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戰爭的嚴酷考驗為電晶體的出現奠定了基礎。 從 1939 年到 1945 年，半導體領域的技術知識大幅擴展。 原因很簡單：雷達。 最重要的戰爭技術，例子包括：偵測空襲、搜索潛水艇、引導夜間空襲目標、瞄準防空系統和艦炮。 工程師甚至學會如何將微型雷達塞進砲彈中，以便它們在飛近目標時爆炸 - 。 然而，這種強大的新軍事技術的來源是一個更和平的領域：出於科學目的對高層大氣進行研究。
雷達
1901 年，馬可尼無線電報公司成功地將無線訊息傳送到大西洋彼岸，從康沃爾郡到達紐芬蘭。 這一事實使現代科學陷入混亂。 如果無線電傳輸沿著直線傳播（正如它們應該的那樣），這種傳輸應該是不可能的。 英格蘭和加拿大之間沒有不穿越地球的直接視線，因此馬可尼的訊息必須飛向太空。 美國工程師阿瑟·肯尼利（Arthur Kennealy）和英國物理學家奧利弗·赫維賽德（Oliver Heaviside）同時獨立地提出，對這一現象的解釋一定與位於高層大氣中的一層電離氣體有關，該氣體能夠將無線電波反射回地球（馬可尼本人認為無線電波遵循地球表面的曲率，但物理學家並不支持）。
到了 1920 年代，科學家們開發出了新設備，可以先證明電離層的存在，然後研究其結構。 他們使用真空管產生短波無線電脈衝，使用定向天線將其發送到大氣中並記錄迴聲，以及 展示結果。 回波返回延遲越長，電離層越遠。 這項技術被稱為大氣探測，它為雷達的發展提供了基本的技術基礎設施（「雷達」一詞來自無線電探測和測距，直到 1940 世紀 XNUMX 年代才在美國海軍中出現）。
擁有正確知識、資源和動力的人們認識到此類設備在地面應用的潛力只是時間問題（因此雷達的歷史與望遠鏡的歷史相反，望遠鏡最初是用於地面使用） 。 隨著無線電在全球範圍內的傳播越來越廣泛，越來越多的人注意到來自附近船隻、飛機和其他大型物體的干擾，這種洞察力的可能性也隨之增加。 第二次高層大氣探測技術知識傳播 （1932-1933），科學家從不同的北極站繪製了電離層地圖。 不久之後，英國、美國、德國、義大利、蘇聯等國家的團隊開發了他們最簡單的雷達系統。
和他 1935 年的雷達
然後戰爭爆發了，雷達對各國以及開發雷達的資源的重要性急劇增加。 在美國，這些資源聚集在 1940 年在麻省理工學院成立的一個新組織周圍，該組織被稱為 （它被如此命名是為了誤導外國間諜，並造成人們正在實驗室研究放射性的印象——當時很少有人相信原子彈）。 Rad Lab 計畫雖然沒有曼哈頓計畫那麼出名，但卻從美國各地招募了同樣優秀和有才華的物理學家加入其行列。 實驗室第一批員工中的五名（包括 и ）隨後獲得了諾貝爾獎。 到戰爭結束時，大約有500名理學博士、科學家和工程師在實驗室工作，總共有4000人工作。 僅輻射實驗室系列就花費了XNUMX 萬美元（相當於整個ENIAC 預算），該系列共XNUMX 卷，記錄了戰爭期間從實驗室獲得的所有知識（儘管美國政府在雷達技術上的支出並不限於此） Rad 實驗室預算；戰爭期間政府購買了價值 XNUMX 億美元的雷達）。
Rad 實驗室所在的麻省理工學院 20 號大樓
Rad 實驗室的主要研究領域之一是高頻雷達。 早期的雷達使用以公尺為單位測量的波長。 但波長以公分為單位的高頻波束（微波）允許使用更緊湊的天線，並且在長距離上散射較少，從而在範圍和精度方面具有更大的優勢。 微波雷達可以安裝在飛機的機頭中並偵測潛水艇潛望鏡大小的物體。
第一個解決這個問題的是來自伯明翰大學的英國物理學家團隊。 1940年他們開發了““，它的工作原理就像電磁“口哨”，將隨機的電脈衝轉變為強大且精確調諧的微波束。 這種微波發射器的功率是其最接近的競爭對手的一千倍； 它為實用的高頻雷達發射器鋪平了道路。 然而，他需要一個伴侶，一個能夠偵測高頻的接收器。 至此，我們回到了半導體的歷史。
磁控管截面
貓鬚第二次降臨
事實證明，真空管根本不適合接收微波雷達訊號。 熱陰極和冷陽極之間的間隙會產生電容，導致電路拒絕在高頻下工作。 高頻雷達可用的最佳技術是老式的“「 - 一小段電線壓在半導體晶體上。 有幾個人獨立發現了這一點，但與我們的故事最接近的是新澤西州發生的事情。
1938 年，貝爾實驗室與海軍簽訂合同，開發 40 公分範圍內的火控雷達，比預諧振磁控管時代的現有雷達更短，因此頻率更高。 主要研究工作在史泰登島南部霍姆德爾的一個實驗室部門進行。 沒多久，研究人員就弄清楚了他們需要什麼高頻接收器，很快工程師喬治·索斯沃斯就在曼哈頓的無線電商店裡搜尋舊的貓鬚探測器。 正如預期的那樣，它比燈檢測器工作得好得多，但不穩定。 於是索思沃斯找到了一位名叫拉塞爾·奧爾的電化學家，請他嘗試提高單點晶體探測器響應的均勻性。
奧爾是個比較奇特的人，他認為科技的發展就是自己的命運，並以對未來的憧憬談論週期性的見解。 例如，他表示，早在 1939 年，他就知道未來會發明矽放大器，但這種命運注定要由另一個人發明它。 在研究了數十種選擇後，他選擇矽作為索斯沃斯接收器的最佳材料。 問題在於控製材料的含量以控制其電性能的能力。 當時，工業矽錠很普遍；它們被用於鋼廠，但在這種生產中，沒有人會擔心矽中1%的磷含量。 在幾位冶金學家的幫助下，奧爾開始獲得比以前更乾淨的毛坯。
當他們工作時，他們發現一些晶體在一個方向上整流電流，而另一些晶體在另一個方向上整流電流。 他們稱它們為「n型」和「p型」。 進一步分析表明，不同類型的雜質造成了這些類型。 矽位於元素週期表的第四列，這意味著它的外殼有四個電子。 在純矽坯料中，每個電子都會與相鄰電子結合。 來自第三列的雜質，例如硼，少了一個電子，產生了一個“電洞”，為晶體中的電流運動提供了額外的空間。 結果是 p 型半導體（帶有過量的正電荷）。 第五列的元素，例如磷，提供了額外的自由電子來承載電流，並獲得了 n 型半導體。
矽的晶體結構
所有這些研究都非常有趣，但到 1940 年，Southworth 和 Ohl 仍然距離創建高頻雷達的工作原型還很遠。 同時，由於德國空軍迫在眉睫的威脅，英國政府要求立即取得實際成果，德國空軍已經製造出了與磁控管發射器協同工作的可立即生產的微波探測器。
然而，技術進步的天平很快就會向大西洋西側傾斜。 邱吉爾決定在真正參戰之前向美國人透露英國的所有技術秘密（因為他認為這無論如何都會發生）。 他認為冒資訊外洩的風險是值得的，因為這樣美國所有的工業能力都會投入解決原子武器和雷達等問題。 英國科學技術代表團（更廣為人知的名稱是 ）於 1940 年 XNUMX 月抵達華盛頓，並在行李中帶來了科技奇蹟的禮物。
諧振磁控管令人難以置信的力量以及英國晶體探測器在接收其信號方面的有效性的發現，振興了美國對作為高頻雷達基礎的半導體的研究。 還有很多工作要做，特別是在材料科學方面。 為了滿足需求，半導體晶體「必須生產數以百萬計，遠遠超過以前的產量。 有必要改進整流，降低衝擊敏感性和老化，並儘量減少不同批次晶體之間的差異。”
矽點接觸整流器
Rad 實驗室開設了新的研究部門，研究半導體晶體的特性以及如何修改以最大限度地提高有價值的接收器特性。 最有前途的材料是矽和鍺，因此 Rad 實驗室決定謹慎行事，啟動了平行計畫來研究這兩種材料：賓州大學的矽和普渡大學的鍺。 貝爾、西屋電氣、杜邦和 Sylvania 等行業巨頭開始了自己的半導體研究計劃，並開始開發用於晶體探測器的新製造設施。
經過共同努力，矽、鍺晶體的純度從最初的99%提高到99,999%，即每100萬個原子中有一個雜質顆粒。 在這個過程中，一群科學家和工程師逐漸熟悉了鍺和矽的抽象特性，並應用了控制它們的技術：熔化、生長晶體、添加必要的雜質（例如硼，可提高導電性）。
然後戰爭結束了。 對雷達的需求消失了，但在戰爭期間獲得的知識和技能仍然存在，並且固態放大器的夢想沒有被忘記。 現在的競賽是創造這樣一個擴大機。 至少有三支球隊有能力贏得這個獎項。
西拉斐特
第一個是普渡大學的一個小組，由奧地利出生的物理學家卡爾·拉克-霍洛維茨領導。 他憑藉著自己的才華和影響力，一手讓大學的物理系走出了默默無聞，並影響了 Rad 實驗室將鍺研究委託給他的實驗室的決定。
1947 年，卡爾·拉克-霍洛維茨（中）拿著煙鬥
到 1940 年代初期，矽被認為是雷達整流器的最佳材料，但元素週期表中緊鄰矽的材料看起來也值得進一步研究。 鍺具有實際優勢，因為它的熔點較低，因此更容易加工：熔點約為 940 度，而矽的熔點為 1400 度（幾乎與鋼相同）。 由於熔點很高，要製造出不會洩漏到熔融矽中並污染它的毛坯是極其困難的。
因此，拉克-霍洛維茨和他的同事在整個戰爭期間都在研究鍺的化學、電學和物理特性。 最重要的障礙是“反向電壓”：鍺整流器在非常低的電壓下停止整流電流並允許其沿相反方向流動。 反向電流脈衝燒毀了雷達的其餘零件。 Lark-Horowitz 的研究生 Seymour Benzer 研究了這個問題一年多，最終開發出了一種錫基添加劑，可以在高達數百伏特的電壓下阻止反向脈衝。 此後不久，貝爾實驗室的製造部門西部電氣開始生產軍用本澤整流器。
戰後，普渡大學對鍺的研究仍在繼續。 1947年XNUMX月，已經是教授的本澤報告了一個不尋常的異常現象：在一些實驗中，鍺晶體中出現了高頻振盪。 他的同事拉爾夫·布雷繼續在戰爭期間開始的一個項目中研究「體積阻力」。 體積電阻描述了電流在整流器接觸點的鍺晶體中的流動情況。 布雷發現，高壓脈衝顯著降低了 n 型鍺對這些電流的抵抗力。 不知不覺中，他親眼目睹了所謂的事。 “少數”電荷載體。 在n型半導體中，多餘的負電荷充當多數載子，但正「電洞」也可以攜帶電流，在這種情況下，高壓脈衝在鍺結構中產生空穴，導致少數載子出現。
布雷和本澤在沒有意識到的情況下非常接近鍺放大器。 1948 年 XNUMX 月，本澤在一次會議上遇見了貝爾實驗室的科學家沃爾特·布拉頓 (Walter Brattain)，與他討論了體積阻力。 他建議布拉頓在第一個可以傳導電流的點旁邊放置另一個點接觸，然後他們也許能夠了解表面下發生的情況。 布拉頓默默地同意了這個提議並離開了。 正如我們將看到的，他非常清楚這樣的實驗可以揭示什麼。
奧尼蘇布瓦
普渡大學的研究小組擁有向晶體管邁進的技術和理論基礎。 但他們只能是偶然發現的。 他們感興趣的是材料的物理特性，而不是尋找新型設備。 Aunes-sous-Bois（法國）的情況則截然不同，來自德國的兩名前雷達研究人員 Heinrich Welker 和 Herbert Mathare 領導了一個團隊，其目標是製造工業半導體裝置。
韋爾克首先在著名理論家阿諾德·索末菲管理的慕尼黑大學學習物理學，然後教授物理學。 自 1940 年以來，他離開了純粹的理論道路，開始為德國空軍開發雷達。 馬薩雷（比利時裔）在亞琛長大，在那裡學習物理學。 1939年，他加入德國無線電巨頭德律風根的研究部門。 戰爭期間，他將作品從柏林東部轉移到西里西亞的修道院，以避免盟軍空襲，然後回到西部以躲避前進的紅軍，最終落入美軍手中。
與反希特勒聯盟中的對手一樣，德國人在 1940 世紀 1946 年代初就知道晶體探測器是雷達的理想接收器，而矽和鍺是最有前途的製造材料。 Mathare 和 Welker 在戰爭期間嘗試提高這些材料在整流器中的使用效率。 戰後，兩人都因軍事工作而受到定期審訊，並最終於 XNUMX 年收到一名法國情報官員前往巴黎的邀請。
西屋公司的法國分公司Compagnie des Freins & Signaux（「煞車與信號公司」）收到了法國電話管理局的一份合同，生產固態整流器，並尋求德國科學家的幫助。 這樣的近敵聯盟看起來很奇怪，但事實證明這種安排對雙方都相當有利。 1940年戰敗的法國人沒有能力獲得半導體領域的知識，迫切需要德國人的技能。 德國人無法在一個被佔領和飽受戰爭蹂躪的國家進行任何高科技領域的開發，因此他們抓住了繼續工作的機會。
Welker 和 Mathare 將總部設在巴黎郊區 Aunes-sous-Bois 的一棟兩層樓房子裡，在技術人員團隊的幫助下，於 1947 年底成功推出了鍺整流器。隨後他們轉向更認真的方向獎項：韋爾克恢復了對超導體的興趣，瑪薩雷則重新開始對擴大機產生興趣。
赫伯特·馬薩雷，1950 年
戰爭期間，Mathare 嘗試使用兩點接觸整流器（“duodeodes”）來降低電路雜訊。 他繼續進行實驗，很快發現第二根貓的鬍鬚距離第一根貓的鬍鬚的距離為百萬分之一米，有時可以調節流經第一根鬍鬚的電流。 他創造了一種固態放大器，儘管是一個相當無用的放大器。 為了獲得更可靠的性能，他求助於韋爾克，韋爾克在戰爭期間獲得了豐富的鍺晶體工作經驗。 Welker 的團隊培育出更大、更純的鍺晶體樣品，隨著材料品質的提高，Mathare 點接觸放大器到 1 年 100 月變得可靠。
基於 Mathare 電路的「電晶體」的 X 射線圖像，該電路有兩個與鍺接觸的點
馬薩雷甚至對所發生的情況有一個理論模型：他相信第二個接觸在鍺上形成了一個孔，加速了電流通過第一個接觸的速度，提供了少數電荷載子。 韋爾克不同意他的觀點，並認為所發生的事情取決於某種場效應。 然而，在他們研究出該設備或理論之前，他們了解到一群美國人在六個月前開發了完全相同的概念——具有兩點接觸的鍺放大器。
莫瑞山
戰爭結束時，默文凱利重組了貝爾實驗室以比爾蕭克利為首的半導體研究小組。 該項目不斷發展，獲得了更多資金，並從曼哈頓原來的實驗室大樓搬到了新澤西州默里山的擴建園區。
莫瑞山校區，約1960年
為了重新熟悉先進的半導體（在戰爭期間從事運籌學工作之後），蕭克利於 1945 年春天參觀了 Russell Ohl 的 Holmdel 實驗室。 奧爾在戰爭年代致力於矽的研究，沒有浪費任何時間。 他向蕭克利展示了他自己製作的一個粗糙的放大器，他稱之為“desister”。 他採用了矽點接觸整流器，並透過它從電池發送電流。 顯然，電池產生的熱量降低了接觸點的電阻，並將整流器變成了放大器，能夠將傳入的無線電訊號傳輸到足以為揚聲器供電的電路
效果粗糙且不可靠，不適合商業化。 然而，這足以證實蕭克利的觀點，即製造半導體放大器是可能的，並且這應該成為固態電子學領域研究的優先事項。 也正是這次與奧拉團隊的會面，讓蕭克利相信應該先研究矽和鍺。 它們表現出有吸引力的電特性，奧爾的冶金學家同事傑克·斯卡夫和亨利·特雷爾在戰爭期間在生長、純化和摻雜這些晶體方面取得了驚人的成功，超越了其他半導體材料的所有可用技術。 蕭克利的團隊不會再在戰前的氧化銅放大器上浪費時間。
在凱利的幫助下，蕭克利開始組建一支新團隊。 主要參與者包括幫助蕭克利首次嘗試固態擴大機（1940 年）的沃爾特·布拉頓（Walter Brattain）和年輕的物理學家、貝爾實驗室的新員工約翰·巴丁（John Bardeen）。 巴丁可能是該團隊成員中擁有最廣泛的固態物理學知識的人——他的論文描述了鈉金屬結構中電子的能階。 和阿塔納索夫和布拉頓一樣，他也是約翰·哈斯布魯克·範弗萊克的另一位門徒。
與阿塔納索夫一樣，巴丁和蕭克利的論文也需要極為複雜的計算。 他們必須使用艾倫·威爾遜定義的半導體量子力學理論，使用門羅的桌面計算器來計算材料的能量結構。 事實上，透過幫助製造晶體管，他們為未來的研究生免於此類工作做出了貢獻。
蕭克利的第一個固態放大器方法依賴後來所謂的“」。 他將一塊金屬板懸掛在 n 型半導體（帶有過量負電荷）上。 在板上施加正電荷會將多餘的電子拉到晶體表面，形成一條負電荷河，電流可以輕鬆流過。 以這種方式放大的訊號（由晶圓上的電荷水平表示）可以調製主電路（沿著半導體表面傳遞）。 他的物理學理論知識向他暗示了這個方案的效率。 但是，儘管進行了多次實驗，該計劃從未奏效。
到 1946 年 XNUMX 月，巴丁創建了一個完善的理論來解釋原因：量子層級上的半導體表面的行為與其內部不同。 吸引到表面的負電荷被捕獲在“表面態”中，並阻止電場穿透板進入材料。 團隊的其他成員發現這項分析令人信服，並沿著三個方向啟動了一項新的研究計劃：
- 證明表面態的存在。
- 研究它們的特性。
- 弄清楚如何擊敗他們並使其發揮作用 .
經過一年半的研究和實驗，17年1947月XNUMX日，布拉頓取得了突破。 他發現，如果在晶圓和半導體之間放置充滿離子的液體（例如水），晶圓產生的電場會將離子推向半導體，從而中和表面態中捕獲的電荷。 現在，他可以透過改變晶圓上的電荷來控制一塊矽的電氣行為。 這一成功讓巴丁產生了一種創建放大器的新方法的想法：用電解質水包圍整流器的接觸點，然後在水中使用第二根電線來控製表麵條件，從而控制主電路的電導率水平。接觸。 就這樣，巴丁和布拉頓到達了終點。
巴丁的想法奏效了，但放大效果很弱，而且工作頻率非常低，人耳無法聽到，所以它作為電話或無線電放大器毫無用處。 巴丁建議改用普渡大學生產的耐反向電壓的鍺，因為他相信其表面聚集的電荷會更少。 突然間，他們得到了強大的提升，但方向卻與預期相反。 他們發現了少數載子效應——流經鍺的電流不是預期的電子，而是被來自電解質的電洞放大。 電解液中導線上的電流在 n 型鍺表面形成 p 型層（過量正電荷的區域）。
隨後的實驗表明，根本不需要電解質：只需將兩個接觸點靠近鍺表面，就可以將其中一個接觸點的電流調節到另一個接觸點的電流。 為了使它們盡可能接近，布拉頓將一塊金箔包裹在一塊三角形塑膠上，然後小心地在末端切割金箔。 然後，他使用彈簧將三角形壓在鍺上，切口的兩個邊緣以 0,05 毫米的距離接觸其表面。 這使得貝爾實驗室的晶體管原型具有獨特的外觀：
布拉頓和巴丁晶體管原型
與 Mathare 和 Welker 的裝置一樣，它原則上是一種經典的“貓鬚”，只是有兩個接觸點而不是一個。 16月1000日，功率和電壓顯著增加，頻率在可聽範圍內達到100赫茲。 一週後，經過小幅改進，巴丁和布拉頓將電壓提高了 40 倍，功率提高了 XNUMX 倍，並向貝爾的董事們展示了他們的設備可以產生可聽的語音。 固態開發團隊的另一位成員約翰·皮爾斯（John Pierce）以貝爾公司的氧化銅整流器（壓敏電阻）的名稱創造了“晶體管”一詞。
在接下來的六個月裡，實驗室對新產品保密。 管理層希望確保他們在其他人獲得晶體管之前在商業化晶體管方面佔據先機。 30 年 1948 月 XNUMX 日舉行的記者會正好打破了韋爾克和瑪薩雷的永生夢想。 同時，半導體研究小組悄然瓦解。 在聽到巴丁和布拉頓的成就後，他們的老闆比爾·蕭克利開始努力將所有功勞據為己有。 儘管蕭克利只扮演了觀察員的角色，但他在公開演講中獲得了同等甚至更多的宣傳——正如這張發布的他在實驗最激烈的照片中所看到的那樣，照片就在實驗室長椅旁邊：
1948 年宣傳照 - 巴丁、蕭克利與布拉頓
然而，對蕭克利來說，同等的名氣還不夠。 在貝爾實驗室以外的人知道電晶體之前，他正忙著為自己重新發明電晶體。 這只是許多此類改造中的第一個。
還有什麼要讀的
- 羅伯特‧布德里，改變世界的發明 (1996)
- Michael Riordan，“歐洲如何錯過了晶體管”，IEEE Spectrum（1 年 2005 月 XNUMX 日）
- 麥可‧賴爾丹與莉蓮‧霍德森，《水晶之火》(1997)
- Armand Van Dormael，“‘法國’電晶體” (1994)
來源： www.habr.com