Inne artykuły cyklu:
- Historia przekaźnika
- Historia komputerów elektronicznych
- Historia tranzystora
- Historia internetu
Piekło wojny przygotowało grunt pod powstanie tranzystora. Od 1939 do 1945 roku wiedza techniczna w dziedzinie półprzewodników niesamowicie się rozwinęła. A to wszystko z jednego prostego powodu: radar. To była najważniejsza technologia wojny, z przykładami zastosowań obejmującymi: wykrywanie ataków powietrznych, poszukiwanie okrętów podwodnych, kierowanie nocnymi atakami lotniczymi na cele, oraz ukierunkowywanie systemów obrony powietrznej i dział morskich. Inżynierowie nawet nauczyli się umieszczać maleńkie radary w pociskach artyleryjskich, aby detonowały, gdy przeleciały blisko celu - . Jednak źródłem tej nowej potężnej technologii wojskowej była bardziej pokojowa dziedzina: badanie górnych warstw atmosfery w celach naukowych.
Radar
W 1901 roku firma „Bezprzewodowy Telegraf Marconiego” pomyślnie przesłała bezprzewodową wiadomość przez Atlantyk, z Kornwalii do Nowej Fundlandii. Ten fakt wprawił współczesną naukę w zakłopotanie. Jeśli transmisje radiowe poruszają się po linii prostej (jak powinno to się dziać), taka transmisja powinna być niemożliwa. Pomiędzy Anglią a Kanadą nie ma linii widoczności, która nie przecinałaby Ziemi, więc wiadomość Marconiego musiała wzlecieć w kosmos. Amerykański inżynier Arthur Kennelly i brytyjski fizyk Oliver Heaviside równocześnie i niezależnie założyli, że wyjaśnienie tego zjawiska powinno być związane z warstwą zjonizowanego gazu znajdującą się w górnych warstwach atmosfery, która jest w stanie odbić fale radiowe z powrotem na Ziemię (sam Marconi uważał, że fale radiowe podążają za krzywizną powierzchni Ziemi, jednak fizycy nie poparli go).
Do lat 20. XX wieku naukowcy opracowali nowy sprzęt, który po pierwsze umożliwił udowodnienie istnienia jonosfery, a następnie zbadanie jej struktury. Użyli lamp elektronowych do generowania krótkofalowych impulsów radiowych, skierowanych anten do wysyłania ich w górę w atmosferę i rejestrowania echa oraz do demonstrowania wyników. Im dłuższe opóźnienie powrotne echa, tym dalej musi być jonosfera. Tę technologię nazwano sondowaniem atmosferycznym i zapewniła ona podstawową infrastrukturę techniczną do stworzenia radaru (sam termin „radar”, od RAdio Detection And Ranging, pojawił się dopiero w latach 40. w marynarce wojennej USA).
To, że ludzie posiadający odpowiednie umiejętności, zasoby i motywację zrozumieli potencjał praktycznego zastosowania takiego urządzenia, było tylko kwestią czasu (w ten sposób historia radaru jest przeciwieństwem historii teleskopu, który pierwotnie miał być używany na ziemi). Prawdopodobieństwo takiego olśnienia rosło w miarę jak radio coraz bardziej się rozwijało, a coraz więcej osób zauważało zakłócenia pochodzące z pobliskich statków, samolotów i innych dużych obiektów. Wiedza z zakresu technologii sondowania górnych warstw atmosfery rozprzestrzeniła się podczas drugiego (1932-1933), kiedy to naukowcy z różnych stacji arktycznych tworzyli mapę jonosfery. Wkrótce potem zespoły w Wielkiej Brytanii, USA, Niemczech, Włoszech, ZSRR i innych krajach opracowały swoje podstawowe systemy radarowe.
ze swoim radarem z 1935 roku
Następnie wybuchła wojna, a znaczenie radarów dla państw – oraz zasobów do ich opracowania – drastycznie wzrosło. W USA zasoby te skupiły się wokół nowej organizacji, założonej w 1940 roku w MIT, znanej jako (nazwa ta została wybrana specjalnie, aby wprowadzić zagranicznych szpiegów w błąd i stworzyć wrażenie, że w laboratorium bada się radioaktywność – wówczas niewiele osób wierzyło w atomowe bomby). Projekt Rad Lab, choć nie tak głośno sławny jak projekt Manhattan, zyskał równie wybitnych i utalentowanych fizyków z całych Stanów Zjednoczonych. Pięciu z pierwszych pracowników laboratorium (w tym i ) później otrzymało Nagrody Nobla. Pod koniec wojny w laboratorium pracowało około 500 doktorów nauk, naukowców i inżynierów, a łącznie pracowało tam 4000 osób. Pół miliona dolarów – co odpowiada całkowitemu budżetowi stworzenia ENIAC – wydano tylko na publikację Radiation Laboratory Series, dwudziestu siedmiu tomów, w których opisano całą wiedzę zdobytą w laboratorium podczas wojny (przy czym wydatki rządu USA na technologie radarowe nie ograniczały się do budżetu Rad Lab; w czasie wojny rząd zakupił radary za trzy miliardy dolarów).
Budynek 20 MIT, w którym mieściła się Rad Lab
Jednym z głównych obszarów badań Rad Lab był radar wysokiej częstotliwości. Wczesne radary używały fal o długości mierzonej w metrach. Jednak promienie o wyższej częstotliwości, których długości fal mierzyły się w centymetrach – mikrofal – umożliwiały stosowanie bardziej kompaktowych anten i miały mniejsze rozproszenie na dużych odległościach, co obiecywało znaczne korzyści w zakresie zasięgu i precyzji pracy. Radary mikrofalowe mogłyby zmieścić się w nosie samolotu i wykrywać obiekty wielkości peryskopu łodzi podwodnej.
Pierwszym, któremu udało się rozwiązać ten problem, była ekipa brytyjskich fizyków z Uniwersytetu w Birmingham. W 1940 roku opracowali „”, który działał jak elektromagnetyczny „gwizdek”, przekształcając przypadkowy impuls elektryczności w potężny i precyzyjnie ustawiony strumień mikrofal. Ten mikrofalowy nadajnik był tysiąc razy mocniejszy w porównaniu do najbliższego konkurenta; otworzył drogę do stworzenia praktycznych wysokoczęstotliwościowych nadajników radarowych. Jednak potrzebował towarzysza, odbiornika zdolnego rejestrować wysokie częstotliwości. I w tym miejscu wracamy do historii półprzewodników.
Przekrój magnetronu
Drugie przyjście kociego wąsa
Okazało się, że lampy elektroniczne w ogóle nie były przystosowane do odbierania mikrofalowych sygnałów radarowych. Przerwa między gorącym katodem a zimnym anodem tworzy pojemność, co uniemożliwia działanie obwodu na wysokich częstotliwościach. Najlepszą technologią dla radarów wysokoczęstotliwościowych z dostępnych była staromoda „” – mały kawałek drutu dociskany do kryształu półprzewodnikowego. Odkryło to niezależnie kilka osób, jednak do naszej historii najbliższe jest to, co działo się w New Jersey.
W 1938 roku laboratoria Bell podpisały z marynarką wojenną kontrakt na opracowanie systemu kierowania ogniem radarów w zakresie 40 cm – to było znacznie krótsze, a więc o wyższej częstotliwości, niż istniejące wówczas radary z epoki przed rezonansem magnetronów. Główne badania otrzymało pododdział laboratorium w Holmdel, na południe od Staten Island. Naukowcom nie zajęło dużo czasu, by zrozumieć, co będą potrzebować dla wysokoczęstotliwościowego odbiornika, i wkrótce inżynier George Southworth przeszukiwał sklepy z sprzętem radiowym na Manhattanie w poszukiwaniu starych detektorów „wąs kota”. Jak się spodziewano, działał znacznie lepiej niż detektor lampowy, ale robił to w sposób niestabilny. Dlatego Southworth odnalazł chemika elektrolitycznego o imieniu Russell Ohl i poprosił go o próbę poprawienia jednorodności reakcji detektora krystalicznego z jednym punktem kontaktowym.
Ohl był dość osobliwą postacią, która uważała rozwój technologii za swój los i opowiadała o okresowych olśnieniach z wizjami przyszłości. Na przykład twierdził, że już w 1939 roku wiedział o przyszłym wynalazku wzmacniacza krzemowego, ale że był mu przeznaczony do wynalezienia go przez inną osobę. Po zbadaniu dziesiątek wariantów, zdecydował się na krzem jako najlepszą substancję dla odbiorników Southwortha. Problemem była możliwość kontrolowania zawartości materiału, aby zarządzać jego właściwościami elektrycznymi. Wówczas powszechnie stosowano przemysłowe odlewy z krzemu, które wykorzystywano w hutach stali, ale w takim procesie nikogo nie interesowało, powiedzmy, zawartość 1% fosforu w krzemie. Z pomocą kilku metalurgów, Ohl postawił sobie za cel uzyskanie znacznie czystszych odlewów niż wcześniej udało się to osiągnąć.
W trakcie pracy odkryli, że niektóre ich kryształy prostują prąd w jednym kierunku, a inne – w przeciwnym. Nazwali je „typem n” i „typem p”. Dalsza analiza wykazała, że za te typy odpowiadały różne rodzaje domieszek. Krzem znajduje się w czwartym kolumnie tabeli Mendelejewa, co oznacza, że ma cztery elektrony na zewnętrznej powłoce. W sztabce czystego krzemu każdy z tych elektronów połączyłby się z sąsiadem. Domieszki z trzeciej kolumny, powiedzmy bor, który ma jeden elektron mniej, tworzyły „dziurę”, dodatkową przestrzeń do przepływu prądu w krysztale. W rezultacie powstawał półprzewodnik typu p (z nadmiarem ładunków dodatnich). Elementy z piątej kolumny, na przykład fosfor, dostarczały dodatkowe swobodne elektrony do transportu prądu, a tym samym powstawał półprzewodnik typu n.
Struktura krystaliczna krzemu
Wszystkie te badania były bardzo interesujące, jednak do 1940 roku Southworth i Ol nie zbliżyli się do stworzenia działającego prototypu radaru wysokiej częstotliwości. Rząd brytyjski wymagał jednak natychmiastowych praktycznych rezultatów z powodu zagrażającego niebezpieczeństwa ze strony Luftwaffe, gdzie już stworzono gotowe do produkcji mikrofalowe detektory, działające w parze z magnetronowymi nadajnikami.
Jednak wkrótce równowaga osiągnięć technicznych przechyla się na zachodni brzeg Atlantyku. Churchill postanowił ujawnić wszystkie tajemnice techniczne Wielkiej Brytanii Amerykanom jeszcze przed tym, jak naprawdę przystąpili do wojny (ponieważ, jak przypuszczał, to i tak miało się wydarzyć). Uważał, że warto zaryzykować wyciekiem informacji, ponieważ wtedy wszystkie możliwości przemysłowe USA zostaną skierowane na rozwiązanie takich problemów, jak broń jądrowa i radary. Brytyjska misja naukowo-techniczna (bardziej znana jako ) dotarła do Waszyngtonu we wrześniu 1940 roku i przywiozła w bagażu prezent w postaci technicznych cudów.
Odkrycie niesamowitej mocy rezonansowego magnetronu oraz efektywność brytyjskich detektorów krystalicznych w odbiorze jego sygnału ożywiły badania amerykańskie w dziedzinie półprzewodników jako podstawy wysokoczęstotliwościowych radarów. Czekało nas wiele pracy, szczególnie w dziedzinie materiałoznawstwa. Aby zaspokoić potrzeby, półprzewodnikowe kryształy „musiano produkować w milionach, znacznie więcej niż było to możliwe wcześniej. Należało usprawnić prostowanie, zmniejszyć czułość na wstrząsy i prawdopodobieństwo przepalenia, a także zminimalizować różnice między różnymi partiami kryształów.”
Krzemowy prostownik z punktem kontaktowym
W Rad Lab otwarto nowe działy badawcze do badania właściwości półprzewodnikowych kryształów oraz sposobów ich modyfikacji w celu maksymalizacji cennych właściwości jako odbiornika. Najbardziej obiecującymi materiałami były krzem i german, dlatego w Rad Lab zdecydowano się na zabezpieczenie i uruchomiono równoległe programy w badaniach obu: krzem na Uniwersytecie Pensylwanii, a german w Purdue. Takie przemysłowe giganty, jak Bell, Westinghouse, Du Pont i Sylvania, rozpoczęły własne programy badań nad półprzewodnikami i rozpoczęły opracowywanie nowych mocy produkcyjnych dla detektorów krystalicznych.
Wspólnymi siłami udało się podnieść czystość kryształów krzemu i germanu z 99% na początku do 99,999% — czyli do jednej cząsteczki zanieczyszczenia na 100 000 atomów. W procesie tym personel naukowy i inżynieryjny blisko zapoznał się z abstrakcyjnymi właściwościami germanu i krzemu oraz zastosowaniami technologicznymi do ich kontrolowania: topnienie, hodowla kryształów, dodawanie potrzebnych domieszek (np. boru, który zwiększał przewodność).
A potem wojna się skończyła. Popyt na radary zniknął, ale wiedza i umiejętności zdobyte podczas wojny nie zniknęły, a marzenie o wzmacniaczu półprzewodnikowym nie zostało zapomniane. Teraz wyścig polegał na stworzeniu takiego wzmacniacza. I, przynajmniej trzy zespoły były w korzystnej pozycji, aby zdobyć tę nagrodę.
West Lafayette
Pierwszą grupą była ekipa z Uniwersytetu Purdue, kierowana przez fizyka pochodzenia austriackiego, Karla Lark-Horovitza. Dzięki swojemu talentowi i wpływom, samodzielnie wyprowadził wydział fizyki uniwersytetu z zapomnienia i wpłynął na decyzję Rad Lab, aby zlecić jego laboratorium badania nad germanem.
Karl Lark-Horovitz w 1947 roku, na środku, z fajką
Na początku lat 40. krzem uważany był za najlepszy materiał na prostowniki radarowe, jednak materiał znajdujący się bezpośrednio pod nim w układzie okresowym również wydawał się godny dalszych badań. German miał praktyczną przewagę ze względu na niższą temperaturę topnienia, wynoszącą około 940 stopni, w porównaniu do 1400 stopni dla krzemu (praktycznie jak w przypadku stali). Ze względu na wysoką temperaturę topnienia, niezwykle trudno było stworzyć walec, który nie topniałby w rozpalonym krzemie, zanieczyszczając go.
Dlatego Lark-Horovitz z kolegami spędzili całą wojnę na badaniu chemicznych, elektrycznych i fizycznych właściwości germanu. Największą przeszkodą było „odwrócone napięcie”: germanowe prostowniki przestawały prostować prąd przy bardzo niskim napięciu, pozwalając mu płynąć w przeciwnym kierunku. Impuls odwrotnego prądu zniszczył pozostałe komponenty radaru. Jeden z doktorantów Lark-Horovitza, Seymour Benzer, przez ponad rok badał ten problem i w końcu opracował dodatek na bazie cyny, który zatrzymywał odwrotne impulsy przy napięciach sięgających aż stu woltów. Wkrótce po tym Western Electric, dział produkcyjny laboratorium Bella, zaczęło dostarczać prostowniki działające na zasadzie Benzera do potrzeb wojskowych.
Badania nad germanem w Purdue trwały także po wojnie. W czerwcu 1947 roku Benzer, będąc już profesorem, poinformował o niezwykłej anomalii: w niektórych eksperymentach w kryształach germanu występowały wysokoczęstotliwościowe oscylacje. Jego kolega Ralph Bray kontynuował badania nad „opornością objętościową” w ramach projektu rozpoczętego w czasie wojny. Oporność objętościowa opisywała, jak elektryczność płynie w germanowym kryształmie w punkcie kontaktowym prostownika. Bray odkrył, że impulsy wysokiego napięcia znacznie zmniejszały oporność germanu typu n na te przepływy. Nie wiedząc o tym, stał się świadkiem tzw. „nietypowych” nośników ładunku. W półprzewodnikach typu n nadmiarowy ładunek ujemny jest głównym nośnikiem ładunku, ale dodatnie „dziury” również mogą przenosić prąd, a w tym przypadku impulsy wysokiego napięcia tworzyły dziury w strukturze germanu, co prowadziło do pojawienia się nietypowych nośników ładunku.
Bray i Benzer zbliżyli się kusząco do germanowego wzmacniacza, nie zdając sobie z tego sprawy. Benzer złapał Waltera Brattaina, naukowca z laboratoriów Bell, na konferencji w styczniu 1948 roku, aby omówić z nim oporność objętościową. Proponował Brattainowi umieścić drugi punktowy kontakt w pobliżu pierwszego, który mógłby przewodzić prąd, a wtedy być może udałoby im się zrozumieć, co dzieje się pod powierzchnią. Brattain cicho zgodził się na tę propozycję i odszedł. Jak się okaże, zbyt dobrze wiedział, co może ujawnić tego rodzaju eksperyment.
One-su-Bois
Zespół z Purdue dysponował zarówno technologią, jak i teoretycznymi podstawami, aby dokonać skoku w kierunku tranzystora. Mogli jednak na niego natrafić tylko przypadkowo. Interesowali się właściwościami fizycznymi materiału, a nie poszukiwaniem nowego typu urządzenia. Zupełnie inna sytuacja panowała w One-su-Bois (Francja), gdzie dwóch byłych badaczy radarów z Niemiec, Heinrich Welker i Herbert Matari, kierowało zespołem, którego celem było stworzenie przemysłowych urządzeń półprzewodnikowych.
Wielker najpierw studiował, a potem uczył fizyki na Uniwersytecie Monachijskim, kierowanym przez słynnego teoretyka Arnolda Sommerfelda. Od 1940 roku opuścił czysto teoretyczny obszar pracy i zaczął pracować nad radarem dla Luftwaffe. Matare (pochodzenia belgijskiego) dorastał w Akwizgranie, gdzie studiował fizykę. W 1939 roku dołączył do działu badawczego niemieckiego giganta radiowego Telefunken. Podczas wojny przeniósł swoją pracę z Berlina na wschód do opactwa w Śląsku, aby uniknąć nalotów lotnictwa Antynazistowskiej koalicji, a następnie z powrotem na zachód, aby uniknąć zbliżającej się Armii Czerwonej, w końcu dostając się w ręce wojska amerykańskiego.
Podobnie jak ich konkurenci z Antynazistowskiej koalicji, Niemcy na początku lat 40. wiedzieli, że detektory krystaliczne były idealnymi odbiornikami dla radarów, a krzem i german były najbardziej obiecującymi materiałami do ich produkcji. Matare i Wielker podczas wojny starali się poprawić efektywne wykorzystanie tych materiałów w prostownikach. Po wojnie obaj byli regularnie przesłuchiwani w sprawie swojej pracy wojennej, a ostatecznie otrzymali zaproszenie od francuskiego wywiadowcy do Paryża w 1946 roku.
Compagnie des Freins & Signaux („firma hamulców i sygnałów”), francuskie przedsiębiorstwo Westinghouse, otrzymało kontrakt od francuskiego urzędu telefonicznego na stworzenie prostowników półprzewodnikowych i szukało niemieckich naukowców, by pomogli im w tej kwestii. Taki sojusz byłych wrogów może wydawać się dziwny, jednak ta umowa okazała się dość korzystna dla obu stron. Francuzi, którzy ponieśli porażkę w 1940 roku, nie mieli możliwości zgromadzenia wiedzy w dziedzinie półprzewodników i pilnie potrzebowali umiejętności Niemców. Niemcy nie mogli prowadzić prac rozwojowych w żadnych zaawansowanych technologicznie dziedzinach w okupowanym i zniszczonym przez wojnę kraju, więc skorzystali z możliwości kontynuowania prac.
Wielker i Matare urządzili biuro w dwupiętrowym domu na przedmieściach Paryża, w One-sous-Bois, i z pomocą zespołu techników zorganizowali udaną produkcję prostowników germanowych do końca 1947 roku. Następnie zwrócili się ku poważniejszym wyzwaniom: Wielker powrócił do interesujących go nadprzewodników, a Matare do wzmacniaczy.
Herbert Matare w 1950
Podczas wojny Matare eksperymentował z prostownikami z dwoma punktami kontaktowymi – „duodiody” – w próbie zmniejszenia szumów w obwodzie. Wznowił eksperymenty i wkrótce odkrył, że drugi „wąs kota”, umieszczony 1/100 miliona metra od pierwszego, czasami mógł modulować prąd płynący przez pierwszy wąs. Stworzył tranzystor, chociaż dość nieprzydatny. Aby osiągnąć bardziej niezawodne działanie, zwrócił się do Welkera, który zdobył dużą wiedzę na temat kryształów germanu podczas wojny. Zespół Welkera hodował większe i czystsze próbki kryształów germanu, a wraz z poprawą jakości materiału do czerwca 1948 roku tranzystory Matare stały się niezawodne.
Rentgenowskie zdjęcie „tranzystora” opartego na schemacie Matare, który ma dwa punkty kontaktowe z germanem
Matare miał nawet teoretyczny model zachodzącego zjawiska: uważał, że drugi kontakt tworzy w germaniu dziury, przyspieszając przepływ prądu przez pierwszy kontakt, dostarczając nośniki ładunku. Welker się z nim nie zgadzał, sądząc, że zjawisko zależy od pewnego efektu pola. Jednak zanim mogli opracować urządzenie lub teorię, dowiedzieli się, że grupa Amerykanów opracowała dokładnie tę samą koncepcję – germanowy wzmacniacz z dwoma punktami kontaktowymi – sześć miesięcy wcześniej.
Murray Hill
Pod koniec wojny Mervin Kelly zreformował grupę badawczą laboratoriów Bell zajmującą się półprzewodnikami, z Billem Shockleyem na czele. Projekt urósł, otrzymał więcej funduszy i przeniósł się z pierwotnego budynku laboratoriów na Manhattan do rozwijającego się kampusu w Murray Hill (New Jersey).
Kampus w Murray Hill, ok. 1960
Aby ponownie zapoznać się z nowoczesnymi półprzewodnikami (po tym, jak zajmował się badaniami operacyjnymi w czasie wojny), wiosną 1945 roku Shockley odwiedził laboratorium Russella Ola w Holmdel. Ol spędził lata wojny, pracując nad krzemem, i nie tracił czasu. Pokazał Shockleyowi prymitywny wzmacniacz własnej konstrukcji, nazwany przez niego „dezystorem”. Wziął krzemowy prostownik punktowy i puścił przez niego prąd z akumulatora. Z tego, co można wnioskować, ciepło akumulatora zmniejszyło opór w punkcie kontaktu i przekształciło prostownik w wzmacniacz zdolny do przesyłania sygnałów radiowych do obwodu wystarczająco mocnego, aby zasilać głośnik.
Efekt był prymitywny i niezawodny, nieprzydatny do komercjalizacji. Niemniej jednak wystarczył, by potwierdzić opinię Shockleya o możliwości stworzenia półprzewodnikowego wzmacniacza i o tym, że należy to zrobić priorytetowym kierunkiem badań w dziedzinie elektroniki półprzewodnikowej. Ta spotkanie z zespołem Ola również przekonało Shockleya, że krzem i german muszą być badane w pierwszej kolejności. Prezentowali one atrakcyjne właściwości elektryczne, a ponadto koledzy Ola, metalurdzy Jack Skaff i Henry Terer, osiągnęli niezwykłe sukcesy w hodowli, oczyszczaniu i dodawaniu domieszek do tych kryształów podczas wojny, przewyższając wszelkie technologie dostępne dla innych materiałów półprzewodnikowych. Zespół Shockleya nie zamierzał już tracić czasu na przedwojenne wzmacniacze z tlenku miedzi.
Z pomocą Kelly'ego, Shockley zaczął zbierać nowy zespół. Wśród kluczowych graczy znalazł się Walter Brattain, który pomagał Shockleyowi w jego pierwszej próbie stworzenia półprzewodnikowego wzmacniacza (w 1940 roku), oraz John Bardeen, młody fizyk i nowy pracownik laboratoriów Bell. Bardeen prawdopodobnie miał najszerszą wiedzę na temat fizyki ciał stałych spośród wszystkich członków zespołu – jego praca doktorska opisywała poziomy energetyczne elektronów w strukturze metalicznego sodu. Był też kolejnym protegowanym Johna Harsbrouka Van Fleka, jak Atanasoff i Brattain.
I tak jak u Atanasowa, disertacje Bardina i Shockley wymagały skomplikowanych obliczeń. Musieli używać kwantowo-mechanicznej teorii półprzewodników określonej przez Alana Wilsona, aby obliczyć strukturę energetyczną materiałów przy użyciu kalkulatora biurkowego Monroe. Pomagając w stworzeniu tranzystora, w zasadzie przyczynili się do uwolnienia przyszłych doktorantów od takiego trudu.
Pierwsze podejście Shockleya do wzmacniacza półprzewodnikowego opierało się na tym, co później nazwano „“. Zawiesił metalową płytkę nad półprzewodnikiem n-typ (z nadmiarem ładunków ujemnych). Przyłożenie pozytywnego ładunku do płytki wyciągało nadmiar elektronów na powierzchnię kryształu, tworząc rzekę ładunków ujemnych, po której mógł swobodnie płynąć prąd elektryczny. Wzmacniany sygnał (reprezentowany przez poziom ładunku na płytce) w ten sposób mógł modulować główny obwód (przebiegający po powierzchni półprzewodnika). Funkcjonalność tego schematu zasugerowały mu jego teoretyczne znajomości fizyki. Jednak pomimo wielu prób i eksperymentów, schemat nigdy nie zadziałał.
Do marca 1946 roku Bardin stworzył dość dobrze opracowaną teorię, wyjaśniającą przyczynę tego: powierzchnia półprzewodnika na poziomie kwantowym zachowuje się inaczej niż jego wnętrze. Ujemne ładunki, wyciągane na powierzchnię, wpadają w pułapkę „stanów powierzchniowych” i blokują przenikanie pola elektrycznego z płytki do materiału. Pozostali członkowie zespołu uznali tę analizę za przekonującą i uruchomili nowy program badawczy zajmujący się trzema ścieżkami:
- Udowodnić istnienie stanów powierzchniowych.
- Zbadać ich właściwości.
- Wymyślić, jak je pokonać i stworzyć działający .
Po półtorze roku badań i eksperymentów, 17 listopada 1947 roku, Brettain dokonał przełomu. Odkrył, że jeśli umieścić ciecz nasyconą jonami, na przykład wodę, pomiędzy płytką a półprzewodnikiem, pole elektryczne z płytki wypchnie jony do półprzewodnika, gdzie zneutralizują ładunki zatrzymane w stanach powierzchniowych. Teraz mógł kontrolować elektryczne zachowanie kawałka krzemu, zmieniając ładunek na płytce. Sukces ten dał Bardinowi pomysł na nową metodę budowy wzmacniacza: otoczyć punkt kontaktu prostownika elektrolitową wodą, a następnie użyć drugiego przewodu w wodzie do kontrolowania stanów powierzchniowych, w ten sposób regulując poziom przewodności głównego kontaktu. Tak Bardin i Brettain dotarli do finałowej prostej.
Pomysł Bardina zadziałał, jednak wzmocnienie było słabe i działało na bardzo małych częstotliwościach, niedostępnych dla ludzkiego ucha – dlatego było bezużyteczne jako telefon lub radio. Bardin zaproponował przejście na german, odporny na odwrotne napięcie, uzyskany w Purdue, wierząc, że na jego powierzchni gromadzi się mniej ładunków. Nagle uzyskali potężne wzmocnienie, ale w przeciwnym do oczekiwanego kierunku. Odkryli efekt nośników niegłównych – zamiast oczekiwanych elektronów, prąd przepływający przez german wzmacniał dziury pochodzące z elektrolitu. Prąd w przewodzie w elektrolicie stworzył warstwę typu p (obszar nadmiaru dodatnich ładunków) na powierzchni germanu typu n.
Kolejne eksperymenty pokazały, że elektrolit wcale nie był potrzebny: po prostu umieszczając dwa punkty kontaktu blisko siebie na powierzchni germanu, można było modulować prąd z jednego z nich na drugim. Aby je zbliżyć do siebie jak najbliżej, Brettain owinął trójkątny kawałek plastiku kawałkiem złotej folii, a następnie ostrożnie przeciął folię na końcu. Następnie za pomocą sprężyny przycisnął trójkąt do germanu, w wyniku czego dwa krawędzie cięcia dotykały jego powierzchni w odległości 0,05 mm. To nadało prototypowi tranzystora z laboratoriów Bella jego charakterystyczny wygląd:
Prototyp tranzystora Brettaina i Bardina
Podobnie jak urządzenie Mataré i Welkera, to był zasadniczo klasyczny „wąsik kota”, tylko z dwoma punktami kontaktowymi zamiast jednego. 16 grudnia uzyskał znaczne wzmocnienie mocy i napięcia oraz częstotliwość 1000 Hz w zakresie słyszalnym. Tydzień później, po drobnych ulepszeniach, Bardin i Breteyn uzyskali wzmocnienie napięcia 100 razy i mocy 40 razy, demonstrując dyrektorom Bell'a, że ich urządzenie potrafi odtwarzać słyszalną mowę. John Pierce, kolejny członek zespołu zajmującego się rozwojem urządzeń półprzewodnikowych, wymyślił termin „transystor” inspirowany nazwą prostownika Belli na tlenku miedzi, warystora.
Przez następne sześć miesięcy laboratorium trzymało nowe osiągnięcie w tajemnicy. Kierownictwo chciało mieć pewność, że będą mieli przewagę w realizacji możliwości komercyjnych transystora, zanim zdobędzie go ktoś inny. Konferencję prasową zaplanowano na 30 czerwca 1948 roku, tuż na czas, aby zniszczyć wszystkie marzenia Welkera i Mataré o nieśmiertelności. W międzyczasie zespół badań półprzewodnikowych cicho się rozpadł. Słysząc o osiągnięciach Bardina i Breteyna, ich szef, Bill Shockley, zaczął działać, aby przywłaszczyć sobie całą chwałę. I chociaż odgrywał jedynie rolę obserwatora, w publicznej prezentacji Shockley otrzymał równą, jeśli nie większą promocję – co widać na opublikowanym zdjęciu, na którym znajduje się w samym centrum wydarzeń, tuż przy stole laboratoryjnym:
Reklamowe zdjęcie z 1948 roku – Bardin, Shockley i Breteyn
Jednak Shockley nie był zadowolony z równej chwały. I zanim ktokolwiek poza laboratoriami Belli dowiedział się o transystorze, zajął się jego ponownym wynalezieniem, aby przywłaszczyć go sobie. I to było tylko pierwsze z wielu podobnych ponownych wynalazków.
Co jeszcze poczytać
- Robert Buderi, The Invention That Changed the World (1996)
- Michael Riordan, “How Europe Missed the Transistor,” IEEE Spectrum (1 listopada 2005)
- Michael Riordan i Lillian Hoddeson, Kryształowy Ogień (1997)
- Armand Van Dormael, “The ‘French’ Transistor,” (1994)
Źródło: habr.com
