Transistorgeschichte Teil 2: Aus dem Schmelztiegel des Krieges

Der Kriegstiegel ebnete den Weg für das Erscheinen eines Transistors. Von 1939 bis 1945 wuchs das technische Wissen auf dem Gebiet der Halbleiter unglaublich. Und es gab einen einfachen Grund: Radar. Die wichtigste Technologie des Krieges, zu deren Anwendungen gehören: Erkennung von Luftangriffen, Suche nach U-Booten, Senden von Nachtflügen zu Zielen, Führung von Luftverteidigungssystemen und Seekanonen. Die Ingenieure lernten sogar, winzige Radargeräte in Artilleriegeschosse zu schieben, damit sie explodieren, wenn sie in der Nähe des Ziels fliegen - Funksicherungen . Die Quelle dieser mächtigen neuen Militärtechnologie war jedoch ein friedlicheres Gebiet: das Studium der oberen Atmosphäre für wissenschaftliche Zwecke.

Radar

1901 übertrug Marconi Wireless Telegraph erfolgreich drahtlose Kommunikation über den Atlantik von Cornwall nach Neufundland. Diese Tatsache hat die moderne Wissenschaft verwirrt. Wenn das Funkgerät in einer geraden Linie sendet (wie es sein sollte), sollte eine solche Übertragung unmöglich sein. Es gibt keine direkte Sichtlinie zwischen England und Kanada, die die Erde nicht überquert, daher sollte Marconis Botschaft in den Weltraum fliegen. Der amerikanische Ingenieur Arthur Kenneli und der britische Physiker Oliver Heaviside schlugen gleichzeitig und unabhängig vor, dass die Erklärung für dieses Phänomen in einer Schicht ionisierten Gases in der oberen Atmosphäre liegen sollte, die Radiowellen zurück zur Erde reflektieren kann (Marconi selbst glaubte, dass Radiowellen der Krümmung der Erdoberfläche folgen). Die Physiker unterstützten ihn jedoch nicht.

In den 1920er Jahren hatten Wissenschaftler neue Geräte entwickelt, mit denen sie zunächst die Existenz der Ionosphäre nachweisen und anschließend ihre Struktur untersuchen konnten. Sie verwendeten Elektronenröhren, um kurzwellige Funkimpulse zu erzeugen, Richtantennen, um sie in die Atmosphäre zu senden und Echos aufzuzeichnen, und Kathodenstrahlgeräte , um die Ergebnisse zu demonstrieren. Je länger die Echo-Rücklaufverzögerung ist, desto weiter sollte die Ionosphäre sein. Diese Technologie wurde als atmosphärisches Singen bezeichnet und bildete die grundlegende technische Infrastruktur für die Erstellung des Radars (der Begriff "Radar" von RAdio Detection And Ranging tauchte erst in den 1940er Jahren in der US-Marine auf).

Die Tatsache, dass Menschen mit den erforderlichen Kenntnissen, Ressourcen und Motivationen das Potenzial der bodengestützten Nutzung solcher Geräte verstanden haben, war nur eine Frage der Zeit (daher ist die Geschichte des Radars der Geschichte des Teleskops entgegengesetzt, das ursprünglich für die Bodennutzung vorgesehen war). Und die Wahrscheinlichkeit einer solchen Beleuchtung stieg, als sich das Radio immer mehr auf dem Planeten ausbreitete und immer mehr Menschen Störungen durch nahegelegene Schiffe, Flugzeuge und andere große Objekte bemerkten. Das Wissen aus dem Bereich der Sondiertechnologie für die obere Atmosphäre verbreitete sich während des zweiten Internationalen Polarjahres (1932-1933), als Wissenschaftler verschiedener arktischer Stationen eine Karte der Ionosphäre zusammenstellten. Bald darauf entwickelten Teams in Großbritannien, den USA, Deutschland, Italien, der UdSSR und anderen Ländern ihre einfachsten Radarsysteme.


Robert Watson-Watt mit seinem Radar von 1935

Dann brach ein Krieg aus und die Bedeutung von Radar für die Länder - und die Ressourcen, um sie zu entwickeln - nahmen dramatisch zu. In den USA sammelten sich diese Ressourcen um eine neue Organisation, die 1940 am MIT gegründet wurde und als Rad Lab bekannt ist (sie wurde so genannt, um ausländische Spione irrezuführen und den Eindruck zu erwecken, dass das Labor die Radioaktivität untersucht - damals glaubten nur wenige Menschen an Atom Bomben). Das Rad Lab-Projekt, das nicht so berühmt ist wie das Manhattan-Projekt, hat dennoch dieselben herausragenden und talentierten Physiker aus allen Teilen der USA in seine Reihen aufgenommen. Fünf der ersten Labormitarbeiter (darunter Luis Alvarez und Isidore Isaac Rabi ) erhielten anschließend Nobelpreise. Bis Kriegsende arbeiteten etwa 500 Ärzte, Wissenschaftler und Ingenieure im Labor, und insgesamt arbeiteten 4.000 Menschen. Eine halbe Million Dollar - vergleichbar mit dem gesamten ENIAC-Budget - wurden nur für die siebenundzwanzig Bände umfassende Radiation Laboratory Series ausgegeben, in der alle während des Krieges im Labor gewonnenen Erkenntnisse beschrieben wurden (während die US-Regierung für Radartechnologie nicht auf das Rad Lab-Budget beschränkt war Während des Krieges kaufte die Regierung Radar im Wert von 3 Milliarden US-Dollar.


20. MIT-Gebäude, in dem sich Rad Lab befand

Eines der Hauptforschungsgebiete von Rad Lab war das Hochfrequenzradar. Frühe Radargeräte verwendeten Wellen mit Längen in Metern. Strahlen höherer Frequenz, deren Wellenlängen in Zentimetern gemessen wurden - Mikrowellen - ermöglichten es jedoch, kompaktere Antennen zu verwenden und über große Entfernungen weniger zu streuen, was große Vorteile in Bezug auf Reichweite und Genauigkeit versprach. Mikrowellenradargeräte könnten in die Nase eines Flugzeugs passen und Objekte von der Größe eines Periskops eines U-Bootes erkennen.

Der erste, der dieses Problem löste, war ein Team britischer Physiker von der Universität von Birmingham. 1940 entwickelten sie ein „ Resonanzmagnetron “, das wie eine elektromagnetische „Pfeife“ wirkte und einen zufälligen Elektrizitätsimpuls in einen starken und fein abgestimmten Mikrowellenstrahl umwandelte. Dieser Mikrowellensender war tausendmal leistungsstärker als sein engster Konkurrent; Er ebnete den Weg für praktische Hochfrequenz-Radarsender. Er brauchte jedoch einen Begleiter, einen Empfänger, der hohe Frequenzen aufnehmen konnte. Und an dieser Stelle kehren wir zur Geschichte der Halbleiter zurück.


Schnittmagnetron

Das zweite Kommen des Katzenschnurrbartes

Es stellte sich heraus, dass Elektronenröhren überhaupt nicht für den Empfang von Mikrowellenradarsignalen geeignet waren. Der Spalt zwischen der heißen Kathode und der kalten Anode erzeugt eine Kapazität, aufgrund derer sich die Schaltung weigert, bei hohen Frequenzen zu arbeiten. Die beste verfügbare Technologie für Hochfrequenzradare war der altmodische Katzenwhisker , ein kleines Stück Draht, das gegen einen Halbleiterchip gedrückt wurde. Dies wurde unabhängig von mehreren Menschen entdeckt, aber was in New Jersey passiert ist, ist unserer Geschichte am nächsten.

1938 unterzeichneten die Laboratorien von Bell einen Vertrag mit der Marine über die Entwicklung eines Feuerleitradars im 40-cm-Bereich - es war viel kürzer und daher häufiger als damals in der Zeit vor resonanten Magnetrons. Die wichtigsten Forschungsarbeiten gingen bei der Laborabteilung in Holmdel südlich von Staten Island ein. Die Forscher brauchten nicht lange, um herauszufinden, was sie für einen Hochfrequenzempfänger benötigen würden, und bald durchsuchte der Ingenieur George Southworth die Radiogeschäfte in Manhattan auf der Suche nach alten Katzenschnurrbartdetektoren. Wie erwartet funktionierte es viel besser als ein Lampendetektor, aber es war instabil. Also machte Southworth einen Elektrochemiker namens Russell All ausfindig und bat ihn, zu versuchen, die Gleichmäßigkeit der Reaktion eines kristallinen Detektors mit einem einzigen Kontaktpunkt zu verbessern.

Ol war eine ziemlich eigenartige Person, die die Entwicklung der Technologie als sein Schicksal betrachtete und über periodische Inspirationen mit Zukunftsvisionen sprach. Zum Beispiel erklärte er, dass er bereits 1939 über die zukünftige Erfindung eines Siliziumverstärkers Bescheid wusste, aber dass das Schicksal dazu bestimmt war, ihn für eine andere Person zu erfinden. Nachdem er Dutzende von Optionen untersucht hatte, entschied er sich für Silizium als beste Substanz für Southworth-Empfänger. Das Problem war die Fähigkeit, den Inhalt des Materials zu kontrollieren, um seine elektrischen Eigenschaften zu kontrollieren. Damals waren Industrieschweine aus Silizium weit verbreitet, sie wurden in Stahlwerken eingesetzt, aber niemand kümmerte sich um eine solche Produktion, zum Beispiel den Gehalt an 1% Phosphor in Silizium. Mit der Hilfe einiger Metallurgen machte sich Ol daran, viel sauberere Scheiben als bisher möglich zu bekommen.

Dabei stellten sie fest, dass einige ihrer Kristalle den Strom in die eine und andere in die andere Richtung gleichrichteten. Sie nannten sie "n-Typ" und "p-Typ". Weitere Analysen zeigten, dass verschiedene Arten von Verunreinigungen für diese Arten verantwortlich waren. Silizium befindet sich in der vierten Spalte des Periodensystems, dh es hat vier Elektronen auf der Außenhülle. In einem Rohling aus reinem Silizium würde sich jedes dieser Elektronen mit einem Nachbarn vereinigen. Die Verunreinigungen aus der dritten Säule, beispielsweise Bor, das ein Elektron weniger hat, erzeugten ein „Loch“, einen zusätzlichen Raum, in dem der Strom im Kristall fließen kann. Das Ergebnis war ein p-Halbleiter (mit einem Überschuss an positiven Ladungen). Elemente aus der fünften Säule, beispielsweise Phosphor, lieferten zusätzliche freie Elektronen zum Führen von Strom, und ein Halbleiter vom n-Typ wurde erhalten.


Kristallstruktur von Silizium

Alle diese Studien waren sehr interessant, aber bis 1940 hatten Southworth und Ol nicht annähernd einen funktionierenden Prototyp eines Hochfrequenzradars erstellt. Gleichzeitig forderte die britische Regierung aufgrund der drohenden Bedrohung durch die Luftwaffe, in der bereits produktionsfertige Mikrowellendetektoren in Verbindung mit Magnetronsendern hergestellt wurden, sofortige praktische Ergebnisse.

Bald wird sich das Gleichgewicht der technologischen Fortschritte jedoch zur Westseite des Atlantiks hin neigen. Churchill beschloss, den Amerikanern alle technischen Geheimnisse Großbritanniens zu offenbaren, bevor er tatsächlich in den Krieg eintrat (da dies, wie er vermutete, sowieso passieren sollte). Er glaubte, dass es das Risiko eines Informationslecks wert sei, da seitdem alle industriellen Fähigkeiten der Vereinigten Staaten in die Lösung von Problemen wie Atomwaffen und Radargeräten fließen würden. Die britische wissenschaftliche und technische Mission (besser bekannt als die Tizard-Mission ) kam im September 1940 in Washington an und brachte ein Geschenk in Form von technischen Wundern mit.

Die Entdeckung der unglaublichen Leistung eines Resonanzmagnetrons und der Wirksamkeit britischer Kristalldetektoren beim Empfang seines Signals hat die Forschung der Amerikaner auf dem Gebiet der Halbleiter als Grundlage für Hochfrequenzradare wiederbelebt. Insbesondere auf dem Gebiet der Materialwissenschaften gab es viel zu tun. Um den Anforderungen gerecht zu werden, mussten Halbleiterkristalle „in Millionen produziert werden, viel mehr als bisher möglich. Es war notwendig, das Richten zu verbessern, die Stoßempfindlichkeit und die Wahrscheinlichkeit eines Ausbrennens zu verringern und den Unterschied zwischen verschiedenen Kristallchargen zu minimieren. "


Siliziumpunktgleichrichter

Rad Lab hat neue Forschungsabteilungen eröffnet, um die Eigenschaften von Halbleiterkristallen zu untersuchen und zu untersuchen, wie sie geändert werden können, um wertvolle Eigenschaften als Empfänger zu maximieren. Die vielversprechendsten Materialien waren Silizium und Germanium, daher entschied sich Rad Lab, auf Nummer sicher zu gehen, und startete parallele Programme, um beide zu untersuchen: Silizium an der University of Pennsylvania und Germanium in Purdue. Industriegiganten wie Bell, Westinghouse, Du Pont und Sylvania haben ihre eigenen Halbleiterforschungsprogramme gestartet und neue Produktionsanlagen für Kristalldetektoren entwickelt.

Durch gemeinsame Anstrengungen wurde die Reinheit von Silizium- und Germaniumkristallen von 99% zu Beginn auf 99,999% erhöht, dh auf ein Verunreinigungspartikel pro 100.000 Atome. Dabei lernte der Kader von Wissenschaftlern und Ingenieuren die abstrakten Eigenschaften von Germanium und Silizium kennen und verwendete Technologien zu deren Kontrolle: Schmelzen, Kristallwachstum, Hinzufügen der notwendigen Verunreinigungen (wie Bor, das die Leitfähigkeit erhöhte).

Und dann endete der Krieg. Die Nachfrage nach Radargeräten ist verschwunden, aber die während des Krieges erworbenen Kenntnisse und Fähigkeiten sind nicht verschwunden, und der Traum von einem Festkörperverstärker wurde nicht vergessen. Jetzt sollte ein solcher Verstärker geschaffen werden. Mindestens drei Teams waren in einer guten Position, um diesen Preis zu erhalten.

West Lafayette

Die erste war eine Gruppe der Purdue University unter der Leitung eines Physikers österreichischer Abstammung namens Karl Lark-Horowitz. Mit Talent und Einfluss entfernte er im Alleingang die Physikabteilung der Universität aus dem Vergessen und beeinflusste die Entscheidung von Rad Lab, sein Labor mit Germaniumforschung zu beauftragen.


Karl Lark Horowitz 1947, in der Mitte, mit einer Pfeife

In den frühen 1940er Jahren galt Silizium als das beste Material für Radargleichrichter, aber das Material direkt darunter im Periodensystem schien auch einer weiteren Untersuchung wert zu sein. Deutschland hatte einen praktischen Vorteil aufgrund seines niedrigeren Schmelzpunktes, der die Arbeit damit erleichterte: etwa 940 Grad im Vergleich zu 1400 Grad für Silizium (fast wie Stahl). Aufgrund des hohen Schmelzpunktes war es äußerst schwierig, ein Schwein herzustellen, das nicht in geschmolzenes Silizium eindringt und es verunreinigt.

Daher haben Lark-Horowitz und seine Kollegen den gesamten Krieg damit verbracht, die chemischen, elektrischen und physikalischen Eigenschaften Deutschlands zu untersuchen. Das wichtigste Hindernis war die „Sperrspannung“: Germaniumgleichrichter bei sehr niedriger Spannung stellten den Strom nicht mehr gleich und ließen ihn in die entgegengesetzte Richtung fließen. Ein Rückstromimpuls verbrannte die verbleibenden Komponenten des Radars. Einer der Doktoranden von Lark Horowitz, Seymour Benzer, untersuchte dieses Problem mehr als ein Jahr lang und entwickelte schließlich ein Additiv auf Zinnbasis, das Rückwärtsimpulse bei Spannungen bis zu Hunderten von Volt stoppte. Kurz danach begann Western Electric, die Produktionseinheit von Bells Labor, Gleichrichter auf der Basis der Benzer-Schaltung für militärische Zwecke herzustellen.

Das Studium Deutschlands in Purdue wurde nach dem Krieg fortgesetzt. Im Juni 1947 berichtete Benzer, bereits Professor, über eine ungewöhnliche Anomalie: In einigen Experimenten traten hochfrequente Schwingungen in Germaniumkristallen auf. Und sein Kollege Ralph Bray untersuchte weiterhin den „Volumenwiderstand“ des Projekts, das während des Krieges begann. Der Volumenwiderstand beschreibt, wie Elektrizität in einem Germaniumkristall am Kontaktpunkt eines Gleichrichters fließt. Bray fand heraus, dass Hochspannungsimpulse den Widerstand von Germanium vom n-Typ gegenüber diesen Strömen signifikant verringerten. Ohne es zu merken, war er Zeuge des sogenannten Ladungsträger für Minderheiten. In n-Halbleitern dient überschüssige negative Ladung als Hauptladungsträger, aber positive „Löcher“ können auch Strom führen, und in diesem Fall erzeugten Hochspannungsimpulse Löcher in der Germaniumstruktur, aufgrund derer Minoritätsladungsträger auftraten.

Bray und Benzer kamen dem Germanium-Verstärker verführerisch nahe und bemerkten es nicht. Benzer erwischte Walter Brattain, einen Wissenschaftler aus Bell's Laboratorien, auf einer Konferenz im Januar 1948, um mit ihm über den Volumenwiderstand zu diskutieren. Er schlug Brattain vor, neben dem ersten einen weiteren Punktkontakt zu arrangieren, der Strom leiten könnte, und dann möglicherweise zu verstehen, was unter der Oberfläche geschieht. Brattain stimmte diesem Vorschlag stillschweigend zu und ging. Wie wir sehen werden, wusste er zu gut, was ein ähnliches Experiment enthüllen könnte.

Ein Sous Bois

Die Purdue-Gruppe hatte sowohl die Technologie als auch die theoretische Grundlage, um den Sprung zum Transistor zu schaffen. Aber sie konnten nur zufällig darauf stoßen. Sie interessierten sich für die physikalischen Eigenschaften des Materials und nicht für die Suche nach einem neuen Gerätetyp. Eine völlig andere Situation herrschte in Onet-sous-Bois (Frankreich), wo zwei ehemalige deutsche Radarforscher, Heinrich Welker und Herbert Mathare, ein Team leiteten, dessen Ziel es war, industrielle Halbleiterbauelemente herzustellen.

Velker studierte und lehrte zunächst Physik an der Universität München unter der Leitung des berühmten Theoretikers Arnold Sommerfeld. Seit 1940 verließ er einen rein theoretischen Weg und begann an einem Radar für die Luftwaffe zu arbeiten. Matar (belgischer Herkunft) wuchs in Aachen auf, wo er Physik studierte. Er trat 1939 in die Forschungsabteilung des deutschen Radiogiganten Telefunken ein. Während des Krieges verlegte er seine Arbeit von Berlin nach Osten in die Abtei in Schlesien, um Luftangriffe gegen die Hitler-Koalition zu vermeiden, und dann zurück nach Westen, um der vorrückenden Roten Armee auszuweichen, und fiel schließlich in die Hände der amerikanischen Armee.

Wie ihre Rivalen aus der Anti-Hitler-Koalition wussten die Deutschen Anfang der 1940er Jahre, dass Kristalldetektoren ideale Empfänger für Radargeräte waren und dass Silizium und Germanium die vielversprechendsten Materialien für ihre Entstehung waren. Matera und Velker versuchten während des Krieges, den effektiven Einsatz dieser Materialien in Gleichrichtern zu verbessern. Nach dem Krieg wurden beide regelmäßig wegen ihrer militärischen Arbeit verhört und erhielten schließlich 1946 eine Einladung des französischen Geheimdienstoffiziers nach Paris.

Compagnie des Freins & Signaux (das „Unternehmen für Bremsen und Signale“), die französische Abteilung von Westinghouse, erhielt von der französischen Telefonsteuerung einen Auftrag zur Herstellung von Festkörpergleichrichtern und suchte nach deutschen Wissenschaftlern, die sich selbst helfen konnten.Eine solche Vereinigung der jüngsten Feinde mag seltsam erscheinen, aber diese Regelung hat sich für beide Seiten als recht günstig erwiesen. Die 1940 besiegten Franzosen hatten keine Gelegenheit, sich auf dem Gebiet der Halbleiter Kenntnisse anzueignen, und sie brauchten dringend die Fähigkeiten der Deutschen. Die Deutschen konnten keine Entwicklung in High-Tech-Gebieten des vom Krieg besetzten und zerstörten Landes durchführen und ergriffen daher die Möglichkeit, ihre Arbeit fortzusetzen.

Velker und Mathare richteten ein Hauptquartier in einem zweistöckigen Haus in einem Vorort von Paris, One-sous-Bois, ein und arrangierten mit Hilfe eines Teams von Technikern Ende 1947 die erfolgreiche Produktion von Germaniumgleichrichtern. Dann wandten sie sich ernsthafteren Preisen zu: Velker kehrte zu den Supraleitern zurück, an denen er interessiert war, und Matar Verstärker.


Herbert Mathare im Jahr 1950

Während des Krieges experimentierte Matera mit Gleichrichtern mit Zweipunktkontakten - „Duodioden“ -, um das Rauschen im Stromkreis zu reduzieren. Er nahm seine Experimente wieder auf und stellte bald fest, dass der zweite „Katzenschnurrhaar“, der 1/100 Millionen Meter vom ersten entfernt war, manchmal den Strom modulieren konnte, der durch den ersten Schnurrhaar fließt. Er schuf einen Festkörperverstärker, obwohl er ziemlich nutzlos war. Um einen zuverlässigeren Betrieb zu erreichen, wandte er sich an Velker, der während des Krieges umfangreiche Erfahrungen mit Germaniumkristallen gesammelt hatte. Das Velker-Team züchtete größere und sauberere Proben von Germaniumkristallen, und mit der Verbesserung der Materialqualität wurden die Punktkontaktverstärker von Matare bis Juni 1948 zuverlässig.


Röntgenbild des "Transistrons" nach dem Matare-Schema, das zwei Berührungspunkte mit Germanium aufweist

Matara hatte sogar ein theoretisches Modell dessen, was geschah: Er glaubte, dass der zweite Kontakt Löcher in Deutschland bohrte, den Stromfluss durch den ersten Kontakt beschleunigte und Ladungsträger für Minderheiten lieferte. Velker stimmte ihm nicht zu und glaubte, dass das, was geschah, von einem bestimmten Feldeffekt abhing. Bevor sie jedoch ein Gerät oder eine Theorie ausarbeiten konnten, erfuhren sie, dass eine Gruppe Amerikaner sechs Monate zuvor genau das gleiche Konzept entwickelt hatte - einen Germanium-Verstärker mit Zweipunktkontakten.

Murray Hill

Am Ende des Krieges reformierte Mervyn Kelly das Halbleiterforschungsteam von Bell unter der Leitung von Bill Shockley. Das Projekt wurde erweitert, erhielt mehr Mittel und zog vom ursprünglichen Laborgebäude in Manhattan auf einen expandierenden Campus in Murray Hill (New Jersey).


Campus in Murray Hill, ca. 1960

Um fortgeschrittene Halbleiter wieder kennenzulernen (nachdem er im Krieg an der Operationsforschung beteiligt war), besuchte Shockley im Frühjahr 1945 das Russell Ola-Labor in Holmdel. Ol verbrachte die Kriegsjahre damit, an Silizium zu arbeiten, und verlor nicht umsonst Zeit. Er zeigte Shockley einen unhöflichen Verstärker seiner eigenen Konstruktion, den er "Desister" nannte. Er nahm einen Silizium-Punktkontaktgleichrichter und ließ Strom von der Batterie durch. Anscheinend hat die Hitze der Batterie den Widerstand durch den Kontaktpunkt verringert und den Gleichrichter in einen Verstärker verwandelt, der eingehende Funksignale an einen Stromkreis übertragen kann, der stark genug ist, um den Lautsprecher mit Strom zu versorgen

Der Effekt war unhöflich und unzuverlässig und für die Kommerzialisierung ungeeignet. Es genügte jedoch, Shockleys Meinung über die Möglichkeit der Schaffung eines Halbleiterverstärkers zu bestätigen, und dies sollte in der Forschung auf dem Gebiet der Festkörperelektronik Vorrang haben. Auch dieses Treffen mit dem Ola-Team überzeugte Shockley, dass Silizium und Germanium zuerst untersucht werden sollten. Sie zeigten attraktive elektrische Eigenschaften, und außerdem erzielten die Kollegen von Ola, die Metallurgen Jack Scuff und Henry Terer, enorme Erfolge beim Züchten, Raffinieren und Hinzufügen von Verunreinigungen zu diesen Kristallen während des Krieges und übertrafen alle für andere Halbleitermaterialien verfügbaren Technologien. Die Shockley-Gruppe würde keine Zeit mehr mit Kupferoxidverstärkern aus der Vorkriegszeit verschwenden.

Mit Kellys Hilfe begann Shockley, ein neues Team zusammenzustellen. Zu den Hauptakteuren gehörten Walter Bretstein, der Shockley bei seinem ersten Versuch, einen Halbleiterverstärker zu entwickeln (1940), half, und John Bardin, ein junger Physiker und neuer Bell-Laborant. Bardin hatte wahrscheinlich das umfassendste Wissen über Festkörperphysik aller Teammitglieder - seine Dissertation beschrieb die Energieniveaus von Elektronen in der Struktur von metallischem Natrium. Er war auch ein weiterer Protagonist von John Hazbrook Van Fleck, wie Atanasov und Brettain.

Und wie Atanasov erforderten die Dissertationen von Bardin und Shockley komplexe Berechnungen. Sie mussten die von Alan Wilson definierte quantenmechanische Halbleitertheorie verwenden, um die Energiestruktur von Materialien mit einem Monroe-Desktop-Rechner zu berechnen. Sie halfen bei der Schaffung eines Transistors und trugen in der Tat dazu bei, zukünftige Doktoranden von solchen Arbeiten zu befreien.

Shockleys erster Ansatz für einen Festkörperverstärker beruhte auf dem, was später als " Feldeffekt " bezeichnet wurde. ". n- ( ). , , . ( ) ( ). . , , .

Bis März 1946 hatte Bardin eine gut entwickelte Theorie entwickelt, die den Grund dafür erklärte: Die Oberfläche eines Halbleiters auf Quantenebene verhält sich anders als sein Inneres. Negative Ladungen, die an die Oberfläche gezogen werden, fallen in die Falle der „Oberflächenzustände“ und blockieren das Eindringen des elektrischen Feldes von der Platte in das Material. Der Rest des Teams fand diese Analyse überzeugend und startete ein neues Forschungsprogramm auf drei Arten:

1. Beweisen Sie die Existenz von Oberflächenzuständen.
2. Untersuchen Sie ihre Eigenschaften.
3. Überlegen Sie, wie Sie sie besiegen und einen Transistor mit Arbeitsfeldeffekt herstellen können .

, 17 1947 . , , , , , , , . , . : , , . .

Bardins Idee funktionierte, aber die Verstärkung war schwach und arbeitete bei sehr niedrigen Frequenzen, die für das menschliche Ohr unzugänglich waren - daher war sie in der Rolle eines Telefon- oder Funkverstärkers nutzlos. Bardin schlug vor, auf in Purdue erhaltenes spannungsresistentes Germanium umzusteigen, da er glaubte, dass sich weniger Ladungen auf seiner Oberfläche ansammeln würden. Plötzlich erhielten sie einen starken Schub, aber in die entgegengesetzte Richtung als erwartet. Sie entdeckten die Wirkung von Minoritätsträgern - anstelle der erwarteten Elektronen verstärkte der durch Germanium fließende Strom die vom Elektrolyten kommenden Löcher. Der Strom auf dem Draht im Elektrolyten erzeugte eine p-Typ-Schicht (den Bereich überschüssiger positiver Ladungen) auf der Oberfläche von Germanium vom n-Typ.

Nachfolgende Experimente zeigten, dass der Elektrolyt überhaupt nicht benötigt wurde: Durch einfaches Platzieren von zwei Kontaktpunkten nahe der Oberfläche von Germanium war es möglich, den Strom von einem zum anderen zu modulieren. Um sie so nah wie möglich zu bringen, wickelte Bretstein ein dreieckiges Stück Plastik um ein Stück Goldfolie und schnitt die Folie am Ende vorsichtig ab. Dann drückte er mit einer Feder das Dreieck nach Deutschland, wodurch die beiden Kanten des Schnitts seine Oberfläche in einem Abstand von 0,05 mm berührten. Dies gab dem Prototyp des Transistors aus den Labors von Bell sein unverwechselbares Aussehen:


Der Prototyp des Bretstein- und Bardin-Transistors

Wie das Matare- und Velker-Gerät war es im Prinzip ein klassischer „Katzenschnurrbart“, nur mit zwei Kontaktpunkten anstelle von einem. Am 16. Dezember gab er eine signifikante Leistungs- und Spannungsverstärkung und eine Frequenz von 1000 Hz im Bereich der Hörbarkeit heraus. Eine Woche später erhielten Bardin und Bretstein nach kleinen Verbesserungen eine 100-fache Spannungserhöhung und eine 40-fache Leistung und zeigten den Direktoren von Bell, dass ihr Gerät hörbare Sprache wiedergeben kann. John Pearce, ein weiteres Mitglied des Entwicklungsteams für Festkörpergeräte, prägte den Begriff „Transistor“ basierend auf dem Namen eines Kupferoxidgleichrichters, eines Varistors.

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1948 – ,

Shockley war jedoch nicht gleich berühmt. Und noch bevor jemand außerhalb von Bells Labors von dem Transistor erfuhr, machte er sich daran, ihn neu zu erfinden, um ihn sich anzueignen. Und dies war nur die erste von vielen derartigen wiederholten Erfindungen.

Was noch zu lesen

• Robert Buderi, Die Erfindung, die die Welt veränderte (1996)
• Michael Riordan, „Wie Europa den Transistor verfehlt hat“, IEEE Spectrum (1. November 2005)
• Michael Riordan und Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
• Armand Van Dormael, "Der" französische "Transistor", www.cdvandt.org/VanDormael.pdf (1994)