Andra artiklar i serien:
- Reläets historia
- Elektroniska datorers historia
- Transistorns historia
- Internet historia
Vägen till solid-state switchar har varit lång och svår. Det började med upptäckten att vissa material beter sig konstigt i närvaro av elektricitet – inte som de då existerande teorierna förutspådde. Det som följde var en berättelse om hur teknik blev en alltmer vetenskaplig och institutionell disciplin under XNUMX-talet. Amatörer, nybörjare och professionella uppfinnare med praktiskt taget ingen vetenskaplig utbildning gjorde seriösa bidrag till utvecklingen av telegraf, telefoni och radio. Men, som vi kommer att se, har nästan alla framsteg i solid state-elektronikens historia kommit från forskare som studerat vid universitet (och vanligtvis har en doktorsexamen i fysik) och arbetat vid universitet eller företagsforskningslaboratorier.
Alla som har tillgång till verkstad och grundläggande materialkunskaper kan montera ett relä av ledningar, metall och trä. Att skapa vakuumrör kräver mer specialiserade verktyg som kan skapa en glasglödlampa och pumpa ut luften ur den. Solid-state-enheter försvann ner i ett kaninhål från vilket den digitala omkopplaren aldrig återvände, och störtade allt djupare in i världar som bara är begripliga för abstrakt matematik och endast tillgängliga med hjälp av vansinnigt dyr utrustning.
Galena
Under 1874 år , en 24-årig fysiker från St. Thomas i Leipzig, publicerade det första av många viktiga vetenskapliga verk under sin långa karriär. Uppsatsen, "On the Passage of Electric Currents through Metal Sulfides," accepterades i Pogendorffs Annalen, en prestigefylld tidskrift tillägnad fysikaliska vetenskaper. Trots den tråkiga titeln beskrev Browns papper några överraskande och förbryllande experimentella resultat.
Ferdinand Brown
Brown blev fascinerad av sulfider - mineralkristaller sammansatta av svavelföreningar med metaller - genom sitt arbete . Redan 1833 noterade Michael Faraday att ledningsförmågan hos silversulfid ökar med temperaturen, vilket är precis motsatsen till beteendet hos metallledare. Hittorf sammanställde en grundlig kvantitativ rapport över mätningar av denna effekt på 1850-talet, för både silver- och kopparsulfider. Nu upptäckte Brown, med hjälp av en smart experimentell uppställning som tryckte en metalltråd mot en sulfidkristall med en fjäder för att säkerställa god kontakt, något ännu främmare. Kristallernas ledningsförmåga berodde på riktningen – till exempel kunde strömmen flyta bra åt ena hållet, men när batteriets polaritet vändes om kunde strömmen plötsligt sjunka kraftigt. Kristaller fungerade mer som ledare i en riktning (som normala metaller) och mer som isolatorer i en annan (som glas eller gummi). Denna egenskap blev känd som likriktning på grund av dess förmåga att räta ut "krympt" växelström till "plat" likström.
Ungefär samtidigt upptäckte forskare andra konstiga egenskaper hos material som selen, som kunde smältas ur vissa metallsulfidmalmer. När det exponerades för ljus ökade selen ledningsförmågan och började till och med generera elektricitet, och det kunde även användas för likriktning. Fanns det något samband med sulfidkristaller? Utan teoretiska modeller för att förklara vad som hände var fältet i ett tillstånd av förvirring.
Bristen på teori stoppade dock inte försöken att praktiskt tillämpa resultaten. I slutet av 1890-talet blev Brown professor vid universitetet i Strasbourg - nyligen annekterad från Frankrike under och omdöpt till Kaiser Wilhelm University. Där sögs han in i radiotelegrafins nya spännande värld. Han gick med på ett förslag från en grupp entreprenörer om att gemensamt skapa ett trådlöst kommunikationssystem baserat på överföring av radiovågor genom vatten. Men han och hans medbrottslingar övergav snart den ursprungliga idén till förmån för luftburen signalering, som användes av Marconi och andra.
Bland de aspekter av radio som Browns grupp försökte förbättra var den dåvarande standardmottagaren, . Det baserades på det faktum att radiovågor fick metallspån att klumpa ihop sig, vilket lät ström från batteriet passera till signalanordningen. Det fungerade, men systemet reagerade bara på relativt starka signaler, och det krävdes konstant slag av enheten för att bryta upp en klump sågspån. Brown kom ihåg sina gamla experiment med sulfidkristaller, och 1899 återskapade han sin gamla experimentuppställning med ett nytt syfte - att fungera som detektor för trådlösa signaler. Han använde likriktningseffekten för att omvandla den lilla oscillerande ström som genereras av passerande radiovågor till en likström som kunde driva en liten högtalare som producerade ett hörbart klick för varje punkt eller streck. Denna enhet blev senare känd som ""på grund av trådens utseende, som lätt rörde vid toppen av kristallen. I Brittiska Indien (där Bangladesh ligger idag) byggde vetenskapsmannen och uppfinnaren Jagadish Bose en liknande enhet, möjligen så tidigt som 1894. Andra började snart tillverka liknande detektorer baserade på kisel och karborundum (kiselkarbid).
Men det , blysulfid, som har smälts för att producera bly sedan urminnes tider, har blivit det valda materialet för kristalldetektorer. De var lätta att göra och billiga, och som ett resultat blev de otroligt populära bland den tidiga generationen radioamatörer. Dessutom, till skillnad från en binär koherer (med sågspån som antingen klumpat ihop sig eller inte), kunde en kristallin likriktare reproducera en kontinuerlig signal. Därför kunde han producera röst och musik hörbar för örat, och inte bara morsekod med dess prickar och streck.
Cat's whisker detektor baserad på galena. Den lilla biten av tråden till vänster är morrhåren, och biten av silverfärgat material på botten är galenakristallen.
Men som frustrerade radioamatörer snart upptäckte, kunde det ta minuter eller till och med timmar att hitta den magiska punkten på kristallens yta som skulle ge bra rättelse. Och signalerna utan förstärkning var svaga och hade ett metalliskt ljud. På 1920-talet hade vakuumrörsmottagare med triodförstärkare praktiskt taget gjort kristalldetektorer föråldrade nästan överallt. Deras enda attraktiva egenskap var deras billighet.
Detta korta framträdande på radioarenan verkade vara gränsen för praktisk tillämpning av de märkliga elektriska egenskaperna hos materialet som upptäckts av Brown och andra.
Kopparoxid
Sedan på 1920-talet upptäckte en annan fysiker vid namn Lars Gröndahl något konstigt med sin experimentuppställning. Gröndahl, den första av en rad smarta och rastlösa män i den amerikanska västernens historia, var son till en civilingenjör. Hans far, som emigrerade från Norge 1880, arbetade i flera decennier på järnvägar i Kalifornien, Oregon och Washington. Till en början verkade Grondahl fast besluten att lämna sin fars ingenjörsvärld bakom sig och gå till Johns Hopkins för en doktorsexamen i fysik för att fortsätta en akademisk väg. Men sedan engagerade han sig i järnvägsbranschen och tog en position som forskningschef på Union Switch and Signal, en division av industrijätten. , som levererade utrustning till järnvägsindustrin.
Olika källor pekar på motstridiga skäl för Gröndahls motivation för sin forskning, men hur som helst började han experimentera med kopparskivor som värmdes på ena sidan för att skapa ett oxiderat lager. När han arbetade med dem märkte han strömmens asymmetri - motståndet i en riktning var tre gånger större än i den andra. En skiva av koppar och kopparoxid likriktade strömmen, precis som en sulfidkristall.
Kopparoxidlikriktarkrets
Gröndahl ägnade de kommande sex åren åt att utveckla en färdig kommersiell likriktare baserad på detta fenomen, och tog hjälp av en annan amerikansk forskare, Paul Geiger, innan han skickade in en patentansökan och tillkännagav sin upptäckt till American Physical Society 1926. Apparaten blev omedelbart en kommersiell hit. På grund av frånvaron av ömtåliga filament var den mycket mer tillförlitlig än vakuumrörslikriktaren baserad på Fleming-ventilprincipen och var billigare att tillverka. Till skillnad från bruna likriktarkristaller fungerade den på första försöket, och på grund av den större kontaktytan mellan metallen och oxiden fungerade den med ett större utbud av strömmar och spänningar. Den kunde ladda batterier, upptäcka signaler i olika elektriska system och fungera som en säkerhetsshunt i kraftfulla generatorer. När de användes som fotocell kunde skivorna fungera som ljusmätare, och var särskilt användbara vid fotografering. Andra forskare utvecklade ungefär samma tid selenlikriktare som hittade liknande tillämpningar.
Ett paket likriktare baserade på kopparoxid. En sammansättning av flera skivor ökade det omvända motståndet, vilket gjorde det möjligt att använda dem med hög spänning.
Några år senare, två Bell Labs fysiker, Joseph Becker och , bestämde sig för att studera arbetsprincipen för en kopparlikriktare - de var intresserade av att lära sig hur den fungerade och hur den kunde användas i Bell System.
Brattain i ålderdom - ca. 1950
Brattain kom från samma område som Grondal, i Pacific Northwest, där han växte upp på en gård några kilometer från den kanadensiska gränsen. I gymnasiet blev han intresserad av fysik, visade begåvning inom området och doktorerade så småningom från University of Minnesota i slutet av 1920-talet och tog jobb på Bell Laboratories 1929. Bland annat vid universitetet studerade han den senaste teoretiska fysiken, som blev populär i Europa, och känd som kvantmekanik (dess curator var , som också var mentor för John Atanasoff).
Kvantrevolution
En ny teoretisk plattform har sakta utvecklats under de senaste tre decennierna, och med tiden kommer den att kunna förklara alla de märkliga fenomen som har observerats i åratal i material som galena, selen och kopparoxid. En hel kohort av mestadels unga fysiker, främst från Tyskland och grannländerna, orsakade en kvantrevolution inom fysiken. Vart de än tittade hittade de inte den släta och oavbrutna värld de hade lärt sig, utan konstiga, diskreta klumpar.
Det hela började på 1890-talet. Max Planck, en berömd professor vid universitetet i Berlin, bestämde sig för att arbeta med ett välkänt olöst problem: hur ""(ett idealiskt ämne som absorberar all energi och inte reflekterar den) avger strålning i det elektromagnetiska spektrumet? Olika modeller prövades, ingen av dem matchade de experimentella resultaten - de misslyckades vare sig i ena änden av spektrumet eller den andra. Planck upptäckte att om vi antar att energi emitteras av en kropp i små "paket" av diskreta kvantiteter, så kan vi skriva ner en enkel lag för förhållandet mellan frekvens och energi, som perfekt matchar de empiriska resultaten.
Strax efter upptäckte Einstein att samma sak hände med absorptionen av ljus (den första antydan till fotoner), och J. J. Thomson visade att elektricitet inte heller fördes av en kontinuerlig vätska eller våg, utan av diskreta partiklar - elektroner. Niels Bohr skapade sedan en modell för att förklara hur exciterade atomer avger strålning genom att tilldela elektroner till individuella banor i atomen, var och en med sin egen energi. Detta namn är dock missvisande eftersom de inte alls beter sig som planeternas banor – i Bohrs modell hoppade elektroner omedelbart från en omloppsbana, eller energinivå, till en annan, utan att passera genom ett mellantillstånd. Slutligen, på 1920-talet, skapade Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Born och andra en generaliserad matematisk plattform känd som kvantmekanik, som inkorporerade alla de speciella kvantmodeller som hade skapats under de senaste tjugo åren.
Vid den här tiden var fysiker redan övertygade om att material som selen och galena, som uppvisade fotovoltaiska och likriktande egenskaper, tillhörde en separat klass av material, som de kallade halvledare. Klassificeringen tog så lång tid av flera anledningar. För det första var kategorierna "ledare" och "isolatorer" i sig ganska breda. T.N. "ledare" varierade enormt i konduktivitet, och samma sak (i mindre utsträckning) gällde isolatorer, och det var inte uppenbart hur någon speciell ledare kunde klassificeras i någon av dessa klasser. Fram till mitten av XNUMX-talet var det dessutom omöjligt att erhålla eller skapa mycket rena ämnen, och eventuella konstigheter i ledningsförmågan hos naturliga material kunde alltid hänföras till förorening.
Fysiker hade nu både kvantmekanikens matematiska verktyg och en ny klass av material som de kunde tillämpas på. brittisk teoretiker var den första som satte ihop allt och byggde en allmän modell av halvledare och hur de fungerar 1931.
Först hävdade Wilson att ledande material skiljer sig från dielektrika i tillståndet för deras energiband. Kvantmekaniken säger att elektroner kan existera i ett begränsat antal energinivåer som finns i skal, eller orbitaler, hos enskilda atomer. Om du klämmer ihop dessa atomer i strukturen av ett material, skulle det vara mer korrekt att föreställa sig kontinuerliga energizoner som passerar genom det. Det finns tomma utrymmen i ledare i högenergiband, och det elektriska fältet kan fritt flytta elektroner dit. I isolatorer är zonerna fyllda, och det är ganska lång stigning för att nå den högre, ledande zonen, genom vilken det är lättare för elektricitet att färdas.
Detta ledde honom till slutsatsen att föroreningar – främmande atomer i ett materials struktur – måste bidra till dess halvledaregenskaper. De kan antingen tillföra extra elektroner, som lätt flyr in i ledningsbandet, eller hål – brist på elektroner i förhållande till resten av materialet – vilket skapar tomma energiutrymmen där fria elektroner kan röra sig. Det första alternativet kallades senare halvledare av n-typ (eller elektroniska) på grund av överskottet av negativ laddning, och det andra - halvledare av p-typ eller hål på grund av överskottet av positiv laddning.
Slutligen föreslog Wilson att nuvarande likriktning av halvledare skulle kunna förklaras i kvantkvanttermer. , det plötsliga hoppet av elektroner över en tunn elektrisk barriär i ett material. Teorin verkade plausibel, men den förutspådde att i likriktaren skulle strömmen flyta från oxiden till kopparn, även om det i verkligheten var tvärtom.
Så trots alla Wilsons genombrott var halvledare fortfarande svåra att förklara. När det gradvis blev tydligt, påverkade mikroskopiska förändringar i kristallstrukturen och koncentrationen av föroreningar oproportionerligt deras makroskopiska elektriska beteende. Genom att ignorera bristen på förståelse – eftersom ingen någonsin kunde förklara de experimentella observationer som Brown gjorde 60 år tidigare – utvecklade Bratteyn och Becker en effektiv tillverkningsprocess för kopparoxidlikriktare åt sin arbetsgivare. Bell-systemet började snabbt ersätta vakuumrörslikriktare i hela systemet med en ny enhet som deras ingenjörer kallade , eftersom dess motstånd varierade beroende på riktningen.
guldmedalj
Mervyn Kelly, fysiker och tidigare chef för Bell Labs vakuumrörsavdelning, blev mycket intresserad av denna utveckling. Under loppet av ett par decennier gav vakuumrör Bell ovärderlig service och kunde utföra funktioner som inte var möjliga med den tidigare generationen av mekaniska och elektromekaniska komponenter. Men de blev varma, överhettade regelbundet, förbrukade mycket energi och var svåra att underhålla. Kelly hade för avsikt att bygga om Bells system med mer pålitliga och hållbara elektroniska komponenter i fast tillstånd, såsom varistorer, som inte krävde förseglade, gasfyllda eller tomma höljen eller heta filament. 1936 blev han chef för Bell Labs forskningsavdelning och började styra om organisationen på en ny väg.
Efter att ha skaffat en halvledarlikriktare var nästa uppenbara steg att skapa en halvledarförstärkare. Naturligtvis, som en rörförstärkare, kan en sådan enhet också fungera som en digital switch. Detta var av särskilt intresse för Bells företag, eftersom telefonväxlar fortfarande använde ett stort antal elektromekaniska digitala växlar. Företaget letade efter en mer pålitlig, mindre, energieffektiv och svalare ersättning för vakuumröret i telefonsystem, radioapparater, radarer och annan analog utrustning, där de användes för att förstärka svaga signaler till nivåer som det mänskliga örat kunde höra.
1936 hävde Bell Laboratories slutligen anställningsstoppet som infördes under . Kelly började omedelbart rekrytera kvantmekanikexperter för att hjälpa till att lansera hans solid-state forskningsprogram, inklusive , en annan infödd västkust, från Palo Alto, Kalifornien. Ämnet för hans senaste MIT-avhandling passade perfekt för Kellys behov: "Electron Bands in Sodium Chloride."
Brattain och Becker fortsatte sin forskning om kopparoxidlikriktaren under denna tid och letade efter en förbättrad solid state-förstärkare. Det mest uppenbara sättet att göra det var att följa analogin med ett vakuumrör. Precis som Lee de Forest tog en rörförstärkare och mellan katoden och anoden, och Brattain och Becker föreställde sig hur ett nät kunde sättas in i föreningspunkten mellan koppar och kopparoxid, där likriktningen var tänkt att ske. Men på grund av den lilla tjockleken på skiktet fann de det omöjligt att göra detta, och lyckades inte med detta.
Samtidigt visade andra utvecklingar att Bell Labs inte var det enda företaget som var intresserad av solid-state elektronik. 1938 publicerade Rudolf Hilsch och Robert Pohl resultaten av experiment som utfördes vid universitetet i Göttingen på en fungerande solid state-förstärkare skapad genom att införa ett rutnät i en kaliumbromidkristall. Denna laboratorieanordning hade inget praktiskt värde, främst för att den fungerade vid en frekvens på högst 1 Hz. Och ändå kunde denna prestation inte annat än glädja alla som är intresserade av solid state-elektronik. Samma år tilldelade Kelly Shockley till en ny oberoende forskargrupp för solid-state-enheter och gav honom och hans kollegor Foster Nix och Dean Woolridge carte blanche för att utforska deras kapacitet.
Minst två andra uppfinnare lyckades skapa solid state-förstärkare före andra världskriget. 1922, sovjetisk fysiker och uppfinnare publicerade resultaten av framgångsrika experiment med zincithalvledare, men hans arbete gick obemärkt förbi av det västerländska samhället; 1926 ansökte den amerikanske uppfinnaren Julius Lillenfield om patent på en solid state-förstärkare, men det finns inga bevis för att hans uppfinning fungerade.
Shockleys första stora insikt i sin nya position inträffade när han läste den brittiske fysikern Neville Moths arbete från 1938, The Theory of Crystalline Rectifiers, som slutligen förklarade principen för driften av Gröndahls kopparoxidlikriktare. Mott använde kvantmekanikens matematik för att beskriva bildandet av ett elektriskt fält i korsningen mellan en ledande metall och en halvledande oxid, och hur elektroner "hoppar" över denna elektriska barriär, snarare än att tunnla som Wilson föreslog. Ström flyter lättare från metallen till halvledaren än vice versa eftersom metallen har många fler fria elektroner.
Detta ledde Shockley till exakt samma idé som Brattain och Becker hade övervägt och förkastat år tidigare – att göra en solid state-förstärkare genom att sätta in ett kopparoxidnät mellan koppar och kopparoxid. Han hoppades att ström som flyter genom nätet skulle öka den barriär som begränsar strömflödet från koppar till oxid, vilket skapar en inverterad, förstärkt version av signalen på nätet. Hans första råa försök misslyckades helt, så han vände sig till en man med mer förfinade laboratoriekunskaper och förtrogenhet med likriktare: Walter Brattain. Och även om han inte hade några tvivel om resultatet gick Brattain med på att tillfredsställa Shockleys nyfikenhet och skapade en mer komplex version av "grid"-förstärkaren. Hon vägrade också att arbeta.
Sedan ingrep kriget och lämnade Kellys nya forskningsprogram i oordning. Kelly blev chef för radararbetsgruppen vid Bell Labs, med stöd av USA:s största radarforskningscenter vid MIT. Brattain arbetade för honom en kort stund och gick sedan vidare till forskning om magnetisk detektering av ubåtar för flottan. Woolridge arbetade med eldledningssystem, Nix arbetade med gasdiffusion för Manhattan-projektet, och Shockley gick in i operativ forskning, först arbetade med anti-ubåtskrigföring i Atlanten och sedan med strategisk bombning i Stilla havet.
Men trots detta ingripande stoppade kriget inte utvecklingen av solid state-elektronik. Tvärtom, den orkestrerade en massiv infusion av resurser till fältet och ledde till en koncentration av forskning på två material: germanium och kisel.
Vad mer att läsa
Ernest Bruan och Stuart MacDonald, Revolution in Miniature (1978)
Friedrich Kurylo och Charles Susskind, Ferdinand Braun (1981)
G. L. Pearson och W. H. Brattain, "History of Semiconductor Research," Proceedings of the IRE (december 1955).
Michael Riordan och Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
Källa: will.com