Transistor-Geschichte: Waten bei Berührung im Dunkeln

Der Weg zu Festkörperschaltern war lang und schwierig. Es begann mit der Entdeckung, dass sich bestimmte Materialien in Gegenwart von Elektrizität seltsam verhalten - nicht so, wie es Theorien damals vorausgesagt hatten. Es folgte eine Geschichte darüber, wie Technologie im 20. Jahrhundert zu einer zunehmend wissenschaftlichen und institutionellen Disziplin wurde. Amateure, Anfänger und professionelle Erfinder, die praktisch keine wissenschaftliche Ausbildung hatten, leisteten ernsthafte Beiträge zur Entwicklung von Telegraph, Telefonie und Radio. Aber wie wir sehen werden, sind fast alle Fortschritte in der Geschichte der Festkörperelektronik dank Wissenschaftlern zu verzeichnen, die an Universitäten studieren (und normalerweise in Physik promovieren) und an Universitäten oder Forschungslabors von Unternehmen arbeiten.

Jeder, der Zugang zu einer Werkstatt hat und über grundlegende Kenntnisse im Umgang mit Materialien verfügt, kann Relais aus Drähten, Metall und Holz zusammenbauen. Um elektronische Lampen herzustellen, sind speziellere Werkzeuge erforderlich, mit denen ein Glaskolben hergestellt und Luft herausgepumpt werden kann. Festkörpergeräte verschwanden in einem Kaninchenbau, aus dem der digitale Schalter nie zurückkehrte, und tauchten tiefer in Welten ein, die nur für die abstrakte Mathematik verständlich und nur mit wahnsinnig teuren Geräten zugänglich waren.

Galenit

1874 wurde Ferdinand Brown , ein 24-jähriger Physiker von der School of St. Thomas in Leipzig veröffentlichte das erste von vielen wichtigen wissenschaftlichen Werken seiner langen Karriere. Die Arbeit „Über den Durchgang elektrischer Ströme durch Metallsulfide“ wurde in der Zeitschrift Palenendorffs Annalen, einer renommierten Zeitschrift für Naturwissenschaften, angenommen. Trotz der langweiligen Überschrift beschrieb Browns Arbeit mehrere überraschende und kryptische experimentelle Ergebnisse.


Ferdinand Brown

Brown war fasziniert von Sulfiden - Mineralkristallen, die aus Schwefelverbindungen mit Metallen bestehen - dank der Arbeit von Johann Wilhelm Gittorf . Bereits 1833 stellte Michael Faraday fest, dass die Leitfähigkeit von Silbersulfid mit der Temperatur zunimmt, was dem Verhalten von Metallleitern völlig entgegengesetzt ist. Hittorf erstellte einen gründlichen quantitativen Bericht über die Messungen dieses Effekts in den 1850er Jahren für Sulfide von Silber und Kupfer. Brown fand unter Verwendung eines ausgeklügelten Versuchsaufbaus, bei dem ein Metalldraht mit einer Feder auf einen Sulfidkristall gedrückt wurde, um einen guten Kontakt zu gewährleisten, etwas noch Seltsameres. Die Leitfähigkeit der Kristalle hing von der Richtung ab - zum Beispiel konnte der Strom gut in eine Richtung fließen, aber wenn die Polarität der Batterie umgekehrt wurde, konnte der Strom plötzlich stark abfallen. Kristalle in einer Richtung wirkten eher wie Leiter (wie normale Metalle) und in der anderen eher wie Isolatoren (wie Glas oder Gummi). Diese Eigenschaft ist als Gleichrichtung bekannt geworden, da ein "gewundener" Wechselstrom gleichgerichtet und in einen "flachen" Gleichstrom umgewandelt werden kann.

Etwa zur gleichen Zeit entdeckten die Forscher andere seltsame Eigenschaften von Materialien wie Selen, die aus bestimmten Sulfidmetallerzen geschmolzen werden konnten. Unter dem Einfluss von Licht erhöhte Selen die Leitfähigkeit und begann sogar, Elektrizität zu erzeugen, und es konnte auch zur Gleichrichtung verwendet werden. Gab es einen Zusammenhang mit Sulfidkristallen? Ohne theoretische Modelle, die erklären konnten, was geschah, herrschte in diesem Bereich Verwirrung.

Der Mangel an Theorie hat jedoch die Versuche, die Ergebnisse in die Praxis umzusetzen, nicht gestoppt. In den späten 1890er Jahren wurde Brown Professor an der Universität Straßburg - kürzlich während des Deutsch-Französischen Krieges aus Frankreich annektiert und in Universität Kaiser Wilhelm umbenannt. Dort wurde er in eine aufregende neue Welt der Radiotelegraphie hineingezogen. Er stimmte dem Vorschlag einer Gruppe von Unternehmern zu, gemeinsam ein drahtloses Kommunikationssystem zu schaffen, das auf der Übertragung von Funkwellen durch Wasser basiert. Er und seine Komplizen gaben jedoch bald die ursprüngliche Idee zugunsten der Flugsignalisierung auf, die Marconi und andere verwendeten.

Zu den Aspekten des Radios, die Browns Gruppe verbessern wollte, gehörte der damalige Standardempfänger, der Kohärentere . Es beruhte auf der Tatsache, dass Radiowellen Metallspäne zwangen, sich in einem Klumpen zu sammeln, wodurch der Strom von der Batterie zum Signalgerät geleitet werden konnte. Dies funktionierte, aber das System reagierte nur auf relativ starke Signale, und um den Sägemehlklumpen zu brechen, musste das Gerät ständig getroffen werden. Brown erinnerte sich an seine alten Experimente mit Sulfidkristallen und stellte 1899 seinen alten Versuchsaufbau mit einem neuen Zweck nach - als Detektor für drahtlose Signale. Er nutzte den Gleichrichtungseffekt, um den winzigen oszillierenden Strom, der von den vorbeiziehenden Funkwellen erzeugt wird, in Gleichstrom umzuwandeln, der von einem kleinen Lautsprecher gespeist werden könnte, der für jeden Punkt oder Strich hörbare Klicks erzeugt. Dieses Gerät wurde später aufgrund des Aussehens der Verkabelung, die leicht die Oberseite des Kristalls berührte, als " Katzenwhisker-Detektor " bekannt. In Britisch-Indien (wo sich heute Bangladesch befindet) baute der Wissenschaftler und Erfinder Jagadish Bose ein ähnliches Gerät, möglicherweise sogar 1894. Der Rest begann bald, ähnliche Detektoren auf der Basis von Silizium und Carborundum (Siliziumkarbid) herzustellen.

Es ist jedoch Bleiglanz, Bleisulfid, das seit der Antike zu Blei geschmolzen wurde und das bevorzugte Material für kristalline Detektoren geworden ist. Sie erwiesen sich als einfach herzustellen und billig und wurden infolgedessen bei der frühen Generation des Amateurfunkgeräts wahnsinnig beliebt. Darüber hinaus könnte der Kristallgleichrichter im Gegensatz zum binären Kohärenten (mit Sägemehl, das entweder in die Irre ging oder nicht) ein kontinuierliches Signal erzeugen. Daher konnte er hörbare Sprach- und Musikübertragungen ausgeben und nicht nur Morsecode mit seinen Punkten und Strichen.


Katzenwhisker-Detektor auf Galena-Basis. Ein kleines Stück Draht links ist ein Schnurrbart, und ein Stück Silbermaterial darunter ist ein Bleiglanzkristall.

Wie die verärgerten Schinken jedoch bald entdeckten, konnte es Minuten oder sogar Stunden dauern, bis ein magischer Punkt auf der Oberfläche des Kristalls gefunden war, der eine gute Richtwirkung ergab. Und die Signale ohne Verstärkung waren schwach und hatten einen metallischen Klang. In den 1920er Jahren hatten röhrenbasierte Empfänger mit Triodenverstärkern fast überall kristalline Detektoren praktisch eliminiert. Ihr attraktives Merkmal war nur die Billigkeit.

Dieses kurze Auftreten in der Arena der Radios schien die Grenze der praktischen Anwendung der seltsamen elektrischen Eigenschaften des von Brown und anderen entdeckten Materials zu sein.

Kupferoxid

In den 1920er Jahren entdeckte ein anderer Physiker namens Lars Grondahl mit seinem Versuchsaufbau etwas Seltsames. Grondal, der erste einer Reihe kluger und unruhiger Ehemänner in der Geschichte des amerikanischen Westens, war der Sohn eines Bauingenieurs. Sein Vater, der 1880 aus Norwegen ausgewandert war, arbeitete mehrere Jahrzehnte bei den Eisenbahnen in Kalifornien, Oregon und Washington. Zuerst schien Grondal zu entscheiden, die Ingenieurwelt seines Vaters hinter sich zu lassen, und ging zum Johns Hopkins Institute, um in Physik zu promovieren und den akademischen Weg einzuschlagen. Dann engagierte er sich im Eisenbahngeschäft und übernahm die Position des Forschungsdirektors von Union Switch and Signal, einer Abteilung des Industrieriesen Westinghouse , der Ausrüstungen für die Eisenbahnindustrie lieferte.

Verschiedene Quellen weisen auf widersprüchliche Gründe hin, die Grondal dazu motivierten, ihn zu untersuchen, aber wie auch immer, er begann mit einseitig erhitzten Kupferscheiben zu experimentieren, um eine oxidierte Schicht zu erzeugen. In seiner Arbeit machte er auf die Asymmetrie des Stroms aufmerksam - der Widerstand in einer Richtung war dreimal größer als in der anderen. Eine Scheibe aus Kupfer und Kupferoxid korrigierte den Strom wie ein Sulfidkristall.


Kupferoxid-Gleichrichterschaltung

In den nächsten sechs Jahren entwickelte Grondal auf der Grundlage dieses Phänomens einen Gleichrichter für den kommerziellen Gebrauch, der die Hilfe eines anderen US-Forschers, Paul Geiger, in Anspruch nahm. Anschließend sandte er eine Patentanmeldung und kündigte seine Entdeckung 1926 in der American Physical Society an. Das Gerät wurde sofort zu einem kommerziellen Erfolg. Aufgrund des Fehlens spröder Garne war es viel zuverlässiger als ein Gleichrichter für elektronische Lampen, basierend auf dem Fleming-Ventilprinzip, und war in der Produktion billig. Im Gegensatz zu Brownschen Gleichrichterkristallen arbeitete er beim ersten Versuch und dank der größeren Kontaktfläche von Metall und Oxid arbeitete er mit einer Vielzahl von Strömen und Spannungen. Er konnte Batterien aufladen, Signale in verschiedenen elektrischen Systemen erkennen und als Sicherheits-Shunt in leistungsstarken Generatoren arbeiten. Bei Verwendung als Fotozelle konnten Datenträger als Belichtungsmesser verwendet werden und waren besonders in der Fotografie nützlich. Andere Forscher entwickelten ungefähr zur gleichen Zeit Selengleichrichter, die ähnliche Anwendungen fanden.


Eine Packung Gleichrichter auf Kupferoxidbasis. Die Montage mehrerer Scheiben erhöhte den Sperrwiderstand, wodurch sie mit Hochspannung verwendet werden konnten.

Einige Jahre später beschlossen zwei Physiker der Bella Laboratories, Joseph Becker und Walter Brattain , das Funktionsprinzip eines Kupfergleichrichters zu untersuchen. Sie waren interessiert zu wissen, wie es funktioniert und wie es bei Bell System eingesetzt werden kann.


Brattain im Alter - ca. 1950

Brattain stammte ursprünglich aus denselben Orten wie Grondal aus dem pazifischen Nordwesten, wo er auf einer Farm aufwuchs, die nur wenige Kilometer von der kanadischen Grenze entfernt liegt. In der High School interessierte er sich für Physik, zeigte Fähigkeiten auf diesem Gebiet und promovierte Ende der 1920er Jahre an der University of Minnesota. 1929 erhielt er eine Stelle am Bell Laboratory. Unter anderem studierte er die neueste theoretische Physik an der Universität , in Europa immer beliebter und als Quantenmechanik bekannt (sein Kurator war John Hazbrook Van Fleck , der auch John Atanasov unterrichtete).

Quantenrevolution

Die neue theoretische Plattform hat sich in den letzten drei Jahrzehnten nur langsam entwickelt und wird zu gegebener Zeit alle seltsamen Phänomene erklären können, die seit vielen Jahren in Materialien wie Bleiglanz, Selen und Kupferoxid beobachtet werden. Eine ganze Kohorte überwiegend junger Physiker, hauptsächlich aus Deutschland und den Nachbarländern, löste eine Quantenrevolution in der Physik aus. Überall, schauen Sie, entdeckten sie nicht die glatte und kontinuierliche Welt, die ihnen beigebracht wurde, sondern seltsame diskrete Klumpen.

Alles begann in den 1890er Jahren. Max Planck, ein bekannter Professor an der Universität Berlin, entschied sich für ein bekanntes ungelöstes Problem: Wie emittiert ein „ absolut schwarzer Körper “ (eine ideale Substanz, die alle Energie absorbiert und nicht reflektiert) Strahlung im elektromagnetischen Spektrum? Es wurden verschiedene Modelle ausprobiert, von denen keines mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmte - sie konnten weder am einen noch am anderen Ende des Spektrums zurechtkommen. Planck fand heraus, dass wir, wenn wir annehmen, dass die Energie vom Körper in kleinen "Paketen" diskreter Größe emittiert wird, ein einfaches Gesetz der Beziehung zwischen Frequenz und Energie schreiben können, das idealerweise mit empirischen Ergebnissen übereinstimmt.

Bald darauf entdeckte Einstein, dass dasselbe mit der Absorption von Licht (dem ersten Hinweis auf Photonen) passiert, und J. J. Thomson zeigte, dass Elektrizität auch nicht von einer kontinuierlichen Flüssigkeit oder Welle transportiert wird, sondern von diskreten Teilchen - Elektronen. Niels Bohr erstellte dann ein Modell, das erklärte, wie angeregte Atome Strahlung emittieren, indem sie Elektronen, von denen jede ihre eigene Energie hat, separate Umlaufbahnen in einem Atom zuweisen. Dieser Name ist jedoch irreführend, da sie sich in keiner Weise ähnlich wie die Umlaufbahnen der Planeten verhalten - im Bohr-Modell werden Elektronen sofort von einer Umlaufbahn oder einem Energieniveau auf eine andere übertragen, ohne einen Zwischenzustand zu durchlaufen. Und schließlich haben Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Bourne und andere in den 1920er Jahren eine verallgemeinerte mathematische Plattform namens Quantenmechanik geschaffen, die alle speziellen Quantenmodelle umfasst, die in den letzten zwanzig Jahren erstellt wurden.

Zu diesem Zeitpunkt waren die Physiker bereits davon überzeugt, dass Materialien wie Selen und Bleiglanz, die photovoltaische und gleichrichtende Eigenschaften aufweisen, zu einer separaten Klasse von Materialien gehören, die sie Halbleiter nannten. Die Klassifizierung dauerte aus mehreren Gründen so lange. Erstens waren die Kategorien „Leiter“ und „Isolatoren“ selbst recht umfangreich. T.N. "Leiter" waren in ihrer Leitfähigkeit extrem unterschiedlich, dasselbe war (in geringerem Maße) charakteristisch für Isolatoren, und es war nicht offensichtlich, wie ein bestimmter Leiter einer dieser Klassen zugeordnet werden kann. Darüber hinaus war es bis zur Mitte des 20. Jahrhunderts unmöglich, sehr reine Substanzen zu erhalten oder herzustellen, und alle Seltsamkeiten in der Leitfähigkeit natürlicher Materialien konnten immer auf Verschmutzung zurückgeführt werden.

Physiker haben jetzt sowohl mathematische Werkzeuge der Quantenmechanik als auch eine neue Klasse von Materialien, auf die sie angewendet werden könnten. Der britische Theoretiker Alan Wilson war der erste, der alles zusammenbrachte und 1931 ein allgemeines Modell von Halbleitern und das Prinzip ihrer Arbeit aufbaute.

Zunächst argumentierte Wilson, dass sich leitfähige Materialien im Zustand der Energiezonen von Dielektrika unterscheiden. Die Quantenmechanik behauptet, dass Elektronen auf einer begrenzten Anzahl von Energieniveaus existieren können, die den Schalen oder Orbitalen einzelner Atome innewohnen. Wenn Sie diese Atome in der Struktur eines Materials zusammendrücken, wäre es richtiger, sich kontinuierliche Energiezonen vorzustellen, die durch dieses hindurchgehen. Es gibt freie Stellen in Leitern in Hochenergiezonen, und das elektrische Feld kann dort Elektronen frei bewegen. In den Isolatoren sind die Zonen gefüllt, und zu einer höheren leitfähigen Zone, auf die Elektrizität leichter zu gelangen ist, kann man ziemlich weit klettern.

Dies führte ihn zu dem Schluss, dass Verunreinigungen - Fremdatome in der Struktur des Materials - zu seinen Halbleitereigenschaften beitragen sollten. Sie können entweder zusätzliche Elektronen liefern, die leicht in das Leitungsband eintreten, oder Löcher - das Fehlen von Elektronen im Vergleich zum Rest des Materials -, die leere Energiepunkte erzeugen, an denen sich freie Elektronen bewegen können. Die erste Option wurde später als n-Halbleiter (oder elektronisch) bezeichnet - für eine überschüssige negative Ladung und die zweite - p-Typ oder Loch - für eine überschüssige positive Ladung.

Schließlich schlug Wilson vor, dass die Gleichrichtung des Stroms durch Halbleiter durch den Quantentunneleffekt, den plötzlichen Elektronensprung durch eine dünne elektrische Barriere in einem Material, erklärt werden kann. Die Theorie sah plausibel aus, sagte jedoch voraus, dass im Gleichrichter der Strom von Oxid zu Kupfer fließen sollte, obwohl dies in Wirklichkeit umgekehrt war.

Trotz aller Durchbrüche Wilsons blieben Halbleiter schwer zu erklären. Wie sich allmählich herausstellte, beeinflussten mikroskopische Änderungen der Kristallstruktur und der Konzentration von Verunreinigungen ihr makroskopisches elektrisches Verhalten überproportional. Brattain und Becker ignorierten das Unverständnis - da niemand die experimentellen Beobachtungen von Brown vor 60 Jahren erklären konnte - und entwickelten für ihren Arbeitgeber ein effizientes Herstellungsverfahren für Kupferoxidgleichrichter. Das Bell-System begann schnell, elektronische Lampengleichrichter im gesamten System durch ein neues Gerät zu ersetzen, das von den Ingenieuren als Varistor bezeichnet wurde , da der Widerstand je nach Richtung unterschiedlich war.

Goldmedaille

Mervyn Kelly, Physiker und ehemaliger Leiter der Abteilung für elektronische Lampen im Bell Laboratory, war an dieser Leistung sehr interessiert. Seit einigen Jahrzehnten bieten elektronische Lampen Bell einen unschätzbaren Service und könnten Funktionen ausführen, die für die vorherige Generation mechanischer und elektromechanischer Komponenten nicht zugänglich sind. Aber sie waren sehr heiß, regelmäßig überhitzt, verbrauchten viel Energie und waren schwer zu warten. Kelly war dabei, das Bell-System auf der Grundlage zuverlässigerer und langlebigerer elektronischer Festkörperkomponenten wie eines Varistors neu aufzubauen, für den keine versiegelten Gehäuse erforderlich waren, die mit Gas oder leeren oder heißen Filamenten gefüllt waren. 1936 wurde er Leiter der Forschungsabteilung der Bell Laboratories und begann, die Organisation auf einen neuen Weg umzuleiten.

Bei einem Festkörpergleichrichter bestand der nächste offensichtliche Schritt darin, einen Festkörperverstärker zu erstellen. , , , . , . , , , , , , .

1936 , , , . , , , , - (). MIT : « ».

, . . , , , , , , . - , .

, , . 1938 , , . – , 1 . . – – - .

, . 1922 , ; 1926 , .

« » 1938 , , , . , , «» , , , . , , .

, – , . , , , , , . , , , – . , , , «» . .

, . , MIT. , . , – , , , .

, , . , , : .

Ernest Bruan and Stuart MacDonald, Revolution in Miniature (1978)

Friedrich Kurylo and Charles Susskind, Ferdinand Braun (1981)

GL Pearson and WH Brattain, “History of Semiconductor Research,” Proceedings of the IRE (December 1955).

Michael Riordan and Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)