Alte articole din ciclu:
- Istoria releului
- Istoria calculatoarelor electronice
- Istoria tranzistorului
- Istoria internetului
Drumul către comutatoarele solide a fost lung și complicat. A început cu descoperirea că anumite materiale se comportă ciudat în prezența electricității – nu așa cum prevedea teoria existentă la acea vreme. A urmat o poveste despre cum tehnologia, în secolul XX, devenea din ce în ce mai științifică și o disciplină instituțională. Diletanții, începătorii și inventatorii profesioniști, care practic nu aveau educație științifică, au adus contribuții semnificative la formarea telegrafului, telefoniei și radio-ului. Dar, așa cum vom vedea, aproape toate avansurile din istoria electronicii solide au avut loc datorită oamenilor de știință care studiul universităților (și de obicei cu un doctorat în fizică) și care au lucrat în universități sau laboratoare de cercetare corporative.
Oricine are acces la un atelier și abilități de bază în lucru cu materialele poate asambla un releu din fire, metal și lemn. Crearea lămpilor electrice necesită unelte mai specializate, capabile să creeze un bulb de sticlă și să evacueze aerul din el. Dispozitivele solide au dispărut în o groapă de iepure din care comutatorul digital nu s-a întors niciodată și au fost tot mai adânc în lumi înțelese doar de matematica abstractă și accesibile doar prin echipamente extrem de scumpe.
Galena
În 1874 , un fizician de 24 de ani de la Școala Sf. Toma din Leipzig, a publicat prima dintr-o serie lungă de lucrări științifice importante în cariera sa. Lucrarea sa „Despre trecerea curenților electrici prin sulfuri de metale” a fost acceptată în revista Pogendorff’s Annalen, o revistă prestigioasă dedicată științelor fizice. În ciuda titlului plictisitor, lucrarea lui Braun descria câteva rezultate experimentale uimitoare și misterioase.
Ferdinand Braun
Braun a fost intrigat de sulfuri – cristale minerale compuse din combinații de sulf cu metale – datorită lucrărilor . În 1833, Michael Faraday a observat că conductivitatea sulfului de argint crește odată cu temperatura, ceea ce contrazice complet comportamentul conductorilor metalici. Gittorf a realizat un raport cantitativ detaliat al măsurătorilor acestui efect în anii 1850, pentru sulfiții atât de argint, cât și de cupru. Acum Brown, folosind un dispozitiv experimental ingenios care apăsa un conductor metalic pe un cristal de sulfid cu un arc pentru a asigura un contact bun, a descoperit ceva și mai ciudat. Conductivitatea cristalelor depindea de direcție – de exemplu, curentul putea să curgă bine într-o direcție, dar la schimbarea polarității bateriei, curentul putea să scadă brusc. Cristele într-o direcție se comportau mai mult ca niște conductori (precum metalele normale), iar în cealaltă – mai mult ca niște izolatori (precum sticla sau cauciucul). Această proprietate a devenit cunoscută sub numele de rectificare, datorită capacității sale de a transforma curentul alternativ „în zigzag” în curent continuu „plat”.
Aproape în aceeași perioadă, cercetătorii au descoperit și alte proprietăți ciudate ale unor materiale, cum ar fi seleniul, care putea fi topit din anumite minereuri sulfuroase de metale. Sub influența luminii, seleniul își crește conductivitatea și chiar începea să genereze electricitate, și putea fi folosit, de asemenea, pentru rectificare. Exista vreo legătură între asta și cristalele de sulfiți? Fără modele teoretice capabile să explice ce se întâmpla, în acest domeniu domnea confuzia.
Cu toate acestea, lipsa teoriei nu a oprit încercările de aplicare practică a rezultatelor. La sfârșitul anilor 1890, Brown a devenit profesor la Universitatea din Strasbourg – recent anexată Franței în urma și redenumită Universitatea Kaiser Wilhelm. Acolo a fost atras de noul și captivantul domeniu al radiotelegraficii. El a acceptat invitația unui grup de antreprenori de a colabora la crearea unui sistem de comunicație wireless bazat pe transmiterea undelor radio prin apă. Cu toate acestea, el și partenerii săi au abandonat rapid ideea inițială în favoarea transmisiei aeriene de semnale, similar cu ceea ce folosea Marconi și alții.
Printre aspectele radioului pe care grupul Brown a căutat să le îmbunătățească se număra receptorul standard de la acea vreme, . Acesta se baza pe faptul că undele radio făceau ca plăcuțele metalice să se aglomereze, permițând astfel curentului de la baterie să ajungă la dispozitivul de semnalizare. A funcționat, dar sistemul reacționa doar la semnale relativ puternice, iar pentru a desfășura aglomerarea de plăcuțe era necesar să se lovească constant dispozitivul. Brown și-a amintit de vechile sale experimente cu cristale de sulf, iar în 1899 a recreat vechea sa instalație experimentală cu un scop nou – acela de a servi ca detector de semnale fără fir. Efectul de redresare a fost folosit pentru a transforma un mic curent oscilant, generat de undele radio care treceau, într-un curent continuu, care putea alimenta un mic difuzor ce emitea clicuri audibile pentru fiecare punct sau linie. Acest dispozitiv a devenit mai târziu cunoscut sub numele de “” datorită aspectului firului care se atingea ușor de partea de sus a cristalului. În India Britanică (unde se află astăzi Bangladesh), cercetătorul și inventatorul Jagadish Bose a construit un dispozitiv similar, posibil chiar în 1894. Alții au început curând să facă detectoare asemănătoare bazate pe siliciu și carborundum (carbid de siliciu).
Cu toate acestea, , sulfat de plumb, care a fost topit pentru a obține plumb încă din vremuri antice, a devenit materialul preferat pentru detectoarele cristaline. Acestea erau ușor de fabricat și ieftine, devenind, astfel, extrem de populare printre prima generație de pasionați de radio. Mai mult, în contrast cu cogererul binar (cu plăcuțele care se aglomerau sau nu), redresorul cristalin putea reproduce un semnal continuu. Prin urmare, putea emite transmisii vocale și muzică audibile, nu doar cod Morse cu puncte și linii.
Detectorul „mustăți de pisică” din galenit. Un mic segment de sârmă din stânga este mustața, iar bucata de material argintiu din partea de jos este cristalul de galenit.
Cu toate acestea, așa cum au aflat rapid radioamatorii supărați, găsirea punctului magic de pe suprafața cristalului, care ar oferi o rectificare bună, putea dura minute sau chiar ore. Iar semnalele fără amplificare erau slabe și aveau un ton metalic. Până în anii 1920, recepțioarele pe lămpi electronice cu amplificatoare triode practic au scos detectoarele cristaline din uz aproape peste tot. Singurul lor avantaj atractiv a rămas prețul mic.
Această apariție scurtă pe scena recepțioarelor radio părea a fi limita utilizării practice a proprietăților electrice ciudate ale materialului, descoperite de Brown și alții.
Oxid de cupru
Apoi, în anii 1920, un alt fizician pe nume Lars Grondahl a descoperit ceva ciudat cu ajutorul instalației sale experimentale. Grondahl, primul dintr-o serie de bărbați inteligenți și neobosiți din istoria vestului american, era fiul unui inginer constructor. Tatăl său, emigrat din Norvegia în 1880, a lucrat timp de câteva decenii pe căile ferate din California, Oregon și Washington. La început, Grondahl părea că vrea să părăsească lumea ingineriei tatălui său și a mers la Institutul Johns Hopkins pentru a obține un doctorat în fizică, urmând o carieră academică. Dar apoi s-a implicat și el în afacerea feroviară, angajându-se ca director de cercetare la compania Union Switch and Signal, un braț al gigantului industrial , care furniza echipamente pentru industria feroviară.
Diverse surse sugerează motive contradictorii care l-au determinat pe Grondahl să își desfășoare cercetările, dar indiferent de situație, el a început să experimenteze cu discuri de cupru încălzite pe o latură pentru a crea un strat oxidat. Lucrând cu acestea, el a observat asimetria curentului – rezistența într-o direcție era de trei ori mai mare decât în cealaltă. Un disc din cupru și oxid de cupru rectifica curentul, exact ca un cristal de sulfid.
Schema rectificatorului din oxid de cupru
În următorii șase ani, Grondahl a dezvoltat un redresoare comercial utilizabil pe baza acestui fenomen, cu ajutorul altei cercetătoare din SUA, Paul Geiger, apoi a depus o cerere de brevet și și-a anunțat descoperirea la Societatea Americană de Fizică în 1926. Dispozitivul a devenit imediat un mare succes comercial. Datorită absenței firului fragil, era mult mai fiabil decât redresoarele pe tuburi electronice, bazate pe principiul lui Fleming, și era ieftin de produs. Spre deosebire de cristalele redresoare Brown, acesta funcționa din prima încercare și, datorită suprafeței mai mari de contact dintre metal și oxid, funcționa pe un interval mai larg de curenți și tensiuni. Putea încărca baterii, detecta semnale în diverse sisteme electrice și funcționa ca un șunt de siguranță în generatoare puternice. Când era folosit ca un fotodetector, discurile puteau măsura cantitatea de lumină și erau deosebit de utile în fotografie. Alți cercetători aproximativ în aceeași perioadă au dezvoltat redresoare pe bază de seleniu, care au avut aplicații similare.
Un pachet de redresoare pe bază de oxid de cupru. Montajul din mai multe discuri creștea rezistența inversă, permițând utilizarea lor la tensiuni înalte.
După câțiva ani, doi fizicieni de la Laboratoarele Bell, Joseph Becker și , au decis să studieze principiul de funcționare al redresoarelor de cupru – erau interesați să afle cum funcționează și cum ar putea fi folosit în compania Bell System.
Brattain în vârstă – aprox. 1950
Brattain era originar din aceeași zonă ca și Grondahl, din Nord-Vestul Pacificului, unde a crescut pe o fermă situată la câțiva kilometri de granița canadiană. În clasele superioare, fizica l-a interesat, a arătat abilități în acest domeniu și, în cele din urmă, a obținut doctoratul la Universitatea din Minnesota la sfârșitul anilor 1920 și a început să lucreze la Laboratoarele Bell în 1929. Printre altele, la universitate a studiat cele mai noi fizici teoretice, care câștigau popularitate în Europa și cunoscute sub numele de mecanica cuantică (supraveghetorul său a fost , de asemenea, mentor și pentru John Atanasoff).
Revoluția cuantică
Noua platformă teoretică a evoluat încet în ultimele trei decenii, iar la un moment dat va putea explica toate fenomenele ciudate observate de-a lungul anilor în materiale precum galenitul, seleniul și oxidul de cupru. O întreagă cohortă, în mare parte tineri fizicieni din Germania și țările vecine, a provocat o revoluție cuantică în fizică. Oriunde te uiți, ei descopereau nu un univers neted și continuu, așa cum fuseseră învățați, ci ciudate aglomerări discrete.
Totul a început în anii 1890. Max Planck, un cunoscut profesor al Universității din Berlin, a decis să lucreze la o problemă bine cunoscută și nerezolvată: cum anume „„ (substanța ideală care absoarbe toată energia și nu o reflectă) emite radiație în spectrul electromagnetic? Au fost încercate diferite modele, niciunul necorespunzând rezultatelor experimentale - acestea nu reușeau fie la un capăt, fie la celălalt al spectrului. Planck a descoperit că, dacă presupunem că energia este emisă de corp în mici „pachete” de dimensiuni discrete, atunci se poate scrie o lege simplă de relație între frecvență și energie, care coincide perfect cu datele empirice.
Curând după aceea, Einstein a descoperit că același lucru este valabil și pentru absorbția luminii (prima sugestie de fotoni), iar J.J. Thomson a arătat că electricitatea este de asemenea transferată nu printr-un lichid sau undă continuă, ci prin particule discrete - electroni. Apoi, Niels Bohr a creat un model care explica cum atomii excitați emit radiație, atribuind electronilor orbite separate în atom, fiecare având propria energie. Totuși, acest nume poate induce în eroare, deoarece comportamentul lor nu seamănă deloc cu orbitele planetelor - în modelul lui Bohr, electronii treceau instantaneu de la o orbită sau nivel de energie la altul, fără a trece printr-o stare intermediară. Și, 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 mecanica cuantică, care a inclus toate modelele cuantice speciale dezvoltate în ultimii douăzeci de ani.
La acea vreme, fizicienii erau deja convinși că materiale precum seleniul și galenitul, care demonstrează proprietăți fotogeneratorice și de rectificare, aparțin unui alt tip de materiale, pe care le-au numit semiconductori. Clasificarea a durat atât de mult din mai multe motive. În primul rând, categoriile „conductori” și „izolatori” erau destul de expansive. Așa-numiții „conductori” variau extrem de mult în ceea ce privește conductivitatea, deși aceeași (într-o măsură mai mică) era adevărată și pentru izolatori, și nu era evident cum un anumit conductor poate fi atribuit uneia sau alteia dintre aceste clase. Mai mult, până la mijlocul secolului XX, era imposibil să obții sau să creezi substanțe foarte pure, iar orice anomalii în conductivitatea materialelor naturale puteau fi întotdeauna atribuite contaminării.
Acum fizicienii aveau atât instrumente matematice din mecanica cuantică, cât și o nouă clasă de materiale la care să le aplice. Teoreticianul britanic a fost primul care a adunat toate acestea și a construit un model general al semiconductoarelor și al principiului lor de funcționare în 1931.
Inițial, Wilson a susținut că materialele conductoare se deosebesc de dielectrici prin starea zonelor energetice. Mecanica cuantică afirmă că electronii pot exista în număr limitat de nivele energetice specifice shell-urilor sau orbitalelor atomilor individuali. Dacă aceste atomi sunt comprimați împreună în structura unui material, ar fi mai corect să ne imaginăm zone energetice continue care traversează materialul. În conductoare, în regiunile energetice superioare există locuri libere, iar câmpul electric poate muta electronii acolo fără dificultate. În izolatori, zonele sunt complet umplute, iar pentru a ajunge la zona superioară, conductivitatea căreia este mai ușoară, este necesar să te cățări destul de departe.
Aceasta l-a dus la concluzia că impuritățile – atomii străini în structura materialului – trebuie să contribuie la proprietățile sale semiconductoare. Ele pot fie să ofere electroni suplimentari, care ies cu ușurință în zona de conducție, fie goluri – absența electronilor în comparație cu restul materialului – ceea ce creează locuri energetice goale, în care pot migra electronii liberi. Prima variantă a fost denumită ulterior semiconductori de tip n (sau electronici) – datorită încărcăturii negative excesive, iar a doua – de tip p, sau goluri – datorită încărcăturii pozitive excesive.
În cele din urmă, Wilson a sugerat că drectificarea curentului de către semiconductori poate fi explicată în termeni de , saltul brusc al electronilor printr-o barieră electrică subțire în material. Teoria părea plauzibilă, totuși prezicea că în redresor curentul ar trebui să circule de la oxid către cupru, deși în realitate totul era invers.
Astfel, în ciuda tuturor avansurilor lui Wilson, semiconductoarele rămâneau greu de explicat. Pe măsură ce devenea din ce în ce mai clar, modificările microscopice ale structurii cristaline și concentrației de impurități influențau disproporționat comportamentul lor electric macroscopic. Ignorând lipsa de înțelegere – având în vedere că nimeni nu putea să explice observațiile experimentale făcute de Brown cu 60 de ani înainte – Brattain și Becker au dezvoltat un proces eficient de producție a redresoarelor cu cupru-oxid pentru angajatorul lor. Bell System a început rapid să înlocuiască redresoarele cu tuburi electronice din întreaga rețea cu un nou dispozitiv pe care inginerii lor l-au numit , deoarece rezistența sa varia în funcție de direcție.
Medalie de aur
Merwin Kelly, fizician și fost șef al departamentului de tuburi electronice de la Laboratoarele Bell, a fost foarte interesat de această realizare. De-a lungul a câteva decenii, tuburile electronice au prestat servicii neprețuite pentru Bell și au putut îndeplini funcții inaccesibile generației anterioare de componente mecanice și electromecanice. Dar acestea se încălzeau mult, se supraîncălzeau frecvent, consumau multă energie și erau dificile de întreținut. Kelly intenționa să reconstruiască de la zero sistemul Bell pe baza unor componente electronice solide, mai fiabile și mai rezistente, cum ar fi varistorii, care nu necesitau carcase etanșe, umplute cu gaz sau goale, nici filament incandescent. În 1936, el a devenit șeful departamentului de cercetare de la Laboratoarele Bell și a început să redirecționeze organizația pe o nouă cale.
După obținerea unui redresor solid, următorul pas evident a fost crearea unui amplificator solid. Firesc, la fel ca amplificatorul pe tuburi, un astfel de dispozitiv ar putea funcționa și ca un comutator digital. Acest lucru era deosebit de interesant pentru compania Bell, deoarece în centralele telefonice încă funcționau o mulțime de comutatoare digitale electromecanice. Compania căuta o înlocuire mai fiabilă, compactă, eficientă energetic și rece pentru tuburile electronice în sistemele telefonice, radiorecepțioare, radare și alte echipamente analogice, unde acestea erau utilizate pentru amplificarea semnalelor slabe la un nivel accesibil urechii umane.
În 1936, Laboratoarele Bell au ridicat, în sfârșit, interdicția de angajare a personalului impusă în timpul . Kelly a început imediat să angajeze experți în mecanica cuantică pentru a-l ajuta să își demareze programul de cercetare în domeniul dispozitivelor solide, printre care se număra și , un alt emigrant de pe coasta de vest, din Palo Alto (California). Tema tezei sale recent finalizate la MIT se potrivea perfect nevoilor lui Kelly: „Zone electronice în clorura de sodiu”.
Brattain și Becker continuau în această perioadă cercetările pentru un redresor pe bază de oxid de cupru, dorind să dezvolte un amplificator solid. Cea mai evidentă metodă de fabricare a acestuia era să se meargă pe analogia cu o lampă electronică. Exact așa cum Lee de Forest a luat un amplificator cu tuburi și între catod și anod, tot astfel Brattain și Becker și-au imaginat cum ar putea insera o rețea în locul de contact dintre cupru și oxidul de cupru, unde se presupunea că are loc redresarea. Totuși, din cauza grosimii reduse a stratului, au considerat că este imposibil să facă acest lucru și nu au reușit.
Între timp, alte dezvoltări au arătat că Laboratoarele Bell nu erau singura companie interesată de electronica solidă. În 1938, Rudolf Hilfs și Robert Paul au publicat rezultatele experimentelor efectuate la Universitatea din Göttingen cu un amplificator solid operativ, creat prin introducerea unei rețele în cristalul bromurii de potasiu. Această dispozitiv de laborator nu avea o valoare practică – în principal, deoarece funcționa la o frecvență de cel mult 1 Hz. Cu toate acestea, această realizare nu putea să nu încânte pe toți cei interesați de electronica solidă. În același an, Kelly l-a numit pe Shockley într-un nou grup independent de cercetare a dispozitivelor solide și i-a oferit, împreună cu colegii săi – Foster Hick și Dean Woolridge – un mandat complet pentru a explora posibilitățile lor.
Cel puțin încă doi inventatori au reușit să dezvolte amplificatoare solide înainte de cel de-al Doilea Război Mondial. În 1922, fizicianul și inventorul sovietic a publicat rezultatele experimentelor sale reușite cu semiconductori de zincit, dar lucrările sale au rămas neobservate de comunitatea vestică; în 1926, inventatorul american Julius Lillenfeld a depus o cerere de patent pentru un amplificator solid, totuși nu există dovezi ale funcționalității invenției sale.
Prima sa lumină principală a lui Shockley în noua sa funcție a avut loc în timpul lecturii lucrării fizicianului britanic Neville Mott "Teoria drepte de cristal" din 1938, unde, în sfârșit, era explicat principiul de funcționare al dreptei Grondal pe oxid de cupru. Mott a folosit matematica mecanicii cuantice pentru a descrie formarea câmpului electric la interfața dintre metalul conductor și oxidul semiconductor, și modul în care electronii "sărind" peste această barieră electrică, în loc să tuneleze, așa cum a propus Wilson. Curentul curge mai ușor de la metal către semiconductor decât invers, deoarece metalul are mult mai mulți electroni liberi.
Aceasta l-a condus pe Shockley la exact aceeași idee pe care Bardeen și Becker au luat-o în considerare și au respins-o cu mulți ani înainte - de a fabrica un amplificator cu stare solidă, inserând o plasă de oxid de cupru între cupru și oxidul de cupru. El avea speranța că curentul care curgea prin plasă va crește bariera care limitează curentul de la cupru către oxid, creând o versiune inversată și amplificată a semnalului pe plasă. Prima sa încercare brută a eșuat complet, așa că s-a îndreptat către cineva cu abilități de laborator mai rafinate și bine familiarizat cu dreptele – Walter Brattain. Și, deși nu avea dubii cu privire la rezultat, Brattain a fost de acord să satisfacă curiozitatea lui Shockley și a creat o versiune mai complexă a „amplificatorului cu plasă”. Acesta a eșuat și el.
Apoi a intervenit războiul, lăsând noul program de cercetare al lui Kelly într-o stare de haos. Kelly a preluat conducerea grupului de lucru pe radare din Laboratoarele Bell, care lucra sub auspiciile principalului centru de cercetare radar din SUA de la MIT. Brattain a lucrat pe scurt cu el, apoi a trecut la cercetările privind detectarea submarinelor pe comanda flotei militare. Wuldridge a lucrat la sistemele de control al focului, Nix – la difuzia gazelor pentru Proiectul Manhattan, iar Shockley a trecut la cercetări operaționale, ocupându-se inițial de combaterea submarinelor în Atlantic și apoi de bombardamente strategice în Pacific.
Cu toate acestea, intervenția nu a oprit dezvoltarea electronicii cu stare solidă. Dimpotrivă, a organizat o infuzie masivă de resurse în acest domeniu și a condus la concentrarea cercetărilor pe două materiale: germaniu și siliciu.
Ce altceva să citim
Ernest Bruan și Stuart MacDonald, Revoluție în Miniatură (1978)
Friedrich Kurylo și Charles Susskind, Ferdinand Braun (1981)
G. L. Pearson și W. H. Brattain, “Istoria cercetării semiconductorilor,” Proceedings of the IRE (decembrie 1955).
Michael Riordan și Lillian Hoddeson, Foc Cristalin (1997)
Sursa: habr.com
