古老CPU启示录-晶体管之路

晶体管之路

可以夸张地说,没有他们的发明就没有现在计算机的科学,所以我们非常有必要去了解这些东西(晶体管)的历史。

晶体管于 1947 年在贝尔实验室(美国贝尔实验室是晶体管、激光器、太阳能电池、发光二极管、数字交换机、通信卫星、电子数字计算机、C语言、UNIX操作系统、蜂窝移动通信设备、长途电视传送、仿真语言、有声电影、立体声录音,以及通信网等许多重大发明的诞生地。自1925年以来,贝尔实验室共获得两万五千多项专利,现在,平均每个工作日获得三项多专利。贝尔实验室的使命是为客户创造、生产和提供富有创新性的技术,这些技术使朗讯科技(Lucent Technologies)公司在通信系统、产品、元件和网络软件方面处于全球领先地位。一共获得8项(13人)诺贝尔奖(其中7项物理学奖,1项化学奖)-来源于百度百科(贝尔实验室))由 John Bardeen、Walter Brattain 和 William Shockley 的团队发明,他们后来因此获得了诺贝尔奖。第一个晶体管是锗点接触晶体管,由两个与锗片表面点接触的薄电极组成,第三根导线连接到基极。

位于新泽西州的贝尔实验室 (Wikipedia)
晶体管的发明人:巴丁、肖克利和布拉顿
第一个晶体管(点接触式锗晶体管)

许多早期的实验包括断开点接触锗二极管,并通过反复试验,找到可以连接第三根导线的位置,使设备的增益大于 1[http://www.jmargolin.com/history/ibm.htm]。1947 年,锗和硅点接触二极管已经问世了好几年了,其中有下面有趣的故事。

它始于 1906 年。

1906 年是影响未来几年世界的年份之一,尽管当时很少有人意识到这一点。1906 年 10 月,格林利夫·惠蒂尔·皮卡德(诗人约翰·格林利夫·惠蒂尔的外甥)获得了一项关于接收无线电信号的方法的专利,其中包括一个硅点接触二极管。{美国专利 836-531于 1906 年 8 月 30 日提交并于 1906 年 11 月 20 日颁发} 不久之后,Henry Dunwoody 获得了一项关于使用由碳化硅(silicon carbide)制成的点接触式探测器的系统的专利。{美国专利 837-616于 1906 年 3 月 23 日提交并于 1906 年 12 月 4 日颁发}。

这些探测器远远优于当时正在使用的探测器。1906 年之前,无线电系统(或称为无线电报)有一个由电感器组成的发射器,该电感器充有电流,然后通过间隙(火花隙)放电。火花隙的一侧接地,另一侧连接到尽可能长且尽可能高的天线。接收器同样使用了一个天线(尽可能长和高),该天线连接到一个称为相干器的设备。

相干器由Edouard Branly于 1890 年开发,是一个松散填充金属屑的玻璃管,两端的触点与电池和某种信号或记录仪器串联。通常,金属屑太松散而无法传导电流,但是当电磁信号到达凝聚器时,金属屑会聚结(凝聚)并且电流将流过电路以启动信号或记录仪器。

AS POPOV CENTRAL MUSEUM OF COMMUNICATIONS。

不幸的是,当信号停止时,金属屑并没有恢复到不导电状态,因此必须轻敲管子,为下一个信号做好准备。先进的 coherers 使用记录设备驱动小锤子进行敲击。

虽然相干器不是很敏感,但是令人惊讶的是,这样一个奇怪的设备竟然能工作,当马可尼在 1901 年跨越大西洋时,正是这个设备被用作探测器。(当然,他的天线在风筝末端有 400 英尺长。)你可以在 Marconi 的美国专利{ 1896 年 12 月 7 日提交并于 1897 年 7 月 13 日颁发的美国专利 586-193 中看到这一点。这是他著名的英国专利号 7,777 的美国版本。}查看这一天才发明。

那么,硅点接触二极管是在 1906 年就被发明了,为什么要添加另一条导线来制作晶体管需要这么长时间?有几个原因。

追根溯源-1883 年

第一个原因是 1906 年发明的其他东西是 1883 年发生的事情的结果。

1883 年,托马斯·爱迪生注意到,如果将电线插入灯泡并连接到正电压,电流就会流动(爱迪生效应)。因为他正忙于建设世界上第一个商业发电站尽管爱迪生效应对他来说很不寻常,但是爱迪生并没有跟进。具有讽刺意味的是,爱迪生发现了将交流电转换为直流电的方法,因为他非常反对交流电。他的所有发电系统都是直流电,其中一些系统直到 1940 年代仍在纽约市的部分地区使用。

1904 年,约翰·安布罗斯·弗莱明爵士 (Sir John Ambrose Fleming) 获得了双电极真空管的专利(即真空管二极管)。他曾为爱迪生工作,知道爱迪生效应{弗莱明的美国专利 803-684于 1905 年 4 月 19 日提交并于 1905 年 11 月 7 日颁发。}。

1906年二极管检测器

1906 年,Lee de Forest 发明了三极管真空管。{美国专利 879-532于1907 年 1 月 29 日提交并于 1908 年 2 月 18 日颁发} 三极管真空管是第一个可以放大模拟信号功率的设备。(1943年的莫尔斯电码振荡器和再生式接收机电可被视为数字信号的放大器。)

Lee de Forest 和发明的三极管真空管

专利内容:

“我的发明的目的是通过下文更全面描述的结构特征和电路布置来提高在其结构中包括气态介质的振荡检测器的灵敏度。”

Lee de Forest 认为他的三极管只是一种更灵敏的二极管检测器。1911 年,埃德温·阿姆斯特朗 (Edwin Armstrong) 第一个认识到三极管可以用作放大器。

三极管真空管并没有立即流行起来,因为它们价格昂贵,寿命短,而且放大率也不高。1914 年,AT&T 购买了用于无线电接收器的三极管的使用权,并开始对其进行改进。第一次世界大战的到来,进一步刺激了发展。

因此,当点接触二极管在 1906 年发明时,放大是一个新概念,人们对研究已经更好的东西更感兴趣-真空三极管。

技术和设备

另一个原因是半导体需要高纯度以及受控量的杂质来创建 p 型和 n 型材料的技术和设备不存在;此外,人们不知道他们需要这个。他们不知道的原因是没有人知道点接触二极管是如何工作的。

直到 1930 年代后期,德国的 Walter Schottky、英国的 Nevill F. Mott 和苏联的 Alexander Davydov 才提出金属-半导体结的理论:半导体材料在结处耗尽载流子,这对通过结的平衡电子流形成有效屏障。施加降低势垒的电场(半导体侧的更高电位)允许电子流动,而该电场的反转进一步耗尽半导体的载流子,从而提高电子流动的势垒。我们有一个二极管整流器。

金属-半导体结的理论示意图

尽管人们不知道点接触二极管的工作原理,但这并没有阻止他们制造和使用它们。直到 1920 年代,无线电都是摩尔斯电码,大多数无线电由业余无线电爱好者(业余爱好者)、从事发送信息业务的商业电台或海军操作电台。真空三极管对于大多数DIYer来说太贵了,所以他们的大部分收音机都使用晶体探测器。有些人买不起市售的晶体探测器,于是用一块方铅矿晶体和猫须自制了探测器。方铅矿是硫化铅的名称,硫化铅是铅的主要矿石。猫的胡须其实是一根很细的线。该装置是为一个终端与方铅矿建立良好的连接,并用猫须四处探查,为另一个终端寻找“最佳位置”。

第一个真空管不能产生很大的功率,所以只能传输文字信息。当真空管发展到可以产生大量功率的程度,语音和音乐的传输就成为可能,广播就诞生了。真空管制造商将其视为为其产品创造需求的一种方式,因此,许多早期的广播电台都是由真空管制造商创办的。像美国广播公司这样的公司。

尽管真空管占据了中心位置,但对半导体的一些研究仍在继续。

1926 年,锗被添加到半导体列表中。这是一个由硅、硒和碲组成的半导体。

氧化铜整流器(美国专利 1,640,335于 1927 年 8 月 23 日授予 Grondahl。)是由 LO Grondahl 和 PH Geiger (盖革)(盖革(Geiger,Hans Wilhelm)德国物理学家,著有盖革-米勒计数器)于 1927 年发明的。氧化铜整流器具有良好的正向电流传导,但额定反向电压较差,约为 6 伏。然而,因为它们可以建立在板上而不是点接触,更大的表面积意味着它们可以处理大电流(大约 7 安培),并在电池充电器中使用了一段时间。出于某种原因,盖革的名字不在专利上。(感谢 Reader Dave 找到该专利并注意到 Geiger 的名字不在上面。)。

为什么 Geiger 的名字不在专利上?因为 Geiger 的参考文献是:LO Grondahl,PH Geiger,“一种新型电子整流器”,Proc。AIEE 冬季大会,第 357 页,纽约 1927 年。[美国电气工程师协会 (AIEE) 于 1963 年与无线电工程师协会 (IRE) 合并,组成了电气和电子工程师协会 (IEEE)。] 主要原因是该专利已转让给 Union Switch & Signal Company。George Westinghouse 公司。

氧化铜整流器的最大和最长用途是在万用表中,因此可以使用直流电表读取交流电压和电流。辛普森电器有限公司,仍然在其非电子万用表中使用氧化铜整流器。

唯一一家仍在生产氧化铜整流器的公司是位于康涅狄格州东黑文的Edal Industries。整流器的最佳铜材来自智利。试过很多其他地方的铜材,但没有生产出很好的整流器。这表明铜中含有一种使器件工作的未知杂质。

1926年半导体氧化亚铜(cu2o)也用于生产整流器

硒整流器是由 CE Fitts 于 1933 年发明的。尽管硒具有比氧化铜更高的正向电流电阻,但它具有更高的反向电压额定值,通常为 20 到 30 伏,当时的处理方式是将其中几个堆叠在一起以获得更高的电压,板结构很容易用于堆叠。硒整流器在 1950 年代的电视机中达到了顶峰。Edal Industries(氧化铜整流器的最后一个现有来源)也仍然销售硒整流器,主要用于工业静电空气净化器的高压电源。当硒整流器超过额定值并燃烧时,它们会散发出相当难闻的气味。如今,由于硒的毒性,它们在消费品中的使用受到限制。

硒整流器,硒整流堆,硒堆

1930 年 1 月 28 日,美国专利 1,745,175被授予 JE Lilienfeld,用于“控制电流的方法和装置”。该专利展示了一种绝缘材料,例如玻璃,上面涂有具有“单向导电性”的金属膜。那时还不存在实际制造晶体管的材料,没有实验表明该设备有效,但这是一种绝妙的实验预案。

1939 年,威廉·肖克利 (William Shockley) 和沃尔特·布拉顿 (Walter Brattain) 尝试通过将一个微小的控制网格插入氧化铜层中来构建半导体放大器,但未成功。第二次世界大战结束了他们的实验。

但是第二次世界大战在技术上产生了巨大的进步。

其中之一是雷达的发展。第一个实用的雷达在 300 MHz 左右的相对较低的频率上运行。更高的频率更好,因为它们提供更高的目标分辨率。随着 1940 年磁控管的发明,微波发射器 (3,000 MHz) 成为现实。

米波雷达

接收则具有另一种难度,由于电极之间存在各种寄生电容,因此无法在这些频率下使用真空管。猜猜是什么来拯救?我们的老朋友-点接触二极管。因为它是点接触设备,所以“结”电容极低。它们的使用方式是信号将进入并直接进入二极管,二极管作为混频器运行,将信号外差降低到电子管可以工作的较低频率。

虽然没有什么收获,但也没有办法。事实上,直到 1980 年代初,当砷化镓晶体管得到完善时,除了必须用液氮冷却的昂贵参数放大器之外,才有了直二极管混频器的替代品。

在第二次世界大战开始时,可用的点接触二极管不是很可靠,也不是很好。这就是为什么美国政府设立了一个紧急计划来改进它们。到战争结束时,在生产非常高纯度的硅和锗方面取得了长足的进步,这使得为雷达接收器生产非常好的、可靠的、低噪声的点接触二极管成功。

Russel Ohl 提出了生产高纯度硅的方法{美国专利 2,402,661于 1941 年 3 月 1 日提交并于 1046 年 6 月 25 日发布;美国专利 2,402,839于 1941 年 3 月 27 日提交并于 1946 年 6 月 25 日颁发}请注意,这两项专利均在美国进入第二次世界大战之前提交并在二战结束后颁发。

另一种纯化硅的方法是由 Gordon Teal 和 Keith Storks 开发的。{美国专利 2,441,603 于 1943 年 7 月 28 日提交并于 1948 年 5 月 18 日颁发。}

正是因为像 Ohl、Teal 和 Storks 这样的人,在 1947 年才有了高纯度的锗和硅。

点接触晶体管由约翰·巴丁 (John Bardeen) 和沃尔特·布拉顿 (Walter Brattain) 于 1947 年发明。威廉·肖克利(团队负责人)当时不在场,也没有因为这项发明而获得荣誉,这让他非常生气。但是。点接触晶体管难以制造并且不是很可靠。这也不是肖克利想要的晶体管,所以他继续按照自己的想法工作,这导致结型晶体管更容易制造并且工作得更好。这些事件的历史可以在改变世界的发明中找到(改变世界的发明是雷达。)

物理学,诺贝尔奖,威廉·肖克利,沃尔特·布拉顿,约翰·巴丁

肖克利开发的晶体管是结型晶体管,它是通过将各种化学物质扩散到锗中而制成的。当这个过程完成时,最终得到了一些相当不错的晶体管。

"晶体管之父" 威廉·肖克利

这一时期(我能找到的)最早的专利是美国专利 2,524,035 ,该专利于 1948 年 6 月 17 日提交并于 1950 年 10 月 3 日颁发。请注意,该专利仅将 Bardeen 和 Brattain 列为发明人,而忽略了 Shockley。另请注意,该申请是 1948 年 2 月 26 日提交(并被放弃)的先前申请的部分继续申请。在专利中,部分延续意味着您在原始专利申请未决期间以某种实质性方式改进了基本发明,并且希望对特定改进提出要求。这并不意味着必须放弃原来的申请。

肖克利还是设法得到了一些自己的专利,如 美国专利2569347 提交于1948年6月26日和9月25日颁布,1951年,和美国专利2502488提交于1948年9月24日和1950年4月4日发行。 美国专利2623105提交于1951年9月21日和12月23日颁布,1952年似乎涉及一个结型晶体管。

虽然,晶体管有很长的书面记录,第一个晶体管是由锗制成的,但是仍然可以购买到锗点接触二极管。

新增故事线

在Semiconductor Devices: Pioneering Papers 中重印的项目之一是一封写给 1907 年名为《电气世界》杂志编辑的信。其作者HJ Round 报道:

“在碳化硅晶体上的两点之间施加 10 伏的电势时,晶体发出淡黄色的光。只能找到一两个样本在如此低的电压下发出明亮的光,但在 110 伏的情况下,晶体会发出黄色的光。在一些晶体中,只有边缘发出光,而其他晶体发出光,不是黄色的而是浅绿色、橙色或蓝色。在所有测试的情况下,发光似乎来自负极,出现明亮的蓝绿色火花在正极。在单晶中,如果在中心附近与负极接触,而正极在任何其他地方接触,则只有一部分晶体会发光,而同一部分无论在哪里正极已放置。”

碳化硅与 Dunwoody 在 1906 年用来制造第一个硅点接触二极管的材料相同。

HJ Round船长是一位获得117项专利的电子先驱,是马可尼的私人助理。

朗的孙子在他的网站(http://www.captainround.pwp.blueyonder.co.uk/)上记录了他的生平。

看来 Round 发现了 LED。他甚至有一个蓝色 LED,比 Cree Research 使用碳化硅制造他们的 LED 早 80 年。当然,他们的蓝色 LED 更容易制造且更可靠。

朗德的信全文在这里(http://www.jmargolin.com/history/leds.pdf)。

参考:

[1] Telephone conversation with Al Arbitter of Simpson Electric Co., August 11, 1993.

[2] Telephone conversation with Dino Vagnini of Edal Industries, August 11, 1993.

[3] The Invention That Changed The Word by Robert Buderi, Simon & Schuster, 1996, pages 322 - 333.

[4] Semiconductor Devices: Pioneering Papers, Edited by S.M. Sze, World Scientific Publishing, 1991, page 879

[5] http://www.jmargolin.com/history/trans.htm(主要)

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