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ISTITUTO DI ISTRUZIONE SECONDARIA SUPERIORE - 74028 SAVA (TA) L’Evoluzione della componentistica elettronica dai tubi a vuoto.

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1 ISTITUTO DI ISTRUZIONE SECONDARIA SUPERIORE SAVA (TA) L’Evoluzione della componentistica elettronica dai tubi a vuoto agli attuali circuiti integrati Classe IV A Sirio

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3 Introduzione Tra la fine dell’Ottocento e l’inizio del Novecento ( ), la società industriale assume dimensioni mondiali. Questo periodo, conosciuto come Belle Époque, è caratterizzato da un intenso sviluppo economico, tecnico- scientifico e culturale garantendo alle fasce più alte della popolazione europea prosperità e benessere. All’interno delle grandi città, i progressi materiali sono più evidenti. Si assiste ad un essenziale miglioramento delle condizioni di vita, grazie ad una serie di servizi prima sconosciuti: l’illuminazione pubblica, il sistema fognario, la strada asfaltata, gli ospedali, le scuole e i trasporti pubblici. Tra le invenzioni che hanno cambiato maggiormente il modo di vivere si può annoverare l’energia elettrica e la lampadina elettrica come fonte di illuminazione.

4 ... Tutto iniziò con la lampadina Joseph Wilson Swan Chimico, medico e inventore inglese. Inizia a lavorare sulla lampada ad incandescenza nel 1850, nel 1860 dimostra che può funzionare e nel 1878 la brevetta utilizzando il filamento di carbonio,è il prototipo della lampadina.

5 Thomas Alva Edison ( 11 Febbraio Ottobre 1931) T. Edison migliora la lampada ad incandescenza inventata da Swan. Durante i suoi esperimenti si accorge che la lampadina tende ad annerirsi diminuendo l’efficienza, ciò dipende dal filamento in carbonio. Pensa così di modificarlo inserendo all’interno della lampada un elettrodo per catturare le particelle prodotte. Non accade ciò che si aspetta: nota che vi è un passaggio di corrente quando si applica una differenza di potenziali tra i due elettrodi cosi ottenuti (effetto Edison). Nasce cosi il primo prototipo di diodo.

6 Joseph John Thomson (18 Dicembre Agosto 1940) Il fisico J. J. Thomson, premio Nobel per la fisica nel 1906, deduce che i raggi catodici, emessi da metalli riscaldati, sono composti da particelle con carica negativa aprendo la strada allo studio delle particelle subatomiche e dell’elettrone. Dà così una spiegazione dell’effetto Edison.

7 L’ emissione termoionica  Quando un corpo metallico, come il filamento della lampadina di Edison, viene portato ad alta temperatura, gli elettroni più esterni, del metallo, subiscono un innalzamento della loro energia cinetica. L’aumento di energia è così elevato che moltissimi elettroni riescono ad abbandonare gli atomi che li ospitano formando una nube di carica negativa nello spazio intorno al filamento caldo.  Questo fenomeno è chiamato «emissione termoelettronica o effetto termoionico». Si verifica quando l’energia somministrata a ciascun elettrone supera quella di ionizzazione tipica dell’elemento chimico utilizzato per costruire il filamento.  La legge matematica che regola questo fenomeno detta legge di Richardson è :  J = A T 2 e – W/K T

8 Dove:  J è la densità di corrente emessa espressa in A/m 2;  A è una costante;  T è temperatura assoluta in gradi Kelvin dell’elemento emittente;  W è il lavoro di estrazione del metallo, variabile in relazione al materiale usato  k: la costante di Boltzmann pari a 1.380

9 Il diodo … Nel 1889 John Ambrose Fleming, consulente scientifico della «Marconi Wireless Telegraph Company», ricerca un dispositivo più affidabile del coherer a limatura, per la rivelazione delle onde radio, sviluppando i tubi a vuoto a due elementi, i cosiddetti «diodi». Nasce così nel 1904 un dispositivo consistente in una lampadina con una piastrina aggiuntiva. Si scopre che dando tensione alla lampada, il suo filamento si riscalda fino all’incandescenza emettendo elettroni catturati dalla piastrina metallica a cui è data carica positiva da una seconda batteria, è il primo diodo. Questa valvola, detta «tubo di Fleming»,verrà utilizzata come elemento rivelatore nei ricevitori telegrafici.

10 John Ambrose Fleming (29 Novembre Aprile 1945 ) Schema applicativo del Diodo di Fleming

11 Pertanto se l’anodo è polarizzato positivamente rispetto al catodo (polarizzazione diretta) si ottiene un flusso di elettroni, quindi una corrente elettrica (fig.1). Se, invece, la polarizzazione è opposta (polarizzazione inversa), non si avrà alcuna corrente in quanto l’anodo tenderà a respingere gli elettroni (fig.2). Il dispositivo lascia così passare la corrente in un solo senso e il suo uso è di rettificatore o di rivelatore. Fig. 1Fig. 2

12 Dal diodo al triodo Nel 1907 Lee de Forest scopre che, interponendo un filo tra il filamento e la placca (anodo), è possibile controllare la corrente che passa fra gli elettrodi (anodo e catodo) e brevetta il suo audion (triodo), usato come amplificatore e oscillatore negli apparati radio dell’epoca. Si tratta di un tubo elettronico che, invece di avere due elettrodi come il diodo di Fleming, ne ha un terzo, la cosiddetta griglia di comando, riuscendo così non solo a decodificare i segnali radio, ma anche ad amplificarli. CURIOSITÀ Lee De Forest è stato uno scienziato, inventore, regista, anche produttore cinematografico e direttore della fotografia statunitense. Ha brevettato più di trecento invenzioni nel campo della telegrafia, telefonia, della radio, del cinema sonoro e della televisione.

13 Audion (triodo) di Lee De Forest Nell’immagine si può notare che il catodo a riscaldamento diretto è costituito dal filamento di una lampada ad incandescenza, la griglia di controllo da un filo ripiegato ad elica e l’anodo da una placchetta metallica.

14 Questo dispositivo ha permesso la realizzazione di circuiti che hanno determinato la nascita di una nuova disciplina, l’elettronica. Il terzo elettrodo aggiunto permette, grazie alla sua forma e posizione, il controllo del flusso degli elettroni generato dal catodo. Piccole variazioni di tensione sulla griglia generano grandi variazioni di corrente anodica quindi di tensioni anodiche. La tecnologia elettrica di quel tempo può così utilizzare un nuovo ed importante effetto: “l’amplificazione”. Ai triodi, seguono altri tipi di tubi elettronici con caratteristiche molto diversificate e l’aggiunta di ulteriori griglie (tetrodi, pentodi, eptodi) che prendono il nome dal numero di elettrodi presenti nel tubo. Sono utilizzati nel campo dell’amplificazione, della rivelazione e della conversione di segnale. Schema di amplificatore con triodo termoionico

15 Parallelamente a questi congegni, vengono realizzati anche dispositivi a gas ottenuti dai precedenti con l’aggiunta di vapori di mercurio per i diodi rettificatori di potenza o di miscela di gas nobili nei triodi a gas (Thyratron).

16 Un’altra tipologia di tubi è quella ad onda viaggiante (TWT) che sfrutta le proprietà delle cavità risonanti, ancora oggi utilizzati per l’amplificazione di segnali nel campo delle microonde per elevate potenze. Tra queste valvole, il più noto è il magnetron che trova applicazione nei dispositivi radar e nel campo della cottura degli alimenti ( forno a microonde).

17 Impiego in alta fedeltà Ancora oggi nell’ambito della riproduzione di audio musicale, nonostante le valvole siano state soppiantate dai circuiti a semiconduttore, vengono prodotti amplificatori a tubi per l’impiego nella riproduzione musicale ad alto livello di fedeltà. Queste apparecchiature, caratterizzate dall’essere pesanti, costose ed ingombranti, sono però contraddistinte da una grande morbidezza del suono e da un’assoluta fedeltà, in maniera tale che le caratteristiche fisiche del suono originario siano conservate con elevata precisione nel suono riprodotto, per rendere più gradevole l’ascolto. Anche nel campo della strumentazione musicale (chitarra e basso) l’uso dei tubi in condizioni di saturazione permette ai musicisti la sperimentazione di nuove tonalità di suono. Amplificatori valvolari

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19 Introdotto da Ferdinand Braun nel 1874, il rilevatore «a baffo di gatto» può essere considerato:  l’antesignano dei raddrizzatori a semiconduttori «a punta di contatto», inventati nei laboratori Bell dopo tre quarti di secolo;  utile per la rivelazione di radio-onde, sostituito poco dopo dalle valvole termoioniche, soppiantato definitivamente dalle più affidabili giunzioni P-N, ma di certo il primo dispositivo a stato solido. Dal raddrizzatore a baffo di …

20 … al CAT’S-WHISKER DETECTOR Dall’immagine proposta si evidenzia che il filo del dispositivo, toccando la superficie del cristallo, forma una primitiva ed instabile giunzione a punta di contatto metallo – semiconduttore. Questa giunzione conduce corrente elettrica in una sola direzione e si oppone allo scorrere della stessa nella direzione opposta. Nella primissima versione la giunzione, venne realizzata con un sistema in grado di regolare la pressione della punta sul cristallo prima di ogni utilizzo. Infatti il filo, sospeso veniva sostenuto da un braccio mobile, per spostarlo sulla faccia del cristallo fino a quando il dispositivo iniziava a funzionare.

21 I primi esperimenti con i dispositivi allo stato solido È Jagadish Chandra Bose, scienziato e inventore nato nel 1858 in Bengala, che dal 1894 al 1900 conduce una serie di esperimenti sulla propagazione delle onde elettromagnetiche e sull’utilizzo di un minerale, detto galena o solfuro di piombo, utilizzato per la rivelazione delle onde radio. A lui si devono i primi esperimenti di trasmissione delle onde elettromagnetiche.

22 Le applicazioni

23 La radio a galena A partire dai primi anni del ‘900 la comunicazione si avvale dell’ausilio delle prime apparecchiature radio. Il primo modello è la radio a galena, nota anche come la radio «dei poveri», che consente la ricezione delle onde radiofoniche e permette a tutti di ascoltare direttamente le voci e i suoni provenienti dal cielo. Il suo primissimo uso pratico mira a ricevere radiosegnali in codice Morse, trasmessi da pionieristici radioamatori con potenti trasmettitori a scintilla. Si costituisce di: una semplice cuffia telefonica; un pezzo di filo per antenna; un rilevatore a «baffo di gatto». l cervello del ricevitore è il rivelatore a cristallo, che ha il compito di estrarre le informazioni contenute nel segnale in alta frequenza della trasmissione radiotelegrafica o radiofonica, trasformandole in oscillazioni a bassa frequenza udibili. Si tratta comunque di un dispositivo tecnologicamente semplice nella ricezione dei segnali in un’epoca in cui l’industria radiofonica è ancora allo stato embrionale.

24 Alcune curiosità Secondo alcuni storici, nell’autunno del 1920 iniziano le prime trasmissioni radiofoniche a scopi commerciali. A Pittsburgh (Pennsylvania), la stazione radio KDKA di proprietà Westinghouse riceve la licenza dall’United States Departement of Commerce, appena in tempo per trasmettere le notizie relative alle elezioni presidenziali negli Stati Uniti del Oltre alla cronaca di eventi speciali, diventa un vero sevizio di pubblica utilità perché si occupa di diffondere utili informazioni per la comunità come, ad esempio, la diffusione delle quotazioni dei prodotti agricoli. La radiofonia commerciale fa il primo passo. Nel 1921, i ricevitori radio vengono prodotti industrialmente, ma sono ancora costosi e in alternativa si possono utilizzare quelli a galena. Alcuni elementi dei ricevitori, come le bobine per la sintonia, vengono autocostruiti utilizzando oggetti di uso comune.

25 La società dei consumi

26 : il «miracolo economico» Terminata, grazie agli aiuti americani, la ricostruzione dei Paesi devastati dalla guerra, a partire dal 1950 prende il via una fase di espansione economica senza precedenti nella storia dell’umanità, che durerà sino al Lo sviluppo dell’elettronica e dell’informatica permette di rivoluzionare il modo di produrre e lavorare:  la meccanizzazione inizia a cedere il passo all’automazione, cioè alla sostituzione del lavoro umano con sistemi di macchine in ogni fase del processo produttivo.

27 Il transistor

28 L’intuizione di Julius Edgar Lilienfeld  A questo fisico ed ingegnere, nato nel 1882 in Austria e operante negli Stati Uniti sin dal 1920, va dato il merito di aver effettuato studi e registrato i relativi brevetti sui transistor a effetto di campo e sui condensatori elettrolitici tra il 1925 e il  E’ del 1925 infatti il brevetto relativo ad un apparato utile al controllo della corrente elettrica, progenitore del MOSFET.  Del 1928 è invece il brevetto di un sistema amplificatore per correnti elettriche allo stato solido, in cui la corrente veniva controllata utilizzando particolari metalli porosi.

29 I brevetti descrivono in dettaglio i metodi per ottenere il transistor con una struttura a film sottile. Il solfuro di rame è indicato come il o film semiconduttore nel primo brevetto, con cui il MESFET è realizzato con lo schiacciamento di un foglio di alluminio tra due bordi di una piccola lastrina di vetro su cui il film di rame viene depositato e solforato. Solfuro di rame, ossido di rame e diossido di piombo sono specificamente menzionati nel secondo brevetto, come possibili candidati per il composto di film a semiconduttori. Lilienfeld, quindi, senza saperlo, introduce quelli che diversi anni dopo saranno riconosciuti come semiconduttori di tipo-p ed n. Inoltre, pur non potendo ancora conoscere i reali meccanismi alla base del funzionamento di tali materiali, intuisce il concetto della modulazione di conducibilità attraverso il campo elettrico trasversale, citato nella descrizione dei dispositivi brevettati

30 Il 23 dicembre del 1947 in America, nasce il transistor, un dispositivo amplificatore completamente nuovo, dalla forma antiestetica (ossia un intreccio di piastre e fili montato su un supporto di plexiglas) e risultato di una lunga ricerca presso il Bell Laboratories da Shockley, Bardeen e Brattain, vincitori del premio Nobel nel Il primo transistor è un diretto discendente del diodo semiconduttore a punta di contatto, consistente in una piastrina di germanio, detta base, a una faccia della quale è connesso un elettrodo, mentre sull’altra sono poggiati altri due sottili elettrodi a punta, l’emettitore e il collettore. In questo modo si hanno due punti di contatto, quello tra base ed emettitore e quello tra base e collettore. ET FIAT TRANSISTOR …

31 Le applicazioni

32 La radio a transistor Nel novembre del 1954 viene commercializzato la prima radio a transistor, che imprime allo sviluppo tecnologico un’accelerazione mai vista nemmeno durante la Seconda Rivoluzione Industriale o la nascita della radio stessa.

33 Le radioline a transistor o “tascabili” sono:  scatolette di plastica abbellite da qualche fregio cromato e racchiuse in una custodia in cuoio in grado di sintonizzarsi con precisione su tante stazioni. Successivamente arrivano i ricevitori portatili, con mobiletto in legno rivestito da una tela plastificata o vinilpelle, sono provvisti di:  antenna telescopica e maniglia per il trasporto;  pile a lunga durata;  un altoparlante di grande diametro per un suono di alta qualità. Ha inizio una “guerra” tra i transistor e le valvole che durerà per oltre un decennio. La nuova tecnologia ruberà terreno alla vecchia, fino a renderla obsoleta e inutile. Dai “tascabili” ai “portatili”

34 Le caratteristiche dei primi transistor e la loro affidabilità lasciano molto a desiderare. L’unica tra le grandi industrie a lavorare seriamente ad un’applicazione che favorisce un lancio commerciale è la Texas Instruments, azienda leader nel settore dei semiconduttori. I prototipi, però, denotano alcuni problemi dovuti all’alta variabilità delle caratteristiche di ciascuno elemento. È l’idea dell’ingegnere Dick Koch a superare le difficoltà della TI:  il montaggio dei vari componenti viene fatto direttamente sulla piastrina e il numero dei transistor ridotto da sei a quattro; i componenti vengono miniaturizzati tanto da essere contenuti in una custodia delle dimensioni di 8x12 cm. Il successo commerciale è immediato. La TR-1 resta per lungo tempo l’unica radio da taschino. Nell’agosto del 1955, viene prodotto un nuovo modello, il TR-55, utilizzando per la prima volta il marchio SONY. Seguono il TR-63 ed il TR-610, tipico esempio di radio a transistor tascabile. L’avventura della Regency Tr-1

35 Durante gli anni della “guerra fredda” tra USA e URSS, si assiste ad una frenetica corsa agli armamenti, dei quali i più temuti sono i missili a testata nucleare. Si adopera infatti una sofisticata strumentazione in grado non solo di guidare un missile sul bersaglio, ma anche di individuare le frequenze radio di stazioni radio-televisive disseminate in territorio nemico. Si decide quindi di adottare uno schema di «difesa civile», il CONELRAD, che utilizza due frequenze di emergenza sulla banda delle onde medie: 640 e 1240 Hz. In caso di attacco sovietico, così, tutte le radio commerciali sono tenute a interrompere le trasmissioni regolari utilizzando solo le due frequenze di emergenza, contrassegnate sull’apparecchio radio sotto forma di due piccoli triangoli, i CD MARKS. Radio «strategica»: i misteriosi Cd-Marks

36 Il Computer … «Dalla messa a punto dei primi calcolatori elettronici negli Stati Uniti nel1945 agli inizi degli anni ‘70, tre generazioni di computer si sono susseguite: a valvola, poi, a partire dal 1959, a transistor e, dal 1969, a circuiti integrati […] All’inizio degli anni ‘70, la comparsa dei microprocessori ha consentito la costruzione dei computer della quarta generazione, più potenti e più rapidi […] Dalla metà degli anni ‘80 si sono sviluppati i “sistemi aperti” che, a partire da una base di conoscenze, sono capaci di simulare, in parte, il ragionamento umano». Gauthier, 1998

37 Il circuito integrato

38 Cos’è un circuito integrato? Un circuito integrato o IC (integrated circuit), detto anche CHIP, è un dispositivo elettronico nel quale gli elementi attivi (transistor, diodi, ecc.) e gli elementi passivi (resistori, condensatori,ecc.) sono contenuti all’interno di una singola piastrina di materiale semiconduttore.

39 Nascita del circuito integrato 12 SETTEMBRE 1958 Jack Kilby (Jefferson city, 08/11/ Dallas, 20/06/2005)

40 Nell’estate del 1958, il giovane scienziato Jack Kilby è appena stato assunto in Texas Instrument. Non potendo usufruire delle due settimane di ferie come i suoi colleghi, decide di usare i laboratori ormai deserti per lavorare e sperimentare la sua idea. Riesce a far stare un piccolo circuito, composto da un transistor e pochi altri componenti, in una piastrina di germanio dalle dimensioni ridotte. Il 12 Settembre 1958 Jack kilby dimostra che la sua invenzione può generare un segnale sinusoidale. Nasce così il primo circuito integrato. Nel 2000 gli viene conferito il premio Nobel per la Fisica.

41 Alcuni mesi dopo, Robert Noyce, cofondatore della Fairchild Semiconductor(1957) e dell’ Intel (1968), presenta una invenzione analoga. Riesce ad immettere un piccolo circuito su una piastrina di silicio. Nel 1978 lo scienziato riceve una medaglia d’onore per il contributo ai circuiti integrati di silicio. Robert Noyce (BURLINGTON 12/12 /1927; AUSTIN03/06/1990)

42 Nel circuito integrato si possono inserire facilmente transistor, come anche piccole resistenze e condensatori. Questi ultimi però occupano molto spazio sul chip, quindi, quando possibile, vengono sostituiti con reti di transistor. Esiste la possibilità di inserire anche induttori o trasformatori, ma il valore delle induttanze ottenibili è molto piccolo. I circuiti integrati si dividono in due categorie principali:  digitali;  analogici. Conosciamo meglio i circuiti integrati

43 Il circuito integrato analogico I primi IC analogici sono circuiti di amplificatori operazionali, amplificatori a bassa frequenza e circuiti oscillatori. Successivamente saranno costruiti amplificatori audio di potenza, alimentatori, timer ed altro, integrando circuiti sempre più complessi. Il circuito integrato digitale I primi IC digitali integrano transistor e resistenze su semiconduttore per le polarizzazioni interne. Successivamente, le resistenze vengono sostituite con diodi ottenendo circuiti di tipo DTL (Diode Transistor Logic). Nel 1970 i diodi sono sostituiti con i transtistor. I circuiti integrati si dividono ulteriormente in BJT e CMOS se usano transistor MOSFET.

44 1971: inizia l’era dell’elettronica programmabile La nascita dei primi circuiti integrati programmabili risale ai primi anni Settanta, quando le schede elettroniche diventano molto complesse e l’utilizzo dei soli classici circuiti integrati è proibitivo per le dimensioni e i consumi. Nello stesso periodo si assiste alla comparsa dell’Intel 4004, anche per merito del fisico italiano Federico Faggin, il primo microprocessore di uso generale a 4 bit, prodotto per realizzare calcolatrici da tavolo. Ha inizio così l’era dell’elettronica digitale programmabile a cui seguirà la nascita del microcontrollore.

45 Le memorie programmabili si dividono in due categorie :  memorie volatili (RAM);  memorie non volatili (ROM, PROM, EPROM, EEPROM e le Flash EEPROM). Le memorie programmabili

46 Memorie non volatili Le memorie non volatili si differenziano per le caratteristiche costruttive e per il modo di programmazione, ovvero per come vengono scritti i dati. Sono:  ROM: memorie non programmabili dall’utente utilizzate per realizzare decodifiche veloci e per contenere programmi non modificabili.  PROM: introdotte per superare le limitazioni delle ROM, possono essere programmabili dall’utente una sola volta.  EPROM: sono programmabili, cancellabili e riprogrammabili.  EEPROM: simili alle EPROM, con la sola differenza che sono cancellabili elettricamente senza far ricorso ai raggi ultravioletti.  FLASH: simili alle EEPROM, ma hanno tempi di cancellazione e scrittura più rapida. Diversamente, le memorie volatili (le RAM) possono essere scritte e lette in continuazione; quando è tolta l’alimentazione perdono il loro contenuto.

47 Il grado di integrazione di un circuito integrato dà un’indicazione della sua complessità, indicando grosso modo quanti transistor sono contenuti in esso. Per i circuiti digitali la densità di integrazione, si determina in relazione al numero di porte logiche integrate sullo stesso chip e di operazioni logiche elementari eseguibili. L’incremento nel tempo del numero di componenti integrati su un chip segue la legge di Moore Scale di integrazione Denominazione scalaNumero di transistor AnnoApplicazioni SSI (Small Scale of Integration)< Porte logiche MSI (Medium Scale of Integration)<1000Fine 60 Multiplexer e decoder LSI (Large Scale of Integration)< Memorie e processori VLSI (Very Large Scale of Integration)< Processori ULSI (Ultra Large Scale of Integration)> Moderni processori WSI (Wafer Scale of Integration ),Realizzazione di circuiti completi su semiconduttore

48 La legge di Moore è una legge empirica emanata nel Descrive la velocità di evoluzione dei componenti microelettronici ed afferma che il numero di transistor per chip raddoppia in un tempo che dagli anni Ottanta è di circa 18 mesi, mentre ai nostri giorni questo incremento avviene circa ogni 3 anni. Al limite di implementazione, che si raggiungerà presumibilmente tra circa 10 anni, verrà in nostro aiuto l’uso di nuove tecnologie e materiali come il grafene che, dalle prime sperimentazioni effettuate, ha portato a nuovi sorprendenti risultati. Legge di Moore

49 Conclusioni Da quanto esposto si evidenzia che il meccanismo innescatosi con le prime sperimentazioni nel campo elettronico, non ha avuto soste sia per la realizzazione di nuovi componenti sempre più piccoli e complessi, sia per le applicazioni degli stessi nei campi più disparati. Cosa ci riserva il futuro non lo possiamo prevedere, la storia delle invenzioni ha dimostrato infatti che una intuizione può modificare radicalmente la società e le condizioni di vita dell'uomo, a volte anche negativamente, visto che spesso molte scoperte sono scaturite da necessità di tipo bellico. L'evoluzione, come è noto, non conosce limiti l'uomo ne è l'artefice e se ne assume oneri ed onori!

50 Un po’ di English

51 From vacuum tubes to transistors 1907 : The problem In 1906, the American inventor Lee De Forest developed a triode in a vacuum tube. It was a device that could amplify signals, and perhaps signals on telephone lines. AT&T bought De Forest's patent and vastly improved the tube. It allowed the signal to be amplified regularly along the line, meaning that a telephone conversation could go on across any distance as long as there were amplifiers along the way.But the vacuum tubes that made that amplification possible were extremely unreliable, used too much power and produced too much heat. In the 1930s, Bell Lab's director of research, Mervin Kelly, recognized that a better device was needed for the telephone business to continue to grow. He felt that the answer might lie in a strange class of materials called semiconductors.

52 Vacuum tubes of different kinds

53 1945: The solution After the end of World War II, Kelly put together a team of scientists to develop a solid-state semiconductor switch to replace the problematic vacuum tube. The team would use some of the advances in semiconductor research during the war that had made radar possible. A young, brilliant theoretician, Bill Shockley (William Bradford Shockley), was selected as the team leader.Shockley filled out his team with a mix of physicists, chemists and engineers. In the spring of 1945, Shockley designed what he hoped would be the first semiconductor amplifier, relying on something called the “field effect”. His device didn't work.

54 Radar during World War II During World War II, battles were won by the side that was first to spot enemy airplanes, ships, or submarines. To give the Allies an edge, British and American scientists developed radar technology to "see" for hundreds of miles, even at night. The rectifier's job was to translate the reflected signal into the direct current necessary for visualization on the screen. These crystals often couldn't handle the quickness and intensity of a rapidly changing radar signal. They would burn out frequently. Seymour Benzer found that germanium crystals made the best detectors. (Germanium was used to make the first working transistor five years later.) Scientists also learned new techniques on how best to grow and dope the crystals. Seymour Benzer (Oct. 15, 1921 – Nov. 30, 2007 )

55 August 1945 As World War II came to a close Bell's president, Mervin Kelly, suspected that solid state science might provide a new kind of amplifier to replace the vacuum tube in AT&T's phone system. The tubes amplified voice signals as they traveled through the phone wires, but they were reaching the limits of their potential. A solid state amplifier, sturdier and more efficient than a vacuum tube, might have other uses as well. Among the most likely customers was the US military. As the cold war got underway, military agencies invested lavish funding into any kind of research that might prove useful in the long run. Kelly knew that his solid state group could help his company, and would probably have a guaranteed military client down the road.William Shockley and chemist Stanley Morgan were placed in charge of the new group. Shockley ran a subdivision within the larger group that focused on semiconductor research.They spent lots of time in front of the blackboard, discussing their work and exchanging ideas.

56 The invention of the first transistor November 17 – December 23, 1947 On November 17, 1947, Walter Brattain dumped his whole experiment into a thermos of water. The silicon contraption he had built was supposed to help him study how electrons acted on the surface of a semiconductor but condensation kept forming on the silicon and messing up the experiment. To get rid of that condensation, Brattain dumped the whole experiment under water. Out of the blue, the wet device created the largest amplification he had seen so far.

57 Putting the idea to use On November 21, Bardeen suggested pushing a metal point into the silicon surrounded by distilled water. The tough part was that the contact point couldn't touch the water, it must only touch the silicon. Brattain could build this amplifier and it worked. Of course, there was only a tiny bit of amplification – but it worked. Once they had gotten slight amplification with that tiny drop of water, Bardeen and Brattain, by using different materials tried to get an even bigger increase in current. Then on December 8, Bardeen suggested to replace the silicon with germanium. They got an amplification of some 330 times, but in the exact opposite direction.

58 Brittain makes a mistake Unfortunately this giant jump in amplification only worked for certain types of current ones with very low frequencies. That wouldn't work for a phone line, which has to handle all the complex frequencies of a person's voice. So the next step was to get it to work at all kinds of frequencies. Bardeen and Brattain, by putting the point of the triangle gently down on the germanium, saw a fantastic effect: signal came in through one gold contact. The first point-contact transistor had been made. After the rest of the lab had a chance to look it over and conduct a few tests, it was official: this tiny bit of germanium, plastic and gold was the first working solid state amplifier.

59 January and February 1948 One of Shockley's ideas was to build a semiconductor “sandwich”. On January 23, Shockley had a revelation. He had an idea for an improved transistor. This would be three-layered sandwich. The outermost pieces would be semiconductors with too many electrons, while the bit in the middle would have too few electrons. Shockley told no one about his idea. Shockley wanted to test it before discussing it short description before using bullet points helps to keep your audience engaged.

60 The Eureka moment Then, on February 18, when Joseph Becker and John Shive presented their findings to the group, Shockley knew he had the proof he needed. He jumped up and for the first time shared his concept of a sandwich transistor to the rest of his team. Bardeen and Brattain were stunned that they hadn't been informed before. It was clear that Shockley had been keeping this secret for weeks.

61 June 23, 1949 But before telling the public, they had to check with the military. At the very least, the transistor could revolutionize communications and radio signals, something that would give the US Army an advantage if the invention was kept a secret from other countries. Bell's president, Mervin Kelly, hoped the army wouldn't want to classify this research, but he knew it just might happen. On June 23, Ralph Bown gave a presentation to a group of military officers. He showed the way the tiny bit of crystal and wire could amplify an electrical signal much more efficiently than a bulky vacuum tube could. Ralph Bown (1891 – July 1971)

62 1958: Invention of the Integrated Circuit Transistors had become commonplace in everything from radios to phones to computers, and now manufacturers wanted something even better. Transistors were smaller than vacuum tubes, but for some of the newest electronics, they weren't small enough. But scientists wanted to make a whole circuit: the transistors, the wires, everything else they needed in a single blow. If they could create a miniature circuit in just one step, all the parts could be made much smaller.

63 One day in late July, Jack Kilby was sitting alone at Texas Instruments. It suddenly occurred to him that all parts of a circuit, not just the transistor, could be made out of silicon. At the time, nobody was making capacitors or resistors out of semiconductors. If it could be done then the entire circuit could be built out of a single crystal, making it smaller and much easier to produce. Kilby's boss liked the idea, and told him to get to work.By September 12, Kilby had built a working model, and on February 6, Texas Instruments filed a patent. Their first "Solid Circuit" the size of a pencil point, was shown off for the first time in March.

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65 THE END


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