บทความอื่น ๆ ในซีรีส์:
- ประวัติการถ่ายทอด
- ประวัติคอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์
- ประวัติของทรานซิสเตอร์
- ประวัติอินเทอร์เน็ต
เบ้าหลอมแห่งสงครามเป็นจุดเริ่มต้นของการกำเนิดของทรานซิสเตอร์ ตั้งแต่ปี พ.ศ. 1939 ถึง พ.ศ. 1945 ความรู้ด้านเทคนิคในด้านเซมิคอนดักเตอร์ได้ขยายตัวอย่างมาก และมีเหตุผลง่ายๆ ประการหนึ่งสำหรับสิ่งนี้: เรดาร์ เทคโนโลยีการทำสงครามที่สำคัญที่สุด ตัวอย่าง ได้แก่ การตรวจจับการโจมตีทางอากาศ การค้นหาเรือดำน้ำ การควบคุมการโจมตีทางอากาศในเวลากลางคืนไปยังเป้าหมาย การกำหนดเป้าหมายระบบป้องกันทางอากาศและปืนทางเรือ วิศวกรยังได้เรียนรู้ถึงวิธีการใส่เรดาร์เล็กๆ เข้าไปในกระสุนปืนใหญ่ เพื่อที่พวกมันจะระเบิดขณะบินเข้าใกล้เป้าหมาย - . อย่างไรก็ตาม แหล่งที่มาของเทคโนโลยีทางการทหารใหม่อันทรงพลังนี้อยู่ในสาขาที่สงบสุขกว่า นั่นคือการศึกษาบรรยากาศชั้นบนเพื่อจุดประสงค์ทางวิทยาศาสตร์
เรดาร์
ในปี 1901 บริษัท Marconi Wireless Telegraph Company ประสบความสำเร็จในการส่งข้อความไร้สายข้ามมหาสมุทรแอตแลนติก จากคอร์นวอลล์ไปยังนิวฟันด์แลนด์ ข้อเท็จจริงนี้ทำให้วิทยาศาสตร์สมัยใหม่เกิดความสับสน หากการส่งสัญญาณวิทยุเดินทางเป็นเส้นตรง (เท่าที่ควร) การส่งสัญญาณดังกล่าวจะเป็นไปไม่ได้ ไม่มีเส้นตรงระหว่างอังกฤษและแคนาดาที่ไม่สามารถข้ามโลกได้ ดังนั้นข้อความของ Marconi จึงต้องบินไปในอวกาศ วิศวกรชาวอเมริกัน Arthur Kennealy และนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ Oliver Heaviside เสนอพร้อมกันและเป็นอิสระว่าคำอธิบายสำหรับปรากฏการณ์นี้จะต้องเกี่ยวข้องกับชั้นของก๊าซไอออไนซ์ที่อยู่ในชั้นบรรยากาศชั้นบนซึ่งสามารถสะท้อนคลื่นวิทยุกลับมายังโลกได้ (Marconi เองเชื่อว่าคลื่นวิทยุ ตามความโค้งของพื้นผิวโลก อย่างไรก็ตาม นักฟิสิกส์ไม่สนับสนุน)
ในช่วงทศวรรษปี 1920 นักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาอุปกรณ์ใหม่ที่ทำให้สามารถพิสูจน์การมีอยู่ของชั้นบรรยากาศรอบนอกได้ก่อน จากนั้นจึงศึกษาโครงสร้างของมัน พวกเขาใช้หลอดสุญญากาศเพื่อสร้างพัลส์วิทยุคลื่นสั้น ใช้เสาอากาศกำหนดทิศทางเพื่อส่งขึ้นไปในชั้นบรรยากาศและบันทึกเสียงสะท้อน และ เพื่อสาธิตผลลัพธ์ ยิ่งความล่าช้าในการส่งกลับของเสียงก้องนานเท่าไร ไอโอโนสเฟียร์จะต้องยิ่งอยู่ห่างออกไปมากขึ้นเท่านั้น เทคโนโลยีนี้เรียกว่าการสร้างเสียงในบรรยากาศ และเป็นโครงสร้างพื้นฐานทางเทคนิคขั้นพื้นฐานสำหรับการพัฒนาเรดาร์ (คำว่า "เรดาร์" จาก RAdio Detection And Ranging ไม่ปรากฏจนกระทั่งทศวรรษปี 1940 ในกองทัพเรือสหรัฐฯ)
มันเป็นเพียงเรื่องของเวลาก่อนที่ผู้ที่มีความรู้ ทรัพยากร และแรงจูงใจที่ถูกต้องจะตระหนักถึงศักยภาพในการใช้งานอุปกรณ์ดังกล่าวภาคพื้นดิน (ดังนั้น ประวัติความเป็นมาของเรดาร์จึงตรงกันข้ามกับประวัติศาสตร์ของกล้องโทรทรรศน์ ซึ่งตั้งใจไว้สำหรับการใช้งานภาคพื้นดินครั้งแรก) . และความเป็นไปได้ที่ข้อมูลเชิงลึกดังกล่าวจะเพิ่มขึ้นเมื่อวิทยุแพร่กระจายไปทั่วโลกมากขึ้นเรื่อยๆ และผู้คนจำนวนมากสังเกตเห็นการรบกวนที่มาจากเรือ เครื่องบิน และวัตถุขนาดใหญ่อื่นๆ ที่อยู่ใกล้เคียง ความรู้เกี่ยวกับเทคโนโลยีเสียงบรรยากาศชั้นบนแพร่กระจายในช่วงที่สอง (พ.ศ. 1932-1933) เมื่อนักวิทยาศาสตร์รวบรวมแผนที่บรรยากาศไอโอโนสเฟียร์จากสถานีต่างๆ ในอาร์กติก หลังจากนั้นไม่นาน ทีมงานในอังกฤษ สหรัฐอเมริกา เยอรมนี อิตาลี สหภาพโซเวียต และประเทศอื่นๆ ก็ได้พัฒนาระบบเรดาร์ที่ง่ายที่สุด
ด้วยเรดาร์ของเขาในปี 1935
จากนั้นสงครามก็เกิดขึ้น และความสำคัญของเรดาร์ต่อประเทศต่างๆ—และทรัพยากรในการพัฒนาประเทศ—ก็เพิ่มขึ้นอย่างมาก ในสหรัฐอเมริกา ทรัพยากรเหล่านี้รวมตัวกันอยู่รอบๆ องค์กรใหม่ที่ก่อตั้งในปี 1940 ที่ MIT หรือที่รู้จักในชื่อ (ได้รับการตั้งชื่อมาโดยเฉพาะเพื่อหลอกลวงสายลับต่างชาติและสร้างความประทับใจว่ามีการศึกษากัมมันตภาพรังสีในห้องปฏิบัติการ - ในเวลานั้นมีคนเพียงไม่กี่คนที่เชื่อเรื่องระเบิดปรมาณู) โครงการ Rad Lab ซึ่งไม่โด่งดังเท่าโครงการแมนฮัตตัน ยังได้คัดเลือกนักฟิสิกส์ที่โดดเด่นและมีความสามารถไม่แพ้กันจากทั่วสหรัฐอเมริกามาอยู่ในตำแหน่งเดียวกัน พนักงานคนแรกของห้องปฏิบัติการห้าคน (รวมถึง и ) ต่อมาได้รับรางวัลโนเบล เมื่อสิ้นสุดสงคราม แพทย์ นักวิทยาศาสตร์ และวิศวกรประมาณ 500 คนทำงานในห้องปฏิบัติการ และมีคนทำงานทั้งหมด 4000 คน ครึ่งล้านดอลลาร์—เทียบได้กับงบประมาณทั้งหมดของ ENIAC—ถูกใช้ไปกับ Radiation Laboratory Series เพียงอย่างเดียว ซึ่งเป็นบันทึกความรู้ทั้งหมดที่ได้รับจากห้องปฏิบัติการในช่วงสงครามจำนวนยี่สิบเจ็ดเล่ม (แม้ว่ารัฐบาลสหรัฐฯ ใช้จ่ายด้านเทคโนโลยีเรดาร์จะไม่จำกัดก็ตาม ให้กับงบประมาณของ Rad Lab ในช่วงสงคราม รัฐบาลได้ซื้อเรดาร์มูลค่า XNUMX พันล้านดอลลาร์)
อาคาร MIT 20 ซึ่งเป็นที่ตั้งของ Rad Lab
การวิจัยหลักประการหนึ่งของ Rad Lab คือเรดาร์ความถี่สูง เรดาร์ยุคแรกใช้ความยาวคลื่นที่วัดเป็นเมตร แต่ลำแสงความถี่สูงกว่าที่มีความยาวคลื่นวัดเป็นเซนติเมตร (คลื่นไมโครเวฟ) อนุญาตให้ใช้กับเสาอากาศที่มีขนาดกะทัดรัดกว่าและกระจัดกระจายน้อยกว่าในระยะทางไกล ซึ่งมีแนวโน้มว่าจะได้เปรียบในด้านระยะและความแม่นยำที่มากกว่า เรดาร์ไมโครเวฟสามารถพอดีกับจมูกของเครื่องบินและตรวจจับวัตถุที่มีขนาดเท่ากล้องปริทรรศน์ของเรือดำน้ำ
คนแรกที่แก้ไขปัญหานี้คือทีมนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษจากมหาวิทยาลัยเบอร์มิงแฮม ในปี พ.ศ. 1940 พวกเขาพัฒนา”“ ซึ่งทำงานเหมือนกับ “นกหวีด” แม่เหล็กไฟฟ้า โดยเปลี่ยนพัลส์ไฟฟ้าแบบสุ่มให้เป็นลำแสงไมโครเวฟที่ทรงพลังและปรับจูนอย่างแม่นยำ เครื่องส่งสัญญาณไมโครเวฟนี้มีพลังมากกว่าคู่แข่งที่ใกล้ที่สุดถึงพันเท่า มันปูทางไปสู่เครื่องส่งสัญญาณเรดาร์ความถี่สูงที่ใช้งานได้จริง อย่างไรก็ตาม เขาต้องการเพื่อนร่วมเดินทาง ซึ่งเป็นเครื่องรับที่สามารถตรวจจับความถี่สูงได้ และเมื่อมาถึงจุดนี้ เราจะกลับไปสู่ประวัติศาสตร์ของเซมิคอนดักเตอร์
หน้าตัดของแมกนีตรอน
การมาครั้งที่สองของหนวดแมว
ปรากฎว่าหลอดสุญญากาศไม่เหมาะสำหรับการรับสัญญาณเรดาร์ไมโครเวฟเลย ช่องว่างระหว่างแคโทดร้อนและขั้วบวกเย็นทำให้เกิดความจุไฟฟ้า ส่งผลให้วงจรปฏิเสธที่จะทำงานที่ความถี่สูง เทคโนโลยีที่ดีที่สุดสำหรับเรดาร์ความถี่สูงคือเทคโนโลยีที่ล้าสมัย ""- ลวดชิ้นเล็กๆ กดกับคริสตัลเซมิคอนดักเตอร์ หลายคนค้นพบสิ่งนี้โดยอิสระ แต่สิ่งที่ใกล้เคียงที่สุดกับเรื่องราวของเราคือสิ่งที่เกิดขึ้นในรัฐนิวเจอร์ซีย์
ในปีพ.ศ. 1938 เบลล์แล็บส์ได้ทำสัญญากับกองทัพเรือเพื่อพัฒนาเรดาร์ควบคุมการยิงในระยะ 40 ซม. ซึ่งสั้นกว่ามากและมีความถี่สูงกว่าเรดาร์ที่มีอยู่ในยุคแมกนีตรอนก่อนเกิดเสียงสะท้อน งานวิจัยหลักไปที่แผนกห้องปฏิบัติการแห่งหนึ่งในโฮล์มเดล ทางใต้ของเกาะสแตเทน นักวิจัยใช้เวลาไม่นานในการพิจารณาว่าพวกเขาต้องการอะไรสำหรับเครื่องรับความถี่สูงและในไม่ช้า วิศวกร George Southworth ก็ค้นหาเครื่องตรวจจับแมวแบบเก่าตามร้านวิทยุในแมนฮัตตัน ตามที่คาดไว้ มันทำงานได้ดีกว่าเครื่องตรวจจับหลอดไฟมาก แต่ก็ไม่เสถียร Southworth จึงค้นหานักเคมีไฟฟ้าชื่อ Russell Ohl และขอให้เขาพยายามปรับปรุงความสม่ำเสมอของการตอบสนองของเครื่องตรวจจับคริสตัลแบบจุดเดียว
Ol เป็นคนที่ค่อนข้างแปลกซึ่งถือว่าการพัฒนาเทคโนโลยีเป็นชะตากรรมของเขาและพูดคุยเกี่ยวกับข้อมูลเชิงลึกเป็นระยะพร้อมวิสัยทัศน์แห่งอนาคต ตัวอย่างเช่น เขากล่าวว่าย้อนกลับไปในปี 1939 เขารู้เกี่ยวกับการประดิษฐ์แอมพลิฟายเออร์ซิลิคอนในอนาคต แต่โชคชะตานั้นถูกกำหนดไว้แล้วให้บุคคลอื่นประดิษฐ์มันขึ้นมา หลังจากศึกษาตัวเลือกต่างๆ มากมาย เขาก็ตัดสินใจว่าซิลิคอนเป็นสารที่ดีที่สุดสำหรับตัวรับของ Southworth ปัญหาคือความสามารถในการควบคุมเนื้อหาของวัสดุเพื่อควบคุมคุณสมบัติทางไฟฟ้า ในเวลานั้นแท่งซิลิคอนอุตสาหกรรมแพร่หลายและใช้ในโรงงานเหล็ก แต่ในการผลิตเช่นนี้ไม่มีใครสนใจปริมาณฟอสฟอรัส 1% ในซิลิคอน โดยขอความช่วยเหลือจากนักโลหะวิทยาสองคน Ol ตั้งใจที่จะได้ช่องว่างที่สะอาดขึ้นกว่าที่เคยเป็นไปได้
ขณะที่พวกเขาทำงาน พวกเขาค้นพบว่าคริสตัลบางตัวสามารถแก้ไขกระแสในทิศทางเดียว ในขณะที่คริสตัลบางตัวแก้ไขกระแสในทิศทางอื่น พวกเขาเรียกพวกมันว่า "n-type" และ "p-type" การวิเคราะห์เพิ่มเติมแสดงให้เห็นว่าสิ่งเจือปนประเภทต่างๆ รับผิดชอบต่อประเภทเหล่านี้ ซิลิคอนอยู่ในคอลัมน์ที่สี่ของตารางธาตุ ซึ่งหมายความว่ามีอิเล็กตรอน 4 ตัวอยู่ในเปลือกนอก ในช่องว่างของซิลิคอนบริสุทธิ์ อิเล็กตรอนแต่ละตัวจะรวมตัวกับเพื่อนบ้าน สิ่งเจือปนจากคอลัมน์ที่สาม เช่น โบรอน ซึ่งมีอิเล็กตรอนน้อยกว่าหนึ่งตัว ทำให้เกิด "รู" ซึ่งเป็นพื้นที่เพิ่มเติมสำหรับการเคลื่อนที่ของกระแสในคริสตัล ผลลัพธ์ที่ได้คือเซมิคอนดักเตอร์ชนิด p (มีประจุบวกมากเกินไป) องค์ประกอบจากคอลัมน์ที่ห้า เช่น ฟอสฟอรัส ให้อิเล็กตรอนอิสระเพิ่มเติมเพื่อส่งกระแสไฟฟ้า และได้รับสารกึ่งตัวนำชนิด n
โครงสร้างผลึกของซิลิคอน
งานวิจัยทั้งหมดนี้น่าสนใจมาก แต่ภายในปี 1940 Southworth และ Ohl ไม่ได้เข้าใกล้การสร้างต้นแบบการทำงานของเรดาร์ความถี่สูงเลย ในเวลาเดียวกัน รัฐบาลอังกฤษเรียกร้องให้ได้ผลการปฏิบัติทันทีเนื่องจากภัยคุกคามที่กำลังจะเกิดขึ้นจากกองทัพ ซึ่งได้สร้างเครื่องตรวจจับไมโครเวฟที่พร้อมใช้งานแล้วซึ่งทำงานควบคู่กับเครื่องส่งสัญญาณแมกนีตรอน
อย่างไรก็ตาม ความสมดุลของความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีจะหันไปทางฝั่งตะวันตกของมหาสมุทรแอตแลนติกในไม่ช้า เชอร์ชิลล์ตัดสินใจเปิดเผยความลับทางเทคนิคทั้งหมดของอังกฤษแก่ชาวอเมริกันก่อนที่เขาจะเข้าสู่สงครามจริงๆ (เพราะเขาคิดว่าเรื่องนี้จะต้องเกิดขึ้นอยู่แล้ว) เขาเชื่อว่ามันคุ้มค่ากับความเสี่ยงที่ข้อมูลจะรั่วไหล เนื่องจากความสามารถทางอุตสาหกรรมทั้งหมดของสหรัฐอเมริกาจะถูกโยนลงไปในการแก้ปัญหา เช่น อาวุธปรมาณูและเรดาร์ ภารกิจวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีของอังกฤษ (รู้จักกันดีในชื่อ ) มาถึงวอชิงตันในเดือนกันยายน พ.ศ. 1940 และนำของขวัญในรูปแบบของสิ่งมหัศจรรย์ทางเทคโนโลยีมาในกระเป๋าเดินทางของเธอ
การค้นพบพลังอันน่าทึ่งของแมกนีตรอนแบบเรโซแนนซ์และประสิทธิภาพของเครื่องตรวจจับคริสตัลของอังกฤษในการรับสัญญาณได้ฟื้นฟูการวิจัยของอเมริกาเกี่ยวกับเซมิคอนดักเตอร์ซึ่งเป็นพื้นฐานของเรดาร์ความถี่สูง มีงานที่ต้องทำมากมาย โดยเฉพาะในด้านวัสดุศาสตร์ เพื่อให้เป็นไปตามความต้องการ ผลึกเซมิคอนดักเตอร์ “จึงต้องผลิตขึ้นเป็นจำนวนหลายล้าน ซึ่งมากกว่าที่เคยเป็นไปได้มาก จำเป็นต้องปรับปรุงการแก้ไข ลดความไวต่อแรงกระแทกและการเบิร์นอิน และลดความแปรปรวนระหว่างคริสตัลชุดต่างๆ ให้เหลือน้อยที่สุด”
วงจรเรียงกระแสแบบสัมผัสซิลิคอนพอยต์
Rad Lab ได้เปิดแผนกวิจัยใหม่เพื่อศึกษาคุณสมบัติของผลึกเซมิคอนดักเตอร์ และวิธีการปรับเปลี่ยนเพื่อเพิ่มคุณสมบัติของตัวรับที่มีคุณค่าสูงสุด วัสดุที่มีแนวโน้มมากที่สุดคือซิลิคอนและเจอร์เมเนียม ดังนั้น Rad Lab จึงตัดสินใจเล่นอย่างปลอดภัยและเปิดตัวโปรแกรมคู่ขนานเพื่อศึกษาทั้งสองอย่าง ได้แก่ ซิลิคอนที่มหาวิทยาลัยเพนซิลเวเนียและเจอร์เมเนียมที่ Purdue บริษัทยักษ์ใหญ่ในอุตสาหกรรม เช่น Bell, Westinghouse, Du Pont และ Sylvania เริ่มต้นโครงการวิจัยเซมิคอนดักเตอร์ของตนเอง และเริ่มพัฒนาโรงงานผลิตใหม่สำหรับเครื่องตรวจจับคริสตัล
ด้วยความพยายามร่วมกัน ความบริสุทธิ์ของผลึกซิลิคอนและเจอร์เมเนียมจึงเพิ่มขึ้นจาก 99% ที่จุดเริ่มต้นเป็น 99,999% ซึ่งก็คือ หนึ่งอนุภาคที่ไม่บริสุทธิ์ต่อ 100 อะตอม ในกระบวนการนี้ นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรกลุ่มหนึ่งได้ทำความคุ้นเคยอย่างใกล้ชิดกับคุณสมบัติเชิงนามธรรมของเจอร์เมเนียมและซิลิคอน และใช้เทคโนโลยีเพื่อควบคุมคุณสมบัติเหล่านี้ เช่น การละลาย การเพิ่มจำนวนผลึก การเติมสิ่งเจือปนที่จำเป็น (เช่น โบรอน ซึ่งเพิ่มการนำไฟฟ้า)
แล้วสงครามก็จบลง ความต้องการเรดาร์หายไป แต่ความรู้และทักษะที่ได้รับระหว่างสงครามยังคงอยู่ และความฝันของเครื่องขยายเสียงโซลิดสเตตก็ไม่ถูกลืม ตอนนี้การแข่งขันคือการสร้างแอมพลิฟายเออร์ดังกล่าว และมีอย่างน้อยสามทีมที่อยู่ในตำแหน่งที่ดีที่จะคว้ารางวัลนี้
เวสต์ลาฟาแยต
กลุ่มแรกคือกลุ่มจากมหาวิทยาลัย Purdue ซึ่งนำโดยนักฟิสิกส์ชาวออสเตรียชื่อ Carl Lark-Horowitz เขานำแผนกฟิสิกส์ของมหาวิทยาลัยออกมาจากความสับสนโดยลำพังด้วยความสามารถและอิทธิพลของเขา และมีอิทธิพลต่อการตัดสินใจของ Rad Lab ที่จะมอบความไว้วางใจให้ห้องปฏิบัติการของเขาทำการวิจัยเจอร์เมเนียม
Carl Lark-Horowitz ในปี 1947 ตรงกลาง ถือท่อ
ในช่วงต้นทศวรรษ 1940 ซิลิคอนถือเป็นวัสดุที่ดีที่สุดสำหรับวงจรเรียงกระแสเรดาร์ แต่วัสดุที่อยู่ด้านล่างในตารางธาตุก็ดูคุ้มค่าที่จะศึกษาเพิ่มเติมเช่นกัน เจอร์เมเนียมมีข้อได้เปรียบในทางปฏิบัติเนื่องจากมีจุดหลอมเหลวต่ำกว่า ซึ่งทำให้ง่ายต่อการใช้งาน: ประมาณ 940 องศา เทียบกับ 1400 องศาสำหรับซิลิคอน (เกือบจะเหมือนกับเหล็ก) เนื่องจากมีจุดหลอมเหลวสูง จึงเป็นเรื่องยากมากที่จะสร้างช่องว่างซึ่งจะไม่รั่วไหลเข้าไปในซิลิคอนหลอมเหลวและปนเปื้อน
ดังนั้นลาร์ค-ฮอโรวิทซ์และเพื่อนร่วมงานจึงใช้เวลาตลอดทั้งสงครามเพื่อศึกษาคุณสมบัติทางเคมี ไฟฟ้า และกายภาพของเจอร์เมเนียม อุปสรรคที่สำคัญที่สุดคือ "แรงดันย้อนกลับ": วงจรเรียงกระแสเจอร์เมเนียมที่มีแรงดันไฟฟ้าต่ำมาก หยุดแก้ไขกระแสและปล่อยให้กระแสไหลไปในทิศทางตรงกันข้าม พัลส์กระแสย้อนกลับจะเผาส่วนประกอบที่เหลือของเรดาร์ Seymour Benzer หนึ่งในนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของ Lark-Horowitz ศึกษาปัญหานี้มานานกว่าหนึ่งปี และในที่สุดก็พัฒนาสารเติมแต่งที่ทำจากดีบุกซึ่งหยุดพัลส์ย้อนกลับที่แรงดันไฟฟ้าสูงถึงหลายร้อยโวลต์ หลังจากนั้นไม่นาน Western Electric ซึ่งเป็นแผนกการผลิตของ Bell Labs ได้เริ่มออกตัวเรียงกระแส Benzer สำหรับการใช้งานทางทหาร
การศึกษาเจอร์เมเนียมที่ Purdue ยังคงดำเนินต่อไปหลังสงคราม ในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 1947 Benzer ซึ่งเป็นศาสตราจารย์อยู่แล้วได้รายงานความผิดปกติที่ผิดปกติ: ในการทดลองบางอย่าง มีการสั่นความถี่สูงในผลึกเจอร์เมเนียม และเพื่อนร่วมงานของเขา Ralph Bray ยังคงศึกษา "ความต้านทานเชิงปริมาตร" ในโครงการที่เริ่มต้นในช่วงสงคราม ความต้านทานปริมาตรอธิบายว่ากระแสไฟฟ้าไหลในผลึกเจอร์เมเนียมที่จุดสัมผัสของวงจรเรียงกระแสอย่างไร เบรย์พบว่าพัลส์ไฟฟ้าแรงสูงช่วยลดความต้านทานของเจอร์เมเนียมชนิด n ต่อกระแสเหล่านี้ได้อย่างมาก เขาได้เห็นสิ่งที่เรียกว่า ผู้ให้บริการเรียกเก็บเงิน "ส่วนน้อย" ในเซมิคอนดักเตอร์ชนิด n ประจุลบส่วนเกินจะทำหน้าที่เป็นตัวพาประจุส่วนใหญ่ แต่ "รู" ที่เป็นบวกก็สามารถพากระแสไฟได้เช่นกัน และในกรณีนี้ พัลส์ไฟฟ้าแรงสูงจะสร้างรูในโครงสร้างเจอร์เมเนียม ส่งผลให้ตัวพาประจุส่วนน้อยปรากฏขึ้น .
เบรย์และเบนเซอร์เข้ามาใกล้กับแอมพลิฟายเออร์เจอร์เมเนียมอย่างยั่วยวนโดยไม่รู้ตัว Benzer จับ Walter Brattain นักวิทยาศาสตร์ของ Bell Labs ในการประชุมเมื่อเดือนมกราคม พ.ศ. 1948 เพื่อหารือเกี่ยวกับ Volumetric Drag กับเขา เขาแนะนำให้ Brattain วางจุดสัมผัสอีกจุดหนึ่งไว้ถัดจากจุดแรกที่สามารถนำกระแสไฟฟ้าได้ จากนั้นพวกเขาอาจจะสามารถเข้าใจสิ่งที่เกิดขึ้นใต้พื้นผิวได้ Brattain เห็นด้วยกับข้อเสนอนี้อย่างเงียบ ๆ และจากไป ดังที่เราจะได้เห็น เขารู้ดีว่าการทดลองดังกล่าวสามารถเปิดเผยอะไรได้บ้าง
โอเน่-ซู-บัวส์
กลุ่ม Purdue มีทั้งเทคโนโลยีและพื้นฐานทางทฤษฎีในการก้าวกระโดดไปสู่ทรานซิสเตอร์ แต่พวกเขาก็บังเอิญเจอมันโดยบังเอิญเท่านั้น พวกเขาสนใจคุณสมบัติทางกายภาพของวัสดุ ไม่ใช่การค้นหาอุปกรณ์ประเภทใหม่ สถานการณ์ที่แตกต่างกันมากเกิดขึ้นในเมือง Aunes-sous-Bois (ฝรั่งเศส) ซึ่งอดีตนักวิจัยเรดาร์สองคนจากเยอรมนี Heinrich Welker และ Herbert Mathare นำทีมโดยมีเป้าหมายคือสร้างอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ทางอุตสาหกรรม
เวลเกอร์ศึกษาและสอนฟิสิกส์ครั้งแรกที่มหาวิทยาลัยมิวนิก ดำเนินการโดยอาร์โนลด์ ซอมเมอร์เฟลด์ นักทฤษฎีชื่อดัง ตั้งแต่ปีพ.ศ. 1940 เขาทิ้งเส้นทางที่เป็นทฤษฎีล้วนๆ และเริ่มทำงานกับเรดาร์ของกองทัพ Mathare (เชื้อสายเบลเยียม) เติบโตขึ้นมาใน Aachen ซึ่งเขาเรียนวิชาฟิสิกส์ เขาเข้าร่วมแผนกวิจัยของ Telefunken ยักษ์ใหญ่ด้านวิทยุของเยอรมนีในปี 1939 ระหว่างสงคราม เขาได้ย้ายงานจากเบอร์ลินตะวันออกไปยังสำนักสงฆ์ในแคว้นซิลีเซียเพื่อหลีกเลี่ยงการโจมตีทางอากาศของฝ่ายสัมพันธมิตร จากนั้นจึงกลับไปทางตะวันตกเพื่อหลีกเลี่ยงกองทัพแดงที่กำลังรุกคืบ และในที่สุดก็ตกไปอยู่ในเงื้อมมือของกองทัพอเมริกัน
เช่นเดียวกับคู่แข่งในแนวร่วมต่อต้านฮิตเลอร์ ชาวเยอรมันรู้ในช่วงต้นทศวรรษ 1940 ว่าเครื่องตรวจจับคริสตัลเป็นตัวรับเรดาร์ในอุดมคติ และซิลิคอนและเจอร์เมเนียมเป็นวัสดุที่มีแนวโน้มมากที่สุดสำหรับการสร้างสรรค์ของพวกเขา Mathare และ Welker พยายามระหว่างสงครามเพื่อปรับปรุงการใช้วัสดุเหล่านี้ในวงจรเรียงกระแสอย่างมีประสิทธิภาพ หลังสงคราม ทั้งสองถูกสอบปากคำเป็นระยะเกี่ยวกับงานทางทหาร และในที่สุดก็ได้รับคำเชิญจากเจ้าหน้าที่ข่าวกรองฝรั่งเศสให้ไปปารีสในปี พ.ศ. 1946
Compagnie des Freins & Signaux ("บริษัทด้านเบรกและสัญญาณ") ซึ่งเป็นแผนกหนึ่งของ Westinghouse ในฝรั่งเศส ได้รับสัญญาจากหน่วยงานโทรศัพท์ของฝรั่งเศสให้สร้างวงจรเรียงกระแสโซลิดสเตต และขอให้นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันช่วยพวกเขา พันธมิตรของศัตรูล่าสุดดังกล่าวอาจดูแปลก แต่ข้อตกลงนี้กลับกลายเป็นว่าค่อนข้างดีสำหรับทั้งสองฝ่าย ชาวฝรั่งเศสที่พ่ายแพ้ในปี 1940 ไม่มีความสามารถในการรับความรู้ในด้านเซมิคอนดักเตอร์ และพวกเขาต้องการทักษะของชาวเยอรมันอย่างมาก ชาวเยอรมันไม่สามารถดำเนินการพัฒนาในสาขาเทคโนโลยีขั้นสูงใดๆ ในประเทศที่ถูกยึดครองและเสียหายจากสงครามได้ ดังนั้นพวกเขาจึงรีบคว้าโอกาสที่จะทำงานต่อไป
Welker และ Mathare ตั้งสำนักงานใหญ่ในบ้านสองชั้นในย่านชานเมืองของปารีสที่ Aunes-sous-Bois และด้วยความช่วยเหลือจากทีมช่างเทคนิค พวกเขาประสบความสำเร็จในการเปิดตัวเครื่องเรียงกระแสเจอร์เมเนียมภายในสิ้นปี 1947 จากนั้นพวกเขาก็หันมาจริงจังมากขึ้น รางวัล: Welker กลับมาสนใจตัวนำยิ่งยวด และ Mathare กลับมาสนใจเครื่องขยายเสียง
เฮอร์เบิร์ต มาธาร์ ในปี 1950
ในช่วงสงคราม Mathare ทดลองใช้วงจรเรียงกระแสแบบสัมผัสสองจุด “ดูโอดีโอ” เพื่อลดสัญญาณรบกวนในวงจร เขาทำการทดลองต่อและไม่นานก็พบว่าหนวดแมวตัวที่สองซึ่งอยู่ห่างจากตัวแรก 1/100 ล้านเมตร บางครั้งสามารถปรับกระแสที่ไหลผ่านหนวดตัวแรกได้ เขาสร้างแอมพลิฟายเออร์โซลิดสเตตแม้ว่าจะค่อนข้างไร้ประโยชน์ก็ตาม เพื่อให้บรรลุประสิทธิภาพที่เชื่อถือได้มากขึ้น เขาจึงหันไปหา Welker ผู้มีประสบการณ์มากมายในการทำงานกับผลึกเจอร์เมเนียมในช่วงสงคราม ทีมงานของ Welker ขยายตัวอย่างผลึกเจอร์เมเนียมให้ใหญ่ขึ้นและบริสุทธิ์ยิ่งขึ้น และเมื่อคุณภาพของวัสดุดีขึ้น เครื่องขยายสัญญาณแบบสัมผัสจุด Mathare ก็เชื่อถือได้ภายในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 1948
ภาพเอ็กซ์เรย์ของ "ทรานซิสเตอร์ตรอน" ตามวงจรมาธาร์ ซึ่งมีจุดสัมผัสกับเจอร์เมเนียมสองจุด
มาธาร์ยังมีแบบจำลองทางทฤษฎีของสิ่งที่เกิดขึ้น เขาเชื่อว่าการสัมผัสครั้งที่สองทำให้เกิดรูในเจอร์เมเนียม ช่วยเร่งการไหลของกระแสผ่านการสัมผัสครั้งแรก และส่งประจุให้กับพาหะประจุส่วนน้อย เวลเกอร์ไม่เห็นด้วยกับเขา และเชื่อว่าสิ่งที่เกิดขึ้นขึ้นอยู่กับเอฟเฟกต์สนามแม่เหล็กบางประเภท อย่างไรก็ตาม ก่อนที่พวกเขาจะคิดอุปกรณ์หรือทฤษฎีได้ พวกเขาได้เรียนรู้ว่าชาวอเมริกันกลุ่มหนึ่งได้พัฒนาแนวคิดเดียวกันเป๊ะ นั่นคือเครื่องขยายสัญญาณเจอร์เมเนียมที่มีจุดสัมผัสสองจุด - เมื่อหกเดือนก่อน
เมอร์เรย์ ฮิลล์
ในช่วงสิ้นสุดของสงคราม Mervyn Kelly ได้ปฏิรูปกลุ่มวิจัยเซมิคอนดักเตอร์ของ Bell Labs ซึ่งนำโดย Bill Shockley โครงการเติบโตขึ้น ได้รับเงินทุนมากขึ้น และย้ายจากอาคารห้องปฏิบัติการเดิมในแมนฮัตตันไปยังวิทยาเขตที่กำลังขยายในเมอร์เรย์ฮิลล์ รัฐนิวเจอร์ซีย์
วิทยาเขตเมอร์เรย์ฮิลล์ รัฐแคลิฟอร์เนีย 1960
เพื่อทำความรู้จักกับเซมิคอนดักเตอร์ขั้นสูง (หลังจากทำงานวิจัยปฏิบัติการในช่วงสงคราม) Shockley ได้ไปเยี่ยมชมห้องปฏิบัติการ Holmdel ของ Russell Ohl ในฤดูใบไม้ผลิปี 1945 Ohl ใช้เวลาหลายปีในสงครามทำงานกับซิลิคอนและไม่เสียเวลาเลย เขาแสดงให้ Shockley เห็นว่ามีแอมพลิฟายเออร์หยาบๆ จากการก่อสร้างของเขาเอง ซึ่งเขาเรียกว่า "ผู้ทำลาย" เขาเอาวงจรเรียงกระแสแบบสัมผัสจุดซิลิคอนและส่งกระแสจากแบตเตอรี่ผ่านตัวมัน เห็นได้ชัดว่าความร้อนจากแบตเตอรี่ลดความต้านทานข้ามจุดสัมผัส และเปลี่ยนวงจรเรียงกระแสให้เป็นแอมพลิฟายเออร์ที่สามารถส่งสัญญาณวิทยุขาเข้าไปยังวงจรที่ทรงพลังพอที่จะจ่ายไฟให้กับลำโพง
ผลลัพธ์ที่ได้นั้นหยาบและไม่น่าเชื่อถือ ไม่เหมาะสำหรับการนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ อย่างไรก็ตาม ก็เพียงพอแล้วที่จะยืนยันความเห็นของ Shockley ว่าสามารถสร้างแอมพลิฟายเออร์เซมิคอนดักเตอร์ได้ และสิ่งนี้ควรให้ความสำคัญเป็นอันดับแรกสำหรับการวิจัยในสาขาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์โซลิดสเตต นอกจากนี้ การพบปะกับทีมงานของ Ola ในครั้งนี้ยังทำให้ Shockley เชื่อว่าควรศึกษาซิลิคอนและเจอร์เมเนียมก่อน พวกมันแสดงคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่น่าดึงดูด และ Jack Skaff และ Henry Theurer นักโลหะวิทยาของ Ohl ก็ประสบความสำเร็จอย่างน่าทึ่งในการเติบโต การทำให้บริสุทธิ์ และเติมคริสตัลเหล่านี้ในช่วงสงคราม ซึ่งเหนือกว่าเทคโนโลยีทั้งหมดที่มีอยู่สำหรับวัสดุเซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ กลุ่มของ Shockley จะไม่เสียเวลาอีกต่อไปกับเครื่องขยายเสียงคอปเปอร์ออกไซด์ก่อนสงคราม
ด้วยความช่วยเหลือของ Kelly Shockley จึงเริ่มรวบรวมทีมใหม่ ผู้เล่นหลัก ได้แก่ Walter Brattain ผู้ช่วย Shockley ในความพยายามครั้งแรกในการสร้างเครื่องขยายเสียงโซลิดสเตต (ในปี 1940) และ John Bardeen นักฟิสิกส์รุ่นเยาว์และพนักงานใหม่ของ Bell Labs Bardeen อาจมีความรู้กว้างขวางที่สุดเกี่ยวกับฟิสิกส์สถานะของแข็งของสมาชิกในทีม วิทยานิพนธ์ของเขาบรรยายถึงระดับพลังงานของอิเล็กตรอนในโครงสร้างของโลหะโซเดียม นอกจากนี้เขายังเป็นลูกบุญธรรมอีกคนหนึ่งของ John Hasbrouck Van Vleck เช่น Atanasov และ Brattain
และเช่นเดียวกับ Atanasov วิทยานิพนธ์ของ Bardeen และ Shockley จำเป็นต้องมีการคำนวณที่ซับซ้อนอย่างยิ่ง พวกเขาต้องใช้ทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมของเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งกำหนดโดย Alan Wilson เพื่อคำนวณโครงสร้างพลังงานของวัสดุโดยใช้เครื่องคิดเลขเดสก์ท็อปของ Monroe ด้วยการช่วยสร้างทรานซิสเตอร์ พวกเขามีส่วนช่วยนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาในอนาคตจากงานดังกล่าว
แนวทางแรกของ Shockley ในการใช้แอมพลิฟายเออร์โซลิดสเตตนั้นอาศัยสิ่งที่เรียกว่าในภายหลัง "". เขาแขวนแผ่นโลหะไว้เหนือเซมิคอนดักเตอร์ชนิด n (ที่มีประจุลบมากเกินไป) การใช้ประจุบวกกับแผ่นจะดึงอิเล็กตรอนส่วนเกินไปบนพื้นผิวของคริสตัล ทำให้เกิดกระแสประจุลบซึ่งกระแสไฟฟ้าสามารถไหลผ่านได้อย่างง่ายดาย สัญญาณที่ขยาย (แสดงโดยระดับประจุบนแผ่นเวเฟอร์) ในลักษณะนี้สามารถปรับวงจรหลักได้ (ส่งผ่านพื้นผิวของเซมิคอนดักเตอร์) ประสิทธิภาพของโครงการนี้ได้รับการเสนอแนะแก่เขาโดยความรู้ทางทฤษฎีของฟิสิกส์ แต่ถึงแม้จะมีการทดลองและการทดลองมากมาย แต่โครงการนี้ก็ไม่เคยได้ผล
ภายในเดือนมีนาคม พ.ศ. 1946 Bardeen ได้สร้างทฤษฎีที่ได้รับการพัฒนามาอย่างดีซึ่งอธิบายเหตุผลของสิ่งนี้: พื้นผิวของเซมิคอนดักเตอร์ในระดับควอนตัมมีพฤติกรรมแตกต่างจากภายใน ประจุลบที่ดึงลงสู่พื้นผิวจะติดอยู่ใน "สภาวะพื้นผิว" และปิดกั้นสนามไฟฟ้าไม่ให้ทะลุแผ่นเข้าไปในวัสดุ ทีมงานที่เหลือพบว่าการวิเคราะห์นี้น่าสนใจ และเปิดตัวโครงการวิจัยใหม่ตามสามเส้นทาง:
- พิสูจน์การมีอยู่ของสภาวะพื้นผิว
- ศึกษาคุณสมบัติของพวกเขา
- คิดหาวิธีเอาชนะพวกมันและทำให้มันได้ผล .
หลังจากใช้เวลาหนึ่งปีครึ่งของการวิจัยและการทดลอง ในวันที่ 17 พฤศจิกายน พ.ศ. 1947 Brattain ก็ประสบความสำเร็จ เขาค้นพบว่าถ้าเขาวางของเหลวที่เต็มไปด้วยไอออน เช่น น้ำ ระหว่างแผ่นเวเฟอร์กับเซมิคอนดักเตอร์ สนามไฟฟ้าจากแผ่นเวเฟอร์จะดันไอออนไปยังเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งพวกมันจะปรับประจุที่ติดอยู่ในสถานะพื้นผิวให้เป็นกลาง ตอนนี้เขาสามารถควบคุมพฤติกรรมทางไฟฟ้าของชิ้นส่วนซิลิคอนได้โดยการเปลี่ยนประจุบนแผ่นเวเฟอร์ ความสำเร็จนี้ทำให้ Bardeen มีแนวคิดสำหรับแนวทางใหม่ในการสร้างแอมพลิฟายเออร์: ล้อมจุดสัมผัสของวงจรเรียงกระแสด้วยน้ำอิเล็กโทรไลต์ จากนั้นใช้ลวดเส้นที่สองในน้ำเพื่อควบคุมสภาพพื้นผิว และควบคุมระดับการนำไฟฟ้าของวงจรหลัก ติดต่อ. Bardeen และ Brattain จึงมาถึงเส้นชัย
แนวคิดของ Bardeen ได้ผล แต่การขยายเสียงทำได้ไม่ดีนักและทำงานที่ความถี่ต่ำมากซึ่งหูของมนุษย์ไม่สามารถเข้าถึงได้ ดังนั้นจึงไม่มีประโยชน์ในฐานะเครื่องขยายเสียงโทรศัพท์หรือวิทยุ Bardeen แนะนำให้เปลี่ยนมาใช้เจอร์เมเนียมทนแรงดันย้อนกลับที่ผลิตที่ Purdue โดยเชื่อว่าประจุจะสะสมบนพื้นผิวน้อยลง ทันใดนั้นพวกเขาก็ได้รับการเพิ่มขึ้นอย่างทรงพลัง แต่ไปในทิศทางตรงกันข้ามกับที่คาดไว้ พวกเขาค้นพบผลกระทบของพาหะส่วนน้อย แทนที่จะเป็นอิเล็กตรอนที่คาดหวัง กระแสที่ไหลผ่านเจอร์เมเนียมถูกขยายโดยรูที่มาจากอิเล็กโทรไลต์ กระแสไฟฟ้าบนเส้นลวดในอิเล็กโทรไลต์ทำให้เกิดชั้นชนิด p (บริเวณที่มีประจุบวกมากเกินไป) บนพื้นผิวของเจอร์เมเนียมชนิด n
การทดลองต่อมาแสดงให้เห็นว่าไม่จำเป็นต้องใช้อิเล็กโทรไลต์เลย เพียงแค่วางจุดสัมผัสสองจุดไว้ใกล้กับพื้นผิวเจอร์เมเนียม ก็สามารถปรับกระแสจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งได้ เพื่อให้เข้าใกล้ที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ Brattain จึงพันแผ่นฟอยล์สีทองรอบแผ่นพลาสติกรูปสามเหลี่ยม จากนั้นค่อยตัดฟอยล์ที่ส่วนท้ายอย่างระมัดระวัง จากนั้นใช้สปริงกดสามเหลี่ยมกับเจอร์เมเนียมซึ่งเป็นผลมาจากการที่ขอบทั้งสองของการตัดสัมผัสกับพื้นผิวที่ระยะ 0,05 มม. สิ่งนี้ทำให้ต้นแบบทรานซิสเตอร์ของ Bell Labs มีรูปลักษณ์ที่โดดเด่น:
ต้นแบบทรานซิสเตอร์ Brattain และ Bardeen
เช่นเดียวกับอุปกรณ์ของ Mathare และ Welker โดยหลักการแล้ว มันเป็น "หนวดแมว" แบบคลาสสิก เพียงมีจุดสัมผัสสองจุดแทนที่จะเป็นจุดเดียว เมื่อวันที่ 16 ธันวาคม มีการเพิ่มกำลังและแรงดันไฟฟ้าอย่างมีนัยสำคัญ และมีความถี่ 1000 เฮิรตซ์ในช่วงเสียง หนึ่งสัปดาห์ต่อมา หลังจากการปรับปรุงเล็กน้อย Bardeen และ Brattain ได้เพิ่มแรงดันไฟฟ้า 100 เท่าและเพิ่มกำลัง 40 เท่า และแสดงให้ผู้กำกับของ Bell เห็นว่าอุปกรณ์ของพวกเขาสามารถสร้างเสียงพูดได้ John Pierce สมาชิกอีกคนของทีมพัฒนาโซลิดสเตต เป็นผู้บัญญัติคำว่า "ทรานซิสเตอร์" ตามชื่อวาริสเตอร์ของวงจรเรียงกระแสคอปเปอร์ออกไซด์ของเบลล์
ในอีกหกเดือนข้างหน้า ห้องทดลองได้เก็บสิ่งสร้างใหม่ไว้เป็นความลับ ฝ่ายบริหารต้องการให้แน่ใจว่าพวกเขามีความได้เปรียบในการจำหน่ายทรานซิสเตอร์ก่อนที่ใครจะได้ครอบครองมัน งานแถลงข่าวมีกำหนดในวันที่ 30 มิถุนายน พ.ศ. 1948 ทันเวลาที่จะทำลายความฝันความเป็นอมตะของเวลเกอร์และมาธาร์ ขณะเดียวกันกลุ่มวิจัยเซมิคอนดักเตอร์ก็ล่มสลายไปอย่างเงียบๆ หลังจากได้ยินเกี่ยวกับความสำเร็จของ Bardeen และ Brattain หัวหน้าของพวกเขา Bill Shockley ก็เริ่มทำงานเพื่อรับเครดิตทั้งหมดสำหรับตัวเขาเอง และแม้ว่าเขาจะมีบทบาทเพียงการสังเกตการณ์ แต่ Shockley ก็ได้รับการประชาสัมพันธ์ต่อสาธารณะอย่างเท่าเทียม ดังที่เห็นในภาพถ่ายของเขาที่ปล่อยออกมานี้ในระหว่างการกระทำที่เข้มข้น ถัดจากม้านั่งในห้องปฏิบัติการ:
ภาพประชาสัมพันธ์ปี 1948 - Bardeen, Shockley และ Brattain
อย่างไรก็ตามชื่อเสียงที่เท่าเทียมกันนั้นไม่เพียงพอสำหรับ Shockley และก่อนที่ใครก็ตามจากภายนอก Bell Labs จะรู้เกี่ยวกับทรานซิสเตอร์ เขาก็ยุ่งอยู่กับการคิดค้นทรานซิสเตอร์ขึ้นมาใหม่เพื่อตัวเขาเอง และนี่เป็นเพียงครั้งแรกจากการคิดค้นสิ่งใหม่ ๆ มากมาย
มีอะไรให้อ่านอีกบ้าง
- Robert Buderi สิ่งประดิษฐ์ที่เปลี่ยนโลก (1996)
- Michael Riordan, "ยุโรปพลาดทรานซิสเตอร์ได้อย่างไร" IEEE Spectrum (1 พ.ย. 2005)
- ไมเคิล ไรออร์แดน และลิเลียน ฮอดเดสัน, Crystal Fire (1997)
- Armand Van Dormael, “ทรานซิสเตอร์ 'ฝรั่งเศส'” (1994)
ที่มา: will.com