Andere artikelen in de serie:
- Geschiedenis van het relais
- Geschiedenis van elektronische computers
- Geschiedenis van de transistor
- Internetgeschiedenis
De smeltkroes van de oorlog vormde de weg voor de komst van de transistor. Van 1939 tot 1945 nam de technische kennis op het gebied van halfgeleiders enorm toe. En daar was één simpele reden voor: radar. De belangrijkste oorlogstechnologie, waarvan voorbeelden zijn: het detecteren van luchtaanvallen, het zoeken naar onderzeeërs, het richten van nachtelijke luchtaanvallen op doelen, het richten op luchtverdedigingssystemen en scheepsgeschut. Ingenieurs hebben zelfs geleerd hoe ze kleine radars in artilleriegranaten kunnen plaatsen, zodat ze ontploffen als ze dichtbij het doel vliegen - . De bron van deze krachtige nieuwe militaire technologie lag echter op een vreedzamer terrein: de studie van de hogere atmosfeer voor wetenschappelijke doeleinden.
radar
In 1901 stuurde de Marconi Wireless Telegraph Company met succes een draadloos bericht over de Atlantische Oceaan, van Cornwall naar Newfoundland. Dit feit heeft de moderne wetenschap in verwarring gebracht. Als radiotransmissies zich in een rechte lijn voortplanten (zoals het hoort), zou een dergelijke transmissie onmogelijk moeten zijn. Er is geen directe zichtlijn tussen Engeland en Canada die de aarde niet doorkruist, dus Marconi's boodschap moest de ruimte in vliegen. De Amerikaanse ingenieur Arthur Kennealy en de Britse natuurkundige Oliver Heaviside stelden tegelijkertijd en onafhankelijk van elkaar voor dat de verklaring voor dit fenomeen geassocieerd moet worden met een laag geïoniseerd gas in de bovenste atmosfeer, die in staat is radiogolven terug naar de aarde te reflecteren (Marconi zelf geloofde dat radiogolven volgen de kromming van het aardoppervlak, maar natuurkundigen ondersteunden dit niet).
Tegen de jaren twintig hadden wetenschappers nieuwe apparatuur ontwikkeld die het mogelijk maakte eerst het bestaan van de ionosfeer te bewijzen en vervolgens de structuur ervan te bestuderen. Ze gebruikten vacuümbuizen om kortegolfradiopulsen te genereren, gerichte antennes om ze de atmosfeer in te sturen en de echo's op te nemen, en om de resultaten aan te tonen. Hoe langer de echo-terugkeervertraging, hoe verder weg de ionosfeer moet zijn. Deze technologie werd atmosferisch klinken genoemd en leverde de technische basisinfrastructuur voor de ontwikkeling van radar (de term "radar", van RAdio Detection And Ranging, verscheen pas in de jaren veertig bij de Amerikaanse marine).
Het was slechts een kwestie van tijd voordat mensen met de juiste kennis, middelen en motivatie het potentieel voor terrestrische toepassingen van dergelijke apparatuur beseften (de geschiedenis van de radar is dus het tegenovergestelde van de geschiedenis van de telescoop, die oorspronkelijk bedoeld was voor gebruik op aarde) . En de waarschijnlijkheid van een dergelijk inzicht nam toe naarmate de radio zich steeds verder over de planeet verspreidde, en steeds meer mensen interferentie opmerkten afkomstig van nabijgelegen schepen, vliegtuigen en andere grote objecten. Kennis van technologieën voor het klinken van de hogere atmosfeer verspreidde zich tijdens de tweede (1932-1933), toen wetenschappers een kaart van de ionosfeer samenstelden vanuit verschillende Arctische stations. Kort daarna ontwikkelden teams in Groot-Brittannië, de VS, Duitsland, Italië, de USSR en andere landen hun eenvoudigste radarsystemen.
met zijn radar uit 1935
Toen brak de oorlog uit en het belang van radars voor landen – en de middelen om deze te ontwikkelen – nam dramatisch toe. In de Verenigde Staten verzamelden deze middelen zich rond een nieuwe organisatie, opgericht in 1940 aan het MIT, bekend als (het werd zo specifiek genoemd om buitenlandse spionnen te misleiden en de indruk te wekken dat radioactiviteit in het laboratorium werd bestudeerd - in die tijd geloofden maar weinig mensen in atoombommen). Het Rad Lab-project, dat niet zo beroemd werd als het Manhattan Project, rekruteerde niettemin even uitmuntende en getalenteerde natuurkundigen uit de hele Verenigde Staten in zijn gelederen. Vijf van de eerste medewerkers van het laboratorium (waaronder и ) ontving vervolgens Nobelprijzen. Tegen het einde van de oorlog werkten er ongeveer 500 artsen, wetenschappers en ingenieurs in het laboratorium, en in totaal werkten er 4000 mensen. Een half miljoen dollar – vergelijkbaar met het gehele ENIAC-budget – werd alleen al aan de Radiation Laboratory Series uitgegeven, een verslag in zevenentwintig delen van alle kennis die tijdens de oorlog in het laboratorium was opgedaan (hoewel de uitgaven van de Amerikaanse overheid aan radartechnologie niet beperkt waren aan het Rad Lab-budget; tijdens de oorlog kocht de regering voor drie miljard dollar aan radars).
MIT-gebouw 20, waar het Rad Lab was gevestigd
Een van de belangrijkste onderzoeksgebieden van het Rad Lab was hoogfrequente radar. Vroege radars gebruikten golflengten gemeten in meters. Maar stralen met een hogere frequentie en golflengten gemeten in centimeters (microgolven) maakten compactere antennes mogelijk en waren minder verspreid over lange afstanden, wat grotere voordelen op het gebied van bereik en nauwkeurigheid beloofde. Microgolfradars zouden in de neus van een vliegtuig kunnen passen en objecten kunnen detecteren ter grootte van de periscoop van een onderzeeër.
De eerste die dit probleem oploste was een team van Britse natuurkundigen van de Universiteit van Birmingham. In 1940 ontwikkelden ze "“, dat werkte als een elektromagnetisch ‘fluit’, waarbij een willekeurige elektriciteitspuls werd omgezet in een krachtige en nauwkeurig afgestemde straal microgolven. Deze microgolfzender was duizend keer krachtiger dan zijn naaste concurrent; het maakte de weg vrij voor praktische hoogfrequente radarzenders. Hij had echter een metgezel nodig, een ontvanger die hoge frequenties kon detecteren. En op dit punt keren we terug naar de geschiedenis van halfgeleiders.
Magnetron-doorsnede
De tweede komst van de snorhaar van de kat
Het bleek dat vacuümbuizen helemaal niet geschikt waren voor het ontvangen van microgolfradarsignalen. De opening tussen de hete kathode en de koude anode creëert een capaciteit, waardoor het circuit weigert te werken op hoge frequenties. De beste technologie die beschikbaar was voor hoogfrequente radar was de ouderwetse ""- een klein stukje draad dat tegen een halfgeleiderkristal wordt gedrukt. Verschillende mensen hebben dit onafhankelijk van elkaar ontdekt, maar het dichtst bij ons verhaal komt wat er in New Jersey gebeurde.
In 1938 sloot Bell Labs een contract met de marine om een vuurleidingsradar te ontwikkelen in het bereik van 40 cm - veel korter en daarom hoger in frequentie dan bestaande radars in het pre-resonante magnetrontijdperk. Het belangrijkste onderzoekswerk ging naar een afdeling van laboratoria in Holmdel, ten zuiden van Staten Island. Het duurde niet lang voordat de onderzoekers erachter kwamen wat ze nodig hadden voor een hoogfrequente ontvanger, en al snel doorzocht ingenieur George Southworth radiowinkels in Manhattan op zoek naar oude kattensnorkeldetectoren. Zoals verwacht werkte deze veel beter dan de lampdetector, maar hij was onstabiel. Dus zocht Southworth een elektrochemicus genaamd Russell Ohl op en vroeg hem om te proberen de uniformiteit van de respons van een enkelpunts kristaldetector te verbeteren.
Ol was een nogal eigenaardig persoon, die de ontwikkeling van de technologie als zijn lot beschouwde en sprak over periodieke inzichten met toekomstvisies. Hij verklaarde bijvoorbeeld dat hij in 1939 op de hoogte was van de toekomstige uitvinding van een siliciumversterker, maar dat het lot voorbestemd was dat iemand anders deze zou uitvinden. Na tientallen opties te hebben bestudeerd, kwam hij tot silicium als de beste stof voor Southworth-ontvangers. Het probleem was het vermogen om de inhoud van het materiaal te beheersen en de elektrische eigenschappen ervan te beheersen. In die tijd waren industriële siliciumstaven wijdverspreid; ze werden gebruikt in staalfabrieken, maar bij dergelijke productie had niemand last van bijvoorbeeld het gehalte van 1% fosfor in silicium. Ol riep de hulp in van een paar metallurgen en probeerde veel schonere stukken materiaal te verkrijgen dan voorheen mogelijk was geweest.
Terwijl ze aan het werk waren, ontdekten ze dat sommige van hun kristallen de stroom in de ene richting gelijkrichtten, terwijl andere de stroom in de andere richting gelijkrichtten. Ze noemden ze "n-type" en "p-type". Verdere analyse toonde aan dat verschillende soorten onzuiverheden verantwoordelijk waren voor deze soorten. Silicium staat in de vierde kolom van het periodiek systeem, wat betekent dat het vier elektronen in de buitenste schil heeft. In een blanco stuk puur silicium zou elk van deze elektronen zich combineren met een buurman. Onzuiverheden uit de derde kolom, bijvoorbeeld boor, die één elektron minder heeft, creëerden een ‘gat’, extra ruimte voor stroombeweging in het kristal. Het resultaat was een halfgeleider van het p-type (met een overmaat aan positieve ladingen). Elementen uit de vijfde kolom, zoals fosfor, zorgden voor extra vrije elektronen om stroom te geleiden, en er werd een n-type halfgeleider verkregen.
Kristalstructuur van silicium
Al dit onderzoek was erg interessant, maar in 1940 waren Southworth en Ohl niet dichter bij het creëren van een werkend prototype van een hoogfrequente radar. Tegelijkertijd eiste de Britse regering onmiddellijke praktische resultaten vanwege de dreigende dreiging van de Luftwaffe, die al kant-en-klare microgolfdetectoren had gemaakt die samenwerkten met magnetronzenders.
De balans van de technologische vooruitgang zal echter spoedig naar de westelijke kant van de Atlantische Oceaan kantelen. Churchill besloot alle technische geheimen van Groot-Brittannië aan de Amerikanen te onthullen voordat hij daadwerkelijk aan de oorlog deelnam (aangezien hij ervan uitging dat dit hoe dan ook zou gebeuren). Hij geloofde dat het het risico van het lekken van informatie waard was, omdat dan alle industriële capaciteiten van de Verenigde Staten zouden worden ingezet voor het oplossen van problemen zoals atoomwapens en radars. British Science and Technology Mission (beter bekend als ) arriveerde in september 1940 in Washington en bracht in haar bagage een geschenk in de vorm van technologische wonderen mee.
De ontdekking van de ongelooflijke kracht van de resonante magnetron en de effectiviteit van Britse kristaldetectoren bij het ontvangen van het signaal ervan heeft het Amerikaanse onderzoek naar halfgeleiders als basis van hoogfrequente radar nieuw leven ingeblazen. Er was veel werk te doen, vooral op het gebied van de materiaalkunde. Om aan de vraag te voldoen moesten er “met miljoenen halfgeleiderkristallen worden geproduceerd, veel meer dan voorheen mogelijk was. Het was noodzakelijk om de rectificatie te verbeteren, de schokgevoeligheid en het inbranden te verminderen en de variatie tussen verschillende batches kristallen te minimaliseren.”
Silicium puntcontactgelijkrichter
Het Rad Lab heeft nieuwe onderzoeksafdelingen geopend om de eigenschappen van halfgeleiderkristallen te bestuderen en hoe deze kunnen worden aangepast om waardevolle ontvangereigenschappen te maximaliseren. De meest veelbelovende materialen waren silicium en germanium, dus besloot het Rad Lab op safe te spelen en lanceerde parallelle programma's om beide te bestuderen: silicium aan de Universiteit van Pennsylvania en germanium in Purdue. Industriegiganten als Bell, Westinghouse, Du Pont en Sylvania begonnen hun eigen halfgeleideronderzoeksprogramma's en begonnen nieuwe productiefaciliteiten voor kristaldetectoren te ontwikkelen.
Door gezamenlijke inspanningen werd de zuiverheid van silicium- en germaniumkristallen verhoogd van 99% in het begin naar 99,999% - dat wil zeggen naar één onzuiverheidsdeeltje per 100 atomen. Daarbij maakte een groep wetenschappers en ingenieurs kennis met de abstracte eigenschappen van germanium en silicium en paste technologieën toe om deze te controleren: smelten, kristallen laten groeien, de noodzakelijke onzuiverheden toevoegen (zoals boor, wat de geleidbaarheid verhoogde).
En toen eindigde de oorlog. De vraag naar radar verdween, maar de tijdens de oorlog opgedane kennis en vaardigheden bleven bestaan en de droom van een solid-state versterker werd niet vergeten. Nu was het de race om zo'n versterker te maken. En zeker drie teams waren in een goede positie om deze prijs te winnen.
West-Lafayette
De eerste was een groep van de Purdue Universiteit onder leiding van een in Oostenrijk geboren natuurkundige genaamd Carl Lark-Horowitz. Hij bracht in zijn eentje de natuurkundeafdeling van de universiteit uit de vergetelheid door zijn talent en invloed en beïnvloedde de beslissing van het Rad Lab om zijn laboratorium germaniumonderzoek toe te vertrouwen.
Carl Lark-Horowitz in 1947, midden, met een pijp in zijn hand
Aan het begin van de jaren veertig werd silicium beschouwd als het beste materiaal voor radargelijkrichters, maar het materiaal net daaronder in het periodiek systeem leek ook de moeite van verder onderzoek waard. Germanium had een praktisch voordeel vanwege het lagere smeltpunt, waardoor het makkelijker was om mee te werken: ongeveer 1940 graden, vergeleken met 940 graden voor silicium (bijna hetzelfde als staal). Vanwege het hoge smeltpunt was het uiterst moeilijk om een plano te maken die niet in het gesmolten silicium zou lekken en dit zou vervuilen.
Daarom hebben Lark-Horowitz en zijn collega's de hele oorlog de chemische, elektrische en fysische eigenschappen van germanium bestudeerd. Het belangrijkste obstakel was de ‘sperspanning’: germaniumgelijkrichters stopten bij een zeer lage spanning met het gelijkrichten van de stroom en lieten deze in de tegenovergestelde richting stromen. De tegenstroompuls verbrandde de resterende componenten van de radar. Een van de afgestudeerde studenten van Lark-Horowitz, Seymour Benzer, bestudeerde dit probleem meer dan een jaar en ontwikkelde uiteindelijk een op tin gebaseerd additief dat tegengestelde pulsen stopte bij spanningen tot honderden volt. Kort daarna begon Western Electric, de productiedivisie van Bell Labs, Benzer-gelijkrichters uit te geven voor militair gebruik.
De studie van germanium in Purdue werd na de oorlog voortgezet. In juni 1947 rapporteerde Benzer, toen al professor, een ongebruikelijke anomalie: bij sommige experimenten verschenen hoogfrequente oscillaties in germaniumkristallen. En zijn collega Ralph Bray ging door met het bestuderen van ‘volumetrische weerstand’ tijdens een project dat tijdens de oorlog was begonnen. Volumeweerstand beschreef hoe elektriciteit in het germaniumkristal stroomt op het contactpunt van de gelijkrichter. Bray ontdekte dat hoogspanningspulsen de weerstand van n-type germanium tegen deze stromen aanzienlijk verminderden. Zonder het te weten was hij getuige van de zogenaamde. "minderheids"-ladingdragers. In halfgeleiders van het n-type fungeert de overtollige negatieve lading als de meerderheidsladingsdrager, maar positieve "gaten" kunnen ook stroom geleiden, en in dit geval creëerden de hoogspanningspulsen gaten in de germaniumstructuur, waardoor er minderheidsladingsdragers verschenen. .
Bray en Benzer kwamen verleidelijk dicht bij de germaniumversterker zonder het te beseffen. Benzer betrapte Walter Brattain, een wetenschapper van Bell Labs, op een conferentie in januari 1948 om de volumetrische weerstand met hem te bespreken. Hij stelde voor dat Brattain naast het eerste een ander puntcontact plaatste dat stroom kon geleiden, zodat ze misschien konden begrijpen wat er onder de oppervlakte gebeurde. Brattain stemde stilletjes in met dit voorstel en vertrok. Zoals we zullen zien, wist hij maar al te goed wat een dergelijk experiment zou kunnen onthullen.
Onet-sous-Bois
De Purdue-groep beschikte over zowel de technologie als de theoretische basis om de sprong naar de transistor te maken. Maar ze konden er slechts per ongeluk op gestuit zijn. Ze waren geïnteresseerd in de fysieke eigenschappen van het materiaal, en niet in de zoektocht naar een nieuw type apparaat. Een heel andere situatie deed zich voor in Aunes-sous-Bois (Frankrijk), waar twee voormalige radaronderzoekers uit Duitsland, Heinrich Welker en Herbert Mathare, een team leidden dat tot doel had industriële halfgeleiderapparaten te maken.
Welker studeerde eerst en doceerde vervolgens natuurkunde aan de Universiteit van München, geleid door de beroemde theoreticus Arnold Sommerfeld. Sinds 1940 verliet hij een puur theoretisch pad en begon hij te werken aan een radar voor de Luftwaffe. Mathare (van Belgische afkomst) groeide op in Aken, waar hij natuurkunde studeerde. In 1939 trad hij in dienst bij de onderzoeksafdeling van de Duitse radiogigant Telefunken. Tijdens de oorlog verplaatste hij zijn werk van Berlijn naar het oosten naar de abdij in Silezië om geallieerde luchtaanvallen te vermijden, en vervolgens terug naar het westen om het oprukkende Rode Leger te ontwijken, en viel uiteindelijk in handen van het Amerikaanse leger.
Net als hun rivalen in de Anti-Hitler Coalitie wisten de Duitsers begin jaren veertig dat kristaldetectoren ideale radarontvangers waren, en dat silicium en germanium de meest veelbelovende materialen waren voor hun creatie. Mathare en Welker probeerden tijdens de oorlog het efficiënte gebruik van deze materialen in gelijkrichters te verbeteren. Na de oorlog werden beiden onderworpen aan periodieke ondervragingen over hun militaire werk, en uiteindelijk kregen ze in 1940 een uitnodiging van een Franse inlichtingenofficier om naar Parijs te komen.
Compagnie des Freins & Signaux ("bedrijf van remmen en signalen"), een Franse divisie van Westinghouse, ontving een contract van de Franse telefoonautoriteit om halfgeleidergelijkrichters te maken en zocht Duitse wetenschappers om hen te helpen. Zo'n alliantie van recente vijanden lijkt misschien vreemd, maar deze regeling bleek voor beide partijen behoorlijk gunstig te zijn. De Fransen, die in 1940 werden verslagen, hadden geen mogelijkheid om kennis op te doen op het gebied van halfgeleiders, en ze hadden de vaardigheden van de Duitsers hard nodig. De Duitsers konden op geen enkel hightechgebied ontwikkeling doorvoeren in een bezet en door oorlog verscheurd land, dus grepen ze de kans aan om te blijven werken.
Welker en Mathare richtten hun hoofdkwartier op in een huis van twee verdiepingen in de Parijse buitenwijk Aunes-sous-Bois, en met de hulp van een team van technici lanceerden ze eind 1947 met succes germaniumgelijkrichters. Daarna gingen ze over op serieuzere oplossingen. prijzen: Welker keerde terug naar zijn interesse in supergeleiders, en Mathare naar versterkers.
Herbert Mathare in 1950
Tijdens de oorlog experimenteerde Mathare met tweepuntscontactgelijkrichters – ‘duodeodes’ – in een poging circuitruis te verminderen. Hij hervatte zijn experimenten en ontdekte al snel dat de snorhaar van een tweede kat, die zich op 1/100 miljoenste van een meter van de eerste bevond, soms de stroom die door de eerste snorhaar vloeide, kon moduleren. Hij creëerde een solid-state versterker, zij het een nogal nutteloze. Om betrouwbaardere prestaties te bereiken, wendde hij zich tot Welker, die tijdens de oorlog uitgebreide ervaring had opgedaan met het werken met germaniumkristallen. Welker's team kweekte grotere, zuiverdere monsters van germaniumkristallen, en naarmate de kwaliteit van het materiaal verbeterde, werden Mathare-puntcontactversterkers in juni 1948 betrouwbaar.
Röntgenfoto van een "transistron" gebaseerd op het Mathare-circuit, dat twee contactpunten heeft met germanium
Mathare had zelfs een theoretisch model van wat er gebeurde: hij geloofde dat het tweede contact gaten in het germanium maakte, waardoor de stroom door het eerste contact versnelde en minderheidsladingsdragers werden gevoed. Welker was het niet met hem eens en geloofde dat wat er gebeurde afhankelijk was van een of ander veldeffect. Maar voordat ze het apparaat of de theorie konden uitwerken, kwamen ze erachter dat een groep Amerikanen zes maanden eerder precies hetzelfde concept had ontwikkeld: een germaniumversterker met twee puntcontacten.
Murray Heuvel
Aan het einde van de oorlog hervormde Mervyn Kelly de halfgeleideronderzoeksgroep van Bell Labs onder leiding van Bill Shockley. Het project groeide, kreeg meer financiering en verhuisde van het oorspronkelijke laboratoriumgebouw in Manhattan naar een groeiende campus in Murray Hill, New Jersey.
Murray Hill-campus, ca. 1960
Om opnieuw kennis te maken met geavanceerde halfgeleiders (na zijn tijd in operationeel onderzoek tijdens de oorlog), bezocht Shockley in het voorjaar van 1945 het Holmdel-laboratorium van Russell Ohl. Ohl bracht de oorlogsjaren door met het werken aan silicium en verspilde geen tijd. Hij liet Shockley een ruwe versterker van zijn eigen constructie zien, die hij een ‘desister’ noemde. Hij nam een silicium puntcontactgelijkrichter en stuurde er stroom van de batterij doorheen. Blijkbaar verminderde de hitte van de batterij de weerstand over het contactpunt en veranderde de gelijkrichter in een versterker die inkomende radiosignalen naar een circuit kon sturen dat krachtig genoeg was om een luidspreker van stroom te voorzien.
Het effect was grof en onbetrouwbaar, ongeschikt voor commercialisering. Het was echter voldoende om Shockley's mening te bevestigen dat het mogelijk was een halfgeleiderversterker te maken, en dat dit een prioriteit moest worden gemaakt voor onderzoek op het gebied van solid-state elektronica. Het was ook deze ontmoeting met Ola's team die Shockley ervan overtuigde dat silicium en germanium eerst bestudeerd moesten worden. Ze vertoonden aantrekkelijke elektrische eigenschappen, en Ohl's collega-metallurgen Jack Skaff en Henry Theurer hadden tijdens de oorlog verbazingwekkende successen geboekt bij het kweken, zuiveren en doteren van deze kristallen, waarmee ze alle beschikbare technologieën voor andere halfgeleidermaterialen overtroffen. Shockley's groep was niet van plan nog meer tijd te verspillen aan vooroorlogse koperoxideversterkers.
Met de hulp van Kelly begon Shockley een nieuw team samen te stellen. Belangrijke spelers waren onder meer Walter Brattain, die Shockley hielp bij zijn eerste poging tot een solid-state versterker (in 1940), en John Bardeen, een jonge natuurkundige en nieuwe medewerker van Bell Labs. Bardeen had waarschijnlijk de meest uitgebreide kennis van de vastestoffysica van alle leden van het team; zijn proefschrift beschreef de energieniveaus van elektronen in de structuur van natriummetaal. Hij was ook een andere protégé van John Hasbrouck Van Vleck, net als Atanasov en Brattain.
En net als Atanasov vereisten de proefschriften van Bardeen en Shockley uiterst complexe berekeningen. Ze moesten de kwantummechanische theorie van halfgeleiders, gedefinieerd door Alan Wilson, gebruiken om de energiestructuur van materialen te berekenen met behulp van Monroe's desktopcalculator. Door te helpen bij het maken van de transistor hebben ze er feitelijk toe bijgedragen dat toekomstige afgestudeerde studenten van dergelijk werk werden behoed.
Shockley's eerste benadering van een solid-state versterker was gebaseerd op wat later "". Hij hing een metalen plaat over een n-type halfgeleider (met een overmaat aan negatieve ladingen). Door een positieve lading op de plaat aan te brengen, werden overtollige elektronen naar het oppervlak van het kristal getrokken, waardoor een rivier van negatieve ladingen ontstond waar gemakkelijk elektrische stroom doorheen kon stromen. Het versterkte signaal (weergegeven door het ladingsniveau op de wafer) zou op deze manier het hoofdcircuit (dat langs het oppervlak van de halfgeleider loopt) kunnen moduleren. De efficiëntie van dit plan werd hem duidelijk door zijn theoretische kennis van de natuurkunde. Maar ondanks vele experimenten en experimenten heeft het plan nooit gewerkt.
In maart 1946 had Bardeen een goed ontwikkelde theorie bedacht die de reden hiervoor verklaarde: het oppervlak van een halfgeleider op kwantumniveau gedraagt zich anders dan zijn binnenkant. Negatieve ladingen die naar het oppervlak worden getrokken, raken gevangen in "oppervlaktetoestanden" en voorkomen dat het elektrische veld de plaat in het materiaal dringt. De rest van het team vond deze analyse overtuigend en lanceerde een nieuw onderzoeksprogramma langs drie wegen:
- Bewijs het bestaan van oppervlaktetoestanden.
- Bestudeer hun eigenschappen.
- Ontdek hoe je ze kunt verslaan en laat het werken .
Na anderhalf jaar onderzoek en experimenten brak Brattain op 17 november 1947 door. Hij ontdekte dat als hij een met ionen gevulde vloeistof, zoals water, tussen een wafer en een halfgeleider plaatste, een elektrisch veld van de wafer de ionen naar de halfgeleider zou duwen, waar ze de ladingen zouden neutraliseren die vastzaten in oppervlaktetoestanden. Nu kon hij het elektrische gedrag van een stukje silicium controleren door de lading op de wafer te veranderen. Dit succes gaf Bardeen een idee voor een nieuwe aanpak voor het creëren van een versterker: omring het contactpunt van de gelijkrichter met elektrolytwater en gebruik vervolgens een tweede draad in het water om de oppervlaktecondities te controleren, en zo het geleidbaarheidsniveau van de hoofdleiding te controleren. contact. Dus Bardeen en Brattain bereikten de finish.
Het idee van Bardeen werkte, maar de versterking was zwak en werkte op zeer lage frequenties die niet toegankelijk waren voor het menselijk oor - dus het was nutteloos als telefoon- of radioversterker. Bardeen stelde voor om over te schakelen op het sperspanningsbestendige germanium dat in Purdue werd geproduceerd, in de overtuiging dat zich minder ladingen op het oppervlak zouden verzamelen. Plotseling kregen ze een krachtige stijging, maar in de tegenovergestelde richting van wat verwacht werd. Ze ontdekten het minderheidsdragereffect: in plaats van de verwachte elektronen werd de stroom die door germanium vloeide versterkt door gaten die uit de elektrolyt kwamen. De stroom op de draad in de elektrolyt creëerde een p-type laag (een gebied met overtollige positieve ladingen) op het oppervlak van het n-type germanium.
Daaropvolgende experimenten toonden aan dat er helemaal geen elektrolyt nodig was: simpelweg door twee contactpunten dicht bij het germaniumoppervlak te plaatsen, was het mogelijk om de stroom van de ene naar de stroom op de andere te moduleren. Om ze zo dichtbij mogelijk te brengen, wikkelde Brattain een stuk goudfolie om een driehoekig stuk plastic en sneed vervolgens de folie aan het uiteinde voorzichtig door. Vervolgens drukte hij met behulp van een veer de driehoek tegen het germanium, waardoor de twee randen van de snede het oppervlak op een afstand van 0,05 mm raakten. Dit gaf het transistorprototype van Bell Labs zijn onderscheidende uiterlijk:
Brattain en Bardeen-transistorprototype
Net als het apparaat van Mathare en Welker was het in principe een klassieke "kattenbakkebaard", alleen met twee contactpunten in plaats van één. Op 16 december produceerde het een aanzienlijke toename van het vermogen en de spanning, en een frequentie van 1000 Hz in het hoorbare bereik. Een week later, na kleine verbeteringen, hadden Bardeen en Brattain de spanning honderd keer verhoogd en het vermogen veertig keer, en demonstreerden ze aan de directeuren van Bell dat hun apparaat hoorbare spraak kon produceren. John Pierce, een ander lid van het solid-state ontwikkelingsteam, bedacht de term 'transistor' naar de naam van Bell's koperoxidegelijkrichter, de varistor.
De volgende zes maanden hield het laboratorium de nieuwe creatie geheim. Het management wilde er zeker van zijn dat ze een voorsprong hadden bij het commercialiseren van de transistor voordat iemand anders hem in handen zou krijgen. Er was een persconferentie gepland op 30 juni 1948, net op tijd om Welker en Mathare's dromen over onsterfelijkheid te vernietigen. Ondertussen stortte de halfgeleideronderzoeksgroep stilletjes in elkaar. Nadat hij had gehoord over de prestaties van Bardeen en Brattain, begon hun baas, Bill Shockley, te werken om alle eer voor zichzelf op te eisen. En hoewel hij slechts een observerende rol speelde, kreeg Shockley evenveel, zo niet meer, publiciteit in de publieke presentatie – zoals te zien is op deze vrijgegeven foto van hem midden in de actie, vlak naast een laboratoriumbank:
Publiciteitsfoto uit 1948 - Bardeen, Shockley en Brattain
Gelijke bekendheid was echter niet genoeg voor Shockley. En voordat iemand buiten Bell Labs van de transistor afwist, was hij bezig hem voor zichzelf opnieuw uit te vinden. En dit was nog maar de eerste van vele dergelijke heruitvindingen.
Wat nog te lezen?
- Robert Buderi, de uitvinding die de wereld veranderde (1996)
- Michael Riordan, “Hoe Europa de transistor miste”, IEEE Spectrum (1 november 2005)
- Michael Riordan en Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
- Armand Van Dormael, “De ‘Franse’ transistor,” (1994)
Bron: www.habr.com