Andere artikelen in de serie:
- De geschiedenis van relais
- De geschiedenis van elektronische computers
- De geschiedenis van de transistor
- De geschiedenis van het internet
De weg naar vaste-stof schakelaars was lang en ingewikkeld. Het begon met de ontdekking dat bepaalde materialen zich op vreemde wijze gedroegen in aanwezigheid van elektriciteit - niet zoals de toen bestaande theorieƫn voorspelden. Dit leidde tot een verhaal over hoe technologie in de 20ste eeuw steeds meer een wetenschappelijke en institutionele discipline werd. Amateurs, nieuwkomers en professionele uitvinders zonder enige wetenschappelijke opleiding hebben substantiƫle bijdragen geleverd aan de ontwikkeling van telegrafie, telefonie en radio. Maar, zoals we zullen zien, gebeurden bijna alle vooruitgangen in de geschiedenis van vaste-stof elektronica dankzij wetenschappers die aan universiteiten hadden gestudeerd (en meestal een doctoraat in de natuurkunde hadden) en werkten bij universiteiten of corporate onderzoeks laboratoria.
Iedereen met toegang tot een werkplaats en basale vaardigheden in het werken met materialen kan een relais maken van draad, metaal en hout. Voor het maken van elektronbuizen zijn meer gespecialiseerde gereedschappen nodig die in staat zijn een glazen bol te maken en de lucht eruit te pompen. Vaste-stof apparaten verdwenen in een konijnenhol waar de digitale schakelaar nooit meer terugkwam, en dook dieper in werelden die alleen begrijpelijk waren voor abstracte wiskunde en alleen toegankelijk werden met behulp van ongelooflijk dure apparatuur.
Galena
In 1874 , een 24-jarige fysicus aan de School van St. Thomas in Leipzig, publiceerde de eerste van vele belangrijke wetenschappelijke artikelen in zijn lange carriĆØre. Het werk "Over het doorlaten van elektrische stromen door metaal sulfiden" werd geaccepteerd in het tijdschrift Pogendorffās Annalen, een prestigieus tijdschrift dat gewijd is aan de natuurwetenschappen. Ondanks de saaie titel beschreef Brauns werk enkele verbazingwekkende en raadselachtige experimentele resultaten.
Ferdinand Braun
Braun was gefascineerd door sulfiden - minerale kristallen bestaande uit verbindingen van zwavel met metalen - dankzij de werken van . Al in 1833 merkte Michael Faraday op dat de geleidbaarheid van zilversulfide toeneemt met de temperatuur, wat volledig in tegenspraak is met het gedrag van metalen geleiders. Gitttorf gaf in de jaren 1850 een gedetailleerd kwantitatief verslag van de metingen van dit effect voor zowel zilver- als kopersulfiden. Nu ontdekte Brown, met behulp van een ingenieuze experimentele opstelling die een metalen draad met een veer tegen een sulfidekristal drukte om een goede verbinding te garanderen, iets nog vreemders. De geleidbaarheid van de kristallen hing af van de richting ā bijvoorbeeld, de stroom kon goed in Ć©Ć©n richting vloeien, maar bij omkering van de polariteit van de batterij kon de stroom plotseling sterk dalen. Kristallen in Ć©Ć©n richting gedroegen zich meer als geleiders (zoals normale metalen), terwijl ze in de andere richting meer als isolatoren (zoals glas of rubber) functioneerden. Deze eigenschap staat bekend als gelijkrichting, vanwege de mogelijkheid om de
golvende
Bijna gelijktijdig ontdekten onderzoekers ook andere vreemde eigenschappen van materialen zoals selenium, dat uit bepaalde sulfideertsen van metalen kon worden gesmolten. Onder invloed van licht verhoogde selenium de geleidbaarheid en begon zelfs elektriciteit te genereren, en kon ook worden gebruikt voor gelijkrichting. Was er een verband met sulfidekristallen? Zonder theoretische modellen die de gebeurtenissen konden verklaren, heerste er verwarring op dit gebied. Echter, het ontbreken van een theorie verhinderde niet de pogingen tot praktische toepassing van de resultaten. Aan het einde van de jaren 1890 werd Brown professor aan de Universiteit van Straatsburg ā onlangs geannexeerd door Frankrijk tijdens
en hernoemd tot de Kaiser Wilhelm Universiteit. Daar werd hij meegesleurd in een opwindende nieuwe wereld van radiotelegrafie. Hij stemde toe met een voorstel van een groep ondernemers om samen een draadloos communicatiesysteem te creĆ«ren, gebaseerd op het verzenden van radiogolven door water. Echter, hij en zijn medeplichtigen gaven al snel het oorspronkelijke idee op ten gunste van de luchttransmissie van signalen, die Marconi en anderen gebruikten. . Het was gebaseerd op het feit dat radiogolven metalen zaagsel deden samenklonteren, waardoor de stroom van de batterij naar het signaalapparaat kon stromen. Dit werkte, maar het systeem reageerde alleen op relatief sterke signalen, en om het klontje zaagsel te breken, moest men voortdurend op het apparaat kloppen. Brown herinnerde zich zijn oude experimenten met sulfidekristallen en in 1899 recreĆ«erde hij zijn oude experimentele opstelling met een nieuw doel: het dienen als een detector voor draadloze signalen. Hij gebruikte het rechtstreekse effect om de piepkleine oscillerende stroom, die door de passerende radiogolven werd opgewekt, om te zetten in een constante stroom die een kleine luidspreker kon aandrijven, die hoorbare klikken gaf voor elk punt of streep. Dit apparaat werd later bekend als āvanwege het uiterlijk van de draad die gemakkelijk de bovenkant van de kristal raakte. In Brits-IndiĆ« (waar tegenwoordig Bangladesh ligt) bouwde de wetenschapper en uitvinder Jagadish Bose een soortgelijk apparaat, mogelijk al in 1894. Anderen begonnen al snel soortgelijke detectors te maken van silicium en carborundum (siliciumcarbide).
Echter, het was juist , een sulfide van lood, dat sinds de oudheid werd gesmolten voor het verkrijgen van lood, dat het favoriete materiaal werd voor kristal detectors. Ze waren eenvoudig te maken en goedkoop, en daardoor ongelooflijk populair onder de vroege generatie radioamateurs. Bovendien, in tegenstelling tot de binaire coherer (met zaagsel dat ofwel in een klontje werd samengevoegd of niet), kon de kristal gelijkrichter een continu signaal reproduceren. Daarom kon hij hoorbaar de zendingen van spraak en muziek weergeven, en niet alleen Morse-code met zijn punten en strepen.
De 'kattenstaart' detector op basis van galeniet. Het kleine stuk draad links is de staart, en het stuk zilverachtige materiaal eronder is de galenietkristal.
Maar zoals teleurgestelde radioamateurs spoedig ontdekten, kon het zoeken naar het magische punt op het oppervlak van de kristal, dat een goede gelijkrichting zou bieden, minuten of zelfs uren duren. En de signalen zonder versterking waren zwak en hadden een metalen klank. Tegen de jaren 1920 hadden ontvangers met elektronenbuizen en triodeversterkers vrijwel kristalontvangers overal uit gebruik gesteld. Hun aantrekkelijke eigenschap bleef alleen de laagprijs.
Dit korte optreden op het toneel van radio-ontvangers leek de grens te zijn van de praktische toepassing van de vreemde elektrische eigenschappen van het materiaal, ontdekt door Brown en anderen.
Koperoxide
Toen ontdekte in de jaren 1920 een andere fysicus, Lars Grondal, iets vreemds met behulp van zijn experimentele opstelling. Grondal, de eerste in een reeks van slimme en onrustige mannen uit de geschiedenis van het Amerikaanse Westen, was de zoon van een civiel ingenieur. Zijn vader, die in 1880 uit Noorwegen emigreerde, werkte tientallen jaren aan de spoorwegen in CaliforniĆ«, Oregon en Washington. In het begin leek Grondal de wereld van zijn vader achter te laten en naar het Johns Hopkins-instituut te gaan voor een doctoraat in de natuurkunde, om een academische carriĆØre te volgen. Maar later raakte hij ook betrokken bij de spoorwegsector en nam de functie van directeur onderzoek aan bij het bedrijf Union Switch and Signal, een afdeling van de industriĆ«le reus , dat apparatuur voor de spoorwegindustrie leverde.
In verschillende bronnen worden tegenstrijdige redenen genoemd die Grondal hebben gemotiveerd voor zijn onderzoek, maar hoe dan ook, hij begon te experimenteren met koperen schijven die aan ƩƩn kant werden verwarmd om een geoxideerde laag te creƫren. Terwijl hij ermee werkte, merkte hij de asymmetrie van de stroom op - de weerstand in de ene richting was drie keer groter dan in de andere. Een schijf van koper en koperoxide gelijkrichtte de stroom, net als een kristal van sulfide.
Schema van de gelijkrichter van koperoxide
De volgende zes jaar ontwikkelde Grondahl op basis van deze ontdekking een kant-en-klare commerciƫle gelijkrichter, met de hulp van een andere onderzoeker uit de VS, Paul Geiger, en diende vervolgens een patentaanvraag in en maakte zijn ontdekking bekend bij de American Physical Society in 1926. Het apparaat werd onmiddellijk een commercieel succes. Dankzij het ontbreken van fragiele draden was het veel betrouwbaarder dan de gelijkrichter op basis van de elektronbuis, die op het klepprincipe van Fleming was gebaseerd, en het was goedkoop in productie. In tegenstelling tot de Brown-kristallen gelijkrichters werkte het onmiddellijk, en dankzij een groter contactoppervlak tussen metaal en oxide werkte het met een breder scala aan stromen en spanningen. Het kon accu's opladen, signalen detecteren in verschillende elektrische systemen, en functioneren als veiligheidsomleiding in krachtige generatoren. Bij gebruik als foto-element konden de schijven functioneren als lichtmeters en waren ze bijzonder nuttig in de fotografie. Andere onderzoekers ontwikkelden rond dezelfde tijd gelijkrichters op basis van selenium, die soortgelijke toepassingen vonden.
Een pakket gelijkrichters op basis van koperoctide. De assemblage van meerdere schijven verhoogde de terugkeerspanning, waardoor ze met hoge spanning konden worden gebruikt.
Enkele jaren later besloten twee fysici van Bell Labs, Joseph Becker en , om het werkingsprincipe van de kopergelijkrichter te bestuderen ā ze waren geĆÆnteresseerd in hoe het werkte en hoe het kon worden toegepast binnen Bell System.
Brattain op oudere leeftijd ā ca. 1950
Brattain kwam uit dezelfde streek als Grondahl, uit de Pacific Northwest, waar hij opgroeide op een boerderij, enkele kilometers van de Canadese grens. In de hogere klassen raakte hij geĆÆnteresseerd in fysica, toonde hij aanleg in dit vakgebied, en uiteindelijk behaalde hij zijn doctoraat aan de Universiteit van Minnesota aan het einde van de jaren 1920 en begon hij in 1929 te werken bij Bell Labs. Onder andere studeerde hij de nieuwste theoretische fysica, die in Europa aan populariteit won, en bekend was als kwantummechanica (zijn mentor was , die ook John Atanasoff begeleidde).
De kwantumrevolutie
Het nieuwe theoretische platform heeft zich de afgelopen drie decennia langzaam ontwikkeld en zal op een gegeven moment alle vreemde verschijnselen kunnen verklaren die jarenlang zijn waargenomen in materialen zoals galena, selenium en koperoxide. Een hele generatie, voornamelijk jonge fysici uit Duitsland en omringende landen, heeft een kwantumrevolutie in de fysica teweeggebracht. Overal waar ze keken, ontdekten ze geen vloeiende en continue wereld, waar ze in waren onderwezen, maar vreemde discreties.
Alles begon in de jaren 1890. Max Planck, de beroemde professor aan de universiteit van Berlijn, besloot te werken aan een bekende onopgeloste vraag: hoe "" (ideale substantie die alle energie absorbeert en deze niet terugstraalt) straling uitzendt in het elektromagnetische spectrum? Verschillende modellen werden uitgeprobeerd, maar geen van deze kwam overeen met de experimentele resultaten ā ze faalden of aan de ene of aan de andere kant van het spectrum. Planck ontdekte dat als je aannam dat energie door een lichaam in kleine "pakketjes" van discrete grootte wordt uitgezonden, je een eenvoudige relatie tussen frequentie en energie kon noteren die perfect overeenkwam met de empirische resultaten.
Kort daarna ontdekte Einstein dat hetzelfde geldt voor de absorptie van licht (de eerste aanwijzing voor fotonen), en J. J. Thomson toonde aan dat elektriciteit ook niet wordt overgedragen door een continue vloeistof of golf, maar door discrete deeltjes ā elektronen. Vervolgens creĆ«erde Niels Bohr een model dat verklaarde hoe geĆ«xciteerde atomen straling uitzenden door elektronen afzonderlijke banen in het atoom toe te kennen, waarbij elke baan zijn eigen energie heeft. Echter, deze benaming is misleidend, want ze gedragen zich helemaal niet als de banen van planeten ā in het model van Bohr sprongen elektronen onmiddellijk van de ene baan of energieniveau naar het andere, zonder door een tussenliggende toestand te gaan. En uiteindelijk, in de jaren 1920, creĆ«erden Erwin Schrƶdinger, Werner Heisenberg, Max Born en anderen een algemene wiskundige structuur, bekend als de kwantummechanica, die alle speciale kwantummodellen omvatte die in de afgelopen twintig jaar waren ontwikkeld.
Tegen die tijd waren natuurkundigen er al van overtuigd dat materialen zoals selenium en galeniet, die fotovoltaĆÆsche en rectificerende eigenschappen vertoonden, tot een aparte klasse materialen behoren die ze halfgeleiders noemden. De classificatie nam veel tijd in beslag om verschillende redenen. Ten eerste waren de categorieĆ«n 'geleiders' en 'isolatoren' zelf vrij breed. De zogenaamde 'geleiders' varieerden enorm in geleidingsvermogen, en dat gold in mindere mate ook voor isolatoren. Het was niet duidelijk op welke manier een bepaalde geleider tot een van deze klassen kon worden gerekend. Bovendien was het tot halverwege de 20e eeuw onmogelijk om zeer zuivere stoffen te verkrijgen of te creĆ«ren, en elke eigenaardigheid in de geleiding van natuurlijke materialen kon altijd worden toegeschreven aan verontreiniging.
Nu beschikten de natuurkundigen over zowel wiskundige instrumenten van de kwantummechanica als over een nieuwe klasse materialen waaraan ze deze konden toepassen. De Britse theoreticus voegde dit alles voor het eerst samen en bouwde in 1931 een algemeen model van halfgeleiders en hun werking.
In het begin stelde Wilson dat geleiden materialen zich onderscheiden van dielektrica door de toestand van de energetische zones. De kwantummechanica stelt dat elektronen kunnen bestaan op een beperkt aantal energieniveaus die aan de schillen of orbitalen van individuele atomen toebehoren. Wanneer deze atomen samen worden geperst in de structuur van een materiaal, is het beter om continue energetische zones voor te stellen die er doorheen lopen. In geleiders zijn er in hoge energetische zones vrije plaatsen, en een elektrisch veld kan elektronen daar vrij verplaatsen. In isolatoren zijn de zones gevuld, en om bij de hogere geleiderzone te komen, waar elektriciteit gemakkelijker doorheen kan, moet men behoorlijk ver klimmen.
Dit leidde hem tot de conclusie dat onzuiverheden ā vreemde atomen in de structuur van het materiaal ā een bijdrage moeten leveren aan de halfgeleidende eigenschappen. Ze kunnen ofwel extra elektronen leveren die gemakkelijk naar de geleidingszone bewegen, of gaten ā het ontbreken van elektronen in vergelijking met de rest van het materiaal ā wat lege energetische plekken creĆ«ert waar vrije elektronen naartoe kunnen bewegen. De eerste optie werd later n-type halfgeleiders (of elektronisch) genoemd ā vanwege de overtollige negatieve lading, en de tweede p-type of gaten ā vanwege de overtollige positieve lading.
Uiteindelijk suggereerde Wilson dat de gelijkrichting van stroom door halfgeleiders kan worden verklaard in termen van quantum , een plotselinge sprong van elektronen over een dunne elektrische barriĆØre in het materiaal. De theorie leek aannemelijk, maar voorspelde dat de stroom in de gelijkrichter van de oxide naar het koper moest vloeien, terwijl in werkelijkheid het tegenovergestelde waar was.
Zo bleven, ondanks alle doorbraken van Wilson, halfgeleiders moeilijk te verklaren. Zoals het geleidelijk duidelijk werd, beĆÆnvloedden microscopische veranderingen in de kristalstructuur en de concentratie van onzuiverheden onevenredig sterk hun macroscopisch elektrische gedrag. Ongeacht het gebrek aan begrip ā aangezien niemand de experimentele waarnemingen die Brown 60 jaar eerder had gedaan kon verklaren ā ontwikkelden Brattain en Becker een efficiĆ«nt productieproces voor koper-oxide gelijkrichters voor hun werkgever. Bell System begon snel de gelijkrichters op elektronische buizen in het hele systeem te vervangen door een nieuw apparaat, dat hun ingenieurs een , noemden, omdat de weerstand veranderde afhankelijk van de richting.
Gouden medaille
Mervin Kelly, fysicus en voormalig hoofd van de afdeling elektronisch lampen van Bell Laboratories, was zeer geĆÆnteresseerd in deze prestatie. In enkele tientallen jaren hadden elektronische lampen Bell van onschatbare waarde gediend en konden ze functies vervullen die niet beschikbaar waren voor de vorige generatie mechanische en elektromechanische componenten. Maar ze warmden sterk op, oververhitten regelmatig, verbruikten veel energie en waren moeilijk te onderhouden. Kelly was van plan om het systeem van Bell opnieuw op te bouwen met meer betrouwbare en efficiĆ«nte vaste-stof elektronica, zoals een varistor, die geen hermetische behuizingen, gevuld met gas of vacuĆ¼m, nodig had, noch gloeiende draden. In 1936 werd hij hoofd van de onderzoeksafdeling van Bell Laboratories en begon hij de organisatie op een nieuw pad te leiden.
Nadat de vaste-stofgelijkrichter was ontwikkeld, was de volgende logische stap het maken van een vaste-stofversterker. Natuurlijk kon, zoals bij een buizenversterker, een dergelijk apparaat ook als digitale schakelaar functioneren. Dit interesseerde Bell bijzonder omdat er in telefooncentrales nog steeds een enorme hoeveelheid elektromechanische digitale schakelaars werkte. Het bedrijf zocht naar een betrouwbaardere, compactere, energiezuinige en koele vervanging voor de elektronische lamp in telefoonsystemen, radio-ontvangers, radar en andere analoge apparatuur, waar ze werden gebruikt om zwakke signalen te versterken tot niveaus die hoorbaar zijn voor het menselijk oor.
In 1936 hief Bell Laboratories eindelijk het personeelsverbod op, dat tijdens de was ingevoerd. Kelly begon meteen experts in kwantummechanica aan te nemen om zijn onderzoeksprogramma voor vaste-stof apparaten op te zetten, waaronder , opnieuw een telg van de westkust, uit Palo Alto (Californiƫ). Het onderwerp van zijn recent gepromoveerde dissertatie aan MIT paste perfect bij de behoeften van Kelly: "Elektronische zones in natriumchloride."
Brattain en Becker waren ondertussen doorgegaan met hun onderzoek naar de oxide koper gelijkrichter, in een poging een verbeterde vaste-stofversterker te verkrijgen. De meest voor de hand liggende manier om het te maken was door analogie met de elektronische buis. Op dezelfde manier zoals Lee de Forest de buisversterker nam en tussen de kathode en de anode, zo stelden Brattain en Becker zich voor hoe ze een rooster konden invoegen op de plek waar koper en koperooxide elkaar raken, waar, zoals werd aangenomen, de rectificatie plaatsvond. Echter, vanwege de dunne laag vonden ze het onmogelijk dit te doen, en slaagden ze daar niet in.
Ondertussen toonde ander onderzoek aan dat Bell Laboratories niet het enige bedrijf was dat geĆÆnteresseerd was in vaste-stof elektronica. In 1938 publiceerden Rudolf Hilsch en Robert Poole de resultaten van experimenten die werden uitgevoerd aan de Universiteit van Goettingen met een werkende vaste-stofversterker, gemaakt door een rooster in de kristalstructuur van kaliumbromide te integreren. Deze laboratoriumapparatuur had geen praktische waarde ā voornamelijk omdat het werkte op een frequentie van niet meer dan 1 Hz. Toch kon deze prestatie iedereen die geĆÆnteresseerd was in vaste-stof elektronica niet onberoerd laten. In hetzelfde jaar plaatste Kelly Shockley in een nieuwe onafhankelijke groep voor onderzoek naar vaste-stof apparaten en gaf hem met zijn collegaās ā Foster Nickel en Dean Wooldridge ā carte blanche om hun mogelijkheden te onderzoeken.
Ten minste nog twee uitvinders slaagden erin vaste-stofversterkers te maken vĆ³Ć³r de Tweede Wereldoorlog. In 1922 publiceerde de Sovjet fysicus en uitvinder de resultaten van succesvolle experimenten met zinkiet halfgeleiders, maar zijn werk bleef onopgemerkt in het westerse delen; in 1926 diende de Amerikaanse uitvinder Julius Lillenfeld een patentaanvraag in voor een vaste-stofversterker, maar er zijn geen bewijzen van de werkzaamheid van zijn uitvinding.
Het eerste grote inzicht van Shockley in zijn nieuwe functie vond plaats tijdens het lezen van het werk van de Britse fysiĢcus Neville Mott, "The Theory of Crystal Rectifiers" uit 1938, waarin eindelijk het principe van de werking van de Grondal-rectifier op koperoxide werd uitgelegd. Mott gebruikte de wiskunde van de kwantummechanica om de vorming van een elektrisch veld aan de grens tussen een geleidend metaal en een halfgeleidend oxide te beschrijven, en hoe elektronen "over" deze elektrische barriĆØre springen, in plaats van te tunnelen, zoals Wilson had voorgesteld. Stroom vloeit gemakkelijker van het metaal naar de halfgeleider dan andersom, aangezien het metaal veel meer vrije elektronen heeft.
Dit leidde Shockley precies naar hetzelfde idee dat Brattain en Becker vele jaren eerder hadden overwogen en verworpen - het maken van een vaste-stofversterker door een rooster van koperoxide in de ruimte tussen koper en koperoxide te plaatsen. Hij hoopte dat de stroom die door het rooster liep de barriĆØre zou vergroten die de stroom van koper naar oxide beperkt, waardoor een omgekeerde, versterkte versie van het signaal op het rooster zou ontstaan. Zijn eerste ruwe poging mislukte volledig, waardoor hij zich wendde tot iemand met meer verfijnde laboratoriumvaardigheden, goed bekend met gelijkrichters - Walter Brattain. En hoewel hij geen twijfels had over de uitkomst, stemde Brattain toe in Shockley's nieuwsgierigheid te bevredigen en maakte een complexere versie van de "rooster"-versterker. Ook dat werkte niet.
Toen kwam de oorlog, waardoor het nieuwe onderzoeksprogramma van Kelly in chaos verkeerde. Kelly nam de leiding over een werkgroep voor radar bij Bell Laboratories, ondersteund door het belangrijkste radaronderzoekcentrum van de VS aan MIT. Brattain werkte niet lang bij hem, maar ging verder met het onderzoek naar magnetische detectie van onderzeeƫrs voor de marine. Wooldridge werkte aan vuursystemen, Nix aan de diffusie van gassen voor het Manhattan-project, en Shockley ging over op operationeel onderzoek, eerst gericht op het bestrijden van onderzeeƫrs in de Atlantische Oceaan, en later strategische bombardementen in de Stille Oceaan.
Maar ondanks deze inmenging heeft de oorlog de ontwikkeling van vaste-stof elektronica niet gestopt. Integendeel, het heeft geleid tot een massale influx van middelen naar dit gebied en heeft de concentratie van onderzoek op twee materialen gebracht: germanium en silicium.
Wat nog meer te lezen
Ernest Bruan en Stuart MacDonald, Revolution in Miniature (1978)
Friedrich Kurylo en Charles Susskind, Ferdinand Braun (1981)
G. L. Pearson en W. H. Brattain, āGeschiedenis van Halfgeleideronderzoek,ā Proceedings of the IRE (december 1955).
Michael Riordan en Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
Bron: habr.com
