🥇Historia tranzystora, część 2: z tygla wojny

Inne artykuły z serii:

Tygiel wojny przygotował grunt pod pojawienie się tranzystora. W latach 1939-1945 wiedza techniczna w dziedzinie półprzewodników ogromnie się rozwinęła. I był ku temu jeden prosty powód: radar. Najważniejsza technologia wojenna, której przykładami są: wykrywanie nalotów, poszukiwanie okrętów podwodnych, kierowanie nocnych nalotów na cele, namierzanie systemów obrony powietrznej i dział morskich. Inżynierowie nauczyli się nawet wbijać maleńkie radary w pociski artyleryjskie, tak aby eksplodowały, gdy przelatywały w pobliżu celu – bezpieczniki radiowe. Jednak źródło tej nowej, potężnej technologii wojskowej znajdowało się w bardziej pokojowej dziedzinie: badaniach górnych warstw atmosfery do celów naukowych.

Radar

W 1901 roku firmie Marconi Wireless Telegraph Company udało się przesłać bezprzewodową wiadomość przez Atlantyk, z Kornwalii do Nowej Funlandii. Fakt ten wprowadził współczesną naukę w zamieszanie. Jeżeli transmisje radiowe przebiegają w linii prostej (tak jak powinny), taka transmisja powinna być niemożliwa. Nie ma bezpośredniej linii wzroku między Anglią a Kanadą, która nie przecinałaby Ziemi, więc wiadomość Marconiego musiała polecieć w kosmos. Amerykański inżynier Arthur Kennealy i brytyjski fizyk Oliver Heaviside jednocześnie i niezależnie od siebie zaproponowali, że wyjaśnienia tego zjawiska należy wiązać z warstwą zjonizowanego gazu znajdującą się w górnych warstwach atmosfery, zdolną do odbijania fal radiowych z powrotem na Ziemię (sam Marconi uważał, że fale radiowe podążać za krzywizną powierzchni Ziemi, jednak fizycy tego nie poparli).

W latach dwudziestych XX wieku naukowcy opracowali nowy sprzęt, który umożliwił najpierw udowodnienie istnienia jonosfery, a następnie zbadanie jej struktury. Wykorzystali lampy próżniowe do generowania krótkofalowych impulsów radiowych, anteny kierunkowe do wysyłania ich do atmosfery i rejestrowania echa oraz urządzenia wykorzystujące wiązkę elektronów aby zademonstrować wyniki. Im dłuższe opóźnienie powrotu echa, tym dalej musi znajdować się jonosfera. Technologię tę nazwano sondowaniem atmosferycznym i zapewniła ona podstawową infrastrukturę techniczną dla rozwoju radarów (termin „radar” od RAdio Detection And Ranging pojawił się w Marynarce Wojennej Stanów Zjednoczonych dopiero w latach czterdziestych XX wieku).

Było tylko kwestią czasu, zanim ludzie posiadający odpowiednią wiedzę, zasoby i motywację zorientują się, jaki potencjał kryje się w naziemnych zastosowaniach takiego sprzętu (stąd historia radaru jest odwrotnością historii teleskopu, który pierwotnie był przeznaczony do użytku naziemnego). . Prawdopodobieństwo takiego spostrzeżenia wzrosło w miarę rozprzestrzeniania się radia na całej planecie, a coraz więcej osób zauważyło zakłócenia pochodzące z pobliskich statków, samolotów i innych dużych obiektów. Znajomość technologii sondowania górnych warstw atmosfery rozprzestrzeniła się w drugim Międzynarodowy Rok Polarny (1932-1933), kiedy naukowcy sporządzili mapę jonosfery z różnych stacji arktycznych. Wkrótce zespoły z Wielkiej Brytanii, USA, Niemiec, Włoch, ZSRR i innych krajów opracowały swoje najprostsze systemy radarowe.

Roberta Watsona-Wata ze swoim radarem z 1935 roku

Potem wybuchła wojna i znaczenie radarów dla krajów – oraz środków na ich rozwój – dramatycznie wzrosło. W Stanach Zjednoczonych zasoby te skupiły się wokół nowej organizacji założonej w 1940 roku na MIT, znanej jako Laboratorium Rad (nazwano go tak specjalnie, aby wprowadzić w błąd zagranicznych szpiegów i stworzyć wrażenie, że w laboratorium bada się radioaktywność - niewiele osób wierzyło wówczas w bomby atomowe). Projekt Rad Lab, który nie zyskał takiej sławy jak Projekt Manhattan, pozyskał jednak w swoje szeregi równie wybitnych i utalentowanych fizyków z całych Stanów Zjednoczonych. Pięciu pierwszych pracowników laboratorium (m.in Luisa Alvareza и Izydor Izaak Rabi) otrzymał później Nagrody Nobla. Do końca wojny w laboratorium pracowało około 500 doktorów nauk, naukowców i inżynierów, a łącznie pracowało 4000 osób. Pół miliona dolarów – porównywalne z całym budżetem ENIAC – wydano na samą serię Radiation Laboratory Series, dwudziestosiedmiotomowy zapis całej wiedzy zdobytej w laboratorium podczas wojny (chociaż wydatki rządu USA na technologię radarową nie były ograniczone do budżetu Rad Lab; w czasie wojny rząd zakupił radary za trzy miliardy dolarów).

Budynek MIT 20, w którym mieściło się Rad Lab

Jednym z głównych obszarów badań Rad Lab był radar wysokiej częstotliwości. Wczesne radary wykorzystywały długości fal mierzone w metrach. Jednak wiązki o wyższej częstotliwości i długości fal mierzonej w centymetrach – mikrofale – pozwoliły na stworzenie bardziej zwartych anten i były mniej rozproszone na dużych dystansach, co zapewniało większe korzyści w zakresie zasięgu i dokładności. Radary mikrofalowe mogłyby zmieścić się w nosie samolotu i wykrywać obiekty wielkości peryskopu łodzi podwodnej.

Pierwszym, który rozwiązał ten problem, był zespół brytyjskich fizyków z Uniwersytetu w Birmingham. W 1940 roku opracowano „magnetron rezonansowy„, który działał jak elektromagnetyczny „gwizdek”, zamieniając przypadkowy impuls energii elektrycznej w potężną i precyzyjnie dostrojoną wiązkę mikrofal. Ten nadajnik mikrofalowy był tysiąc razy silniejszy niż jego najbliższy konkurent; utorowało drogę praktycznym nadajnikom radarowym wysokiej częstotliwości. Potrzebował jednak towarzysza, odbiornika zdolnego do wykrywania wysokich częstotliwości. I w tym miejscu wracamy do historii półprzewodników.

Przekrój magnetronu

Drugie pojawienie się wąsów kota

Okazało się, że lampy próżniowe w ogóle nie nadają się do odbioru mikrofalowych sygnałów radarowych. Szczelina między gorącą katodą a zimną anodą tworzy pojemność, która powoduje, że obwód odmawia pracy przy wysokich częstotliwościach. Najlepszą dostępną technologią dla radarów wysokiej częstotliwości była staromodna „wąsy kota„- mały kawałek drutu dociśnięty do kryształu półprzewodnika. Kilka osób odkryło to niezależnie, ale najbliższą naszej historii rzeczą jest to, co wydarzyło się w New Jersey.

W 1938 roku Bell Labs podpisało kontrakt z Marynarką Wojenną na opracowanie radaru kierowania ogniem o zasięgu 40 cm – znacznie krótszego, a zatem o wyższej częstotliwości, niż istniejące radary z epoki przedrezonansowej magnetronu. Główne prace badawcze trafiły do oddziału laboratoriów w Holmdel, na południe od Staten Island. Badacze nie potrzebowali dużo czasu, aby dowiedzieć się, czego będą potrzebować w przypadku odbiornika wysokiej częstotliwości i wkrótce inżynier George Southworth przeszukiwał sklepy radiowe na Manhattanie w poszukiwaniu starych detektorów kocich wąsów. Zgodnie z oczekiwaniami działał znacznie lepiej niż detektor lampowy, ale był niestabilny. Dlatego Southworth odszukał elektrochemika Russella Ohla i poprosił go, aby spróbował poprawić jednorodność odpowiedzi jednopunktowego detektora kryształowego.

Ol był osobą dość osobliwą, która rozwój technologii uważała za swoje przeznaczenie, a opowiadała o okresowych spostrzeżeniach z wizjami przyszłości. Stwierdził na przykład, że już w 1939 roku wiedział o przyszłym wynalazku wzmacniacza krzemowego, ale los był skazany na wynalezienie go przez inną osobę. Po przestudiowaniu dziesiątek opcji zdecydował się na krzem jako najlepszą substancję dla odbiorników Southworth. Problemem była możliwość kontrolowania zawartości materiału w celu kontrolowania jego właściwości elektrycznych. Przemysłowe wlewki krzemowe były wówczas powszechne, używano ich w hutach, ale przy takiej produkcji nikomu nie przeszkadzała, powiedzmy, zawartość 1% fosforu w krzemie. Korzystając z pomocy kilku metalurgów, Ol postanowił uzyskać znacznie czystsze półfabrykaty, niż było to wcześniej możliwe.

Podczas pracy odkryli, że niektóre ich kryształy prostują prąd w jednym kierunku, a inne w drugim. Nazwali je „typem n” i „typem p”. Dalsza analiza wykazała, że za te typy odpowiedzialne są różne rodzaje zanieczyszczeń. Krzem znajduje się w czwartej kolumnie układu okresowego, co oznacza, że na swojej zewnętrznej powłoce ma cztery elektrony. W ślepej próbie czystego krzemu każdy z tych elektronów połączyłby się z sąsiadem. Zanieczyszczenia z trzeciej kolumny, np. bor, który ma o jeden elektron mniej, utworzyły „dziurę”, dodatkową przestrzeń dla bieżącego ruchu w krysztale. W rezultacie powstał półprzewodnik typu p (z nadmiarem ładunków dodatnich). Pierwiastki z piątej kolumny, takie jak fosfor, zapewniły dodatkowe wolne elektrony do przenoszenia prądu i otrzymano półprzewodnik typu n.

Struktura krystaliczna krzemu

Wszystkie te badania były bardzo interesujące, ale w 1940 roku Southworth i Ohl nie byli bliżsi stworzenia działającego prototypu radaru wysokiej częstotliwości. Jednocześnie rząd brytyjski zażądał natychmiastowych praktycznych rezultatów w związku z grożącym zagrożeniem ze strony Luftwaffe, która stworzyła już gotowe do produkcji detektory mikrofalowe współpracujące z nadajnikami magnetronowymi.

Jednak równowaga postępu technologicznego wkrótce przechyli się w stronę zachodniej strony Atlantyku. Churchill postanowił wyjawić Amerykanom wszystkie tajemnice techniczne Wielkiej Brytanii, zanim faktycznie przystąpił do wojny (ponieważ zakładał, że i tak to nastąpi). Uważał, że warto ryzykować wyciek informacji, ponieważ wtedy cały potencjał przemysłowy Stanów Zjednoczonych zostałby skierowany na rozwiązywanie problemów takich jak broń atomowa i radary. Brytyjska Misja Naukowo-Technologiczna (lepiej znana jako Misja Tizarda) przybyła do Waszyngtonu we wrześniu 1940 roku i przywiozła ze sobą prezent w postaci cudów techniki.

Odkrycie niesamowitej mocy magnetronu rezonansowego i skuteczności brytyjskich detektorów kryształowych w odbiorze jego sygnału ożywiło amerykańskie badania nad półprzewodnikami jako podstawą radaru wysokiej częstotliwości. Było dużo pracy do wykonania, szczególnie w materiałoznawstwie. Aby zaspokoić popyt, kryształy półprzewodników „musiały być produkowane w milionach, znacznie więcej niż było to wcześniej możliwe. Należało ulepszyć rektyfikację, zmniejszyć wrażliwość na wstrząsy i wypalenie oraz zminimalizować różnice między różnymi partiami kryształów.

Prostownik punktowy krzemowy

W Rad Lab otwarto nowe działy badawcze, których zadaniem jest badanie właściwości kryształów półprzewodników oraz sposobów ich modyfikacji w celu maksymalizacji cennych właściwości odbiornika. Najbardziej obiecującymi materiałami były krzem i german, dlatego Rad Lab zdecydował się zachować ostrożność i uruchomił równoległe programy badania obu materiałów: krzemu na Uniwersytecie Pensylwanii i germanu w Purdue. Giganci branży, tacy jak Bell, Westinghouse, Du Pont i Sylvania rozpoczęli własne programy badawcze w zakresie półprzewodników i rozpoczęli rozwój nowych zakładów produkcyjnych dla detektorów kryształów.

Dzięki wspólnym wysiłkom podniesiono czystość kryształów krzemu i germanu z początkowego poziomu 99% do 99,999%, czyli do jednej cząstki zanieczyszczeń na 100 000 atomów. W trakcie tego procesu kadra naukowców i inżynierów dokładnie zapoznała się z abstrakcyjnymi właściwościami germanu i krzemu oraz zastosowała technologie ich kontrolowania: topienie, hodowanie kryształów, dodawanie niezbędnych zanieczyszczeń (takich jak bor, który zwiększa przewodność).

A potem wojna się skończyła. Zapotrzebowanie na radary zniknęło, ale wiedza i umiejętności zdobyte podczas wojny pozostały, a marzenie o wzmacniaczu półprzewodnikowym nie zostało zapomniane. Teraz wyścig polegał na stworzeniu takiego wzmacniacza. Co najmniej trzy zespoły miały dobrą pozycję, aby zdobyć tę nagrodę.

Westa Lafayette’a

Pierwszą była grupa z Uniwersytetu Purdue, na której czele stał urodzony w Austrii fizyk Carl Lark-Horowitz. Dzięki swojemu talentowi i wpływom w pojedynkę wyprowadził wydział fizyki uniwersytetu z zapomnienia i wpłynął na decyzję Rad Lab o powierzeniu swojemu laboratorium badań nad germanem.

Carl Lark-Horowitz w 1947 r., w środku, trzymający fajkę

Na początku lat czterdziestych XX wieku krzem uznawano za najlepszy materiał na prostowniki radarowe, ale materiał znajdujący się tuż pod nim w układzie okresowym również wydawał się godny dalszych badań. German miał praktyczną zaletę ze względu na niższą temperaturę topnienia, co ułatwiało obróbkę: około 1940 stopni w porównaniu do 940 stopni w przypadku krzemu (prawie tyle samo co stal). Ze względu na wysoką temperaturę topnienia niezwykle trudno było wykonać półfabrykat, który nie wyciekałby do stopionego krzemu, zanieczyszczając go.

Dlatego Lark-Horowitz i jego współpracownicy spędzili całą wojnę na badaniu chemicznych, elektrycznych i fizycznych właściwości germanu. Najważniejszą przeszkodą było „napięcie wsteczne”: prostowniki germanowe przy bardzo niskim napięciu przestały prostować prąd i pozwoliły mu płynąć w przeciwnym kierunku. Impuls prądu wstecznego spalił pozostałe elementy radaru. Jeden z absolwentów Lark-Horowitz, Seymour Benzer, badał ten problem przez ponad rok i ostatecznie opracował dodatek na bazie cyny, który zatrzymuje impulsy wsteczne przy napięciach sięgających setek woltów. Wkrótce potem Western Electric, oddział produkcyjny Bell Labs, rozpoczął produkcję prostowników Benzer do zastosowań wojskowych.

Badania nad germanem w Purdue kontynuowano po wojnie. W czerwcu 1947 roku Benzer, będący już profesorem, zgłosił niezwykłą anomalię: w niektórych eksperymentach w kryształach germanu pojawiły się oscylacje o wysokiej częstotliwości. A jego kolega Ralph Bray kontynuował badania „oporu objętościowego” w ramach projektu rozpoczętego podczas wojny. Rezystancja objętościowa opisuje przepływ prądu w krysztale germanu w punkcie styku prostownika. Bray odkrył, że impulsy wysokiego napięcia znacznie zmniejszają odporność germanu typu n na te prądy. Nie wiedząc o tym, był świadkiem tzw. „mniejszościowe” nośniki ładunku. W półprzewodnikach typu n nadmiar ładunku ujemnego służy jako nośnik ładunku większościowego, ale „dziury” dodatnie mogą również przewodzić prąd i w tym przypadku impulsy wysokiego napięcia utworzyły dziury w strukturze germanu, powodując pojawienie się nośników ładunku mniejszościowego .

Bray i Benzer podeszli kusząco blisko wzmacniacza germanowego, nie zdając sobie z tego sprawy. Benzer przyłapał Waltera Brattaina, naukowca z Bell Labs, na konferencji w styczniu 1948 roku, aby omówić z nim opór objętościowy. Zasugerował, aby Brattain umieścił kolejny kontakt punktowy obok pierwszego, który może przewodzić prąd, a wtedy mogliby zrozumieć, co dzieje się pod powierzchnią. Brattain po cichu zgodził się na tę propozycję i wyszedł. Jak się przekonamy, wiedział aż za dobrze, co taki eksperyment może ujawnić.

Oney-sous-Bois

Grupa Purdue dysponowała zarówno technologią, jak i podstawą teoretyczną, aby dokonać kroku w kierunku tranzystora. Ale mogli natknąć się na to tylko przez przypadek. Interesowały ich właściwości fizyczne materiału, a nie poszukiwanie nowego typu urządzenia. Zupełnie odmienna sytuacja panowała w Aunes-sous-Bois (Francja), gdzie dwóch byłych badaczy radarów z Niemiec, Heinrich Welker i Herbert Mathare, kierowało zespołem, którego celem było stworzenie przemysłowych urządzeń półprzewodnikowych.

Welker najpierw studiował, a następnie wykładał fizykę na uniwersytecie monachijskim, prowadzonym przez słynnego teoretyka Arnolda Sommerfelda. Od 1940 roku zeszedł ze ścieżki czysto teoretycznej i rozpoczął prace nad radarem dla Luftwaffe. Mathare (pochodzenia belgijskiego) dorastał w Akwizgranie, gdzie studiował fizykę. W 1939 roku dołączył do działu badawczego niemieckiego giganta radiowego Telefunken. W czasie wojny przeniósł swoją pracę z Berlina na wschód do opactwa na Śląsku, aby uniknąć nalotów aliantów, a następnie z powrotem na zachód, aby uniknąć nacierającej Armii Czerwonej, która ostatecznie wpadła w ręce armii amerykańskiej.

Podobnie jak ich rywale z Koalicji Antyhitlerowskiej, Niemcy już na początku lat czterdziestych XX wieku wiedzieli, że detektory kryształowe są idealnymi odbiornikami radarów, a krzem i german są najbardziej obiecującymi materiałami do ich stworzenia. Mathare i Welker próbowali w czasie wojny poprawić efektywność wykorzystania tych materiałów w prostownikach. Po wojnie obaj byli okresowo przesłuchiwani w związku z pracą wojskową i ostatecznie w 1940 roku otrzymali zaproszenie od oficera francuskiego wywiadu do Paryża.

Compagnie des Freins & Signaux („firma produkująca hamulce i sygnały”), francuski oddział Westinghouse, otrzymała od francuskich władz telefonicznych kontrakt na produkcję prostowników półprzewodnikowych i zwróciła się do niemieckich naukowców o pomoc. Taki sojusz niedawnych wrogów może wydawać się dziwny, ale układ ten okazał się całkiem korzystny dla obu stron. Francuzi pokonani w 1940 r. nie mieli możliwości zdobycia wiedzy w dziedzinie półprzewodników i rozpaczliwie potrzebowali umiejętności Niemców. Niemcy nie mogli prowadzić rozwoju w żadnej dziedzinie zaawansowanych technologii w okupowanym i rozdartym wojną kraju, więc skorzystali z okazji, aby kontynuować pracę.

Welker i Mathare założyli siedzibę w dwupiętrowym domu na przedmieściach Paryża w Aunes-sous-Bois i przy pomocy zespołu techników z sukcesem wypuścili na rynek prostowniki germanowe pod koniec 1947 roku. Następnie zajęli się poważniejszymi produktami nagrody: Welker powrócił do zainteresowań nadprzewodnikami, a Mathare do wzmacniaczy.

Herberta Mathare’a w 1950 r

Podczas wojny Mathare eksperymentował z prostownikami dwupunktowymi – „duodeodami” – próbując zmniejszyć szumy w obwodzie. Wznowił swoje eksperymenty i wkrótce odkrył, że drugi wąsik kota, umieszczony w odległości 1/100 milionowej metra od pierwszego, może czasami modulować prąd przepływający przez pierwszy wąs. Stworzył wzmacniacz półprzewodnikowy, choć raczej bezużyteczny. Aby osiągnąć bardziej niezawodne działanie, zwrócił się do Welkera, który podczas wojny zdobył duże doświadczenie w pracy z kryształami germanu. Zespół Welkera wyhodował większe i czystsze próbki kryształów germanu, a wraz z poprawą jakości materiału wzmacniacze punktowe Mathare stały się niezawodne do czerwca 1948 roku.

Zdjęcie rentgenowskie „tranzystronu” opartego na obwodzie Mathare, który ma dwa punkty kontaktu z germanem

Mathare miał nawet teoretyczny model tego, co się dzieje: uważał, że drugi kontakt powoduje dziury w germanie, przyspieszając przepływ prądu przez pierwszy kontakt, dostarczając nośniki ładunku mniejszościowego. Welker nie zgadzał się z nim i uważał, że to, co się dzieje, zależy od jakiegoś efektu pola. Zanim jednak udało im się opracować urządzenie lub teorię, dowiedzieli się, że grupa Amerykanów opracowała dokładnie tę samą koncepcję – wzmacniacz germanowy z dwoma stykami punktowymi – sześć miesięcy wcześniej.

Wzgórze Murraya

Pod koniec wojny Mervyn Kelly zreformował grupę badawczą Bell Labs zajmującą się półprzewodnikami, na której czele stał Bill Shockley. Projekt rozrósł się, otrzymał większe fundusze i został przeniesiony z pierwotnego budynku laboratoryjnego na Manhattanie do rozwijającego się kampusu w Murray Hill w stanie New Jersey.

Kampus Murray Hill, ok. 1960

Aby na nowo zapoznać się z zaawansowanymi półprzewodnikami (po czasie spędzonym w badaniach operacyjnych podczas wojny), Shockley odwiedził laboratorium Russella Ohla w Holmdel wiosną 1945 roku. Ohl spędził lata wojny pracując nad krzemem i nie tracił czasu. Pokazał Shockleyowi prymitywny wzmacniacz własnej konstrukcji, który nazwał „desisterem”. Wziął prostownik punktowy krzemowy i przepuścił przez niego prąd z akumulatora. Najwyraźniej ciepło z akumulatora zmniejszyło rezystancję w punkcie styku i zamieniło prostownik we wzmacniacz zdolny do przesyłania przychodzących sygnałów radiowych do obwodu o mocy wystarczającej do zasilania głośnika

Efekt był prymitywny i zawodny, nienadający się do komercjalizacji. To jednak wystarczyło, aby potwierdzić opinię Shockleya, że możliwe jest stworzenie wzmacniacza półprzewodnikowego i że powinno to być priorytetem badań w dziedzinie elektroniki półprzewodnikowej. Również to spotkanie z zespołem Oli przekonało Shockleya, że w pierwszej kolejności należy zbadać krzem i german. Wykazywały atrakcyjne właściwości elektryczne, a metalurdzy Ohla, Jack Skaff i Henry Theurer, odnieśli niesamowity sukces w hodowli, oczyszczaniu i domieszkowaniu tych kryształów podczas wojny, przewyższając wszystkie technologie dostępne dla innych materiałów półprzewodnikowych. Grupa Shockleya nie miała zamiaru tracić więcej czasu na przedwojenne wzmacniacze z tlenku miedzi.

Z pomocą Kelly'ego Shockley zaczął tworzyć nowy zespół. Do kluczowych graczy należeli Walter Brattain, który pomógł Shockleyowi w jego pierwszej próbie stworzenia wzmacniacza półprzewodnikowego (w 1940 r.) oraz John Bardeen, młody fizyk i nowy pracownik Bell Labs. Bardeen miał prawdopodobnie najszerszą wiedzę z zakresu fizyki ciała stałego ze wszystkich członków zespołu – w jego rozprawie doktorskiej opisano poziomy energii elektronów w strukturze metalicznego sodu. Był także kolejnym protegowanym Johna Hasbroucka Van Vlecka, podobnie jak Atanasow i Brattain.

I podobnie jak rozprawy Atanasowa, Bardeena i Shockleya wymagały niezwykle skomplikowanych obliczeń. Aby obliczyć strukturę energetyczną materiałów za pomocą kalkulatora Monroe, musieli zastosować teorię mechaniki kwantowej półprzewodników, zdefiniowaną przez Alana Wilsona. Pomagając w stworzeniu tranzystora, w rzeczywistości przyczynili się do uratowania przyszłych doktorantów przed taką pracą.

Pierwsze podejście Shockleya do wzmacniacza półprzewodnikowego opierało się na tym, co później nazwano „efekt pola„. Zawiesił metalową płytkę nad półprzewodnikiem typu n (z nadmiarem ładunków ujemnych). Przyłożenie ładunku dodatniego do płytki przyciągnęło nadmiar elektronów na powierzchnię kryształu, tworząc rzekę ładunków ujemnych, przez którą z łatwością mógł przepływać prąd elektryczny. Wzmocniony sygnał (reprezentowany przez poziom naładowania płytki) mógłby w ten sposób modulować obwód główny (przechodząc wzdłuż powierzchni półprzewodnika). Skuteczność tego schematu zasugerowała mu jego teoretyczna wiedza z fizyki. Ale pomimo wielu eksperymentów i eksperymentów schemat nigdy nie zadziałał.

Do marca 1946 roku Bardeen stworzył dobrze rozwiniętą teorię, która wyjaśniała przyczynę tego zjawiska: powierzchnia półprzewodnika na poziomie kwantowym zachowuje się inaczej niż jej wnętrze. Ładunki ujemne przyciągane do powierzchni zostają uwięzione w „stanach powierzchniowych” i blokują pole elektryczne przed wnikaniem płytki do materiału. Pozostała część zespołu uznała tę analizę za przekonującą i uruchomiła nowy program badawczy, kierując się trzema ścieżkami:

Udowodnić istnienie stanów powierzchniowych.
Przestudiuj ich właściwości.
Dowiedz się, jak ich pokonać i spraw, by to zadziałało tranzystor polowy.

Po półtora roku badań i eksperymentów, 17 listopada 1947 r. Brattain dokonał przełomu. Odkrył, że jeśli umieści ciecz wypełnioną jonami, np. wodę, pomiędzy płytką a półprzewodnikiem, pole elektryczne wytwarzane przez płytkę wypchnie jony w kierunku półprzewodnika, gdzie zneutralizują ładunki uwięzione w stanach powierzchniowych. Teraz mógł kontrolować zachowanie elektryczne kawałka krzemu, zmieniając ładunek na płytce. Sukces ten podsunął Bardeenowi pomysł na nowe podejście do budowy wzmacniacza: otoczyć miejsce styku prostownika wodą z elektrolitem, a następnie za pomocą drugiego przewodu zanurzonego w wodzie kontrolować stan powierzchni, a tym samym kontrolować poziom przewodności sieci głównej kontakt. Tym samym Bardeen i Brattain dotarli do mety.

Pomysł Bardeena zadziałał, jednak wzmocnienie było słabe i pracowało na bardzo niskich częstotliwościach, niedostępnych dla ludzkiego ucha - więc jako wzmacniacz telefoniczny czy radiowy nadawał się do niczego. Bardeen zasugerował przejście na german odporny na napięcie wsteczne produkowany w Purdue, wierząc, że na jego powierzchni zgromadzi się mniej ładunków. Nagle otrzymali potężny wzrost, ale w przeciwnym kierunku niż oczekiwano. Odkryli efekt nośnika mniejszościowego – zamiast oczekiwanych elektronów, prąd płynący przez german został wzmocniony przez dziury pochodzące z elektrolitu. Prąd płynący w drucie w elektrolicie utworzył warstwę typu p (obszar nadmiernych ładunków dodatnich) na powierzchni germanu typu n.

Późniejsze eksperymenty wykazały, że elektrolit nie jest w ogóle potrzebny: po prostu umieszczając dwa punkty styku blisko powierzchni germanu, można było modulować prąd z jednego z nich na prąd drugiego. Aby je jak najbardziej zbliżyć, Brattain owinął trójkątny kawałek plastiku kawałkiem złotej folii, a następnie ostrożnie odciął folię na końcu. Następnie za pomocą sprężyny docisnął trójkąt do germanu, w wyniku czego obie krawędzie nacięcia zetknęły się z jego powierzchnią w odległości 0,05 mm. To nadało prototypowi tranzystora Bell Labs charakterystyczny wygląd:

Prototyp tranzystora Brattaina i Bardeena

Podobnie jak urządzenie Mathare i Welkera, było to w zasadzie klasyczne „kocie wąsy”, tylko z dwoma punktami styku zamiast jednego. 16 grudnia spowodował znaczny wzrost mocy i napięcia oraz częstotliwości 1000 Hz w zakresie słyszalnym. Tydzień później, po drobnych ulepszeniach, Bardeen i Brattain zwiększyli napięcie 100 razy i moc 40 razy i pokazali dyrektorom Bella, że ich urządzenie może wytwarzać słyszalną mowę. John Pierce, inny członek zespołu zajmującego się rozwojem półprzewodników, ukuł termin „tranzystor” od nazwy prostownika z tlenku miedzi firmy Bell – warystora.

Przez następne sześć miesięcy laboratorium utrzymywało nowe dzieło w tajemnicy. Kierownictwo chciało mieć pewność, że ma przewagę nad komercjalizacją tranzystora, zanim ktokolwiek inny dostanie go w swoje ręce. Konferencję prasową zaplanowano na 30 czerwca 1948 r., w samą porę, aby rozwiać marzenia Welkera i Mathare o nieśmiertelności. Tymczasem grupa badawcza zajmująca się półprzewodnikami po cichu upadła. Po usłyszeniu o osiągnięciach Bardeena i Brattaina ich szef, Bill Shockley, zaczął pracować nad tym, aby przypisać sobie całą zasługę. I chociaż Shockley odgrywał jedynie rolę obserwacyjną, podczas publicznej prezentacji zyskał równy, jeśli nie większy, rozgłos – jak widać na opublikowanym zdjęciu przedstawiającym go w samym środku akcji, tuż obok stołu laboratoryjnego:

Zdjęcie reklamowe z 1948 r. - Bardeen, Shockley i Brattain

Jednak równa sława nie wystarczyła Shockleyowi. I zanim ktokolwiek spoza Bell Labs dowiedział się o tranzystorze, był zajęty wymyślaniem go na nowo dla siebie. A to był dopiero pierwszy z wielu takich wynalazków.

Co jeszcze przeczytać

Robert Buderi, Wynalazek, który zmienił świat (1996)
Michael Riordan, „Jak Europa przegapiła tranzystor”, IEEE Spectrum (1 listopada 2005)
Michael Riordan i Lillian Hoddeson, Kryształowy ogień (1997)
Armand Van Dormael, „Francuski” tranzystor”, www.cdvandt.org/VanDormael.pdf (1994)

Źródło: www.habr.com

Historia tranzystora, część 2: Z tygla wojny