Alte articole din serie:
- Istoria ștafetei
- Istoria calculatoarelor electronice
- Istoria tranzistorului
- Istoricul internetului
Drumul către comutatoarele cu stare solidă a fost lung și dificil. A început cu descoperirea că anumite materiale se comportă ciudat în prezența electricității - nu așa cum au prezis teoriile existente atunci. Ceea ce a urmat a fost o poveste despre modul în care tehnologia a devenit o disciplină din ce în ce mai științifică și instituțională în secolul al XX-lea. Amatorii, începătorii și inventatorii profesioniști, practic fără educație științifică, au contribuit serios la dezvoltarea telegrafului, telefoniei și radioului. Dar, după cum vom vedea, aproape toate progresele din istoria electronicii cu stare solidă au venit de la oameni de știință care au studiat la universități (și de obicei au un doctorat în fizică) și au lucrat la universități sau laboratoare de cercetare corporative.
Oricine are acces la un atelier și abilități de bază privind materialele poate asambla un releu din fire, metal și lemn. Crearea tuburilor de vid necesită instrumente mai specializate care pot crea un bec de sticlă și pot pompa aerul din acesta. Dispozitivele cu stare solidă au dispărut într-o groapă de iepure din care comutatorul digital nu s-a mai întors niciodată, cufundându-se tot mai adânc în lumi inteligibile doar matematicii abstracte și accesibile doar cu ajutorul unor echipamente nebun de scumpe.
Galena
In anul 1874 , un fizician de 24 de ani din St. Thomas din Leipzig, a publicat prima dintre multele lucrări științifice importante din lunga sa carieră. Lucrarea, „Despre trecerea curenților electrici prin sulfuri metalice”, a fost acceptată în Annalen lui Pogendorff, o jurnal prestigios dedicat științelor fizice. În ciuda titlului plictisitor, lucrarea lui Brown a descris câteva rezultate experimentale surprinzătoare și enigme.
Ferdinand Brown
Brown a devenit intrigat de sulfuri - cristale minerale compuse din compuși de sulf cu metale - prin munca sa . Încă din 1833, Michael Faraday a observat că conductivitatea sulfurei de argint crește odată cu temperatura, ceea ce este exact opusul comportamentului conductorilor metalici. Hittorf a compilat un raport cantitativ amănunțit al măsurătorilor acestui efect în anii 1850, atât pentru sulfuri de argint, cât și pentru sulfuri de cupru. Acum Brown, folosind o configurație experimentală inteligentă care a apăsat un fir metalic pe un cristal de sulfură cu un arc pentru a asigura un contact bun, a descoperit ceva și mai ciudat. Conductivitatea cristalelor depindea de direcție - de exemplu, curentul putea curge bine într-o direcție, dar când polaritatea bateriei era inversată, curentul putea scădea brusc brusc. Cristalele au acționat mai mult ca niște conductori într-o direcție (ca metalele normale) și mai mult ca niște izolatori într-o altă direcție (cum ar fi sticla sau cauciucul). Această proprietate a devenit cunoscută sub numele de rectificare datorită capacității sale de a redresa curentul alternativ „cripat” în curent continuu „plat”.
Aproximativ în aceeași perioadă, cercetătorii au descoperit și alte proprietăți ciudate ale materialelor, cum ar fi seleniul, care ar putea fi topit din anumite minereuri cu sulfuri metalice. Când a fost expus la lumină, seleniul a crescut conductivitatea și chiar a început să genereze electricitate, putând fi folosit și pentru rectificare. A existat vreo legătură cu cristalele de sulfură? Fără modele teoretice care să explice ceea ce se întâmpla, domeniul era într-o stare de confuzie.
Cu toate acestea, lipsa teoriei nu a oprit încercările de a aplica practic rezultatele. La sfârșitul anilor 1890, Brown a devenit profesor la Universitatea din Strasbourg - recent anexată Franței în timpul și redenumit Universitatea Kaiser Wilhelm. Acolo a fost absorbit de noua lume interesantă a radiotelegrafiei. El a fost de acord cu propunerea unui grup de antreprenori de a crea în comun un sistem de comunicații wireless bazat pe transmiterea undelor radio prin apă. Cu toate acestea, el și complicii săi au abandonat curând ideea inițială în favoarea semnalizării aeriene, care a fost folosită de Marconi și alții.
Printre aspectele radio pe care grupul lui Brown a căutat să le îmbunătățească a fost receptorul standard de atunci, . S-a bazat pe faptul că undele radio au făcut ca pilitura de metal să se aglomereze, permițând curentului de la baterie să treacă către dispozitivul de semnalizare. A funcționat, dar sistemul a răspuns doar la semnale relativ puternice și a necesitat lovirea constantă a dispozitivului pentru a sparge o bucată de rumeguș. Brown și-a amintit vechile sale experimente cu cristale de sulfură, iar în 1899 și-a recreat vechea configurație experimentală cu un nou scop - să servească drept detector pentru semnale fără fir. El a folosit efectul de rectificare pentru a converti micul curent oscilant generat de trecerea undelor radio într-un curent continuu care ar putea alimenta un difuzor mic care producea un clic audibil pentru fiecare punct sau liniuță. Acest dispozitiv a devenit ulterior cunoscut sub numele de „„datorită aspectului firului, care atingea ușor vârful cristalului. În India britanică (unde se află astăzi Bangladesh), omul de știință și inventatorul Jagadish Bose a construit un dispozitiv similar, probabil încă din 1894. Alții au început curând să producă detectoare similare pe bază de siliciu și carburund (carbură de siliciu).
Cu toate acestea, acesta , sulfura de plumb, care a fost topită pentru a produce plumb din cele mai vechi timpuri, a devenit materialul de alegere pentru detectoarele cu cristale. Erau ușor de făcut și ieftine și, ca urmare, au devenit incredibil de populare în rândul generației timpurii de radioamatori. Mai mult, spre deosebire de un coerer binar (cu rumeguș care fie s-a aglomerat, fie nu), un redresor cristalin ar putea reproduce un semnal continuu. Prin urmare, el ar putea produce voce și muzică audibile la ureche, și nu doar codul Morse cu punctele și liniuțele sale.
Detector de mustață de pisică bazat pe galenă. Mica bucată de sârmă din stânga este mustața, iar bucata de material argintiu din partea de jos este cristalul de galenă.
Cu toate acestea, după cum au descoperit în curând radioamatorii frustrați, ar putea dura câteva minute sau chiar ore pentru a găsi punctul magic de pe suprafața cristalului care ar oferi o bună rectificare. Iar semnalele fără amplificare erau slabe și aveau un sunet metalic. Până în anii 1920, receptoarele cu tub vid cu amplificatoare triodă făceau practic detectoarele cu cristale învechite aproape peste tot. Singura lor caracteristică atractivă era ieftinitatea lor.
Această scurtă apariție în arena radio părea a fi limita aplicării practice a ciudatelor proprietăți electrice ale materialului descoperit de Brown și alții.
Oxid de cupru
Apoi, în anii 1920, un alt fizician pe nume Lars Grondahl a descoperit ceva ciudat cu configurația sa experimentală. Grondahl, primul dintr-un șir de bărbați deștepți și neliniştiți din istoria Occidentului american, a fost fiul unui inginer civil. Tatăl său, care a emigrat din Norvegia în 1880, a lucrat câteva decenii la căile ferate din California, Oregon și Washington. La început, Grondahl părea hotărât să lase în urmă lumea ingineriei a tatălui său, mergând la Johns Hopkins pentru un doctorat în fizică pentru a urma o cale academică. Dar apoi s-a implicat în afacerile feroviare și a ocupat un post de director de cercetare la Union Switch and Signal, o divizie a gigantului industrial. , care a furnizat echipamente pentru industria feroviară.
Diverse surse indică motive contradictorii ale motivației lui Grondahl pentru cercetarea sa, dar oricum ar fi, el a început să experimenteze cu discuri de cupru încălzite pe o parte pentru a crea un strat oxidat. În timp ce lucra cu ei, a observat asimetria curentului - rezistența într-o direcție era de trei ori mai mare decât în cealaltă. Un disc de cupru și oxid de cupru a rectificat curentul, la fel ca un cristal de sulfură.
Circuit redresor cu oxid de cupru
Grondahl și-a petrecut următorii șase ani dezvoltând un redresor comercial gata de utilizare bazat pe acest fenomen, solicitând ajutorul unui alt cercetător american, Paul Geiger, înainte de a depune o cerere de brevet și de a anunța descoperirea sa către Societatea Americană de Fizică în 1926. Dispozitivul a devenit imediat un hit comercial. Datorită absenței filamentelor fragile, era mult mai fiabil decât redresorul cu tub de vid bazat pe principiul supapei Fleming și era mai ieftin de produs. Spre deosebire de cristalele de redresor Brown, a funcționat la prima încercare și, datorită ariei de contact mai mari dintre metal și oxid, a funcționat cu o gamă mai mare de curenți și tensiuni. Ar putea încărca bateriile, detecta semnale în diferite sisteme electrice și poate acționa ca un șunt de siguranță în generatoarele puternice. Când sunt folosite ca fotocelulă, discurile puteau acționa ca luminometre și erau utile în special în fotografie. Alți cercetători în aceeași perioadă au dezvoltat redresoare cu seleniu care au găsit aplicații similare.
Un pachet de redresoare pe bază de oxid de cupru. Un ansamblu de mai multe discuri a crescut rezistența inversă, ceea ce a făcut posibilă utilizarea lor cu tensiune înaltă.
Câțiva ani mai târziu, doi fizicieni de la Bell Labs, Joseph Becker și , au decis să studieze principiul de funcționare al unui redresor din cupru - au fost interesați să afle cum funcționează și cum ar putea fi utilizat la Sistemul Bell.
Brattain la bătrânețe - aprox. 1950
Brattain era din aceeași zonă cu Grondal, în nord-vestul Pacificului, unde a crescut la o fermă la câțiva kilometri de granița cu Canada. În liceu, s-a interesat de fizică, dând dovadă de aptitudini în domeniu și, în cele din urmă, a primit un doctorat la Universitatea din Minnesota la sfârșitul anilor 1920 și a luat un loc de muncă la Laboratoarele Bell în 1929. Printre altele, la universitate a studiat cea mai recentă fizică teoretică, care câștiga popularitate în Europa și cunoscută sub numele de mecanică cuantică (curatorul ei a fost , care l-a îndrumat și pe John Atanasoff).
Revoluția cuantică
O nouă platformă teoretică s-a dezvoltat încet în ultimele trei decenii și, în timp util, va putea explica toate fenomenele ciudate care au fost observate de ani de zile în materiale precum galena, seleniul și oxidul de cupru. O întreagă cohortă de fizicieni în mare parte tineri, în principal din Germania și țările vecine, a provocat o revoluție cuantică în fizică. Oriunde s-au uitat, au găsit nu lumea netedă și continuă pe care o învățaseră, ci bulgări ciudate și discrete.
Totul a început în anii 1890. Max Planck, un profesor celebru la Universitatea din Berlin, a decis să lucreze cu o problemă binecunoscută nerezolvată: cum „„(o substanță ideală care absoarbe toată energia și nu o reflectă) emite radiații în spectrul electromagnetic? S-au încercat diverse modele, niciunul dintre acestea nu s-a potrivit cu rezultatele experimentale - au eșuat fie la un capăt al spectrului, fie la celălalt. Planck a descoperit că dacă presupunem că energia este emisă de un corp în mici „pachete” de cantități discrete, atunci putem scrie o lege simplă a relației dintre frecvență și energie, care se potrivește perfect cu rezultatele empirice.
Curând după aceea, Einstein a descoperit că același lucru s-a întâmplat cu absorbția luminii (primul indiciu de fotoni), iar J. J. Thomson a arătat că electricitatea era transportată, de asemenea, nu de un fluid continuu sau de undă, ci de particule discrete - electroni. Niels Bohr a creat apoi un model pentru a explica modul în care atomii excitați emit radiații prin atribuirea de electroni pe orbite individuale ale atomului, fiecare cu propria sa energie. Cu toate acestea, acest nume este înșelător pentru că nu se comportă deloc ca orbitele planetelor - în modelul lui Bohr, electronii au sărit instantaneu de pe o orbită, sau nivel de energie, pe alta, fără a trece printr-o stare intermediară. În cele din urmă, în anii 1920, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Born și alții au creat o platformă matematică generalizată cunoscută sub numele de mecanică cuantică, care includea toate modelele cuantice speciale care fuseseră create în ultimii douăzeci de ani.
În acest moment, fizicienii erau deja încrezători că materiale precum seleniul și galena, care prezentau proprietăți fotovoltaice și de rectificare, aparțineau unei clase separate de materiale, pe care le numeau semiconductori. Clasificarea a durat atât de mult din mai multe motive. În primul rând, categoriile „conductori” și „izolatori” în sine au fost destul de largi. T.N. „conductorii” au variat enorm în ceea ce privește conductivitatea și același lucru (într-o măsură mai mică) a fost valabil și pentru izolatori și nu era evident cum un anumit conductor ar putea fi clasificat în oricare dintre aceste clase. Mai mult decât atât, până la mijlocul secolului al XX-lea a fost imposibil să se obțină sau să creeze substanțe foarte pure, iar orice ciudățenie în conductivitatea materialelor naturale putea fi întotdeauna atribuită contaminării.
Fizicienii aveau acum atât instrumentele matematice ale mecanicii cuantice, cât și o nouă clasă de materiale la care puteau fi aplicate. teoretician britanic a fost primul care a pus totul împreună și a construit un model general de semiconductori și modul în care funcționează aceștia în 1931.
La început, Wilson a susținut că materialele conductoare diferă de dielectrici în starea benzilor lor de energie. Mecanica cuantică afirmă că electronii pot exista într-un număr limitat de niveluri de energie găsite în învelișurile sau orbitalii atomilor individuali. Dacă strângeți acești atomi împreună în structura unui material, ar fi mai corect să ne imaginăm zone de energie continue trecând prin el. Există spații goale în conductori în benzi de înaltă energie, iar câmpul electric poate muta liber electronii acolo. În izolatoare, zonele sunt umplute și este o urcare destul de lungă pentru a ajunge la zona mai înaltă, conducătoare, prin care este mai ușor să circule electricitatea.
Acest lucru l-a condus la concluzia că impuritățile - atomi străini din structura unui material - trebuie să contribuie la proprietățile semiconductoare ale acestuia. Ele pot fie furniza electroni suplimentari, care scapă cu ușurință în banda de conducție, fie găuri - o lipsă de electroni în raport cu restul materialului - care creează spații de energie goale în care electronii liberi se pot mișca. Prima opțiune a fost numită mai târziu semiconductori de tip n (sau electronici) din cauza încărcăturii negative în exces, iar a doua - semiconductori de tip p sau orificii din cauza încărcăturii pozitive în exces.
În cele din urmă, Wilson a propus că rectificarea curentă prin semiconductori ar putea fi explicată în termeni cuantici. , saltul brusc al electronilor peste o barieră electrică subțire dintr-un material. Teoria părea plauzibilă, dar prezicea că în redresor curentul ar trebui să curgă de la oxid la cupru, deși în realitate era invers.
Deci, în ciuda tuturor descoperirilor lui Wilson, semiconductorii au rămas greu de explicat. Pe măsură ce a devenit clar, modificările microscopice ale structurii cristaline și concentrația de impurități au afectat în mod disproporționat comportamentul lor electric macroscopic. Ignorând lipsa de înțelegere - din moment ce nimeni nu putea explica observațiile experimentale făcute de Brown cu 60 de ani mai devreme - Brattain și Becker au dezvoltat un proces eficient de fabricație pentru redresoare cu oxid de cupru pentru angajatorul lor. Sistemul Bell a început rapid să înlocuiască redresoarele cu tuburi de vid în întregul sistem cu un nou dispozitiv pe care inginerii lor l-au numit , deoarece rezistența acestuia a variat în funcție de direcție.
medalie de aur
Mervyn Kelly, un fizician și fost șef al departamentului de tuburi cu vid al Bell Labs, a devenit foarte interesat de această dezvoltare. Pe parcursul a câteva decenii, tuburile de vid au oferit Bell serviciului neprețuit și au putut îndeplini funcții care nu erau posibile cu generația anterioară de componente mecanice și electromecanice. Dar erau fierbinți, se supraîncălziu în mod regulat, consumau multă energie și erau greu de întreținut. Kelly intenționa să reconstruiască sistemul Bell cu componente electronice în stare solidă mai fiabile și durabile, cum ar fi varistoarele, care nu necesitau carcase etanșe, pline cu gaz sau goale sau filamente fierbinți. În 1936, a devenit șef al departamentului de cercetare al Bell Labs și a început să redirecționeze organizația pe o nouă cale.
După ce a obținut un redresor cu stare solidă, următorul pas evident a fost crearea unui amplificator cu stare solidă. Desigur, ca un amplificator cu tub, un astfel de dispozitiv ar putea funcționa și ca comutator digital. Acest lucru a fost de interes deosebit pentru compania Bell, deoarece comutatoarele telefonice încă mai foloseau un număr mare de comutatoare digitale electromecanice. Compania căuta un înlocuitor mai fiabil, mai mic, mai eficient din punct de vedere energetic și mai rece pentru tubul cu vid din sistemele telefonice, radiouri, radare și alte echipamente analogice, unde acestea erau folosite pentru a amplifica semnale slabe la niveluri pe care urechea umană le putea auzi.
În 1936, Bell Laboratories a ridicat în cele din urmă înghețarea angajărilor impusă în timpul . Kelly a început imediat să recruteze experți în mecanică cuantică pentru a ajuta la lansarea programului său de cercetare în stare solidă, inclusiv , un alt nativ de pe Coasta de Vest, din Palo Alto, California. Subiectul recentei sale disertații MIT se potrivea perfect nevoilor lui Kelly: „Benzile de electroni în clorură de sodiu”.
Brattain și Becker și-au continuat cercetările asupra redresorului cu oxid de cupru în acest timp, căutând un amplificator cu stare solidă îmbunătățit. Cel mai evident mod de a o face a fost să urmezi analogia cu un tub vidat. La fel cum Lee de Forest a luat un amplificator cu tub și între catod și anod, iar Brattain și Becker și-au imaginat cum ar putea fi introdusă o plasă la joncțiunea dintre cupru și oxid de cupru, unde trebuia să aibă loc rectificarea. Cu toate acestea, din cauza grosimii mici a stratului, ei au găsit imposibil să facă acest lucru și nu au avut succes în acest sens.
Între timp, alte evoluții au arătat că Bell Labs nu era singura companie interesată de electronice cu stare solidă. În 1938, Rudolf Hilsch și Robert Pohl au publicat rezultatele experimentelor efectuate la Universitatea din Göttingen pe un amplificator în stare solidă funcțional creat prin introducerea unei rețele într-un cristal de bromură de potasiu. Acest dispozitiv de laborator nu avea nicio valoare practică, în principal pentru că funcționa la o frecvență de cel mult 1 Hz. Și totuși, această realizare nu a putut decât să mulțumească pe toți cei interesați de electronica solidă. În același an, Kelly l-a repartizat pe Shockley la un nou grup independent de cercetare a dispozitivelor cu stare solidă și le-a dat lui și colegilor săi Foster Nix și Dean Woolridge carte albă pentru a le explora capacitățile.
Cel puțin alți doi inventatori au reușit să creeze amplificatoare cu stare solidă înainte de al Doilea Război Mondial. În 1922, fizician și inventator sovietic a publicat rezultatele experimentelor de succes cu semiconductori de zincit, dar munca sa a trecut neobservată de comunitatea occidentală; În 1926, inventatorul american Julius Lillenfield a cerut un brevet pentru un amplificator cu stare solidă, dar nu există dovezi că invenția sa a funcționat.
Prima perspectivă majoră a lui Shockley în noua sa poziție a avut loc în timp ce citea lucrarea din 1938 a fizicianului britanic Neville Moth, Theory of Crystalline Rectifiers, care a explicat în cele din urmă principiul de funcționare al redresorului cu oxid de cupru Grondahl. Mott a folosit matematica mecanicii cuantice pentru a descrie formarea unui câmp electric la joncțiunea unui metal conductor și a unui oxid semiconductor și modul în care electronii „sar” peste această barieră electrică, mai degrabă decât tunelul, așa cum a propus Wilson. Curentul trece mai ușor de la metal la semiconductor decât invers, deoarece metalul are mult mai mulți electroni liberi.
Acest lucru l-a condus pe Shockley la exact aceeași idee pe care Brattain și Becker au luat-o în considerare și au respins-o cu ani în urmă - realizarea unui amplificator cu stare solidă prin inserarea unei rețele de oxid de cupru între cupru și oxid de cupru. El a sperat că curentul care trece prin rețea va crește bariera care limitează fluxul de curent de la cupru la oxid, creând o versiune inversată, amplificată a semnalului pe rețea. Prima sa încercare grosolană a eșuat complet, așa că a apelat la un om cu abilități mai rafinate de laborator și familiaritate cu redresoare: Walter Brattain. Și, deși nu avea îndoieli cu privire la rezultat, Brattain a fost de acord să satisfacă curiozitatea lui Shockley și a creat o versiune mai complexă a amplificatorului „grid”. De asemenea, a refuzat să lucreze.
Apoi a intervenit războiul, lăsând noul program de cercetare al lui Kelly în dezordine. Kelly a devenit șeful grupului de lucru radar de la Bell Labs, susținut de principalul centru de cercetare radar din SUA de la MIT. Brattain a lucrat pentru el pentru scurt timp, apoi a trecut la cercetările privind detectarea magnetică a submarinelor pentru marina. Woolridge a lucrat la sisteme de control al focului, Nix a lucrat la difuzarea gazelor pentru Proiectul Manhattan, iar Shockley a intrat în cercetare operațională, lucrând mai întâi la războiul antisubmarin în Atlantic și apoi la bombardarea strategică în Pacific.
Dar, în ciuda acestei intervenții, războiul nu a oprit dezvoltarea electronicii cu stare solidă. Dimpotrivă, a orchestrat o infuzie masivă de resurse în domeniu și a condus la o concentrare a cercetării pe două materiale: germaniu și siliciu.
Ce altceva de citit
Ernest Bruan și Stuart MacDonald, Revoluție în miniatură (1978)
Friedrich Kurylo și Charles Susskind, Ferdinand Braun (1981)
G. L. Pearson și W. H. Brattain, „History of Semiconductor Research”, Proceedings of the IRE (decembrie 1955).
Michael Riordan și Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
Sursa: www.habr.com