Інші статті циклу:
- Історія реле
- Історія електронних комп'ютерів
- Історія транзистора
- Історія Інтернету
Дорога до твердотільних перемикачів була довгою та складною. Вона почалася з відкриття, що певні матеріали дивно поводяться в присутності електрики – не так, як передбачали теорії, що існували тоді. За цим пішла історія про те, як у XX столітті технологія ставала все більш науковою та інституційною дисципліною. Дилетанти, новачки та професійні винахідники практично без будь-якої наукової освіти робили серйозні внески у становлення телеграфу, телефонії та радіо. Але, як ми побачимо, майже всі поступи в історії твердотільної електроніки відбулися завдяки вченим, які навчалися в університетах (і зазвичай мають ступінь доктора наук з фізики), і працювали при університетах або корпоративних лабораторіях.
Будь-яка людина з доступом до майстерні та з базовими навичками роботи з матеріалами може зібрати реле з дротів, металу та дерева. Для створення електронних ламп потрібні спеціалізовані інструменти, здатні створити скляну колбу і відкачати з неї повітря. Твердотільні ж пристрої зникли в кролячій норі, з якої цифровий перемикач так і не повернувся, і занурювалися все глибше у світи, зрозумілі лише абстрактній математиці і доступні лише за допомогою дорогого обладнання.
Галена
У 1874 році , 24-річний фізик із Школи св. Фоми в Лейпцигу, опублікував першу з багатьох важливих наукових праць у своїй довгій кар'єрі. Роботу "Про проходження електричних струмів через сульфіди металів" прийняли в журналі Pogendorff's Annalen, престижному журналі, присвяченому фізичним наукам. Незважаючи на нудний заголовок, робота Брауна описувала кілька дивовижних та загадкових експериментальних результатів.
Фердінанд Браун
Брауна заінтригували сульфіди – мінеральні кристали, що складаються із сполук сірки з металами – завдяки роботам . Ще в 1833 Майкл Фарадей зазначив, що провідність сульфіду срібла збільшується з температурою, що повністю протилежно поведінці металевих провідників. Гітторф склав ретельний кількісний звіт про вимірювання цього ефекту в 1850-х, для сульфідів як срібла, так і міді. Тепер Браун, використовуючи хитромудру експериментальну установку, що притискала металевий провід до кристала сульфіду пружиною, щоб забезпечити хороший контакт, виявив щось ще дивніше. Провідність кристалів залежала від напрямку - наприклад, струм міг добре текти в одному напрямку, але при зверненні полярності акумулятора струм міг раптово різко впасти. Кристали в одному напрямку працювали більше схоже на провідники (як нормальні метали), а в іншому – більше як ізолятори (як скло чи гума). Ця властивість стала відомо, як випрямлення, через здатність випрямляти «звивистий» змінний струм, перетворюючи його на «плоский» постійний.
Примерно в то же время исследователи обнаружили и другие странные свойства таких материалов, как, например, селен, который можно было выплавить из некоторых сульфидных руд металлов. Под воздействием света селен увеличивал проводимость и даже начинал генерировать электричество, а также его можно было использовать для выпрямления. Была ли тут какая-то связь с кристаллами сульфидов? Без теоретических моделей, способных объяснить происходящее, в этой области царило замешательство.
Однак відсутність теорії не зупиняла спроби практичного застосування результатів. Наприкінці 1890-х Браун став професором Страсбурзького університету – нещодавно анексованого у Франції у ході та перейменованого на Університет кайзера Вільгельма. Там його засмоктав захоплюючий новий світ радіотелеграфії. Він відповів згодою на пропозицію групи підприємців про спільне створення бездротової системи зв'язку, заснованої на передачі радіохвиль через воду. Однак вони з спільниками незабаром відмовилися від початкової ідеї на користь повітряної передачі сигналів, яку використовував Марконі та інші.
Серед аспектів радіо, які група Брауна прагнула покращити, був стандартний на той час приймач, . Він ґрунтувався на тому факті, що радіохвилі змушували металеву тирсу збиратися в грудочку, що дозволяло струму від батареї проходити до сигнального пристрою. Це спрацювало, але система відгукувалася лише на відносно сильні сигнали, а для розбивання грудочки тирси потрібно постійно вдаряти по пристрої. Браун згадав свої старі експерименти з кристалами сульфіду, і в 1899 відтворив свою стару експериментальну установку з новою метою - служити детектором бездротових сигналів. Ефект випрямлення він використовував для перетворення крихітного струму, що коливається, що породжується проходять радіохвилями, в постійний струм, який міг живити невеликий динамік, що видавав чутні клацання для кожної точки або тире. Цей пристрій пізніше став відомим під ім'ям «» із-за зовнішнього вигляду проводочка, який легко торкався верхньої частини кристала. У Британській Індії (де сьогодні знаходиться Бангладеш) вчений та винахідник Джагадіш Бозе побудував подібний пристрій, можливо навіть у 1894 році. Інші невдовзі почали робити подібні детектори на основі кремнію та карборунду (карбіду кремнію).
Однак саме , сульфід свинцю, який плавили для отримання свинцю з давніх часів, став кращим матеріалом для кристалічних детекторів. Вони виходили простими у виготовленні та дешевими, і в результаті стали шалено популярні серед раннього покоління радіоаматорів. Більше того, на відміну від двійкового когерера (з тирсою, яка або збивалася в грудочку, або ні), кристалічний випрямляч міг відтворювати безперервний сигнал. Тому він міг видавати чутні вухом передачі голосу та музики, а не лише абетку Морзе з її точками та тире.
Детектор "котячий вус" на основі галеніту. Невеликий відрізок дроту зліва – це вус, а шматок сріблястого матеріалу знизу – кристал галеніту.
Однак, як невдовзі встановили роздратовані радіоаматори, на пошук чарівної точки на поверхні кристала, яка давала б гарне випрямлення, могли піти хвилини або навіть годинник. А сигнали без посилення були слабкими та мали металевий призвук. До 1920-х років приймачі на електронних лампах із тріодними підсилювачами практично вивели кристалічні детектори із застосування майже скрізь. Їхньою привабливою рисою залишалося лише дешевизна.
Ця коротка поява на арені радіоприймачів, здавалося, була межею практичного застосування дивних електричних властивостей матеріалу, відкритих Брауном та іншими.
оксид міді
Затем в 1920-х другой физик по имени Ларс Грондал открыл нечто странное при помощи своей экспериментальной установки. Грондал, первый из цепочки умных и неугомонных мужей из истории американского Запада, был сыном инженера-строителя. Его отец, эмигрировавший из Норвегии в 1880-м несколько десятилетий работал на железных дорогах в Калифорнии, Орегоне и Вашингтоне. Сначала Грондал, казалось, решил оставить позади инженерный мир отца, и отправился в институт Джонса Хопкинса за получением докторской по физике, чтобы пойти по академическому пути. Но затем и он вовлёкся в железнодорожный бизнес и устроился на позицию директора по исследованиям компании Union Switch and Signal, подразделения промышленного гиганта , що постачав устаткування для залізничної промисловості.
У різних джерелах вказуються суперечливі причини, що мотивували Грондаля на його дослідження, але як би там не було, він почав експериментувати з мідними дисками, розігрітими з одного боку для створення окисленого шару. Працюючи з ними, він звернув увагу на асиметричність струму - опір в один бік був втричі більшим, ніж в інший. Диск із міді та оксиду міді випрямляв струм, прямо як кристал сульфіду.
Схема випрямляча з оксиду міді
Следующие шесть лет Грондал разрабатывал на основе этого явления готовый к использованию коммерческий выпрямитель, заручившись помощью другого исследователя из США, Поля Гейгера, а потом отправил заявку на патент и объявил о своём открытии в Американском физическом обществе в 1926. Прибор сразу стал коммерческим хитом. Благодаря отсутствию хрупких нитей он был гораздо надёжнее выпрямителя на электронных лампах, основанного на клапанном принципе Флеминга, и был дёшев в производстве. В отличии от брауновских кристаллов-выпрямителей, он работал с первой попытки, а благодаря большей площади контакта металла и оксида, он работал с большим диапазоном токов и напряжений. Он мог заряжать аккумуляторы, обнаруживать сигналы в различных электрических системах, работать шунтом безопасности в мощных генераторах. При использовании в качестве фотоэлемента диски могли работать как измерители количества света, и были особенно полезны в фотографии. Другие исследователи примерно в то же время разработали выпрямители из селена, нашедшие сходные варианты применения.
Пачка випрямлячів на основі оксиду міді. Складання з кількох дисків збільшувала зворотний опір, що дозволяло використовувати їх з високою напругою.
Через кілька років два фізики з Лабораторій Белла, Джозеф Беккер та , Вирішили вивчити принцип роботи мідного випрямляча - їм було цікаво дізнатися, як він працює, і як його можна використовувати в компанії Bell System.
Браттейн у похилому віці – бл. 1950
Браттейн був родом з тих же місць, що і Грондал, з Тихоокеанського північного заходу, де він зростав на фермі, розташованій за кілька кілометрів від канадського кордону. У старших класах його почала цікавити фізика, він виявляв здібності в цій галузі, і в результаті отримав докторський ступінь в університеті Міннесота в кінці 1920-х, і влаштувався на роботу в Лабораторії Белла в 1929. Серед іншого, в університеті він вивчав нову теоретичну фізику , що набирала в Європі популярність, і відому, як квантова механіка (його куратором був , також наставляв і Джона Атанасова).
квантова революція
Нова теоретична платформа повільно розвивалася в останні три десятиліття, і свого часу вона зможе пояснити всі дивні явища, які багато років спостерігалися в таких матеріалах, як галеніт, селен і оксид міді. Ціла когорта переважно молодих фізиків, переважно з Німеччини та сусідніх країн, викликала квантовий переворот у фізиці. Скрізь, де не глянь, вони виявляли не плавний і безперервний світ, якому їх навчали, а дивні дискретні грудочки.
Все почалося у 1890-х. Макс Планк, найвідоміший професор Берлінського університету, вирішив попрацювати з відомим невирішеним завданням: яким чином «»(Ідеальна субстанція, що поглинає всю енергію і не відображає її) випускає випромінювання в електромагнітному спектрі? Були випробувані різні моделі, жодна з яких не збігалася з експериментальними результатами - вони не справлялися або в одному або іншому кінці спектру. Планк виявив, що й припустити, що енергія випускається тілом невеликими «пакетами» дискретної величини, можна записати простий закон взаємовідносини частоти і енергії, ідеально збігається з емпіричними результатами.
Вскоре после этого Эйнштейн обнаружил, что то же выполняется и с поглощением света (первый намёк на фотоны), а Дж. Дж. Томсон показал, что электричество также переносится не непрерывной жидкостью или волной, а дискретными частицами – электронами. Затем Нильс Бор создал модель, объяснявшую, как возбуждённые атомы испускают излучение, назначив электронам отдельные орбиты в атоме, каждая из которых обладает своей энергией. Однако это название вводит в заблуждение, поскольку они ведут себя нисколько не похоже на орбиты планет – в модели Бора электроны мгновенно переходили с одной орбиты, или энергетического уровня, на другой, не проходя через промежуточное состояние. И, наконец, в 1920-х, Эрвин Шрёдингер, Вернер Гейзенберг, Макс Борн и другие создали обобщённую математическую платформу, известную, как квантовая механика, включившую в себя все особые квантовые модели, создававшиеся за предыдущие двадцать лет.
До цього часу фізики вже були впевнені в тому, що такі матеріали, як селен і галеніт, що демонструють фотогальванічні та випрямляючі властивості, належать до окремого класу матеріалів, який вони назвали напівпровідниками. Класифікація зайняла стільки часу з кількох причин. По-перше, самі категорії «провідники» та «ізолятори» були досить великими. Т.зв. «провідники» надзвичайно сильно відрізнялися за провідністю, те саме (меншою мірою) було властиво й ізоляторам, і не було очевидно, яким чином якийсь певний провідник можна віднести до якогось із цих класів. Більше того, до середини XX століття було неможливо отримати або створити дуже чисті речовини, і будь-які дива у провідності природних матеріалів завжди можна було віднести до забруднення.
Тепер у фізиків з'явилися як математичні інструменти квантової механіки, і новий клас матеріалів, якого можна було застосовувати. Британський теоретик першим зібрав все це разом і побудував загальну модель напівпровідників та принципу їхньої роботи у 1931 році.
Спочатку Вілсон стверджував, що матеріали, що проводять, відрізняються від діелектриків станом енергетичних зон. Квантова механіка стверджує, що електрони можуть існувати на обмеженій кількості енергетичних рівнів, властивих оболонкам або орбіталям окремих атомів. Якщо стиснути ці атоми разом у структурі будь-якого матеріалу, то правильніше буде уявляти безперервні енергетичні зони, що проходять його наскрізь. У провідниках у високих енергетичних зонах є вільні місця і електричне поле вільно може переміщати туди електрони. В ізоляторах зони заповнені, а до більш високої зони, що проводить, по якій електриці йти легше, дертися досить далеко.
Це привело його до висновку, що домішки – чужі атоми у структурі матеріалу – повинні робити внесок у його напівпровідникові властивості. Вони можуть або поставляти зайві електрони, які легко виходять в зону провідності, або дірки - відсутність електронів у порівнянні з рештою матеріалу - що створює порожні енергетичні місця, куди можуть рухатися вільні електрони. Перший варіант пізніше назвали напівпровідниками n-типу (або електронними) – за зайвий негативний заряд, а другі – p-типу, або дірковими – за зайвий позитивний заряд.
Нарешті Вілсон припустив, що випрямлення струму напівпровідниками можна пояснити в термінах квантового. , раптовий стрибок електронів через тонкий електричний бар'єр у матеріалі. Теорія виглядала правдоподібною, проте передбачала, що у випрямлячі струм повинен текти від оксиду до міді, хоча насправді все було навпаки.
Ось так, незважаючи на всі прориви Вілсона, напівпровідники залишалися складними для пояснення. Як поступово ставало зрозуміло, мікроскопічні зміни кристалічної структури та концентрації домішок непомірно сильно впливали на їх макроскопічну електричну поведінку. Незважаючи на відсутність розуміння – оскільки ніхто так і не міг пояснити експериментальні спостереження, зроблені Брауном за 60 років до цього – Браттейн та Беккер розробили ефективний виробничий процес мідно-оксидних випрямлячів для свого роботодавця. Bell System швидко почала замінювати випрямлячі на електронних лампах по всій системі на новий пристрій, який їх інженери назвали оскільки його опір змінювався залежно від напрямку.
золота медаль
Мервін Келлі, фізик та колишній глава департаменту електронних ламп Лабораторій Белла, дуже зацікавився цим досягненням. За кілька десятків років електронні лампи послужили Беллу безцінну службу, і могли виконувати функції, недоступні попередньому поколінню механічних та електромеханічних компонентів. Але вони сильно грілися, регулярно перегрівалися, споживали багато енергії та були складними в обслуговуванні. Келлі збирався перебудувати систему Белла заново на основі більш надійних і витривалих твердотільних електронних компонентів, таких як варистор, яким не були потрібні ні герметичні корпуси, заповнені газом або порожні нині. У 1936 році він став головою дослідницького відділу Лабораторій Белла, і почав перенаправляти організацію на новий шлях.
Отримавши твердотільний випрямляч, наступним очевидним кроком було створити твердотільний підсилювач. Природно, що, як і ламповий підсилювач, такий пристрій міг би працювати як цифровий перемикач. Це особливо цікавило фірму Белла, оскільки у телефонних комутаторах досі працювала величезна кількість електромеханічних цифрових перемикачів. Компанія шукала більш надійну, компактну, енергоефективну та холодну заміну електронній лампі у телефонних системах, радіоприймачах, радарах та іншому аналоговому устаткуванні, де вони використовувалися для посилення слабких сигналів до рівня, доступного людському вуху.
У 1936 Лабораторії Белла, нарешті, скасували заборону на найм персоналу, введену під час . Келлі відразу ж почав наймати експертів з квантової механіки, щоб ті допомогли запустити його програму досліджень у галузі твердотільних пристроїв, серед яких був і ще один виходець із Західного узбережжя, з Пало-Альто (Каліфорнія). Тема його нещодавно оформленої в MIT дисертації якнайкраще підходила до потреб Келлі: «Електронні зони в хлориді натрію».
Браттейн і Беккер у цей час продовжували свої дослідження випрямляча на оксиді міді, прагнучи отримати покращений твердотільний підсилювач. Найбільш очевидним способом його виготовити було йти за аналогією з електронною лампою. Так само, як Лі де Форест взяв ламповий підсилювач і между катодом и анодом, так и Браттейн с Беккером представили, как можно вставить сетку в место соприкосновения меди и оксида меди, где, как предполагалось, происходит выпрямление. Однако из-за малой толщины слоя они посчитали невозможным это сделать, и не преуспели в этом.
Тем временем другие разработки показали, что Лаборатории Белла были не единственной компанией, интересующейся твердотельной электроникой. В 1938 Рудольф Хилш и Роберт Пол опубликовали результаты экспериментов, проводимых в Гёттингенском университете над работающим твердотельным усилителем, созданным через внедрение сетки в кристалл бромида калия. Практической ценности это лабораторное устройство не представляло – в основном, поскольку работало на частоте не более 1 Гц. И всё же это достижение не могло не обрадовать всех интересующихся твердотельной электроникой. В том же году Келли определил Шокли в новую независимую группу исследований твердотельных устройств и выдал ему с коллегами – Фостером Никсом и Дином Вулриджем – карт-бланш на изучение их возможностей.
Щонайменше ще двоє винахідників зуміли створити твердотільні підсилювачі до Другої світової. У 1922 році радянський фізик та винахідник опублікував результати успішних дослідів із цинкітовими напівпровідниками, але його роботи залишилися непоміченими західною спільнотою; 1926 року американський винахідник Джуліус Ліленфілд подав заявку на патент на твердотільний підсилювач, проте немає жодних свідчень працездатності його винаходу.
Перше головне осяяння у Шоклі на новій посаді відбулося під час читання роботи британського фізика Невіла Мота «Теорія кристалічних випрямлячів» від 1938 року, де нарешті пояснювався принцип роботи випрямляча Грондала на оксиді міді. Мотт використовував математику квантової механіки для опису формування електричного поля на стику провідного металу та напівпровідного оксиду, і того, як електрони «перестрибують» через цей електричний бар'єр, замість тунелювати, як пропонував Вілсон. Струм тече легше від металу до напівпровідника, ніж навпаки, оскільки у металу є набагато більше вільних електронів.
Це привело Шоклі до такої самої ідеї, яку розглянули і відкинули Браттейн і Беккер за багато років до цього – виготовити твердотільний підсилювач, вставивши сітку з оксиду міді в проміжок між міддю та оксидом міді. Він сподівався, що струм, що поточний по сітці, збільшить бар'єр, що обмежує струм, що йде від міді до оксиду, створивши інвертовану, посилену версію сигналу на сітці. Його перша груба спроба повністю провалилася, тому він звернувся до людини, яка мала відточені лабораторні навички, і добре знайомому з випрямлячами – Волтер Браттейн. І, хоча сумнівів щодо результату в нього був, Браттейн погодився задовольнити цікавість Шоклі, і створив складнішу версію «сіткового» підсилювача. Вона також відмовилася працювати.
Потім втрутилася війна, залишивши нову дослідницьку програму Келлі безладно. Келлі став на чолі робочої групи з радарів у Лабораторіях Белла, яка працювала за підтримки головного радарного дослідницького центру США в MIT. Браттейн недовго попрацював у нього, а потім перейшов до досліджень магнітного виявлення підводних човнів на замовлення військового флоту. Вулрідж працював над системами управління вогнем, Нікс - над дифузією газів для Манхеттенського проекту, а Шоклі пішов в операційні дослідження, і спочатку займався боротьбою з підводними човнами в Атлантиці, а потім стратегічними бомбардуваннями в Тихому океані.
Але, незважаючи на це втручання, війна не зупинила розвиток твердотільної електроніки. Навпаки, вона організувала потужне вливання ресурсів у цю галузь, і призвела до концентрації досліджень двох матеріалах: германії і кремнії.
Що ще почитати
Ernest Bruan і Stuart MacDonald, Revolution in Miniature (1978)
Friedrich Kurylo і Charles Susskind, Ferdinand Braun (1981)
GL Pearson and WH Brattain, “History of Semiconductor Research,” Proceedings of the IRE (December 1955).
Michael Riordan and Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
Джерело: habr.com