บทความอื่น ๆ ในซีรีส์:
- ประวัติการถ่ายทอด
- ประวัติคอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์
- ประวัติของทรานซิสเตอร์
- ประวัติอินเทอร์เน็ต
เส้นทางสู่สวิตช์โซลิดสเตตนั้นยาวนานและยากลำบาก เริ่มต้นด้วยการค้นพบว่าวัสดุบางชนิดมีพฤติกรรมแปลก ๆ เมื่อมีไฟฟ้า - ไม่ใช่อย่างที่ทฤษฎีที่มีอยู่ในขณะนั้นทำนายไว้ สิ่งที่ตามมาคือเรื่องราวของการที่เทคโนโลยีกลายเป็นระเบียบวินัยทางวิทยาศาสตร์และสถาบันที่เพิ่มมากขึ้นในศตวรรษที่ 20 มือสมัครเล่น สามเณร และนักประดิษฐ์มืออาชีพที่ไม่มีการศึกษาทางวิทยาศาสตร์มีส่วนสนับสนุนอย่างจริงจังในการพัฒนาโทรเลข โทรศัพท์ และวิทยุ แต่อย่างที่เราเห็น ความก้าวหน้าเกือบทั้งหมดในประวัติศาสตร์ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์โซลิดสเตตมาจากนักวิทยาศาสตร์ที่ศึกษาในมหาวิทยาลัย (และมักจะจบปริญญาเอกสาขาฟิสิกส์) และทำงานในมหาวิทยาลัยหรือห้องปฏิบัติการวิจัยขององค์กร
ทุกคนที่สามารถเข้าถึงเวิร์คช็อปและมีทักษะด้านวัสดุพื้นฐานสามารถประกอบรีเลย์จากสายไฟ โลหะ และไม้ได้ การสร้างหลอดสุญญากาศต้องใช้เครื่องมือพิเศษเพิ่มเติมที่สามารถสร้างหลอดแก้วและสูบลมออกจากหลอดได้ อุปกรณ์โซลิดสเตตหายไปจากหลุมกระต่ายโดยที่สวิตช์ดิจิทัลไม่เคยกลับมาอีก และดำดิ่งลึกเข้าไปในโลกที่เข้าใจได้เฉพาะในคณิตศาสตร์เชิงนามธรรมเท่านั้น และเข้าถึงได้โดยใช้อุปกรณ์ที่มีราคาแพงมากเท่านั้น
Galena
ใน 1874 ปี , นักฟิสิกส์วัย 24 ปีจากเมืองเซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก โทมัสในเมืองไลพ์ซิก ตีพิมพ์ผลงานทางวิทยาศาสตร์ที่สำคัญชิ้นแรกในอาชีพการงานอันยาวนานของเขา บทความเรื่อง "On the Passage of Electric Currents Through Metal Sulfides" ได้รับการยอมรับใน Annalen ของ Pogendorff ซึ่งเป็นวารสารอันทรงเกียรติที่อุทิศให้กับวิทยาศาสตร์กายภาพ แม้จะมีชื่อที่น่าเบื่อ แต่รายงานของ Brown ก็บรรยายถึงผลการทดลองที่น่าประหลาดใจและน่าสงสัยบางประการ
เฟอร์ดินันด์ บราวน์
บราวน์เริ่มสนใจซัลไฟด์ ซึ่งเป็นผลึกแร่ที่ประกอบด้วยสารประกอบซัลเฟอร์กับโลหะ โดยผ่านงานของเขา . ในช่วงต้นปี 1833 Michael Faraday ตั้งข้อสังเกตว่าค่าการนำไฟฟ้าของซิลเวอร์ซัลไฟด์จะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิ ซึ่งตรงกันข้ามกับพฤติกรรมของตัวนำโลหะทุกประการ ฮิตทอร์ฟได้รวบรวมรายงานเชิงปริมาณอย่างละเอียดเกี่ยวกับการวัดผลกระทบนี้ในช่วงทศวรรษปี 1850 สำหรับทั้งเงินและคอปเปอร์ซัลไฟด์ ตอนนี้ บราวน์ใช้การตั้งค่าการทดลองอันชาญฉลาดโดยกดลวดโลหะเข้ากับคริสตัลซัลไฟด์ด้วยสปริงเพื่อให้แน่ใจว่ามีการสัมผัสกันที่ดี ได้ค้นพบบางสิ่งที่แปลกยิ่งกว่านั้นอีก ค่าการนำไฟฟ้าของคริสตัลขึ้นอยู่กับทิศทาง - ตัวอย่างเช่น กระแสไฟฟ้าสามารถไหลได้ดีในทิศทางเดียว แต่เมื่อขั้วของแบตเตอรี่กลับด้าน กระแสไฟฟ้าอาจลดลงอย่างรวดเร็วในทันที คริสตัลทำหน้าที่เหมือนตัวนำในทิศทางเดียว (เหมือนโลหะปกติ) และเหมือนฉนวนในอีกทิศทางหนึ่ง (เช่น แก้วหรือยาง) คุณสมบัตินี้กลายเป็นที่รู้จักในชื่อ การแก้ไข เนื่องจากความสามารถในการยืดกระแสสลับ "จีบ" ให้ตรงเป็นกระแสตรง "แบน"
ในเวลาเดียวกัน นักวิจัยได้ค้นพบคุณสมบัติแปลกๆ อื่นๆ ของวัสดุ เช่น ซีลีเนียม ซึ่งสามารถถลุงได้จากแร่โลหะซัลไฟด์บางชนิด เมื่อสัมผัสกับแสง ซีลีเนียมจะเพิ่มการนำไฟฟ้า และเริ่มผลิตกระแสไฟฟ้าได้ และยังสามารถใช้เพื่อแก้ไขได้อีกด้วย มีความเกี่ยวข้องกับผลึกซัลไฟด์บ้างไหม? หากไม่มีแบบจำลองทางทฤษฎีมาอธิบายสิ่งที่เกิดขึ้น สนามนี้ก็ตกอยู่ในภาวะสับสน
อย่างไรก็ตาม การขาดทฤษฎีไม่ได้หยุดความพยายามที่จะนำผลลัพธ์ไปใช้ในทางปฏิบัติ ในช่วงปลายทศวรรษที่ 1890 บราวน์กลายเป็นศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยสตราสบูร์ก ซึ่งเพิ่งถูกผนวกจากฝรั่งเศสในช่วง และเปลี่ยนชื่อเป็นมหาวิทยาลัยไกเซอร์ วิลเฮล์ม ที่นั่นเขาถูกดูดเข้าสู่โลกใหม่อันน่าตื่นเต้นของวิทยุโทรเลข ตนเห็นชอบข้อเสนอจากกลุ่มผู้ประกอบการเพื่อร่วมกันสร้างระบบสื่อสารไร้สายโดยอาศัยการส่งคลื่นวิทยุผ่านน้ำ อย่างไรก็ตาม ในไม่ช้าเขาและผู้สมรู้ร่วมคิดก็ละทิ้งแนวคิดดั้งเดิมและหันไปสนับสนุนการส่งสัญญาณทางอากาศ ซึ่งมาร์โคนีและคนอื่นๆ ใช้
แง่มุมต่างๆ ของวิทยุที่กลุ่มของ Brown พยายามปรับปรุงก็คือเครื่องรับมาตรฐานในขณะนั้น . โดยอาศัยข้อเท็จจริงที่ว่าคลื่นวิทยุทำให้ตะไบโลหะจับตัวกันเป็นก้อน ทำให้กระแสจากแบตเตอรี่ไหลผ่านไปยังอุปกรณ์ส่งสัญญาณได้ มันใช้งานได้ แต่ระบบตอบสนองต่อสัญญาณที่ค่อนข้างแรงเท่านั้น และจำเป็นต้องทุบอุปกรณ์อย่างต่อเนื่องเพื่อแยกก้อนขี้เลื่อยออก บราวน์จำการทดลองเก่าๆ ของเขากับผลึกซัลไฟด์ได้ และในปี พ.ศ. 1899 เขาได้จำลองการทดลองเก่าๆ ขึ้นมาใหม่โดยมีวัตถุประสงค์ใหม่ นั่นคือเพื่อใช้เป็นเครื่องตรวจจับสัญญาณไร้สาย เขาใช้เอฟเฟกต์การแก้ไขเพื่อแปลงกระแสสั่นเล็กๆ ที่สร้างขึ้นโดยการส่งคลื่นวิทยุให้เป็นกระแสตรงที่สามารถจ่ายพลังงานให้กับลำโพงขนาดเล็กที่ทำให้เกิดเสียงคลิกสำหรับแต่ละจุดหรือเส้นประ อุปกรณ์นี้ต่อมาได้ชื่อว่า "“เนื่องจากลักษณะของลวดซึ่งสัมผัสด้านบนของคริสตัลได้ง่าย ในบริติชอินเดีย (ซึ่งบังคลาเทศตั้งอยู่ในปัจจุบัน) นักวิทยาศาสตร์และนักประดิษฐ์ Jagadish Bose ได้สร้างอุปกรณ์ที่คล้ายกัน ซึ่งอาจเกิดขึ้นในช่วงต้นปี 1894 ในไม่ช้า คนอื่นๆ ก็เริ่มสร้างเครื่องตรวจจับที่คล้ายกันโดยใช้ซิลิคอนและคาร์บอรันดัม (ซิลิคอนคาร์ไบด์)
อย่างไรก็ตามมันเป็น , ตะกั่วซัลไฟด์ ซึ่งได้รับการถลุงเพื่อผลิตตะกั่วมาตั้งแต่สมัยโบราณ ได้กลายเป็นวัสดุที่เลือกใช้สำหรับเครื่องตรวจจับคริสตัล ทำง่ายและราคาถูก และด้วยเหตุนี้จึงได้รับความนิยมอย่างไม่น่าเชื่อในหมู่นักวิทยุสมัครเล่นยุคแรกๆ ยิ่งไปกว่านั้น ไม่เหมือนกับเครื่องเชื่อมโยงแบบไบนารี (ที่มีขี้เลื่อยจับกันเป็นก้อนหรือไม่ก็ตาม) วงจรเรียงกระแสแบบผลึกสามารถสร้างสัญญาณต่อเนื่องได้ ดังนั้น เขาจึงสามารถผลิตเสียงและเสียงดนตรีที่ได้ยินทางหู ไม่ใช่แค่รหัสมอร์สที่มีจุดและขีดกลางเท่านั้น
เครื่องตรวจจับหนวดแมวตามกาลีนา ลวดชิ้นเล็กๆ ทางด้านซ้ายคือหนวดเครา และชิ้นส่วนสีเงินที่อยู่ด้านล่างคือคริสตัลกาลีนา
อย่างไรก็ตาม ตามที่นักวิทยุสมัครเล่นที่หงุดหงิดค้นพบในไม่ช้า อาจต้องใช้เวลาหลายนาทีหรือหลายชั่วโมงเพื่อค้นหาจุดมหัศจรรย์บนพื้นผิวของคริสตัลที่จะแก้ไขได้ดี และสัญญาณที่ไม่มีการขยายเสียงจะอ่อนและมีเสียงเป็นโลหะ ในช่วงทศวรรษที่ 1920 ตัวรับหลอดสุญญากาศที่มีแอมพลิฟายเออร์แบบไตรโอดทำให้เครื่องตรวจจับคริสตัลล้าสมัยไปเกือบทุกที่ คุณลักษณะที่น่าสนใจเพียงอย่างเดียวของพวกเขาคือความเลว
การปรากฏตัวสั้นๆ ในเวทีวิทยุนี้ดูเหมือนจะเป็นข้อจำกัดของการประยุกต์ใช้คุณสมบัติทางไฟฟ้าแปลกๆ ของวัสดุที่ค้นพบโดยบราวน์และคนอื่นๆ ในทางปฏิบัติ
คอปเปอร์ออกไซด์
จากนั้นในปี ค.ศ. 1920 นักฟิสิกส์อีกคนชื่อลาร์ส กรอนดาห์ล ค้นพบสิ่งแปลก ๆ ในการทดลองของเขา กรอนดาห์ล ชายกลุ่มแรกที่ฉลาดและกระสับกระส่ายในประวัติศาสตร์ของอเมริกาตะวันตก เป็นบุตรชายของวิศวกรโยธา พ่อของเขาซึ่งอพยพมาจากนอร์เวย์ในปี พ.ศ. 1880 ทำงานด้านการรถไฟในแคลิฟอร์เนีย ออริกอน และวอชิงตันมาหลายสิบปี ในตอนแรก กรอนดาห์ลดูเหมือนตั้งใจแน่วแน่ที่จะละทิ้งโลกวิศวกรรมของบิดาไว้เบื้องหลัง โดยไปเรียนต่อที่ Johns Hopkins เพื่อรับปริญญาเอกสาขาฟิสิกส์เพื่อมุ่งสู่เส้นทางวิชาการ แต่แล้วเขาก็เข้ามามีส่วนร่วมในธุรกิจรถไฟและเข้ารับตำแหน่งผู้อำนวยการฝ่ายวิจัยที่ Union Switch and Signal ซึ่งเป็นแผนกหนึ่งของยักษ์ใหญ่ด้านอุตสาหกรรม ซึ่งจัดหาอุปกรณ์สำหรับอุตสาหกรรมการรถไฟ
แหล่งที่มาต่างๆ ระบุเหตุผลที่ขัดแย้งกันสำหรับแรงจูงใจของ Grondahl สำหรับการวิจัยของเขา แต่อย่างไรก็ตาม เขาเริ่มทดลองโดยใช้แผ่นทองแดงที่ให้ความร้อนด้านหนึ่งเพื่อสร้างชั้นออกซิไดซ์ ในขณะที่ทำงานร่วมกับพวกเขา เขาสังเกตเห็นความไม่สมดุลของกระแส - ความต้านทานในทิศทางหนึ่งมากกว่าในทิศทางอื่นถึงสามเท่า แผ่นทองแดงและคอปเปอร์ออกไซด์แก้ไขกระแสได้ เช่นเดียวกับคริสตัลซัลไฟด์
วงจรเรียงกระแสคอปเปอร์ออกไซด์
Grondahl ใช้เวลาหกปีข้างหน้าในการพัฒนาเครื่องเรียงกระแสเชิงพาณิชย์ที่พร้อมใช้งานโดยอาศัยปรากฏการณ์นี้ โดยขอความช่วยเหลือจาก Paul Geiger นักวิจัยชาวสหรัฐอเมริกาอีกคน ก่อนที่จะยื่นคำขอรับสิทธิบัตรและประกาศการค้นพบของเขาต่อ American Physical Society ในปี 1926 อุปกรณ์ดังกล่าว กลายเป็นเพลงฮิตในเชิงพาณิชย์ทันที เนื่องจากไม่มีเส้นใยที่เปราะบาง จึงเชื่อถือได้มากกว่าวงจรเรียงกระแสหลอดสุญญากาศตามหลักการของวาล์วเฟลมมิงมาก และมีราคาถูกกว่าในการผลิต ต่างจากคริสตัลเรกติฟายเออร์สีน้ำตาลตรงที่ได้ผลในการลองครั้งแรก และเนื่องจากพื้นที่สัมผัสที่ใหญ่กว่าระหว่างโลหะกับออกไซด์ จึงทำงานกับกระแสและแรงดันไฟฟ้าได้หลากหลายกว่า มันสามารถชาร์จแบตเตอรี่ ตรวจจับสัญญาณในระบบไฟฟ้าต่างๆ และทำหน้าที่เป็นตัวแยกความปลอดภัยในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ทรงพลัง เมื่อใช้เป็นตาแมว จานสามารถทำหน้าที่เป็นตัววัดแสง และมีประโยชน์อย่างยิ่งในการถ่ายภาพ นักวิจัยคนอื่นๆ ในเวลาเดียวกันก็ได้พัฒนาตัวเรียงกระแสซีลีเนียมซึ่งพบการใช้งานที่คล้ายคลึงกัน
ชุดวงจรเรียงกระแสที่มีคอปเปอร์ออกไซด์ การประกอบดิสก์หลายแผ่นเพิ่มความต้านทานย้อนกลับซึ่งทำให้สามารถใช้งานได้กับไฟฟ้าแรงสูง
ไม่กี่ปีต่อมา นักฟิสิกส์ของ Bell Labs สองคนคือ Joseph Becker และ ตัดสินใจศึกษาหลักการทำงานของวงจรเรียงกระแสทองแดง - พวกเขาสนใจที่จะเรียนรู้วิธีการทำงานและการใช้งานที่ระบบเบลล์ได้อย่างไร
Brattain ในวัยชรา - ประมาณ 1950
Brattain มาจากพื้นที่เดียวกับ Grondal ในแปซิฟิกตะวันตกเฉียงเหนือ ซึ่งเขาเติบโตในฟาร์มแห่งหนึ่งห่างจากชายแดนแคนาดาไม่กี่กิโลเมตร ในโรงเรียนมัธยมปลาย เขาเริ่มสนใจวิชาฟิสิกส์ โดยแสดงความถนัดในสาขานี้ และในที่สุดก็ได้รับปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยมินนิโซตาในช่วงปลายทศวรรษปี ค.ศ. 1920 และเข้าทำงานที่ Bell Laboratories ในปี พ.ศ. 1929 เหนือสิ่งอื่นใดคือที่มหาวิทยาลัยที่เขาศึกษา ฟิสิกส์เชิงทฤษฎีล่าสุด ซึ่งกำลังได้รับความนิยมในยุโรป และเป็นที่รู้จักในนามกลศาสตร์ควอนตัม (ภัณฑารักษ์ของมันคือ ซึ่งเป็นที่ปรึกษาของ John Atanasoff ด้วย)
การปฏิวัติควอนตัม
แพลตฟอร์มทางทฤษฎีใหม่ได้รับการพัฒนาอย่างช้าๆ ในช่วงสามทศวรรษที่ผ่านมา และในเวลาที่เหมาะสม จะสามารถอธิบายปรากฏการณ์แปลกๆ ทั้งหมดที่สังเกตพบมานานหลายปีในวัสดุ เช่น กาลีนา ซีลีเนียม และคอปเปอร์ออกไซด์ กลุ่มนักฟิสิกส์รุ่นเยาว์ส่วนใหญ่มาจากเยอรมนีและประเทศเพื่อนบ้าน ทำให้เกิดการปฏิวัติควอนตัมในวิชาฟิสิกส์ ทุกที่ที่พวกเขามอง พวกเขาไม่ได้พบกับโลกที่ราบรื่นและต่อเนื่องที่พวกเขาได้รับการสอน แต่เป็นก้อนที่แปลกประหลาดและแยกจากกัน
ทุกอย่างเริ่มต้นในปี 1890 Max Planck ศาสตราจารย์ชื่อดังแห่งมหาวิทยาลัยเบอร์ลิน ตัดสินใจทำงานกับปัญหาที่ยังไม่ได้รับการแก้ไขซึ่งเป็นที่รู้จัก: อย่างไร ““(สารในอุดมคติที่ดูดซับพลังงานทั้งหมดแต่ไม่สะท้อนแสง) ปล่อยรังสีออกมาในสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า? มีการลองใช้โมเดลต่างๆ มากมาย ซึ่งไม่มีโมเดลใดที่ตรงกับผลการทดลอง แต่ล้มเหลวที่ปลายด้านใดด้านหนึ่งของสเปกตรัม พลังค์ค้นพบว่าถ้าเราสมมติว่าพลังงานถูกปล่อยออกมาจากวัตถุใน "แพ็กเก็ต" ขนาดเล็กที่มีปริมาณไม่ต่อเนื่องกัน เราก็สามารถเขียนกฎง่ายๆ ของความสัมพันธ์ระหว่างความถี่และพลังงานได้ ซึ่งตรงกับผลลัพธ์เชิงประจักษ์อย่างสมบูรณ์แบบ
หลังจากนั้นไม่นาน ไอน์สไตน์ค้นพบว่าสิ่งเดียวกันนี้เกิดขึ้นกับการดูดกลืนแสง (สัญญาณแรกของโฟตอน) และเจ. เจ. ทอมสันแสดงให้เห็นว่าไฟฟ้าไม่ได้ถูกพาไปด้วยของเหลวหรือคลื่นต่อเนื่อง แต่โดยอนุภาคที่แยกจากกัน - อิเล็กตรอน จากนั้น นีลส์ บอร์ได้สร้างแบบจำลองเพื่ออธิบายว่าอะตอมที่ถูกกระตุ้นปล่อยรังสีอย่างไรโดยการกำหนดอิเล็กตรอนให้กับวงโคจรแต่ละตัวในอะตอม โดยแต่ละตัวมีพลังงานในตัวเอง อย่างไรก็ตาม ชื่อนี้ทำให้เข้าใจผิดเนื่องจากพวกมันไม่มีพฤติกรรมเหมือนวงโคจรของดาวเคราะห์เลย ในแบบจำลองของบอร์ อิเล็กตรอนจะกระโดดจากวงโคจรหนึ่งหรือระดับพลังงานไปยังอีกวงโคจรทันที โดยไม่ผ่านสถานะกลาง ในที่สุด ในช่วงทศวรรษที่ 1920 Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Born และคนอื่นๆ ได้สร้างแพลตฟอร์มทางคณิตศาสตร์ทั่วไปที่เรียกว่ากลศาสตร์ควอนตัม โดยผสมผสานแบบจำลองควอนตัมพิเศษทั้งหมดที่ถูกสร้างขึ้นในช่วงยี่สิบปีที่ผ่านมา
มาถึงตอนนี้ นักฟิสิกส์มั่นใจแล้วว่าวัสดุ เช่น ซีลีเนียมและกาลีนา ซึ่งแสดงคุณสมบัติด้านไฟฟ้าโซลาร์เซลล์และการแก้ไข นั้นเป็นวัสดุประเภทหนึ่งที่แยกจากกัน ซึ่งพวกเขาเรียกว่าเซมิคอนดักเตอร์ การจำแนกประเภทใช้เวลานานมากด้วยเหตุผลหลายประการ ประการแรก หมวดหมู่ "ตัวนำ" และ "ฉนวน" นั้นค่อนข้างกว้าง ที.เอ็น. “ตัวนำ” มีความแปรผันอย่างมากในด้านการนำไฟฟ้า และเช่นเดียวกัน (ในระดับที่น้อยกว่า) ก็เป็นเรื่องจริงสำหรับฉนวน และไม่ชัดเจนว่าตัวนำใดโดยเฉพาะสามารถจำแนกออกเป็นประเภทใดประเภทหนึ่งเหล่านี้ได้อย่างไร ยิ่งไปกว่านั้น จนถึงกลางศตวรรษที่ 20 ยังเป็นไปไม่ได้เลยที่จะได้รับหรือสร้างสารที่บริสุทธิ์มาก และความแปลกประหลาดใดๆ ในการนำไฟฟ้าของวัสดุธรรมชาติก็อาจเกิดจากการปนเปื้อนได้เสมอ
ปัจจุบันนักฟิสิกส์มีทั้งเครื่องมือทางคณิตศาสตร์ของกลศาสตร์ควอนตัมและวัสดุประเภทใหม่ที่สามารถนำไปใช้ได้ นักทฤษฎีชาวอังกฤษ เป็นคนแรกที่รวบรวมทั้งหมดเข้าด้วยกันและสร้างแบบจำลองทั่วไปของเซมิคอนดักเตอร์และวิธีการทำงานในปี 1931
ในตอนแรก วิลสันแย้งว่าวัสดุที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าแตกต่างจากไดอิเล็กทริกในสถานะของแถบพลังงาน กลศาสตร์ควอนตัมระบุว่าอิเล็กตรอนสามารถดำรงอยู่ได้ในระดับพลังงานจำนวนจำกัดที่พบในเปลือกหรือวงโคจรของแต่ละอะตอม หากคุณบีบอะตอมเหล่านี้เข้าด้วยกันในโครงสร้างของวัสดุ มันจะถูกต้องมากกว่าถ้าจินตนาการถึงโซนพลังงานต่อเนื่องที่ไหลผ่านอะตอมนั้น มีช่องว่างในตัวนำในแถบพลังงานสูง และสนามไฟฟ้าสามารถเคลื่อนอิเล็กตรอนไปที่นั่นได้อย่างอิสระ ในฉนวน โซนต่างๆ จะถูกเติมเต็ม และต้องใช้การไต่เขาค่อนข้างนานเพื่อไปถึงโซนนำไฟฟ้าที่สูงขึ้น ซึ่งทำให้ไฟฟ้าเดินทางผ่านได้ง่ายกว่า
สิ่งนี้ทำให้เขาได้ข้อสรุปว่าสิ่งเจือปน (อะตอมจากภายนอกในโครงสร้างของวัสดุ) จะต้องมีส่วนทำให้เกิดคุณสมบัติของเซมิคอนดักเตอร์ พวกมันสามารถจ่ายอิเล็กตรอนเพิ่มเติมซึ่งหลุดเข้าไปในแถบการนำไฟฟ้าได้ง่าย หรือเป็นรู (การขาดอิเล็กตรอนเมื่อเทียบกับส่วนที่เหลือของวัสดุ) ซึ่งสร้างช่องว่างพลังงานว่างเปล่าที่อิเล็กตรอนอิสระสามารถเคลื่อนที่ได้ ตัวเลือกแรกถูกเรียกว่าเซมิคอนดักเตอร์ชนิด n (หรืออิเล็กทรอนิกส์) ในภายหลังเนื่องจากมีประจุลบส่วนเกินและตัวที่สอง - ชนิด p หรือเซมิคอนดักเตอร์แบบรูเนื่องจากมีประจุบวกมากเกินไป
ในที่สุด Wilson เสนอว่าการแก้ไขในปัจจุบันโดยเซมิคอนดักเตอร์สามารถอธิบายได้ในรูปควอนตัมควอนตัม เป็นการกระโดดอย่างกะทันหันของอิเล็กตรอนข้ามสิ่งกีดขวางทางไฟฟ้าบาง ๆ ในวัสดุ ทฤษฎีนี้ดูเป็นไปได้ แต่คาดการณ์ว่าในตัวเรียงกระแส กระแสควรไหลจากออกไซด์ไปยังทองแดง แม้ว่าในความเป็นจริงจะเป็นตรงกันข้ามก็ตาม
ดังนั้น แม้ว่า Wilson จะก้าวหน้าไปมาก แต่เซมิคอนดักเตอร์ก็ยังคงอธิบายได้ยาก เมื่อค่อยๆ ชัดเจนขึ้น การเปลี่ยนแปลงด้วยกล้องจุลทรรศน์ในโครงสร้างผลึกและความเข้มข้นของสิ่งเจือปนส่งผลต่อพฤติกรรมทางไฟฟ้าในระดับมหภาคอย่างไม่เป็นสัดส่วน โดยไม่สนใจการขาดความเข้าใจ เนื่องจากไม่มีใครสามารถอธิบายข้อสังเกตเชิงทดลองที่ทำโดย Brown เมื่อ 60 ปีก่อนได้ Brattain และ Becker ได้พัฒนากระบวนการผลิตที่มีประสิทธิภาพสำหรับตัวเรียงกระแสคอปเปอร์ออกไซด์สำหรับนายจ้างของพวกเขา ระบบเบลล์เริ่มเปลี่ยนวงจรเรียงกระแสหลอดสุญญากาศทั่วทั้งระบบอย่างรวดเร็วด้วยอุปกรณ์ใหม่ที่วิศวกรของพวกเขาเรียก เนื่องจากความต้านทานของมันแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับทิศทาง
เหรียญทอง
Mervyn Kelly นักฟิสิกส์และอดีตหัวหน้าแผนกหลอดสุญญากาศของ Bell Labs เริ่มสนใจการพัฒนานี้มาก ในช่วงสองทศวรรษที่ผ่านมา หลอดสุญญากาศให้บริการอันล้ำค่าแก่ Bell และสามารถทำหน้าที่ต่างๆ ที่ไม่สามารถทำได้ในส่วนประกอบทางกลและระบบเครื่องกลไฟฟ้ารุ่นก่อนหน้า แต่พวกมันร้อนจัด ร้อนเกินไปเป็นประจำ ใช้พลังงานมาก และบำรุงรักษาได้ยาก Kelly ตั้งใจที่จะสร้างระบบของ Bell ขึ้นใหม่ด้วยส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์โซลิดสเตตที่เชื่อถือได้และทนทานมากขึ้น เช่น วาริสเตอร์ ซึ่งไม่จำเป็นต้องใช้กล่องที่ปิดสนิท เติมแก๊ส หรือว่างเปล่า หรือไส้หลอดร้อน ในปี 1936 เขาได้เป็นหัวหน้าแผนกวิจัยของ Bell Labs และเริ่มเปลี่ยนเส้นทางองค์กรไปในเส้นทางใหม่
หลังจากได้รับวงจรเรียงกระแสโซลิดสเตตแล้ว ขั้นตอนต่อไปที่ชัดเจนคือการสร้างแอมพลิฟายเออร์โซลิดสเตต โดยธรรมชาติแล้ว เช่นเดียวกับแอมพลิฟายเออร์แบบหลอด อุปกรณ์ดังกล่าวก็สามารถทำงานเป็นสวิตช์ดิจิทัลได้เช่นกัน สิ่งนี้เป็นที่สนใจของบริษัทของ Bell เป็นพิเศษ เนื่องจากสวิตช์โทรศัพท์ยังคงใช้สวิตช์ดิจิทัลระบบเครื่องกลไฟฟ้าจำนวนมาก บริษัทกำลังมองหาอุปกรณ์ทดแทนหลอดสุญญากาศในระบบโทรศัพท์ วิทยุ เรดาร์ และอุปกรณ์อะนาล็อกอื่นๆ ที่เชื่อถือได้ มีขนาดเล็กกว่า ประหยัดพลังงาน และเย็นกว่า โดยจะใช้เพื่อขยายสัญญาณอ่อนให้อยู่ในระดับที่หูของมนุษย์ได้ยิน
ในปีพ.ศ. 1936 ในที่สุด Bell Laboratories ก็ยกเลิกการหยุดจ้างงานที่เกิดขึ้นในระหว่างนั้นในที่สุด . Kelly เริ่มรับสมัครผู้เชี่ยวชาญด้านกลศาสตร์ควอนตัมทันทีเพื่อช่วยเปิดตัวโครงการวิจัยโซลิดสเตตของเขา ซึ่งรวมถึง ซึ่งเป็นชาวชายฝั่งตะวันตกอีกคนหนึ่งจากเมืองพาโลอัลโต รัฐแคลิฟอร์เนีย หัวข้อวิทยานิพนธ์ของ MIT ล่าสุดของเขาเหมาะสมกับความต้องการของ Kelly อย่างยิ่ง: "แถบอิเล็กตรอนในโซเดียมคลอไรด์"
Brattain และ Becker ยังคงค้นคว้าเกี่ยวกับวงจรเรียงกระแสคอปเปอร์ออกไซด์ในช่วงเวลานี้ โดยมองหาเครื่องขยายสัญญาณโซลิดสเตตที่ได้รับการปรับปรุง วิธีที่ชัดเจนที่สุดก็คือทำตามความคล้ายคลึงกับหลอดสุญญากาศ เช่นเดียวกับที่ Lee de Forest เอาแอมป์หลอดมาและ ระหว่างแคโทดกับแอโนด และ Brattain และ Becker จินตนาการว่าจะสามารถสอดตาข่ายที่จุดเชื่อมต่อของทองแดงและคอปเปอร์ออกไซด์ได้อย่างไร ซึ่งควรจะเกิดการแก้ไข อย่างไรก็ตาม เนื่องจากชั้นมีความหนาเพียงเล็กน้อย พวกเขาพบว่ามันเป็นไปไม่ได้ที่จะทำเช่นนี้ และไม่ประสบความสำเร็จในเรื่องนี้
ในขณะเดียวกัน การพัฒนาอื่นๆ แสดงให้เห็นว่า Bell Labs ไม่ใช่บริษัทเดียวที่สนใจอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์โซลิดสเตต ในปี 1938 Rudolf Hilsch และ Robert Pohl ตีพิมพ์ผลการทดลองที่มหาวิทยาลัย Göttingen กับเครื่องขยายสัญญาณโซลิดสเตตที่ใช้งานได้ซึ่งสร้างขึ้นโดยการนำกริดเข้าไปในผลึกโพแทสเซียมโบรไมด์ อุปกรณ์ห้องปฏิบัติการนี้ไม่มีคุณค่าในทางปฏิบัติ สาเหตุหลักมาจากอุปกรณ์ทำงานที่ความถี่ไม่เกิน 1 เฮิรตซ์ ถึงกระนั้นความสำเร็จนี้ก็ไม่สามารถทำให้ทุกคนที่สนใจอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์โซลิดสเตตพอใจได้ ในปีเดียวกันนั้นเอง Kelly มอบหมายให้ Shockley ทำงานกับกลุ่มวิจัยอุปกรณ์โซลิดสเตตอิสระกลุ่มใหม่ และมอบหมายให้เขาและเพื่อนร่วมงาน Foster Nix และ Dean Woolridge carte blanche สำรวจความสามารถของพวกเขา
นักประดิษฐ์อีกอย่างน้อยสองคนสามารถสร้างแอมพลิฟายเออร์โซลิดสเตตได้ก่อนสงครามโลกครั้งที่สอง ในปี 1922 นักฟิสิกส์และนักประดิษฐ์ชาวโซเวียต เผยแพร่ผลการทดลองที่ประสบความสำเร็จกับเซมิคอนดักเตอร์ซิงค์ไซต์ แต่งานของเขาไม่มีใครสังเกตเห็นจากชุมชนตะวันตก ในปี 1926 นักประดิษฐ์ชาวอเมริกัน Julius Lillenfield ได้ยื่นขอสิทธิบัตรสำหรับเครื่องขยายเสียงโซลิดสเตต แต่ไม่มีหลักฐานว่าสิ่งประดิษฐ์ของเขาได้ผล
ความเข้าใจหลักครั้งแรกของ Shockley ในตำแหน่งใหม่ของเขาเกิดขึ้นในขณะที่อ่านงานของนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ Neville Moth ในปี 1938 เรื่อง Theory of Crystalline Rectifiers ซึ่งในที่สุดก็ได้อธิบายหลักการทำงานของ Grondahl copper ออกไซด์ Rectifier มอตต์ใช้คณิตศาสตร์ของกลศาสตร์ควอนตัมเพื่ออธิบายการก่อตัวของสนามไฟฟ้าที่จุดเชื่อมต่อของโลหะนำไฟฟ้าและออกไซด์ของสารกึ่งตัวนำ และวิธีที่อิเล็กตรอน "กระโดด" เหนือสิ่งกีดขวางไฟฟ้านี้ แทนที่จะทำการขุดอุโมงค์ตามที่วิลสันเสนอ กระแสไฟฟ้าไหลจากโลหะไปยังเซมิคอนดักเตอร์ได้ง่ายกว่าในทางกลับกัน เนื่องจากโลหะมีอิเล็กตรอนอิสระมากกว่าจำนวนมาก
สิ่งนี้ทำให้ Shockley มีแนวคิดเดียวกันกับที่ Brattain และ Becker เคยพิจารณาและปฏิเสธเมื่อหลายปีก่อน นั่นคือการสร้างแอมพลิฟายเออร์โซลิดสเตตโดยการสอดตาข่ายคอปเปอร์ออกไซด์ระหว่างทองแดงและคอปเปอร์ออกไซด์ เขาหวังว่ากระแสที่ไหลผ่านกริดจะเพิ่มสิ่งกีดขวางที่จำกัดการไหลของกระแสจากทองแดงไปยังออกไซด์ ทำให้เกิดสัญญาณแบบกลับด้านและขยายสัญญาณบนกริด ความพยายามอย่างหยาบๆ ครั้งแรกของเขาล้มเหลวโดยสิ้นเชิง เขาจึงหันไปหาชายที่มีทักษะในห้องปฏิบัติการที่ประณีตกว่าและคุ้นเคยกับวงจรเรียงกระแสมากกว่า: Walter Brattain และแม้ว่าเขาจะไม่สงสัยเกี่ยวกับผลลัพธ์ แต่ Brattain ก็ตกลงที่จะสนองความอยากรู้อยากเห็นของ Shockley และสร้างแอมพลิฟายเออร์ "กริด" เวอร์ชันที่ซับซ้อนมากขึ้น เธอยังปฏิเสธที่จะทำงาน
จากนั้นสงครามก็เข้ามาแทรกแซง ทำให้โครงการวิจัยใหม่ของ Kelly ตกอยู่ในความระส่ำระสาย Kelly กลายเป็นหัวหน้าคณะทำงานเรดาร์ที่ Bell Labs โดยได้รับการสนับสนุนจากศูนย์วิจัยเรดาร์หลักของสหรัฐฯ ที่ MIT Brattain ทำงานให้เขาในช่วงสั้นๆ จากนั้นจึงย้ายไปทำการวิจัยเกี่ยวกับการตรวจจับแม่เหล็กของเรือดำน้ำสำหรับกองทัพเรือ Woolridge ทำงานเกี่ยวกับระบบควบคุมการยิง Nix ทำงานเกี่ยวกับการแพร่กระจายก๊าซสำหรับโครงการแมนฮัตตัน และ Shockley เข้าสู่การวิจัยเชิงปฏิบัติ โดยเริ่มแรกเกี่ยวกับสงครามต่อต้านเรือดำน้ำในมหาสมุทรแอตแลนติก และจากนั้นก็เกี่ยวกับการวางระเบิดทางยุทธศาสตร์ในมหาสมุทรแปซิฟิก
แต่ถึงแม้จะมีการแทรกแซงนี้ สงครามก็ไม่ได้หยุดการพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์โซลิดสเตต ในทางตรงกันข้าม ได้มีการจัดสรรทรัพยากรจำนวนมากเข้าสู่ภาคสนาม และนำไปสู่การมุ่งเน้นการวิจัยเกี่ยวกับวัสดุสองชนิด ได้แก่ เจอร์เมเนียมและซิลิคอน
มีอะไรให้อ่านอีกบ้าง
Ernest Bruan และ Stuart MacDonald การปฏิวัติจิ๋ว (1978)
ฟรีดริช คูรีโล และชาร์ลส ซัสคินด์, เฟอร์ดินันด์ เบราน์ (1981)
G. L. Pearson และ W. H. Brattain, “History of Semiconductor Research,” Proceedings of the IRE (ธันวาคม 1955)
ไมเคิล ไรออร์แดน และลิเลียน ฮอดเดสัน, Crystal Fire (1997)
ที่มา: will.com