Ďalšie články zo série:
- História relé
- História elektronických počítačov
- História tranzistora
- História internetu
Vojnový téglik pripravil pôdu pre príchod tranzistora. Od roku 1939 do roku 1945 sa technické poznatky v oblasti polovodičov nesmierne rozšírili. A bol na to jeden jednoduchý dôvod: radar. Najdôležitejšia technológia vojny, ktorej príklady zahŕňajú: zisťovanie náletov, vyhľadávanie ponoriek, usmerňovanie nočných náletov na ciele, zameriavanie systémov protivzdušnej obrany a námorných zbraní. Inžinieri sa dokonca naučili, ako vložiť drobné radary do delostreleckých granátov tak, aby explodovali, keď letia blízko cieľa - . Zdroj tejto výkonnej novej vojenskej technológie bol však v mierovejšej oblasti: štúdium hornej atmosféry na vedecké účely.
radar
V roku 1901 Marconi Wireless Telegraph Company úspešne preniesla bezdrôtovú správu cez Atlantik, z Cornwallu do Newfoundlandu. Táto skutočnosť priviedla modernú vedu do zmätku. Ak rádiové prenosy prebiehajú v priamom smere (ako by mali), takýto prenos by nemal byť možný. Medzi Anglickom a Kanadou neexistuje priama viditeľnosť, ktorá by neprechádzala cez Zem, a tak Marconiho posolstvo muselo letieť do vesmíru. Americký inžinier Arthur Kennealy a britský fyzik Oliver Heaviside súčasne a nezávisle navrhli, že vysvetlenie tohto javu musí byť spojené s vrstvou ionizovaného plynu umiestnenou v hornej atmosfére, schopnou odrážať rádiové vlny späť na Zem (Marconi sám veril, že rádiové vlny sledovať zakrivenie zemského povrchu, fyzici to však nepodporili).
Do 1920. rokov XNUMX. storočia vedci vyvinuli nové vybavenie, ktoré umožnilo najprv dokázať existenciu ionosféry a potom študovať jej štruktúru. Použili vákuové elektrónky na generovanie krátkovlnných rádiových impulzov, smerové antény, aby ich poslali do atmosféry a zaznamenali ozveny a preukázať výsledky. Čím dlhšie je oneskorenie návratu ozveny, tým ďalej musí byť ionosféra. Táto technológia sa nazývala atmosferické sondovanie a poskytovala základnú technickú infraštruktúru pre vývoj radaru (pojem "radar" z RAdio Detection And Ranging sa objavil až v 1940. rokoch minulého storočia v americkom námorníctve).
Bolo len otázkou času, kedy si ľudia so správnymi znalosťami, zdrojmi a motiváciou uvedomia potenciál pre pozemské aplikácie takýchto zariadení (takže história radaru je opakom histórie ďalekohľadu, ktorý bol prvýkrát určený na pozemské použitie) . A pravdepodobnosť takéhoto pochopenia sa zvýšila, keď sa rádio šírilo viac a viac po planéte a viac ľudí si všimlo rušenie prichádzajúce z blízkych lodí, lietadiel a iných veľkých objektov. Poznatky o technológiách ozvučenia horných vrstiev atmosféry sa rozšírili počas druhej (1932-1933), keď vedci zostavili mapu ionosféry z rôznych arktických staníc. Čoskoro potom tímy v Británii, USA, Nemecku, Taliansku, ZSSR a ďalších krajinách vyvinuli svoje najjednoduchšie radarové systémy.
s jeho radarom z roku 1935
Potom došlo k vojne a význam radarov pre krajiny – a zdrojov na ich vývoj – dramaticky vzrástol. V Spojených štátoch sa tieto zdroje zhromaždili okolo novej organizácie založenej v roku 1940 na MIT, známej ako (bolo to pomenované tak konkrétne, aby zavádzalo zahraničných špiónov a vytváralo dojem, že rádioaktivita sa skúmala v laboratóriu - v tom čase málokto veril na atómové bomby). Projekt Rad Lab, ktorý sa nepreslávil tak, ako Manhattan Project, napriek tomu naverboval do svojich radov rovnako vynikajúcich a talentovaných fyzikov z celých Spojených štátov. Piati z prvých zamestnancov laboratória (vrátane и ) následne dostal Nobelove ceny. Do konca vojny pracovalo v laboratóriu asi 500 lekárov vied, vedcov a inžinierov a celkovo pracovalo 4000 ľudí. Pol milióna dolárov – porovnateľné s celým rozpočtom ENIAC – sa minulo len na sériu radiačných laboratórií, XNUMX-zväzkový záznam všetkých poznatkov získaných v laboratóriu počas vojny (hoci výdavky vlády USA na radarovú technológiu neboli obmedzené. do rozpočtu Rad Lab; počas vojny vláda kúpila radary v hodnote troch miliárd dolárov).
Budova MIT 20, kde sa nachádzalo Rad Lab
Jednou z hlavných oblastí výskumu Rad Lab bol vysokofrekvenčný radar. Prvé radary používali vlnové dĺžky merané v metroch. Ale lúče s vyššou frekvenciou s vlnovými dĺžkami meranými v centimetroch - mikrovlny - umožnili kompaktnejšie antény a boli menej rozptýlené na veľké vzdialenosti, čo sľubovalo väčšie výhody v dosahu a presnosti. Mikrovlnné radary by sa mohli zmestiť do nosa lietadla a detekovať predmety veľkosti periskopu ponorky.
Prvým, kto vyriešil tento problém, bol tím britských fyzikov z University of Birmingham. V roku 1940 vyvinuli „“, ktorý fungoval ako elektromagnetická „píšťalka“, premieňajúc náhodný impulz elektriny na silný a presne vyladený lúč mikrovĺn. Tento mikrovlnný vysielač bol tisíckrát výkonnejší ako jeho najbližší konkurent; pripravilo cestu pre praktické vysokofrekvenčné radarové vysielače. Potreboval však spoločníka, prijímač schopný detekovať vysoké frekvencie. A na tomto mieste sa vraciame k histórii polovodičov.
Magnetrónový prierez
Druhý príchod mačacieho fúzu
Ukázalo sa, že vákuové trubice nie sú vôbec vhodné na príjem mikrovlnných radarových signálov. Medzera medzi horúcou katódou a studenou anódou vytvára kapacitu, čo spôsobuje, že obvod odmieta pracovať pri vysokých frekvenciách. Najlepšia dostupná technológia pre vysokofrekvenčné radary bola staromódna „“- malý kúsok drôtu pritlačený na polovodičový kryštál. Zistilo to niekoľko ľudí nezávisle, ale nášmu príbehu je najbližšie to, čo sa stalo v New Jersey.
V roku 1938 spoločnosť Bell Labs uzavrela zmluvu s námorníctvom na vývoj radaru na riadenie paľby v rozsahu 40 cm – oveľa kratšieho, a teda s vyššou frekvenciou ako existujúce radary v ére predrezonančných magnetrónov. Hlavná výskumná práca smerovala do divízie laboratórií v Holmdel, južne od Staten Island. Netrvalo dlho, kým výskumníci prišli na to, čo by potrebovali pre vysokofrekvenčný prijímač, a inžinier George Southworth čoskoro hľadal v rádiových obchodoch na Manhattane staré detektory mačacích fúzov. Ako sa dalo očakávať, fungoval oveľa lepšie ako detektor lampy, ale bol nestabilný. Southworth teda vyhľadal elektrochemika menom Russell Ohl a požiadal ho, aby sa pokúsil zlepšiť rovnomernosť odozvy jednobodového kryštálového detektora.
Ol bol dosť svojský človek, ktorý považoval rozvoj techniky za svoj osud a hovoril o periodických postrehoch s víziami budúcnosti. Napríklad uviedol, že už v roku 1939 vedel o budúcom vynáleze kremíkového zosilňovača, ale osud bol určený pre iného človeka, aby ho vynašiel. Po preštudovaní desiatok možností sa rozhodol pre kremík ako najlepšiu látku pre prijímače Southworth. Problémom bola schopnosť kontrolovať obsah materiálu a kontrolovať jeho elektrické vlastnosti. V tom čase boli rozšírené priemyselné kremíkové ingoty, používali sa v oceliarňach, ale pri takejto výrobe nikomu neprekážal povedzme obsah 1% fosforu v kremíku. Využil pomoc niekoľkých metalurgov a Ol sa rozhodol získať oveľa čistejšie polotovary, ako to bolo predtým možné.
Pri práci zistili, že niektoré ich kryštály usmerňujú prúd v jednom smere, zatiaľ čo iné usmerňujú prúd v druhom. Nazývali ich „n-type“ a „p-type“. Ďalšia analýza ukázala, že za tieto typy sú zodpovedné rôzne typy nečistôt. Kremík je vo štvrtom stĺpci periodickej tabuľky, čo znamená, že má vo vonkajšom obale štyri elektróny. V polotovare z čistého kremíka by sa každý z týchto elektrónov spojil so susedom. Nečistoty z tretieho stĺpca, povedzme bór, ktorý má o jeden elektrón menej, vytvorili „dieru“, dodatočný priestor pre pohyb prúdu v kryštáli. Výsledkom bol polovodič typu p (s prebytkom kladných nábojov). Prvky z piatej kolóny, ako je fosfor, poskytli ďalšie voľné elektróny na prenos prúdu a získal sa polovodič typu n.
Kryštalická štruktúra kremíka
Celý tento výskum bol veľmi zaujímavý, ale v roku 1940 Southworth a Ohl neboli bližšie k vytvoreniu funkčného prototypu vysokofrekvenčného radaru. Zároveň britská vláda požadovala okamžité praktické výsledky kvôli hroziacej hrozbe zo strany Luftwaffe, ktorá už vytvorila mikrovlnné detektory pripravené na výrobu pracujúce v tandeme s magnetrónovými vysielačmi.
Rovnováha technologického pokroku sa však čoskoro nakloní smerom k západnej strane Atlantiku. Churchill sa rozhodol odhaliť všetky britské technické tajomstvá Američanom skôr, ako skutočne vstúpil do vojny (keďže predpokladal, že sa tak stane aj tak). Veril, že to stojí za riziko úniku informácií, pretože odvtedy sa všetky priemyselné kapacity Spojených štátov vrhnú na riešenie problémov, ako sú atómové zbrane a radary. Britská vedecká a technologická misia (známejšia ako ) pricestovala do Washingtonu v septembri 1940 a vo svojej batožine priniesla darček v podobe technologických zázrakov.
Objav neuveriteľnej sily rezonančného magnetrónu a účinnosti britských kryštálových detektorov pri prijímaní jeho signálu oživil americký výskum polovodičov ako základu vysokofrekvenčného radaru. Bolo treba urobiť veľa práce, najmä v oblasti materiálovej vedy. Aby sa uspokojil dopyt, polovodičové kryštály „museli byť vyrobené v miliónoch, čo je oveľa viac, ako bolo možné predtým. Bolo potrebné zlepšiť rektifikáciu, znížiť citlivosť na nárazy a vyhorenie a minimalizovať odchýlky medzi rôznymi šaržami kryštálov.
Silicon Point Contact Usmerňovač
Rad Lab otvorilo nové výskumné oddelenia na štúdium vlastností polovodičových kryštálov a toho, ako ich možno upraviť, aby sa maximalizovali cenné vlastnosti prijímača. Najsľubnejšími materiálmi boli kremík a germánium, a tak sa Rad Lab rozhodlo hrať na istotu a spustilo paralelné programy na štúdium oboch: kremíka na University of Pennsylvania a germánia v Purdue. Priemyselní giganti ako Bell, Westinghouse, Du Pont a Sylvania začali svoje vlastné programy výskumu polovodičov a začali vyvíjať nové výrobné zariadenia pre kryštálové detektory.
Spoločným úsilím sa čistota kryštálov kremíka a germánia zvýšila z pôvodných 99 % na 99,999 % – teda na jednu časticu nečistoty na 100 000 atómov. V tomto procese sa káder vedcov a inžinierov bližšie zoznámil s abstraktnými vlastnosťami germánia a kremíka a aplikoval technológie na ich ovládanie: tavenie, pestovanie kryštálov, pridávanie potrebných nečistôt (napríklad bór, ktorý zvyšoval vodivosť).
A potom sa vojna skončila. Dopyt po radare zmizol, no vedomosti a zručnosti získané počas vojny zostali a na sen o polovodičovom zosilňovači sa nezabudlo. Teraz išlo o vytvorenie takéhoto zosilňovača. A aspoň tri tímy mali dobrú pozíciu na získanie tejto ceny.
West Lafayette
Prvou bola skupina z Purdue University, ktorú viedol fyzik rakúskeho pôvodu Carl Lark-Horowitz. Svojím talentom a vplyvom svojpomocne vyviedol univerzitné fyzikálne oddelenie z neznáma a ovplyvnil rozhodnutie Rad Lab zveriť jeho laboratóriu výskum germánia.
Carl Lark-Horowitz v roku 1947, v strede, drží fajku
Začiatkom štyridsiatych rokov minulého storočia bol kremík považovaný za najlepší materiál pre radarové usmerňovače, ale materiál tesne pod ním v periodickej tabuľke tiež vyzeral hodný ďalšieho štúdia. Germánium malo praktickú výhodu vďaka nižšiemu bodu tavenia, s ktorým sa ľahšie pracovalo: asi 1940 stupňov v porovnaní s 940 stupňami pre kremík (takmer rovnako ako oceľ). Kvôli vysokej teplote topenia bolo mimoriadne ťažké vyrobiť polotovar, ktorý by nepresakoval do roztaveného kremíka a nekontaminoval ho.
Preto Lark-Horowitz a jeho kolegovia strávili celú vojnu štúdiom chemických, elektrických a fyzikálnych vlastností germánia. Najdôležitejšou prekážkou bolo „spätné napätie“: germániové usmerňovače pri veľmi nízkom napätí prestali usmerňovať prúd a nechali ho prúdiť opačným smerom. Impulz spätného prúdu spálil zvyšné komponenty radaru. Jeden z Lark-Horowitzových postgraduálnych študentov, Seymour Benzer, študoval tento problém viac ako rok a nakoniec vyvinul aditívum na báze cínu, ktoré zastavilo spätné impulzy pri napätiach až stoviek voltov. Krátko nato začala Western Electric, výrobná divízia Bell Labs, vydávať Benzer usmerňovače na vojenské účely.
Štúdium germánia v Purdue pokračovalo aj po vojne. V júni 1947 Benzer, už ako profesor, ohlásil nezvyčajnú anomáliu: pri niektorých experimentoch sa v kryštáloch germánia objavili vysokofrekvenčné oscilácie. A jeho kolega Ralph Bray pokračoval v štúdiu „objemového odporu“ na projekte, ktorý sa začal počas vojny. Objemový odpor opísal, ako prúdi elektrina v kryštáli germánia v kontaktnom bode usmerňovača. Bray zistil, že vysokonapäťové impulzy výrazne znížili odolnosť germánia typu n voči týmto prúdom. Bez toho, aby o tom vedel, bol svedkom tzv. „menšinových“ nosičov náboja. V polovodičoch typu n slúži prebytočný záporný náboj ako väčšinový nosič náboja, ale kladné „diery“ môžu tiež prenášať prúd a v tomto prípade vysokonapäťové impulzy vytvorili diery v štruktúre germánia, čo spôsobilo, že sa objavili menšinové nosiče náboja. .
Bray a Benzer sa dráždivo priblížili ku germániovému zosilňovaču bez toho, aby si to uvedomovali. Benzer zachytil Waltera Brattaina, vedca Bell Labs, na konferencii v januári 1948, aby s ním prediskutoval objemový odpor. Navrhol, aby Brattain umiestnil ďalší bodový kontakt vedľa prvého, ktorý by mohol viesť prúd, a potom by mohli pochopiť, čo sa deje pod povrchom. Brattain v tichosti súhlasil s týmto návrhom a odišiel. Ako uvidíme, až príliš dobre vedel, čo môže takýto experiment odhaliť.
Oney-sous-Bois
Skupina Purdue mala technológiu aj teoretický základ, aby urobila skok smerom k tranzistoru. Naraziť však mohli len náhodou. Zaujímali sa o fyzikálne vlastnosti materiálu, a nie o hľadanie nového typu zariadenia. Veľmi odlišná situácia panovala v Aunes-sous-Bois (Francúzsko), kde dvaja bývalí radaroví výskumníci z Nemecka, Heinrich Welker a Herbert Mathare, viedli tím, ktorého cieľom bolo vytvoriť priemyselné polovodičové zariadenia.
Welker najprv študoval a potom vyučoval fyziku na univerzite v Mníchove, ktorú viedol slávny teoretik Arnold Sommerfeld. Od roku 1940 opustil čisto teoretickú cestu a začal pracovať na radare pre Luftwaffe. Mathare (belgického pôvodu) vyrastal v Aachene, kde študoval fyziku. V roku 1939 nastúpil do výskumného oddelenia nemeckého rozhlasového gigantu Telefunken. Počas vojny presunul svoje dielo z Berlína na východ do opátstva v Sliezsku, aby sa vyhol spojeneckým náletom, a potom späť na západ, aby sa vyhol postupujúcej Červenej armáde, ktorá nakoniec padla do rúk americkej armády.
Rovnako ako ich rivali v Antihitlerovej koalícii, Nemci už začiatkom 1940. rokov vedeli, že kryštálové detektory sú ideálne prijímače pre radary a že kremík a germánium sú najsľubnejšími materiálmi na ich vytvorenie. Mathare a Welker sa počas vojny pokúsili zlepšiť efektívne využitie týchto materiálov v usmerňovačoch. Po vojne boli obaja pravidelne vypočúvaní ohľadom ich vojenskej práce a nakoniec dostali pozvanie od francúzskeho spravodajského dôstojníka do Paríža v roku 1946.
Compagnie des Freins & Signaux ("spoločnosť bŕzd a signálov"), francúzska divízia Westinghouse, dostala zmluvu od francúzskeho telefónneho úradu na vytvorenie polovodičových usmerňovačov a hľadala nemeckých vedcov, aby im pomohli. Takéto spojenectvo nedávnych nepriateľov sa môže zdať zvláštne, ale toto usporiadanie sa ukázalo ako celkom priaznivé pre obe strany. Francúzi, porazení v roku 1940, nemali schopnosť získať znalosti v oblasti polovodičov a zúfalo potrebovali zručnosti Nemcov. Nemci nemohli v okupovanej a vojnou zničenej krajine realizovať vývoj v žiadnych high-tech oblastiach, a tak skočili po príležitosti pokračovať v práci.
Welker a Mathare si zriadili centrálu v dvojposchodovom dome na parížskom predmestí Aunes-sous-Bois a s pomocou tímu technikov úspešne spustili germániové usmerňovače do konca roku 1947. Potom sa obrátili na serióznejšie ceny: Welker sa vrátil k svojmu záujmu o supravodiče a Mathare k zosilňovačom.
Herbert Mathare v roku 1950
Počas vojny Mathare experimentoval s dvojbodovými kontaktnými usmerňovačmi – „duodeódami“ – v snahe znížiť šum obvodu. Obnovil svoje experimenty a čoskoro zistil, že fúz druhej mačky, ktorý sa nachádza 1/100 milióntiny metra od prvého, môže niekedy modulovať prúd pretekajúci prvým fúzom. Vytvoril polovodičový zosilňovač, aj keď dosť zbytočný. Aby dosiahol spoľahlivejší výkon, obrátil sa na Welkera, ktorý počas vojny získal bohaté skúsenosti s prácou s germániovými kryštálmi. Welkerov tím sa zväčšil a zväčšil sa čistejšie vzorky germániových kryštálov a ako sa kvalita materiálu zlepšovala, bodové kontaktné zosilňovače Mathare sa stali do júna 1948 spoľahlivými.
Röntgenová snímka "tranzistrónu" na báze Mathareho obvodu, ktorý má dva body kontaktu s germániom
Mathare mal dokonca teoretický model toho, čo sa deje: veril, že druhý kontakt vytvoril diery v germániu, čím urýchlil prechod prúdu cez prvý kontakt a dodal menšinové nosiče náboja. Welker s ním nesúhlasil a veril, že to, čo sa deje, závisí od nejakého druhu efektu poľa. Avšak skôr, ako mohli prísť na zariadenie alebo teóriu, dozvedeli sa, že presne rovnaký koncept - germániový zosilňovač s dvoma bodovými kontaktmi - skupina Američanov vyvinula pred šiestimi mesiacmi.
Murray Hill
Na konci vojny Mervyn Kelly zreformoval skupinu pre výskum polovodičov Bell Labs, ktorú viedol Bill Shockley. Projekt sa rozrástol, získal viac financií a presunul sa z pôvodnej budovy laboratória na Manhattane do rozširujúceho sa kampusu v Murray Hill v New Jersey.
Murray Hill Campus, ca. 1960
Aby sa Shockley znovu zoznámil s pokročilými polovodičmi (po čase, ktorý strávil v operačnom výskume počas vojny), navštívil na jar 1945 laboratórium Russella Ohla Holmdel. Ohl strávil vojnové roky prácou na kremíku a nestrácal čas. Ukázal Shockleymu hrubý zosilňovač vlastnej konštrukcie, ktorý nazval „desister“. Vzal kremíkový bodový kontaktný usmerňovač a cez neho poslal prúd z batérie. Zdá sa, že teplo z batérie znížilo odpor cez kontaktný bod a zmenilo usmerňovač na zosilňovač schopný prenášať prichádzajúce rádiové signály do obvodu dostatočne silného na napájanie reproduktora.
Účinok bol hrubý a nespoľahlivý, nevhodný na komercializáciu. Stačilo však potvrdiť Shockleyho názor, že je možné vytvoriť polovodičový zosilňovač a že by sa to malo stať prioritou výskumu v oblasti polovodičovej elektroniky. Aj toto stretnutie s Oliným tímom presvedčilo Shockleyho, že kremík a germánium by sa mali študovať ako prvé. Vykazovali atraktívne elektrické vlastnosti a Ohlovi kolegovia metalurgovia Jack Skaff a Henry Theurer dosiahli úžasný úspech v pestovaní, čistení a dopovaní týchto kryštálov počas vojny, čím prekonali všetky dostupné technológie pre iné polovodičové materiály. Shockleyho skupina už nebude strácať čas na predvojnové zosilňovače z oxidu medi.
S Kellyho pomocou začal Shockley zostavovať nový tím. Medzi kľúčových hráčov patrili Walter Brattain, ktorý pomohol Shockleymu s jeho prvým pokusom o polovodičový zosilňovač (v roku 1940), a John Bardeen, mladý fyzik a nový zamestnanec Bell Labs. Bardeen mal pravdepodobne najrozsiahlejšie znalosti fyziky pevných látok zo všetkých členov tímu – jeho dizertačná práca opísala energetické hladiny elektrónov v štruktúre kovového sodíka. Bol tiež ďalším chránencom Johna Hasbrouck Van Vleck, ako Atanasov a Brattain.
A podobne ako Atanasov, aj dizertačné práce Bardeena a Shockleyho si vyžadovali mimoriadne zložité výpočty. Na výpočet energetickej štruktúry materiálov pomocou Monroeovej stolnej kalkulačky museli použiť kvantovú mechanickú teóriu polovodičov, ktorú definoval Alan Wilson. Tým, že pomohli vytvoriť tranzistor, v skutočnosti prispeli k záchrane budúcich postgraduálnych študentov od takejto práce.
Shockleyho prvý prístup k polovodičovému zosilňovaču sa spoliehal na to, čo sa neskôr nazývalo „". Zavesil kovovú dosku na polovodič typu n (s prebytkom záporných nábojov). Aplikovaním kladného náboja na platňu sa na povrch kryštálu vytiahli prebytočné elektróny, čím sa vytvorila rieka negatívnych nábojov, cez ktorú mohol ľahko pretekať elektrický prúd. Takto zosilnený signál (reprezentovaný úrovňou náboja na doštičke) by mohol modulovať hlavný obvod (prechádzajúci po povrchu polovodiča). Účinnosť tejto schémy mu naznačili jeho teoretické znalosti fyziky. Ale napriek mnohým experimentom a experimentom táto schéma nikdy nefungovala.
Do marca 1946 Bardeen vytvoril dobre vyvinutú teóriu, ktorá vysvetlila dôvod: povrch polovodiča na kvantovej úrovni sa správa inak ako jeho vnútro. Záporné náboje pritiahnuté na povrch sa zachytia v "povrchových stavoch" a blokujú elektrické pole preniknúť do dosky do materiálu. Zvyšok tímu považoval túto analýzu za presvedčivú a spustil nový výskumný program v troch smeroch:
- Dokážte existenciu povrchových stavov.
- Študujte ich vlastnosti.
- Zistite, ako ich poraziť a zabezpečiť, aby to fungovalo .
Po roku a pol bádania a experimentovania urobil Brattain 17. novembra 1947 prelom. Zistil, že ak by medzi plátok a polovodič umiestnil kvapalinu naplnenú iónmi, ako je voda, elektrické pole z plátku by tlačil ióny smerom k polovodiču, kde by neutralizoval náboje zachytené v povrchových stavoch. Teraz mohol ovládať elektrické správanie kúska kremíka zmenou náboja na plátku. Tento úspech dal Bardeenovi nápad na nový prístup k vytvoreniu zosilňovača: obklopte kontaktný bod usmerňovača elektrolytickou vodou a potom použite druhý drôt vo vode na kontrolu povrchových podmienok, a tým na kontrolu úrovne vodivosti hlavného kontakt. Bardeen a Brattain teda dorazili do cieľa.
Bardeenov nápad fungoval, ale zosilnenie bolo slabé a fungovalo na veľmi nízkych frekvenciách nedostupných pre ľudské ucho – takže ako telefónny alebo rádiový zosilňovač bol nepoužiteľný. Bardeen navrhol prechod na germánium odolné proti spätnému napätiu vyrábané v Purdue, pretože veril, že na jeho povrchu sa nazbiera menej nábojov. Zrazu dostali silný nárast, ale v opačnom smere, ako sa očakávalo. Objavili efekt menšinového nosiča – namiesto očakávaných elektrónov bol prúd pretekajúci germániom zosilnený dierami pochádzajúcimi z elektrolytu. Prúd na drôte v elektrolyte vytvoril vrstvu typu p (oblasť prebytočných kladných nábojov) na povrchu germánia typu n.
Nasledujúce experimenty ukázali, že vôbec nebol potrebný žiadny elektrolyt: jednoduchým umiestnením dvoch kontaktných bodov blízko povrchu germánia bolo možné modulovať prúd z jedného z nich na prúd na druhom. Aby sa k nim čo najviac priblížili, Brattain omotal kúsok zlatej fólie okolo trojuholníkového kusu plastu a potom fóliu na konci opatrne odrezal. Potom pomocou pružiny pritlačil trojuholník na germánium, v dôsledku čoho sa dva okraje rezu dotkli jeho povrchu vo vzdialenosti 0,05 mm. To dalo prototypu tranzistora Bell Labs jeho charakteristický vzhľad:
Prototyp tranzistora Brattain a Bardeen
Podobne ako Mathare a Welkerov prístroj bol v princípe klasickým „mačacím fúzom“, akurát s dvomi styčnými bodmi namiesto jedného. 16. decembra vyprodukoval výrazné zvýšenie výkonu a napätia a frekvenciu 1000 Hz v počuteľnom rozsahu. O týždeň neskôr, po menších vylepšeniach, Bardeen a Brattain zvýšili napätie 100-krát a výkon 40-krát a ukázali riaditeľom Bell, že ich zariadenie dokáže produkovať počuteľný prejav. John Pierce, ďalší člen vývojového tímu v pevnej fáze, vymyslel termín „tranzistor“ podľa názvu Bellovho usmerňovača z oxidu medi, varistora.
Ďalších šesť mesiacov laboratórium držalo nový výtvor v tajnosti. Vedenie sa chcelo uistiť, že bude mať náskok pri komercializácii tranzistora skôr, ako ho dostane niekto iný. Tlačová konferencia bola naplánovaná na 30. júna 1948, práve včas na rozbitie snov Welkera a Mathare o nesmrteľnosti. Medzitým sa výskumná skupina polovodičov potichu zrútila. Po vypočutí Bardeenových a Brattainových úspechov ich šéf Bill Shockley začal pracovať na tom, aby si všetku zásluhu prevzal pre seba. A hoci hral iba pozorovateľskú úlohu, Shockley dostal rovnakú, ak nie väčšiu, publicitu vo verejnej prezentácii - ako je vidieť na tejto zverejnenej fotografii, na ktorej je v centre diania, hneď vedľa laboratórnej lavice:
Propagačná fotografia z roku 1948 - Bardeen, Shockley a Brattain
Rovnaká sláva však Shockleymu nestačila. A predtým, ako sa niekto mimo Bellových laboratórií dozvedel o tranzistore, bol zaneprázdnený jeho opätovným vynájdením pre svoj vlastný. A toto bol len prvý z mnohých takýchto prevratov.
Čo ešte čítať
- Robert Buderi, Vynález, ktorý zmenil svet (1996)
- Michael Riordan, „How Europe Missed the Transistor“, IEEE Spectrum (1. novembra 2005)
- Michael Riordan a Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
- Armand Van Dormael, „Francúzsky“ tranzistor (1994)
Zdroj: hab.com