Ďalšie články zo série:
- História relé
- História elektronických počítačov
- História tranzistora
- História internetu
Cesta k polovodičovým prepínačom bola dlhá a náročná. Začalo to zistením, že určité materiály sa v prítomnosti elektriny správajú zvláštne – nie tak, ako predpovedali vtedajšie teórie. Nasledoval príbeh o tom, ako sa technológia v 20. storočí stala čoraz vedeckou a inštitucionálnou disciplínou. Amatéri, nováčikovia a profesionálni vynálezcovia prakticky bez vedeckého vzdelania vážne prispeli k rozvoju telegrafu, telefónie a rádia. Ale ako uvidíme, takmer všetky pokroky v histórii polovodičovej elektroniky pochádzajú od vedcov, ktorí študovali na univerzitách (a zvyčajne majú doktorát z fyziky) a pracovali na univerzitách alebo v podnikových výskumných laboratóriách.
Každý, kto má prístup do dielne a základné materiálové zručnosti, môže zostaviť relé z drôtov, kovu a dreva. Vytváranie vákuových trubíc vyžaduje špecializovanejšie nástroje, ktoré dokážu vytvoriť sklenenú banku a odčerpať z nej vzduch. Polovodičové zariadenia zmizli v králičej diere, z ktorej sa digitálny spínač už nikdy nevrátil, a ponárali sa stále hlbšie do svetov zrozumiteľných iba abstraktnej matematike a prístupných len s pomocou šialene drahých zariadení.
Galena
V 1874 roku , 24-ročný fyzik zo St. Tomáša v Lipsku, publikoval prvé z mnohých významných vedeckých prác vo svojej dlhej kariére. Článok „O prechode elektrických prúdov cez sulfidy kovov“ bol prijatý v Pogendorff's Annalen, prestížnom časopise venovanom fyzikálnym vedám. Napriek nudnému názvu Brownov článok opísal niekoľko prekvapivých a záhadných experimentálnych výsledkov.
Ferdinand Brown
Brown sa vďaka svojej práci začal zaujímať o sulfidy – minerálne kryštály zložené zo zlúčenín síry s kovmi. . Už v roku 1833 Michael Faraday poznamenal, že vodivosť sulfidu strieborného sa zvyšuje s teplotou, čo je presný opak správania sa kovových vodičov. Hittorf zostavil dôkladnú kvantitatívnu správu o meraniach tohto účinku v 1850. rokoch XNUMX. storočia pre sulfidy striebra aj medi. Teraz Brown pomocou šikovného experimentálneho nastavenia, ktorý pritlačil kovový drôt na kryštál sulfidu pomocou pružiny, aby zabezpečil dobrý kontakt, objavil niečo ešte podivnejšie. Vodivosť kryštálov závisela od smeru – napríklad prúd mohol dobre tiecť jedným smerom, ale pri prepólovaní batérie mohol prúd náhle prudko klesnúť. Kryštály pôsobili v jednom smere skôr ako vodiče (ako bežné kovy) a v inom ako izolátory (ako sklo alebo guma). Táto vlastnosť sa stala známou ako rektifikácia kvôli jej schopnosti narovnať „zvlnený“ striedavý prúd na „plochý“ jednosmerný prúd.
Približne v rovnakom čase výskumníci objavili ďalšie zvláštne vlastnosti materiálov, ako je selén, ktorý možno vytaviť z určitých rúd sulfidov kovov. Selén pri vystavení svetlu zvýšil vodivosť a dokonca začal generovať elektrinu a dal sa použiť aj na rektifikáciu. Existovalo nejaké spojenie s kryštálmi sulfidu? Bez teoretických modelov na vysvetlenie toho, čo sa deje, bolo pole v stave zmätku.
Nedostatok teórie však nezastavil pokusy o praktickú aplikáciu výsledkov. Koncom 1890. rokov XNUMX. storočia sa Brown stal profesorom na Univerzite v Štrasburgu – nedávno anektovanej z Francúzska počas r. a premenovaná na Univerzitu cisára Wilhelma. Tam bol vtiahnutý do nového vzrušujúceho sveta rádiotelegrafie. Súhlasil s návrhom skupiny podnikateľov na spoločné vytvorenie bezdrôtového komunikačného systému založeného na prenose rádiových vĺn vodou. On a jeho komplici však čoskoro opustili pôvodný nápad v prospech vzdušnej signalizácie, ktorú používali Marconi a ďalší.
Medzi aspekty rádia, ktoré sa Brownova skupina snažila vylepšiť, bol vtedajší štandardný prijímač, . Vychádzal zo skutočnosti, že rádiové vlny spôsobili zhlukovanie kovových pilín, čo umožnilo prechodu prúdu z batérie do signalizačného zariadenia. Fungovalo to, ale systém reagoval len na pomerne silné signály a na rozbitie hromady pilín si vyžadovalo neustále narážanie do zariadenia. Brown si spomenul na svoje staré experimenty so sulfidovými kryštálmi av roku 1899 znovu vytvoril svoje staré experimentálne nastavenie s novým účelom - slúžiť ako detektor bezdrôtových signálov. Použil rektifikačný efekt na premenu malého oscilačného prúdu generovaného prechodom rádiových vĺn na jednosmerný prúd, ktorý by mohol napájať malý reproduktor, ktorý vytváral počuteľné kliknutie pre každú bodku alebo pomlčku. Toto zariadenie sa neskôr stalo známym ako „„kvôli vzhľadu drôtu, ktorý sa ľahko dotýkal vrchnej časti kryštálu. V Britskej Indii (kde sa dnes nachádza Bangladéš) postavil vedec a vynálezca Jagadish Bose podobné zariadenie, možno už v roku 1894. Iní čoskoro začali vyrábať podobné detektory na báze kremíka a karborunda (karbidu kremíka).
Avšak, je , sulfid olovnatý, ktorý sa tavil na výrobu olova od staroveku, sa stal materiálom voľby pre kryštálové detektory. Vyrábali sa ľahko a boli lacné, a preto sa stali neuveriteľne populárnymi medzi ranou generáciou rádioamatérov. Navyše, na rozdiel od binárneho koheréra (s pilinami, ktoré sa buď zhlukovali alebo nie), kryštalický usmerňovač mohol reprodukovať nepretržitý signál. Preto mohol produkovať hlas a hudbu počuteľnú uchom, a nielen morzeovku s bodkami a pomlčkami.
Detektor mačacích fúzov na báze galenitu. Malý kúsok drôtu naľavo je fúz a kúsok striebristého materiálu na spodnej strane je galenitový kryštál.
Ako však frustrovaní rádioamatéri čoskoro zistili, môže trvať minúty alebo dokonca hodiny, kým sa nájde magický bod na povrchu kryštálu, ktorý by poskytol dobrú nápravu. A signály bez zosilnenia boli slabé a mali kovový zvuk. V 1920. rokoch XNUMX. storočia vákuové elektrónkové prijímače s triódovými zosilňovačmi prakticky spôsobili, že kryštálové detektory sú takmer všade zastarané. Ich jedinou atraktívnou vlastnosťou bola ich lacnosť.
Toto krátke vystúpenie v rádiovej aréne sa zdalo byť limitom praktickej aplikácie zvláštnych elektrických vlastností materiálu objaveného Brownom a ďalšími.
Oxid meďnatý
Potom v 1920. rokoch 1880. storočia objavil iný fyzik Lars Grondahl so svojím experimentálnym nastavením niečo zvláštne. Grondahl, prvý z radu šikovných a nepokojných mužov v histórii amerického západu, bol synom stavebného inžiniera. Jeho otec, ktorý emigroval z Nórska v roku XNUMX, pracoval niekoľko desaťročí na železniciach v Kalifornii, Oregone a Washingtone. Spočiatku sa zdalo, že Grondahl je odhodlaný opustiť inžiniersky svet svojho otca a ísť k Johnsovi Hopkinsovi na doktorát z fyziky, aby sa vydal na akademickú dráhu. Potom sa však zapojil do železničného biznisu a zaujal pozíciu riaditeľa výskumu v Union Switch and Signal, divízii priemyselného gigantu. , ktorá dodávala zariadenia pre železničný priemysel.
Rôzne zdroje uvádzajú protichodné dôvody Grondahlovej motivácie pre jeho výskum, ale nech je to akokoľvek, začal experimentovať s medenými kotúčmi vyhrievanými na jednej strane, aby sa vytvorila oxidovaná vrstva. Pri práci s nimi si všimol asymetriu prúdu – odpor v jednom smere bol trikrát väčší ako v druhom. Disk medi a oxidu medi usmernil prúd, rovnako ako kryštál sulfidu.
Usmerňovací obvod oxidu medi
Grondahl strávil nasledujúcich šesť rokov vývojom komerčného usmerňovača pripraveného na použitie založeného na tomto fenoméne, pričom požiadal o pomoc ďalšieho amerického výskumníka Paula Geigera pred podaním patentovej prihlášky a v roku 1926 oznámil svoj objav Americkej fyzikálnej spoločnosti. sa okamžite stal komerčným hitom. Vďaka absencii krehkých vlákien bol oveľa spoľahlivejší ako vákuový elektrónkový usmerňovač na princípe Flemingovho ventilu a jeho výroba bola lacnejšia. Na rozdiel od kryštálov usmerňovača Brown fungoval na prvý pokus a vďaka väčšej kontaktnej ploche medzi kovom a oxidom pracoval s väčším rozsahom prúdov a napätí. Mohol by nabíjať batérie, detekovať signály v rôznych elektrických systémoch a pôsobiť ako bezpečnostný skrat vo výkonných generátoroch. Pri použití ako fotobunka mohli disky fungovať ako merače svetla a boli užitočné najmä pri fotografovaní. Iní výskumníci približne v rovnakom čase vyvinuli selénové usmerňovače, ktoré našli podobné aplikácie.
Sada usmerňovačov na báze oxidu medi. Zostava niekoľkých diskov zvýšila spätný odpor, čo umožnilo ich použitie s vysokým napätím.
O niekoľko rokov neskôr dvaja fyzici z Bell Labs, Joseph Becker a , sa rozhodli študovať princíp fungovania medeného usmerňovača - mali záujem dozvedieť sa, ako funguje a ako sa dá použiť v systéme Bell.
Brattain v starobe - cca. 1950
Brattain pochádzal z rovnakej oblasti ako Grondal, na severozápade Pacifiku, kde vyrastal na farme pár kilometrov od kanadských hraníc. Na strednej škole sa začal zaujímať o fyziku, prejavoval vlohy v tejto oblasti a nakoniec koncom 1920. rokov získal doktorát na univerzite v Minnesote a zamestnal sa v Bellových laboratóriách v roku 1929. Okrem iného na univerzite študoval najnovšia teoretická fyzika, ktorá si v Európe získavala na popularite a známa ako kvantová mechanika (jej kurátorom bol , ktorý bol tiež mentorom Johna Atanasoffa).
Kvantová revolúcia
Za posledné tri desaťročia sa pomaly vyvinula nová teoretická platforma, ktorá bude časom schopná vysvetliť všetky podivné javy, ktoré boli roky pozorované v materiáloch, ako je galenit, selén a oxid meďnatý. Celá kohorta prevažne mladých fyzikov najmä z Nemecka a susedných krajín spôsobila kvantovú revolúciu vo fyzike. Všade, kam sa pozreli, nenašli hladký a súvislý svet, ktorý ich naučili, ale zvláštne, diskrétne hrudky.
Všetko sa to začalo v 1890. rokoch XNUMX. storočia. Max Planck, slávny profesor na univerzite v Berlíne, sa rozhodol pracovať so známym nevyriešeným problémom: ako „„(ideálna látka, ktorá pohltí všetku energiu a neodráža ju) vyžaruje žiarenie v elektromagnetickom spektre? Skúšali sa rôzne modely, z ktorých žiadny nezodpovedal experimentálnym výsledkom – zlyhali buď na jednom, alebo na druhom konci spektra. Planck objavil, že ak predpokladáme, že teleso vyžaruje energiu v malých „balíčkoch“ diskrétnych veličín, potom môžeme napísať jednoduchý zákon vzťahu medzi frekvenciou a energiou, ktorý dokonale zodpovedá empirickým výsledkom.
Čoskoro potom Einstein zistil, že to isté sa stalo s absorpciou svetla (prvý náznak fotónov) a J. J. Thomson ukázal, že elektrinu tiež nenesie spojitá tekutina alebo vlna, ale diskrétne častice – elektróny. Niels Bohr potom vytvoril model, ktorý vysvetľuje, ako excitované atómy vyžarujú žiarenie priradením elektrónov k jednotlivým orbitám v atóme, z ktorých každý má svoju vlastnú energiu. Tento názov je však zavádzajúci, pretože sa vôbec nesprávajú ako dráhy planét – v Bohrovom modeli elektróny okamžite preskočili z jednej dráhy, čiže energetickej hladiny, na druhú bez toho, aby prešli prechodným stavom. Nakoniec v 1920. rokoch Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Born a ďalší vytvorili zovšeobecnenú matematickú platformu známu ako kvantová mechanika, ktorá zahŕňa všetky špeciálne kvantové modely, ktoré boli vytvorené za posledných dvadsať rokov.
V tom čase už boli fyzici presvedčení, že materiály ako selén a galenit, ktoré vykazujú fotovoltaické a usmerňovacie vlastnosti, patria do samostatnej triedy materiálov, ktoré nazývali polovodiče. Klasifikácia trvala tak dlho z niekoľkých dôvodov. Po prvé, samotné kategórie „vodiče“ a „izolátory“ boli dosť široké. T.N. „vodiče“ sa veľmi líšili vo vodivosti a to isté (v menšej miere) platilo pre izolátory a nebolo zrejmé, ako by sa ktorýkoľvek konkrétny vodič mohol zaradiť do ktorejkoľvek z týchto tried. Navyše až do polovice 20. storočia nebolo možné získať alebo vytvoriť veľmi čisté látky a akékoľvek zvláštnosti vo vodivosti prírodných materiálov bolo možné vždy pripísať kontaminácii.
Fyzici teraz mali k dispozícii matematické nástroje kvantovej mechaniky a novú triedu materiálov, na ktoré by sa dali použiť. britský teoretik bol prvý, kto to všetko spojil a vytvoril všeobecný model polovodičov a ich fungovania v roku 1931.
Wilson najprv tvrdil, že vodivé materiály sa líšia od dielektrík v stave svojich energetických pásov. Kvantová mechanika tvrdí, že elektróny môžu existovať v obmedzenom počte energetických úrovní nachádzajúcich sa v obaloch alebo orbitáloch jednotlivých atómov. Ak stlačíte tieto atómy dohromady v štruktúre materiálu, bolo by správnejšie predstaviť si súvislé energetické zóny, ktoré ním prechádzajú. Vo vodičoch vo vysokoenergetických pásmach sú prázdne miesta a elektrické pole tam môže voľne pohybovať elektrónmi. V izolantoch sú zóny vyplnené a dostať sa do vyššej vodivej zóny, cez ktorú sa dá elektrina ľahšie dostať, je dosť dlhé stúpanie.
To ho viedlo k záveru, že nečistoty – cudzie atómy v štruktúre materiálu – musia prispievať k jeho polovodičovým vlastnostiam. Môžu dodávať ďalšie elektróny, ktoré ľahko unikajú do vodivého pásma, alebo diery - nedostatok elektrónov v porovnaní so zvyškom materiálu - čo vytvára prázdne energetické priestory, kde sa môžu pohybovať voľné elektróny. Prvá možnosť sa neskôr nazývala polovodiče typu n (alebo elektronické) - pre nadmerný záporný náboj a druhá - typ p alebo diera - pre nadmerný kladný náboj.
Nakoniec Wilson navrhol, že súčasná náprava polovodičmi môže byť vysvetlená v kvantových kvantových podmienkach. , náhly skok elektrónov cez tenkú elektrickú bariéru v materiáli. Teória sa zdala hodnoverná, ale predpovedala, že v usmerňovači by mal prúdiť prúd z oxidu do medi, zatiaľ čo v skutočnosti to bolo naopak.
Takže napriek všetkým Wilsonovým objavom bolo stále ťažké vysvetliť polovodiče. Ako sa postupne ukázalo, mikroskopické zmeny v kryštálovej štruktúre a koncentrácii nečistôt neúmerne ovplyvnili ich makroskopické elektrické správanie. Bratteyn a Becker ignorujúc nedostatok pochopenia – pretože nikto nikdy nedokázal vysvetliť experimentálne pozorovania, ktoré urobil Brown pred 60 rokmi – pre svojho zamestnávateľa vyvinuli efektívny výrobný proces pre usmerňovače na báze oxidu medi. Bell System rýchlo začal nahrádzať vákuové elektrónkové usmerňovače v celom systéme novým zariadením, ktoré ich inžinieri nazvali , pretože jeho odpor sa menil v závislosti od smeru.
Zlatá medaila
Mervyn Kelly, fyzik a bývalý vedúci oddelenia vákuových elektrónok Bell Labs, sa začal veľmi zaujímať o tento vývoj. V priebehu niekoľkých desaťročí poskytovali vákuové trubice Bellu neoceniteľné služby a boli schopné vykonávať funkcie, ktoré neboli možné s predchádzajúcou generáciou mechanických a elektromechanických komponentov. Ale boli horúce, pravidelne sa prehrievali, spotrebovali veľa energie a boli náročné na údržbu. Kelly zamýšľal prestavať Bellov systém pomocou spoľahlivejších a odolnejších elektronických komponentov v pevnej fáze, ako sú varistory, ktoré nevyžadujú uzavreté, plynom naplnené alebo prázdne puzdrá alebo horúce vlákna. V roku 1936 sa stal vedúcim výskumného oddelenia Bell Labs a začal organizáciu presmerovať na novú cestu.
Po získaní polovodičového usmerňovača bolo ďalším zrejmým krokom vytvorenie polovodičového zosilňovača. Prirodzene, ako elektrónkový zosilňovač, aj takéto zariadenie by mohlo fungovať ako digitálny spínač. To bolo pre Bellovu spoločnosť mimoriadne zaujímavé, pretože telefónne spínače stále používali obrovské množstvo elektromechanických digitálnych spínačov. Spoločnosť hľadala spoľahlivejšiu, menšiu, energeticky účinnejšiu a chladnejšiu náhradu za vákuovú elektrónku v telefónnych systémoch, rádiách, radaroch a iných analógových zariadeniach, kde sa používali na zosilnenie slabých signálov na úroveň, ktorú ľudské ucho môže počuť.
V roku 1936 Bell Laboratories konečne zrušili zmrazenie náboru zavedené počas . Kelly okamžite začal s náborom odborníkov na kvantovú mechaniku, aby pomohli spustiť jeho výskumný program v pevnej fáze, vrátane , ďalší rodák zo západného pobrežia, z Palo Alto v Kalifornii. Téma jeho nedávnej dizertačnej práce na MIT dokonale vyhovovala Kellyho potrebám: „Elektrónové pásy v chloride sodnom“.
Brattain a Becker počas tejto doby pokračovali vo výskume usmerňovača oxidu medi a hľadali vylepšený polovodičový zosilňovač. Najzrejmejším spôsobom, ako to urobiť, bolo nasledovať analógiu s vákuovou trubicou. Rovnako ako Lee de Forest vzal lampový zosilňovač a medzi katódu a anódu a Brattain a Becker si predstavovali, ako by sa dala vložiť sieťka na spojenie medi a oxidu medi, kde malo dôjsť k usmerneniu. Pre malú hrúbku vrstvy sa im to však nepodarilo a neboli úspešní.
Medzitým ďalší vývoj ukázal, že Bell Labs nebola jedinou spoločnosťou, ktorá sa zaujímala o polovodičovú elektroniku. V roku 1938 Rudolf Hilsch a Robert Pohl publikovali výsledky experimentov uskutočnených na univerzite v Göttingene na funkčnom polovodičovom zosilňovači vytvorenom zavedením mriežky do kryštálu bromidu draselného. Toto laboratórne zariadenie nemalo žiadnu praktickú hodnotu, hlavne preto, že pracovalo s frekvenciou nie väčšou ako 1 Hz. A predsa tento úspech nemohol potešiť každého, kto sa zaujíma o polovodičovú elektroniku. V tom istom roku Kelly pridelil Shockleyho do novej nezávislej výskumnej skupiny polovodičových zariadení a dal jemu a jeho kolegom Fosterovi Nixovi a Deanovi Woolridgeovi voľnosť, aby preskúmali svoje schopnosti.
Najmenej dvom ďalším vynálezcom sa podarilo vytvoriť polovodičové zosilňovače pred druhou svetovou vojnou. V roku 1922 sovietsky fyzik a vynálezca publikoval výsledky úspešných experimentov so zincitovými polovodičmi, no jeho práca zostala nepovšimnutá západnou komunitou; V roku 1926 požiadal americký vynálezca Julius Lillenfield o patent na polovodičový zosilňovač, ale neexistuje žiadny dôkaz, že jeho vynález fungoval.
Shockleyho prvý veľký pohľad na jeho novú pozíciu prišiel pri čítaní práce britského fyzika Nevilla Motta z roku 1938, The Theory of Crystalline Rectifiers, ktorá konečne vysvetlila princíp činnosti Grondahlovho usmerňovača oxidu medi. Mott použil matematiku kvantovej mechaniky na opísanie tvorby elektrického poľa na križovatke vodivého kovu a polovodivého oxidu a ako elektróny "preskakujú" cez túto elektrickú bariéru, a nie tunelovanie, ako navrhol Wilson. Prúd tečie ľahšie z kovu do polovodiča ako naopak, pretože kov má oveľa viac voľných elektrónov.
To viedlo Shockleyho k presne tej istej myšlienke, ktorú Brattain a Becker zvažovali a odmietli roky predtým – výrobu polovodičového zosilňovača vložením sieťky z oxidu medi medzi meď a oxid medi. Dúfal, že prúd pretekajúci mriežkou zvýši bariéru obmedzujúcu tok prúdu z medi do oxidu, čím sa vytvorí invertovaná, zosilnená verzia signálu na mriežke. Jeho prvý hrubý pokus úplne zlyhal, a tak sa obrátil na muža s rafinovanejšími laboratórnymi zručnosťami a znalosťami usmerňovačov: Waltera Brattaina. A hoci nemal o výsledku žiadne pochybnosti, Brattain súhlasil s uspokojením Shockleyho zvedavosti a vytvoril zložitejšiu verziu „mriežkového“ zosilňovača. Odmietla aj pracovať.
Potom zasiahla vojna a Kellyho nový výskumný program zostal v neporiadku. Kelly sa stal vedúcim radarovej pracovnej skupiny v Bell Labs, podporovanej hlavným americkým radarovým výskumným centrom na MIT. Brattain pre neho krátko pracoval a potom prešiel na výskum magnetickej detekcie ponoriek pre námorníctvo. Woolridge pracoval na systémoch riadenia paľby, Nix pracoval na difúzii plynu pre projekt Manhattan a Shockley sa pustil do operačného výskumu, najskôr pracoval na protiponorkovej vojne v Atlantiku a potom na strategickom bombardovaní v Pacifiku.
Ale napriek tomuto zásahu vojna vývoj polovodičovej elektroniky nezastavila. Naopak, zorganizovala masívnu infúziu zdrojov do tejto oblasti a viedla k sústredeniu výskumu na dva materiály: germánium a kremík.
Čo ešte čítať
Ernest Bruan a Stuart MacDonald, Revolúcia v miniatúre (1978)
Friedrich Kurylo a Charles Susskind, Ferdinand Braun (1981)
G. L. Pearson a W. H. Brattain, „História výskumu polovodičov“, Proceedings of IRE (december 1955).
Michael Riordan a Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
Zdroj: hab.com
