Andere artikelen in de serie:
- De geschiedenis van relais
- De geschiedenis van elektronische computers
- De geschiedenis van de transistor
- De geschiedenis van het internet
Het oorlogsgeweld heeft de weg vrijgemaakt voor de opkomst van de transistor. Van 1939 tot 1945 hebben de technische kennis op het gebied van halfgeleiders zich enorm ontwikkeld. En er was een duidelijke reden daarvoor: radar. De belangrijkste technologie van de oorlog, met voorbeelden van toepassingen zoals: luchtalarmdetectie, onderzeebootdetectie, het leiden van nachtelijke luchtmissies naar doelen, en het richten van luchtverdedigingssystemen en zeewapens. Ingenieurs leerden zelfs hoe ze kleine radarapparaten in artilleriegranaten konden proppen, zodat deze ontploften zodra ze dichtbij het doel vlogen - . Echter, de bron van deze nieuwe krachtige militaire technologie was een vreedzamere aanpak: het bestuderen van de bovenste lagen van de atmosfeer voor wetenschappelijke doeleinden.
Radar
In 1901 slaagde het bedrijf 'Marconi Wireless Telegraph Company' erin een draadloos bericht over de Atlantische Oceaan te verzenden, van Cornwall naar Newfoundland. Deze kwestie zorgde voor verwarring in de moderne wetenschap. Als radiocommunicatie rechtlijnig verloopt (zoals het zou moeten), zou zo'n verzending onmogelijk moeten zijn. Tussen Engeland en Canada is er geen directe zichtlijn die de aarde niet kruist, dus het bericht van Marconi zou de ruimte in moeten zijn gevlogen. De Amerikaanse ingenieur Arthur Kennelly en de Britse fysicus Oliver Heaviside stelden tegelijkertijd en onafhankelijk voor dat de verklaring voor dit fenomeen te maken moest hebben met een laag geioniseerde gas in de bovenste lagen van de atmosfeer, die in staat is om radiogolven terug naar de aarde te reflecteren (Marconi zelf geloofde dat radiogolven de kromming van de aarde volgden, iets waar de fysici hem niet in steunden).
Tegen de jaren 1920 hadden wetenschappers nieuwe apparatuur ontwikkeld waarmee ze eerst het bestaan van de ionosfeer konden bewijzen en vervolgens haar structuur konden bestuderen. Ze gebruikten elektronische buizen om kortgolfradioimpulsen te genereren, richtantenne om deze omhoog in de atmosfeer te verzenden en echo's te registreren, en om de resultaten te demonstreren. Hoe groter de vertraging van de terugkeer van de echo, des te verder de ionosfeer moest zijn. Deze technologie werd atmosferisch peilen genoemd en vormde de basisinfrastructuur voor het creƫren van radar (de term 'radar', van RAdio Detection And Ranging, verscheen pas in de jaren 1940 in de marine van de VS).
Dat het mensen met de juiste kennis, middelen en motivatie lukte om de potentiƫle toepassingen van dergelijke apparatuur te begrijpen, was slechts een kwestie van tijd (dus is het verhaal van de radar het tegenovergestelde van dat van de telescoop, die oorspronkelijk voor gebruik op de grond was ontworpen). De kans op een dergelijk inzicht nam toe naarmate radio steeds meer verspreid werd over de wereld en steeds meer mensen storingen opmerkte van schepen, vliegtuigen en andere grote objecten in de buurt. Kennis over technologieƫn voor het verkennen van de hoogste lagen van de atmosfeer verspreidde zich tijdens het tweede (1932-1933), toen wetenschappers van verschillende arctische stations kaarten maakten van de ionosfeer. Kort daarna ontwikkelden teams in Groot-Brittanniƫ, de VS, Duitsland, Italiƫ, de USSR en andere landen hun eigen eenvoudige radarsystemen.
met zijn radar uit 1935
Vervolgens brak de oorlog uit en nam het belang van radar voor landen ā en de middelen voor hun ontwikkeling ā aanzienlijk toe. In de VS werden deze middelen verzameld rond een nieuwe organisatie, opgericht in 1940 aan het MIT, bekend als (het werd zo genoemd om buitenlandse spionnen op het verkeerde been te zetten en de indruk te wekken dat er in het laboratorium onderzoek naar radioactiviteit werd gedaan ā toen geloofde nog maar weinigen in atoombommen). Het Rad Lab-project, niet zo beroemd als het Manhattan-project, kreeg toch evenzeer uitmuntende en getalenteerde fysici uit heel de VS aan boord. Vijf van de eerste medewerkers van het laboratorium (waaronder en ) ontvingen later de Nobelprijs. Tegen het einde van de oorlog werkten er ongeveer 500 doctorandi, wetenschappers en ingenieurs in het laboratorium, en in totaal werkten er 4000 mensen. Een half miljoen dollar ā vergelijkbaar met het volledige budget voor de ontwikkeling van de ENIAC ā werd alleen al besteed aan de publicatie van de Radiation Laboratory Series, een reeks van zevenentwintig volumes waarin al het kennis werd beschreven die in het laboratorium tijdens de oorlog was verworven (de uitgaven van de Amerikaanse regering aan radartechnologie waren niet beperkt tot het budget van Rad Lab; gedurende de oorlog kocht de regering radar voor drie miljard dollar).
Het 20e gebouw van het MIT, waar het Rad Lab was gevestigd
Een van de belangrijkste onderzoeksgebieden van Rad Lab was hoge-frequentie radar. Vroegere radars gebruikten golven met lengtes gemeten in meters. Maar stralen van hogere frequentie, waarvan de golflengtes in centimeters werden gemeten ā microgolven ā maakten het mogelijk om compacter antennes te gebruiken en minder te verstrooien over lange afstanden, wat grote voordelen beloofde in bereik en nauwkeurigheid. Microgolf radars konden in de neus van een vliegtuig passen en objecten ter grootte van de periscope van een onderzeeĆ«r opsporen.
De eerste die deze taak wist op te lossen was een team van Britse fysici van de Universiteit van Birmingham. In 1940 ontwikkelden zij de "" die functioneerde als een elektromagnetische "fluit", waarbij een chaotische impuls van elektriciteit werd omgezet in een krachtige en nauwkeurig afgestelde straal van microgolven. Deze microgolfzender was duizend keer krachtiger dan de dichtstbijzijnde concurrent; hij opende de weg voor de creatie van praktische hoge-frequentie radarzenders. Echter, het had een metgezel nodig, een ontvanger die in staat was om hoge frequenties te registreren. En op dit punt keren we terug naar de geschiedenis van halfgeleiders.
Doorsnede van de magnetron
De wedergeboorte van de kattenstaart
Het bleek dat elektronische buizen helemaal niet geschikt waren voor het ontvangen van microgolfsignalen van radars. De onderbreking tussen de hete kathode en de koude anode creĆ«ert capaciteit, waardoor de kring weigert te werken op hoge frequenties. De beste technologie voor hoge-frequentie radars die beschikbaar was, was de ouderwetse "" ā een klein stuk draad dat tegen een halfgeleiderkristal werd gedrukt. Dit werd onafhankelijk door verschillende mensen ontdekt, maar het meest relevant voor ons verhaal is wat er gebeurde in New Jersey.
In 1938, Bell Laboratories signed a contract with the Navy to develop a fire control radar operating in the 40 cm range ā this was significantly shorter and therefore had a higher frequency than the radars that existed at the time, before resonant magnetrons. The main research work was assigned to the laboratory division in Holmdel, south of Staten Island. The researchers quickly realized what they would need for a high-frequency receiver, and soon engineer George Southworth was scouring electronics shops in Manhattan looking for old 'cat's whisker' detectors. As expected, these worked much better than vacuum tube detectors, but they were somewhat unstable. Therefore, Southworth tracked down a chemist named Russell Ol and asked him to try to improve the uniformity of the response of the crystal detector with a single contact point.
Ol was quite an eccentric person, believing that technological development was his destiny, and he often spoke of periodic revelations with visions of the future. For instance, he claimed that even in 1939 he was aware of the future invention of the silicon amplifier, but that it was destined for another person to invent it. After exploring dozens of options, he settled on silicon as the best material for Southworth's receivers. The problem was the ability to control the material's content to manage its electrical properties. At that time, industrial silicon ingots were widely available, used in steel mills, but in such production, no one cared about, say, a 1% phosphorus content in silicon. With the help of a couple of metallurgists, Ol aimed to obtain much purer ingots than had been achieved previously.
Tijdens hun werkzaamheden ontdekten ze dat sommige van hun kristallen stroom in Ć©Ć©n richting geleidden, terwijl andere dat in de andere richting deden. Ze noemden deze ān-typeā en āp-typeā. Verdere analyses toonden aan dat verschillende soorten verontreinigingen verantwoordelijk waren voor deze types. Silicium bevindt zich in de vierde kolom van het periodiek systeem, wat betekent dat het vier elektronen in de buitenste schil heeft. In een blok puur silicium zou elk van deze elektronen met zijn buurman combineren. Verontreinigingen uit de derde kolom, laten we bijvoorbeeld boor nemen, dat Ć©Ć©n elektron minder heeft, creĆ«erden een 'gat', een extra ruimte voor de beweging van stroom in het kristal. Hierdoor ontstond een p-type halfgeleider (met een overschot aan positieve ladingen). Elementen uit de vijfde kolom, zoals fosfor, zorgden voor extra vrije elektronen voor het transport van stroom, en zo ontstond een n-type halfgeleider.
Kristalstructuur van silicium
Al deze onderzoeken waren zeer interessant, echter tegen 1940 waren Southworth en Olp nog niet dichter bij het creƫren van een werkend prototype van een hogefrequentieradar. De Britse regering eiste onmiddellijke praktische resultaten vanwege de dreigende bedreiging van de Luftwaffe, die al productieklaar was met microgolfdetectoren die samenwerkten met magnetronzenders.
Echter, al snel zou de balans van technische vooruitgangen naar de westerse kant van de Atlantische Oceaan kantelen. Churchill besloot om alle technische geheimen van Groot-Brittanniƫ aan de Amerikanen te onthullen nog voordat ze echt in de oorlog betrokken raakten (omdat hij dacht dat dat toch zou gebeuren). Hij vond het de moeite waard om het risico van informatielekken te nemen, omdat in dat geval alle industriƫle mogelijkheden van de VS zich zouden richten op het oplossen van kwesties zoals atoombommen en radar. De Britse wetenschappelijke en technische missie (beter bekend als ) arriveerde in Washington in september 1940 en bracht als cadeau technische wonderen mee.
Het onthullen van de ongelooflijke kracht van de resonant magnetron en de effectiviteit van Britse kristaldetectoren bij het verkrijgen van zijn signaal heeft het onderzoek van Amerikanen naar halfgeleiders als basis voor hoogfrequente radar nieuw leven ingeblazen. Er moest veel werk verzet worden, vooral op het gebied van materiaalkunde. Om aan de vraag te voldoen, moesten halfgeleiderkristallen 'in miljoenen geproduceerd worden, veel meer dan ooit mogelijk was. Het was noodzakelijk de gelijkrichting te verbeteren, de gevoeligheid voor stoten en de kans op doorbranding te verminderen, en de variatie tussen verschillende partijen kristallen te minimaliseren.'
Silicon gelijkrichter met puntcontact
In het Rad Lab werden nieuwe onderzoeksafdelingen geopend om de eigenschappen van halfgeleiderkristallen te bestuderen en hoe deze konden worden aangepast om waardevolle eigenschappen als ontvanger te maximaliseren. De veelbelovendste materialen waren silicium en germanium, daarom besloot Rad Lab voorzichtig te zijn en lanceerde parallelle programma's voor de studie van beide: silicium aan de Universiteit van Pennsylvania en germanium aan Purdue. Industriƫle giganten zoals Bell, Westinghouse, Du Pont en Sylvania begonnen hun eigen onderzoek naar halfgeleiders en ontwikkelden nieuwe productiefaciliteiten voor kristal detectors.
Door gezamenlijke inspanningen kon de zuiverheid van silicium en germanium kristallen van 99% aan het begin naar 99,999% worden verhoogd - dat wil zeggen, tot ƩƩn verontreiniging deeltje per 100.000 atomen. Tijdens dit proces raakte het team van wetenschappers en ingenieurs goed bekend met de abstracte eigenschappen van germanium en silicium en de toegepaste technologieƫn voor hun controle: smelten, kristalgroei, toevoeging van de juiste verontreinigingen (zoals boor, wat de geleiding verhoogde).
En toen eindigde de oorlog. De vraag naar radar verdween, maar de kennis en vaardigheden die tijdens de oorlog waren opgedaan, verdwenen niet, en de droom van een vaste-stof versterker werd niet vergeten. Nu draaide de competitie om het creƫren van zo'n versterker. En ten minste drie teams stonden in een goede positie om deze prijs te winnen.
West Lafayette
De eerste was een groep van de Purdue-universiteit onder leiding van de Oostenrijkse fysicus Karl Lark-Horowitz. Dankzij zijn talent en invloed heeft hij zelfstandig de fysica-afdeling van de universiteit uit de vergetelheid gehaald en invloed uitgeoefend op de beslissing van Rad Lab om zijn laboratorium met het onderzoek naar germanium te belasten.
Karl Lark-Horowitz in 1947, in het midden, met een pijp
Aan het begin van de jaren 40 werd silicium beschouwd als het beste materiaal voor radarrechtstrekkers, maar het materiaal dat er recht onder stond in het periodieke systeem leek ook de moeite waard voor verder onderzoek. Germanium had een praktisch voordeel door de lagere smelttemperatuur: ongeveer 940 graden, vergeleken met 1400 graden voor silicium (praktisch gelijk aan staal). Door de hoge smelttemperatuur was het extreem moeilijk om een afdruk te maken die niet in gesmolten silicium zou wegvloeien en het zou verontreinigen.
Daarom hebben Lark-Horowitz en zijn collega's tijdens de oorlog uitgebreid onderzoek gedaan naar de chemische, elektrische en fysieke eigenschappen van germanium. De grootste uitdaging was de 'op inversie': germaniumrechtstrekkers stopten met het rechtzetten van de stroom bij zeer lage spanningen en stonden deze toe om in de andere richting te stromen. De impulsen van de omgekeerde stroom verbrandden de andere components van de radar. Een van Lark-Horowitz' promovendi, Seymour Benzer, bestudeerde dit probleem meer dan een jaar en ontwikkelde uiteindelijk een op tin gebaseerde additief dat de omgekeerde impulsen stopte bij spanningen tot zelfs honderd volt. Kort daarna begon Western Electric, de productieafdeling van het Bell-laboratorium, rectifiers die werkten op basis van het schema van Benzer, te produceren voor militaire doeleinden.
Het onderzoek naar germanium aan Purdue ging door, zelfs na de oorlog. In juni 1947 meldde Benzer, inmiddels professor, een ongebruikelijke anomalie: in sommige experimenten vertoonden kristallen van germanium hoge-frequentie oscillaties. Zijn collega Ralph Bray vervolgde de studie naar 'volumetrische weerstand' volgens een project dat tijdens de oorlog was gestart. De volumetrische weerstand beschreef hoe elektriciteit door het kristal van germanium stroomt op het punt waar de gelijkrichter contact maakt. Bray ontdekte dat hoge-spanning pulsen de weerstand van N-type germanium aanzienlijk verminderden voor deze stromen. Onbewust werd hij getuige van de zogenaamde 'onbasale' ladingsdragers. In N-type halfgeleiders fungeert de overtollige negatieve lading als de belangrijkste ladingsdrager, maar positieve 'gaten' kunnen ook stroom transporteren, en in dit geval creƫerden de hoge-voltage pulsen gaten in de germaniumstructuur, waardoor onbasale ladingsdragers ontstonden.
Bray en Benzer waren verontrustend dichtbij een germaniumversterker gekomen, zonder dit te beseffen. Benzer ving Walter Brattain, een wetenschapper uit de Bell-laboratoria, op een conferentie in januari 1948 en besprak met hem de volumetrische weerstand. Hij stelde Brattain voor om nog een puntcontact naast het eerste te plaatsen dat stroom kon geleiden, zodat ze misschien konden begrijpen wat er onder het oppervlak gebeurd was. Brattain stemde stilzwijgend in met dit voorstel en liep weg. Zoals we zullen zien, wist hij maar al te goed wat voor soort experiment hij zou kunnen onthullen.
Oone-su-Bois
De groep van Purdue had zowel de technologie als de theoretische basis om een sprongetje in de richting van de transistor te maken. Maar ze konden er alleen per ongeluk op stuiten. Ze waren geĆÆnteresseerd in de fysische eigenschappen van het materiaal, niet in de zoektocht naar een apparaat van een nieuw type. Een volledig andere situatie heerste in Oone-su-Bois (Frankrijk), waar twee voormalige radaronderzoekers uit Duitsland, Heinrich Welker en Herbert Mathe, een team leidden dat als doel had industriĆ«le halfgeleiderapparaten te creĆ«ren.
Welker bestudeerde eerst de fysica en onderwees vervolgens aan de Universiteit van MĆ¼nchen, die werd geleid door de beroemde theoreticus Arnold Sommerfeld. Vanaf 1940 verliet hij het puur theoretische pad en begon hij te werken aan radar voor de Luftwaffe. Matare (van Belgische afkomst) groeide op in Aken, waar hij fysica studeerde. Hij trad in 1939 toe tot de onderzoeksafdeling van de Duitse radiogigant Telefunken. Tijdens de oorlog verplaatste hij zijn werk van Berlijn naar het oosten, naar een abdij in SileziĆ«, om luchtbombardementen van de Anti-Hitlercoalitie te vermijden, en later weer terug naar het westen om de oprukkende Rode Leger te ontlopen, en kwam uiteindelijk in handen van het Amerikaanse leger.
Net als hun tegenstanders uit de Anti-Hitlercoalitie wisten de Duitsers begin jaren 40 dat kristallijne detektoren ideale ontvangers waren voor radar en dat silicium en germanium de meest veelbelovende materialen waren voor hun vervaardiging. Matare en Welker probeerden tijdens de oorlog het effectieve gebruik van deze materialen in gelijkrichters te verbeteren. Na de oorlog werden beiden regelmatig ondervraagd over hun militaire werk en ontvingen uiteindelijk een uitnodiging van een Franse spion naar Parijs in 1946.
Compagnie des Freins & Signaux ("bedrijf voor remmen en signalen"), een Franse dochteronderneming van Westinghouse, ontving een contract van de Franse telefoonmaatschappij om vaste-stof gelijkrichters te maken en zocht Duitse wetenschappers om hen te helpen. Een dergelijke alliantie van recente vijanden kan vreemd lijken, maar deze overeenkomst bleek voordelig te zijn voor beide partijen. De Fransen, die in 1940 waren verslagen, hadden geen mogelijkheden om kennis op het gebied van halfgeleiders op te doen en hadden wanhopig de vaardigheden van de Duitsers nodig. De Duitsers konden in het door oorlog verwoeste en bezette land geen ontwikkelingswerk verrichten, dus grepen ze de kans om hun werk voort te zetten.
Welker en Matare vestigden hun hoofdkwartier in een tweeverdiepingen huis in de buitenwijk van Parijs, Oignies, en met behulp van een team van technici organiseerden ze een succesvolle productie van germaniumgelijkrichters tegen het einde van 1947. Vervolgens richtten ze zich op serieuzere prijzen: Welker keerde terug naar zijn interesse in supergeleiders, terwijl Matare zich richtte op versterkers.
Herbert Matare in 1950
Tijdens de oorlog experimenteerde Matare met gelijkrichters met twee contactpunten - "duodiodes" - in een poging om de ruis in de schakeling te verminderen. Hij hervatte zijn experimenten en ontdekte al snel dat het tweede "snorharen", dat zich op 1/100 miljoenste meter van het eerste bevond, soms de stroom die door het eerste snorharen ging kon moduleren. Hij creƫerde een vaste-stofversterker, hoewel die nogal nutteloos was. Om een betrouwbaardere werking te bereiken, benaderde hij Welker, die veel ervaring had opgedaan met germaniumkristallen tijdens de oorlog. Welkers team kweekte grotere en zuiverdere monsters van germaniumkristallen, en samen met de verbetering van de materiaalkwaliteit werden de contactversterkers van Matare in juni 1948 betrouwbaar.
Een rƶntgenfoto van de "transistron" gebaseerd op Matare's schema, dat twee contactpunten met germanium heeft.
Matare had zelfs een theoretisch model van wat er gebeurde: hij geloofde dat het tweede contact gaten in het germanium creƫerde, waardoor de stroom door het eerste contact versnelde, wat niet-hoofdladingsdragers opleverde. Welker was het niet met hem eens en dacht dat het gebeurde afhankelijk was van een bepaald veld-effect. Voordat ze echter het apparaat of de theorie verder konden uitwerken, verneemden ze dat een groep Amerikanen precies hetzelfde concept - een germaniumversterker met twee contactpunten - zes maanden eerder had ontwikkeld.
Murray Hill
Aan het einde van de oorlog reorganiseerde Mervin Kelly de onderzoeksgroep van de Bell Laboratories die zich met halfgeleiders bezighield, met Bill Shockley aan het hoofd. Het project groeide, kreeg meer financiering en verhuisde van het oorspronkelijke gebouw van de laboratoria in Manhattan naar de uitbreidende campus in Murray Hill (New Jersey).
De campus in Murray Hill, ca. 1960
Om opnieuw kennis te maken met geavanceerde halfgeleiders (nadat hij tijdens de oorlog operationeel onderzoek had gedaan), bezocht Shockley in het voorjaar van 1945 het laboratorium van Russell Ohl in Holmdel. Ohl had de oorlog doorgebracht met het werken aan silicium en had geen tijd verspild. Hij toonde Shockley een ruwe versterker die hij zelf had gebouwd, die hij de "dezister" noemde. Hij nam een silicium gelijkrichter met puntcontact en liet er een stroom van een batterij doorheen lopen. Blijkbaar verminderde de warmte van de batterij de weerstand op het contactpunt en transformeerde het de gelijkrichter in een versterker die in staat was binnenkomende radiosignalen door te geven aan een circuit, krachtig genoeg om een luidspreker van stroom te voorzien.
Het effect was ruw en onbetrouwbaar, niet geschikt voor commercialisatie. Maar het was voldoende om Shockley's mening te bevestigen over de mogelijkheid om een halfgeleiderversterker te creƫren, en dat dit een prioriteit moest zijn voor onderzoek in de vaste-stofelektronica. Ook overtuigde deze ontmoeting met Ohl's team Shockley ervan dat silicium en germanium als eerste bestudeerd moesten worden. Deze materialen vertoonden aantrekkelijke elektrische eigenschappen, en bovendien hadden Ohl's collega's, de metallurgen Jack Skaff en Henry Terer, tijdens de oorlog opmerkelijke vooruitgang geboekt in het kweken, zuiveren en toevoegen van dopanten aan deze kristallen, waarmee ze alle technologieƫn voor andere halfgeleider materialen overtroffen. Shockley's groep was niet langer van plan om tijd te besteden aan vooroorlogse versterkers van koperoxide.
Met de hulp van Kelly begon Shockley een nieuw team samen te stellen. Een van de sleutelspelers was Walter Brattain, die Shockley hielp bij zijn eerste poging om een halfgeleiderversterker te creĆ«ren (in 1940), en John Bardeen, een jonge fysicus en nieuwe medewerker van Bell Labs. Bardeen had waarschijnlijk de meest uitgebreide kennis van de solide state fysica van alle teamleden ā zijn proefschrift beschreef de energieniveaus van elektronen in de structuur van metalen natrium. Bovendien was hij nog een protĆ©gĆ© van John Hazbrouck Van Fleck, net als Atanasoff en Brattain.
Net als bij Atanasov vereisten de dissertaties van Bardin en Shockley uiterst complexe berekeningen. Ze moesten de kwantummechanische theorie van halfgeleiders, zoals gedefinieerd door Alan Wilson, gebruiken om de energetische structuur van materialen met een rekenmachine van Monroe te berekenen. Door bij te dragen aan de ontwikkeling van de transistor, hebben ze in feite bijgedragen aan het verlichten van toekomstige promovendi van dergelijk werk.
Shockley's eerste benadering van de vaste-stofversterker was gebaseerd op wat later de "" werd genoemd. Hij hing een metalen plaat boven een n-type halfgeleider (met een overschot aan negatieve ladingen). Door een positieve lading op de plaat aan te leggen, werden de overtollige elektronen naar het oppervlak van de kristal getrokken, waardoor een stroom van negatieve ladingen ontstond waarlangs elektrische stroom gemakkelijk kon vloeien. Het versterkte signaal (weergegeven door het ladingniveau op de plaat) kon op deze manier de hoofdkring (die door het oppervlak van de halfgeleider liep) moduleren. De werking van dit schema werd geĆÆnspireerd door zijn theoretische kennis van de fysica. Maar ondanks talloze proeven en experimenten functioneerde het schema niet.
Tegen maart 1946 had Bardin een goed onderbouwde theorie ontwikkeld die de reden hiervoor verklaarde: het oppervlak van de halfgeleider gedraagt zich op kwantumniveau anders dan de interne structuren. Negatieve ladingen die naar het oppervlak worden getrokken, raken gevangen in āoppervlakte toestandenā en blokkeren de doorgang van het elektrische veld van de plaat naar het materiaal. De andere teamleden vonden deze analyse overtuigend en startten een nieuw onderzoeksprogramma langs drie lijnen:
- Bewijzen van het bestaan van oppervlakte toestanden.
- Hun eigenschappen bestuderen.
- Een manier bedenken om ze te overwinden en een werkend .
Na 1,5 jaar van onderzoek en experimenten, op 17 november 1947, maakte Bretten een doorbraak. Hij ontdekte dat als je een ionendruppeling, bijvoorbeeld water, tussen een plaat en een halfgeleider plaatst, het elektrische veld van de plaat de ionen naar de halfgeleider duwt, waar ze de ladingen in de oppervlaktetoestanden neutraliseren. Nu kon hij het elektrische gedrag van een stuk silicium beheren door de lading op de plaat te veranderen. Dit succes gaf Bardeen het idee voor een nieuwe aanpak om een versterker te creƫren: de contactplaats van de gelijkrichter omringen met elektrolytisch water en vervolgens een tweede draad in het water gebruiken om de oppervlaktetoestanden aan te sturen, en zo het niveau van de geleidbaarheid van de belangrijkste contactplaats te controleren. Zo kwamen Bardeen en Bretten op de eindstreep.
Het idee van Bardeen werkte, maar de versterking was zwak en werkte op zeer lage frequenties, niet hoorbaar voor het menselijk oor ā daarom was het nutteloos als telefoon- of radioversterker. Bardeen stelde voor over te schakelen naar het omgekeerd spanningsbestendige germanium dat in Purdue was geproduceerd, in de veronderstelling dat daar minder ladingen op de oppervlakte zouden ophopen. Plotseling kregen ze een krachtige versterking, maar in de tegenovergestelde richting dan verwacht. Ze ontdekten het effect van niet-hoofddrager ā in plaats van de verwachte elektronen versterkte de stroom die door germanium ging de gaten die uit de elektrolyt kwamen. De stroom op de draad in de elektrolyt vormde een p-type laag (gebied van overtollige positieve ladingen) op de oppervlakte van het n-type germanium.
Verdere experimenten toonden aan dat de elektrolyt helemaal niet nodig was: door simpelweg twee contactpunten dicht bij elkaar op de oppervlakte van germanium te plaatsen, kon je de stroom van het ene punt naar het andere moduleren. Om ze zo dicht mogelijk bij elkaar te krijgen, wikkelde Bretten een driehoekig stuk plastic in een stukje gouden folie en snijd vervolgens voorzichtig de folie aan het uiteinde. Daarna drukte hij de driehoek met een veer tegen het germanium, zodat de twee randen van de snede de oppervlakte raakten op een afstand van 0,05 mm. Dit gaf de prototype van de transistor van Bell Labs zijn kenmerkende uiterlijk.
Het prototype van de transistor van Bretten en Bardeen
Net als het apparaat van Matari en Welker was dit in principe een klassieke 'kattenstaart', maar dan met twee contactpunten in plaats van Ć©Ć©n. Op 16 december produceerde het een aanzienlijke versterking van zowel vermogen als spanning, en een frequentie van 1000 Hz binnen het hoorbare spectrum. Een week later, na enkele kleine verbeteringen, behaalden Bardin en Bretten een spanningsversterking van 100 keer en een versterking van vermogen van 40 keer, en demonstreerden aan de directeuren van Bell dat hun apparaat menselijke spraak kon reproduceren. John Pierce, een ander lid van het ontwikkelingsteam voor vaste toestellen, bedacht de term 'transistor' geĆÆnspireerd door de naam van Bell's koperoxide gelijkrichter, de varistor.
De volgende zes maanden hield het laboratorium de nieuwe uitvinding geheim. Het management wilde er zeker van zijn dat ze een voorsprong zouden hebben bij het vercommercialiseren van het transistor voordat iemand anders het in handen kreeg. De persconferentie was gepland voor 30 juni 1948, net op tijd om alle dromen van Welker en Matari over onsterfelijkheid te verwoesten. Ondertussen viel de groep voor halfgeleideronderzoek stil. Toen hij vernam van de prestaties van Bardin en Bretten, begon hun baas, Bill Shockley, te werken aan het toe-eigenen van alle roem. En hoewel hij slechts een observerende rol speelde, ontving Shockley in de publieke presentatie evenveel, zo niet meer, aandacht ā dat is te zien op deze gepubliceerde foto waar hij midden in de actie staat, recht aan de laboratoriumtafel:
Reclamefoto uit 1948 ā Bardin, Shockley en Bretten
Maar Shockley vond de gelijkheid in roem niet genoeg. En voordat iemand buiten de laboratoria van Bell over de transistor had gehoord, begon hij aan het opnieuw uitvinden ervan om het voor zichzelf op te eisen. En dit was slechts de eerste van vele dergelijke heruitvindingen.
Wat nog meer te lezen
- Robert Buderi, The Invention That Changed the World (1996)
- Michael Riordan, āHow Europe Missed the Transistor,ā IEEE Spectrum (1 nov. 2005)
- Michael Riordan en Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
- Armand Van Dormael, āDe 'Franse' Transistor,ā (1994)
Bron: habr.com
