Cerita transistor: mengarungi sentuhan dalam gelap

Jalan menuju sakelar solid state panjang dan sulit. Itu dimulai dengan penemuan bahwa bahan-bahan tertentu berperilaku aneh di hadapan listrik - bukan dengan cara yang diprediksi oleh teori-teori yang ada. Ini diikuti oleh sebuah cerita tentang bagaimana, pada abad ke-20, teknologi menjadi disiplin ilmu dan kelembagaan yang semakin meningkat. Para amatir, pemula dan penemu profesional, yang hampir tidak memiliki pendidikan ilmiah, memberikan kontribusi serius pada pengembangan telegraf, telepon, dan radio. Tetapi, seperti yang akan kita lihat, hampir semua kemajuan dalam sejarah elektronik solid-state telah terjadi berkat para ilmuwan yang belajar di universitas (dan biasanya memiliki gelar Ph.D dalam bidang fisika) dan bekerja di universitas atau laboratorium penelitian perusahaan.

Siapa pun yang memiliki akses ke bengkel dan dengan keterampilan dasar dalam bekerja dengan material dapat merakit relay dari kabel, logam, dan kayu. Untuk membuat lampu elektronik, diperlukan alat yang lebih khusus yang dapat membuat termos kaca dan memompa udara keluar darinya. Perangkat solid-state menghilang ke dalam lubang kelinci, dari mana saklar digital tidak pernah kembali, dan terjun lebih dalam ke dunia yang hanya dapat dipahami oleh matematika abstrak dan hanya dapat diakses dengan peralatan yang sangat mahal.

Galenite

Pada 1874, Ferdinand Brown , seorang ahli fisika 24 tahun dari School of St. Thomas di Leipzig, menerbitkan karya ilmiah penting pertama dalam karirnya yang panjang. Karya "Pada perjalanan arus listrik melalui logam sulfida" diterima dalam jurnal Pogendorff's Annalen, jurnal bergengsi yang ditujukan untuk ilmu fisika. Meskipun judulnya membosankan, karya Brown menggambarkan beberapa hasil eksperimen yang mengejutkan dan samar.


Ferdinand Brown

Brown tertarik dengan sulfida - kristal mineral yang terdiri dari senyawa sulfur dengan logam - berkat karya Johann Wilhelm Gittorf . Kembali pada tahun 1833, Michael Faraday mencatat bahwa konduktivitas perak sulfida meningkat dengan suhu, yang sepenuhnya berlawanan dengan perilaku konduktor logam. Hittorf menyusun laporan kuantitatif menyeluruh tentang pengukuran efek ini pada tahun 1850-an, untuk sulfida perak dan tembaga. Brown, menggunakan setup eksperimental canggih yang menekan kawat logam ke kristal sulfida dengan pegas untuk memastikan kontak yang baik, menemukan sesuatu yang lebih aneh. Konduktivitas kristal tergantung pada arah - misalnya, arus dapat mengalir dengan baik dalam satu arah, tetapi ketika polaritas baterai terbalik, arus tiba-tiba bisa turun tajam. Kristal di satu arah bekerja lebih seperti konduktor (seperti logam normal), dan di lain arah mereka bekerja lebih seperti isolator (seperti kaca atau karet). Properti ini telah dikenal sebagai perbaikan, karena kemampuan untuk memperbaiki arus bolak-balik "berliku-liku", mengubahnya menjadi arus langsung "datar".

Pada waktu yang hampir bersamaan, para peneliti menemukan sifat-sifat aneh lainnya dari bahan-bahan seperti selenium, yang dapat dilebur dari bijih logam sulfida tertentu. Di bawah pengaruh cahaya, selenium meningkatkan konduktivitas dan bahkan mulai menghasilkan listrik, dan itu juga dapat digunakan untuk perbaikan. Apakah ada hubungan dengan kristal sulfida? Tanpa model-model teoretis yang mampu menjelaskan apa yang terjadi, kebingungan muncul di bidang ini.

Namun, kurangnya teori tidak menghentikan upaya untuk mempraktikkan hasilnya. Pada akhir 1890-an, Brown menjadi profesor di Universitas Strasbourg - baru-baru ini dianeksasi dari Perancis selama Perang Perancis-Prusia dan berganti nama menjadi Universitas Kaiser Wilhelm. Di sana ia tersedot ke dalam dunia baru telegrafi radio yang menarik. Dia setuju dengan usulan sekelompok pengusaha untuk bersama-sama menciptakan sistem komunikasi nirkabel berdasarkan transmisi gelombang radio melalui air. Namun, ia dan antek-anteknya segera meninggalkan ide orisinal demi pensinyalan lewat udara, yang digunakan Marconi dan yang lainnya.

Di antara aspek-aspek radio yang berusaha ditingkatkan oleh kelompok Brown adalah penerima standar pada waktu itu, yang lebih jelas. Itu didasarkan pada fakta bahwa gelombang radio memaksa pengajuan logam untuk berkumpul dalam gumpalan, yang memungkinkan arus dari baterai untuk lewat ke perangkat sinyal. Ini bekerja, tetapi sistem hanya menanggapi sinyal yang relatif kuat, dan untuk mematahkan benjolan serbuk gergaji maka perlu untuk terus-menerus mengenai perangkat. Brown mengingat kembali eksperimen lamanya dengan kristal sulfida, dan pada tahun 1899 ia menciptakan kembali pengaturan eksperimentalnya yang lama dengan tujuan baru - untuk berfungsi sebagai pendeteksi sinyal nirkabel. Dia menggunakan efek rektifikasi untuk mengubah arus osilasi kecil yang dihasilkan oleh gelombang radio yang lewat menjadi arus searah, yang dapat ditenagai oleh pengeras suara kecil yang menghasilkan klik terdengar untuk setiap titik atau garis putus-putus. Perangkat ini kemudian dikenal sebagai " detektor kumis kucing " karena penampilan kabel, yang dengan mudah menyentuh bagian atas kristal. Di British India (tempat Bangladesh sekarang), ilmuwan dan penemu Jagadish Bose membangun perangkat serupa, bahkan mungkin pada tahun 1894. Sisanya segera mulai membuat detektor serupa berdasarkan silikon dan karborundum (silikon karbida).

Namun, itu adalah galena , timbal sulfida yang telah meleleh untuk menghasilkan timbal sejak zaman kuno, yang telah menjadi bahan yang disukai untuk detektor kristal. Mereka ternyata mudah dibuat dan murah, dan sebagai hasilnya menjadi sangat populer di kalangan generasi awal radio ham. Selain itu, tidak seperti coherer biner (dengan serbuk gergaji yang tersesat atau tidak), penyearah kristal dapat menghasilkan sinyal kontinu. Oleh karena itu, ia dapat memberikan transmisi suara dan musik yang dapat didengar, dan bukan hanya kode Morse dengan titik dan garis putus-putusnya.


Detektor kumis kucing berbasis Galena. Sepotong kecil kawat di sebelah kiri adalah kumis, dan sepotong bahan perak di bawahnya adalah kristal galena.

Namun, ketika ham yang terganggu itu segera menemukan, mungkin butuh beberapa menit atau bahkan berjam-jam untuk menemukan titik ajaib pada permukaan kristal yang akan memberikan pelurusan yang baik. Dan sinyal tanpa amplifikasi lemah dan memiliki suara logam. Pada 1920-an, penerima berbasis tabung dengan amplifier triode telah hampir menghilangkan detektor kristal di hampir semua tempat. Fitur menarik mereka hanya murahan.

Penampilan singkat di bidang radio ini tampaknya menjadi batas penerapan praktis sifat-sifat kelistrikan aneh dari bahan yang ditemukan oleh Brown dan lainnya.

Tembaga oksida

Kemudian pada 1920-an, fisikawan lain bernama Lars Grondahl menemukan sesuatu yang aneh dengan pengaturan eksperimentalnya. Grondal, yang pertama dari serangkaian suami yang cerdas dan gelisah dalam sejarah Amerika Barat, adalah putra seorang insinyur sipil. Ayahnya, yang beremigrasi dari Norwegia pada tahun 1880, bekerja selama beberapa dekade di jalur kereta api di California, Oregon, dan Washington. Pada awalnya, Grondal tampaknya memutuskan untuk meninggalkan dunia teknik ayahnya, dan pergi ke Johns Hopkins Institute untuk meraih gelar doktor dalam bidang fisika untuk menempuh jalur akademik. Tetapi kemudian dia terlibat dalam bisnis kereta api dan mengambil posisi direktur riset Union Switch and Signal, sebuah divisi dari raksasa industri Westinghouse , yang memasok peralatan untuk industri kereta api.

Berbagai sumber menunjukkan alasan yang saling bertentangan yang memotivasi Grondal untuk mempelajarinya, tetapi karena itu, ia mulai bereksperimen dengan cakram tembaga yang dipanaskan di satu sisi untuk membuat lapisan teroksidasi. Bekerja dengan mereka, ia menarik perhatian pada asimetri arus - resistansi dalam satu arah tiga kali lebih besar daripada yang lain. Disk tembaga dan oksida tembaga memperbaiki arus, seperti kristal sulfida.


Sirkuit penyearah oksida tembaga

Selama enam tahun berikutnya, Grondal mengembangkan penyearah penggunaan komersial berdasarkan fenomena ini, meminta bantuan peneliti AS lainnya, Paul Geiger, dan kemudian mengirim aplikasi paten dan mengumumkan penemuannya di American Physical Society pada tahun 1926. Perangkat segera menjadi hit komersial. Karena tidak adanya benang rapuh, itu jauh lebih dapat diandalkan daripada penyearah pada lampu elektronik, berdasarkan prinsip katup Fleming, dan murah dalam produksi. Tidak seperti kristal penyearah Brown, ia bekerja pada percobaan pertama, dan berkat area kontak yang lebih besar dari logam dan oksida, ia bekerja dengan berbagai arus dan tegangan. Dia dapat mengisi baterai, mendeteksi sinyal di berbagai sistem kelistrikan, bekerja sebagai pengaman di generator yang kuat. Ketika digunakan sebagai fotosel, disk dapat berfungsi sebagai meter cahaya, dan sangat berguna dalam fotografi. Peneliti lain sekitar waktu yang sama mengembangkan penyearah selenium yang menemukan kegunaan yang sama.


Satu pak penyearah berbasis tembaga oksida. Perakitan beberapa disk meningkatkan resistansi balik, yang memungkinkannya digunakan dengan tegangan tinggi.

Beberapa tahun kemudian, dua fisikawan dari Bella Laboratories, Joseph Becker dan Walter Brattain , memutuskan untuk mempelajari prinsip pengoperasian penyearah tembaga - mereka tertarik untuk mempelajari cara kerjanya dan cara penggunaannya di Bell System.


Brattain di usia tua - sekitar. 1950

Brattain awalnya dari tempat yang sama dengan Grondal, dari Pacific Northwest, di mana ia dibesarkan di sebuah pertanian yang terletak beberapa kilometer dari perbatasan Kanada. Di sekolah menengah, ia menjadi tertarik pada fisika, ia menunjukkan kemampuan dalam bidang ini, dan akhirnya menerima gelar doktor di University of Minnesota pada akhir 1920-an, dan mendapat pekerjaan di Bell Laboratory pada tahun 1929. Antara lain, ia mempelajari fisika teoretis terbaru di universitas , mendapatkan popularitas di Eropa, dan dikenal sebagai mekanika kuantum (kuratornya adalah John Hazbrook Van Fleck , yang juga mengajar John Atanasov).

Revolusi kuantum

Platform teoritis baru telah berkembang perlahan selama tiga dekade terakhir, dan pada waktunya akan dapat menjelaskan semua fenomena aneh yang telah diamati selama bertahun-tahun dalam bahan seperti galena, selenium dan tembaga oksida. Seluruh kelompok fisikawan muda yang dominan, terutama dari Jerman dan negara-negara tetangga, menyebabkan revolusi kuantum dalam fisika. Di mana-mana, lihat, mereka tidak menemukan dunia yang halus dan berkelanjutan yang diajarkan kepada mereka, tetapi gumpalan diskret yang aneh.

Semuanya dimulai pada tahun 1890-an. Max Planck, seorang profesor terkenal di Universitas Berlin, memutuskan untuk bekerja dengan masalah yang tidak terpecahkan yang terkenal: bagaimana " tubuh yang benar-benar hitam " (zat ideal yang menyerap semua energi dan tidak memantulkannya) memancarkan radiasi dalam spektrum elektromagnetik? Berbagai model dicoba, tidak ada yang bertepatan dengan hasil eksperimen - mereka tidak dapat mengatasi salah satu atau ujung spektrum lainnya. Planck menemukan bahwa jika kita mengasumsikan bahwa energi dipancarkan oleh tubuh dalam "paket" kecil diskrit, maka kita dapat menulis hukum sederhana tentang hubungan antara frekuensi dan energi, yang idealnya bertepatan dengan hasil empiris.

Segera setelah itu, Einstein menemukan bahwa hal yang sama terjadi dengan penyerapan cahaya (petunjuk pertama foton), dan J.J. Thomson menunjukkan bahwa listrik juga diangkut bukan oleh cairan atau gelombang kontinu, tetapi oleh partikel diskrit - elektron. Niels Bohr kemudian menciptakan model yang menjelaskan bagaimana atom-atom tereksitasi memancarkan radiasi dengan menetapkan orbit yang terpisah dalam atom ke elektron, yang masing-masing memiliki energi sendiri. Namun, nama ini menyesatkan karena mereka berperilaku sama sekali tidak mirip dengan orbit planet - dalam model Bohr, elektron langsung ditransfer dari satu orbit, atau tingkat energi, ke yang lain, tanpa melewati keadaan perantara. Dan akhirnya, pada 1920-an, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Bourne dan lainnya menciptakan platform matematika umum yang dikenal sebagai mekanika kuantum, yang mencakup semua model kuantum khusus yang dibuat selama dua puluh tahun sebelumnya.

Pada saat ini, fisikawan sudah yakin bahwa bahan seperti selenium dan galena, menunjukkan sifat photovoltaic dan meluruskan, milik kelas bahan yang terpisah, yang mereka sebut semikonduktor. Klasifikasi sangat lama karena beberapa alasan. Pertama, kategori "konduktor" dan "isolator" sendiri cukup luas. T.N. "Konduktor" sangat berbeda dalam konduktivitas, yang sama (pada tingkat lebih rendah) adalah karakteristik isolator, dan tidak jelas bagaimana konduktor tertentu dapat dikaitkan dengan kelas-kelas ini. Selain itu, sampai pertengahan abad ke-20 tidak mungkin untuk mendapatkan atau membuat zat yang sangat murni, dan keanehan dalam konduktivitas bahan alami selalu dapat dikaitkan dengan polusi.

Fisikawan sekarang memiliki alat matematika mekanika kuantum dan materi kelas baru yang dapat diterapkan. Ahli teori Inggris Alan Wilson adalah yang pertama menyatukan semuanya dan membangun model umum semikonduktor dan prinsip kerja mereka pada tahun 1931.

Pada awalnya, Wilson berpendapat bahwa bahan konduktif berbeda dari dielektrik dalam keadaan zona energi. Mekanika kuantum mengklaim bahwa elektron dapat eksis pada sejumlah tingkat energi yang melekat pada kulit atau orbital atom individu. Jika Anda meremas atom-atom ini bersama-sama dalam struktur material, maka akan lebih tepat untuk membayangkan zona energi kontinu melewatinya. Ada tempat bebas di konduktor di zona energi tinggi, dan medan listrik dapat dengan bebas memindahkan elektron ke sana. Di isolator, zona diisi, dan ke zona konduktif yang lebih tinggi, di mana listrik lebih mudah, naik cukup jauh.

Ini membuatnya menyimpulkan bahwa pengotor - atom asing dalam struktur material - harus berkontribusi pada sifat semikonduktornya. Mereka dapat memasok kelebihan elektron yang mudah memasuki pita konduksi, atau lubang - tidak adanya elektron dibandingkan dengan sisa material - yang menciptakan bintik-bintik energi kosong di mana elektron bebas dapat bergerak. Opsi pertama kemudian disebut semikonduktor tipe-n (atau elektronik) - untuk muatan negatif berlebih, dan yang kedua - tipe-p, atau lubang - untuk muatan positif berlebih.

Akhirnya, Wilson menyarankan bahwa perbaikan arus oleh semikonduktor dapat dijelaskan dalam hal efek tunneling kuantum, lompatan tiba-tiba elektron melalui penghalang listrik tipis dalam suatu material. Teorinya tampak masuk akal, tetapi meramalkan bahwa pada penyearah, arus harus mengalir dari oksida ke tembaga, meskipun pada kenyataannya sebaliknya.

Jadi, terlepas dari semua terobosan Wilson, semikonduktor tetap sulit dijelaskan. Seiring berangsur-angsur menjadi jelas, perubahan mikroskopis dalam struktur kristal dan konsentrasi pengotor secara tidak proporsional mempengaruhi perilaku listrik makroskopik mereka. Mengabaikan kurangnya pemahaman - karena tidak ada yang bisa menjelaskan pengamatan eksperimental yang dilakukan oleh Brown 60 tahun sebelumnya - Brattain dan Becker mengembangkan proses pembuatan penyearah tembaga oksida yang efisien untuk majikan mereka. Sistem Bell dengan cepat mulai mengganti penyearah lampu elektronik di seluruh sistem dengan perangkat baru, yang oleh insinyur mereka disebut varistor , karena ketahanannya bervariasi tergantung pada arah.

Medali emas

Mervyn Kelly, seorang ahli fisika dan mantan kepala Departemen Lampu Elektronik Bell Laboratory, sangat tertarik dengan pencapaian ini. Selama beberapa dekade, lampu elektronik telah memberi Bell layanan yang sangat berharga, dan dapat menjalankan fungsi yang tidak dapat diakses oleh komponen mekanis dan elektromekanis generasi sebelumnya. Tetapi mereka sangat panas, terlalu panas, mengkonsumsi banyak energi dan sulit untuk mempertahankannya. Kelly akan membangun kembali sistem Bell baru berdasarkan komponen elektronik solid-state yang lebih dapat diandalkan dan tahan lama, seperti varistor, yang tidak memerlukan penutup tertutup yang diisi dengan gas atau filamen kosong atau panas. Pada 1936, ia menjadi kepala departemen penelitian di Bell Laboratories, dan mulai mengarahkan organisasi ke jalur baru.

Dengan penyearah solid-state, langkah nyata berikutnya adalah membuat amplifier solid-state.Secara alami, seperti penguat tabung, perangkat semacam itu bisa berfungsi sebagai sakelar digital. Ini menarik bagi Bella, karena masih ada banyak saklar digital elektromekanis dalam pertukaran telepon. Perusahaan sedang mencari pengganti yang lebih andal, ringkas, hemat energi, dan dingin dari lampu elektronik dalam sistem telepon, radio, radar dan peralatan analog lainnya, di mana mereka digunakan untuk memperkuat sinyal lemah ke tingkat yang dapat diakses oleh telinga manusia.

Pada tahun 1936, Bell Labs akhirnya mencabut larangan mempekerjakan personil yang diperkenalkan selama Depresi Hebat. Kelly segera mulai mempekerjakan para ahli mekanika kuantum untuk membantu meluncurkan program penelitian perangkat solid-state-nya, termasuk William Shockley , penduduk asli Pantai Barat lainnya dari Palo Alto, California. Tema disertasi MIT yang baru saja diselesaikannya adalah yang paling sesuai dengan kebutuhan Kelly: "Zona elektronik dalam natrium klorida."

Brattain dan Becker pada saat ini melanjutkan studi mereka tentang penyearah oksida tembaga, mencari untuk memperoleh penguat solid-state yang ditingkatkan. Cara yang paling jelas untuk membuatnya adalah dengan analogi dengan lampu elektronik. Sama seperti Lee de Forest mengambil tabung amp dan menempatkan jaringan listrikantara katoda dan anoda, baik Brattain dan Becker mempresentasikan cara memasukkan kisi ke tempat tembaga dan oksida tembaga bersentuhan, tempat pelurusan seharusnya terjadi. Namun, karena ketebalan lapisan yang kecil, mereka menganggap mustahil untuk melakukan ini, dan tidak berhasil.

Sementara itu, perkembangan lain menunjukkan bahwa Bell Labs bukan satu-satunya perusahaan yang tertarik pada elektronik solid state. Pada tahun 1938, Rudolf Hills dan Robert Paul menerbitkan hasil percobaan yang dilakukan di Universitas Gottingen pada penguat solid-state yang dibuat dengan memperkenalkan kisi ke dalam kristal kalium bromida. Perangkat laboratorium ini tidak mewakili nilai praktis - terutama, karena bekerja pada frekuensi tidak lebih dari 1 Hz. Namun prestasi ini tidak bisa lain tetapi hanya bersukacita semua yang tertarik pada elektronik solid-state. Pada tahun yang sama, Kelly mengidentifikasi Shockley sebagai kelompok penelitian independen baru pada perangkat solid-state dan memberinya dengan rekan - Foster Knicks dan Dean Woolridge - carte blanche untuk mempelajari kemampuan mereka.

Setidaknya dua penemu lain berhasil membuat amplifier solid-state sebelum Perang Dunia Kedua. Pada tahun 1922, fisikawan dan penemu Soviet Oleg Vladimirovich Losev menerbitkan hasil percobaan yang sukses dengan semikonduktor sengit, tetapi karyanya tidak diketahui oleh masyarakat Barat; pada tahun 1926, penemu Amerika Julius Lilenfield mengajukan paten untuk amplifier solid-state, tetapi tidak ada bukti dari operabilitas penemuannya.

Inspirasi besar pertama Shockley dalam posisi barunya terjadi ketika membaca karya fisikawan Inggris Neville Mot, Theory of Crystal Rectifiers, dari tahun 1938, yang akhirnya menjelaskan prinsip pengoperasian penyearah Grondal pada oksida tembaga. Mott menggunakan matematika mekanika kuantum untuk mendeskripsikan pembentukan medan listrik di persimpangan logam konduktif dan oksida semikonduktor, dan bagaimana elektron "melompati" penghalang listrik ini, bukannya membuat terowongan, seperti yang disarankan Wilson. Arus mengalir lebih mudah dari logam ke semikonduktor daripada sebaliknya, karena logam memiliki lebih banyak elektron bebas.

Ini membawa Shockley ke ide yang persis sama yang telah dipertimbangkan dan ditolak Brattain dan Becker bertahun-tahun sebelumnya - untuk membuat amplifier solid-state dengan memasukkan kotak oksida tembaga di celah antara tembaga dan oksida tembaga. Dia berharap bahwa arus yang mengalir melalui grid akan meningkatkan penghalang yang membatasi arus dari tembaga ke oksida, menciptakan versi sinyal yang diperbesar dan diperkuat pada grid. Usaha kotor pertamanya gagal total, jadi dia beralih ke seorang pria yang memiliki keterampilan laboratorium yang lebih baik dan sangat mengenal penyearah - Walter Brattain. Dan, meskipun dia tidak ragu tentang hasilnya, Brattain setuju untuk memuaskan keingintahuan Shockley, dan menciptakan versi yang lebih kompleks dari amplifier "grid". Dia juga menolak bekerja.

Kemudian perang turun tangan, membuat program penelitian baru Kelly berantakan. Kelly memimpin Kelompok Kerja Radar Bell Labs, didukung oleh pusat penelitian radar utama AS MIT. Brattain tidak bekerja lama dengan dia, dan kemudian pergi untuk meneliti deteksi magnetik kapal selam yang ditugaskan oleh Angkatan Laut. Woolridge bekerja pada sistem pengendalian kebakaran, Knicks pada difusi gas untuk proyek Manhattan, dan Shockley melakukan penelitian operasional, dan pertama-tama terlibat dalam perang melawan kapal selam di Atlantik, dan kemudian pemboman strategis di Pasifik.

Namun, terlepas dari intervensi ini, perang tidak menghentikan perkembangan elektronik solid state. Sebaliknya, itu mengorganisir infus besar-besaran sumber daya ke daerah ini, dan menyebabkan konsentrasi penelitian pada dua bahan: germanium dan silikon.

Apa lagi yang harus dibaca

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

Friedrich Kurylo dan Charles Susskind, Ferdinand Braun (1981)

GL Pearson dan WH Brattain, “Sejarah Penelitian Semikonduktor,” Prosiding IRE (Desember 1955).

Michael Riordan dan Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)