جزوه درس الکترونیک 1- مبحث 1

تاریخچه علم الکترونیک از آغاز قرن بیستم (بازگشت)

دریافت پرونده مربوط به این مبحث: PDF - MS Word

1-                      اشعه هاي کاتدي و کشف الکترون

  اگر جه بسياري از فيزيکدانان قرن 19 ميلادي مانند فارادي، بر پايه علم شيمي و پديده هاي مشاهده شده در الکتروليز متقاعد شده بودند  که جريان الکتريکي شامل شاري از ذرات باردار است ، اما هنوز طبيعت اين بارها معلوم نشده بود. حتي براي اين مسأله ابتدايي که بار ذرات مثبت بود يا منفي جواب دقيقي وجود نداشت.پاسخ  اين سوالها و همچنين چگونگي ساختار اوليه مواد  بايک سري  آزمايشات   معلوم شد که آغاز  آنها  بررسي تخليه الکتريکي در لامپهاي خلع بود. با گذشت زمان مجموعه اي از اکتشافات انجام شد که منجر به انقلاب تکنولوژيکي در قرن بيستم شد.

·  William Crookes(1832-1919)  وي که در کودکي ثروت بزرگي را به ارث برد ، تمام تحقيقات خود را در آزمايشگاه خصوصي انجام داد.تحقيقات او در زمينه تخليه بار در گازها – که در پي اختراع لامپ اشعه کاتدي توسط  Pluecker  و  Hittorf انجام شد – و همچنين مشاهداتش  در مورد اشعه کاتدي و فضاي تاريک درکاتد،   در نهايت  منجر به کشف اشعه ايکس و الکترون گشت. از ديگر اختراعات .Crookes  راديو متر بود  که بر تيوري جنبشي در گازها تآکيد مي کرد. او بطور کنجکاوانه اي از معتقدان به  نيروهاي فرا طبيعي بود و در دهه 1870 مدعي شد که صحت پديده هاي مربوط به توانايي هاي ذهني را ثابت کرده است.بعد ازمدتي او درگير جنبش عرفاني شد و اسنادي مبني بر دور کردن شياطين و پليدي ها توسط وي موجود مي باشد. در سال 1897 از طرف ملکه ويکتوريا( که خود از علاقه مندان به نيروهاي فرا طبيعي بود) به مقام نجيب زادگي ترفيع پيدا کرد و در سال 1909 به عنوان رييس انجمن دربار  برگزيده شد.

·  Karl Ferdinand Braun (1850-1918) زماني که در پست رياست  انستيتو فيزيک وهمچنين استادي  فيزيک در دانشگاه استراسبورگ بود موفق شد اولين نوسان سنج لامپ اشعه کاتدي که در حال هدايت شاري از الکترونها به يک صفحه فلورسنت بود را  نشان دهد که اين امر خبر از  نزديک بودن ساخت صفحه هاي نمايش تلويزيون مي داد.هر چند که امروزه کمتر از او ياد مي شود ، اما او سهم بزرگي در پيشرفت الکترونيک داشت اوپي برد که يکسو سازي در يک پيوند کريستال/ فلزي رخ مي دهد و اين کشف بعدها منجر به مطرح شدن  گيرنده هاي کريستالي شد. در سال 1899 او تزويج سلفي غير تخليه اي را براي آنتن ها و همچنين آنتن پرتو مستقيم را مطرح کرد. او در سال 1909  به همراه  Guglielmo Marconiموفق به دريافت جايزه نوبل شد. هنگامي که امريکا وارد جنگ جهاني اول شد ، او براي درخواست حق ثبت يکي از اختراعاتش به نيو يورک رفته بود.پيش از پايان جنگ ، او به عنوان يک دشمن بيگانه توقيف شد و پس از مدتي  مرد.

·  Wilhelm Conrad Roentgen (1845-1923) او که رييس انستيتو فيزيک و رييس بازنشسته دانشگاه Wurzburg بود،در سال 1895 کشف کرد که بعضي تشعشعات ناشناخته ناشي از لامپ تخليه مي تواند موجب شود تا کريستال از خود نور (فلورس) پخش کند. او همچنين کشف کرد که اين تشعشعات  مي توانند از اجسام جامد عبور کنند و بر کاغذ حساس عکاسي تاثير بگذارند.او که تنها کار مي کرد و پنهانکاري زيادي در کار خود داشت تحقيقات خود را به پايان رساند و هشت هفته بعد کشف خود را به طور رسمي اعلان کرد.در سال 1896 پس از اينکه صحت علمي  و پزشکي تحقيقاتش معلوم شد ، کشف او به طور رسمي در دنيا منتشر شد. درطي چند هفته بعضي بيمارستانها اشعه ايکس را به کار گرفتند. پس از مدتي  Roentgen  به يکي از مشهور ترين دانشمندان دنيا مبدل گشت.او افتخارات زيادي را کسب کرد، از جمله جايزه اول نوبل در فيزيک و همچنين  مقام نجيب زادگي ( که البته او از قبول اين مقام امتناع کرد).

·  Joseph John Thomson (1856-1940) او که فرزند يک کتاب فروش منچستري بود در چهارده سالگي وارد کالج شد و در بيست و هشت سالگي به عنوان عضوي از انجمن سلطنتي انتخاب گشت و به مقام استادي آزمايشگاه Cavendish گماشته شد.کشف بزرگ او در سال 1897 و  در طي درس بررسي اشعه هاي کاتدي رخ داد.Thomson مدارک قانع کننده اي ارانه کرد که نشان مي داد اشعه ها شامل ذرات باردار هستند.او نسبت بار به جرم را اندازه گيري کرد و توانست تخمين بزند که اين جرم حدود 1800/1 جرم انم هيدروژن است.او با کشف الکترون جايزه نوبل را در سال 1906 دريافت کرد و دو سال بعد به مقام نجيب زادگي ترفيع داده شد. رادر فورد (Rutherford ) در باره Thomson مي گويد:"او متشعشع ترين لبخند را دارد... هنگامي که در بحث  کسي  را شکست مي دهد."

·  Robert A. Milikan (1868-1953) کارش را به عنوان استاد ادبيات در کالج Oberlinشروع کرد ولي پس از مدتي براي اينکه درآمد بيشتري کسب کند پذيرفت که به تدريس فيزيک بپردازد. پس از مدتي  يک کمک هزينه تحصيلي دررشته  فيزيک در کلمبيا را   پذيرفت ، دوباره به اين علت که  اين بهترين پشتيباني مالي براي او بود.کار دانشگاهي اودر دانشگاه شيکاگو در ابتدا فقط شامل تدريس بود و او تا نزديک چهل سالگي به تحقيق جدي نپرداخت.سپس در سال 1906 او   پيشرفتهايي درآزمايش Thomson حاصل کرد که منجر به ساخت  دستگاهي شد که بار الکترون را به دقت اندازه گيري مي کرد.نتايجي که او بدست آورد  در سال 1910 منتشر شد و آخرين شبهه در مورد تيوري اتمي مواد    برطرف شد.در سال 1914 او نتايجي را منتشر کرد که بخواطر آنها جايزه نوبل را دريافت کرد: تعيين اندازه دقيق ثابت پلانک با استفاده از اثر فوتوالکتريک که بازبيني کننده  نظريه اثر فوتوالکتريک  Einstein در سال 1905 و طبيعت کوانتومي نور بود.

2-تلگراف بي سيم

 ماکسول در سال 1865 تيوري اي رامنتشر کرد که در آن الکتروديناميک ،(magnetodynamics) الکتريسيته القايي و فيزيک نور را به هم مربوط ساخت . در آن زمان اين  تيوري بطور گسترده مورد پذيرش واقع نشد. با وجود اينکه  ماکسول يک محقق ماهر بودولي  در چهارده سال باقي مانده عمرش تلاش نکرد تا وجود امواج الکترو مغناتيس را که در تيوريش پيشبيني کرده بود ثابت کند.با اين حال  دانشمند مشهور آلماني von Helmholtz که به تيوري ماکسول ايمان داشت ، شاگردش Hertz را به تلاش براي توليد و کشف تابش هاي الکترو مغناتيس ترغيب کرد. تلاشهاي Hertz سرآغازي براي ارتباطات بي سيم شد.

• Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894) او که استاد فيزيک Karlsruhe Polytechnic بود ،اولين فري بود که امواج راديويي را در محيط آزمايشگاه پخش و دريافت کرد.در بين سالهاي 1885 تا 1889 ، او با استفاده از spark discharges به توليد امواج الکترومغناطيسي مي پرداخت.تشعشع کننده اي که هرتز ساخته بود شامل دو ميله برقگير يکنواخت بود که بين آنها يک فاصله احتراقي بود و صفحات خازني در انتهاي آنها قرار داشتند.گيرنده او در واقع يک حلقه اي از سيم بود که سوراخ کوچکي در داخل آن بود. هنگامي که تشعشع کننده ( رادياتور)  تخليه الکتريکي مي شد جرقه کوچکي در اين سوراخ ديده مي شد.

Hertz در سن سي و شش سالگي بطور ناگهاني به خاطر يک تومور مغزي مرد، بدون اينکه بفهمد مخابره امواج در فواصل طولاني امکان پذير بود.

• Edouard Eugène Désiré Branly (1844-1940) اعتبار او در فرانسه به  خاطر اختراع تلگراف بي سيم است.در سال 1890، Branly  استاد فيزيک دانشگاه کاتوليک در پاريس ، کشف کرد که  براده هاي نرم روي و نقره که در معرض يک  ميدان ارسال جرقه قرار مي گيرند ، به هم مي چسبند و موجب افزايش رسانايي مي شوند که  از اين خصوصيت مي توان براي شناسايي وجود مخابره  امواج استفاده کرد.Branly مخابرات راديويي را از آزمايشگاه فراتر برد و ارسال و دريافت امواج را در فواصل زياد ممکن ساخت.

·        Guglielmo Marconi ( 1874-1937 )  او که در امتحانهاي  ورودي  آکادمي علوم دريايي ايتاليا و همچنين دانشگاه بولوگنا مردود شد اما  به واسته يکي از دوستان خانوادگي اجازه شرکت در کلاسهاي درس و آزمايشگاههاي دانشگاه را پيدا کرد.در سال 1896 و در سن بيست و دو سالگي  او يک سيستم  مخابره راديويي را به ثبت رسانيد. درسالهاي بعد او تعداد قابل توجهي از اختراعاتش و همچنين طراحي هاي جديدي از سيستم هاي مخابره (که قبلا ساخته شده بودند ) را عرضه کرد. در سال 1901 Marconi  موفق شد سيگنالهايي که از آنسوي اقيانوس اطلس مخابره مي شدند را دريافت کند.دور از انصاف نيست اگر گفته شود Marconi به تنهايي در طي چند دهه پيشرفتهاي زيادي در مخابرات راديويي بوجود آورد. کمپاني دورنگاري ( تلگرافي ) بي سيم Marconi در مدت کوتاهي شبکه اي از ايستگاههاي ساحلي براي ارتباط کشتيها در انگليس بر قرار کرد.براي مدتي بيشتر از يک دهه ، کمپاني مارکني از انحصار تجهيزات راديويي ساحلي بهره مند بود و از بستن قرارداد با Lioyds ( بزرگترين شرکت بيمه انگليسي ) براي بيمه کردن کشتي هايي که از تجهيزات اين شرکت استفاده مي کردند امتناع مي ورزيد. مارکني در سال 1909 جايزه فيزيک نوبل را دريافت کرد.

3-لامپ خلع

در سال 1882 وقتي اديسون  يک جريان الکتريکي بين کاتد و آند در يک لامپ خلع  را پديد آورد ، اين امر يک پديده  مرموز به شمار مي رفت و هنوز درک نشده بود که چگونه جريان الکتريکي مي تواند از خلع بگذرد. شناخت اشعه کاتدي  توسط Thomson به عنوان جرياني از الکترونها معما را حل کرد و منجر به اختراع ديود ترميونيک توسط فلمينگ شد. اختراع تريود توسط DeForest ارتباطات راديويي را منقلب کرد.

• Thomas Alva Ediso( 1847-1931 ) او صاحب 1093 حق ثبت اختراع بود. او همچنين مخترع آزمايشگاه صنعتي تحقيقاتي مدرن بود.در سال 1882 ، زماني که يکي از مهندسانش به نام William Hammer ، "اثر اديسون " را در طي درس آزمايشهايي در باره  لامپ تابان  مشاهده کرد، اديسون به دلايلي که بعدها نمي توانست توضيح دهد،اين کشف را پي گيري نکرد. اما همانطور که بعدها تصديق کرد، در آن زمان او حتي قانو اهم را نمي دانست . اثر اديسون به مدت پانزده سال بي توضيح ماند تا اينکه الکترون کشف شد.

• John Ambrose Fleming (1849-1945) او ابتدا شاگرد ماکسول و بعدها مشاور اديسون و بعد مارکني بود.در سال 1904 فلمينگ بر اساس مشاهدات اديسون مبني بر عبور جريان از فيلامان به يک آنود در يک حباب نوري و همچنين اکتشاف Thomson (که اشعه هاي کاتدي شامل ذرات باردار هستند) ، اولين يکسوساز الکترونيکي يا همان ديود ويا مقدار فلمينگ  را اختراع و به نام خود ثبت کرد.هدف از ساخت قطعه  رديابي امواج راديويي که توسط جرقه توليد مي شدند بود. اين قطعه توانست جايگزيني براي بقيه قطعاتي شود که توسط دانشمندان قبل از او براي ارتباطات راديويي استفاده مي شدند.فلمينگ در سال 1929 به مقام نجيب زادگي ترفيع داده شد.

4 - تلويزيون

پيشگامان تلويزيون روسها بودند, Nipkow که يک ديسکِ دوار مکانيکي اختراع کرد و Rosing که در سال 1907 از يک Cathod Ray tube برای نمايش تصاويری از يک انتقال دهنده (Transmitter) مکانيکي استفاده کرد. در سال 1923 در انگليس, John Logie Baird شروع به استفاده از ديسک هاي Nipkow  در انتقال تلويزيوني کرد. در امريکا, شاگرد Rosing, Vladimir Zworykin, يک Patent براي ساخت تلويزيون الکتريکي به ثبت رساند (1923), ولي اين پروژه توسط Westinghouse متوقف شد و Zworykin مجبور شد تا 1930 براي حمايت RCA صبر کند. در سال 1922, يک دانش آموز از Idaho, به نام Philo Farnsworth يک سيستم الکترونيکي اختراع کرد, و تا سال 1927 موفق به ارسال تصاوير تلويزيوني شد. پيشرفت پروژه kinescope که در RCA انجام مي شد, به علاوه يک قرارداد (License Agreement) بين RCA و Farnsworth در نهايت منتهي به ظهور اولين تلويزيون تجاري در آوريل 1939 در نمايشگاه RCA در نيويورک گشت.

• John Logie Baird (1888-1946) از دانشگاه Glascow فارغ التحصيل شد و تا مدتي براي شرکت Glascow Electrical به عنوان مهندس کار مي کرد. در 1920 وي با استفاده از ديسک مکانيکي Nipkow شروع به ساخت تلويزيون کرد. در 1926 او اولين تلويزيون را ساخت. سپس به ساخت تلويزيون رنگي و استريو پرداخت و موفق به ضبط سيگنال هاي ويديويي روي ديسک شد. از 1929 تا 1935 BBC از تلويزيون مکانيکي Baird استفاده مي کرد. در انتهای اين دوره از ساخت تلويزيونها, تا حدي از سيستمهاي الکترونيکي هم استفاده می شد. از آنجايي که سيستمهاي مکانيکي به 200 خط در هر frame محدود بودند, نتوانستند در برابر سيستمهاي الکترونيکي دوام بياورند.

• Philo Taylor Farnsworth (1906-1971) هنگامی که يک دانش آموز 15 ساله بود, يک سيستم الکترونيکي اختراع کرد و آنرا به استاد شيمي خود عرضه کرد. درسال 1926, وی با استفاده از يک پشتيباني مالي شرکتی براي ساخت تلويزيون تاسيس کرد. در 1927 وي موفق به ساخت اولين تلويزيون الکترونيکي شد و در سال 1936 استوديوي او به حدود 50 خانواده در Philadelphia سرويس مي داد.

5-رادار

در زمان قبل از جنگ جهاني دوم, تمامي قدرت هاي بزرگ در حال انجام پروژه هاي "سيستم هاي رديابي راديويي" بودند. هنگامی که انگليسي ها مشغول ساخت سيستم تشخيص و رديابي هوايي بودند,آلمانها سيستم ناوبري هوايي می ساختند.اگر چه در ابتدا اين دستگاهها بر روي طول موجهايي در حد متر کار ميکردند اما بعدا در اثر پيشرفتهايي در سال 1939, اين کشورها موفق به ساخت سيستمهايي باطول موج هاي در حد سانتيمتر شدند.اين سيستم ها لازمه ساخت رادارهاي پيشرفته بودند. در سال 1940 در امريکا سرمايه گذاري بر روي آزمايشگاه رادار در MIT آغاز شد. بيش از 1300 مهندس و دانشمند در اين آزمايشگاه کار مي کردند و بيش از 100 مدل رادار طراحي شد که شامل سيستمهاي هشدار سريع, رادارهاي ضدهوايي, رادارهاي ضد زيردريايي, زميني, و رادارهايي براي نشانه گيري در بمباران می شدند.بيش از يک ميليون رادار در امريکا در زمان جنگ ساخته شد. آلمان و ژاپن در اين جنگ تکنولوژيک مغلوب بودند.

• Robert Alexander Watson-Watt (1892-1973) وي از نوادگان James Watt بود, که مدرکش را در رشته مهندسي برق از دانشگاه St.Andrews, در اسکاتلند دريافت کرد و در سال 1915 شروع به کار در British civil service کرد, وي اولين Patent خود را که يک سيستم رديابي راديويي بود در 1919 به ثبت رساند. در سالهاي بعد او نقش رهبري توسعه پروژه هاي رديابي راديويي هوايي را بازي مي کرد, که همان سلاح مخفي در جنگ بريتانيا بود.  در سال 1937, قبل از شروع جنگ, او به همراه همسرش عهده دار کاري خطرناک شدند : سفر به آلمان در لباسهاي بدل, براي پيدا کردن ايستگاههاي رادار در آلمان.

• Edward Mills Purcell (1912-1997) در شهري کوچک در Illinois به دنيا آمد.پدرش مديريت يک شرکت محلي تلفن را به عهده داشت. Purcell مدرک BSEE را در Purdue اخذ کرد و سپس به فيزيک روي آورد. در دانشگاه Harvard به تدريس می پرداخت که  به آزمايشگاه تازه تاسيس رادار ملحق شدو عده داررهبري  تيمی شد  که بر روي سيستم هاي راداري با طول موج 1 cm کار می کردند. در آن زمان تحقيقات علمی نشان داده بودند که رطوبت هوا يک عامل محدود کننده مهم برای اين سيستم هاست.اين مطلب او را به کشفي در 1945 که همانا ساخت nuclear magnetic resonance بود, هدايت کرد که پايه اي براي تصويربرداري  NMR در پزشکي شد. در 1952 وي جايزه نوبل را براي اين کشف دريافت کرد.

6-ترانزيستورها

قياس بين ديود و دستگاه هاي Solid State مانند يکسو کننده اکسيد مس و رديابهاي کريستالي در راديو هاي اوليه, به وضوح از قبل مطرح بوده است . در دهه 1920, مخترعان زيادي سعي در ساخت دستگاههايي براي کنترل جريان در ديودهاي  Solid State و تبديل آنها به triode انجام دادند، ولي تا بعد از  جنگ جهاني دوم نتوانستند موفقيتی  کسب کنند. در زمان جنگ, تلاش ها يي براي پيشرفت کريستالهاي سيليکون  و ژرمانيوم براي استفاده به عنوان ردياب در رادار انجام شد که به پيشرفتهايي در زمينه ساخت و فهم تئوري حالتهاي مکانيکي کوانتومي حاملان موج در نيمه هادي ها منجر شد. بعد از آن دانشمندان از دامنه پيشرفتِ رادار ها به دامنه Solid State Device روي آوردند.

• George Clarke Southworth (1890-1972) در شهري کوچک در Pennsylvania متولد شد. ليسانس و فوق ليسانس خود را از Grove City College دريافت کرد, و سپس براي دکترا به Yale رفت.وی از ابتدای تاسيس Bell Laboratories يعنی سال 1934  تا زمان بازنشستگيش در اين شرکت کار کرد. کار وي بر روي امواج هادي (Micro wave waveguides), انگيزه اي براي ساخت رادار شد. هنگامي که او دريافت که triode ها مانند ردياب ها در فرکانس هاي microwave کار نخواهند کرد, به استفاده از ردياب هاي کريستالي که در اولين راديوها استفاده مي شدند, روي آورد. منبع او براي اين کار, راديوهاي دست دوم و پرگردوخاک مغازه هاي Manhattan بود!

• William Bradford Shockley (1910-1989) در لندن متولد شد, ولي در کاليفرنيا بزرگ شد و در Caltech و MIT تحصيل کرد. درسال 1939 وي به آزمايشگاه Bell Telephone Laboratories ملحق شد. در ابتداي 1939, Shockley شروع به يافتن راهي براي تبديل يکسوساز کريستالي به يک دستگاه تقويت کننده کرد. جنگ کار وي را قطع کرد, ولي کار او دوباره در 1945 با بازگشت او به Bell Lab به عنوان رهبر تيم تحقيقاتي Solid State Physics شروع شد. اين گروه شامل Bardeen و Brattain مي شد که ترانزيستور با اتصال نقطه اي (Point Contact Transistor) را اختراع کردند. Shockley ترانزيستور اتصالي (Junction) را چند هفته بعد اختراع کرد. Shockley داراي شخصيت ساينده اي بود و در نهايت Bardeen و Brattain درحالی که آزرده شده بودند گروه را ترک کردند. در دهه 1970, Shockely هنگامي  که تئوريي مبني بر دخالت عاملي ژنتيکي در هوشمندي را عرضه داشت طوفاني از انتقادها را برانگيخت. بر مبناي آن نژاد سياه پوستان به عنوان نژادي با ژن پست معرفي مي شد.

Walter H. Brattain (1902-1987) در چين بدنيا آمد و دريک مدرسه انگليسی زبان در Amoy به تحصيل پرداخت.دوران نوجوانی خود را در Washington سپری کرد. او مدارک علمی خود را از کالچ Whitman ، دانشگاه Oregon و دانشگاه Minnesota دريافت کرد. در سال 1929 وی برای کار به Bell Laboratories رفت و تا شروع جنگ بر روی رفتار يکسو کننده های اکسيد مس تحقيق می کرد. بعد مشغول ساخت ردياب رادار سيليکن شد.سپس دوباره به گروه فيزيک حالت جامد پيوست ، گروهی که او و Bardeen ترانزيستور اتصال نقطه ای را اختراع کردند.هر چند Brittain يک آزمايشگرexperimentalist)) حرفه ای بود و Bardeen   يک تيوريسين  اما آنها در آزمايشگاه بطور صميمانه ای با هم کار می کردند.

   John Bardeen (1908-1991)  او فرزند رييس دانشکده پزشکی دانشگاه Wisconsin بود و درجه دکترای فيزيک رياضی (mathematical physics) را از دانشگاه Princeton دريافت کرد.استاد دانشگاه Minnesota بود ودر طی جنگ جهانی دوم بهترين فيزيکدان در Naval Ordnance Laboratory  به حساب می آمد.بعد از جنگ توسط Bell Telephone Laboratory  (با حقوق دو برابر) کرايه شدتا بر روی مسايل نظری در فيزيک حالت جامد کار کند.در سال 1948 کار او منجر به اختراع ترانزيستور های اتصال نقطه ای شد که نظريه quantum surface states of electrons شد که بر مبنای آن ثابت شد که لايه ای از بار در سطح آزاد نيمه هاديها وجود دارد. Bardeen  در سال 1951 Bell Labs را برای رسيدن به درجه استادی در مهندسی الکترونيک و فيزيک در دانشگاه Illinois ترک کرد. در سال 1956 او به همراه Shockleyو  Brattain به علت اختراع مشترک ترانزيستور موفق به دريافت جايزه نوبل شد.وی همچنين در سال 1972 به همراه Cooper و  Schrieffer بخاطر نظريه ابر رسانايی جايزه نوبل را دريافت کردو بدين ترتيب اولين فردی بود که دو جايزه نوبل را دريافت کرد.