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通往固態開關的道路是漫長而艱辛的。 首先發現某些材料在有電的情況下表現得很奇怪——並不像當時存在的理論所預測的那樣。 接下來的故事講述了科技如何在 XNUMX 世紀成為日益科學化和製度化的學科。 幾乎沒有受過科學教育的業餘愛好者、新手和專業發明家為電報、電話和無線電的發展做出了重大貢獻。 但是，正如我們將看到的，固態電子學歷史上幾乎所有的進步都來自在大學學習（通常擁有物理學博士學位）並在大學或企業研究實驗室工作的科學家。
任何擁有車間和基本材料技能的人都可以用電線、金屬和木材組裝繼電器。 製造真空管需要更專業的工具來製造玻璃燈泡並將空氣從中抽出。 固態設備消失在一個兔子洞裡，數字開關再也沒有回來，陷入了更深的世界，只能透過抽象數學來理解，並且只能藉助極其昂貴的設備才能存取。
方鉛礦
在1874年 ，一位來自聖路易斯的 24 歲物理學家。 湯瑪斯在萊比錫發表了他漫長的職業生涯中許多重要科學著作中的第一部。 這篇題為「電流通過金屬硫化物的通道」的論文被 Pogendorff 的 Annalen 接收，這是一本致力於物理科學的著名期刊。 儘管標題很無聊，布朗的論文描述了一些令人驚訝和令人費解的實驗結果。
費迪南德布朗
布朗透過他的工作對硫化物（由硫化合物與金屬組成的礦物晶體）產生了興趣 。 早在 1833 年，邁克爾法拉第 (Michael Faraday) 就指出，硫化銀的電導率隨著溫度的升高而增加，這與金屬導體的行為正好相反。 Hittorf 在 1850 年代針對銀和銅的硫化物編制了一份關於這種效應測量的全面定量報告。 現在，布朗使用了一個巧妙的實驗裝置，用彈簧將金屬線壓在硫化物晶體上以確保良好的接觸，發現了一些更奇怪的東西。 晶體的導電性取決於方向——例如，電流可以很好地沿著一個方向流動，但當電池的極性反轉時，電流可能會突然急劇下降。 晶體在一個方向上更像導體（如普通金屬），在另一個方向上更像絕緣體（如玻璃或橡膠）。 這種特性被稱為整流，因為它能夠將“捲曲”交流電整流為“平坦”直流電。
大約在同一時間，研究人員發現了硒等材料的其他奇怪特性，可以從某些金屬硫化物礦石中冶煉出硒。 當硒受到光照時，導電性增加，甚至開始發電，還可以用於整流。 與硫化物晶體有某種關聯嗎？ 由於沒有理論模型來解釋正在發生的事情，該領域處於混亂狀態。
然而，理論的缺乏並沒有阻止將結果實際應用的嘗試。 1890 年代末，布朗成為史特拉斯堡大學的教授，史特拉斯堡大學最近在二戰時期被法國吞併。 並更名為威廉皇帝大學。 在那裡，他被捲入了令人興奮的無線電報新世界。 他同意了一群企業家的提議，共同創建一個基於透過水傳輸無線電波的無線通訊系統。 然而，他和他的同夥很快就放棄了最初的想法，轉而支持馬可尼和其他人使用的機上訊號。
布朗小組尋求改進的無線電方面之一是當時的標準接收器， 。 它基於這樣一個事實：無線電波導致金屬屑聚集在一起，從而使電流從電池傳遞到訊號設備。 它有效，但係統只響應相對較強的信號，並且需要不斷敲擊設備才能打碎木屑塊。 布朗記得他以前用硫化物晶體進行的實驗，並在 1899 年重新創建了他的舊實驗裝置，並有了一個新的目的 - 用作無線信號的探測器。 他利用整流效應將無線電波通過時產生的微小振盪電流轉換為直流電，為小型揚聲器供電，使每個點或劃線產生可聽見的咔噠聲。 這個裝置後來被稱為“「由於電線的出現，很容易觸及水晶頂部。 在英屬印度（今天的孟加拉國所在地），科學家兼發明家賈加迪什·博斯 (Jagadish Bose) 可能早在 1894 年就建造了類似的裝置。 其他人很快就開始製造基於矽和金剛砂（碳化矽）的類似探測器。
然而，它是 硫化鉛自古以來就被冶煉生產鉛，成為晶體探測器的首選材料。 它們易於製造且價格低廉，因此在早期無線電愛好者中非常受歡迎。 此外，與二元相干器（鋸末聚集或不聚集在一起）不同，晶體整流器可以再現連續訊號。 因此，他可以產生聽得見的聲音和音樂，而不僅僅是帶有有點和破折號的莫爾斯電碼。
基於方鉛礦的貓須探測器。 左邊那一小塊金屬絲就是晶須，下面那塊銀色的物質就是方鉛礦晶體。
然而，正如沮喪的無線電愛好者很快發現的那樣，可能需要幾分鐘甚至幾小時才能在晶體表面找到能夠進行良好校正的魔點。 而且未經放大的訊號很弱，有金屬聲。 到了 1920 年代，帶有三極管放大器的真空管接收器幾乎已經淘汰了幾乎所有地方的晶體探測器。 它們唯一吸引人的特點是價格便宜。
在無線電領域的短暫出現似乎限制了布朗等人發現的材料的奇怪電特性的實際應用。
氧化銅
然後在 1920 年代，另一位名叫 Lars Grondahl 的物理學家在他的實驗裝置中發現了一些奇怪的東西。 格隆達爾是美國西部歷史上一系列聰明而不安分的人中的第一個，他是土木工程師的兒子。 他的父親於 1880 年從挪威移民，在加州、俄勒岡州和華盛頓州的鐵路部門工作了幾十年。 起初，格隆達爾似乎決心離開父親的工程世界，到約翰霍普金斯大學攻讀物理學博士學位，追求學術道路。 但後來他涉足鐵路業務，並在這家工業巨頭的子公司 Union Switch and Signal 擔任研究總監。 ，為鐵路業提供設備。
各種消息來源表明格隆達爾的研究動機相互矛盾，但儘管如此，他開始嘗試用一側加熱的銅盤來形成氧化層。 在與他們合作時，他注意到電流的不對稱性——一個方向的電阻是另一個方向的三倍。 銅和氧化銅圓盤對電流進行整流，就像硫化物晶體一樣。
氧化銅整流電路
格隆達爾在接下來的六年裡，在另一位美國研究人員保羅·蓋革(Paul Geiger) 的幫助下，根據這一現象開發了一種即用型商用整流器，然後於1926 年向美國物理學會提交了專利申請並宣布了他的發現。立即成為商業熱門。 由於沒有易碎的燈絲，它比基於弗萊明閥原理的真空管整流器可靠得多，並且生產成本更低。 與布朗整流晶體不同，它在第一次嘗試時就起作用了，並且由於金屬和氧化物之間的接觸面積更大，因此它可以在更大的電流和電壓範圍內工作。 它可以為電池充電，檢測各種電氣系統中的訊號，並充當強大發電機中的安全分流器。 當用作光電管時，圓盤可以充當測光錶，在攝影中特別有用。 大約在同一時間，其他研究人員開發了硒整流器，也發現了類似的應用。
一組基於氧化銅的整流器。 多個圓盤的組裝增加了反向電阻，這使得它們可以在高電壓下使用。
幾年後，貝爾實驗室的兩位物理學家約瑟夫·貝克爾和 ，決定研究銅整流器的工作原理 - 他們有興趣了解它的工作原理以及如何在貝爾系統中使用它。
年老的布拉頓 - 約。 1950年
布拉頓和格隆達爾來自太平洋西北部的同一地區，他在距離加拿大邊境幾公里的農場長大。 高中時，他對物理學產生了興趣，表現出了該領域的天賦，並最終在 1920 年代末獲得了明尼蘇達大學的博士學位，並於 1929 年在貝爾實驗室找到了一份工作。最新的理論物理學在歐洲越來越受歡迎，被稱為量子力學（其策展人是 ，他也指導過約翰·阿塔納索夫）。
量子革命
過去三十年來，一個新的理論平台慢慢發展起來，到了適當的時候，它將能夠解釋多年來在方鉛礦、硒和氧化銅等材料中觀察到的所有奇怪現象。 一群主要來自德國和鄰國的年輕物理學家引發了物理學的量子革命。 他們環顧四周，發現的不是他們所學的光滑連續的世界，而是奇怪的、離散的腫塊。
這一切都始於 1890 年代。 柏林大學著名教授馬克斯·普朗克決定研究一個眾所周知的未解決問題：如何“「（吸收所有能量且不反射能量的理想物質）發射電磁波譜中的輻射？ 人們嘗試了各種模型，但沒有一個與實驗結果相符——它們要么在光譜的一端失敗，要么在另一端失敗。 普朗克發現，如果我們假設能量是由物體以離散量的小「包」形式發射的，那麼我們就可以寫出頻率與能量之間關係的簡單定律，該定律與經驗結果完全匹配。
不久之後，愛因斯坦發現光的吸收（光子的第一個跡象）也發生了同樣的事情，湯姆森表明，電力也不是由連續的流體或波攜帶，而是由離散的粒子——電子攜帶。 尼爾斯·玻爾隨後創建了一個模型，透過將電子分配到原子中的各個軌道（每個軌道都有自己的能量）來解釋受激原子如何發射輻射。 然而，這個名稱具有誤導性，因為它們的行為完全不像行星的軌道——在玻爾模型中，電子立即從一個軌道或能階躍遷到另一個軌道，而不需要通過中間態。 最後，在 1920 年代，埃爾文·薛定諤、維爾納·海森堡、馬克斯·玻恩等人創建了一個稱為量子力學的廣義數學平台，其中包含了過去 XNUMX 年來創建的所有特殊量子模型。
此時，物理學家已經確信，硒和方鉛礦等具有光伏和整流特性的材料屬於一類單獨的材料，他們稱之為半導體。 由於多種原因，分類花了這麼長時間。 首先，「導體」和「絕緣體」的範疇本身就相當廣泛。 T.N. 「導體」的電導率差異很大，絕緣體也是如此（在較小程度上），並且尚不清楚如何將任何特定導體分類為這些類別中的任何一類。 此外，直到 XNUMX 世紀中葉，還不可能獲得或製造非常純淨的物質，天然材料導電性的任何異常都可能歸因於污染。
物理學家現在既擁有量子力學的數學工具，也擁有可以應用它們的新型材料。 英國理論家 1931 年，第一個將所有這些整合在一起並建立了半導體及其工作原理的通用模型。
起初，威爾遜認為導電材料與電介質的不同之處在於其能帶狀態。 量子力學指出，電子可以存在於單一原子的殼層或軌道中的有限數量的能階中。 如果將這些原子在材料結構中擠壓在一起，那麼想像連續的能量區域穿過它會更正確。 高能帶的導體中存在空隙，電場可以使電子在那裡自由移動。 在絕緣體中，這些區域被填充，要到達更高的導電區域需要相當長的攀登，通過該區域電流更容易傳輸。
這使他得出結論：雜質（材料結構中的外來原子）必定對其半導體特性有貢獻。 它們可以提供額外的電子，這些電子很容易逃逸到導帶中，也可以提供電洞（相對於材料的其餘部分缺乏電子），這會產生自由電子可以移動的空能量空間。 第一種選擇後來被稱為 n 型（或電子）半導體，因為有多餘的負電荷，第二種選擇 - p 型或電洞半導體，因為有多餘的正電荷。
最後，威爾遜提出半導體電流整流可以用量子術語來解釋。 ，電子突然跳躍穿過材料中的薄電位壘。 該理論看似合理，但它預測在整流器中電流應該從氧化物流向銅，儘管實際上情況恰恰相反。
因此，儘管威爾遜取得了所有突破，半導體仍然難以解釋。 隨著人們逐漸清楚，晶體結構和雜質濃度的微觀變化不成比例地影響了它們的宏觀電行為。 布拉廷和貝克爾忽略了人們缺乏理解的情況——因為沒有人能夠解釋布朗 60 年前所做的實驗觀察結果——為他們的雇主開發了一種高效的氧化銅整流器製造工藝。 貝爾系統很快就開始用工程師稱為的新設備替換整個系統中的真空管整流器 ，因為它的電阻會根據方向而變化。
金牌
物理學家、貝爾實驗室真空管部門前負責人 Mervyn Kelly 對這項發展非常感興趣。 在幾十年的時間裡，真空管為貝爾提供了寶貴的服務，並且能夠執行上一代機械和機電組件無法實現的功能。 但它們運作時很熱，經常過熱，消耗大量能源，並且難以維護。 凱利打算用更可靠、更耐用的固態電子元件（例如壓敏電阻）重建貝爾的系統，這些元件不需要密封、充氣或空的盒子或熱燈絲。 1936年，他成為貝爾實驗室研究部門的負責人，並開始引導該組織走上新的道路。
獲得固態整流器後，下一個明顯的步驟是創建固態放大器。 當然，就像電子管放大器一樣，這種設備也可以用作數位開關。 貝爾公司對此特別感興趣，因為電話交換機仍然使用大量機電數位交換機。 該公司正在尋找一種更可靠、更小、更節能、更涼爽的替代品來替代電話系統、收音機、雷達和其他模擬設備中的真空管，這些設備用於將微弱信號放大到人耳可以聽到的水平。
1936 年，貝爾實驗室終於解除了 XNUMX 年期間實施的招募凍結。 。 凱利立即開始招募量子力學專家來幫助啟動他的固態研究計劃，包括 ，另一位西海岸本地人，來自加利福尼亞州帕洛阿爾托。 他最近在麻省理工學院的論文主題非常適合凱利的需要：「氯化鈉中的電子帶」。
在此期間，布拉頓和貝克爾繼續對氧化銅整流器進行研究，尋求改進的固態放大器。 最明顯的實作方法是與真空管進行類比。 就像 Lee de Forest 拿了一個電子管擴大機一樣 在陰極和陽極之間，布拉頓和貝克爾想像瞭如何在銅和氧化銅的交界處插入一個網，在那裡應該發生整流。 然而，由於該層的厚度很小，他們發現不可能做到這一點，並且沒有成功。
同時，其他進展表明貝爾實驗室並不是唯一對固態電子產品感興趣的公司。 1938 年，魯道夫·希爾施 (Rudolf Hilsch) 和羅伯特·波爾 (Robert Pohl) 發表了在哥廷根大學透過在溴化鉀晶體中引入閘極而創建的工作固態放大器的實驗結果。 這個實驗室設備沒有實用價值，主要是因為它的工作頻率不超過1赫茲。 然而，這項成就不能不讓所有對固態電子學有興趣的人感到高興。 同年，凱利將蕭克利分配到一個新的獨立固態元件研究小組，並全權委託他和他的同事福斯特·尼克斯(Foster Nix) 和迪恩·伍爾里奇(Dean Woolridge) 探索他們的能力。
在第二次世界大戰之前，至少有另外兩位發明家成功地製造了固態放大器。 1922年，蘇聯物理學家、發明家 發表了鋅礦半導體的成功實驗結果，但他的工作並未引起西方社會的注意； 1926年，美國發明家朱利葉斯·利倫菲爾德（Julius Lillenfield）申請了固態放大器專利，但沒有證據表明他的發明有效。
蕭克利在他的新職位上的第一個重要見解是在閱讀英國物理學家內維爾·莫斯1938 年的著作《晶體整流器理論》時產生的，該書最終解釋了格朗達爾氧化銅整流器的工作原理。 莫特使用量子力學數學來描述導電金屬和半導體氧化物交界處電場的形成，以及電子如何「跳躍」越過該電位壘，而不是像威爾遜提出的那樣形成隧道。 電流從金屬流向半導體比反之亦然更容易，因為金屬具有更多的自由電子。
這導致蕭克利想到了布拉頓和貝克爾幾年前考慮過但拒絕的完全相同的想法——透過在銅和氧化銅之間插入氧化銅網來製造固態放大器。 他希望流過閘極的電流會增加限制電流從銅流向氧化物的勢壘，從而在閘極上產生反轉的放大訊號。 他的第一次粗略嘗試完全失敗了，因此他求助於一位擁有更精湛的實驗室技能並且熟悉整流器的人：沃爾特·布拉頓（Walter Brattain）。 而且，儘管布拉頓對結果毫不懷疑，但他還是同意滿足蕭克利的好奇心，並創建了一個更複雜版本的「網格」擴大機。 她還拒絕工作。
隨後戰爭爆發，凱利的新研究計畫陷入混亂。 凱利成為貝爾實驗室雷達工作小組的負責人，並得到美國主要雷達研究中心麻省理工學院的支持。 布拉頓曾短暫為他工作過，然後繼續為海軍研究潛艇磁力探測。 伍爾里奇研究火控系統，尼克斯研究曼哈頓計畫的氣體擴散，蕭克利從事運籌學，先研究大西洋的反潛戰，然後研究太平洋的戰略轟炸。
但儘管有這種幹預，戰爭並沒有阻止固態電子學的發展。 相反，它精心策劃了向該領域注入了大量資源，並導致了對兩種材料的集中研究：鍺和矽。
還有什麼要讀的
歐內斯特‧布魯安和史都華‧麥克唐納，《微型革命》(1978)
弗里德里希·柯瑞洛和查爾斯·蘇斯金德、費迪南德·布勞恩 (1981)
G. L. Pearson 和 W. H. Brattain，“半導體研究史”，IRE 會議記錄（1955 年 XNUMX 月）。
麥可‧賴爾丹與莉蓮‧霍德森，《水晶之火》(1997)
來源： www.habr.com