Andre artikler i serien:
- Historien til stafetten
- Elektroniske datamaskiners historie
- Transistorens historie
- Internett-historie
Veien til solid state-brytere har vært lang og vanskelig. Det begynte med oppdagelsen av at visse materialer oppfører seg merkelig i nærvær av elektrisitet – ikke slik de da eksisterende teoriene forutså. Det som fulgte var en historie om hvordan teknologi ble en stadig mer vitenskapelig og institusjonell disiplin på 1900-tallet. Amatører, nybegynnere og profesjonelle oppfinnere med praktisk talt ingen vitenskapelig utdanning ga seriøse bidrag til utviklingen av telegraf, telefoni og radio. Men, som vi vil se, har nesten alle fremskrittene i solid-state-elektronikkens historie kommet fra forskere som studerte ved universiteter (og vanligvis har en doktorgrad i fysikk) og jobbet ved universiteter eller bedriftens forskningslaboratorier.
Alle med tilgang til verksted og grunnleggende materialkunnskaper kan sette sammen et relé av ledninger, metall og tre. Å lage vakuumrør krever mer spesialiserte verktøy som kan lage en glasspære og pumpe luften ut av den. Solid-state enheter forsvant ned i et kaninhull som den digitale bryteren aldri kom tilbake fra, og stupte stadig dypere inn i verdener som bare er forståelige for abstrakt matematikk og bare tilgjengelig ved hjelp av vanvittig dyrt utstyr.
Galena
I 1874 år , en 24 år gammel fysiker fra St. Thomas i Leipzig, publiserte det første av mange viktige vitenskapelige verk i sin lange karriere. Artikkelen, "On the Passage of Electric Currents through Metal Sulfides," ble akseptert i Pogendorffs Annalen, et prestisjetunge tidsskrift dedikert til fysiske vitenskaper. Til tross for den kjedelige tittelen, beskrev Browns papir noen overraskende og forvirrende eksperimentelle resultater.
Ferdinand Brown
Brown ble fascinert av sulfider - mineralkrystaller sammensatt av svovelforbindelser med metaller - gjennom arbeidet hans . Så tidlig som i 1833 bemerket Michael Faraday at ledningsevnen til sølvsulfid øker med temperaturen, noe som er nøyaktig det motsatte av oppførselen til metallledere. Hittorf utarbeidet en grundig kvantitativ rapport over målinger av denne effekten på 1850-tallet, for både sølv- og kobbersulfider. Nå oppdaget Brown, ved hjelp av et smart eksperimentelt oppsett som presset en metalltråd mot en sulfidkrystall med en fjær for å sikre god kontakt, noe enda merkeligere. Ledningsevnen til krystallene var avhengig av retningen – for eksempel kunne strømmen flyte godt i én retning, men når polariteten til batteriet ble snudd, kunne strømmen plutselig falle kraftig. Krystaller fungerte mer som ledere i én retning (som vanlige metaller) og mer som isolatorer i en annen (som glass eller gummi). Denne egenskapen ble kjent som retting på grunn av dens evne til å rette ut "krympet" vekselstrøm til "flat" likestrøm.
Omtrent samtidig oppdaget forskere andre merkelige egenskaper ved materialer som selen, som kunne smeltes fra visse metallsulfidmalmer. Når det ble utsatt for lys, økte selen ledningsevnen og begynte til og med å generere elektrisitet, og det kunne også brukes til retting. Var det noen sammenheng med sulfidkrystaller? Uten teoretiske modeller for å forklare hva som skjedde, var feltet i en tilstand av forvirring.
Mangelen på teori stoppet imidlertid ikke forsøk på å praktisk anvende resultatene. På slutten av 1890-tallet ble Brown professor ved universitetet i Strasbourg - nylig annektert fra Frankrike under og omdøpt til Kaiser Wilhelm University. Der ble han sugd inn i den spennende nye verdenen av radiotelegrafi. Han gikk med på et forslag fra en gruppe gründere om i fellesskap å lage et trådløst kommunikasjonssystem basert på overføring av radiobølger gjennom vann. Imidlertid forlot han og hans medskyldige snart den opprinnelige ideen til fordel for luftbåren signalering, som ble brukt av Marconi og andre.
Blant aspektene ved radioen som Browns gruppe forsøkte å forbedre var den daværende standardmottakeren, . Det var basert på det faktum at radiobølger førte til at metallspåner klumpet seg sammen, slik at strøm fra batteriet kunne passere til signalapparatet. Det fungerte, men systemet reagerte bare på relativt sterke signaler, og det krevde konstant treff av enheten for å bryte opp en klump sagflis. Brown husket sine gamle eksperimenter med sulfidkrystaller, og i 1899 gjenskapte han sitt gamle eksperimentelle oppsett med et nytt formål – å tjene som detektor for trådløse signaler. Han brukte likerettingseffekten til å konvertere den lille oscillerende strømmen som genereres ved å sende radiobølger til en likestrøm som kunne drive en liten høyttaler som produserte et hørbart klikk for hver prikk eller strek. Denne enheten ble senere kjent som ""på grunn av utseendet til ledningen, som lett berørte toppen av krystallen. I Britisk India (hvor Bangladesh ligger i dag) bygde forskeren og oppfinneren Jagadish Bose en lignende enhet, muligens så tidlig som i 1894. Andre begynte snart å lage lignende detektorer basert på silisium og karborundum (silisiumkarbid).
Men det er det , blysulfid, som har blitt smeltet for å produsere bly siden antikken, har blitt det foretrukne materialet for krystalldetektorer. De var enkle å lage og billige, og som et resultat ble de utrolig populære blant den tidlige generasjonen av radioamatører. Dessuten, i motsetning til en binær koherer (med sagflis som enten klumpet seg sammen eller ikke), kunne en krystallinsk likeretter reprodusere et kontinuerlig signal. Derfor kunne han produsere stemme og musikk hørbar for øret, og ikke bare morsekode med prikker og streker.
Cat's whisker detektor basert på galena. Den lille tråden til venstre er værhåren, og biten av sølvfarget materiale på bunnen er galenakrystallen.
Men som frustrerte radioamatører snart oppdaget, kan det ta minutter eller til og med timer å finne det magiske punktet på overflaten av krystallen som ville gi god retting. Og signalene uten forsterkning var svake og hadde en metallisk lyd. På 1920-tallet hadde vakuumrørmottakere med triodeforsterkere praktisk talt gjort krystalldetektorer utdaterte nesten overalt. Deres eneste attraktive funksjon var deres billighet.
Denne korte opptredenen på radioarenaen så ut til å være grensen for praktisk anvendelse av de merkelige elektriske egenskapene til materialet oppdaget av Brown og andre.
Kobberoksid
Så på 1920-tallet oppdaget en annen fysiker ved navn Lars Grøndahl noe merkelig med sitt eksperimentelle oppsett. Grøndahl, den første av en rekke smarte og rastløse menn i det amerikanske vestens historie, var sønn av en sivilingeniør. Faren, som emigrerte fra Norge i 1880, jobbet i flere tiår på jernbaner i California, Oregon og Washington. Til å begynne med virket Grøndahl fast bestemt på å forlate farens ingeniørverden, og gå til Johns Hopkins for en doktorgrad i fysikk for å forfølge en akademisk vei. Men så engasjerte han seg i jernbanevirksomheten og tok en stilling som forskningsdirektør ved Union Switch and Signal, en avdeling av industrigiganten. , som leverte utstyr til jernbaneindustrien.
Ulike kilder indikerer motstridende årsaker til Grøndahls motivasjon for forskningen, men uansett begynte han å eksperimentere med kobberskiver oppvarmet på den ene siden for å lage et oksidert lag. Mens han jobbet med dem, la han merke til asymmetrien til strømmen - motstanden i den ene retningen var tre ganger større enn i den andre. En skive av kobber og kobberoksid rettet opp strømmen, akkurat som en sulfidkrystall.
Kobberoksid likeretterkrets
Grøndahl brukte de neste seks årene på å utvikle en kommersiell likeretter som er klar til bruk basert på dette fenomenet, og hentet hjelp fra en annen amerikansk forsker, Paul Geiger, før han sendte inn en patentsøknad og kunngjorde oppdagelsen til American Physical Society i 1926. Enheten ble umiddelbart en kommersiell hit. På grunn av fraværet av skjøre filamenter, var den mye mer pålitelig enn vakuumrørlikeretteren basert på Fleming-ventilprinsippet, og var billigere å produsere. I motsetning til brune likeretterkrystaller fungerte det på første forsøk, og på grunn av det større kontaktområdet mellom metallet og oksidet fungerte det med et større spekter av strømmer og spenninger. Den kan lade batterier, oppdage signaler i ulike elektriske systemer og fungere som en sikkerhetsshunt i kraftige generatorer. Når de ble brukt som fotocelle, kunne skivene fungere som lysmålere, og var spesielt nyttige i fotografering. Andre forskere rundt samme tid utviklet selenlikerettere som fant lignende bruksområder.
En pakke likerettere basert på kobberoksid. En samling av flere disker økte omvendt motstand, noe som gjorde det mulig å bruke dem med høy spenning.
Noen år senere, to Bell Labs fysikere, Joseph Becker og , bestemte seg for å studere arbeidsprinsippet til en kobberlikeretter - de var interessert i å lære hvordan den fungerte og hvordan den kunne brukes på Bell System.
Brattain i alderdommen - ca. 1950
Brattain var fra samme område som Grøndal, i Pacific Northwest, hvor han vokste opp på en gård noen kilometer fra den kanadiske grensen. På videregående ble han interessert i fysikk, viste dyktighet i feltet, og tok etter hvert en doktorgrad fra University of Minnesota på slutten av 1920-tallet, og tok jobb ved Bell Laboratories i 1929. Blant annet ved universitetet studerte han den siste teoretiske fysikken, som ble stadig mer populær i Europa, og kjent som kvantemekanikk (kuratoren var , som også veiledet John Atanasoff).
Kvanterevolusjon
En ny teoretisk plattform har sakte utviklet seg de siste tre tiårene, og etter hvert vil den kunne forklare alle de merkelige fenomenene som har blitt observert i årevis i materialer som galena, selen og kobberoksid. En hel kohort av for det meste unge fysikere, hovedsakelig fra Tyskland og nabolandene, forårsaket en kvanterevolusjon innen fysikk. Overalt hvor de så, fant de ikke den glatte og kontinuerlige verden de hadde blitt lært opp, men rare, diskrete klumper.
Det hele startet på 1890-tallet. Max Planck, en berømt professor ved universitetet i Berlin, bestemte seg for å jobbe med et velkjent uløst problem: hvordan ""(et ideelt stoff som absorberer all energi og ikke reflekterer det) sender ut stråling i det elektromagnetiske spekteret? Ulike modeller ble prøvd, ingen av dem stemte overens med de eksperimentelle resultatene - de mislyktes verken i den ene enden av spekteret eller den andre. Planck oppdaget at hvis vi antar at energi sendes ut av en kropp i små "pakker" av diskrete mengder, så kan vi skrive ned en enkel lov om forholdet mellom frekvens og energi, som perfekt samsvarer med de empiriske resultatene.
Like etter oppdaget Einstein at det samme skjedde med absorpsjon av lys (det første hintet av fotoner), og J. J. Thomson viste at elektrisitet også ikke ble båret av en kontinuerlig væske eller bølge, men av diskrete partikler - elektroner. Niels Bohr laget deretter en modell for å forklare hvordan eksiterte atomer sender ut stråling ved å tilordne elektroner til individuelle baner i atomet, hver med sin egen energi. Imidlertid er dette navnet misvisende fordi de ikke oppfører seg i det hele tatt som banene til planeter - i Bohrs modell hoppet elektroner øyeblikkelig fra en bane, eller energinivå, til en annen, uten å gå gjennom en mellomtilstand. Til slutt, på 1920-tallet, skapte Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Born og andre en generalisert matematisk plattform kjent som kvantemekanikk, og inkorporerte alle de spesielle kvantemodellene som hadde blitt skapt i løpet av de foregående tjue årene.
På dette tidspunktet var fysikere allerede sikre på at materialer som selen og galena, som viste fotovoltaiske og likeretteregenskaper, tilhørte en egen klasse av materialer, som de kalte halvledere. Klassifiseringen tok så lang tid av flere grunner. For det første var selve kategoriene "ledere" og "isolatorer" ganske brede. T.N. "ledere" varierte enormt i ledningsevne, og det samme (i mindre grad) gjaldt isolatorer, og det var ikke åpenbart hvordan en bestemt leder kunne klassifiseres i noen av disse klassene. Frem til midten av 1900-tallet var det dessuten umulig å oppnå eller lage veldig rene stoffer, og eventuelle rariteter i ledningsevnen til naturlige materialer kunne alltid tilskrives forurensning.
Fysikere hadde nå både kvantemekanikkens matematiske verktøy og en ny klasse materialer som de kunne brukes på. britisk teoretiker var den første til å sette alt sammen og bygge en generell modell av halvledere og hvordan de fungerer i 1931.
Først hevdet Wilson at ledende materialer skiller seg fra dielektrikum i tilstanden til energibåndene deres. Kvantemekanikk sier at elektroner kan eksistere i et begrenset antall energinivåer som finnes i skallene, eller orbitalene, til individuelle atomer. Hvis du klemmer disse atomene sammen i strukturen til et materiale, vil det være mer riktig å forestille seg kontinuerlige energisoner som går gjennom det. Det er tomme rom i ledere i høyenergibånd, og det elektriske feltet kan fritt bevege elektroner dit. I isolatorer er sonene fylt, og det er ganske lang stigning å nå den høyere, ledende sonen, som det er lettere for elektrisitet å reise gjennom.
Dette førte ham til den konklusjon at urenheter - fremmede atomer i et materiales struktur - må bidra til dets halvlederegenskaper. De kan enten tilføre ekstra elektroner, som lett slipper ut i ledningsbåndet, eller hull – mangel på elektroner i forhold til resten av materialet – som skaper tomme energirom hvor frie elektroner kan bevege seg. Det første alternativet ble senere kalt n-type (eller elektroniske) halvledere - for den overskytende negative ladningen, og den andre - p-typen, eller hull - for den overskytende positive ladningen.
Til slutt foreslo Wilson at nåværende likeretting av halvledere kunne forklares i kvantekvantetermer. , det plutselige hoppet av elektroner over en tynn elektrisk barriere i et materiale. Teorien virket plausibel, men den spådde at i likeretteren skulle strømmen gå fra oksidet til kobberet, mens det i realiteten var omvendt.
Så til tross for alle Wilsons gjennombrudd, forble halvledere vanskelig å forklare. Etter hvert som det ble klart, påvirket mikroskopiske endringer i krystallstrukturen og konsentrasjonen av urenheter uforholdsmessig deres makroskopiske elektriske oppførsel. Ignorerer mangelen på forståelse - siden ingen kunne forklare de eksperimentelle observasjonene Brown gjorde 60 år tidligere - utviklet Brattain og Becker en effektiv produksjonsprosess for kobberoksid-likerettere for sin arbeidsgiver. Bell-systemet begynte raskt å erstatte vakuumrørlikerettere i hele systemet med en ny enhet som ingeniørene deres kalte , siden motstanden varierte avhengig av retningen.
gullmedalje
Mervyn Kelly, en fysiker og tidligere leder for Bell Labs' vakuumrøravdeling, ble veldig interessert i denne utviklingen. I løpet av et par tiår ga vakuumrør Bell uvurderlig service, og var i stand til å utføre funksjoner som ikke var mulig med den forrige generasjonen av mekaniske og elektromekaniske komponenter. Men de gikk varme, ble jevnlig overopphetet, forbrukte mye energi og var vanskelige å vedlikeholde. Kelly hadde til hensikt å gjenoppbygge Bells system med mer pålitelige og holdbare elektroniske komponenter i solid tilstand, for eksempel varistorer, som ikke krevde forseglede, gassfylte eller tomme kasser eller varme filamenter. I 1936 ble han leder for Bell Labs' forskningsavdeling, og begynte å omdirigere organisasjonen på en ny vei.
Etter å ha fått en solid-state likeretter, var det neste åpenbare trinnet å lage en solid state-forsterker. Naturligvis, som en rørforsterker, kan en slik enhet også fungere som en digital bryter. Dette var spesielt interessant for Bells selskap, siden telefonsvitsjer fortsatt brukte et stort antall elektromekaniske digitale brytere. Selskapet var på utkikk etter en mer pålitelig, mindre, energieffektiv og kjøligere erstatning for vakuumrøret i telefonsystemer, radioer, radarer og annet analogt utstyr, der de ble brukt til å forsterke svake signaler til nivåer som det menneskelige øret kunne høre.
I 1936 opphevet Bell Laboratories endelig ansettelsesstoppen som ble innført under . Kelly begynte umiddelbart å rekruttere kvantemekanikkeksperter for å hjelpe til med å lansere sitt solid-state forskningsprogram, inkludert , en annen innfødt vestkyst, fra Palo Alto, California. Emnet for hans nylige MIT-avhandling passet perfekt til Kellys behov: "Electron Bands in Sodium Chloride."
Brattain og Becker fortsatte sin forskning på kobberoksid-likeretteren i løpet av denne tiden, og søkte en forbedret solid-state forsterker. Den mest åpenbare måten å lage det på var å følge analogien med et vakuumrør. Akkurat som Lee de Forest tok en rørforsterker og mellom katoden og anoden, og Brattain og Becker forestilte seg hvordan et nett kunne settes inn i krysset mellom kobber og kobberoksid, der rektifisering skulle skje. Men på grunn av den lille tykkelsen på laget fant de det umulig å gjøre dette, og lyktes ikke med dette.
I mellomtiden viste andre utviklinger at Bell Labs ikke var det eneste selskapet som var interessert i solid-state elektronikk. I 1938 publiserte Rudolf Hilsch og Robert Pohl resultatene av eksperimenter utført ved Universitetet i Göttingen på en fungerende faststoffforsterker laget ved å introdusere et rutenett i en kaliumbromidkrystall. Denne laboratorieenheten var uten praktisk verdi, hovedsakelig fordi den opererte med en frekvens på ikke mer enn 1 Hz. Og likevel kunne denne prestasjonen ikke annet enn glede alle som er interessert i solid-state elektronikk. Samme år tildelte Kelly Shockley til en ny uavhengig forskningsgruppe for solid-state enheter og ga ham og kollegene Foster Nix og Dean Woolridge carte blanche til å utforske deres evner.
Minst to andre oppfinnere klarte å lage solid-state forsterkere før andre verdenskrig. I 1922, sovjetisk fysiker og oppfinner publiserte resultatene av vellykkede eksperimenter med sinsitt-halvledere, men arbeidet hans gikk ubemerket av det vestlige samfunnet; I 1926 søkte den amerikanske oppfinneren Julius Lillenfield om patent på en solid state-forsterker, men det er ingen bevis for at oppfinnelsen hans fungerte.
Shockleys første store innsikt i sin nye stilling kom mens han leste den britiske fysikeren Neville Motts arbeid fra 1938, The Theory of Crystalline Rectifiers, som til slutt forklarte driftsprinsippet til Grøndahl kobberoksid-likeretteren. Mott brukte matematikken til kvantemekanikk for å beskrive dannelsen av et elektrisk felt i krysset mellom et ledende metall og et halvledende oksid, og hvordan elektroner "hopper" over denne elektriske barrieren, i stedet for å gå i tunnel slik Wilson foreslo. Strøm flyter lettere fra metallet til halvlederen enn omvendt fordi metallet har mange flere frie elektroner.
Dette førte Shockley til nøyaktig samme ideen som Brattain og Becker hadde vurdert og avvist år før - å lage en solid state-forsterker ved å sette inn et kobberoksidnett mellom kobberet og kobberoksidet. Han håpet at strømmen som strømmer gjennom nettet ville øke barrieren som begrenser strømstrømmen fra kobberet til oksidet, og skape en invertert, forsterket versjon av signalet på nettet. Hans første rå forsøk mislyktes fullstendig, så han henvendte seg til en mann med mer raffinerte laboratorieferdigheter og kjennskap til likerettere: Walter Brattain. Og selv om han ikke var i tvil om resultatet, gikk Brattain med på å tilfredsstille Shockleys nysgjerrighet, og skapte en mer kompleks versjon av "grid"-forsterkeren. Hun nektet også å jobbe.
Så grep krigen inn, og etterlot Kellys nye forskningsprogram i uorden. Kelly ble leder for radararbeidsgruppen ved Bell Labs, støttet av USAs viktigste radarforskningssenter ved MIT. Brattain jobbet for ham kort, og gikk deretter videre til forskning på magnetisk deteksjon av ubåter for marinen. Woolridge jobbet med brannkontrollsystemer, Nix jobbet med gassdiffusjon for Manhattan-prosjektet, og Shockley gikk inn i operasjonell forskning, først arbeidet med anti-ubåtkrigføring i Atlanterhavet og deretter med strategisk bombing i Stillehavet.
Men til tross for denne intervensjonen, stoppet ikke krigen utviklingen av solid-state elektronikk. Tvert imot orkestrerte det en massiv tilførsel av ressurser inn i feltet, og førte til en konsentrasjon av forskning på to materialer: germanium og silisium.
Hva annet å lese
Ernest Bruan og Stuart MacDonald, Revolution in Miniature (1978)
Friedrich Kurylo og Charles Susskind, Ferdinand Braun (1981)
G. L. Pearson og W. H. Brattain, "History of Semiconductor Research," Proceedings of the IRE (desember 1955).
Michael Riordan og Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
Kilde: www.habr.com
