Ultrakrótka historia elektroniki: Odkrycie tranzystora bipolarnego

W  poprzednim artykule z tej serii (H016) mówiliśmy o próbach stworzenia ulepszonej, półprzewodnikowej wersji triody. Pomysł pojawił się w latach 20. XX wieku, ale na jego realizację trzeba było czekać ćwierć wieku. A to co przedstawiono w roku 1947, wcale nie było tym elementem, na który czekano.
Opowieść o historii elektroniki zakończyliśmy informacją, że po zakończeniu II wojny światowej słynny amerykański koncern telekomunikacyjny Bell skompletował zespół badaczy, którego celem było opracowanie półprzewodnikowego elementu wzmacniającego.

Przypominam, że historia półprzewodników zaczęła się od prostowników ostrzowych (detektorów) mniej więcej na przełomie XIX i XX wieku i że w latach 20. XX wieku zaobserwowano i próbowano wykorzystać działanie wzmacniające niektórych takich detektorów (krystadyna). Jednak wtedy nikt nie rozumiał ich działania, a to działanie było niestabilne. Dlatego po I wojnie światowej elementami wzmacniającymi były praktycznie wyłącznie lampy elektronowe.

Też miały wady, dlatego już pod koniec lat 30. koncern Bell podjął próby stworzenia stabilnych półprzewodnikowych elementów wzmacniających.

Próby spełzły na niczym, głównie z uwagi na brak odpowiednio czystych materiałów półprzewodnikowych. Paradoksalnie dalszy krok umożliwiła II wojna światowa. Z jednej strony przerwała ona wcześniejsze prace, ponieważ naukowcy też podjęli działania związane z wojną. Z drugiej strony było to bazą do powstania tranzystorów.

Jednym z kluczowych kierunków działań naukowców było stworzenie jak najlepszych radarów. Najprościej biorąc – radarów pracujących na jak najwyższych częstotliwościach, rzędu gigaherców. W układach odbiorczych potrzebne były dobre detektory – diody.

Włożono wiele wysiłku, żeby stworzyć szybkie i niezawodne diody półprzewodnikowe. Były to głównie diody germanowe, ale też krzemowe. I właśnie dla celów militarnych opracowano sposoby wytwarzania wysokiej jakości, czystych materiałów półprzewodnikowych. Gdy wojna się skończyła, do dyspozycji naukowców był zarówno german, jak i krzem o bardzo dużej czystości. A to dawało szansę na stworzenie elementów półprzewodnikowych o powtarzalnych parametrach.

Najczęściej mówi się o Ameryce i laboratoriach koncernu Bella, gdzie w celu opracowania półprzewodnikowego elementu wzmacniającego stworzono zespół badawczy pod kierunkiem Williama Shockley’a. Ale nie był to jedyny ośrodek, gdzie eksperymentowano z półprzewodnikami.

Otóż wcześniej, w czasie wojny, drugim głównym centrum badań półprzewodników były hitlerowskie Niemcy. Niemieccy naukowcy też mieli znaczące osiągnięcia, ale wojna zrujnowała kraj i wyniki wojennych badań wykorzystano potem we Francji, gdzie tranzystor (tranzystron) wynaleziono praktycznie w tym samym czasie co w USA, co omówię w następnym artykule tego cyklu. Ale najpierw o Ameryce.

Bardeen, Brattain i Shockley

Trzej naukowcy: Walter Brattain, John Bardeen i William Shockley w roku 1956 otrzymali nagrodę Nobla z fizyki. W sumie za tranzystor, którego pierwsza wersja została zaprezentowana 23 grudnia 1947.

Już wcześniej pisałem, że szefem zespołu badawczego był William Shockley. Jego pierwsza próba stworzenia, jak byśmy dziś powiedzieli, tranzystora polowego w postaci cylindra, spełzła na niczym.

To Shockley nadawał kierunek badaniom, jednak bardzo często był nieobecny w laboratorium i pozostawiał dużą swobodę swoim współpracownikom. Jednym z nich był Walter Brattain, którego można też nazwać majsterkowiczem, bo to on fizycznie realizował modele i przeprowadzał testy. Natomiast John Bardeen był myślicielem, i teoretykiem, bardzo dobrym zresztą.

Kierunek nadany przez Shockley’a to było dążenie do stworzenia półprzewodnikowej triody, której teoretyczne pomysły przedstawili dużo wcześniej Lilienfeld i Hail.

Jednak prace nie posuwały się według oczekiwań. Problemem były efekty powierzchniowe, które najprościej biorąc, nie pozwalały polu elektrycznemu wnikać w głąb (słabo przewodzącego) materiału półprzewodnikowego. Brattain i Bardeen podejmowali różne próby przezwyciężenia i wytłumaczenia szkodliwych efektów powierzchniowych, ale bez rezultatu. Miedzy innymi zanurzali badane próbki półprzewodnika w cieczach – głównie w wodzie.

Cel był jasny: stworzyć odpowiednik lampy triody, ale z uwagi na przeszkody przeprowadzano różne, także bardzo dziwne próby w celu zbadania i wyeliminowania wpływu efektów powierzchniowych.

Jednym z takich dziwnych eksperymentów badawczych było przyciśnięcie do powierzchni germanowej płytki paska złotej folii za pomocą trójkątnego kawałka plastiku. Paska przeciętego ostrym nożem.

Bazą, podstawą była płytka, sztabka germanu. Stąd do dziś pozostała nazwa „baza”, dziś już zupełnie nieadekwatna. Do górnej powierzchni tej bazowej płytki przyciśnięte były dwie części przeciętego złotego paska, między którymi była wąska szczelina. Fotografia 1 (z Wikipedii, Autor: Unitronic CC BY-SA 3,0) pokazuje replikę tego pokracznego elementu.

(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w numerze listopadowym czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 11/2023). Czasopismo aktualnie nie ma wersji drukowanej na papierze. Wydawane jest w postaci elektronicznej (plików PDF). Pełna wersja czasopisma umieszczona jest na moim profilu Patronite i dostępna jest dla Patronów, którzy wspierają mnie kwotą co najmniej 10 zł miesięcznie. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 11/2023 znajduje się tutaj.

 

Piotr Górecki

 

Uwaga! Osoby, które nie są (jeszcze) moimi stałymi Patronami, mogą nabyć PDF-y z pełną wersję tego numeru oraz wszystkich innych numerów czasopisma wydanych od stycznia 2023, „stawiając mi kawę” (Cappuccino = 10 złotych za jeden numer czasopisma w postaci pliku PDF).
W tym celu należy kliknąć link (https://buycoffee.to/piotr-gorecki), lub poniższy obrazek

Następnie wybrać:
– jeśli jeden numer ZE – CAPPUCINO (10 zł),
– jeśli kilka numerów ZE – WSPIERAM ZA. I tu wpisać kwotę zależną od liczby zamawianych numerów – wydań (N x 10zł),
Wpisać imię nazwisko.
Podać adres e-mail.
Koniecznie zaznaczyć: „Chcę dołączyć wiadomość dla Twórcy” i tu wpisać, który numer lub numery mam wysłać na podany adres e-mailowy.