang tidak akan bocor ke dalam silikon cair, mencemarinya.
Oleh itu, Lark-Horowitz dan rakan-rakannya menghabiskan seluruh perang untuk mengkaji sifat kimia, elektrik dan fizikal germanium. Halangan yang paling penting ialah "voltan terbalik": penerus germanium pada voltan yang sangat rendah berhenti membetulkan arus dan membenarkannya mengalir ke arah yang bertentangan. Nadi arus terbalik membakar komponen radar yang tinggal. Salah seorang pelajar siswazah Lark-Horowitz, Seymour Benzer, mengkaji masalah ini selama lebih daripada setahun dan akhirnya membangunkan bahan tambahan berasaskan timah yang menghentikan denyutan terbalik pada voltan sehingga ratusan volt. Tidak lama selepas itu, Western Electric, bahagian pembuatan Bell Labs, mula mengeluarkan penerus Benzer untuk kegunaan tentera.
Kajian germanium di Purdue diteruskan selepas perang. Pada bulan Jun 1947, Benzer, sudah menjadi profesor, melaporkan anomali luar biasa: dalam beberapa eksperimen, ayunan frekuensi tinggi muncul dalam kristal germanium. Dan rakannya Ralph Bray terus mengkaji "rintangan volumetrik" pada projek yang dimulakan semasa perang. Rintangan isipadu menerangkan bagaimana elektrik mengalir dalam kristal germanium pada titik sentuhan penerus. Bray mendapati bahawa denyutan voltan tinggi secara ketara mengurangkan rintangan germanium jenis-n terhadap arus ini. Tanpa disedari, dia menyaksikan kononnya. pembawa caj "minoriti". Dalam semikonduktor jenis-n, lebihan cas negatif berfungsi sebagai pembawa cas majoriti, tetapi "lubang" positif juga boleh membawa arus, dan dalam kes ini, denyutan voltan tinggi mencipta lubang dalam struktur germanium, menyebabkan pembawa cas minoriti muncul. .
Bray dan Benzer menghampiri penguat germanium tanpa disedari. Benzer menangkap Walter Brattain, seorang saintis Bell Labs, pada persidangan pada Januari 1948 untuk membincangkan seretan volumetrik dengannya. Dia mencadangkan agar Brattain meletakkan satu lagi sentuhan titik di sebelah yang pertama yang boleh mengalirkan arus, dan kemudian mereka mungkin dapat memahami apa yang berlaku di bawah permukaan. Brattain secara senyap bersetuju dengan cadangan ini dan pergi. Seperti yang akan kita lihat, dia tahu dengan baik apa yang boleh didedahkan oleh eksperimen sedemikian.
Oney-sous-Bois
Kumpulan Purdue mempunyai kedua-dua teknologi dan asas teori untuk membuat lonjakan ke arah transistor. Tetapi mereka hanya boleh terjumpanya secara tidak sengaja. Mereka berminat dengan sifat fizikal bahan, dan bukan dalam mencari jenis peranti baharu. Situasi yang sangat berbeza berlaku di Aunes-sous-Bois (Perancis), di mana dua bekas penyelidik radar dari Jerman, Heinrich Welker dan Herbert Mathare, mengetuai pasukan yang matlamatnya adalah untuk mencipta peranti semikonduktor industri.
Welker mula-mula belajar dan kemudian mengajar fizik di Universiti Munich, dikendalikan oleh ahli teori terkenal Arnold Sommerfeld. Sejak 1940, dia meninggalkan jalan teori semata-mata dan mula bekerja pada radar untuk Luftwaffe. Mathare (berasal dari Belgium) dibesarkan di Aachen, tempat dia belajar fizik. Beliau menyertai jabatan penyelidikan gergasi radio Jerman Telefunken pada tahun 1939. Semasa perang, dia memindahkan kerjanya dari Berlin ke timur ke biara di Silesia untuk mengelakkan serangan udara Bersekutu, dan kemudian kembali ke barat untuk mengelakkan Tentera Merah yang sedang mara, akhirnya jatuh ke tangan tentera Amerika.
Seperti pesaing mereka dalam Gabungan Anti-Hitler, Jerman tahu pada awal 1940-an bahawa pengesan kristal adalah penerima yang sesuai untuk radar, dan silikon dan germanium adalah bahan yang paling menjanjikan untuk penciptaan mereka. Mathare dan Welker cuba semasa perang untuk meningkatkan penggunaan bahan-bahan ini dengan cekap dalam penerus. Selepas perang, kedua-duanya tertakluk kepada soal siasat berkala mengenai kerja ketenteraan mereka, dan akhirnya menerima jemputan daripada pegawai perisikan Perancis ke Paris pada tahun 1946.
Compagnie des Freins & Signaux ("syarikat brek dan isyarat"), bahagian Westinghouse Perancis, menerima kontrak daripada pihak berkuasa telefon Perancis untuk mencipta penerus keadaan pepejal dan meminta saintis Jerman untuk membantu mereka. Perikatan musuh baru-baru ini mungkin kelihatan aneh, tetapi susunan ini ternyata agak menguntungkan kedua-dua pihak. Orang Perancis, yang dikalahkan pada tahun 1940, tidak mempunyai keupayaan untuk mendapatkan pengetahuan dalam bidang semikonduktor, dan mereka sangat memerlukan kemahiran orang Jerman. Orang Jerman tidak dapat menjalankan pembangunan dalam mana-mana bidang berteknologi tinggi di negara yang diduduki dan dilanda perang, jadi mereka mengambil peluang untuk terus bekerja.
Welker dan Mathare menubuhkan ibu pejabat di sebuah rumah dua tingkat di pinggir bandar Aunes-sous-Bois di Paris, dan dengan bantuan pasukan juruteknik, mereka berjaya melancarkan penerus germanium pada akhir tahun 1947. Kemudian mereka beralih kepada yang lebih serius hadiah: Welker kembali kepada minatnya dalam superkonduktor, dan Mathare kepada penguat.
Herbert Mathare pada tahun 1950
Semasa perang, Mathare bereksperimen dengan penerus sesentuh dua titik—“duodeodes”—dalam usaha untuk mengurangkan bunyi litar. Dia menyambung semula eksperimennya dan tidak lama kemudian mendapati bahawa misai kucing kedua, terletak 1/100 juta meter dari yang pertama, kadangkala boleh memodulasi arus yang mengalir melalui misai pertama. Dia mencipta penguat keadaan pepejal, walaupun yang agak tidak berguna. Untuk mencapai prestasi yang lebih dipercayai, dia beralih kepada Welker, yang telah memperoleh pengalaman luas bekerja dengan kristal germanium semasa perang. Pasukan Welker bertambah besar, sampel kristal germanium yang lebih tulen, dan apabila kualiti bahan bertambah baik, penguat sesentuh titik Mathare menjadi dipercayai menjelang Jun 1948.
Imej X-ray "transitron" berdasarkan litar Mathare, yang mempunyai dua titik hubungan dengan germanium
Mathare juga mempunyai model teori tentang apa yang berlaku: dia percaya bahawa kenalan kedua membuat lubang di germanium, mempercepatkan laluan arus melalui sentuhan pertama, membekalkan pembawa caj minoriti. Welker tidak bersetuju dengannya, dan percaya bahawa apa yang berlaku bergantung pada beberapa jenis kesan medan. Walau bagaimanapun, sebelum mereka dapat menyelesaikan peranti atau teori itu, mereka mengetahui bahawa sekumpulan rakyat Amerika telah membangunkan konsep yang sama - penguat germanium dengan dua titik sesentuh - enam bulan lebih awal.
Bukit Murray
Pada penghujung perang, Mervyn Kelly memperbaharui kumpulan penyelidikan semikonduktor Bell Labs yang diketuai oleh Bill Shockley. Projek itu berkembang, menerima lebih banyak pembiayaan, dan berpindah dari bangunan makmal asalnya di Manhattan ke kampus yang berkembang di Murray Hill, New Jersey.
Kampus Murray Hill, ca. 1960
Untuk membiasakan semula dirinya dengan semikonduktor maju (selepas masanya dalam penyelidikan operasi semasa perang), Shockley melawat makmal Holmdel Russell Ohl pada musim bunga tahun 1945. Ohl menghabiskan tahun-tahun perang bekerja pada silikon dan tidak membuang masa. Dia menunjukkan kepada Shockley penguat mentah binaannya sendiri, yang dipanggilnya "desister." Dia mengambil penerus sesentuh titik silikon dan menghantar arus daripada bateri melaluinya. Nampaknya, haba daripada bateri mengurangkan rintangan merentasi titik sentuhan, dan menukar penerus menjadi penguat yang mampu menghantar isyarat radio masuk ke litar yang cukup kuat untuk menghidupkan pembesar suara
Kesannya adalah kasar dan tidak boleh dipercayai, tidak sesuai untuk pengkomersilan. Walau bagaimanapun, ia sudah cukup untuk mengesahkan pendapat Shockley bahawa adalah mungkin untuk mencipta penguat semikonduktor, dan ini harus dijadikan keutamaan untuk penyelidikan dalam bidang elektronik keadaan pepejal. Pertemuan dengan pasukan Ola ini juga yang meyakinkan Shockley bahawa silikon dan germanium harus dikaji terlebih dahulu. Mereka mempamerkan sifat elektrik yang menarik, dan rakan-rakan ahli metalurgi Ohl, Jack Skaff dan Henry Theurer telah mencapai kejayaan yang menakjubkan dalam mengembangkan, menulen, dan mendoping kristal ini semasa perang, mengatasi semua teknologi yang tersedia untuk bahan semikonduktor lain. Kumpulan Shockley tidak akan membuang masa lagi pada penguat tembaga oksida sebelum perang.
Dengan bantuan Kelly, Shockley mula memasang pasukan baharu. Pemain utama termasuk Walter Brattain, yang membantu Shockley dengan percubaan pertamanya pada penguat keadaan pepejal (pada tahun 1940), dan John Bardeen, seorang ahli fizik muda dan pekerja Bell Labs yang baharu. Bardeen mungkin mempunyai pengetahuan yang paling luas tentang fizik keadaan pepejal daripada mana-mana ahli pasukan-disertasinya menerangkan tahap tenaga elektron dalam struktur logam natrium. Dia juga seorang lagi anak didik John Hasbrouck Van Vleck, seperti Atanasov dan Brattain.
Dan seperti Atanasov, disertasi Bardeen dan Shockley memerlukan pengiraan yang sangat kompleks. Mereka terpaksa menggunakan teori mekanik kuantum semikonduktor, yang ditakrifkan oleh Alan Wilson, untuk mengira struktur tenaga bahan menggunakan kalkulator desktop Monroe. Dengan membantu mencipta transistor, mereka, sebenarnya, menyumbang untuk menyelamatkan pelajar siswazah masa depan daripada kerja sedemikian.
Pendekatan pertama Shockley terhadap penguat keadaan pepejal bergantung pada apa yang kemudiannya dipanggil "". Dia menggantung plat logam di atas semikonduktor jenis-n (dengan lebihan cas negatif). Memakai cas positif pada plat menarik lebihan elektron ke permukaan kristal, mewujudkan sungai cas negatif yang melaluinya arus elektrik boleh mengalir dengan mudah. Isyarat yang diperkuatkan (diwakili oleh paras cas pada wafer) dengan cara ini boleh memodulasi litar utama (melepasi sepanjang permukaan semikonduktor). Kecekapan skim ini telah dicadangkan kepadanya oleh pengetahuan teori fiziknya. Tetapi, walaupun banyak eksperimen dan eksperimen, skema itu tidak pernah berhasil.
Menjelang Mac 1946, Bardeen telah mencipta teori yang dibangunkan dengan baik yang menjelaskan sebabnya: permukaan semikonduktor pada tahap kuantum berkelakuan berbeza daripada bahagian dalam. Caj negatif yang ditarik ke permukaan akan terperangkap dalam "keadaan permukaan" dan menghalang medan elektrik daripada menembusi plat ke dalam bahan. Selebihnya pasukan mendapati analisis ini menarik, dan melancarkan program penyelidikan baharu di sepanjang tiga laluan:
- Buktikan kewujudan keadaan permukaan.
- Kaji sifat-sifat mereka.
- Fikirkan cara untuk mengalahkan mereka dan lakukannya .
Selepas satu setengah tahun penyelidikan dan eksperimen, pada 17 November 1947, Brattain membuat satu kejayaan. Dia mendapati bahawa jika dia meletakkan cecair berisi ion, seperti air, di antara wafer dan semikonduktor, medan elektrik dari wafer akan menolak ion ke arah semikonduktor, di mana ia akan meneutralkan cas yang terperangkap dalam keadaan permukaan. Kini dia boleh mengawal kelakuan elektrik sekeping silikon dengan menukar cas pada wafer. Kejayaan ini memberi Bardeen idea untuk pendekatan baharu untuk mencipta penguat: kelilingi titik sentuhan penerus dengan air elektrolit, dan kemudian gunakan wayar kedua di dalam air untuk mengawal keadaan permukaan, dan dengan itu mengawal tahap kekonduksian utama. kenalan. Jadi Bardeen dan Brattain sampai ke garisan penamat.
Idea Bardeen berjaya, tetapi amplifikasinya lemah dan beroperasi pada frekuensi yang sangat rendah tidak boleh diakses oleh telinga manusia - jadi ia tidak berguna sebagai penguat telefon atau radio. Bardeen mencadangkan beralih kepada germanium kalis voltan terbalik yang dihasilkan di Purdue, percaya bahawa lebih sedikit cas akan terkumpul di permukaannya. Tiba-tiba mereka menerima peningkatan yang kuat, tetapi dalam arah yang bertentangan dari apa yang dijangkakan. Mereka menemui kesan pembawa minoriti - bukannya elektron yang dijangkakan, arus yang mengalir melalui germanium telah dikuatkan oleh lubang yang datang dari elektrolit. Arus pada wayar dalam elektrolit mencipta lapisan jenis-p (kawasan lebihan cas positif) pada permukaan germanium jenis-n.
Eksperimen seterusnya menunjukkan bahawa tiada elektrolit diperlukan sama sekali: hanya dengan meletakkan dua titik hubungan rapat pada permukaan germanium, adalah mungkin untuk memodulasi arus dari salah satu daripada mereka ke arus pada yang lain. Untuk membawanya sedekat mungkin, Brattain membungkus sekeping kerajang emas di sekeliling sekeping plastik segi tiga dan kemudian memotong kerajang itu dengan berhati-hati di hujungnya. Kemudian, dengan menggunakan spring, dia menekan segitiga terhadap germanium, akibatnya kedua-dua tepi potongan itu menyentuh permukaannya pada jarak 0,05 mm. Ini memberikan prototaip transistor Bell Labs penampilan tersendiri:
Prototaip transistor Brattain dan Bardeen
Seperti peranti Mathare dan Welker, ia pada dasarnya adalah "misai kucing" klasik, hanya dengan dua titik sentuhan dan bukannya satu. Pada 16 Disember, ia menghasilkan peningkatan yang ketara dalam kuasa dan voltan, dan frekuensi 1000 Hz dalam julat boleh didengar. Seminggu kemudian, selepas penambahbaikan kecil, Bardeen dan Brattain telah meningkatkan voltan sebanyak 100 kali dan kuasa sebanyak 40 kali, dan menunjukkan kepada pengarah Bell bahawa peranti mereka boleh menghasilkan pertuturan yang boleh didengar. John Pierce, seorang lagi ahli pasukan pembangunan keadaan pepejal, mencipta istilah "transistor" selepas nama penerus kuprum oksida Bell, varistor.
Untuk enam bulan akan datang, makmal merahsiakan ciptaan baharu itu. Pihak pengurusan mahu memastikan mereka mula mengomersialkan transistor sebelum orang lain mendapatkannya. Satu sidang akhbar telah dijadualkan pada 30 Jun 1948, tepat pada masanya untuk menghancurkan impian keabadian Welker dan Mathare. Sementara itu, kumpulan penyelidikan semikonduktor secara senyap-senyap runtuh. Selepas mendengar tentang pencapaian Bardeen dan Brattain, bos mereka, Bill Shockley, mula berusaha untuk mengambil semua kredit untuk dirinya sendiri. Dan walaupun dia hanya memainkan peranan pemerhatian, Shockley menerima publisiti yang sama, jika tidak lebih, dalam pembentangan awam - seperti yang dilihat dalam foto yang dikeluarkan ini dalam aksi yang tebal, betul-betul di sebelah bangku makmal:
Foto publisiti 1948 - Bardeen, Shockley dan Brattain
Walau bagaimanapun, kemasyhuran yang sama tidak mencukupi untuk Shockley. Dan sebelum sesiapa di luar Bell Labs mengetahui tentang transistor, dia sibuk mencipta semula untuk dirinya sendiri. Dan ini hanyalah yang pertama daripada banyak penciptaan semula sedemikian.
Apa lagi yang perlu dibaca
- Robert Buderi, Ciptaan yang Mengubah Dunia (1996)
- Michael Riordan, "How Europe Missed the Transistor," IEEE Spectrum (1 Nov. 2005)
- Michael Riordan dan Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
- Armand Van Dormael, "Transistor 'Perancis'," (1994)
Sumber: www.habr.com