Serideki diğer makaleler:
- Rölenin tarihi
- Elektronik bilgisayarların tarihi
- Transistörün tarihi
- İnternet geçmişi
Katı hal anahtarlarına giden yol uzun ve zordu. Her şey, bazı malzemelerin elektriğin varlığında tuhaf davrandığının keşfedilmesiyle başladı; o zamanlar var olan teorilerin öngördüğü gibi değil. Bunu, teknolojinin XNUMX. yüzyılda nasıl giderek daha bilimsel ve kurumsal bir disiplin haline geldiğinin hikayesi izledi. Neredeyse hiçbir bilimsel eğitimi olmayan amatörler, acemiler ve profesyonel mucitler telgraf, telefon ve radyonun gelişimine ciddi katkılarda bulundular. Ancak, göreceğimiz gibi, katı hal elektroniği tarihindeki ilerlemelerin neredeyse tamamı, üniversitelerde okuyan (ve genellikle fizik alanında doktora sahibi olan) ve üniversitelerde veya kurumsal araştırma laboratuvarlarında çalışan bilim adamlarından gelmiştir.
Bir atölyeye erişimi olan ve temel malzeme becerisine sahip olan herkes tellerden, metalden ve ahşaptan bir röle monte edebilir. Vakum tüpleri oluşturmak, cam bir ampul oluşturup içindeki havayı dışarı pompalayabilen daha özel aletler gerektirir. Katı hal cihazları, dijital anahtarın asla geri dönmediği bir tavşan deliğinde ortadan kayboldu; yalnızca soyut matematik tarafından anlaşılabilen ve yalnızca inanılmaz derecede pahalı ekipmanların yardımıyla erişilebilen dünyaların daha da derinlerine daldı.
Galen
1874 yıl
Ferdinand Brown
Brown, çalışmaları sayesinde sülfürlerin (metallerle kükürt bileşiklerinden oluşan mineral kristalleri) ilgisini çekti.
Aynı sıralarda araştırmacılar, bazı metal sülfür cevherlerinden eritilebilen selenyum gibi malzemelerin başka tuhaf özelliklerini de keşfettiler. Selenyum ışığa maruz kaldığında iletkenliği artırdı, hatta elektrik üretmeye başladı ve aynı zamanda düzeltme için de kullanılabiliyordu. Sülfür kristalleriyle bir bağlantı var mıydı? Olan biteni açıklayacak teorik modellerin olmaması, alanda bir kafa karışıklığı içindeydi.
Ancak teorinin eksikliği, sonuçları pratikte uygulama girişimlerini durdurmadı. 1890'ların sonlarında Brown, yakın zamanda Fransa'dan ilhak edilen Strasbourg Üniversitesi'nde profesör oldu.
Brown grubunun geliştirmeye çalıştığı radyo yönleri arasında o zamanın standart alıcısı da vardı.
Ancak, öyle
Galen bazlı kedi bıyık dedektörü. Soldaki küçük tel parçası bıyık, alttaki gümüşi malzeme ise galena kristalidir.
Ancak hayal kırıklığına uğramış radyo amatörlerinin çok geçmeden keşfettiği gibi, kristalin yüzeyinde iyi bir düzeltme sağlayacak sihirli noktayı bulmak dakikalar hatta saatler alabilir. Amplifikasyonsuz sinyaller zayıftı ve metalik bir sese sahipti. 1920'lere gelindiğinde, triyot amplifikatörlü vakum tüplü alıcılar, neredeyse her yerde kristal dedektörleri neredeyse kullanılmaz hale getirmişti. Tek çekici özellikleri ucuz olmalarıydı.
Radyo arenasındaki bu kısa görünüm, Brown ve diğerleri tarafından keşfedilen malzemenin tuhaf elektriksel özelliklerinin pratikteki uygulamasının sınırı gibi görünüyordu.
Bakır oksit
Daha sonra 1920'lerde Lars Grondahl adlı başka bir fizikçi, deney düzeneğinde tuhaf bir şey keşfetti. Batı Amerika tarihindeki bir dizi akıllı ve huzursuz adamın ilki olan Grondahl, bir inşaat mühendisinin oğluydu. 1880'de Norveç'ten göç eden babası, onlarca yıl boyunca Kaliforniya, Oregon ve Washington'daki demiryollarında çalıştı. Başlangıçta Grondahl, babasının mühendislik dünyasını geride bırakmaya kararlı görünüyordu; akademik bir yol izlemek üzere fizik alanında doktora yapmak üzere Johns Hopkins'e gitti. Ancak daha sonra demiryolu işine girdi ve sanayi devinin bir bölümü olan Union Switch and Signal'de araştırma direktörü olarak görev aldı.
Çeşitli kaynaklar, Grondahl'ın araştırma motivasyonunun çelişkili nedenlerini gösteriyor, ancak ne olursa olsun, oksitlenmiş bir katman oluşturmak için bir tarafı ısıtılan bakır disklerle deneyler yapmaya başladı. Onlarla çalışırken akımın asimetrisini fark etti - bir yöndeki direnç diğerinden üç kat daha fazlaydı. Bakır ve bakır oksitten oluşan bir disk, tıpkı bir sülfür kristali gibi akımı düzeltti.
Bakır Oksit Doğrultucu Devresi
Grondahl sonraki altı yılını, bir patent başvurusunda bulunmadan ve keşfini 1926'da Amerikan Fizik Derneği'ne duyurmadan önce, başka bir ABD'li araştırmacı Paul Geiger'in yardımını alarak, bu fenomeni temel alan kullanıma hazır bir ticari redresör geliştirmekle geçirdi. Cihaz. hemen ticari bir hit haline geldi. Kırılgan filamentlerin bulunmaması nedeniyle Fleming valf prensibine dayanan vakum tüplü redresörden çok daha güvenilirdi ve üretimi daha ucuzdu. Kahverengi doğrultucu kristallerin aksine ilk denemede çalıştı ve metal ile oksit arasındaki daha büyük temas alanı nedeniyle daha geniş bir akım ve voltaj aralığıyla çalıştı. Pilleri şarj edebilir, çeşitli elektrik sistemlerindeki sinyalleri tespit edebilir ve güçlü jeneratörlerde güvenlik şöntü görevi görebilir. Fotosel olarak kullanıldığında diskler ışık ölçer görevi görebilir ve özellikle fotoğrafçılıkta kullanışlı olabilir. Aynı sıralarda diğer araştırmacılar da benzer uygulamalar bulan selenyum redresörleri geliştirdiler.
Bakır oksit bazlı bir redresör paketi. Birkaç diskten oluşan bir düzenek ters direnci arttırdı ve bu da bunların yüksek voltajla kullanılmasını mümkün kıldı.
Birkaç yıl sonra Bell Laboratuvarlarından iki fizikçi Joseph Becker ve
Yaşlılıkta Brattain - yakl. 1950
Brattain, Kuzeybatı Pasifik'teki Grondal ile aynı bölgedendi ve Kanada sınırından birkaç kilometre uzakta bir çiftlikte büyüdü. Lisedeyken fizikle ilgilenmeye başladı, bu alanda yetenek gösterdi ve sonunda 1920'lerin sonunda Minnesota Üniversitesi'nden doktora derecesini aldı ve 1929'da Bell Laboratuvarlarında işe girdi. Diğer şeylerin yanı sıra, okuduğu üniversitede Avrupa'da popülerlik kazanan ve kuantum mekaniği olarak bilinen en son teorik fizik (küratörü
Kuantum devrimi
Son otuz yılda yavaş yavaş yeni bir teorik platform geliştirildi ve zamanla galen, selenyum ve bakır oksit gibi malzemelerde yıllardır gözlemlenen tüm tuhaf olayları açıklayabilecek. Çoğunlukla Almanya'dan ve komşu ülkelerden gelen genç fizikçilerden oluşan bir grup, fizikte kuantum devrimine neden oldu. Baktıkları her yerde, onlara öğretilen pürüzsüz ve sürekli dünyayı değil, tuhaf, ayrık yığınları buldular.
Her şey 1890'larda başladı. Berlin Üniversitesi'nden ünlü bir profesör olan Max Planck, iyi bilinen çözülmemiş bir problem üzerinde çalışmaya karar verdi: nasıl "
Kısa bir süre sonra Einstein, aynı şeyin ışığın soğurulması sırasında da meydana geldiğini keşfetti (fotonların ilk ipucu) ve J. J. Thomson, elektriğin sürekli bir sıvı veya dalga tarafından değil, ayrı parçacıklar olan elektronlar tarafından taşındığını gösterdi. Niels Bohr daha sonra heyecanlı atomların, her biri kendi enerjisine sahip olan elektronları atomdaki bireysel yörüngelere atayarak nasıl radyasyon yaydığını açıklayan bir model yarattı. Ancak bu isim yanıltıcıdır çünkü bunlar hiçbir şekilde gezegenlerin yörüngelerine benzemezler; Bohr'un modelinde elektronlar bir ara durumdan geçmeden anında bir yörüngeden veya enerji seviyesinden diğerine atladılar. Son olarak 1920'lerde Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Born ve diğerleri, önceki yirmi yılda oluşturulan tüm özel kuantum modellerini içeren, kuantum mekaniği olarak bilinen genelleştirilmiş bir matematiksel platform yarattılar.
O zamana kadar fizikçiler, fotovoltaik ve doğrultucu özellikler sergileyen selenyum ve galen gibi malzemelerin, yarı iletkenler olarak adlandırdıkları ayrı bir malzeme sınıfına ait olduğundan zaten emindiler. Sınıflandırma çeşitli nedenlerden dolayı bu kadar uzun sürdü. Öncelikle “iletkenler” ve “yalıtkanlar” kategorileri oldukça genişti. T.N. "İletkenler" iletkenlik açısından büyük farklılıklar gösteriyordu ve aynı şey (daha az bir ölçüde) yalıtkanlar için de geçerliydi ve herhangi bir iletkenin bu sınıflardan herhangi birine nasıl sınıflandırılabileceği açık değildi. Üstelik XNUMX. yüzyılın ortalarına kadar çok saf maddeler elde etmek veya yaratmak imkansızdı ve doğal malzemelerin iletkenliğindeki herhangi bir tuhaflık her zaman kirlenmeye atfedilebilirdi.
Fizikçiler artık hem kuantum mekaniğinin matematiksel araçlarına hem de bunların uygulanabileceği yeni bir malzeme sınıfına sahipti. İngiliz teorisyen
İlk başta Wilson, iletken malzemelerin enerji bantlarının durumu açısından dielektriklerden farklı olduğunu savundu. Kuantum mekaniği, elektronların tek tek atomların kabuklarında veya yörüngelerinde bulunan sınırlı sayıda enerji seviyesinde bulunabileceğini belirtir. Bir malzemenin yapısında bu atomları bir araya sıkıştırırsanız içinden sürekli enerji bölgelerinin geçtiğini hayal etmek daha doğru olur. Yüksek enerji bantlarında iletkenlerde boş alanlar bulunur ve elektrik alanı elektronları buralarda serbestçe hareket ettirebilir. Yalıtkanlarda bölgeler doludur ve elektriğin içinden geçmesinin daha kolay olduğu daha yüksek, iletken bölgeye ulaşmak oldukça uzun bir tırmanış gerektirir.
Bu onu, bir malzemenin yapısındaki yabancı atomlar gibi yabancı maddelerin yarı iletken özelliklerine katkıda bulunması gerektiği sonucuna götürdü. Ya iletim bandına kolayca kaçan fazladan elektronlar sağlayabilirler ya da serbest elektronların hareket edebileceği boş enerji alanları yaratan delikler (maddenin geri kalanına göre elektron eksikliği) sağlayabilirler. İlk seçeneğe daha sonra aşırı negatif yük nedeniyle n tipi (veya elektronik) yarı iletkenler ve aşırı pozitif yük nedeniyle ikinci - p tipi veya delik yarı iletkenleri adı verildi.
Son olarak Wilson, yarı iletkenler tarafından yapılan mevcut düzeltmenin kuantum kuantum terimleriyle açıklanabileceğini öne sürdü.
Yani Wilson'ın tüm buluşlarına rağmen yarı iletkenleri açıklamak hala zordu. Yavaş yavaş netleştikçe, kristal yapıdaki mikroskobik değişiklikler ve safsızlıkların konsantrasyonu, bunların makroskobik elektriksel davranışlarını orantısız bir şekilde etkiledi. Brown'ın 60 yıl önce yaptığı deneysel gözlemleri kimse açıklayamadığı için, anlayış eksikliğini göz ardı ederek Brattain ve Becker, işverenleri için bakır oksit redresörleri için verimli bir üretim süreci geliştirdiler. Bell Sistemi, sistemdeki vakum tüplü redresörleri, mühendislerinin adını verdiği yeni bir cihazla hızla değiştirmeye başladı.
altın madalya
Fizikçi ve Bell Laboratuvarları'nın vakum tüpü bölümünün eski başkanı Mervyn Kelly, bu gelişmeyle çok ilgilenmeye başladı. Birkaç on yıl boyunca vakum tüpleri Bell'e çok değerli hizmetler sağladı ve önceki nesil mekanik ve elektromekanik bileşenlerle mümkün olmayan işlevleri yerine getirebildi. Ancak çok ısınıyorlar, düzenli olarak aşırı ısınıyorlar, çok fazla enerji tüketiyorlardı ve bakımları zordu. Kelly, Bell'in sistemini, kapalı, gazla doldurulmuş veya boş kasalar veya sıcak filamentler gerektirmeyen varistörler gibi daha güvenilir ve dayanıklı katı hal elektronik bileşenleriyle yeniden inşa etmeyi amaçladı. 1936'da Bell Laboratuvarları'nın araştırma bölümünün başına geçti ve organizasyonu yeni bir yola yönlendirmeye başladı.
Bir katı hal doğrultucu elde ettikten sonra, bir sonraki bariz adım bir katı hal amplifikatörü yaratmaktı. Doğal olarak böyle bir cihaz, tüp amplifikatör gibi aynı zamanda dijital anahtar olarak da çalışabilir. Telefon anahtarlarında hala çok sayıda elektromekanik dijital anahtar kullanıldığından, bu Bell'in şirketinin özellikle ilgisini çekiyordu. Şirket, zayıf sinyalleri insan kulağının duyabileceği seviyelere yükseltmek için kullanılan telefon sistemleri, radyolar, radarlar ve diğer analog ekipmanlardaki vakum tüpü için daha güvenilir, daha küçük, enerji açısından verimli ve daha serin bir alternatif arıyordu.
1936'da Bell Laboratuarları sonunda işe alımların dondurulmasını kaldırdı.
Brattain ve Becker bu süre zarfında bakır oksit doğrultucu üzerindeki araştırmalarına devam ederek gelişmiş bir katı hal amplifikatörü aradılar. Bunu yapmanın en bariz yolu vakum tüpü benzetmesini takip etmekti. Tıpkı Lee de Forest'ın tüplü amfiyi alıp
Bu arada diğer gelişmeler, Bell Labs'ın katı hal elektroniğiyle ilgilenen tek şirket olmadığını gösterdi. 1938'de Rudolf Hilsch ve Robert Pohl, Göttingen Üniversitesi'nde bir potasyum bromür kristaline bir ızgara yerleştirilerek oluşturulan çalışan bir katı hal amplifikatörü üzerinde gerçekleştirilen deneylerin sonuçlarını yayınladılar. Bu laboratuvar cihazının pratik değeri yoktu, çünkü esas olarak 1 Hz'den fazla olmayan bir frekansta çalışıyordu. Yine de bu başarı, katı hal elektroniğiyle ilgilenen herkesi memnun etmekten başka bir şey yapamadı. Aynı yıl Kelly, Shockley'i yeni bir bağımsız katı hal cihazı araştırma grubuna atadı ve ona ve meslektaşları Foster Nix ve Dean Woolridge'e yeteneklerini keşfetmeleri için tam yetki verdi.
En az iki mucit daha İkinci Dünya Savaşı'ndan önce katı hal amplifikatörleri yaratmayı başardı. 1922'de Sovyet fizikçisi ve mucidi
Shockley'in yeni pozisyonuna ilişkin ilk büyük içgörüsü, İngiliz fizikçi Neville Moth'un 1938 tarihli çalışması olan ve sonunda Grondahl bakır oksit doğrultucunun çalışma prensibini açıklayan The Theory of Crystalline Redresörleri okurken ortaya çıktı. Mott, iletken bir metal ile yarı iletken bir oksidin birleşiminde bir elektrik alanının oluşumunu ve Wilson'un önerdiği gibi tünel açmak yerine elektronların bu elektrik bariyerinin üzerinden nasıl "atladığını" açıklamak için kuantum mekaniğinin matematiğini kullandı. Akım metalden yarı iletkene, metalden yarı iletkene daha kolay akar çünkü metalin çok daha fazla serbest elektronu vardır.
Bu, Shockley'i, Brattain ve Becker'in yıllar önce düşünüp reddettiği fikre yönlendirdi: bakır ile bakır oksit arasına bir bakır oksit ağı yerleştirerek katı hal amplifikatörü yapmak. Şebekeden geçen akımın, bakırdan okside doğru akım akışını sınırlayan bariyeri artıracağını ve şebekedeki sinyalin ters, güçlendirilmiş bir versiyonunu yaratacağını umuyordu. İlk kaba girişimi tamamen başarısız oldu ve daha gelişmiş laboratuvar becerilerine sahip ve redresörlere aşina olan bir adama yöneldi: Walter Brattain. Sonuç hakkında hiçbir şüphesi olmasa da Brattain, Shockley'in merakını gidermeyi kabul etti ve "grid" amplifikatörün daha karmaşık bir versiyonunu yarattı. Ayrıca çalışmayı da reddetti.
Daha sonra savaş araya girdi ve Kelly'nin yeni araştırma programını kargaşa içinde bıraktı. Kelly, MIT'deki ABD'nin ana radar araştırma merkezi tarafından desteklenen Bell Laboratuvarları'ndaki radar çalışma grubunun başına geçti. Brattain kısa bir süre onun için çalıştı ve ardından donanma için denizaltıların manyetik tespiti üzerine araştırmalara geçti. Woolridge, ateş kontrol sistemleri üzerinde çalıştı, Nix, Manhattan Projesi için gaz dağıtımı üzerinde çalıştı ve Shockley, önce Atlantik'te denizaltı karşıtı savaş ve ardından Pasifik'te stratejik bombalama üzerinde çalışarak operasyonel araştırmaya başladı.
Ancak bu müdahaleye rağmen savaş, katı hal elektroniğinin gelişimini durdurmadı. Tam tersine, bu alana büyük miktarda kaynak aktarıldı ve araştırmaların iki malzeme üzerinde yoğunlaşmasına yol açtı: germanyum ve silikon.
Başka ne okumak
Ernest Bruan ve Stuart MacDonald, Minyatürde Devrim (1978)
Friedrich Kurylo ve Charles Susskind, Ferdinand Braun (1981)
G. L. Pearson ve W. H. Brattain, “History of Semiconductor Research,” IRE Bildirileri (Aralık 1955).
Michael Riordan ve Lillian Hoddeson, Kristal Ateş (1997)
Kaynak: habr.com