William Shockley: muž, ktorý zmenil tranzistor aj jedno údolie

William Shockley: muž, ktorý zmenil tranzistor aj jedno údolie
Elektrolab Pridal  Elektrolab
  533 zobrazení
3
 0
História elektroniky

Než sa kremíkové údolie stalo epicentrom firiem zameraných na elektroniku, musela prísť tá prvá. A ešte predtým musel prísť vynález tranzistora. Oboje spája jediný muž.

V roku 1956 dostali traja špičkoví vedci z Bellových laboratórií Nobelovu cenu za vynález tranzistora. Všetci traja, teda William Shockley, John Bardeen a Walter Brattain, sa o zrod tejto zásadnej súčiastky modernej elektroniky zaslúžili, avšak dnes budeme rozprávať iba o Shockleym. Nie snáď preto, že by tí druhí dvaja boli menej významní, to ani omylom. John Bardeen je napríklad jediným človekom, ktorý kedy získal Nobelovu cenu dvakrát za rovnaký odbor. Ale práve Shockley mal najväčší vplyv na oblasť IT lebo, ako o ňom povedal jeden z jeho obdivovateľov, "priniesol kremík do budúceho Silicon Valley".

Walter Houser Brattain, William Bradford Shockley a John Bardeen - vynálezcovia tranzistora vo svojom laboratóriu.

Vojnové radary naviedli k polovodičom

Shockley sa narodil americkým rodičom v predvojnovom Londýne roku 1910. Mal veľmi vzdelaných rodičov - jeho otec, bansky inžinier, hovoril ôsmich jazykmi, zatiaľ čo matka Mary vyštudovala Stanfordovej univerzity a patrila k prvým Američankám, ktorým sa niečo také podarilo. Shockley sám mal z hľadiska vzdelania jasnú dráhu - Caltech dokončil v roku 1932 a na MIT si urobil doktorát o štyri roky neskôr. Už od svojich štúdií patril k najvýznamnejším odborníkom v elektrotechnike, predovšetkým čo sa týka vodivosti materiálov.

William Shockley

elektrotechnik, vedec, držiteľ Nobelovej ceny za vynález tranzistora, zakladateľ prvého laboratória na elektronické súčiastky v dnešnom Silicon Valley

  • narodeniý: 13. februára 1910
  • zomrel: 12. augusta 1989
  • pôvod: Anglicko, ale väčšinu života prežil v USA

Počas vojny sa dostal do Bellových laboratórií, kde spolupracoval na vývoji radaru, a neskôr sa stal šéfom "think tanku" na Kolumbijskej univerzite, kde sa rozvíjali metódy používania radaru v boji s ponorkami a ďalšie podobné aktivity. Za svoju prácu bol ocenený medailou.

Z jeho aktivít počas vojnového obdobia zaujme prekvapivý fakt, že je autorom správy s odhadmi pravdepodobných strát pri invázii do Japonska. Shockley v nej tvrdil, že príde o život 5 až 10 miliónov Japoncov a až 800 000 Američanov. Práve na základe tejto správy sa rozhodlo o atómovom bombardovaní. V kontexte týchto čísel sa jednalo o optimálny variant.

Potom, čo vojna skončila, sa William Schockley vrátil do Bellových laboratórií, aby tu spoločne so Stanleyom Morganom viedol výskum na poli polovodičových súčiastok. Vojna a s ňou spojený rozvoj radarov a bezdrôtového spojenia totiž jasne ukázala nutnosť vývoja a použitia novej súčiastky, ktorá by nahradila zastarané elektrónky.

Ako sa zrodila trioda, predchodca tranzistora

Tvorcovia vtedajších elektronických prístrojov bojovali s úlohou, ako zosilniť veľmi slabý signál, prichádzajúce z antény. Cesta k riešeniu bola dlhá a začala sa už u Edisona, ktorý si všimol, že ak do banky žiarovky z rozžeraveným vláknom privedie ďalší drôtik, prechádza medzi žeraveným vláknom a priloženým vodičom prúd. Edisonovi sa tento pokus nesmierne zapáčil, avšak nedokázal ísť ďalej.

To sa podarilo Johnovi Amros Flemingovi, ktorý v roku 1904 vynašiel prvý elektrónku - diódu. Pozor, tá nemá nič spoločného s našou dnešnou diódou. Flemingova dióda, teda elektrónka s vláknovou katódou a chladnou anódou, mala slúžiť iba na detekciu rádiových vĺn.

Prvý prototyp Flemingovej elektrónky z roku 1904 (zdroj: Wikipedia - klikni)

Len o dva roky neskôr napadlo nezávisle hneď dvoch vedcov - rakúšana Roberta von Liebena a  Lee de Forresta - že by sa dióda dala ešte vylepšiť. Práve de Forrest v roku 1905 vynašiel Audion, elektrónku so zabudovanou mriežkou, ktorú postupne zdokonaľoval. V roku 1907 dospel k jej konečnej verzii, kedy bola mriežka umiestnená medzi vlákno a anódu. Malou zmenou napätia na mriežke sa dal regulovať prúd elektrónov medzi vláknom a anódou. Tak sa zrodila trioda.

Audion mal pôvodne slúžiť na lepšiu detekciu rádiových vĺn. K revolučnému nápadu, že by by sa dal použiť aj ako zosilňovač, došlo až v roku 1912.

Akonáhle bolo možné pomocou triódy rádiový signál zosilňovať, začali sa masovo vyrábať rádiá a bolo možné začať s rozhlasovým vysielaním. K tomu došlo v dvadsiatych rokoch minulého storočia. Vtedajšie prijímače sa delili na jednolampové a dvojlampové, podľa počtu použitých triód. Kým s jednou to nebola žiadna veľká hitparáda, pretože zosilnenie bolo značne malé, rovnako ako ladiaci rozsah, s dvoma triódami sa už dalo stvoriť rádio na svoju dobu neobmedzených možností. Len bolo o trochu väčšie.

Rusko bolo o 10 rokov napred, ale len teoreticky

Triódy boli celkom veľké a ešte ku všetkému krehké - jednalo sa o sklenenú banku s vákuom vnútri. A vzhľadom na potrebu žhavit jednu z elektród boli aj značne  nehospodárne. Chcelo to niečo viac, nejakú jednoduchú súčiastku pokiaľ možno z pevnej látky, ktorá s minimom prúdu dokáže to isté. A hlavne - bude lacná.

Práve do toho sa pustil Shockley so svojím kolektívom. Pred vojnou sa v elektrotechnike používalo len veľmi málo súčiastok založených na pevnej látke. Kondenzátory boli väčšinou elektrolytické, o triodách sa iba uvažovalo, no a jedinou "modernou" súčiastkou tak boli odpory a selénové usmerňovače, predchodcovia dnešných diód. Teória, ako je v materiáloch vlastne vedený prúd a prečo sú niektoré polovodiče takým zvláštnym medzistupňom, tá neexistovala, respektíve bola plná dohadov.

Jedným z problémov, prečo sa v medzivojnovom období nepristúpilo k štúdiu vedenie prúdu v polovodičoch, boli používané materiály. Vtedy sa ako polovodiče používali oxidy medi, sulfidy olova či kadmia, čo všetko boli látky s pomerne veľkým podielom nečistôt a teda dosť nevyspytateľným a teoreticky nevysvetliteľným správaním sa.

Rovnakú problematiku študovali aj iní vedci. Už v roku 1938 prišiel sovietsky vedec Boris Davidov pri skúmaní oxidu medi na vlastnosti P-N prechodu. Vytvoril model a voltampérová charakteristiku v zásade zhodnú s tým, čo dokázal Shockley v roku 1949. Hoci sa napríklad Shockleyho kolega John Bardeen s touto prácou v roku 1947 zoznámil, jej dôležitosť pochopil až neskôr. Davidovove myšlienky sa skrátka nepresadili, pretože pôsobil kdesi v izolovanom socialistickom raji ...

Vývoj tranzistora

Shockley vo svojom výskume vychádzal z niekoľkých predpokladov. Jednak mal jasno, s ktorým materiálom by sa malo experimentovať - ​​s germániom. To sa veľmi využívalo v čase vojny pre prijímače vtedajších radarov, pretože súčiastky založené na jeho kryštáloch dokázali operovať až v gigahertzových frekvenciách. Boli vyvinuté technológie pre vytváranie veľmi čistých kryštálov germánia, keď podľa pôsobenia atómov bóru či fosforu vznikali polovodiče typu N alebo P, čo bolo zásadné pre budúce tranzistory. Dokonca bol v Bellových laboratóriách objavený P-N prechod, avšak stále nebola úplne preskúmaná jeho funkcionalita.

William Shockley je uprostred medzi kolegami John Bardeen a Walterom Brattainem. Spolu vytvorili tranzistor a všetci traja dostali za objav Nobelovu cenu.

Shockley vytvoril teóriu, že vonkajšie elektrické pole bude ovplyvňovať vodivosť polovodiča. Nemal najmenšie tušenie o povrchových stavoch na polovodiči. Keď pokusy zlyhávali, poprosil kolegu Waltera Bardeen, aby jeho výpočty prekontroloval. Ten v máji 1946 pochopil, kde je chyba. Pochopil, že správanie elektrónov na povrchu polovodiča je odlišné.

17. novembra 1947 prišiel Brattain so skvelým objavom. Zistil, že ak ponorí kremíkový polovodič do elektrolytu, dajú sa spomínané povrchové stavy neutralizovať. Začiatkom decembra, podľa návrhu Bardeen, bolo miesto kremíka použité germánium. Nasledovali ďalšie pokusy, počas ktorého bola na germánium typu N nanesená tenká vrstvička oxidu germánia typu P. Následne bol vytvorený plastový hrot, pokrytý tenkou zlatou fóliou. Keď bol tento hrot zatlačený s pomocou pružiny do povrchu germánia, došlo k nepatrnému porušeniu onej fólie a vzniku štrbiny. A tak vznikol 16. decembra 1947 prvú hrotový tranzistor - dokázal zosilňovať prúd až do frekvencie 1 kHz. Je potrebné zdôrazniť, že na tomto type tranzistora sa Shockley nepodieľal.

Walter Brattain u svojho prototypu hrotového tranzistora zavretom vo vákuu.

Keď právnici Bellových laboratórií hodlali túto novú súčiastku patentovať, zistili, že už v roku 1925 si Julius Lilienfeld nechal patentovať tranzistor založený na pôsobení elektrického poľa. Avšak, Lilienfeld svoj vývoj ukončil a objav úplne zapadol do zabudnuti a ostal bez využitia. Právnici sa obávali, aby ich objav nebol napadnuteľný, a preto v patentovej žiadosti úplne pominuli akýkoľvek Shockleyho podiel a jeho práce, v ktorých sa to zmieneným elektrickým poľom len "hemžilo". Tým Shockleyho dosť naštvali, pretože je nesporné, že bez jeho základnéj práce by Brattain a Bardeen k výsledku nedošli.

Naštvaný Shockley s novým nápadom

Okrem toho, že sa Shockley naštval, tak sa aj namotivoval. Mrzelo ho, že samotný hrotový tranzistor nevynašiel - zaoberal sa v tom čase štúdiom dislokácioe v materiáloch a výskum tranzistora išiel trošku mimo neho. Sám po dvadsiatich piatich rokoch priznal sklamanie, že na tak zásadným objave neniesol svoj podiel. A rozhodol sa s tým niečo urobiť - najlepšie objaviť niečo ešte lepšie.

Už 8. decembra 1947, teda ešte pred vynálezom hrotového tranzistora, si vo svojom poznámkovom bloku poznamenal zaujímavú myšlienku. Čo tak skúsiť viac vrstiev rôznych polovodičov? Čo tak skúsiť "sendvičovo" prepojiť vrstvy N-P-N? Avšak, v tomto prvom nástrele si to ešte predstavoval zle, pretože prostredný "P" v jeho predstave nemala byť báza, kontrolujúci priechod prúdu, ale prekvapivo emitor aj kolektor. Prúd mal skrze túto vrstvu prúdiť pozdĺžne, zatiaľ čo dve krajné vrstvy N mali byť schopné tento prúd regulovať. Keď teoreticky tento osobitný "tranzistor s dvoma bázami" preštudoval, tak zistil, že to nefunguje. Lenže už 23. januára 1948 skúsil uvedený model preskúmať znovu, ale tentokrát inak. Správne.

Tým sa zrodil klasický tranzistor. Taký, aký ho poznáme, zložený z vrstiev polovodičov miesto hrotu. Pravda, ešte dva roky trvalo, kým sa Shockleyho tranzistor podarilo vyrobiť. Gordon Teal, chemik, totiž upozorňoval, že sa tento tranzistor musí vyrábať iba z monokryštalických tenkých vrstiev. Prvé experimenty však začali s polykryštalickými vrstvami, čo nefungovalo. Našťastie, Jack Morton, šéf experimentálneho oddelenia, teórii dôveroval, venoval veľkú pozornosť vylepšeniu kryštalizácie, takže v apríli 1950 bol prvý N-P-N tranzistor hotový. A perfektne fungoval.

Založil prvú firmu kremíkového údolia

Shockley si veľmi rýchlo uvedomil, že je jeho tranzistor pre masovú výrobu oveľa vhodnejší, než hrotový. Potom, čo dokončil svoj odborný opus magnum "Elektróny a diery v polovodičoch" sa zamýšľal nad možnosťou, že by z nových polovodičových súčiastok tiež mohol zbohatnúť. Áno, síce si tranzistor nechal patentovať, ale poplatky vyberali Bell Labs (25 tisíc dolárov za licenciu). Samozrejme, bol nominovaný na Nobelovu cenu, ktorú s Brattainem a Bardeen v roku 1956 aj získal, avšak chcel sa dokázať presadiť aj v priemysle. V rokoch 1954-56 prednášal na Stanforde a zisťoval, či by niektorá veľká firma nechcela zasponzorovať založenie jeho spoločnosti, ktorá by vyvíjala nové prelomové súčiastky.

Najprv ho odmietol Raytheon, ale následne uspel u Beckham Instruments. Vlastník Arnold Beckham síce neveril, že by sa Shockley dokázal v tvrdej priemyselnej konkurencii presadiť, ale hovoril si, že ten milión dolárov je vlastne bagateľ. Možnosť, že sa vďaka tomu dostane k novým a skvelým súčiastkam, ktoré Shockley vymyslí, bola veľmi lákavá. Shockley mal za úlohu založiť laboratórium, ktorá vyvinie súčiastky schopné masovej výroby počas dvoch rokov. Laboratórium bolo založené v Mountain View, kúsok od Palo Alta, v mieste dnes známom ako Silicon Valley (Kremíkové údolie).

Shockley zalovil v univerzitných vodách a najal skupinu mladých doktorandov, medzi nimi napríklad Gordona Moorea a Roberta Noycea, ktorí spolu neskôr založili firmu Intel. Pôvodný plán bola práca na bipolárnych tranzistoroch, avšak Shockley sa ďaleko viac zaujímal o tzv. Shockleyho diódu. Tá síce predstavovala zaujímavý vedecký problém, avšak po komerčné stránke sa jednalo o menej zaujímavú záležitosť.

Bez veľkých peňazí, ale s veľkým uznaním

Lenže tu sa ukázalo, že Shockley je možno skvelý vedec, ale mizerný manažér. V kolektíve malého laboratória narastalo napätie, ktoré vyvrcholilo odchodom "ôsmich zradcov" (ako ich pomenoval Shockley). Samotná Shockleyho dióda, v podstate typ tyristora, sa na trhu pre svoju nespoľahlivosť veľmi neujala a dnes už sa vôbec nepoužíva (je nahradená dynistorom). Zradcovia boli ďaleko úspešnejší - založili Fairchaild Semiconductor, prvú veľkú spoločnosť nového priemyslu v budúcom Silicon Valley.

Shockley nakoniec pochopil, že nie je biznismen, a vrátil sa späť prednášať na Stanford. Po ukončení svojej akademickej dráhy sa postupne uzavrel pred svetom, a keď v roku 1989 zomrel na rakovinu prostaty, bol úplne odcudzený svojim bývalým priateľom aj svojej rodine. Dokonca aj jeho deti sa o jeho smrti dozvedeli z tlače.

Napriek tomuto podivínskému konci si aj jeho bývalí oponenti a nepriatelia dobre uvedomovali veľkosť tohto muža. Bol to Shockley, ktorý do Silicon Valley priniesol kremík - a to napriek paradoxu, že on sám vo svojich tranzistoroch a diódach miesto kremíka používal germánium.

Máte aj vy zaujímavú konštrukciu, alebo článok?

Máte aj vy zaujímavú konštrukciu, alebo článok a chceli by ste sa o to podeliť s viac ako 360.000 čitateľmi? Tak neváhajte a dajte nám vedieť, radi ju uverejníme a to vrátane obrazových a video príloh. Rovnako uvítame aj autorov teoretických článkov, či autorov zaujímavých videí z oblasti elektroniky / elektrotechniky.

Kontaktujte nás!


Páčil sa Vám článok? Pridajte k nemu hodnotenie, alebo podporte jeho autora.
 

       

Komentáre k článku

Zatiaľ nebol pridaný žiadny komentár k článku. Pridáte prvý? Berte prosím na vedomie, že za obsah komentára je zodpovedný užívateľ, nie prevádzkovateľ týchto stránok.
Pre komentovanie sa musíte prihlásiť.

Vaša reklama na tomto mieste

Vyhľadajte niečo na našom blogu

PCBWay Promo

ourpcb Promo

PCBWay Promo

ourpcb Promo

PCBWay Promo

ourpcb Promo


Webwiki Button