Drugi članki v seriji:
- Zgodovina releja
- Zgodovina elektronskih računalnikov
- Zgodovina tranzistorja
- Internetna zgodovina
Pot do polprevodniških stikal je bila dolga in težka. Začelo se je z odkritjem, da se nekateri materiali v prisotnosti elektrike obnašajo nenavadno – ne tako, kot so napovedovale takrat obstoječe teorije. Sledila je zgodba o tem, kako je tehnologija v XNUMX. stoletju postajala vse bolj znanstvena in institucionalna disciplina. K razvoju telegrafa, telefonije in radia so resno prispevali amaterji, novinci in poklicni izumitelji brez znanstvene izobrazbe. Toda, kot bomo videli, je skoraj ves napredek v zgodovini polprevodniške elektronike prišel od znanstvenikov, ki so študirali na univerzah (in imajo običajno doktorat iz fizike) in delali na univerzah ali v korporativnih raziskovalnih laboratorijih.
Vsakdo z dostopom do delavnice in znanjem osnovnih materialov lahko sestavi rele iz žic, kovine in lesa. Ustvarjanje vakuumskih cevi zahteva bolj specializirana orodja, ki lahko ustvarijo stekleno žarnico in iz nje izčrpajo zrak. Polprevodniške naprave so izginile v zajčjo luknjo, iz katere se digitalno stikalo ni nikoli vrnilo, potapljajoč se vse globlje v svetove, ki so razumljivi le abstraktni matematiki in dostopni le s pomočjo noro drage opreme.
Galena
V letu 1874 , 24-letni fizik iz St. Tomaža v Leipzigu, izdal prvo od mnogih pomembnih znanstvenih del v svoji dolgoletni karieri. Članek »O prehodu električnih tokov skozi kovinske sulfide« je bil sprejet v Pogendorffovem Annalenu, prestižni reviji, posvečeni fizikalnim znanostim. Kljub dolgočasnemu naslovu je Brownova knjiga opisala nekaj presenetljivih in zagonetnih eksperimentalnih rezultatov.
Ferdinand Brown
Browna so s svojim delom začeli zanimati sulfidi – mineralni kristali, sestavljeni iz žveplovih spojin s kovinami. . Michael Faraday je že leta 1833 ugotovil, da prevodnost srebrovega sulfida narašča s temperaturo, kar je ravno nasprotno od obnašanja kovinskih prevodnikov. Hittorf je sestavil temeljito kvantitativno poročilo o meritvah tega učinka v petdesetih letih 1850. stoletja za srebrove in bakrove sulfide. Zdaj je Brown z uporabo pametne eksperimentalne postavitve, ki je kovinsko žico pritisnila na sulfidni kristal z vzmetjo, da bi zagotovil dober stik, odkril nekaj še bolj nenavadnega. Prevodnost kristalov je bila odvisna od smeri – tok je na primer lahko dobro tekel v eno smer, ko pa je bila polarnost baterije obrnjena, je lahko tok nenadoma močno padel. Kristali so delovali bolj kot prevodniki v eni smeri (kot običajne kovine) in bolj kot izolatorji v drugi (kot steklo ali guma). Ta lastnost je postala znana kot usmerjanje zaradi svoje zmožnosti izravnave "zvitega" izmeničnega toka v "ploski" enosmerni tok.
Približno v istem času so raziskovalci odkrili druge nenavadne lastnosti materialov, kot je selen, ki jih je mogoče taliti iz nekaterih kovinskih sulfidnih rud. Ob izpostavitvi svetlobi je selen povečal prevodnost in celo začel proizvajati elektriko, uporabljali pa bi ga lahko tudi za rektifikacijo. Je obstajala kakšna povezava s sulfidnimi kristali? Brez teoretičnih modelov, ki bi pojasnili, kaj se dogaja, je bilo področje v stanju zmede.
Vendar pa pomanjkanje teorije ni ustavilo poskusov praktične uporabe rezultatov. V poznih devetdesetih letih 1890. stoletja je Brown postal profesor na Univerzi v Strasbourgu, ki je bila nedavno priključena Franciji med in preimenovala v Univerzo Kaiser Wilhelm. Tam ga je posrkal razburljivi novi svet radiotelegrafije. Strinjal se je s predlogom skupine podjetnikov, da skupaj ustvarijo brezžični komunikacijski sistem, ki temelji na prenosu radijskih valov skozi vodo. Vendar so on in njegovi somišljeniki kmalu opustili prvotno idejo v korist signalizacije iz zraka, ki so jo uporabili Marconi in drugi.
Med vidiki radia, ki si jih je Brownova skupina prizadevala izboljšati, je bil takratni standardni sprejemnik, . Temeljil je na dejstvu, da so radijski valovi povzročili, da se kovinski opilki zlepijo skupaj, kar je omogočilo, da je tok iz baterije prešel v signalno napravo. Delovalo je, vendar se je sistem odzival le na razmeroma močne signale, za razbijanje kepe žagovine pa je bilo potrebno nenehno udarjanje po napravi. Brown se je spomnil svojih starih poskusov s sulfidnimi kristali in leta 1899 je poustvaril svojo staro eksperimentalno postavitev z novim namenom – služiti kot detektor za brezžične signale. Uporabil je rektifikacijski učinek za pretvorbo majhnega nihajočega toka, ki nastane s prehajanjem radijskih valov, v enosmerni tok, ki bi lahko napajal majhen zvočnik, ki je proizvedel slišen klik za vsako piko ali pomišljaj. Ta naprava je kasneje postala znana kot ""zaradi videza žice, ki se je zlahka dotaknila vrha kristala. V britanski Indiji (kjer se danes nahaja Bangladeš) je znanstvenik in izumitelj Jagadish Bose izdelal podobno napravo, morda že leta 1894. Drugi so kmalu začeli izdelovati podobne detektorje na osnovi silicija in karborunda (silicijev karbid).
Vendar pa je natančno , je svinčev sulfid, ki so ga že od antičnih časov talili za proizvodnjo svinca, postal izbrani material za kristalne detektorje. Bili so enostavni za izdelavo in poceni, zaradi česar so postali neverjetno priljubljeni med zgodnjo generacijo radioamaterjev. Poleg tega lahko kristalni usmernik za razliko od binarnega kohererja (z žagovino, ki se zlepi ali ne) reproducira neprekinjen signal. Zato je lahko proizvedel glas in glasbo, slišno za uho, in ne samo Morsejeve abecede s pikami in pomišljaji.
Detektor mačjih brkov na osnovi galenita. Majhen kos žice na levi je brk, kos srebrnega materiala na dnu pa je kristal galenita.
Vendar pa, kot so razočarani radioamaterji kmalu odkrili, lahko traja nekaj minut ali celo ur, da se najde čarobna točka na površini kristala, ki bi omogočila dobro rektifikacijo. In signali brez ojačanja so bili šibki in so imeli kovinski zvok. Do dvajsetih let 1920. stoletja so sprejemniki z vakuumskimi elektronkami s triodnimi ojačevalniki tako rekoč povzročili, da so kristalni detektorji skoraj povsod zastareli. Njihova edina privlačna lastnost je bila pocenitev.
Ta kratek nastop v radijski areni se je zdel meja praktične uporabe nenavadnih električnih lastnosti materiala, ki so ga odkrili Brown in drugi.
Bakrov oksid
Nato je v dvajsetih letih prejšnjega stoletja drug fizik po imenu Lars Grondahl s svojo eksperimentalno postavitvijo odkril nekaj čudnega. Grondahl, prvi v nizu pametnih in nemirnih mož v zgodovini ameriškega zahoda, je bil sin gradbenega inženirja. Njegov oče, ki je leta 1920 emigriral z Norveške, je več desetletij delal na železnicah v Kaliforniji, Oregonu in Washingtonu. Sprva se je Grondahl zdel odločen, da bo zapustil očetov inženirski svet in šel na doktorat iz fizike na Johns Hopkins, da bi nadaljeval akademsko pot. Potem pa se je vključil v železniški posel in prevzel mesto direktorja raziskav pri Union Switch and Signal, oddelku industrijskega velikana. , ki je dobavljalo opremo za železniško industrijo.
Različni viri navajajo nasprotujoče si razloge za Grondahlovo motivacijo za njegovo raziskovanje, a kakor koli že, začel je eksperimentirati z bakrenimi diski, segretimi na eni strani, da bi ustvaril oksidirano plast. Pri delu z njimi je opazil asimetričnost toka – upor v eno smer je bil trikrat večji kot v drugo. Disk iz bakra in bakrovega oksida je usmerjal tok, tako kot sulfidni kristal.
Usmerniško vezje z bakrovim oksidom
Grondahl je naslednjih šest let razvijal za uporabo pripravljen komercialni usmernik, ki je temeljil na tem pojavu, pri čemer je za pomoč pridobil še enega ameriškega raziskovalca Paula Geigerja, preden je leta 1926 oddal patentno prijavo in svoje odkritje objavil Ameriškemu fizikalnemu društvu. takoj postal komercialni hit. Zaradi odsotnosti krhkih filamentov je bil veliko bolj zanesljiv kot vakuumski cevni usmernik po principu Flemingovega ventila in cenejši za izdelavo. Za razliko od Brown usmerniških kristalov je deloval v prvem poskusu, zaradi večje kontaktne površine med kovino in oksidom pa je deloval z večjim razponom tokov in napetosti. Lahko bi polnil baterije, zaznaval signale v različnih električnih sistemih in deloval kot varnostni šant v močnih generatorjih. Ko so bili diski uporabljeni kot fotocelice, so lahko delovali kot svetlomeri in so bili še posebej uporabni pri fotografiji. Drugi raziskovalci so približno v istem času razvili selenove usmernike, ki so našli podobne aplikacije.
Paket usmernikov na osnovi bakrovega oksida. Sestav več diskov je povečal povratni upor, kar je omogočilo njihovo uporabo z visoko napetostjo.
Nekaj let kasneje sta dva fizika Bell Labs, Joseph Becker in , so se odločili preučiti princip delovanja bakrenega usmernika – zanimalo jih je, kako deluje in kako bi ga lahko uporabili v sistemu Bell.
Brattain v starosti - pribl. 1950
Brattain je bil iz istega območja kot Grondal, na pacifiškem severozahodu, kjer je odraščal na kmetiji nekaj kilometrov od kanadske meje. V srednji šoli se je začel zanimati za fiziko, pokazal nadarjenost na tem področju in na koncu leta 1920 doktoriral na Univerzi v Minnesoti ter se leta 1929 zaposlil v Bell Laboratories. Med drugim je na univerzi študiral najnovejša teoretična fizika, ki je v Evropi postajala vse bolj priljubljena in znana kot kvantna mehanika (njen kustos je bil , ki je bil tudi mentor Johnu Atanasoffu).
Kvantna revolucija
V zadnjih treh desetletjih se je počasi razvila nova teoretična platforma, ki bo sčasoma lahko pojasnila vse nenavadne pojave, ki so jih leta opazovali v materialih, kot so galenit, selen in bakrov oksid. Cela kohorta večinoma mladih fizikov, predvsem iz Nemčije in sosednjih držav, je povzročila kvantno revolucijo v fiziki. Kamor koli so pogledali, niso našli gladkega in neprekinjenega sveta, ki so ga učili, ampak nenavadne, diskretne kepe.
Vse se je začelo v 1890-ih. Max Planck, slavni profesor na Univerzi v Berlinu, se je odločil ukvarjati z znanim nerešenim problemom: kako ""(idealna snov, ki absorbira vso energijo in je ne odbija) oddaja sevanje v elektromagnetnem spektru? Preizkusili so različne modele, od katerih se nobeden ni ujemal z eksperimentalnimi rezultati – spodleteli so bodisi na enem bodisi na drugem koncu spektra. Planck je odkril, da če predpostavimo, da telo oddaja energijo v majhnih »paketih« diskretnih količin, potem lahko zapišemo preprost zakon razmerja med frekvenco in energijo, ki se popolnoma ujema z empiričnimi rezultati.
Kmalu zatem je Einstein ugotovil, da se enako dogaja z absorpcijo svetlobe (prvi namig na fotone), J. J. Thomson pa je pokazal, da tudi elektrike ne prenaša neprekinjena tekočina ali valovanje, temveč diskretni delci - elektroni. Niels Bohr je nato ustvaril model, s katerim je razložil, kako vzbujeni atomi oddajajo sevanje tako, da je elektrone dodelil posameznim orbitam v atomu, vsaka s svojo energijo. Vendar je to ime zavajajoče, ker se sploh ne obnašajo kot orbite planetov - v Bohrovem modelu so elektroni v trenutku preskočili iz ene orbite ali energijske ravni na drugo, ne da bi šli skozi vmesno stanje. Končno so v dvajsetih letih prejšnjega stoletja Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Born in drugi ustvarili splošno matematično platformo, znano kot kvantna mehanika, ki je vključevala vse posebne kvantne modele, ki so bili ustvarjeni v zadnjih dvajsetih letih.
V tem času so bili fiziki že prepričani, da materiali, kot sta selen in galenit, ki sta kazala fotonapetostne in usmerniške lastnosti, pripadajo posebnemu razredu materialov, ki so jih poimenovali polprevodniki. Razvrščanje je trajalo tako dolgo iz več razlogov. Prvič, sami kategoriji »prevodniki« in »izolatorji« sta bili precej široki. T.N. »prevodniki« so se zelo razlikovali po prevodnosti in enako (v manjši meri) je veljalo za izolatorje in ni bilo očitno, kako bi lahko kateri koli prevodnik uvrstili v katerega koli od teh razredov. Poleg tega je bilo do sredine XNUMX. stoletja nemogoče pridobiti ali ustvariti zelo čiste snovi in vse nenavadnosti v prevodnosti naravnih materialov je bilo vedno mogoče pripisati onesnaženju.
Fiziki so zdaj imeli matematična orodja kvantne mehanike in nov razred materialov, na katere bi jih lahko uporabili. britanski teoretik je bil prvi, ki je leta 1931 sestavil vse skupaj in zgradil splošen model polprevodnikov in njihovega delovanja.
Sprva je Wilson trdil, da se prevodni materiali razlikujejo od dielektrikov v stanju svojih energijskih pasov. Kvantna mehanika pravi, da lahko elektroni obstajajo v omejenem številu energijskih ravni, ki jih najdemo v lupinah ali orbitalah posameznih atomov. Če te atome stisnemo skupaj v strukturo materiala, bi bilo pravilneje predstavljati neprekinjena energetska območja, ki potekajo skozenj. V prevodnikih v visokoenergijskih pasovih so prazni prostori in električno polje lahko tja prosto premika elektrone. Pri izolatorjih so cone zapolnjene, do višje, prevodne cone, skozi katero elektrika lažje potuje, je kar dolg vzpon.
To ga je pripeljalo do zaključka, da morajo nečistoče – tuji atomi v strukturi materiala – prispevati k njegovim polprevodniškim lastnostim. Lahko dovajajo dodatne elektrone, ki zlahka pobegnejo v prevodni pas, ali luknje - pomanjkanje elektronov glede na preostali material - kar ustvarja prazne energijske prostore, kjer se prosti elektroni lahko premikajo. Prva možnost je bila kasneje imenovana n-tip (ali elektronski) polprevodniki zaradi presežka negativnega naboja, druga pa - p-tip ali luknjasti polprevodniki zaradi presežka pozitivnega naboja.
Končno je Wilson predlagal, da bi lahko tokovno rektifikacijo s polprevodniki razložili s kvantnimi kvantnimi izrazi. , nenaden skok elektronov čez tanko električno pregrado v materialu. Teorija se je zdela verjetna, vendar je predvidevala, da naj bi v usmerniku tok tekel iz oksida v baker, čeprav je bilo v resnici obratno.
Kljub vsem Wilsonovim dosežkom je bilo torej polprevodnike težko razložiti. Ko je postopoma postalo jasno, so mikroskopske spremembe v kristalni strukturi in koncentraciji nečistoč nesorazmerno vplivale na njihovo makroskopsko električno obnašanje. Ne upoštevajoč pomanjkanja razumevanja – ker nihče ni mogel pojasniti eksperimentalnih opazovanj Browna pred 60 leti – sta Brattain in Becker za svojega delodajalca razvila učinkovit proizvodni postopek za usmernike z bakrovim oksidom. Sistem Bell je hitro začel nadomeščati vakuumske cevne usmernike v celotnem sistemu z novo napravo, ki so jo njihovi inženirji poimenovali , saj se je njegov upor spreminjal glede na smer.
zlata medalja
Mervyn Kelly, fizik in nekdanji vodja oddelka za vakuumske cevi Bell Labs, se je zelo zanimal za ta razvoj. V nekaj desetletjih so vakuumske cevi Bellu nudile neprecenljivo storitev in so lahko opravljale funkcije, ki jih prejšnja generacija mehanskih in elektromehanskih komponent ni mogla izvesti. Vendar so bili vroči, redno pregreti, porabili so veliko energije in jih je bilo težko vzdrževati. Kelly je nameraval obnoviti Bellov sistem z bolj zanesljivimi in trpežnimi polprevodniškimi elektronskimi komponentami, kot so varistorji, ki ne zahtevajo zaprtih, s plinom napolnjenih ali praznih ohišij ali vročih filamentov. Leta 1936 je postal vodja raziskovalnega oddelka Bell Labs in začel organizacijo preusmerjati na novo pot.
Po pridobitvi polprevodniškega usmernika je bil naslednji očiten korak izdelava polprevodniškega ojačevalnika. Seveda bi takšna naprava, podobno kot elektronski ojačevalnik, lahko delovala tudi kot digitalno stikalo. To je bilo še posebej zanimivo za Bellovo podjetje, saj so telefonska stikala še vedno uporabljala ogromno elektromehanskih digitalnih stikal. Podjetje je iskalo zanesljivejšo, manjšo, energijsko učinkovito in hladnejšo zamenjavo za vakuumsko cev v telefonskih sistemih, radijskih sprejemnikih, radarjih in drugi analogni opremi, kjer so jih uporabljali za ojačanje šibkih signalov do nivojev, ki jih lahko sliši človeško uho.
Leta 1936 so Bell Laboratories končno odpravili zamrznitev zaposlovanja, ki je bila uvedena med . Kelly je nemudoma začel zaposlovati strokovnjake za kvantno mehaniko, da bi pomagali zagnati njegov raziskovalni program trdne snovi, vključno z , še en domačin z Zahodne obale, iz Palo Alta v Kaliforniji. Tema njegove nedavne disertacije na MIT je bila popolnoma prilagojena Kellyjevim potrebam: "Electron Bands in Sodium Chloride."
Brattain in Becker sta v tem času nadaljevala svoje raziskave o usmerniku iz bakrovega oksida in iskala izboljšan polprevodniški ojačevalnik. Najbolj očiten način za izdelavo je bil slediti analogiji z vakuumsko cevjo. Tako kot je Lee de Forest vzel cevni ojačevalec in med katodo in anodo, Brattain in Becker pa sta si zamislila, kako bi na stičišču bakra in bakrovega oksida, kjer naj bi prišlo do rektifikacije, vstavili mrežico. Vendar zaradi majhne debeline sloja tega niso mogli izvesti in pri tem niso bili uspešni.
Medtem je drugi razvoj dogodkov pokazal, da Bell Labs ni edino podjetje, ki ga zanima polprevodniška elektronika. Leta 1938 sta Rudolf Hilsch in Robert Pohl objavila rezultate poskusov, izvedenih na Univerzi v Göttingenu na delujočem polprevodniškem ojačevalniku, ustvarjenem z uvedbo mreže v kristal kalijevega bromida. Ta laboratorijska naprava ni imela praktične vrednosti, predvsem zato, ker je delovala pri frekvenci največ 1 Hz. In vendar ta dosežek ni mogel razveseliti vseh, ki jih zanima polprevodniška elektronika. Istega leta je Kelly Shockleyja dodelil novi neodvisni raziskovalni skupini za polprevodniške naprave in njemu ter njegovima kolegoma Fosterju Nixu in Deanu Woolridgeu dal dovoljenje za raziskovanje njihovih zmogljivosti.
Vsaj dvema izumiteljema je pred drugo svetovno vojno uspelo ustvariti polprevodniške ojačevalnike. Leta 1922 sovjetski fizik in izumitelj objavil rezultate uspešnih poskusov s cinkovimi polprevodniki, vendar je njegovo delo ostalo neopaženo v zahodni skupnosti; Leta 1926 je ameriški izumitelj Julius Lillenfield prijavil patent za polprevodniški ojačevalnik, vendar ni dokazov, da je njegov izum deloval.
Shockleyjev prvi večji vpogled na njegovem novem položaju je prišel med branjem dela britanskega fizika Nevilla Motha iz leta 1938, The Theory of Crystalline Rectifiers, ki je končno pojasnil princip delovanja Grondahlovega usmernika z bakrovim oksidom. Mott je uporabil matematiko kvantne mehanike, da bi opisal nastanek električnega polja na stičišču prevodne kovine in polprevodniškega oksida ter kako elektroni "skočijo" čez to električno oviro, namesto da bi tunelirali, kot je predlagal Wilson. Tok lažje teče od kovine do polprevodnika kot obratno, ker ima kovina veliko več prostih elektronov.
To je Shockleyja pripeljalo do povsem iste zamisli, o kateri sta Brattain in Becker razmišljala in jo zavrnila leta prej – izdelava polprevodniškega ojačevalnika z vstavljanjem mreže iz bakrovega oksida med baker in bakrov oksid. Upal je, da bo tok, ki teče skozi omrežje, povečal oviro, ki omejuje tok od bakra do oksida, kar bo ustvarilo obrnjeno, ojačano različico signala na omrežju. Njegov prvi grobi poskus je popolnoma propadel, zato se je obrnil na človeka z bolj izpopolnjenimi laboratorijskimi veščinami in poznavanjem usmernikov: Walterja Brattaina. In čeprav ni dvomil o izidu, se je Brattain strinjal, da bo zadovoljil Shockleyjevo radovednost, in ustvaril bolj zapleteno različico "mrežnega" ojačevalnika. Prav tako je zavrnila delo.
Nato se je vmešala vojna, ki je Kellyjev novi raziskovalni program pustila v zmedi. Kelly je postal vodja radarske delovne skupine pri Bell Labs, ki jo podpira glavni ameriški raziskovalni center za radarje MIT. Brattain je na kratko delal zanj, nato pa se je posvetil raziskavam magnetnega zaznavanja podmornic za mornarico. Woolridge je delal na sistemih za nadzor ognja, Nix je delal na difuziji plina za projekt Manhattan, Shockley pa se je lotil operativnih raziskav, najprej na področju protipodmorniškega bojevanja v Atlantiku in nato na strateškem bombardiranju v Tihem oceanu.
Toda kljub temu posegu vojna ni ustavila razvoja polprevodniške elektronike. Ravno nasprotno, orkestriral je obsežno infuzijo virov na to področje in privedel do koncentracije raziskav na dveh materialih: germaniju in siliciju.
Kaj še brati
Ernest Bruan in Stuart MacDonald, Revolucija v malem (1978)
Friedrich Kurylo in Charles Susskind, Ferdinand Braun (1981)
G. L. Pearson in W. H. Brattain, »Zgodovina raziskav polprevodnikov«, zbornik IRE (december 1955).
Michael Riordan in Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
Vir: www.habr.com