Inne artykuły cyklu:
- Historia przekaźnika
- Historia komputerów elektronicznych
- Historia tranzystora
- Historia internetu
Droga do półprzewodnikowych przełączników była długa i skomplikowana. Rozpoczęła się od odkrycia, że niektóre materiały zachowują się dziwnie w obecności prądu – inaczej, niż przewidywały ówczesne teorie. Po tym nastąpiła historia o tym, jak w XX wieku technologia stawała się coraz bardziej naukową i instytucjonalną dziedziną. Amatorzy, nowicjusze i zawodowi wynalazcy, praktycznie bez żadnego wykształcenia naukowego, przyczynili się do powstania telegrafu, telefonii i radia. Ale, jak zobaczymy, prawie wszystkie postępy w historii półprzewodnikowej elektroniki dokonały się dzięki naukowcom, którzy studiowali na uniwersytetach (zazwyczaj posiadających stopień doktora nauk fizycznych) i pracowali w uniwersytetach lub korporacyjnych laboratoriach badawczych.
Każda osoba z dostępem do warsztatu i podstawowymi umiejętnościami pracy z materiałami może zbudować przekaźnik z drutów, metalu i drewna. Do stworzenia lamp elektronicznych potrzebne są bardziej wyspecjalizowane narzędzia, zdolne do wytwarzania szklanej bańki i odciągania z niej powietrza. Urządzenia półprzewodnikowe zniknęły w królestwie króliczków, z którego przełącznik cyfrowy nigdy nie wrócił, zanurzając się coraz głębiej w światy zrozumiałe tylko dla abstrakcyjnej matematyki i dostępne jedynie dzięki szalenie drogim urządzeniom.
Galena
W 1874 roku , 24-letni fizyk z Szkoły Świętego Tomasza w Lipsku, opublikował pierwszy z wielu ważnych naukowych artykułów w swojej długiej karierze. Praca „O przechodzeniu prądów elektrycznych przez siarczki metali” została przyjęta do czasopisma Pogendorff’s Annalen, prestiżowego czasopisma poświęconego naukom fizycznym. Pomimo nudnego tytułu, praca Brauna opisywała kilka niezwykłych i tajemniczych wyników eksperymentalnych.
Ferdynand Braun
Brauna zaintrygowały siarczki – mineralne kryształy złożone z połączeń siarki z metalami – dzięki pracom . Już w 1833 roku Michael Faraday zauważył, że przewodność siarczku srebra wzrasta wraz z temperaturą, co jest całkowitym przeciwieństwem zachowania metalicznych przewodników. Gittorf sporządził dokładny raport ilościowy dotyczący pomiarów tego efektu w latach 50. XIX wieku, dla siarczków zarówno srebra, jak i miedzi. Teraz Brown, posługując się pomysłową aparaturą eksperymentalną, docisnął metalowy przewód do kryształu siarczku sprężyną, aby zapewnić dobry kontakt, odkrył coś jeszcze bardziej osobliwego. Przewodność kryształów zależała od kierunku – na przykład prąd mógł dobrze przepływać w jednym kierunku, ale po odwróceniu biegunowości akumulatora prąd mógł nagle znacząco spaść. Kryształy w jednym kierunku działały bardziej jak przewodniki (jak normalne metale), a w drugim – bardziej jak izolatory (jak szkło czy guma). Ta właściwość stała się znana jako prostowanie, z powodu zdolności do prostowania „krętego” prądu przemiennego, przekształcając go w „płaski” prąd stały.
Podobnie w tym czasie badacze odkryli inne dziwne właściwości takich materiałów jak selen, który można było wytopić z niektórych rud siarczkowych metali. Pod wpływem światła selen zwiększał przewodność i nawet zaczynał generować elektryczność, a także można go było używać do prostowania. Czy istniał jakiś związek z kryształami siarczków? Bez teoretycznych modeli zdolnych wyjaśnić zachodzące zjawiska, w tej dziedzinie panował chaos.
Jednak brak teorii nie powstrzymywał prób praktycznego zastosowania wyników. Pod koniec lat 90. XIX wieku Brown został profesorem na Uniwersytecie w Strasburgu – niedawno anektowanego od Francji w wyniku i przemianowanego na Uniwersytet Cesarza Wilhelma. Tam wciągnął go fascynujący nowy świat radiotelegrafii. Zgodził się na propozycję grupy przedsiębiorców o wspólnym stworzeniu bezprzewodowego systemu komunikacji, opartego na przesyłaniu fal radiowych przez wodę. Jednak oni wraz z towarzyszami szybko porzucili początkowy pomysł na rzecz bezprzewodowego przesyłania sygnałów, które stosował Marconi i inni.
Wśród aspektów radia, które grupa Browna starała się ulepszyć, był standardowy wówczas odbiornik, . Opierał się na fakcie, że fale radiowe powodowały gromadzenie się drobnego metalu w skupisko, co umożliwiło prądowi z baterii przechodzenie do urządzenia sygnalizacyjnego. To zadziałało, ale system reagował tylko na stosunkowo silne sygnały, a aby rozbić skupisko, trzeba było nieustannie uderzać w urządzenie. Brown przypomniał sobie swoje stare eksperymenty z kryształami siarkowodoru i w 1899 roku odtworzył swoją starą instalację eksperymentalną z nowym celem – służyć jako detektor sygnałów bezprzewodowych. Wykorzystał działanie prostowania do przekształcenia maleńkiego, oscylującego prądu, generowanego przez przemijające fale radiowe, w prąd stały, który mógł zasilać mały głośnik wydający słyszalne kliknięcia dla każdego kropki lub kreski. To urządzenie później stało się znane pod nazwą „”, z powodu kształtu drucika, który łatwo dotykał górnej części kryształu. W Brytyjskiej Indiach (gdzie obecnie znajduje się Bangladesz) naukowiec i wynalazca Jagadish Bose zbudował podobne urządzenie, prawdopodobnie już w 1894 roku. Inni wkrótce zaczęli produkować podobne detektory na bazie krzemu i karborundu (węglika krzemu).
Jednak to właśnie , siarczek ołowiu, który topniono od czasów starożytnych w celu pozyskania ołowiu, stał się preferowanym materiałem dla detektorów krystalicznych. Były one łatwe do wytworzenia i tanie, a w rezultacie zyskały ogromną popularność wśród pierwszego pokolenia radioamatorów. Co więcej, w przeciwieństwie do binarnego kogera (z opiłkami, które były albo zbite w skupisko, albo nie), prostownik krystaliczny mógł odtwarzać ciągły sygnał. Dlatego mógł wydawać dźwięki z transmisji głosu oraz muzyki, a nie tylko alfabet Morse'a z jego kropkami i kreskami.
Detektor „kocich wąsów” na bazie galenitu. Mały odcinek drutu po lewej to wąs, a kawałek srebrzystego materiału na dole to kryształ galenitu.
Jednakże, jak szybko ustalili zdenerwowani radiomaniacy, znalezienie magicznego punktu na powierzchni kryształu, który zapewniałby dobre prostowanie, mogło zająć minuty, a nawet godziny. A sygnały bez wzmocnienia były słabe i miały metaliczny ton. Do lat 20. XX wieku odbiorniki na lampach elektronicznych z triodowymi wzmacniaczami praktycznie wyeliminowały detektory kryształowe z powszechnego użytku. Ich atrakcyjną cechą pozostawała tylko niska cena.
To krótkie wystąpienie na arenie odbiorników radiowych wydawało się być szczytem praktycznego zastosowania dziwnych właściwości elektrycznych materiału odkrytych przez Brauna i innych.
Tlenek miedzi
Następnie w latach 20. inny fizyk o imieniu Lars Grøndahl odkrył coś niezwykłego za pomocą swojej eksperymentalnej aparatury. Grøndahl, pierwszy z rzędu inteligentnych i niespokojnych mężczyzn z historii amerykańskiego Zachodu, był synem inżyniera budowlanego. Jego ojciec, emigrant z Norwegii w 1880 roku, przez kilka dekad pracował na kolei w Kalifornii, Oregonie i Waszyngtonie. Początkowo Grøndahl zdawał się chcieć zostawić za sobą inżynierski świat ojca i udał się na Uniwersytet Johna Hopkinsa, aby zdobyć doktorat z fizyki i podążyć ścieżką akademicką. Ale później i on zaangażował się w przemysł kolejowy i objął stanowisko dyrektora ds. badań w firmie Union Switch and Signal, będącej częścią przemysłowego giganta , dostarczającej sprzęt dla przemysłu kolejowego.
W różnych źródłach podawane są sprzeczne powody, które skłoniły Grøndahla do jego badań, ale nieważne jak było, zaczął eksperymentować z miedzianymi dyskami podgrzewanymi z jednej strony w celu utworzenia warstwy tlenku. Pracując z nimi, zwrócił uwagę na asymetrię prądu – opór w jednym kierunku było trzykrotnie większy niż w drugim. Dysk z miedzi i tlenku miedzi prostował prąd, tak jak kryształ siarczku.
Schemat prostownika z tlenku miedzi
Przez następne sześć lat Grondal opracowywał komercyjny prostownik oparty na tym zjawisku, współpracując z innym badaczem z USA, Paulem Geigerem. Następnie zgłosił wniosek patentowy i ogłosił swoje odkrycie w Amerykańskim Towarzystwie Fizycznym w 1926 roku. Urządzenie szybko stało się hitem komercyjnym. Dzięki braku kruchych drutów było znacznie bardziej niezawodne niż prostownik oparty na lampach elektronowych, działający na zasadzie zaworu Fleminga, a jego produkcja była tania. W odróżnieniu od prostowników na kryształach Browna, działał od pierwszego razu, a dzięki większej powierzchni kontaktu metalu i tlenku, działał w szerszym zakresie prądów i napięć. Mógł ładować akumulatory, wykrywać sygnały w różnych systemach elektrycznych, działać jako zworka bezpieczeństwa w silnych generatorach. Użyty jako fotokomórka, dyski mogły działać jako mierniki ilości światła i były szczególnie przydatne w fotografii. Inni badacze mniej więcej w tym samym czasie opracowali prostowniki z selenu, które znalazły podobne zastosowania.
Zestaw prostowników opartych na tlenku miedzi. Montaż z kilku dysków zwiększał opór wsteczny, co umożliwiało ich użycie przy wysokim napięciu.
Kilka lat później dwóch fizyków z Laboratoriów Bell, Joseph Becker i , postanowiło zbadać zasady działania prostownika miedzianego – interesowało ich, jak działa i jak można go wykorzystać w firmie Bell System.
Brattain w starszym wieku - ok. 1950
Brattain pochodził z tych samych stron co Grondal, z północno-zachodniego Pacyfiku, gdzie dorastał na farmie, znajdującej się kilka kilometrów od kanadyjskiej granicy. W ostatnich klasach szkoły średniej zainteresował się fizyką, wykazywał uzdolnienia w tej dziedzinie i ostatecznie uzyskał doktorat na Uniwersytecie Minnesota pod koniec lat 20., a w 1929 roku rozpoczął pracę w Laboratoriach Bell. Wśród innych rzeczy studiował najnowszą fizykę teoretyczną, która zdobywała popularność w Europie, znaną jako mechanika kwantowa (jego opiekunem był , który również mentorował Johna Atanasova).
Rewolucja kwantowa
Nowa teoretyczna platforma rozwijała się powoli przez ostatnie trzy dekady i w swoim czasie będzie w stanie wyjaśnić wszystkie dziwne zjawiska, które od lat obserwowane są w takich materiałach jak galena, selen i tlenek miedzi. Cała grupa głównie młodych fizyków, głównie z Niemiec i krajów sąsiednich, zainicjowała kwantowy przełom w fizyce. Wszędzie, gdzie spojrzeli, odkrywali nie gładki i ciągły świat, którego ich uczono, lecz dziwne dyskretne kawałki.
Wszystko zaczęło się w latach 90-tych XIX wieku. Max Planck, najbardziej znany profesor Uniwersytetu Berlińskiego, postanowił zająć się znanym nierozwiązanym problemem: w jaki sposób „„ (idealna substancja, która pochłania całą energię i nie odbija jej) emituje promieniowanie w spektrum elektromagnetycznym? Wypróbowano różne modele, z których żaden nie pasował do wyników eksperymentalnych – nie radziły sobie ani w jednym, ani w drugim końcu spektrum. Planck odkrył, że jeśli założyć, że energia jest emitowana przez ciało w małych „pakietach” dyskretnej wielkości, to można zapisać prostą zasadę relacji między częstotliwością a energią, która idealnie zgadza się z wynikami empirycznymi.
Wkrótce potem Einstein odkrył, że to samo dotyczy pochłaniania światła (pierwsza sugestia dotycząca fotonów), a J.J. Thomson pokazał, że elektryczność również jest przenoszona nie jako ciągła ciecz czy fala, lecz jako dyskretne cząstki – elektrony. Następnie Nils Bohr stworzył model wyjaśniający, jak wzbudzone atomy emitują promieniowanie, przypisując elektronów osobnym orbitom w atomie, z których każda ma swoją energię. Jednak ta nazwa wprowadza w błąd, ponieważ nie zachowują się one wcale jak orbity planet – w modelu Bohra elektrony natychmiast przechodziły z jednej orbity, czy poziomu energetycznego, na inny, nie przechodząc przez stan pośredni. Wreszcie w latach 20-tych, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Born i inni stworzyli uogólnioną platformę matematyczną znaną jako mechanika kwantowa, obejmującą wszystkie szczególne modele kwantowe, które były tworzone przez poprzednie dwadzieścia lat.
W tym czasie fizycy byli już pewni, że materiały takie jak selen i galenit, wykazujące właściwości fotogalwaniczne i prostownicze, należą do odrębnej klasy materiałów, którą nazwali półprzewodnikami. Klasyfikacja zajęła dużo czasu z kilku powodów. Po pierwsze, same kategorie „przewodniki” i „izolatory” były dość szerokie. Tzw. „przewodniki” różniły się znacznie pod względem przewodnictwa, podobnie (choć w mniejszym stopniu) było w przypadku izolatorów, a nie było oczywiste, jak można przypisać dany przewodnik do którejkolwiek z tych klas. Co więcej, do połowy XX wieku niemożliwe było uzyskanie lub stworzenie bardzo czystych substancji, a wszelkie nieprawidłowości w przewodnictwie materiałów naturalnych zawsze można było przypisać zanieczyszczeniom.
Teraz fizycy mieli zarówno matematyczne narzędzia mechaniki kwantowej, jak i nową klasę materiałów, do której można je zastosować. Brytyjski teoretyk pierwszy połączył to wszystko i w 1931 roku stworzył ogólny model półprzewodników oraz zasady ich działania.
Na początku Wilson twierdził, że materiały przewodzące różnią się od dielektryków stanem stref energetycznych. Mechanika kwantowa mówi, że elektryony mogą istnieć na ograniczonym liczbie poziomów energetycznych charakterystycznych dla powłok lub orbitali poszczególnych atomów. Jeśli zespolić te atomy w strukturze materiału, lepiej jest wyobrazić sobie ciągłe strefy energetyczne przechodzące przez jego wnętrze. W przewodnikach w wysokich strefach energetycznych znajdują się wolne miejsca, a pole elektryczne może swobodnie przesuwać tam elektryony. W izolatorach strefy są wypełnione, a dotarcie do wyższej, przewodzącej strefy, po której elektryczność przemieszcza się łatwiej, wymaga znacznych wysiłków.
To doprowadziło go do wniosku, że zanieczyszczenia – obce atomy w strukturze materiału – muszą mieć wpływ na jego właściwości półprzewodnikowe. Mogą one dostarczać nadmiarowe elektrony, które łatwo przechodzą do strefy przewodnictwa, lub dziury – braki elektronów w porównaniu do pozostałej części materiału – co tworzy puste miejsca energetyczne, w które mogą przemieszczać się wolne elektrony. Pierwszą opcję nazwano później półprzewodnikami typu n (lub elektronowymi) – za nadmiarowy ładunek ujemny, a drugą – typu p, czyli dziurowymi – za nadmiarowy ładunek dodatni.
Ostatecznie Wilson zasugerował, że prostowanie prądu w półprzewodnikach można wyjaśnić w kategoriach kwantowego , nagłego przeskoku elektronów przez cienką barierę elektryczną w materiale. Teoria wydawała się wiarygodna, jednak przewidywała, że w prostowniku prąd powinien płynąć od tlenku do miedzi, podczas gdy w rzeczywistości było odwrotnie.
Tak więc, mimo wszystkich osiągnięć Wilsona, półprzewodniki pozostawały trudne do wyjaśnienia. Jak coraz bardziej stawało się jasne, mikroskopijne zmiany w strukturze krystalicznej i stężeniu zanieczyszczeń miały nieproporcjonalnie silny wpływ na ich makroskopowe właściwości elektryczne. Nie zwracając uwagi na brak zrozumienia – ponieważ nikt nie potrafił wyjaśnić eksperymentalnych obserwacji dokonanych przez Browna 60 lat wcześniej – Brattain i Becker opracowali efektywny proces produkcji prostowników miedziowo-tlenowych dla swojego pracodawcy. System Bell szybko zaczął zastępować prostowniki na lampach elektronicznych w całym systemie nowym urządzeniem, które jego inżynierowie nazwali , ponieważ jego opór zmieniał się w zależności od kierunku.
Złoty medal
Merwin Kelly, fizyk i były szef departamentu lamp elektronicznych w Laboratoriach Bella, bardzo zainteresował się tym osiągnięciem. Przez kilka dekad lampy elektronowe odgrywały nieocenioną rolę w Bell, realizując funkcje, które były niedostępne dla poprzedniego pokolenia komponentów mechanicznych i elektromechanicznych. Jednak znacznie się nagrzewały, regularnie przegrzewały, zużywały dużo energii i były trudne w obsłudze. Kelly planował całkowicie przebudować system Bella w oparciu o bardziej niezawodne i wytrzymałe komponenty elektroniczne stałej, takie jak warystor, które nie wymagały hermetycznych obudów wypełnionych gazem ani rozgrzanych nici. W 1936 roku został szefem działu badawczego Laboratoriów Bella i rozpoczął przekierowywanie organizacji na nową drogę.
Po uzyskaniu prostownika stałotlenkowego, następnym oczywistym krokiem było stworzenie wzmacniacza stałotlenkowego. Oczywiście, podobnie jak wzmacniacz lampowy, takie urządzenie mogłoby również działać jako przełącznik cyfrowy. To szczególnie interesowało firmę Bella, ponieważ w centralach telefonicznych nadal działała ogromna liczba elektromechanicznych przełączników cyfrowych. Firma poszukiwała bardziej niezawodnej, kompaktowej, energooszczędnej i chłodnej alternatywy dla lampy elektronicznej w systemach telefonicznych, odbiornikach radiowych, radarach i innym sprzęcie analogowym, gdzie były one używane do wzmacniania słabych sygnałów do poziomu dostępnego dla ludzkiego ucha.
W 1936 roku Laboratoria Bella w końcu zniesiły zakaz zatrudniania personelu, wprowadzony podczas . Kelly natychmiast zaczął zatrudniać ekspertów w dziedzinie mechaniki kwantowej, aby pomogli mu uruchomić jego program badań w dziedzinie urządzeń stałotlenkowych, wśród których był również , kolejny przedstawiciel z Zachodniego Wybrzeża, z Palo Alto (Kalifornia). Temat jego niedawno obronionej pracy doktorskiej w MIT idealnie pasował do potrzeb Kelly'ego: „Strefy elektronowe w chlorku sodu”.
Brattain i Becker w tym czasie kontynuowali swoje badania nad prostownikiem na tlenku miedzi, dążąc do uzyskania ulepszonego wzmacniacza półprzewodnikowego. Najbardziej oczywistym sposobem jego wytworzenia było podążanie za przykładem lampy elektronowej. Tak samo jak Lee De Forest wziął wzmacniacz lampowy i między katodą a anodą, Brattain i Becker wyobrazili sobie, jak można wstawić siatkę w miejsce styku miedzi i tlenku miedzi, gdzie, jak zakładano, zachodzi prostowanie. Jednak z powodu niewielkiej grubości warstwy uznali, że niemożliwe jest to zrealizowanie i nie odnieśli w tym sukcesu.
Tymczasem inne prace wykazały, że laboratoria Bell nie były jedyną firmą zainteresowaną elektroniką półprzewodnikową. W 1938 roku Rudolf Hilsh i Robert Paul opublikowali wyniki eksperymentów prowadzonych na Uniwersytecie w Getyndze nad działającym wzmacniaczem półprzewodnikowym stworzonym poprzez wprowadzenie siatki do kryształu bromku potasu. Praktyczna wartość tego urządzenia laboratoryjnego była nikła – głównie dlatego, że działało z częstotliwością nie większą niż 1 Hz. I mimo to to osiągnięcie musiało ucieszyć wszystkich zainteresowanych elektroniką półprzewodnikową. W tym samym roku Kelly przeniósł Shockleya do nowej niezależnej grupy badań urządzeń półprzewodnikowych i dał mu z zespołem – Fosterem Nixem i Deanem Woolridge'em – wolną rękę do badania ich możliwości.
Co najmniej dwóch wynalazców zdołało stworzyć wzmacniacze półprzewodnikowe przed II wojną światową. W 1922 roku radziecki fizyk i wynalazca opublikował wyniki udanych badań z półprzewodnikami cynkowymi, jednak jego prace pozostały niezauważone w zachodniej społeczności; w 1926 roku amerykański wynalazca Julius Lilienfeld złożył wniosek o patent na wzmacniacz półprzewodnikowy, jednak brak jakichkolwiek dowodów na działanie jego wynalazku.
Pierwsze zasadnicze odkrycie Shockleya na nowym stanowisku miało miejsce podczas lektury pracy brytyjskiego fizyka Nevilla Mott'a "Teoria kryształowych prostowników" z 1938 roku, w której po raz pierwszy wyjaśniono zasadę działania prostownika Grondala na tlenku miedzi. Mott zastosował matematykę mechaniki kwantowej do opisania formowania pola elektrycznego na styku przewodzącego metalu i półprzewodnikowego tlenku, oraz tego, jak elektrony "przeskakują" przez tę barierę elektryczną, zamiast tunelować, jak sugerował Wilson. Prąd przepływa łatwiej od metalu do półprzewodnika niż odwrotnie, ponieważ metal ma znacznie więcej wolnych elektronów.
Doprowadziło to Shockleya do dokładnie takiego samego pomysłu, jaki Bardeen i Brattain rozważali i odrzucili wiele lat wcześniej – stworzenia stałotlenkowego wzmacniacza, umieszczając siatkę z tlenku miedzi w szczelinie między miedzią a tlenkiem miedzi. Miał nadzieję, że prąd płynący przez siatkę zwiększy barierę ograniczającą prąd płynący od miedzi do tlenku, tworząc odwróconą, wzmocnioną wersję sygnału na siatce. Jego pierwsza nieudana próba całkowicie się nie powiodła, dlatego zwrócił się do osoby o bardziej wyrafinowanych umiejętnościach laboratoryjnych, dobrze zaznajomionej z prostownikami – Waltera Bratteina. I choć nie miał wątpliwości co do wyniku, Brattain zgodził się zaspokoić ciekawość Shockleya i stworzył bardziej złożoną wersję „siatkowego” wzmacniacza. Ta również nie zadziałała.
Wtedy do akcji wkroczyła wojna, pozostawiając nowy program badawczy Kelly'ego w nieładzie. Kelly stanął na czele grupy roboczej ds. radarów w Laboratoriach Bell, działającej przy wsparciu głównego amerykańskiego centrum badań radarowych w MIT. Brattain krótko pracował u niego, a następnie przeszedł do badań nad wykrywaniem okrętów podwodnych na zlecenie marynarki wojennej. Wooldridge pracował nad systemami kierowania ogniem, Nix – nad dyfuzją gazów dla projektu Manhattan, a Shockley zajął się badaniami operacyjnymi, początkowo zajmując się zwalczaniem okrętów podwodnych na Atlantyku, a później strategią bombardowania na Pacyfiku.
Jednak pomimo tego zaangażowania, wojna nie zatrzymała rozwoju elektroniki półprzewodnikowej. Wręcz przeciwnie, zorganizowała masywne wprowadzenie zasobów do tej dziedziny i doprowadziła do koncentracji badań na dwóch materiałach: germanie i krzemie.
Co jeszcze poczytać
Ernest Bruan i Stuart MacDonald, Rewolucja w Miniaturze (1978)
Friedrich Kurylo i Charles Susskind, Ferdinand Braun (1981)
G. L. Pearson i W. H. Brattain, „Historia badań nad półprzewodnikami,” Proceedings of the IRE (grudzień 1955).
Michael Riordan i Lillian Hoddeson, Kryształowy Ogień (1997)
Źródło: habr.com
