Các bài viết khác trong sê-ri:
- Lịch sử của rơle
- Lịch sử máy tính điện tử
- Lịch sử của bóng bán dẫn
- lịch sử Internet
Nồi nấu kim loại của chiến tranh đã tạo tiền đề cho sự ra đời của bóng bán dẫn. Từ năm 1939 đến năm 1945, kiến thức kỹ thuật trong lĩnh vực bán dẫn đã mở rộng đáng kể. Và có một lý do đơn giản cho việc này: radar. Công nghệ quan trọng nhất của chiến tranh, ví dụ như: phát hiện các cuộc không kích, tìm kiếm tàu ngầm, chỉ đạo các cuộc không kích ban đêm tới các mục tiêu, nhắm mục tiêu vào các hệ thống phòng không và súng hải quân. Các kỹ sư thậm chí còn học được cách gắn các radar nhỏ vào đạn pháo để chúng phát nổ khi bay gần mục tiêu - . Tuy nhiên, nguồn gốc của công nghệ quân sự mới mạnh mẽ này lại nằm trong một lĩnh vực hòa bình hơn: nghiên cứu tầng khí quyển phía trên vì mục đích khoa học.
Radar
Năm 1901, Công ty Điện báo Không dây Marconi đã truyền thành công một tin nhắn không dây xuyên Đại Tây Dương, từ Cornwall đến Newfoundland. Thực tế này đã khiến khoa học hiện đại bối rối. Nếu việc truyền sóng vô tuyến truyền theo đường thẳng (đúng như lẽ ra phải thế) thì việc truyền sóng như vậy sẽ không thể thực hiện được. Không có đường ngắm trực tiếp nào giữa Anh và Canada mà không xuyên qua Trái đất nên thông điệp của Marconi phải bay vào vũ trụ. Kỹ sư người Mỹ Arthur Kennealy và nhà vật lý người Anh Oliver Heaviside đồng thời và độc lập đề xuất rằng lời giải thích cho hiện tượng này phải gắn liền với một lớp khí bị ion hóa nằm ở tầng trên của khí quyển, có khả năng phản xạ sóng vô tuyến trở lại Trái đất (chính Marconi cũng tin rằng sóng vô tuyến theo độ cong của bề mặt Trái đất, tuy nhiên, các nhà vật lý không ủng hộ điều đó).
Đến những năm 1920, các nhà khoa học đã phát triển thiết bị mới giúp chứng minh sự tồn tại của tầng điện ly và sau đó nghiên cứu cấu trúc của nó. Họ sử dụng các ống chân không để tạo ra các xung vô tuyến sóng ngắn, ăng-ten định hướng để gửi chúng vào khí quyển và ghi lại tiếng vang, và để chứng minh kết quả. Độ trễ phản hồi càng dài thì tầng điện ly càng phải ở xa. Công nghệ này được gọi là đo khí quyển và nó cung cấp cơ sở hạ tầng kỹ thuật cơ bản cho sự phát triển của radar (thuật ngữ "radar", theo RAdio Detector And Ranging, mãi đến những năm 1940 mới xuất hiện ở Hải quân Hoa Kỳ).
Chỉ là vấn đề thời gian trước khi những người có kiến thức, nguồn lực và động lực phù hợp nhận ra tiềm năng ứng dụng trên mặt đất của những thiết bị đó (do đó lịch sử của radar trái ngược với lịch sử của kính thiên văn, loại kính đầu tiên được thiết kế để sử dụng trên mặt đất) . Và khả năng có được những hiểu biết sâu sắc như vậy ngày càng tăng khi sóng vô tuyến ngày càng lan rộng khắp hành tinh và ngày càng nhiều người nhận thấy sự can thiệp đến từ các tàu, máy bay gần đó và các vật thể lớn khác. Kiến thức về công nghệ đo âm thanh tầng cao được lan truyền trong suốt thế kỷ thứ hai. (1932-1933), khi các nhà khoa học biên soạn bản đồ tầng điện ly từ các trạm Bắc Cực khác nhau. Ngay sau đó, các đội ở Anh, Mỹ, Đức, Ý, Liên Xô và các nước khác đã phát triển hệ thống radar đơn giản nhất của họ.
với radar năm 1935 của ông
Sau đó, chiến tranh xảy ra và tầm quan trọng của radar đối với các quốc gia cũng như các nguồn lực để phát triển chúng tăng lên đáng kể. Tại Hoa Kỳ, những nguồn lực này tập hợp xung quanh một tổ chức mới được thành lập vào năm 1940 tại MIT, được gọi là (nó được đặt tên đặc biệt như vậy để đánh lừa các điệp viên nước ngoài và tạo ấn tượng rằng chất phóng xạ đang được nghiên cứu trong phòng thí nghiệm - vào thời điểm đó rất ít người tin vào bom nguyên tử). Dự án Rad Lab, tuy không trở nên nổi tiếng như Dự án Manhattan, tuy nhiên đã tuyển dụng các nhà vật lý tài năng và xuất sắc không kém từ khắp nước Mỹ vào hàng ngũ của mình. Năm nhân viên đầu tiên của phòng thí nghiệm (bao gồm и ) sau đó đã nhận được giải thưởng Nobel. Đến cuối chiến tranh, khoảng 500 bác sĩ khoa học, nhà khoa học và kỹ sư làm việc trong phòng thí nghiệm, với tổng số 4000 người làm việc. Nửa triệu đô la—tương đương với toàn bộ ngân sách ENIAC—đã được chi cho riêng Chuỗi Phòng thí nghiệm Bức xạ, một bản ghi hai mươi bảy tập về tất cả kiến thức thu được từ phòng thí nghiệm trong chiến tranh (mặc dù chi tiêu của chính phủ Hoa Kỳ cho công nghệ radar không bị giới hạn). vào ngân sách của Rad Lab; trong chiến tranh chính phủ đã mua radar trị giá ba tỷ đô la).
Tòa nhà MIT 20, nơi đặt Phòng thí nghiệm Rad
Một trong những lĩnh vực nghiên cứu chính của Rad Lab là radar tần số cao. Các radar ban đầu sử dụng bước sóng đo bằng mét. Nhưng các chùm tần số cao hơn với bước sóng đo bằng centimet – tức là vi sóng – cho phép chế tạo ăng-ten nhỏ gọn hơn và ít bị phân tán hơn trên khoảng cách xa, hứa hẹn những lợi thế lớn hơn về phạm vi và độ chính xác. Radar vi sóng có thể đặt vừa trong mũi máy bay và phát hiện các vật thể có kích thước bằng kính tiềm vọng của tàu ngầm.
Người đầu tiên giải quyết vấn đề này là một nhóm các nhà vật lý người Anh đến từ Đại học Birmingham. Năm 1940 họ đã phát triển "“, hoạt động giống như một chiếc “còi” điện từ, biến một xung điện ngẫu nhiên thành một chùm vi sóng mạnh mẽ và được điều chỉnh chính xác. Máy phát vi sóng này mạnh hơn hàng nghìn lần so với đối thủ cạnh tranh gần nhất của nó; nó mở đường cho các máy phát radar tần số cao thực tế. Tuy nhiên, anh cần một người bạn đồng hành, một máy thu có khả năng phát hiện tần số cao. Và tại thời điểm này chúng ta quay trở lại lịch sử của chất bán dẫn.
Mặt cắt nam châm
Sự xuất hiện thứ hai của râu mèo
Hóa ra các ống chân không hoàn toàn không thích hợp để thu tín hiệu radar vi sóng. Khoảng cách giữa cực âm nóng và cực dương lạnh tạo ra điện dung, khiến mạch từ chối hoạt động ở tần số cao. Công nghệ tốt nhất dành cho radar tần số cao là công nghệ lỗi thời ""- một đoạn dây nhỏ được ép vào tinh thể bán dẫn. Một số người đã phát hiện ra điều này một cách độc lập, nhưng điều gần gũi nhất với câu chuyện của chúng tôi là những gì đã xảy ra ở New Jersey.
Năm 1938, Bell Labs ký hợp đồng với Hải quân để phát triển radar điều khiển hỏa lực trong phạm vi 40 cm—ngắn hơn nhiều và do đó có tần số cao hơn so với các radar hiện có trong thời kỳ tiền cộng hưởng từ. Công việc nghiên cứu chính được thực hiện tại một bộ phận phòng thí nghiệm ở Holmdel, phía nam Đảo Staten. Không mất nhiều thời gian để các nhà nghiên cứu tìm ra những gì họ cần cho một máy thu tần số cao, và ngay sau đó, kỹ sư George Southworth đã lùng sục các cửa hàng radio ở Manhattan để tìm những máy dò râu mèo cũ. Đúng như mong đợi, nó hoạt động tốt hơn nhiều so với máy dò đèn, nhưng lại không ổn định. Vì vậy, Southworth đã tìm đến một nhà điện hóa tên là Russell Ohl và yêu cầu anh ta cố gắng cải thiện tính đồng nhất của phản ứng của máy dò tinh thể một điểm.
Ol là một người khá đặc biệt, coi sự phát triển của công nghệ là định mệnh của mình và thường xuyên nói về những hiểu biết sâu sắc với tầm nhìn về tương lai. Ví dụ, ông nói rằng vào năm 1939, ông đã biết về phát minh tương lai của bộ khuếch đại silicon, nhưng số phận đã định sẵn cho một người khác phát minh ra nó. Sau khi nghiên cứu hàng tá lựa chọn, ông quyết định chọn silicon là chất liệu tốt nhất cho máy thu Southworth. Vấn đề là khả năng kiểm soát nội dung của vật liệu để kiểm soát tính chất điện của nó. Vào thời điểm đó, các thỏi silicon công nghiệp rất phổ biến, chúng được sử dụng trong các nhà máy thép, nhưng trong quá trình sản xuất như vậy, không ai bận tâm đến hàm lượng phốt pho 1% trong silicon. Tranh thủ sự giúp đỡ của một vài nhà luyện kim, Ol bắt đầu thu được những phôi sạch hơn nhiều so với trước đây.
Khi làm việc, họ phát hiện ra rằng một số tinh thể điều chỉnh dòng điện theo một hướng, trong khi những tinh thể khác điều chỉnh dòng điện theo hướng khác. Họ gọi chúng là "loại n" và "loại p". Phân tích sâu hơn cho thấy các loại tạp chất khác nhau là nguyên nhân gây ra các loại này. Silicon nằm ở cột thứ tư của bảng tuần hoàn, nghĩa là nó có bốn electron ở lớp vỏ ngoài. Trong một khoảng trống silicon nguyên chất, mỗi electron này sẽ kết hợp với một electron lân cận. Các tạp chất từ cột thứ ba, chẳng hạn như boron, có ít electron hơn, đã tạo ra một “lỗ trống”, không gian bổ sung cho dòng điện chuyển động trong tinh thể. Kết quả là tạo ra một chất bán dẫn loại p (có quá nhiều điện tích dương). Các nguyên tố ở cột thứ năm, chẳng hạn như phốt pho, cung cấp thêm các electron tự do để mang dòng điện và thu được chất bán dẫn loại n.
Cấu trúc tinh thể của silicon
Tất cả nghiên cứu này đều rất thú vị, nhưng đến năm 1940, Southworth và Ohl vẫn chưa tiến gần hơn đến việc tạo ra một nguyên mẫu hoạt động của radar tần số cao. Đồng thời, chính phủ Anh yêu cầu phải có kết quả thực tế ngay lập tức do mối đe dọa đang rình rập từ Luftwaffe, vốn đã tạo ra các máy dò vi sóng sẵn sàng sản xuất hoạt động song song với máy phát magnetron.
Tuy nhiên, cán cân tiến bộ công nghệ sẽ sớm nghiêng về phía tây Đại Tây Dương. Churchill quyết định tiết lộ tất cả bí mật kỹ thuật của Anh cho người Mỹ trước khi ông thực sự tham chiến (vì ông cho rằng điều này dù sao cũng sẽ xảy ra). Ông tin rằng rủi ro rò rỉ thông tin là đáng giá, vì khi đó tất cả năng lực công nghiệp của Hoa Kỳ sẽ được dồn vào giải quyết các vấn đề như vũ khí nguyên tử và radar. Phái đoàn Khoa học và Công nghệ Anh (còn được gọi là ) đến Washington vào tháng 1940 năm XNUMX và mang theo hành lý của mình một món quà dưới dạng phép màu công nghệ.
Việc phát hiện ra sức mạnh đáng kinh ngạc của máy phát cao tần cộng hưởng và hiệu quả của máy dò tinh thể Anh trong việc nhận tín hiệu của nó đã làm sống lại nghiên cứu của Mỹ về chất bán dẫn làm cơ sở cho radar tần số cao. Có rất nhiều việc phải làm, đặc biệt là trong khoa học vật liệu. Để đáp ứng nhu cầu, tinh thể bán dẫn “phải được sản xuất với số lượng hàng triệu, nhiều hơn mức có thể trước đây. Cần phải cải thiện khả năng chỉnh lưu, giảm độ nhạy sốc và hiện tượng cháy, đồng thời giảm thiểu sự khác biệt giữa các lô tinh thể khác nhau.”
Bộ chỉnh lưu tiếp điểm silicon
Phòng thí nghiệm Rad đã mở các phòng nghiên cứu mới để nghiên cứu các tính chất của tinh thể bán dẫn và cách sửa đổi chúng để tối đa hóa các đặc tính có giá trị của máy thu. Những vật liệu hứa hẹn nhất là silicon và germanium, vì vậy Rad Lab quyết định chơi nó an toàn và triển khai các chương trình song song để nghiên cứu cả hai: silicon tại Đại học Pennsylvania và germanium tại Purdue. Những gã khổng lồ trong ngành như Bell, Westinghouse, Du Pont và Sylvania đã bắt đầu chương trình nghiên cứu chất bán dẫn của riêng họ và bắt đầu phát triển các cơ sở sản xuất mới cho máy dò tinh thể.
Thông qua những nỗ lực chung, độ tinh khiết của tinh thể silicon và germanium đã được nâng lên từ 99% lúc đầu lên 99,999% - nghĩa là đạt một hạt tạp chất trên 100 nguyên tử. Trong quá trình này, một nhóm nhà khoa học và kỹ sư đã làm quen với các tính chất trừu tượng của germanium và silicon và áp dụng các công nghệ để kiểm soát chúng: nấu chảy, nuôi cấy tinh thể, bổ sung các tạp chất cần thiết (như boron, giúp tăng độ dẫn điện).
Và rồi chiến tranh kết thúc. Nhu cầu về radar không còn nữa, nhưng kiến thức và kỹ năng thu được trong chiến tranh vẫn còn đó, và giấc mơ về một bộ khuếch đại bán dẫn vẫn không bị lãng quên. Bây giờ cuộc đua là tạo ra một bộ khuếch đại như vậy. Và ít nhất có XNUMX đội có hoàn cảnh thuận lợi để giành được giải thưởng này.
Tây Lafayette
Đầu tiên là một nhóm từ Đại học Purdue do nhà vật lý gốc Áo tên là Carl Lark-Horowitz dẫn đầu. Ông đã một tay đưa khoa vật lý của trường đại học thoát khỏi tình trạng mù mờ nhờ tài năng và tầm ảnh hưởng của mình, đồng thời gây ảnh hưởng đến quyết định của Rad Lab giao phó cho phòng thí nghiệm của ông nghiên cứu germanium.
Carl Lark-Horowitz năm 1947, ở giữa, cầm tẩu thuốc
Vào đầu những năm 1940, silicon được coi là vật liệu tốt nhất cho bộ chỉnh lưu radar, nhưng vật liệu nằm ngay dưới nó trong bảng tuần hoàn cũng có vẻ đáng được nghiên cứu thêm. Germanium có lợi thế thực tế do điểm nóng chảy thấp hơn, khiến nó dễ gia công hơn: khoảng 940 độ, so với 1400 độ của silicon (gần giống như thép). Do điểm nóng chảy cao nên cực kỳ khó tạo ra một phôi không rò rỉ vào silicon nóng chảy, làm nhiễm bẩn nó.
Vì vậy, Lark-Horowitz và các cộng sự của ông đã dành toàn bộ cuộc chiến để nghiên cứu các tính chất hóa học, điện và vật lý của germanium. Trở ngại quan trọng nhất là “điện áp ngược”: bộ chỉnh lưu germanium, ở điện áp rất thấp, đã ngừng chỉnh lưu dòng điện và cho phép nó chạy theo hướng ngược lại. Xung dòng điện ngược đã đốt cháy các bộ phận còn lại của radar. Một trong những sinh viên tốt nghiệp của Lark-Horowitz, Seymour Benzer, đã nghiên cứu vấn đề này trong hơn một năm và cuối cùng đã phát triển một chất phụ gia làm từ thiếc có thể dừng các xung ngược ở điện áp lên tới hàng trăm volt. Ngay sau đó, Western Electric, bộ phận sản xuất của Bell Labs, bắt đầu sản xuất bộ chỉnh lưu Benzer cho mục đích quân sự.
Việc nghiên cứu gecmani ở Purdue tiếp tục sau chiến tranh. Vào tháng 1947 năm XNUMX, Benzer, lúc đó đã là giáo sư, đã báo cáo một hiện tượng bất thường: trong một số thí nghiệm, dao động tần số cao xuất hiện trong tinh thể germanium. Và đồng nghiệp của ông, Ralph Bray, tiếp tục nghiên cứu “sức cản thể tích” trong một dự án được bắt đầu trong chiến tranh. Điện trở khối mô tả cách dòng điện chạy trong tinh thể germanium tại điểm tiếp xúc của bộ chỉnh lưu. Bray phát hiện ra rằng các xung điện áp cao làm giảm đáng kể điện trở của germani loại n đối với các dòng điện này. Không hề hay biết, anh đã chứng kiến cái gọi là. chất mang điện "thiểu số". Trong chất bán dẫn loại n, điện tích âm dư thừa đóng vai trò là hạt mang điện tích đa số, nhưng các “lỗ trống” dương cũng có thể mang dòng điện, và trong trường hợp này, các xung điện áp cao tạo ra các lỗ trống trong cấu trúc germanium, khiến xuất hiện các hạt mang điện tích thiểu số. .
Bray và Benzer đã đến gần bộ khuếch đại germanium một cách trêu ngươi mà không hề nhận ra. Benzer gặp Walter Brattain, một nhà khoa học của Bell Labs, tại một hội nghị vào tháng 1948 năm XNUMX để thảo luận về lực cản thể tích với ông ta. Ông đề nghị Brattain đặt một điểm tiếp xúc khác bên cạnh điểm tiếp xúc đầu tiên có thể dẫn dòng điện, và sau đó họ có thể hiểu được điều gì đang xảy ra bên dưới bề mặt. Brattain lặng lẽ đồng ý với đề nghị này và rời đi. Như chúng ta sẽ thấy, ông biết rất rõ một thí nghiệm như vậy có thể tiết lộ điều gì.
Oney-sous-Bois
Nhóm Purdue có cả công nghệ lẫn cơ sở lý thuyết để thực hiện bước nhảy vọt về bóng bán dẫn. Nhưng họ chỉ có thể tình cờ gặp được nó. Họ quan tâm đến các tính chất vật lý của vật liệu chứ không phải việc tìm kiếm một loại thiết bị mới. Một tình huống rất khác lại xảy ra ở Aunes-sous-Bois (Pháp), nơi hai cựu nhà nghiên cứu radar đến từ Đức, Heinrich Welker và Herbert Mathare, dẫn đầu một nhóm có mục tiêu là tạo ra các thiết bị bán dẫn công nghiệp.
Welker đầu tiên nghiên cứu và sau đó dạy vật lý tại Đại học Munich, do nhà lý thuyết nổi tiếng Arnold Sommerfeld điều hành. Từ năm 1940, ông rời bỏ con đường lý thuyết thuần túy và bắt đầu nghiên cứu radar cho Không quân Đức. Mathare (gốc Bỉ) lớn lên ở Aachen, nơi ông học vật lý. Ông gia nhập bộ phận nghiên cứu của hãng phát thanh khổng lồ Telefunken của Đức vào năm 1939. Trong chiến tranh, ông chuyển công việc của mình từ Berlin về phía đông đến tu viện ở Silesia để tránh các cuộc không kích của quân Đồng minh, rồi quay trở lại phía tây để tránh sự tiến công của Hồng quân, cuối cùng rơi vào tay quân đội Mỹ.
Giống như các đối thủ của họ trong Liên minh chống Hitler, vào đầu những năm 1940, người Đức đã biết rằng máy dò tinh thể là thiết bị thu lý tưởng cho radar, và silicon và germanium là những vật liệu hứa hẹn nhất cho sự sáng tạo của họ. Mathare và Welker trong chiến tranh đã cố gắng cải thiện việc sử dụng hiệu quả những vật liệu này trong bộ chỉnh lưu. Sau chiến tranh, cả hai đều bị thẩm vấn định kỳ về công tác quân sự và cuối cùng nhận được lời mời từ một sĩ quan tình báo Pháp tới Paris vào năm 1946.
Compagnie des Freins & Signaux ("công ty phanh và tín hiệu"), một chi nhánh của Westinghouse ở Pháp, đã nhận được hợp đồng từ cơ quan quản lý điện thoại Pháp để chế tạo bộ chỉnh lưu thể rắn và tìm kiếm các nhà khoa học Đức để giúp đỡ họ. Một liên minh như vậy của những kẻ thù gần đây có vẻ kỳ lạ, nhưng sự sắp xếp này hóa ra lại khá có lợi cho cả hai bên. Người Pháp, bị đánh bại vào năm 1940, không có khả năng tiếp thu kiến thức trong lĩnh vực bán dẫn và họ rất cần những kỹ năng của người Đức. Người Đức không thể tiến hành phát triển bất kỳ lĩnh vực công nghệ cao nào ở một đất nước bị chiếm đóng và bị chiến tranh tàn phá nên họ đã chớp lấy cơ hội để tiếp tục làm việc.
Welker và Mathare đặt trụ sở chính trong một ngôi nhà hai tầng ở Aunes-sous-Bois, ngoại ô Paris, và với sự giúp đỡ của đội ngũ kỹ thuật viên, họ đã cho ra mắt thành công bộ chỉnh lưu germanium vào cuối năm 1947. Sau đó, họ chuyển sang lĩnh vực nghiêm túc hơn. giải thưởng: Welker quay trở lại với mối quan tâm của mình đối với chất siêu dẫn và Mathare với bộ khuếch đại.
Herbert Mathare năm 1950
Trong chiến tranh, Mathare đã thử nghiệm bộ chỉnh lưu tiếp xúc hai điểm—“duodeodes”—trong nỗ lực giảm nhiễu mạch. Ông tiếp tục các thí nghiệm của mình và nhanh chóng phát hiện ra rằng râu của con mèo thứ hai, nằm cách con mèo đầu tiên 1/100 triệu mét, đôi khi có thể điều chỉnh dòng điện chạy qua râu thứ nhất. Ông đã tạo ra một bộ khuếch đại trạng thái rắn, mặc dù nó khá vô dụng. Để đạt được hiệu suất đáng tin cậy hơn, ông tìm đến Welker, người đã có nhiều kinh nghiệm làm việc với tinh thể germanium trong chiến tranh. Nhóm của Welker đã phát triển các mẫu tinh thể germanium lớn hơn, tinh khiết hơn và khi chất lượng của vật liệu được cải thiện, bộ khuếch đại tiếp xúc điểm Mathare trở nên đáng tin cậy vào tháng 1948 năm XNUMX.
Hình ảnh tia X của một "transistron" dựa trên mạch Mathare, có hai điểm tiếp xúc với germanium
Mathare thậm chí còn có một mô hình lý thuyết về những gì đang xảy ra: ông tin rằng tiếp điểm thứ hai tạo ra các lỗ trên germanium, tăng tốc độ dòng điện chạy qua tiếp điểm thứ nhất, cung cấp một số ít hạt mang điện. Welker không đồng ý với anh ta và tin rằng những gì đang xảy ra phụ thuộc vào một loại hiệu ứng trường nào đó. Tuy nhiên, trước khi họ có thể phát minh ra thiết bị hoặc lý thuyết, họ được biết rằng một nhóm người Mỹ đã phát triển chính xác khái niệm tương tự - một bộ khuếch đại germanium với hai điểm tiếp xúc - sáu tháng trước đó.
Đồi Murray
Khi chiến tranh kết thúc, Mervyn Kelly đã cải tổ nhóm nghiên cứu chất bán dẫn của Bell Labs do Bill Shockley đứng đầu. Dự án phát triển, nhận được nhiều tài trợ hơn và chuyển từ tòa nhà phòng thí nghiệm ban đầu ở Manhattan đến một khuôn viên mở rộng ở Murray Hill, New Jersey.
Cơ sở Murray Hill, ca. 1960
Để làm quen lại với chất bán dẫn tiên tiến (sau thời gian nghiên cứu hoạt động trong chiến tranh), Shockley đã đến thăm phòng thí nghiệm Holmdel của Russell Ohl vào mùa xuân năm 1945. Ohl đã dành những năm tháng chiến tranh để nghiên cứu silicon và không hề lãng phí thời gian. Anh ấy cho Shockley xem một bộ khuếch đại thô sơ do chính anh ấy chế tạo, mà anh ấy gọi là “máy hủy bỏ”. Anh ta lấy một bộ chỉnh lưu tiếp xúc điểm silicon và truyền dòng điện từ pin qua nó. Rõ ràng, nhiệt từ pin đã làm giảm điện trở qua điểm tiếp xúc và biến bộ chỉnh lưu thành bộ khuếch đại có khả năng truyền tín hiệu vô tuyến đến một mạch đủ mạnh để cấp nguồn cho loa.
Hiệu ứng này thô thiển và không đáng tin cậy, không phù hợp để thương mại hóa. Tuy nhiên, điều đó cũng đủ để khẳng định quan điểm của Shockley rằng có thể tạo ra một bộ khuếch đại bán dẫn và điều này cần được ưu tiên cho nghiên cứu trong lĩnh vực điện tử thể rắn. Cũng chính cuộc gặp gỡ với nhóm của Ola đã thuyết phục Shockley rằng silicon và germanium nên được nghiên cứu trước tiên. Chúng thể hiện các đặc tính điện hấp dẫn, và các nhà luyện kim đồng nghiệp của Ohl là Jack Skaff và Henry Theurer đã đạt được thành công đáng kinh ngạc trong việc phát triển, tinh chế và pha tạp các tinh thể này trong chiến tranh, vượt qua tất cả các công nghệ có sẵn cho các vật liệu bán dẫn khác. Nhóm của Shockley sẽ không lãng phí thêm thời gian vào các bộ khuếch đại oxit đồng trước chiến tranh.
Với sự giúp đỡ của Kelly, Shockley bắt đầu tập hợp một đội mới. Những người chơi chủ chốt bao gồm Walter Brattain, người đã giúp Shockley trong nỗ lực đầu tiên tạo ra bộ khuếch đại trạng thái rắn (năm 1940), và John Bardeen, một nhà vật lý trẻ và nhân viên mới của Bell Labs. Bardeen có lẽ là người có kiến thức sâu rộng nhất về vật lý chất rắn so với bất kỳ thành viên nào trong nhóm—luận án của ông mô tả mức năng lượng của các electron trong cấu trúc của kim loại natri. Ông cũng là một người được bảo trợ khác của John Hasbrouck Van Vleck, giống như Atanasov và Brattain.
Và giống như Atanasov, luận văn của Bardeen và Shockley yêu cầu những phép tính cực kỳ phức tạp. Họ phải sử dụng lý thuyết cơ học lượng tử của chất bán dẫn do Alan Wilson định nghĩa để tính toán cấu trúc năng lượng của vật liệu bằng máy tính để bàn của Monroe. Bằng cách giúp tạo ra bóng bán dẫn, trên thực tế, họ đã góp phần cứu các sinh viên tốt nghiệp trong tương lai khỏi công việc như vậy.
Cách tiếp cận đầu tiên của Shockley đối với bộ khuếch đại trạng thái rắn dựa vào cái mà sau này được gọi là "". Ông treo một tấm kim loại lên trên một chất bán dẫn loại n (có quá nhiều điện tích âm). Đặt một điện tích dương vào tấm sẽ kéo các electron dư thừa lên bề mặt tinh thể, tạo ra một dòng điện tích âm mà dòng điện có thể dễ dàng chạy qua. Tín hiệu được khuếch đại (được biểu thị bằng mức điện tích trên tấm bán dẫn) theo cách này có thể điều chỉnh mạch chính (truyền dọc theo bề mặt của chất bán dẫn). Hiệu quả của kế hoạch này đã được gợi ý cho ông nhờ kiến thức lý thuyết về vật lý của ông. Tuy nhiên, bất chấp nhiều thử nghiệm và thử nghiệm, kế hoạch này không bao giờ thành công.
Đến tháng 1946 năm XNUMX, Bardeen đã tạo ra một lý thuyết phát triển tốt giải thích lý do cho điều này: bề mặt của chất bán dẫn ở cấp độ lượng tử hoạt động khác với bên trong của nó. Các điện tích âm được hút lên bề mặt sẽ bị giữ lại ở "trạng thái bề mặt" và ngăn chặn điện trường xuyên qua tấm vào vật liệu. Những người còn lại trong nhóm nhận thấy phân tích này hấp dẫn và đưa ra một chương trình nghiên cứu mới theo ba hướng:
- Chứng minh sự tồn tại của các trạng thái bề mặt.
- Nghiên cứu tính chất của chúng.
- Tìm ra cách đánh bại chúng và làm cho nó hoạt động .
Sau một năm rưỡi nghiên cứu và thử nghiệm, ngày 17/1947/XNUMX, Brattain đã có bước đột phá. Ông phát hiện ra rằng nếu đặt một chất lỏng chứa đầy ion, chẳng hạn như nước, giữa một tấm wafer và một chất bán dẫn, thì một điện trường từ tấm wafer sẽ đẩy các ion về phía chất bán dẫn, nơi chúng sẽ trung hòa các điện tích bị mắc kẹt ở trạng thái bề mặt. Bây giờ ông có thể điều khiển hành vi điện của một miếng silicon bằng cách thay đổi điện tích trên tấm bán dẫn. Thành công này đã mang lại cho Bardeen ý tưởng về một phương pháp mới để tạo ra bộ khuếch đại: bao quanh điểm tiếp xúc của bộ chỉnh lưu bằng nước điện phân, sau đó sử dụng dây thứ hai trong nước để kiểm soát các điều kiện bề mặt, từ đó kiểm soát mức độ dẫn điện của dây chính. liên hệ. Vậy là Bardeen và Brattain đã về đích.
Ý tưởng của Bardeen đã thành công, nhưng khả năng khuếch đại yếu và hoạt động ở tần số rất thấp mà tai người không thể tiếp cận được - vì vậy nó vô dụng như một bộ khuếch đại điện thoại hoặc radio. Bardeen đề nghị chuyển sang sử dụng germanium có khả năng chống điện áp ngược được sản xuất tại Purdue, tin rằng sẽ thu được ít điện tích hơn trên bề mặt của nó. Đột nhiên họ nhận được một sự gia tăng mạnh mẽ, nhưng theo hướng ngược lại với những gì được mong đợi. Họ phát hiện ra hiệu ứng hạt tải điện thiểu số - thay vì các electron như mong đợi, dòng điện chạy qua germanium được khuếch đại bởi các lỗ phát ra từ chất điện phân. Dòng điện trên dây trong chất điện phân tạo ra một lớp loại p (vùng chứa nhiều điện tích dương) trên bề mặt của germanium loại n.
Các thí nghiệm sau đó cho thấy rằng hoàn toàn không cần chất điện phân: chỉ cần đặt hai điểm tiếp xúc gần nhau trên bề mặt germani, người ta có thể điều chỉnh dòng điện từ một trong số chúng sang dòng điện trên bề mặt kia. Để mang chúng lại gần nhau nhất có thể, Brattain quấn một miếng giấy bạc vàng xung quanh một miếng nhựa hình tam giác rồi cẩn thận cắt giấy bạc ở phần cuối. Sau đó, dùng lò xo ấn hình tam giác vào germanium, kết quả là hai cạnh của vết cắt chạm vào bề mặt của nó ở khoảng cách 0,05 mm. Điều này đã mang lại cho nguyên mẫu bóng bán dẫn của Bell Labs vẻ ngoài đặc biệt:
Nguyên mẫu bóng bán dẫn Brattain và Bardeen
Giống như thiết bị của Mathare và Welker, về nguyên tắc, nó là một loại "râu mèo" cổ điển, chỉ có hai điểm tiếp xúc thay vì một. Vào ngày 16 tháng 1000, nó tạo ra sự gia tăng đáng kể về công suất và điện áp, đồng thời tạo ra tần số 100 Hz trong phạm vi âm thanh. Một tuần sau, sau những cải tiến nhỏ, Bardeen và Brattain đã tăng điện áp lên 40 lần và công suất lên XNUMX lần, đồng thời chứng minh cho các giám đốc của Bell rằng thiết bị của họ có thể tạo ra giọng nói có thể nghe được. John Pierce, một thành viên khác của nhóm phát triển thể rắn, đã đặt ra thuật ngữ "bóng bán dẫn" theo tên của bộ chỉnh lưu oxit đồng của Bell, biến trở.
Trong sáu tháng tiếp theo, phòng thí nghiệm đã giữ bí mật về phát minh mới này. Ban quản lý muốn đảm bảo rằng họ đã bắt đầu thương mại hóa bóng bán dẫn trước khi có bất kỳ ai khác chạm tay vào nó. Một cuộc họp báo đã được lên kế hoạch vào ngày 30 tháng 1948 năm XNUMX, đúng lúc để phá tan giấc mơ bất tử của Welker và Mathare. Trong khi đó, nhóm nghiên cứu chất bán dẫn lặng lẽ sụp đổ. Sau khi nghe về thành tích của Bardeen và Brattain, ông chủ của họ, Bill Shockley, bắt đầu làm việc để giành hết công lao cho mình. Và mặc dù anh ấy chỉ đóng vai trò quan sát, Shockley đã nhận được sự chú ý tương đương, nếu không muốn nói là nhiều hơn, trong buổi thuyết trình trước công chúng - như được thấy trong bức ảnh được công bố này về anh ấy trong tình trạng dày đặc của hành động, ngay bên cạnh băng ghế trong phòng thí nghiệm:
Ảnh công khai năm 1948 - Bardeen, Shockley và Brattain
Tuy nhiên, danh tiếng ngang nhau là chưa đủ đối với Shockley. Và trước khi bất cứ ai bên ngoài Bell Labs biết về bóng bán dẫn, anh ấy đã bận rộn phát minh lại nó cho riêng mình. Và đây chỉ là lần đầu tiên trong số rất nhiều sự tái tạo như vậy.
Còn gì để đọc
- Robert Buderi, Phát minh đã thay đổi thế giới (1996)
- Michael Riordan, “Châu Âu đã bỏ lỡ bóng bán dẫn như thế nào,” IEEE Spectrum (ngày 1 tháng 2005 năm XNUMX)
- Michael Riordan và Lillian Hoddeson, Lửa pha lê (1997)
- Armand Van Dormael, “Bóng bán dẫn 'Pháp'," (1994)
Nguồn: www.habr.com