固态开关之路漫长而艰难。 首先发现某些材料在电的作用下表现出奇怪的现象，而不是当时存在的理论所预测的那样。 接下来是一个关于20世纪技术如何成为越来越多的科学和机构学科的故事。 几乎没有接受过科学教育的业余爱好者，新手和专业发明者为电报，电话和广播的发展做出了重要贡献。 但是，正如我们将看到的，由于在大学学习（并且通常拥有物理学博士学位）并在大学或公司研究实验室工作的科学家们，几乎在固态电子历史上取得了所有进步。
任何能够进入讲习班并具有使用材料的基本技能的人都可以用电线，金属和木材组装继电器。 要创建电子灯，需要使用更专业的工具来创建玻璃瓶并从中抽出空气。 固态设备消失在一个兔子洞中，数字开关从那里消失了，并进入了一个更深层次的世界，这些世界只有抽象的数学才可以理解，并且只有疯狂昂贵的设备才能使用。
钙铝石
1874年，来自圣路易斯大学的24岁物理学家
费迪南德·布朗 （
Ferdinand Brown） 莱比锡的托马斯（Thomas）在他漫长的职业生涯中发表了许多重要的科学著作中的第一本。 Pogendorff的Annalen杂志接受了《关于电流通过金属硫化物的传递》一书，这是一本着重于物理科学的著名杂志。 尽管标题无聊，布朗的工作还是描述了一些令人惊讶和神秘的实验结果。
费迪南德·布朗得益于
约翰•威廉•吉托夫 （
Johann Wilhelm Gittorf）的努力，硫化物引起了布朗的兴趣。 早在1833年，迈克尔·法拉第（Michael Faraday）注意到硫化银的电导率随温度而增加，这与金属导体的行为完全相反。 希托夫（Hittorf）编写了一份详尽的定量报告，内容涉及银和铜的硫化物在1850年代对这种效应的测量。 布朗使用精密的实验装置，用弹簧将金属丝压成硫化物晶体以确保良好的接触，发现了一些奇怪的东西。 晶体的电导率取决于方向-例如，电流可以在一个方向上很好地流动，但是当电池的极性反转时，电流可能突然急剧下降。 晶体在一个方向上的工作更像导体（如普通金属），而在另一个方向上，它们的工作更像绝缘体（如玻璃或橡胶）。 由于具有对“弯曲”交流电进行整流并将其转变为“平坦”直流电的能力，该特性已被称为整流。
大约在同一时间，研究人员发现了诸如硒之类的材料的其他奇特特性，它们可以从某些硫化物金属矿石中熔炼而成。 硒在光的作用下增加了电导率，甚至开始发电，也可以用于精馏。 硫化物晶体有联系吗？ 在没有能够解释正在发生的事情的理论模型的情况下，这个领域的混乱充斥着。
但是，缺乏理论并没有阻止将结果付诸实践的尝试。 在1890年代后期，布朗成为史特拉斯堡大学的教授-最近在
法普战争期间被法国吞并，并更名为威廉皇帝大学。 在那里，他被无线电报的激动人心的新世界所吸引。 他同意一群企业家的提议，即共同建立通过水的无线电波传输的无线通信系统。 但是，他和他的同伙很快就放弃了最初的想法，转而支持马可尼和其他人使用的空中信号传输。
布朗小组想要改善的无线电方面是当时的标准接收器，即
连贯器 。 这是基于这样一个事实，即无线电波迫使金属屑聚集在一起，从而使来自电池的电流流向信号设备。 这种方法有效，但是系统仅对相对较强的信号做出响应，并且为了消除木屑团，有必要不断击打该设备。 布朗回忆起他以前用硫化物晶体进行的实验，并于1899年重新创建了具有新用途的旧实验装置-用作无线信号检测器。 他利用整流效应将通过的无线电波产生的微小振荡电流转换为直流电，该电流可由一个小型扬声器提供动力，该扬声器在每个点或破折号处都会产生可听见的咔嗒声。 由于布线的出现，该设备后来被称为“
猫须检测器 ”，它很容易触及晶体的顶部。 在英属印度（今天是孟加拉国），科学家和发明家贾加迪什·玻色（Jagadish Bose）甚至在1894年都制造了类似的装置。 其余的很快就开始制造基于硅和金刚砂（碳化硅）的类似探测器。
但是，
方铅矿 ，硫化铅自古以来就被熔化以产生铅，它已成为晶体探测器的首选材料。 事实证明，它们易于制造且价格便宜，因此在早期的业余无线电中受到疯狂的欢迎。 而且，与二元相干器（带有锯末或误入歧途的锯木屑）不同，晶体整流器可以产生连续信号。 因此，他可以发出可听见的语音和音乐传输，而不仅是带有点和破折号的摩尔斯电码。
基于Galena的猫须检测器。 左侧的一小根电线是胡须，下方的一块银质材料是方铅矿晶体。但是，正如恼人的火腿很快发现的那样，可能需要花费几分钟甚至几小时才能在晶体表面上找到一个魔术点，该魔术点会带来良好的拉直效果。 而且没有放大的信号微弱并且带有金属声。 到1920年代，带有三极管放大器的基于管的接收器几乎几乎消除了晶体检测器。 他们的吸引力只是便宜。
在无线电领域的短暂出现似乎是布朗等人发现的材料的奇怪电特性在实际应用中的局限性。
氧化铜
然后在1920年代，另一位名为拉斯·格兰达（Lars Grondahl）的物理学家通过他的实验装置发现了一些奇怪的东西。 格隆达尔（Grondal）是美国西部历史上一系列聪明又躁动的丈夫中的第一个，是一位土木工程师的儿子。 他的父亲于1880年从挪威移民，在加利福尼亚，俄勒冈和华盛顿的铁路上工作了数十年。 起初，格隆达（Grondal）似乎决定离开他父亲的工程界，并去约翰·霍普金斯学院（Johns Hopkins Institute）获得物理学博士学位，走上了学术之路。 但是随后，他加入了铁路业务，并担任了工业开关巨头
西屋公司（Westinghouse）的子公司 Union Switch and Signal的研究总监。
各种资料表明，促使Grondal学习他的原因相互矛盾，但正因为如此，他才开始尝试在一侧加热铜盘以形成氧化层。 他与他们合作，提请注意电流的不对称性-一个方向的电阻是另一方向的电阻的三倍。 一盘铜和氧化铜对电流进行整流，就像硫化物晶体一样。
氧化铜整流电路在接下来的六年中，Grondal基于这种现象开发了一种商用整流器，并得到了另一位美国研究员Paul Geiger的帮助，然后发送了专利申请，并于1926年在美国物理学会宣布了他的发现。该器件立即成为商业热销产品。 由于没有脆性纱线，基于弗莱明阀原理，它比电子灯上的整流器可靠得多，并且生产便宜。 与布朗式整流器晶体不同，他进行了首次尝试，并且由于金属和氧化物的接触面积更大，因此他在宽范围的电流和电压下工作。 他可以给电池充电，检测各种电气系统中的信号，并充当强大发电机的安全分流器。 当用作光电管时，磁盘可以用作测光表，在摄影中特别有用。 大约在同一时间，其他研究人员也开发出了具有类似用途的硒整流器。
一包基于氧化铜的整流器。 多个磁盘的组装增加了反向电阻，使其可以在高电压下使用。几年后，来自Bella实验室的两位物理学家Joseph Becker和
Walter Brattain决定研究铜整流器的工作原理-他们对学习其工作原理以及如何在Bell System中使用感兴趣。
晚年的布拉顿-大约。 1950年布拉顿（Brattain）最初与太平洋西北地区的格隆达尔（Grondal）来自同一地方，在那里他成长于距加拿大边境几公里的农场。 在高中时，他对物理学产生了兴趣，展示了他在这一领域的才能，并最终于1920年代末在明尼苏达大学获得博士学位，并于1929年在贝尔实验室工作。除其他外，他还在大学学习了最新的理论物理学。 ，在欧洲广为流行，并被称为量子力学（其策展人是
约翰·哈兹布鲁克·范·弗莱克 （
John Hazbrook Van Fleck） ，他还曾
任教约翰·阿塔纳索夫（John Atanasov）。
量子革命
在过去的三十年中，新的理论平台一直在缓慢发展，并且在适当的时候它将能够解释多年来在方铅矿，硒和氧化铜等材料中观察到的所有奇怪现象。 一大批主要来自德国和邻国的年轻物理学家引起了物理学界的一场量子革命。 到处看，他们都没有发现他们所教的平滑和连续的世界，而是奇怪的离散团块。
一切始于1890年代。 柏林大学的著名教授马克斯·普朗克（Max Planck）决定解决一个尚未解决的著名问题：“
绝对黑体 ”（吸收所有能量但不反射能量的理想物质）如何发射电磁光谱中的辐射？ 尝试了各种模型，但没有一个与实验结果相吻合-它们无法应对光谱的一端或另一端。 普朗克发现，如果我们假设能量是由人体以离散大小的小“包”发射的，那么我们可以写出一个简单的定律，即频率和能量之间的关系，理想情况下与经验结果相符。
不久之后，爱因斯坦发现光的吸收（光子的第一暗示）也发生了同样的事情，汤姆森（J.J.汤姆森）证明，电也不是通过连续的液体或波，而是通过离散的粒子（电子）来传输的。 尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）随后创建了一个模型，该模型通过将原子中的单独轨道分配给电子来解释受激原子如何发射辐射，每个电子都有自己的能量。 但是，这个名称具有误导性，因为它们的行为与行星的轨道没有任何相似之处-在玻尔模型中，电子立即从一个轨道或能量级转移到另一个轨道，而不经过中间状态。 最后，在1920年代，ErwinSchrödinger，Werner Heisenberg，Max Bourne和其他人创建了一个通用的数学平台，称为量子力学，其中包括了过去20年中创建的所有特殊量子模型。
到那时，物理学家已经确信，显示光伏和整流特性的硒和方铅矿等材料属于另一类材料，他们称之为半导体。 分类花了很长时间，原因有几个。 首先，“导体”和“绝缘子”本身的类别非常广泛。 T.N. “导体”的电导率极为不同，绝缘子的特性相同（在较小程度上），并且尚不清楚如何将任何特定导体归入这些类别。 而且，直到20世纪中叶，才不可能获得或制造出非常纯净的物质，天然材料的电导率中的任何奇异之处总是可以归因于污染。
现在，物理学家既拥有量子力学的数学工具，又拥有可以应用的新型材料。 英国理论家
艾伦·威尔逊（Alan Wilson）是第一个将所有这些结合在一起的人，并于1931年建立了半导体的一般模型及其工作原理。
最初，威尔逊认为，导电材料在能量区的状态上不同于电介质。 量子力学声称，电子可以以单个原子的壳层或轨道固有的有限数量的能级存在。 如果将这些原子一起压缩在材料的结构中，那么想象连续的能量区域穿过它会更正确。 高能区的导体中有自由空间，电场可使电子自由移动。 在绝缘子中，这些区域被填充，并且到达较高的导电区域（该区域上的电较容易产生）会爬得很远。
这使他得出结论，杂质（材料结构中的外来原子）应有助于其半导体性能。 它们可以提供容易进入导带的额外电子，也可以提供空穴（与材料的其余部分相比没有电子），从而在空穴中形成自由电子可以移动的空能量点。 第一种选择后来被称为n型半导体（或电子）-用于过量的负电荷，第二种-p型或空穴-用于过量的正电荷。
最后，威尔逊建议可以用量子
隧穿效应来解释半导体对电流的整流，量子
隧穿效应是电子通过材料中薄薄的电子势垒的突然跳跃。 该理论看似合理，但预测在整流器中，电流应从氧化物流向铜，尽管实际上是相反的。
因此，尽管威尔逊取得了所有突破，但半导体仍然难以解释。 随着逐渐变得清晰，晶体结构的微观变化和杂质浓度不成比例地影响了它们的宏观电性能。 无视缺乏理解-因为没人能解释布朗60年前的实验观察结果-Brattain和Becker为他们的雇主开发了一种有效的氧化铜整流器制造工艺。 贝尔系统迅速开始用新设备代替整个系统中的电子灯整流器，他们的工程师将其称为
压敏电阻 ，因为其电阻随方向变化。
金牌
贝尔实验室电子灯系的前物理学家，默维恩·凯利（Mervyn Kelly）对这项成就非常感兴趣。 几十年来，电子灯为Bell提供了无价的服务，并且可以执行上一代机械和机电组件无法实现的功能。 但是它们非常热，经常过热，消耗大量能量并且难以维护。
凯利（Kelly）将基于更可靠，更耐用的固态电子元件（例如压敏电阻）来重新构建Bell系统，该电子元件不需要任何充满气体或空的或热的灯丝的密封外壳。 1936年，他成为贝尔实验室研究部门的负责人，并开始将该组织改名为新途径。使用固态整流器，下一个显而易见的步骤是创建一个固态放大器。自然，就像电子管放大器一样，这种设备可以用作数字开关。贝拉特别感兴趣，因为电话交换机中仍然有大量的机电数字交换机。该公司正在寻找一种更可靠，紧凑，节能和冷更换电话系统，收音机，雷达和其他模拟设备中的电子灯的设备，这些电子灯用于将微弱的信号放大到人耳可以听到的水平。1936年，贝尔实验室终于解除了大萧条期间引入的雇用人员禁令。凯利立即开始聘请量子力学专家来帮助启动他的固态设备研究计划，其中包括威廉·肖克利（William Shockley），他是另一位来自加利福尼亚州帕洛阿尔托的西海岸人。他最近完成的麻省理工学院论文的主题最适合凯利的需求：“氯化钠中的电子区域”。Brattain和Becker此时继续研究氧化铜整流器，以寻求获得一种改进的固态放大器。做到这一点最明显的方法就是比照电子灯。就像李·德·森林（Lee de Forest）的电子管放大器和电网在阴极和阳极之间，Brattain和Becker都介绍了如何在应该与之发生整流作用的铜和氧化铜接触的位置插入栅格。但是，由于该层的厚度很小，他们认为不可能做到这一点，并且没有成功。同时，其他事态发展表明，贝尔实验室并不是唯一一家对固态电子产品感兴趣的公司。 1938年，鲁道夫·希尔斯（Rudolf Hills）和罗伯特·保罗（Robert Paul）发表了在哥廷根大学对通过将栅极引入溴化钾晶体中而制成的工作固态放大器进行实验的结果。该实验室设备没有实用价值-主要是因为它的工作频率不超过1 Hz。然而，这一成就让所有对固态电子学感兴趣的人感到高兴。同年，凯利（Kelly）将肖克利（Shockley）确定为一个新的独立的固态设备研究小组，并与福斯特·尼克斯（Foster Knicks）和迪恩·伍里奇（Dean Woolridge）的同事一起委托他来研究他们的能力。第二次世界大战之前，至少有另外两名发明家设法制造了固态放大器。 1922年，苏联物理学家和发明家奥列格·弗拉基米罗维奇·洛舍夫（Oleg Vladimirovich Losev）发表了锌合金半导体成功实验的结果，但西方社会并未注意到他的工作。 1926年，美国发明家朱利叶斯·利伦菲尔德（Julius Lilenfield）申请了固态放大器的专利，但是没有证据表明他的发明具有可操作性。肖克利在新职位上的第一个主要灵感来自阅读英国物理学家内维尔·莫特（Neville Mot）1938年的晶体整流器理论，该著作最终解释了Grondal整流器在氧化铜上的工作原理。莫特（Mott）使用量子力学的数学原理来描述在导电金属和半导体氧化物的交界处形成的电场，以及电子如何像在威尔逊所建议的那样“跃迁”在该电障上，而不是隧穿。电流反之亦然，从金属流向半导体的电流更容易，因为金属具有更多的自由电子。这使肖克利提出了Brattain和Becker多年以前考虑并拒绝的完全相同的想法-通过在铜和氧化铜之间的间隙中插入一氧化铜网格来制造固态放大器。他希望流过电网的电流会增加限制电流从铜流向氧化物的势垒，从而在电网上产生一个反向放大的信号。他的第一次大手笔尝试完全失败了，因此他求助于一个具有更精湛的实验室技能并精通整流器的人-Walter Brattain。而且，尽管他对结果毫无疑问，但Brattain同意满足Shockley的好奇心，并创建了更复杂的“网格”放大器版本。她也拒绝工作。然后战争介入，使凯利的新研究计划陷入混乱。凯利（Kelly）领导了贝尔实验室（Bell Labs）雷达工作组，得到麻省理工学院（MIT）美国主要雷达研究中心的支持。布拉顿没有与他合作很长时间，然后继续研究了海军委托的潜艇的磁探测技术。伍尔里奇（Woolridge）负责火控系统，尼克斯（Nicks）负责曼哈顿项目的气体扩散，肖克利（Shosley）进行了运筹学，首先从事与大西洋潜艇的战斗，然后在太平洋进行战略轰炸。, , . , , : .
还有什么要读
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)