トランジスタストーリー：暗闇の中で触れ合う

ソリッドステートスイッチへの道は長く困難でした。 それは、特定の材料が電気の存在下で奇妙に振る舞うという発見から始まりました-当時存在していた理論が予測した方法ではありません。 これに続いて、20世紀にテクノロジーがますます科学的かつ制度的な分野になったという話が続きました。 科学教育を受けていないアマチュア、初心者、プロの発明家は、電信、電話、ラジオの開発に真剣に貢献しました。 しかし、これから見るように、固体電子工学の歴史におけるほとんどすべての進歩は、大学で研究している（そして通常は物理学の博士号を取得している）科学者と大学や企業の研究所で働いているおかげです。



ワークショップにアクセスでき、材料を扱う基本的なスキルを持っている人なら誰でも、ワイヤー、金属、木材からリレーを組み立てることができます。 電子ランプを作成するには、ガラスフラスコを作成し、そこから空気を送り出すことができる、より専門的なツールが必要です。 ソリッドステートデバイスはウサギの穴に姿を消し、そこからデジタルスイッチは戻らず、抽象的な数学しか理解できず、非常に高価な機器でしかアクセスできない世界に深く突入しました。

ガレナイト

1874年、 フェルディナンドブラウンは、セントスクールの24歳の物理学者です。 ライプツィヒのトーマスは、彼の長いキャリアの中で多くの重要な科学的作品の最初のものを発表しました。 「金属硫化物を通る電流の流れ」に関する研究は、物理科学に特化した名誉あるジャーナルであるポゲンドルフのアナレンに認められました。 退屈な見出しにもかかわらず、ブラウンの研究は、いくつかの驚くべき不可解な実験結果を説明しました。





フェルディナンド・ブラウン



ブラウンは、 ヨハンウィルヘルムギットルフの研究のおかげで、硫化物（金属と硫黄化合物で構成される鉱物の結晶）に興味をそそられました 。 1833年に、マイケルファラデーは硫化銀の伝導率が温度とともに増加することを指摘しました。これは金属導体の挙動とは完全に反対です。 Hittorfは、銀と銅の両方の硫化物について、1850年代のこの効果の測定に関する完全な定量レポートをまとめました。 ブラウンは、スプリングを使って金属線を硫化物結晶に押し付けて良好な接触を提供する巧妙な実験セットアップを使用して、さらに奇妙な何かを見つけました。 結晶の導電率は方向によって異なります。たとえば、電流は一方向に流れることができますが、バッテリーの極性が逆になると、電流が突然低下する可能性があります。 一方向の結晶は導体（通常の金属のような）のように機能し、もう一方の結晶は絶縁体（ガラスやゴムのような）のように機能しました。 この特性は、「波状の」交流電流を整流して「フラットな」直流電流に変換する機能により、整流として知られるようになりました。



ほぼ同時に、研究者は、セレンなどの材料のその他の奇妙な特性を発見しました。セレンは、一部の硫化金属鉱石から製錬できます。 光の影響下で、セレンは導電率を高め、電気を生成し始め、整流にも使用できます。 硫化物結晶との接続はありましたか？ 何が起こっているのかを説明できる理論モデルがなければ、この分野で混乱が支配していました。



しかし、理論の欠如は、結果を実践する試みを止めませんでした。 1890年代後半、ブラウンはストラスブール大学の教授になりました-最近、仏プロイセン戦争中にフランスから併合され、カイザーヴィルヘルム大学と改名されました。 そこで彼は、ラジオ電信のエキサイティングな新しい世界に吸い込まれました。 彼は、水を介した電波の伝送に基づいて無線通信システムを共同で作成するという起業家グループの提案に同意しました。 しかし、彼と彼の共犯者はすぐに、マルコーニと他の人が使用した空中信号を支持して元のアイデアを放棄しました。



ブラウンのグループが改善しようとしたラジオの側面には、当時の標準的な受信機であるコヒーラーがありました 。 これは、電波が金属の詰物を塊にして、バッテリーからの電流が信号装置に流れることを強制したという事実に基づいていました。 これは機能しましたが、システムは比較的強い信号にのみ応答し、おがくずの塊を壊すために、常にデバイスに当たる必要がありました。 ブラウンは硫化物結晶の古い実験を思い出し、1899年に彼は新しい目的で古い実験装置を再現しました-無線信号の検出器として機能するためです。 彼は整流効果を使用して、通過する電波によって生成された小さな振動電流を直流に変換しました。これは、各ポイントまたはダッシュで可聴クリック音を発生する小型スピーカーで駆動できます。 このデバイスは、結晶の上部に簡単に触れた配線の外観により、後に「 猫ひげ検出器 」として知られるようになりました。 英国のインド（バングラデシュは現在）で、科学者で発明家のJagadish Boseは、おそらく1894年にさえ、同様のデバイスを構築しました。 残りはすぐにシリコンとカーボランダム（炭化ケイ素）に基づいた同様の検出器の製造を開始しました。



しかし、古代から鉛を生成するために溶融された硫化鉛である方鉛鉱は 、結晶検出器の好ましい材料になりました。 それらは製造が容易で安価であることが判明し、その結果、初期世代のアマチュア無線の間で非常に人気がありました。 さらに、バイナリコヒーラーとは異なり（おがくずが迷い込んだかどうか）、クリスタル整流器は連続信号を再生できました。 したがって、彼は、モールス符号だけでなく、ドットとダッシュを使用して、音声と音楽の可聴伝送を行うことができました。





ガリーナベースの猫ひげ検出器。 左側の小さなワイヤーは口ひげで、下の銀色の素材は方鉛鉱結晶です。



しかし、イライラしたハムがすぐに発見したように、結晶の表面に魔法のポイントを見つけて、まっすぐにするのに数分から数時間かかることもありました。 そして、増幅のない信号は弱く、金属音がしていました。 1920年代までに、三極管増幅器を備えた真空管ベースの受信機は、ほぼすべての場所で結晶検出器を事実上排除していました。 彼らの魅力的な特徴は安さだけでした。



ラジオ受信機の分野でのこの短い出現は、ブラウンなどによって発見された材料の奇妙な電気特性の実用化の限界であると思われました。

酸化銅

その後、1920年代に、Lars Grondahlという名前の別の物理学者が実験セットアップで奇妙な何かを発見しました。 アメリカ西部の歴史の中で頭が良くて落ち着かない夫の最初のグループであるグロンダルは、土木技師の息子でした。 1880年にノルウェーから移住した父親は、カリフォルニア、オレゴン、ワシントンの鉄道で数十年間働いていました。 最初は、グロンダルは父親のエンジニアリングの世界を後にすることに決めたようで、物理学の博士号を取得するためにジョンズホプキンス研究所に行き、学術的な道を歩みました。 しかしその後、彼は鉄道事業に携わり、鉄道産業に機器を供給した工業大手のウェスティングハウスの一部門であるユニオンスイッチアンドシグナルの研究部長に就任しました。



さまざまな情報源が矛盾する理由を示しており、グロンダルが彼を研究する動機になったが、それは彼が片方の面で加熱された銅のディスクで酸化層を作る実験を始めたからかもしれない。 彼らと協力して、彼は電流の非対称性に注目しました-ある方向の抵抗は他の方向の3倍でした。 銅と酸化銅のディスクが、硫化物結晶のように電流を整流しました。





酸化銅整流回路



次の6年間、Grondalはこの現象に基づいて商用整流器を開発し、別の米国の研究者Paul Geigerの協力を得て、特許出願を送信し、1926年にAmerican Physical Societyでの発見を発表しました。 脆弱なスレッドがないため、フレミングバルブの原理に基づいて、電子ランプの整流器よりもはるかに信頼性が高く、生産コストが安価でした。 ブラウン整流器の結晶とは異なり、彼は最初の試みに取り組み、金属と酸化物の接触面積が大きいため、幅広い電流と電圧で働きました。 彼はバッテリーを充電し、さまざまな電気システムの信号を検出し、強力な発電機の安全シャントとして働くことができました。 フォトセルとして使用すると、ディスクは光度計として機能し、写真撮影に特に役立ちました。 同じ時期に他の研究者がセレン整流器を開発し、同様の用途が見つかりました。





酸化銅に基づく整流器のパック。 複数のディスクを組み立てることで逆抵抗が増加し、高電圧で使用できるようになりました。



数年後、Bella Laboratoriesの2人の物理学者、Joseph BeckerとWalter Brattainは、銅整流器の動作原理を研究することにしました。





老齢のブラテン-約。 1950



ブラッテンはもともと太平洋岸北西部のグロンダールと同じ場所で生まれ、カナダ国境から数キロ離れた農場で育ちました。 高校では物理学に興味を持ち、この分野の能力を発揮し、1920年代後半にミネソタ大学で博士号を取得し、1929年にベル研究所で職を得ました。 、ヨーロッパで人気を博し、量子力学として知られています（そのキュレーターはジョンアタナソフに指導したジョンハズブルックヴァンフレックでした）。

量子革命

新しい理論的プラットフォームは過去30年間にゆっくりと開発されており、やがて、方鉛鉱、セレン、酸化銅などの材料で長年観察されてきたすべての奇妙な現象を説明できるようになります。 主にドイツおよび近隣諸国からの主に若い物理学者のコホート全体が、物理学の量子革命を引き起こしました。 どこを見ても、彼らは彼らが教えられた滑らかで連続的な世界を見つけたのではなく、奇妙なばらばらの塊を見つけました。



それはすべて1890年代に始まりました。 ベルリン大学の有名な教授であるマックス・プランクは、よく知られている未解決の問題に取り組むことを決めました。「 完全な黒体 」（すべてのエネルギーを吸収し、それを反射しない理想的な物質）が電磁スペクトルの放射をどのように放射するのですか？ さまざまなモデルがテストされましたが、いずれも実験結果と一致しませんでした-スペクトルの一方または他方で対処できませんでした。 プランクは、エネルギーが離散的な大きさの小さな「パケット」で身体から放出されると仮定すると、経験的結果と理想的に一致する周波数とエネルギーの関係の簡単な法則を書くことができることを発見しました。



その後すぐに、アインシュタインは光の吸収（光子の最初のヒント）でも同じことが起こることを発見し、J.J。トムソンは、電気も連続的な液体や波ではなく、離散粒子-電子によって輸送されることを示しました。 その後、ニールスボーアは、原子内の個別の軌道を電子に割り当て、励起された原子がどのように放射線を放出するかを説明するモデルを作成しました。 ただし、この名前は惑星軌道とはまったく同じように振る舞わないため、誤解を招きやすい-ボーアモデルでは、電子が1つの軌道またはエネルギーレベルから中間状態を通過することなく即座に別の軌道またはエネルギーレベルに移動します。 そして最後に、1920年代に、アーウィンシュレーディンガー、ヴェルナーハイゼンベルク、マックスボーンなどが量子力学と呼ばれる一般的な数学プラットフォームを作成しました。これには過去20年間に作成されたすべての特別な量子モデルが含まれます。



この頃までに、物理学者は、セレンや方鉛鉱などの光起電性と整流性を示す材料は、半導体と呼ばれる別のクラスの材料に属するとすでに確信していた。 分類にはいくつかの理由で非常に時間がかかりました。 第一に、「導体」と「絶縁体」のカテゴリ自体は非常に広範囲でした。 T.N. 「導電体」は導電率が極端に異なり、同じ（程度は低いが）絶縁体の特性であり、特定の導電体がこれらのクラスのいずれに起因するかは明らかではありませんでした。 さらに、20世紀半ばまでは、非常に純粋な物質を入手または作成することは不可能であり、天然素材の導電率の異常は常に汚染に起因する可能性がありました。



物理学者は現在、量子力学の数学ツールと、それらを適用できる新しいクラスの材料の両方を持っています。 イギリスの理論家アラン・ウィルソンは、それをすべてまとめた最初の人物であり、1931年に半導体の一般モデルとその動作原理を構築しました。



最初、ウィルソンは、エネルギー領域の状態では導電性材料が誘電体と異なると主張しました。 量子力学は、電子が個々の原子の殻または軌道に固有の限られた数のエネルギーレベルで存在できると主張しています。 材料の構造でこれらの原子を一緒に絞る場合、連続したエネルギーゾーンがそれを通過することを想像する方が正しいでしょう。 高エネルギーゾーンの導体には自由な場所があり、電界はそこで自由に電子を移動させることができます。 絶縁体では、ゾーンが満たされ、電気が行きやすい高い導電性のゾーンまで、かなり遠くまで登ります。



これにより、彼は不純物-材料の構造内の外来原子-が半導体の特性に寄与するはずであると結論付けました。 それらは、伝導帯に容易に侵入する過剰な電子を供給するか、または自由電子が移動できる空のエネルギースポットを作成するホール（材料の他の部分と比較して電子が存在しない）を供給できます。 最初のオプションは、n型半導体（または電子）-過剰な負電荷用、2番目のオプション-p型、または正孔-過剰な正電荷用と呼ばれていました。



最後に、ウィルソンは、半導体による電流の整流は、量子トンネル効果 、つまり材料内の薄い電気障壁を通過する電子の突然のジャンプの観点から説明できることを示唆しました。 理論はもっともらしく見えましたが、整流器では、電流は酸化物から銅に流れるはずであると予測しましたが、実際には逆でした。



したがって、ウィルソンのすべてのブレークスルーにもかかわらず、半導体は説明するのが難しいままでした。 徐々に明らかになるにつれて、結晶構造と不純物濃度の微視的変化は、巨視的電気的挙動に不釣り合いに強く影響しました。 理解の欠如を無視して-60年前にブラウンが行った実験結果を誰も説明できなかったため-BrattainとBeckerは、雇用主のための効率的な酸化銅整流器製造プロセスを開発しました。 ベルシステムは、抵抗が方向によって異なるため、システム全体の電子ランプ整流器をすぐに新しいデバイスに交換し始めました。エンジニアはこれをバリスタと呼びました。

金メダル

物理学者であり、Bella Laboratoriesの電子ランプ部門の元長であるMervyn Kellyは、この成果に非常に興味がありました。 数十年の間、電子ランプはベルに非常に貴重なサービスを提供し、前世代の機械部品および電気機械部品にはアクセスできない機能を実行できました。 しかし、それらは非常に熱く、定期的に過熱し、大量のエネルギーを消費し、維持するのが困難でした。 ケリーは、ガスや空のフィラメントや高温のフィラメントで満たされた密閉されたエンクロージャーを必要としないバリスタなど、より信頼性が高く耐久性のあるソリッドステート電子部品に基づいてベルシステムを再構築しようとしていました。 1936年、彼はベル研究所の研究部門の長になり、組織を新しい道にリダイレクトし始めました。



ソリッドステート整流器を使用した場合の次の明白なステップは、ソリッドステート増幅器を作成することでした。 当然、真空管アンプのように、このようなデバイスはデジタルスイッチとして機能します。 電話交換機にはまだ多くの電気機械式デジタルスイッチがあったため、これはベラにとって特に興味深いものでした。 同社は、電話システム、ラジオ、レーダー、その他のアナログ機器の電子ランプを、人間の耳が届くレベルまで弱信号を増幅するために使用する、より信頼性が高く、コンパクトで、エネルギー効率がよく、低温の代替品を探していました。



1936年、ベル研究所はついに大恐pression時に導入された人材の雇用禁止を解除しました。 ケリーは、カリフォルニア州パロアルト出身のもう一人の西海岸出身のウィリアム・ショックリーを含む固体デバイス研究プログラムの立ち上げを支援するために、すぐに量子力学の専門家を採用し始めました。 彼の最近完成したMIT論文のテーマは、ケリーのニーズに最も適したものでした：「塩化ナトリウムの電子ゾーン」。



BrattainとBeckerはこの時点で酸化銅整流器の研究を続け、改良されたソリッドステートアンプを取得しようとしました。 それを実現する最も明白な方法は、電子ランプとの類推でした。 リー・ド・フォレストが真空管増幅器を取り、陰極と陽極の間に電気グリッドを配置したように、ブラッテンとベッカーは、銅と酸化銅が接触する場所にグリッドを挿入する方法を想像しました。 しかし、層の厚さが薄いため、彼らはこれを行うことは不可能であると考え、成功しませんでした。



一方、他の開発により、ソリッドステートエレクトロニクスに関心があるのはベルラボだけではないことが示されました。1938年に、ルドルフヒルズとロバートポールは、臭化カリウム結晶にグリッドを組み込むことによって作成された固体動作増幅器で、ゲッティンゲン大学で実施された実験の結果を発表しました。この実験装置は、1 Hz以下の周波数で動作するため、主に実用的な価値を表していませんでした。しかし、この成果は、ソリッドステートエレクトロニクスに関心のあるすべての人々を喜ばせざるを得ませんでした。同じ年に、KellyはShockleyをソリッドステートデバイスに関する新しい独立した研究グループとして特定し、同僚-Foster KnicksとDean Woolridge-に彼らの能力を研究するためのカルテブランシュを与えました。



少なくとも2人の他の発明者は、第二次世界大戦前に固体増幅器を作成することができました。 1922年、ソビエトの物理学者で発明家のオレグ・ウラジミロヴィチ・ロセフジンクタイト半導体の成功した実験の結果を発表しましたが、彼の仕事は西洋のコミュニティに気付かれませんでした。 1926年、アメリカの発明家ジュリアスリレンフィールドは、ソリッドステートアンプの特許を申請しましたが、彼の発明の操作性に関する証拠はありません。



彼の新しい役職におけるショックリーの最初の大きなインスピレーションは、1938年にイギリスの物理学者ネヴィル・モット、クリスタル・レクティファイアーの理論を読んでいたときに起こりました。モットは量子力学の数学を使用して、導電性金属と半導体酸化物の接合部での電界の形成と、電子がトンネリングではなくこの電気障壁をどのように「ジャンプ」するかをウィルソンが示唆しました。金属にはより多くの自由電子があるため、電流は金属から半導体へと逆方向に流れやすくなります。



これにより、ShockleyはBrattainとBeckerが何年も前に検討し拒否したのとまったく同じ考えに至りました。銅と酸化銅の隙間に酸化銅のグリッドを挿入してソリッドステートアンプを作成しました。彼は、グリッドを流れる電流がバリアを増加させ、銅から酸化物への電流を制限し、グリッド上に信号の反転、増幅バージョンを作成することを望んでいました。彼の最初の大胆な試みは完全に失敗したので、彼はより洗練された実験技術を持ち、整流器に精通している男-ウォルター・ブラッテンに向かった。そして、結果については疑いの余地はありませんでしたが、BrattainはShockleyの好奇心を満たすことに同意し、「グリッド」アンプのより複雑なバージョンを作成しました。彼女はまた働くことを拒否した。



その後、戦争が介入し、ケリーの新しい研究プログラムが混乱したままになりました。ケリーは、MITの主要な米国レーダー研究センターの支援を受けて、ベル研究所レーダーワーキンググループを率いました。 Brattainは彼と長い間働いていませんでしたが、海軍から委託された潜水艦の磁気検出の研究を続けました。ウールリッジは消防システムに取り組み、ニックスはマンハッタンプロジェクトのガス拡散に取り組み、ショックリーは運用研究に取り組み、最初に大西洋で潜水艦と戦い、次に太平洋で戦略爆撃を行いました。



しかし、この介入にもかかわらず、戦争は固体電子機器の開発を止めませんでした。それどころか、この分野への大量の資源の注入を組織し、ゲルマニウムとシリコンの2つの材料に関する研究を集中させました。

他に読むもの

アーネスト・ブルーアンとスチュアート・マクドナルド、ミニチュア革命（1978）



フリードリヒ・クリロとチャールズ・サスキンド、フェルディナンド・ブラウン（1981）



GLピアソンとWHブラッテン、「半導体研究の歴史」、Proceedings of the IRE（December 1955）。



マイケル・リオーダンとリリアン・ホッデソン、クリスタル・ファイア（1997）