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通往固态开关的道路是漫长而艰难的。 首先发现某些材料在有电的情况下表现得很奇怪——并不像当时存在的理论所预测的那样。 接下来的故事讲述了技术如何在 XNUMX 世纪成为一门日益科学化和制度化的学科。 几乎没有受过科学教育的业余爱好者、新手和专业发明家为电报、电话和无线电的发展做出了重大贡献。 但是，正如我们将看到的，固态电子学历史上几乎所有的进步都来自在大学学习（通常拥有物理学博士学位）并在大学或企业研究实验室工作的科学家。
任何拥有车间和基本材料技能的人都可以用电线、金属和木材组装继电器。 制造真空管需要更专业的工具来制造玻璃灯泡并将空气从其中抽出。 固态设备消失在一个兔子洞里，数字开关再也没有回来，陷入了更深的世界，只能通过抽象数学来理解，并且只能在极其昂贵的设备的帮助下才能访问。
方铅矿
在今年1874 ，一位来自圣路易斯的 24 岁物理学家。 托马斯在莱比锡发表了他漫长的职业生涯中许多重要科学著作中的第一部。 这篇题为“电流通过金属硫化物的通道”的论文被 Pogendorff 的 Annalen 接收，这是一本致力于物理科学的著名期刊。 尽管标题很无聊，布朗的论文描述了一些令人惊讶和令人费解的实验结果。
费迪南德·布朗
布朗通过他的工作对硫化物（由硫化合物与金属组成的矿物晶体）产生了兴趣 。 早在 1833 年，迈克尔·法拉第 (Michael Faraday) 就指出，硫化银的电导率随着温度的升高而增加，这与金属导体的行为正好相反。 Hittorf 在 1850 年代针对银和铜的硫化物编制了一份关于这种效应测量的全面定量报告。 现在，布朗使用了一种巧妙的实验装置，用弹簧将金属线压在硫化物晶体上以确保良好的接触，发现了一些更奇怪的东西。 晶体的导电性取决于方向——例如，电流可以很好地沿一个方向流动，但当电池的极性反转时，电流可能会突然急剧下降。 晶体在一个方向上更像导体（如普通金属），在另一个方向上更像绝缘体（如玻璃或橡胶）。 这种特性被称为整流，因为它能够将“卷曲”交流电整流为“平坦”直流电。
大约在同一时间，研究人员发现了硒等材料的其他奇怪特性，可以从某些金属硫化物矿石中冶炼出硒。 当硒受到光照时，导电性增加，甚至开始发电，还可以用于整流。 与硫化物晶体有某种联系吗？ 由于没有理论模型来解释正在发生的事情，该领域处于混乱状态。
然而，理论的缺乏并没有阻止将结果实际应用的尝试。 1890 年代末，布朗成为斯特拉斯堡大学的教授，斯特拉斯堡大学最近在二战时期被法国吞并。 并更名为威廉皇帝大学。 在那里，他被卷入了令人兴奋的无线电报新世界。 他同意了一群企业家的提议，共同创建一个基于通过水传输无线电波的无线通信系统。 然而，他和他的同伙很快就放弃了最初的想法，转而支持马可尼和其他人使用的机载信号。
布朗小组寻求改进的无线电方面之一是当时的标准接收器， 。 它基于这样一个事实：无线电波导致金属屑聚集在一起，从而使电流从电池传递到信号设备。 它有效，但系统只响应相对较强的信号，并且需要不断敲击设备才能打碎木屑块。 布朗记得他以前用硫化物晶体进行的实验，并在 1899 年重新创建了他的旧实验装置，并有了一个新的目的 - 用作无线信号的探测器。 他利用整流效应将无线电波通过时产生的微小振荡电流转换为直流电，为小型扬声器供电，使每个点或划线产生可听见的咔嗒声。 这个装置后来被称为““由于电线的出现，很容易触及水晶顶部。 在英属印度（今天的孟加拉国所在地），科学家兼发明家贾加迪什·博斯 (Jagadish Bose) 可能早在 1894 年就建造了类似的装置。 其他人很快开始制造基于硅和金刚砂（碳化硅）的类似探测器。
但是，确实如此 硫化铅自古以来就被冶炼生产铅，成为晶体探测器的首选材料。 它们易于制造且价格低廉，因此在早期无线电爱好者中非常受欢迎。 此外，与二元相干器（锯末聚集或不聚集在一起）不同，晶体整流器可以再现连续信号。 因此，他可以产生听得见的声音和音乐，而不仅仅是带有点和破折号的莫尔斯电码。
基于方铅矿的猫须探测器。 左边那一小块金属丝就是晶须，下面那块银色的物质就是方铅矿晶体。
然而，正如沮丧的无线电爱好者很快发现的那样，可能需要几分钟甚至几小时才能在晶体表面找到能够进行良好校正的魔点。 而且未经放大的信号很弱，有金属声。 到了 1920 年代，带有三极管放大器的真空管接收器几乎已经淘汰了几乎所有地方的晶体探测器。 它们唯一吸引人的特点是价格便宜。
在无线电领域的短暂出现似乎限制了布朗等人发现的材料的奇怪电特性的实际应用。
氧化铜
然后在 1920 年代，另一位名叫 Lars Grondahl 的物理学家在他的实验装置中发现了一些奇怪的东西。 格隆达尔是美国西部历史上一系列聪明而不安分的人中的第一个，他是一名土木工程师的儿子。 他的父亲于 1880 年从挪威移民，在加利福尼亚州、俄勒冈州和华盛顿州的铁路部门工作了几十年。 起初，格隆达尔似乎决心离开父亲的工程世界，去约翰·霍普金斯大学攻读物理学博士学位，以追求学术道路。 但后来他涉足铁路业务，并在这家工业巨头的子公司 Union Switch and Signal 担任研究总监。 ，为铁路行业提供设备。
各种消息来源表明格隆达尔的研究动机相互矛盾，但尽管如此，他开始尝试用一侧加热的铜盘来形成氧化层。 在与他们合作时，他注意到电流的不对称性——一个方向的电阻是另一个方向的三倍。 铜和氧化铜圆盘对电流进行整流，就像硫化物晶体一样。
氧化铜整流电路
格隆达尔在接下来的六年里，在另一位美国研究人员保罗·盖革 (Paul Geiger) 的帮助下，根据这一现象开发了一种即用型商用整流器，然后于 1926 年向美国物理学会提交了专利申请并宣布了他的发现。立即成为商业热门。 由于没有易碎的灯丝，它比基于弗莱明阀原理的真空管整流器可靠得多，并且制造成本更低。 与布朗整流晶体不同，它在第一次尝试时就起作用了，并且由于金属和氧化物之间的接触面积更大，它可以在更大的电流和电压范围内工作。 它可以给电池充电，检测各种电气系统中的信号，并充当强大发电机中的安全分流器。 当用作光电管时，圆盘可以充当测光表，在摄影中特别有用。 大约在同一时间，其他研究人员开发了硒整流器，也发现了类似的应用。
一组基于氧化铜的整流器。 多个圆盘的组装增加了反向电阻，这使得它们可以在高电压下使用。
几年后，贝尔实验室的两位物理学家约瑟夫·贝克尔和 ，决定研究铜整流器的工作原理 - 他们有兴趣了解它的工作原理以及如何在贝尔系统中使用它。
年老的布拉顿 - 大约。 1950年
布拉顿和格隆达尔来自太平洋西北部的同一地区，他在距离加拿大边境几公里的一个农场长大。 高中时，他对物理学产生了兴趣，表现出了该领域的天赋，并最终于 1920 年代末获得了明尼苏达大学的博士学位，并于 1929 年在贝尔实验室找到了一份工作。最新的理论物理学在欧洲越来越受欢迎，被称为量子力学（其策展人是 ，他还指导过约翰·阿塔纳索夫）。
量子革命
过去三十年里，一个新的理论平台慢慢发展起来，到了适当的时候，它将能够解释多年来在方铅矿、硒和氧化铜等材料中观察到的所有奇怪现象。 一群主要来自德国和邻国的年轻物理学家引发了物理学界的量子革命。 他们环顾四周，发现的不是他们所学的光滑连续的世界，而是奇怪的、离散的肿块。
这一切都始于 1890 年代。 柏林大学著名教授马克斯·普朗克决定研究一个众所周知的未解决问题：如何““（吸收所有能量且不反射能量的理想物质）发射电磁波谱中的辐射？ 人们尝试了各种模型，但没有一个与实验结果相符——它们要么在光谱的一端失败，要么在另一端失败。 普朗克发现，如果我们假设能量是由物体以离散量的小“包”形式发射的，那么我们就可以写出频率与能量之间关系的简单定律，该定律与经验结果完全匹配。
不久之后，爱因斯坦发现光的吸收（光子的第一个迹象）也发生了同样的事情，汤姆森表明，电力也不是由连续的流体或波携带，而是由离散的粒子——电子携带。 尼尔斯·玻尔随后创建了一个模型，通过将电子分配到原子中的各个轨道（每个轨道都有自己的能量）来解释受激原子如何发射辐射。 然而，这个名称具有误导性，因为它们的行为完全不像行星的轨道——在玻尔模型中，电子立即从一个轨道或能级跃迁到另一个轨道，而不需要通过中间态。 最后，在 1920 年代，埃尔文·薛定谔、维尔纳·海森堡、马克斯·玻恩等人创建了一个称为量子力学的广义数学平台，其中包含了过去 XNUMX 年来创建的所有特殊量子模型。
此时，物理学家已经确信，硒和方铅矿等具有光伏和整流特性的材料属于一类单独的材料，他们称之为半导体。 由于多种原因，分类花了这么长时间。 首先，“导体”和“绝缘体”的范畴本身就相当广泛。 T.N. “导体”的电导率差异很大，绝缘体也是如此（在较小程度上），并且尚不清楚如何将任何特定导体分类为这些类别中的任何一类。 此外，直到 XNUMX 世纪中叶，还不可能获得或制造非常纯净的物质，天然材料导电性的任何异常都可能归因于污染。
物理学家现在既拥有量子力学的数学工具，也拥有可以应用它们的新型材料。 英国理论家 1931 年，第一个将所有这些整合在一起并建立了半导体及其工作原理的通用模型。
起初，威尔逊认为导电材料与电介质的不同之处在于其能带状态。 量子力学指出，电子可以存在于单个原子的壳层或轨道中的有限数量的能级中。 如果将这些原子在材料结构中挤压在一起，那么想象连续的能量区域穿过它会更正确。 高能带的导体中存在空隙，电场可以使电子在那里自由移动。 在绝缘体中，这些区域被填满，要到达更高的导电区域需要相当长的攀登，通过该区域电流更容易传输。
这使他得出结论：杂质（材料结构中的外来原子）必定对其半导体特性有贡献。 它们可以提供额外的电子，这些电子很容易逃逸到导带中，也可以提供空穴（相对于材料的其余部分缺乏电子），这会产生自由电子可以移动的空能量空间。 第一种选择后来被称为 n 型（或电子）半导体，因为有多余的负电荷，第二种选择 - p 型或空穴半导体，因为有多余的正电荷。
最后，威尔逊提出半导体电流整流可以用量子术语来解释。 ，电子突然跳跃穿过材料中的薄电势垒。 该理论看似合理，但它预测在整流器中电流应该从氧化物流向铜，尽管实际上情况恰恰相反。
因此，尽管威尔逊取得了所有突破，半导体仍然难以解释。 随着人们逐渐清楚，晶体结构和杂质浓度的微观变化不成比例地影响了它们的宏观电学行为。 尽管缺乏理解——因为没有人能够解释布朗 60 年前所做的实验观察结果——布拉顿和贝克尔为他们的雇主开发了一种高效的氧化铜整流器制造工艺。 贝尔系统很快开始用工程师称之为的新设备替换整个系统中的真空管整流器 ，因为它的电阻根据方向而变化。
金牌
物理学家、贝尔实验室真空管部门前负责人默文·凯利 (Mervyn Kelly) 对这一发展非常感兴趣。 在几十年的时间里，真空管为贝尔提供了宝贵的服务，并且能够执行上一代机械和机电组件无法实现的功能。 但它们运行时很热，经常过热，消耗大量能源，并且难以维护。 凯利打算用更可靠、更耐用的固态电子元件（例如压敏电阻）重建贝尔的系统，这些元件不需要密封、充气或空的盒子或热灯丝。 1936年，他成为贝尔实验室研究部门的负责人，并开始引导该组织走上新的道路。
获得固态整流器后，下一个明显的步骤是创建固态放大器。 当然，就像电子管放大器一样，这种设备也可以用作数字开关。 贝尔公司对此特别感兴趣，因为电话交换机仍然使用大量机电数字交换机。 该公司正在寻找一种更可靠、更小、更节能、更凉爽的替代品来替代电话系统、收音机、雷达和其他模拟设备中的真空管，这些设备用于将微弱信号放大到人耳可以听到的水平。
1936 年，贝尔实验室终于解除了 XNUMX 年期间实行的招聘冻结。 。 凯利立即开始招募量子力学专家来帮助启动他的固态研究计划，包括 ，另一位西海岸本地人，来自加利福尼亚州帕洛阿尔托。 他最近在麻省理工学院的论文主题非常适合凯利的需要：“氯化钠中的电子带”。
在此期间，布拉顿和贝克尔继续对氧化铜整流器进行研究，寻求改进的固态放大器。 最明显的实现方法是与真空管进行类比。 就像 Lee de Forest 拿了一个电子管放大器一样 在阴极和阳极之间，布拉顿和贝克尔想象了如何在铜和氧化铜的交界处插入一个网，在那里应该发生整流。 然而，由于该层的厚度很小，他们发现不可能做到这一点，并且没有成功。
与此同时，其他进展表明贝尔实验室并不是唯一一家对固态电子产品感兴趣的公司。 1938 年，鲁道夫·希尔施 (Rudolf Hilsch) 和罗伯特·波尔 (Robert Pohl) 发表了在哥廷根大学通过在溴化钾晶体中引入栅极而创建的工作固态放大器的实验结果。 这个实验室设备没有实用价值，主要是因为它的工作频率不超过1赫兹。 然而，这一成就不能不让所有对固态电子学感兴趣的人高兴。 同年，凯利将肖克利分配到一个新的独立固态器件研究小组，并全权委托他和他的同事福斯特·尼克斯 (Foster Nix) 和迪恩·伍尔里奇 (Dean Woolridge) 探索他们的能力。
在第二次世界大战之前，至少有另外两位发明家成功地制造出了固态放大器。 1922年，苏联物理学家、发明家 发表了锌矿半导体的成功实验结果，但他的工作并未引起西方社会的注意； 1926年，美国发明家朱利叶斯·利伦菲尔德（Julius Lillenfield）申请了固态放大器专利，但没有证据表明他的发明有效。
肖克利在他的新职位上的第一个重要见解是在阅读英国物理学家内维尔·莫斯 1938 年的著作《晶体整流器理论》时产生的，该书最终解释了格朗达尔氧化铜整流器的工作原理。 莫特使用量子力学数学来描述导电金属和半导体氧化物交界处电场的形成，以及电子如何“跳跃”越过该电势垒，而不是像威尔逊提出的那样形成隧道。 电流从金属流向半导体比反之亦然更容易，因为金属具有更多的自由电子。
这导致肖克利想到了布拉顿和贝克尔几年前考虑过但拒绝的完全相同的想法——通过在铜和氧化铜之间插入氧化铜网来制造固态放大器。 他希望流过栅极的电流会增加限制电流从铜流向氧化物的势垒，从而在栅极上产生反转的放大信号。 他的第一次粗略尝试完全失败了，因此他求助于一位拥有更精湛的实验室技能并且熟悉整流器的人：沃尔特·布拉顿（Walter Brattain）。 而且，尽管布拉顿对结果毫不怀疑，但他还是同意满足肖克利的好奇心，并创建了一个更复杂版本的“网格”放大器。 她还拒绝工作。
随后战争爆发，凯利的新研究计划陷入混乱。 凯利成为贝尔实验室雷达工作组的负责人，并得到美国主要雷达研究中心麻省理工学院的支持。 布拉顿曾短暂为他工作过，然后继续为海军研究潜艇磁力探测。 伍尔里奇研究火控系统，尼克斯研究曼哈顿计划的气体扩散，肖克利从事运筹学，首先研究大西洋的反潜战，然后研究太平洋的战略轰炸。
但尽管有这种干预，战争并没有阻止固态电子学的发展。 相反，它精心策划了向该领域注入了大量资源，并导致了对两种材料的集中研究：锗和硅。
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欧内斯特·布鲁安和斯图尔特·麦克唐纳，《微型革命》(1978)
弗里德里希·柯瑞洛和查尔斯·苏斯金德、费迪南德·布劳恩 (1981)
G. L. Pearson 和 W. H. Brattain，“半导体研究史”，IRE 会议记录（1955 年 XNUMX 月）。
迈克尔·赖尔丹和莉莲·霍德森，《水晶之火》(1997)
来源： habr.com