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战争的严酷考验为晶体管的出现奠定了基础。 从 1939 年到 1945 年，半导体领域的技术知识大幅扩展。 原因很简单：雷达。 最重要的战争技术，例子包括：探测空袭、搜索潜艇、引导夜间空袭目标、瞄准防空系统和舰炮。 工程师甚至学会了如何将微型雷达塞进炮弹中，以便它们在飞近目标时爆炸 - 。 然而，这种强大的新军事技术的来源是一个更加和平的领域：出于科学目的对高层大气进行研究。
雷达
1901 年，马可尼无线电报公司成功地将无线消息传输到大西洋彼岸，从康沃尔郡到达纽芬兰。 这一事实使现代科学陷入混乱。 如果无线电传输沿直线传播（正如它们应该的那样），这种传输应该是不可能的。 英格兰和加拿大之间没有不穿越地球的直接视线，因此马可尼的信息必须飞向太空。 美国工程师阿瑟·肯尼利（Arthur Kennealy）和英国物理学家奥利弗·赫维赛德（Oliver Heaviside）同时独立地提出，对这一现象的解释一定与位于高层大气中的一层电离气体有关，该气体能够将无线电波反射回地球（马可尼本人认为无线电波遵循地球表面的曲率，但物理学家并不支持）。
到了 1920 年代，科学家们开发出了新设备，可以首先证明电离层的存在，然后研究其结构。 他们使用真空管产生短波无线电脉冲，使用定向天线将其发送到大气中并记录回声，以及 展示结果。 回波返回延迟越长，电离层就越远。 这项技术被称为大气探测，它为雷达的发展提供了基本的技术基础设施（“雷达”一词来自无线电探测和测距，直到 1940 世纪 XNUMX 年代才在美国海军中出现）。
拥有正确知识、资源和动力的人们认识到此类设备在地面应用的潜力只是时间问题（因此雷达的历史与望远镜的历史相反，望远镜最初是用于地面使用） 。 随着无线电在全球范围内的传播越来越广泛，越来越多的人注意到来自附近船只、飞机和其他大型物体的干扰，这种洞察力的可能性也随之增加。 第二次高层大气探测技术知识传播 （1932-1933），科学家们从不同的北极站绘制了电离层地图。 不久之后，英国、美国、德国、意大利、苏联等国家的团队开发出了他们最简单的雷达系统。
和他 1935 年的雷达
然后战争爆发了，雷达对各国以及开发雷达的资源的重要性急剧增加。 在美国，这些资源聚集在 1940 年在麻省理工学院成立的一个新组织周围，该组织被称为 （它被如此命名是为了误导外国间谍，并造成人们正在实验室研究放射性的印象——当时很少有人相信原子弹）。 Rad Lab 项目虽然没有曼哈顿项目那样出名，但却从美国各地招募了同样优秀和有才华的物理学家加入其行列。 实验室第一批员工中的五名（包括 и ）随后获得了诺贝尔奖。 到战争结束时，大约有500名理学博士、科学家和工程师在实验室工作，总共有4000人工作。 仅辐射实验室系列就花费了 XNUMX 万美元（相当于整个 ENIAC 预算），该系列共 XNUMX 卷，记录了战争期间从实验室获得的所有知识（尽管美国政府在雷达技术上的支出并不限于此） Rad 实验室预算；战争期间政府购买了价值 XNUMX 亿美元的雷达）。
Rad 实验室所在的麻省理工学院 20 号楼
Rad 实验室的主要研究领域之一是高频雷达。 早期的雷达使用以米为单位测量的波长。 但波长以厘米为单位的高频波束（微波）允许使用更紧凑的天线，并且在长距离上散射较少，从而在范围和精度方面具有更大的优势。 微波雷达可以安装在飞机的机头中并探测潜艇潜望镜大小的物体。
第一个解决这个问题的是来自伯明翰大学的英国物理学家团队。 1940年他们开发了““，它的工作原理就像电磁“口哨”，将随机的电脉冲转变为强大且精确调谐的微波束。 这种微波发射器的功率是其最接近的竞争对手的一千倍； 它为实用的高频雷达发射器铺平了道路。 然而，他需要一个伴侣，一个能够检测高频的接收器。 至此，我们回到了半导体的历史。
磁控管截面
猫须第二次降临
事实证明，真空管根本不适合接收微波雷达信号。 热阴极和冷阳极之间的间隙会产生电容，导致电路拒绝在高频下工作。 高频雷达可用的最佳技术是老式的““ - 一小段电线压在半导体晶体上。 有几个人独立发现了这一点，但与我们的故事最接近的是新泽西州发生的事情。
1938 年，贝尔实验室与海军签订合同，开发 40 厘米范围内的火控雷达，比预谐振磁控管时代的现有雷达更短，因此频率更高。 主要研究工作在史泰登岛南部霍姆德尔的一个实验室部门进行。 没过多久，研究人员就弄清楚了他们需要什么高频接收器，很快工程师乔治·索斯沃斯就在曼哈顿的无线电商店里搜寻旧的猫须探测器。 正如预期的那样，它比灯检测器工作得好得多，但不稳定。 于是索思沃斯找到了一位名叫拉塞尔·奥尔的电化学家，请他尝试提高单点晶体探测器响应的均匀性。
奥尔是一个比较奇特的人，他认为科技的发展就是自己的命运，并以对未来的憧憬谈论周期性的见解。 例如，他表示，早在 1939 年，他就知道未来会发明硅放大器，但这种命运注定由另一个人发明它。 在研究了数十种选择后，他选择硅作为索斯沃斯接收器的最佳材料。 问题在于控制材料的含量以控制其电性能的能力。 当时，工业硅锭很普遍；它们被用于钢厂，但在这种生产中，没有人会担心硅中1%的磷含量。 在几位冶金学家的帮助下，奥尔开始获得比以前更清洁的毛坯。
当他们工作时，他们发现一些晶体在一个方向上整流电流，而另一些晶体在另一个方向上整流电流。 他们称它们为“n型”和“p型”。 进一步分析表明，不同类型的杂质造成了这些类型。 硅位于元素周期表的第四列，这意味着它的外壳有四个电子。 在纯硅坯料中，每个电子都会与相邻电子结合。 来自第三列的杂质，例如硼，少了一个电子，产生了一个“空穴”，为晶体中的电流运动提供了额外的空间。 结果是 p 型半导体（带有过量的正电荷）。 第五列的元素，例如磷，提供了额外的自由电子来承载电流，并获得了 n 型半导体。
硅的晶体结构
所有这些研究都非常有趣，但到 1940 年，Southworth 和 Ohl 仍然距离创建高频雷达的工作原型还差得很远。 与此同时，由于德国空军迫在眉睫的威胁，英国政府要求立即取得实际成果，德国空军已经制造出了与磁控管发射器协同工作的可立即生产的微波探测器。
然而，技术进步的天平很快就会向大西洋西侧倾斜。 丘吉尔决定在真正参战之前向美国人透露英国的所有技术秘密（因为他认为这无论如何都会发生）。 他认为冒信息泄露的风险是值得的，因为这样美国所有的工业能力都会投入到解决原子武器和雷达等问题上。 英国科学技术代表团（更广为人知的名称是 ）于 1940 年 XNUMX 月抵达华盛顿，并在行李中带来了一份科技奇迹的礼物。
谐振磁控管令人难以置信的力量和英国晶体探测器接收其信号的有效性的发现，振兴了美国对作为高频雷达基础的半导体的研究。 还有很多工作要做，特别是在材料科学方面。 为了满足需求，半导体晶体“必须生产数以百万计，远远超过以前的产量。 有必要改进整流，降低冲击敏感性和老化，并尽量减少不同批次晶体之间的差异。”
硅点接触整流器
Rad 实验室开设了新的研究部门，研究半导体晶体的特性以及如何对其进行修改以最大限度地提高有价值的接收器特性。 最有前途的材料是硅和锗，因此 Rad 实验室决定谨慎行事，启动了并行项目来研究这两种材料：宾夕法尼亚大学的硅和普渡大学的锗。 贝尔、西屋电气、杜邦和 Sylvania 等行业巨头开始了自己的半导体研究计划，并开始开发用于晶体探测器的新制造设施。
经过共同努力，硅、锗晶体的纯度从最初的99%提高到99,999%，即每100万个原子中有一个杂质颗粒。 在此过程中，一批科学家和工程师逐渐熟悉了锗和硅的抽象特性，并应用了控制它们的技术：熔化、生长晶体、添加必要的杂质（例如硼，可提高导电性）。
然后战争结束了。 对雷达的需求消失了，但在战争期间获得的知识和技能仍然存在，并且固态放大器的梦想没有被忘记。 现在的竞赛是创造这样一个放大器。 至少有三支球队有能力赢得这个奖项。
西拉斐特
第一个是普渡大学的一个小组，由奥地利出生的物理学家卡尔·拉克-霍洛维茨领导。 他凭借自己的才华和影响力，一手让该大学的物理系走出了默默无闻，并影响了 Rad 实验室将锗研究委托给他的实验室的决定。
1947 年，卡尔·拉克-霍洛维茨（中）拿着烟斗
到 1940 世纪 940 年代初期，硅被认为是雷达整流器的最佳材料，但元素周期表中紧邻硅的材料看起来也值得进一步研究。 锗具有实际优势，因为它的熔点较低，因此更容易加工：熔点约为 1400 度，而硅的熔点为 XNUMX 度（几乎与钢相同）。 由于熔点很高，要制造出不会泄漏到熔融硅中并污染它的毛坯是极其困难的。
因此，拉克-霍洛维茨和他的同事们在整个战争期间都在研究锗的化学、电学和物理特性。 最重要的障碍是“反向电压”：锗整流器在非常低的电压下停止整流电流并允许其沿相反方向流动。 反向电流脉冲烧毁了雷达的其余部件。 Lark-Horowitz 的研究生 Seymour Benzer 研究了这个问题一年多，最终开发出了一种锡基添加剂，可以在高达数百伏的电压下阻止反向脉冲。 此后不久，贝尔实验室的制造部门西部电气开始生产军用本泽整流器。
战后，普渡大学对锗的研究仍在继续。 1947年XNUMX月，已经是教授的本泽报告了一个不寻常的异常现象：在一些实验中，锗晶体中出现了高频振荡。 他的同事拉尔夫·布雷继续在战争期间开始的一个项目中研究“体积阻力”。 体积电阻描述了电流在整流器接触点处的锗晶体中的流动情况。 布雷发现，高压脉冲显着降低了 n 型锗对这些电流的抵抗力。 不知不觉间，他亲眼目睹了所谓的事情。 “少数”电荷载流子。 在n型半导体中，多余的负电荷充当多数载流子，但正“空穴”也可以携带电流，在这种情况下，高压脉冲在锗结构中产生空穴，导致少数载流子出现。
布雷和本泽在没有意识到的情况下非常接近锗放大器。 1948 年 XNUMX 月，本泽在一次会议上遇见了贝尔实验室的科学家沃尔特·布拉顿 (Walter Brattain)，与他讨论了体积阻力。 他建议布拉顿在第一个可以传导电流的点旁边放置另一个点接触，然后他们也许能够了解表面以下发生的情况。 布拉顿默默地同意了这个提议并离开了。 正如我们将看到的，他非常清楚这样的实验可以揭示什么。
奥尼苏布瓦
普渡大学的研究小组拥有向晶体管迈进的技术和理论基础。 但他们只能是偶然发现的。 他们感兴趣的是材料的物理特性，而不是寻找新型设备。 Aunes-sous-Bois（法国）的情况则截然不同，来自德国的两名前雷达研究人员 Heinrich Welker 和 Herbert Mathare 领导了一个团队，其目标是制造工业半导体器件。
韦尔克首先在著名理论家阿诺德·索末菲管理的慕尼黑大学学习物理学，然后教授物理学。 自 1940 年以来，他离开了纯粹的理论道路，开始为德国空军研制雷达。 马萨雷（比利时裔）在亚琛长大，在那里学习物理学。 1939年，他加入德国无线电巨头德律风根的研究部门。 战争期间，他将作品从柏林东部转移到西里西亚的修道院，以避免盟军空袭，然后又回到西部以躲避前进的红军，最终落入美军手中。
与反希特勒联盟中的对手一样，德国人在 1940 世纪 1946 年代初就知道晶体探测器是雷达的理想接收器，而硅和锗是最有前途的制造材料。 Mathare 和 Welker 在战争期间尝试提高这些材料在整流器中的使用效率。 战后，两人都因军事工作而受到定期审讯，并最终于 XNUMX 年收到一名法国情报官员前往巴黎的邀请。
西屋公司的法国分公司Compagnie des Freins & Signaux（“刹车和信号公司”）收到了法国电话管理局的一份合同，生产固态整流器，并寻求德国科学家的帮助。 这样的近敌联盟可能看起来很奇怪，但事实证明这种安排对双方都相当有利。 1940年战败的法国人没有能力获得半导体领域的知识，他们迫切需要德国人的技能。 德国人无法在一个被占领和饱受战争蹂躏的国家进行任何高科技领域的开发，因此他们抓住了继续工作的机会。
Welker 和 Mathare 将总部设在巴黎郊区 Aunes-sous-Bois 的一栋两层楼房子里，在技术人员团队的帮助下，于 1947 年底成功推出了锗整流器。随后他们转向更认真的方向奖项：韦尔克恢复了对超导体的兴趣，玛萨雷则重新开始对放大器产生兴趣。
赫伯特·马萨雷，1950 年
战争期间，Mathare 尝试使用两点接触整流器（“duodeodes”）来降低电路噪声。 他继续进行实验，很快发现第二根猫的胡须距离第一根猫的胡须的距离为百万分之一米，有时可以调节流经第一根胡须的电流。 他创造了一种固态放大器，尽管是一个相当无用的放大器。 为了获得更可靠的性能，他求助于韦尔克，韦尔克在战争期间获得了丰富的锗晶体工作经验。 Welker 的团队培育出更大、更纯的锗晶体样品，随着材料质量的提高，Mathare 点接触放大器到 1 年 100 月变得可靠。
基于 Mathare 电路的“晶体管”的 X 射线图像，该电路有两个与锗接触的点
马萨雷甚至对所发生的情况有一个理论模型：他相信第二个接触在锗上形成了孔，加速了电流通过第一个接触的速度，提供了少数电荷载流子。 韦尔克不同意他的观点，并认为所发生的事情取决于某种场效应。 然而，在他们研究出该设备或理论之前，他们了解到一群美国人在六个月前开发出了完全相同的概念——具有两点接触的锗放大器。
默里山
战争结束时，默文·凯利重组了贝尔实验室以比尔·肖克利为首的半导体研究小组。 该项目不断发展，获得了更多资金，并从曼哈顿原来的实验室大楼搬到了新泽西州默里山的扩建园区。
默里山校区，约1960年
为了重新熟悉先进的半导体（在战争期间从事运筹学工作之后），肖克利于 1945 年春天参观了 Russell Ohl 的 Holmdel 实验室。 奥尔在战争年代致力于硅的研究，没有浪费任何时间。 他向肖克利展示了他自己制作的一个粗糙的放大器，他称之为“desister”。 他采用了硅点接触整流器，并通过它从电池发送电流。 显然，电池产生的热量降低了接触点的电阻，并将整流器变成了放大器，能够将传入的无线电信号传输到足以为扬声器供电的电路
效果粗糙且不可靠，不适合商业化。 然而，这足以证实肖克利的观点，即制造半导体放大器是可能的，并且这应该成为固态电子学领域研究的优先事项。 也正是这次与奥拉团队的会面，让肖克利相信应该首先研究硅和锗。 它们表现出有吸引力的电特性，奥尔的冶金学家同事杰克·斯卡夫和亨利·特雷尔在战争期间在生长、纯化和掺杂这些晶体方面取得了惊人的成功，超越了其他半导体材料的所有可用技术。 肖克利的团队不会再在战前的氧化铜放大器上浪费时间。
在凯利的帮助下，肖克利开始组建一支新团队。 主要参与者包括帮助肖克利首次尝试固态放大器（1940 年）的沃尔特·布拉顿（Walter Brattain）和年轻的物理学家、贝尔实验室的新员工约翰·巴丁（John Bardeen）。 巴丁可能是该团队成员中拥有最广泛的固态物理学知识的人——他的论文描述了钠金属结构中电子的能级。 与阿塔纳索夫和布拉顿一样，他也是约翰·哈斯布鲁克·范弗莱克的另一位门徒。
与阿塔纳索夫一样，巴丁和肖克利的论文也需要极其复杂的计算。 他们必须使用艾伦·威尔逊定义的半导体量子力学理论，使用门罗的桌面计算器来计算材料的能量结构。 事实上，通过帮助制造晶体管，他们为未来的研究生免于此类工作做出了贡献。
肖克利的第一个固态放大器方法依赖于后来所谓的“”。 他将一块金属板悬挂在 n 型半导体（带有过量负电荷）上。 在板上施加正电荷会将多余的电子拉到晶体表面，形成一条负电荷河，电流可以轻松流过。 通过这种方式放大的信号（由晶圆上的电荷水平表示）可以调制主电路（沿着半导体表面传递）。 他的物理学理论知识向他暗示了这个方案的效率。 但是，尽管进行了多次实验，该计划从未奏效。
到 1946 年 XNUMX 月，巴丁创建了一个完善的理论来解释其原因：量子水平上的半导体表面的行为与其内部不同。 吸引到表面的负电荷被捕获在“表面态”中，并阻止电场穿透板进入材料。 团队的其他成员发现这一分析令人信服，并沿着三个方向启动了一项新的研究计划：
- 证明表面态的存在。
- 研究它们的特性。
- 弄清楚如何击败他们并使其发挥作用 .
经过一年半的研究和实验，17年1947月XNUMX日，布拉顿取得了突破。 他发现，如果在晶圆和半导体之间放置充满离子的液体（例如水），晶圆产生的电场会将离子推向半导体，从而中和表面态中捕获的电荷。 现在，他可以通过改变晶圆上的电荷来控制一块硅的电气行为。 这一成功让巴丁产生了一种创建放大器的新方法的想法：用电解质水包围整流器的接触点，然后在水中使用第二根电线来控制表面条件，从而控制主电路的电导率水平。接触。 就这样，巴丁和布拉顿到达了终点线。
巴丁的想法奏效了，但放大效果很弱，而且工作频率非常低，人耳无法听到，所以它作为电话或无线电放大器毫无用处。 巴丁建议改用普渡大学生产的耐反向电压的锗，因为他相信其表面聚集的电荷会更少。 突然间，他们得到了强大的提升，但方向却与预期相反。 他们发现了少数载流子效应——流经锗的电流不是预期的电子，而是被来自电解质的空穴放大。 电解液中导线上的电流在 n 型锗表面形成 p 型层（过量正电荷的区域）。
随后的实验表明，根本不需要电解质：只需将两个接触点靠近锗表面，就可以将其中一个接触点的电流调节到另一个接触点的电流。 为了使它们尽可能接近，布拉顿将一块金箔包裹在一块三角形塑料上，然后小心地在末端切割金箔。 然后，他使用弹簧将三角形压在锗上，切口的两个边缘以 0,05 毫米的距离接触其表面。 这使得贝尔实验室的晶体管原型具有独特的外观：
Brettain 和 Bardeen 晶体管原型
与 Mathare 和 Welker 的装置一样，它原则上是一种经典的“猫须”，只是有两个接触点而不是一个。 16月1000日，功率和电压显着增加，频率在可听范围内达到100赫兹。 一周后，经过小幅改进，巴丁和布拉顿将电压提高了 40 倍，功率提高了 XNUMX 倍，并向贝尔的董事们展示了他们的设备可以产生可听的语音。 固态开发团队的另一位成员约翰·皮尔斯（John Pierce）以贝尔公司的氧化铜整流器（压敏电阻）的名称创造了“晶体管”一词。
在接下来的六个月里，实验室对新产品保密。 管理层希望确保他们在其他人获得晶体管之前在商业化晶体管方面占据先机。 30 年 1948 月 XNUMX 日举行的新闻发布会正好打破了韦尔克和玛萨雷的永生梦想。 与此同时，半导体研究小组悄然瓦解。 在听说巴丁和布拉顿的成就后，他们的老板比尔·肖克利开始努力将所有功劳据为己有。 尽管肖克利只扮演了观察员的角色，但他在公开演讲中获得了同等甚至更多的宣传——正如这张发布的他在实验最激烈的照片中所看到的那样，照片就在实验室长凳旁边：
1948 年宣传照片 - 巴丁、肖克利和布拉顿
然而，对肖克利来说，同等的名气还不够。 在贝尔实验室以外的人知道晶体管之前，他正忙着为自己重新发明晶体管。 这只是许多此类改造中的第一个。
还有什么要读的
- 罗伯特·布德里，改变世界的发明 (1996)
- Michael Riordan，“欧洲如何错过了晶体管”，IEEE Spectrum（1 年 2005 月 XNUMX 日）
- 迈克尔·赖尔丹和莉莲·霍德森，《水晶之火》(1997)
- Armand Van Dormael，“‘法国’晶体管” (1994)
来源： habr.com