水晶検出器
初期の鉱石ラジオで使用された方鉛鉱猫ひげ検出器
1914年、商用無線局で使用された黄鉄鉱結晶を用いた精密水晶検波器。結晶は垂直の針（右）の下にある金属カプセル内に収められている。板バネとつまみネジによって、針が結晶にかける圧力を微調整できる。

水晶検波器は、 20世紀初頭のラジオ受信機で使用されていた、現在は使われていない電子部品です。 [ 1 ]水晶検波器は、交流無線信号を整流する結晶鉱物で構成されています。[ 2 ]イヤホンで音を出すために、変調搬送波から音声変調信号を抽出するための検波器（復調器） として使用されました。 [ 3 ]これは最初のタイプの半導体ダイオードであり、[ 4 ]最初の半導体電子デバイスの一つでした。[ 5 ] 最も一般的なタイプは、いわゆる猫のひげ検波器で、通常は方鉛鉱（硫化鉛）の結晶鉱物と、その表面に触れる細いワイヤで構成されていました。[ 2 ] [ 5 ] [ 6 ]

結晶と金属の電気接点を介した電流の「非対称伝導」は、1874年にカール・フェルディナント・ブラウンによって発見されました。[ 7 ]結晶は、1894年にジャガディッシュ・チャンドラ・ボースのマイクロ波実験で 初めて電波検出器として使用されました。[ 8 ] [ 9 ]ボースは1901年に初めて結晶検出器の特許を取得しました。[ 10 ]結晶検出器は、主にGWピカード によって実用的な無線部品に開発されました。[ 5 ] [ 11 ] [ 12 ]ピカードは1902年に結晶整流を発見し、整流接合を形成するために使用できる数百の結晶物質を発見しました。[ 3 ] [ 13 ] 当時は、その動作原理は理解されていませんでしたが、[ 14 ] 1930年代と1940年代に行われたこれらの原始的な点接触半導体接合の研究が、現代の半導体エレクトロニクスの発展につながりました。[ 2 ] [ 5 ] [ 1 ] [ 15 ]

水晶検波器を使用した増幅されないラジオ受信機は、鉱石ラジオと呼ばれます。[ 16 ] 鉱石ラジオは一般の人々が使用した最初のタイプのラジオ受信機であり、[ 1 ] 1920年代まで最も広く使用されたタイプのラジオとなりました。[ 17 ] 1920年頃に真空管受信機 が開発されたことで時代遅れになりましたが、[ 2 ] [ 1 ]第二次世界大戦まで使用され続け、そのシンプルな設計により今日でも一般的な教育プロジェクトとなっています。

手術

検出器の半導体結晶の表面における 2 つの異なる材料の接触により、粗い半導体ダイオードが形成され、これが整流器として機能し、一方向にのみ電流をよく伝導し、反対方向の電流には抵抗します。 [ 3 ]鉱石ラジオ では、希望するラジオ局からアンテナに誘導された振動電流を流す同調回路とイヤホンの間に接続されていました。その機能は復調器として機能し、無線信号を整流して交流からパルス状の直流に変換し、無線周波数搬送波から音声信号(変調)を抽出することです。[ 3 ] [ 5 ]このように変調搬送波を整流する AM 復調器は、包絡線検波器と呼ばれます。検出器によって生成された音声周波数電流がイヤホンを通過し、イヤホンの振動板を振動させて空気を押し、音波を作り出します。

シンプルな鉱石ラジオの回路。鉱石検波器Dは同調回路L、C1とイヤホンEの間に接続されています。C2はバイパスコンデンサです。
1922年の猫ひげ鉱石ラジオの回路図。この一般的な回路では、同調コンデンサは使用されず、アンテナの静電容量とコイルを用いて同調回路が構成されていました。

鉱石ラジオには、ラジオ信号の音量を増幅する増幅部品がありませんでした。イヤホンから発せられる音は、受信するラジオ局の電波がアンテナで受信された結果のみでした。そのため、検波器の感度は受信機の感度と受信範囲を決定する重要な要素であり、高感度検波器を見つけるための多くの研究が行われました。

鉱石ラジオでの主な用途に加えて、鉱石検波器は科学実験における電波検波器としても使用され、検波器の直流出力電流は高感度検流計によって記録された。また、無線送信機の周波数を較正するために使用される波長計などの試験機器にも使用された。[ 18 ]

水晶検波器によって処理された波形とそのエンベロープを示す図。

右の図に示すように、A は受信機の同調回路からの振幅変調された無線信号を示しており、これは検波器の接点間の電圧として適用されます。急速な振動は無線周波数搬送波です。オーディオ信号(音) は、波の大きさのゆっくりとした変化 (変調) に含まれています。この信号をイヤホンに直接適用した場合、音に変換できません。なぜなら、オーディオの変位は軸の両側で同じで平均するとゼロになり、イヤホンの振動板の正味の動きがなくなるからです。Bは、イヤホンとバイパス コンデンサに適用されている水晶検波器を通る電流を示しています。水晶は一方向にのみ電流を伝導し、信号の片側の振動を取り除き、振幅が平均してゼロではなくオーディオ信号に応じて変化するパルス状の直流電流を残します。C はイヤホンを通過する電流を示しています。イヤホン端子間のバイパスコンデンサは、ダイオードの固有順方向抵抗と相まってローパスフィルタを形成し、無線周波数搬送波パルスを除去して音声信号のみを残すことで波形を平滑化します。この変動電流がイヤホンの圧電結晶を通過すると、結晶が変形（屈曲）し、イヤホンの振動板がたわみます。このたわみによって振動板が振動し、音波（音波）が発生します。ボイスコイル型ヘッドホンを使用する場合、ローパスフィルタからの変動電流がボイスコイルを流れ、変動磁場が発生します。この磁場がイヤホンの振動板を引っ張ったり押したりするため、振動板が振動して音が発生します。

種類

結晶検出器は、半導体結晶鉱物の表面と金属または他の結晶との間の電気的接触で構成されていました。[ 3 ] [ 5 ] 開発された当時は誰もその仕組みを知らなかったため、結晶検出器は試行錯誤を繰り返しながら進化しました。検出器の構造は使用する結晶の種類に依存していました。鉱物の種類によって、高感度整流接触を形成するために必要な結晶表面の接触面積と圧力が異なることがわかったためです。[ 3 ] [ 19 ]方鉛鉱 のように軽い圧力を必要とする結晶は、ワイヤーキャットウィスカー接触で使用され、シリコンはより強い点接触で使用され、炭化ケイ素（カーボランダム）は最も高い圧力に耐えることができました。[ 3 ] [ 19 ] [ 20 ] 別のタイプでは、異なる鉱物の2つの結晶の表面を接触させ、最も一般的なのは「ペリコン」検出器です。検出器は結晶表面の特定の箇所に接触した場合にのみ機能するため、接触点はほぼ常に調整可能でした。以下は、20世紀初頭に使用された結晶検出器の主なカテゴリーです。

猫のひげ検出器

1920年代の鉱石ラジオから取り出したガレナ猫ひげ検出器
黄鉄鉱結晶を用いた猫のひげ検出器
1930年代の安価な鉱石ラジオに内蔵された方鉛鉱検出器
ポータブルラジオで人気の形状で、水晶がガラス管の中に保護されている

1906年にカール・フェルディナンド・ブラウン[ 21 ]とグリーンリーフ・ホイッティア・ピカード[ 6 ]によって特許が取得された、最も一般的なタイプの結晶検出器で、主に方鉛鉱[ 22 ] [ 23 ]で使用されましたが、他の結晶にも使用されました。金属ホルダーに入ったエンドウ豆大の結晶鉱物片で構成され、その表面に細い金属ワイヤまたは針（「猫のひげ」）が接触していました。[ 3 ] [ 5 ] [ 20 ] [ 24 ] ワイヤの先端と結晶の表面との接触により、粗雑で不安定な点接触金属半導体接合が形成され、ショットキーバリアダイオードが形成されました。[ 5 ] [ 25 ] ワイヤウィスカーがアノード、結晶がカソードです。電流はワイヤから結晶に流れることができますが、逆方向には流れません。

結晶表面の特定の場所だけが整流接合として機能した。[ 5 ] [ 19 ] この装置はワイヤと結晶の間の接触の正確な形状と圧力に非常に敏感で、わずかな振動によって接触が妨げられることがあった。[ 5 ] [ 7 ] [ 14 ] そのため、使用する前に毎回試行錯誤して使用可能な接触点を見つけなければならなかった。[ 5 ] ワイヤは可動アームから吊り下げられており、装置が機能し始めるまでユーザーによって結晶面上を引きずられた。[ 19 ]鉱石ラジオでは、ユーザーは可能であればラジオを強い地元の放送局に合わせ、次にラジオのイヤホンで局またはラジオのノイズ（静的なシューというノイズ）が聞こえる まで猫のひげを調整した。 [ 26 ] これにはある程度の技術と多くの忍耐が必要だった。[ 7 ] 調整の別の方法は、ラジオのアース線に接続された、または同調コイルに誘導結合された電池駆動の電気機械式ブザーを使用してテスト信号を生成することであった。 [ 26 ] [ 27 ] ブザーの接点で発生した火花は、検出器で受信できる弱い無線送信機として機能したので、結晶上に整流点が見つかったときにイヤホンでブザーが聞こえ、その時点でブザーはオフになった。

検出器は、平らな非導電性のベースに隣接して取り付けられた2つの部分で構成されていました。結晶鉱物は接合部の半導体側を形成し、猫のひげ、つまり金属側を形成する細い金属線の弾力性のある部分です。

結晶

1930年代、ポーランドで結晶検出器用に販売された方鉛鉱結晶

最も一般的に使用された結晶は方鉛鉱（硫化鉛、PbS）で、広く産出する鉛の鉱石である。その変種は「レンツァイト」 [ 19 ]や「ヘルツァイト」[5]という名前で販売されていた。[ 22 ] [ 23 ]他の結晶鉱物 も使用され、より一般的なのは黄鉄鉱（硫化鉄、FeS2 、「愚者の金」、商標名「パイロン」[ 28 ] 、 「フェロン」[19]、「ラジオサイト」でも販売されている）[ 3 ] [ 22 ] [ 24 ]モリブデン鉱（二硫化モリブデン、MoS2 ）、および青鉛鉱（炭酸鉛、PbCO3 ） [ 19 ] [ 22 ] [ 24 ]で ある。結晶のすべての標本が検出器で機能するわけではない。活性な結晶を見つけるには、多くの場合、複数の結晶片を試してみる必要がありました。[ 19 ] 検出特性の優れた方鉛鉱は稀であり、それを区別する信頼できる視覚的特徴はありませんでした。

豆粒大の粗い探知鉱物の小石が金属カップに収められ、回路の片側を形成した。カップと水晶の電気的接触は良好でなければならなかった。なぜなら、この接触が第2の整流接合として機能して、装置が全く導通しない2つの背中合わせのダイオードを形成しないようにすることが重要だったからである。 [ 29 ]水晶 との良好な接触を確保するために、水晶は止めネジで締め付けられるか、はんだに埋め込まれた。錫鉛はんだは比較的高い融点が多くの水晶を損傷する恐れがあったため、ウッドの金属のような200°F (93°C)をはるかに下回る低融点の可融合金が使用された。[ 5 ] [ 19 ] [ 22 ] 片面は、猫ひげ線との接触を可能にするために露出したままにされた。

猫のひげワイヤー

約30 AWG （0.25 mm）径のリン青銅線は、適度な弾力性があったため、猫のひげとしてよく使われました。[ 26 ] [ 28 ] [ 30 ] 絶縁ハンドル付きの調整可能なアームに取り付けられ、結晶の露出面全体を様々な方向から探り、最も感度の高い箇所を見つけることができました。自家製検出器の猫のひげは通常、単純な曲線形状でしたが、プロ仕様の猫のひげのほとんどは、中央にコイル状の部分があり、バネの役割を果たしていました。[ 31 ] 結晶には適度な圧力がワイヤーからかかり、圧力が強すぎると両方向に導通してしまいました。[ 5 ] 無線電信局用の精密検出器では、「猫のひげ」の代わりに金属製の針が使われることが多かったです。金属製の針は、つまみネジで操作する板バネに取り付けられ、圧力を調整していました。一部の結晶では、金製または銀製の針が使用されていました。

カーボランダム検出器

無線電信局で使用される専門的なカーボランダム検出器
1911年にラジオ愛好家向けに販売されたカーボランダム検出器

1906年にヘンリー・HC・ダンウッディによって発明された[ 32 ] [ 33 ]これは、炭化ケイ素（SiC、当時の商標名はカーボランダムとして知られていた）片で構成されており、2つの平らな金属接点の間に挟まれていたか、 [ 5 ] [ 19 ] [ 24 ]または金属カップ内の可溶合金に硬化した鋼のポイントがバネでしっかりと押し付けられた接点に取り付けられていました。[ 34 ] カーボランダムは1893年に電気炉で生産された人工物で、猫のひげの接点よりも大きな圧力が必要でした。[ 3 ] [ 5 ] [ 19 ] [ 34 ] カーボランダム検出器は人気がありました[ 22 ] [ 34 ]、その頑丈な接点は繊細な猫のひげ装置のように使用のたびに再調整する必要がないためです。[ 3 ] [ 19 ] [ 24 ] カーボランダム検波器の中には、工場で調整された後密封されたものもあり、ユーザーによる調整は不要でした。[ 3 ] 振動に弱く、波で船が揺れる船舶無線局や、砲撃による振動が予想される軍事局で使用されました。[ 5 ] [ 19 ] もう一つの利点は、高電流に耐え、アンテナからの大気の電気によって「焼き切れる」ことがないことです。[ 3 ] そのため、商用無線電信局で最も一般的に使用されました。[ 34 ]

シリコンカーバイドは3 eVの広いバンドギャップを持つ半導体であるため、検出器の感度を高めるために、通常、電池とポテンショメータを用いて接合部に約1ボルトの順方向バイアス電圧を印加します。[ 19 ] [ 24 ] [ 34 ] [ 33 ] ポテンショメータで電圧を調整し、イヤホンから最も大きな音が聞こえるようにします。バイアス電圧によって動作点がデバイスの電流-電圧曲線の「膝」の曲線に移動し、整流電流が最大になります。[ 19 ]

オリジナルのピカードシリコン検出器 1906
1919 年に海軍無線局で使用されたシリコン - アンチモン検出器。シリコン結晶は調整可能なステージに取り付けられており、マイクロメータのノブ(右)で 2 次元的に移動して感度スポットを見つけることができます。

シリコン検出器

1906年にピカード社が特許を取得し、初めて製造した[ 11 ] [ 33 ]これは、商業的に生産された最初のタイプの水晶検波器でした。[ 12 ] シリコンは、カーボランダムほどではありませんが、猫ひげ接点よりも大きな圧力を必要としました。[ 19 ]平らなシリコン 片を金属カップ内の可融合金に埋め込み、通常は真鍮または金の金属ポイントをバネで押し付けました。[ 24 ] [ 35 ] シリコンの表面は通常、平らに研磨されて磨かれました。シリコンは、アンチモン[ 19 ]やヒ素[ 28 ]の接点でも使用されました。シリコン検波器は、カーボランダムとほぼ同じ利点があったため人気がありました。その堅固な接点は振動によって緩むことがなく、バイアス電池を必要としないため、商用および軍事用の無線電信局で広く使用されました。[ 19 ]

結晶対結晶検出器

（左）ペリコン（亜鉛鉱・黄銅鉱検出器）、 1912年頃、ピカード社のワイヤレス・スペシャルティ・アパラタス社製。（右）別の形態の亜鉛鉱・黄銅鉱検出器、密閉型プラグインユニットとして製造、 1919年頃。

もう一つのカテゴリーは、表面が接触し、結晶同士が接触する2つの異なる結晶を使用する検出器であった。[ 5 ] [ 24 ] 1908年にピカードによって発明された「ペリコン」検出器[ 36 ]が最も一般的であった。 ペリコンは「 PER fect p I c K ard c ON tact」の略である。 [ 5 ] この検出器は、金属ホルダーに向かい合って取り付けられた2つの結晶で構成されていた。1つの結晶は亜鉛鉱(酸化亜鉛、ZnO) で、もう1つは硫化銅鉄 (斑銅鉱(Cu 5 FeS 4 ) または黄銅鉱(CuFeS 2 ) であった。[ 19 ] [ 24 ] ピカードの商用検出器(写真を参照)では、複数の亜鉛鉱結晶が丸いカップ(右)内の可融合金に取り付けられ、黄銅鉱結晶はそれに面した調整可能なアームの上のカップ(左)に取り付けられていた。黄銅鉱結晶を前進させ、亜鉛鉱結晶の一つの表面に触れさせた。感度の高い箇所が見つかったら、止めネジでアームを固定した。亜鉛鉱結晶は脆く、過大電流によって損傷を受ける可能性があり、ワイヤーアンテナからの大気電気や、当時使用されていた強力なスパーク送信機から受信機に漏れる電流によって「焼損」する傾向があったため、複数の亜鉛鉱片が準備された。この検出器は、感度を高めるために、電池から0.2V程度の小さな順方向バイアス電圧を印加して使用されることもあった。[ 19 ] [ 34 ]

最も広く用いられた結晶対結晶検出器は亜鉛鉱と黄銅鉱の「ペリコン」であったが、他の結晶対も用いられた。亜鉛鉱は炭素、方鉛鉱、テルルと使用され、シリコンはヒ素[ 28 ] 、アンチモン[ 19 ]、テルル結晶と使用された。

歴史

固体ダイオードに使用されるグラフィックシンボルは、点接触結晶検出器の図に由来しています。[ 37 ] [ 38 ]

1888年から1918年までのラジオの最初の30年間は、無線電信または「スパーク」時代と呼ばれ、スパークギャップ送信機と呼ばれる原始的な無線送信機が使用されていました。これは電気火花によって電波を発生させるものでした。 [ 16 ] [ 39 ] これらの送信機は、現代のAMまたはFMラジオ送信で音声（音）の送信に使用される連続正弦波を生成することができませんでした。 [ 40 ]代わりに、スパークギャップ送信機は無線電信によって情報を送信しました。ユーザーは電信キーをタップして送信機のオン/オフを素早く切り替え、モールス信号でテキストメッセージを綴る電波パルスを発生させました。したがって、この時代のラジオ受信機は、現代の受信機のように電波を復調して音声信号を抽出する必要はなく、電波の有無を検出し、電波が存在するときにイヤホンから音を出してモールス信号の「短点」と「長点」を表すだけで済みました。[ 2 ] これを実現した装置は検出器と呼ばれていました。結晶検出器は、この時代に発明された多くの検出器装置の中で最も成功したものでした。

結晶検波器は、それ以前の装置[ 41 ]から発展したものである。最初の原始的な無線波検波器はコヒーラと呼ばれ、1890 年にエドゥアール・ブランリによって開発され、1894 年から 1896 年にかけてマルコーニとオリバー・ロッジによって最初の無線受信機に使用された。[ 5 ] [ 39 ] 様々な形で作られたコヒーラは、通常は酸化物である薄い抵抗表面膜を介して接触する導体で構成される高抵抗の電気接点で構成されていた。[ 39 ] 無線波により接点の抵抗が変化し、直流電流が流れる。最も一般的な形式は、両端に電極が付いたガラス管と、電極と接触する金属粉から構成されていた。[ 2 ] [ 5 ]無線波を適用する前は、この装置の電気抵抗はメグオームの範囲に 高かった。アンテナからの電波が電極間に印加されると、電極間の金属片が「凝集」または凝集し、コヒーラの抵抗が低下します。これにより電池からの直流電流がコヒーラを通過し、ベルが鳴ったり、モールス信号の「短点」と「長点」を表すマークが紙テープ上に現れたりします。ほとんどのコヒーラは、電波パルスの合間に機械的に叩いて非伝導状態に戻す必要がありました。[ 16 ] [ 39 ]

コヒーラは非常に性能の悪い検出器であったため、[ 42 ] : 11, 14-16、 より優れた検出器を見つけるための多くの研究のきっかけとなった。[ 5 ] コヒーラは複雑な薄膜表面効果によって動作していたため、当時の科学者たちは、電波検出が「不完全な」電気接点の何らかの不思議な特性に依存しているという漠然とした考え以外、その仕組みを理解していなかった。[ 5 ] より優れたコヒーラを開発するために、様々なタイプの「不完全な」接点に対する電波の影響を調査していた研究者たちは、結晶検出器を発明した。[ 5 ] [ 41 ]

ブラウンの実験

結晶の「片側伝導」は、1874年にドイツの物理学者カール・フェルディナント・ブラウンによってヴュルツブルク大学で発見されました。[ 8 ] [ 43 ] 彼は黄銅（Cu 5 FeS 4）、黄鉄鉱（硫化鉄、FeS 2）、方鉛鉱（PbS）、硫化銅アンチモン（Cu 3 SbS 4）を研究しました。[ 44 ] これは電波が発見される前のことであり、ブラウンはこれらの装置を実際に応用することはありませんでしたが、これらの硫化物が示す非線形の電流-電圧特性に興味を持っていました。ブラウンの結晶との接触方法は、彼の結果に決定的な影響を与えた可能性があります。彼はサンプルを円状のワイヤーの上に置き、細い銀線の端でそれに触れさせる「猫のひげ」接触法を採用しました。[ 42 ] : 8 接点を横切る電圧の関数として電流をグラフにすると、一方向の電流に対しては平坦な線が、他方向の電流に対しては直線ではなく上向きに曲がっていることがわかり、これらの物質はオームの法則に従わないことが示されました。この特性により、一部の結晶は一方向の電流に対する抵抗が他方向の電流に対する抵抗の最大2倍になることもありました。1877年と1878年には、彼はシロメラン（Ba、H2O)2マン5お10ブラウンは、電解作用やある種の熱電効果など、非対称伝導のいくつかの考えられる原因を排除する調査を行った。[ 44 ]

これらの発見から30年後の1899年、ブラウンは結晶接触子を電波検出器として実験し始めました。しかし、当時の結晶検出器は、コヒーラ受信機の標準的な出力装置である紙テープサイフォンレコーダーと互換性がなかったため、実用には至りませんでした。[ 42 ] : 11

ボースの実験

ボースが1901年に取得した特許に記された方鉛鉱探知器。このバージョンは、レンズがミリ波を方鉛鉱の接触面に集束させ、人間の眼球のような外観と機能を持つように意図的に設計されている。
ボーズのミリ波分光計、1897年。スパーク送信機は箱（R）の中にあります。方鉛鉱検出器はホーンアンテナ（F）の中にあり、つまみネジ（t）で結晶に当たる金属点の圧力を調整します。電池（V）から検出器に電流が流れ、検流計（G）で測定されます。

ジャガディッシュ・チャンドラ・ボースは、1894年から1900年にかけてカルカッタ大学で60GHzのマイクロ波光学実験を行い、初めて電波検出に結晶を使用した。 [ 45 ] [ 46 ] : 295-296,301-305 ヘルツ以来の他の科学者と同様に、ボースは古典的な光学実験を電波で 再現することで、電波と光の類似性を調査していた。 [ 46 ] : 477-483 受信機には、電流が流れる金属表面に押し付ける鋼鉄のバネからなるコヒーラを初めて使用した。この検出器に満足しなかったボースは、1897年頃、マイクロ波にさらされた数十種類の金属と金属化合物の抵抗率の変化を測定した。[ 46 ] : 295-296,301-305 [ 47 ]彼は方鉛鉱 を中心に、多くの物質を接触型検出器として実験した。

彼の検出器は、マイクロ波を集めるためにホーンアンテナで終わる閉じた導波管の中に取り付けられた、つまみねじで押し付けられた金属点接点付きの小さな方鉛鉱結晶で構成されていた。 [ 46 ] : 295-296,301-305 ボースは電池からの電流を結晶に流し、検流計を使用して測定した。マイクロ波が結晶に当たると、検流計は検出器の抵抗値の低下を記録した。トーマス・リーは、この検出器は後の結晶検出器のように整流器ではなく、ボロメータと呼ばれる熱検出器として機能したと指摘している。[ 9 ] 当時の科学者は、電波検出器は目が光を検知するのと類似したメカニズムで機能すると考えており、ボーズは彼の検出器が可視光と紫外線にも反応することを発見し、それを人工網膜と呼ぶに至った。彼は1901年9月30日に検出器の特許を取得した。 [ 8 ] [ 10 ] これは半導体デバイスに関する最初の特許と見なされることが多い。

ピカード：整流の発見

1909年に作られた「マイクロフォン」コヒーラ検出器。ピカードが整流作用を発見した検出器に似ており、初期の受信機で広く使用されていました。この検出器は、2つの炭素ブロックの上に置かれた鋼鉄製の針で構成されています。鋼鉄上の半導体腐食層が整流作用を担っていた可能性があります。

アメリカ無線電話電信会社の技師、グリーンリーフ・ホイッティア・ピカードは、整流接触検波器を発明しました。 [ 48 ] [ 49 ] 1902年、2つの炭素ブロックに鋼鉄の針を挟んだコヒーラ検波器の実験中に、電波の整流作用を発見しました。 [ 12 ] [ 13 ] [ 49 ] 1902年5月29日、彼はこの装置を操作し、無線電信局の受信をしていました。コヒーラの動作には外部電源が必要だったため、彼はコヒーラと電話用イヤホンを3セル電池に直列に接続し、イヤホンに電力を供給していました。しかし、炭素を流れる電流によって発生する「フライング」ノイズに悩まされた彼は、電流を減らすために電池セル2個を回路から切り離しました。[ 12 ] [ 13 ]

揚げ音は止まり、信号は大幅に弱まったものの、マイクロフォニックノイズのバックグラウンドが除去されたことで、格段にクリアになった。回路に目をやると、驚いたことに、電池を2つではなく3つすべて切り取っていた。つまり、電話のダイヤフラムは受信信号のエネルギーだけで動作していたのだ。電池なしで動作する接触検知器は、これまでの経験とは全く異なるもののように思えたので、私は直ちにこの現象を徹底的に調査することを決意した。[ 12 ] [ 13 ]

直流バイアス電池なしで音声信号を生成できたことから、ピカードはこの装置が整流器として機能していることに気づきました。ピカードは実験を始め、酸化鉄の表面の方がうまく機能することを発見し、磁鉄鉱（Fe 3 O 4）を試しました。1902年10月16日、彼は銅線に磁鉄鉱を接触させたラジオ放送を受信しました。これが水晶検波器による最初の受信でした。[ 12 ]

ピカードの1906年の特許からのシリコン検出器の設計[ 11 ]

その後の7年間、ピカードは、どの物質が最も感度の高い検出接点を形成するか徹底的に調査し、最終的に何千もの鉱物をテストし、[ 8 ]約250個の整流結晶を発見しました。[ 5 ] [ 12 ] [ 13 ] 1906年に、彼は電気炉で最近合成された人工物である溶融シリコン のサンプルを入手し、それが他のすべての物質よりも優れていました。[ 12 ] [ 13 ] 彼は、1906年8月30日にシリコン検出器の特許を取得しました。[ 8 ] [ 11 ] 1907年に、彼は検出器を製造する会社、ワイヤレススペシャルティプロダクツ社を設立し、シリコン検出器は商業的に販売された最初の結晶検出器となりました。[ 12 ] ピカードは、発見した結晶を使用して他の検出器を製造し続けました。より普及したのは、 1908年に開発された黄鉄鉱「パイロン」検出器と亜鉛鉱-黄銅鉱結晶対結晶「ペリコン」検出器であり[ 36 ] 、これは「PER fect p I c K ard c ON tact」の略語であった[ 5 ] 。

1906年頃、無線研究者は鉱物結晶がコヒーラよりも優れた検出器になり得ることを認識し、鉱石ラジオが作られ始め、多くの新しい鉱石検出器が発明されました。[ 42 ]：20〜21、23 この関心の理由の1つは、コヒーラ受信機が出力デバイスとして、鉱石検出器と互換性のない紙テープレコーダー（サイフォンレコーダー）から、鉱石の出力電流を使用できる イヤホンに切り替えたことでした。

1906年3月23日、ヘンリー・ハリソン・チェイス・ダンウッディ（Henry Harrison Chase Dunwoody）[ 42 ] : 19 （アメリカ陸軍通信部隊の退役将軍）は、電気炉という別の当時最新の製品を用いて、シリコンカーバイド（カーボランダム）検出器の特許を取得しました[ 32 ] [ 50 ] [ 33 ] : 23-25 。半導体であるシリコンカーバイドは広いバンドギャップを有しており、ピカードは[ 42 ] : 25 、 電池とポテンショメータから1ボルト程度の直流電位（順方向バイアス）を印加することで検出器の感度を高めることができることを発見しました[ 27 ] : 135, 137–139] 。

ブラウンは1899年に結晶を電波検出器として実験し始め、1906年にドイツで方鉛鉱猫ひげ検出器の特許を取得しました。[ 21 ] 1906年にLWオースティンはシリコン-テルル検出器を発明しました。[ 51 ] [ 42 ] : 13 1907年にピカードはモリブデナイト検出器を発明しました。[ 52 ]そして1911年にトンプソンH.ライオンは青鉛鉱検出器を発明しました。[ 53 ] [ 54 ] ドイツではテルル-炭素検出器が人気を博し、「ブロンクセル」と呼ばれました。[ 54 ] : 89 1908年、東京帝国大学の鳥形和智は200種類の鉱物を調査し、錫石（酸化スズ）、軟マンガン石（二酸化マンガン）、亜鉛鉱、方鉛鉱、黄鉄鉱が感度を持つことを発見し、その後、鉱物大学ですべての鉱物サンプルをテストし、34種類の整流鉱物を発見しました。[ 55 ] [ 54 ] : 87-88 彼は1908年に鉱物検出器の特許を取得しました。[ 56 ]リー・ド・フォレスト、ジョージ・ワシントン・ピアース、ウィリアム・ヘンリー・エクルズも鉱物検出器を研究しました。

検出器の歴史の初期に発明された細いワイヤーの猫ひげ接触は、1911年にピカードによって特許を取得しました[ 57 ] [ 42 ]：26

無線通信時代の使用

1915年から1920年頃まで製造されたマルコーニ型106水晶受信機。右下に検波器が見える。第一次世界大戦で三極管に取って代わられるまで、水晶検波器は最先端技術だった。

グリエルモ・マルコーニは1896年に最初の実用的な無線通信送信機と受信機を開発し、1899年頃から通信にラジオ​​が使われるようになった。コヒーラは最初の10年間、1906年頃まで検波器として使われた。[ 17 ] 1920年以前の無線通信時代 には、放送はほとんどなく、ラジオはポイントツーポイントのテキストメッセージサービスとして使われていた。第一次世界大戦頃に三極真空管が使われるようになるまで、無線受信機には増幅装置がなく、アンテナで受信した電波によってのみ電力が供給されていた。[ 12 ] 長距離無線通信は、高出力送信機（最大1メガワット）、巨大なワイヤーアンテナ、そして高感度検波器を備えた受信機に依存していた。[ 12 ]

1907年頃、コヒーラと電解検波器に代わって水晶検波器が最も広く使われるようになった。[ 17 ] [ 58 ] 第一次世界大戦中に三極真空管が使われるようになるまで、水晶は最高の無線受信技術であり、無線電信局の高性能受信機や自家製の水晶ラジオに使われていた。[ 59 ] 大洋横断無線電信局では、何マイルにも及ぶワイヤーアンテナで給電される精巧な誘導結合水晶受信機が大西洋横断電報の受信に使われた。[ 60 ]

より優れた検出器を見つけるために多くの研究が行われ、多くの種類の結晶が試された。[ 29 ] 研究者の目標は、方鉛鉱や黄鉄鉱よりも壊れにくく、振動に敏感でない整流結晶を見つけることだった。もう一つの望ましい特性は高電流への耐性であった。多くの結晶は、屋外のワイヤーアンテナからの大気放電や、強力なスパーク送信機からの電流が受信機に漏れると、感度が失われる。カーボランダムはこれらの中で最適であることが証明された。[ 34 ]平らな接点の間にしっかりと挟むと整流することができた。そのため、カーボランダム検出器は、波で床が揺れる船上の無線局や、銃撃が予想される軍事基地で使用された。[ 5 ] [ 19 ]

1907年から1909年にかけて、ハーバード大学のジョージ・ワシントン・ピアースは、水晶検波器の仕組みについて研究を行った。[ 12 ] [ 44 ]ピアースは、ブラウンの新しいブラウン管で作ったオシロスコープを 使い、実際に動作する検波器の波形を初めて撮影し、検波器が電波を整流していることを証明した。この時代、現代の固体物理学が生まれる前、ほとんどの科学者は、水晶検波器は何らかの熱電効果で動作すると考えていた。[ 33 ]ピアースは、その仕組みは発見しなかったものの、既存の理論が間違っていることを証明した。彼が作成したオシロスコープの波形から、検波器内の電圧と電流の間に位相遅れがないことが確認され、熱によるメカニズムの可能性は排除された。ピアースは、水晶整流器という名称を考案した。

1905年から1915年の間に、連続正弦波を生成する新しいタイプの無線送信機が開発された。アーク変換器（ポールセンアーク）とアレクサンダーソンオルタネーターである。これらは徐々に古い減衰波スパーク送信機に取って代わっていった。送信範囲が長いことに加え、これらの送信機は音声信号で変調して振幅変調（AM）により音声を送信することができる。コヒーラとは異なり、水晶検波器の整流作用によりAMラジオ信号を復調し、音声（音声）を生成できることがわかった。 [ 16 ] 当時使用されていた他の検波器、電解検波器、フレミングバルブ、三極管もAM信号を整流できたが、水晶は最も単純で安価なAM検波器であった。[ 16 ] 第一次世界大戦後、ますます多くのラジオ局が音声送信の実験を始めるにつれて、ラジオのリスナーのコミュニティが鉱石ラジオを聴くために作ったり買ったりして成長していった。[ 16 ] [ 61 ] 1920年代に真空管ラジオが取って代わるまで、使用は増加し続けました。[ 16 ] [ 61 ]

クリストダイン：負性抵抗ダイオード

1924年にロセフの指示によりヒューゴ・ガーンズバックが製作した負性抵抗ダイオード発振器。能動素子として機能する亜鉛鉱点接触ダイオードは(9)で示されている。

一部の半導体ダイオードは負性抵抗と呼ばれる特性を持つ。これは、I-V曲線の一部で電圧が増加するとダイオードを流れる電流が減少することを意味する。これにより、通常は受動素子であるダイオードが増幅器や発振器として機能することができる。例えば、共振回路に接続して直流電圧を印加すると、ダイオードの負性抵抗によって回路の正抵抗が打ち消され、交流抵抗がゼロの回路が形成され、そこで自発的な振動電流が発生する。この特性は、1909年頃にウィリアム・ヘンリー・エクルズ[ 62 ] [ 63 ] とピカード[ 13 ] [ 64 ]によって水晶検波器で初めて観察された。 彼らは、感度を向上させるために検波器に直流電圧を印加すると、自発的な振動を起こすことがあることに気付いた。[ 64 ]しかし、これらの研究者は簡単な説明を発表しただけで、その効果については追究しなかった。

負性抵抗を実際に初めて利用したのは独学で物理学を学んだロシア人オレグ・ロセフで、彼は生涯を結晶検波器の研究に捧げた。1922年、新設のニジニ・ノヴゴロド無線研究所で働いていた彼は、バイアスをかけた亜鉛鉱（酸化亜鉛）の点接触接合に負性抵抗を発見した。 [ 64 ] [ 65 ] [ 66 ] [ 67 ] [ 68 ]彼は、増幅結晶が壊れやすく高価でエネルギーを浪費する真空管の代替になり得ることに気づいた。彼はバイアスをかけた負性抵抗結晶接合を利用して、トランジスタが発明される25年前に 固体増幅器、発振器、増幅・再生無線受信機を製作した。 [ 62 ] [ 66 ] [ 68 ] [ 69 ] 後に彼はスーパーヘテロダイン受信機も製作した。[ 68 ]しかし、真空管の成功により彼の業績は見過ごされてしまった。彼の技術は、科学出版者ヒューゴ・ガーンズバック[ 69 ]によって「クリストダイン」と名付けられました。彼は西側諸国でこの技術に注目した数少ない人物の一人でした。10年後、彼はこの技術の研究を断念し、忘れ去られました[ 68 ] 。

負性抵抗ダイオードは、1957年のトンネルダイオードの発明によって再発見され、江崎玲於奈は1973年のノーベル物理学賞を受賞しました。今日では、ガンダイオードやインパットダイオードなどの負性抵抗ダイオードは、レーダースピードガンやガレージドアオープナーなどの機器のマイクロ波発振器として広く使用されています。

発光ダイオード（LED）の発見

1907年、イギリスのマルコーニ社の技師ヘンリー・ジョセフ・ラウンドは、炭化ケイ素（カーボランダム）の点接触接合部に直流電流を流すと、接触点から緑、青、または黄色がかった光の点が発せられることに気づきました。[ 70 ]ラウンドは発光ダイオード（LED） を製作しましたが、それについて2段落の短い論文を発表しただけで、それ以上の研究は行いませんでした。[ 71 ]

1920年代半ば、ニジニ・ノヴゴロドで結晶検出器を研究していたオレグ・ロセフは、バイアスをかけたカーボランダムと亜鉛鉱の接合が光を発することを独自に発見した。[ 70 ] ロセフはこの装置を分析し、光源を調査し、その動作原理を提唱し、実用的な応用を構想した最初の人物である。[ 70 ] 彼は1927年にロシアの雑誌に実験を発表し、[ 72 ] 1924年から1930年の間に発表したLEDに関する16本の論文は、この装置の包括的な研究を構成している。ロセフは発光のメカニズムについて広範囲にわたる研究を行った。[ 68 ] [ 70 ] [ 73 ] 彼は結晶表面からのベンジンの蒸発速度を測定し、光が放射されても蒸発が加速されないことを発見し、この発光は熱の影響によるものではなく「冷たい」光であると結論付けた。[ 68 ] [ 73 ] 彼は、発光の説明は量子力学という新しい科学にあると正しく理論化し、[ 68 ]それは1905年にアルバート・アインシュタインが発見した光電効果の逆であると推測した。[ 70 ] [ 74 ] 彼はそのことについてアインシュタインに手紙を書いたが、返事はもらえなかった。[ 70 ] [ 74 ] ロセフは実用的なカーボランダム電界発光灯を設計したが、これらの微弱光源を商業的に生産することに興味を持つ人は誰もいなかった。

ロセフは第二次世界大戦中に亡くなった。彼の論文がロシア語とドイツ語で出版されたこと、そして彼の知名度の低さ（上流階級の生まれであったため、ソビエト社会では大学教育やキャリアアップの機会を得られず、技術者以上の公職に就くことはなかった）により、彼の業績は西側諸国ではあまり知られていない。[ 70 ]

放送時代の使用

1922年、鉱石ラジオで最初のラジオ放送を聞く家族。鉱石ラジオはスピーカーを駆動できないため、イヤホンを共有する必要があります。
1920 年以降、鉱石ラジオは若者や貧しい人々にとって安価な代替ラジオとなりました。
1925年から真空管ラジオで使用されていたバイアス電池付きカートリッジカーボランダム検出器（上）

1920年代には、1907年にリー・ド・フォレストが発明した増幅用三極真空管が、ラジオの送信機と受信機の両方で以前の技術に取って代わった。[ 75 ] AMラジオ放送は1920年頃に自然発生的に始まり、ラジオを聴くことが爆発的に普及して大人気の娯楽となった。新しい放送局を最初に聴取したのは主に鉱石ラジオの所有者だった。というのも多くの消費者が新しい真空管ラジオを購入する余裕がなかったからだ。[ 16 ] [ 42 ] : 32 [ 50 ] しかし、鉱石ラジオには増幅機能がないため、イヤホンで聞かなければならず、受信できるのは近くの地元局だけだった。1921年に大量生産され始めた増幅用真空管ラジオは、受信範囲が広く、猫のひげのように細かい調整を必要とせず、スピーカーを駆動するのに十分なオーディオ出力を生成したため、家族全員が一緒に快適に聴いたり、ジャズ・エイジの音楽に合わせて踊ったりすることができた。[ 16 ]

1920年代には、貧困家庭を除くすべての家庭で、真空管受信機が鉱石ラジオに取って代わりました。[ 8 ] [ 16 ] [ 76 ] 商用および軍用無線通信局は、すでにより感度の高い真空管受信機に切り替えていました。真空管は鉱石検波器の開発に終止符を打ちました。鉱石検波器の不安定で信頼性の低い動作は、商用無線機器の標準部品として受け入れられる上で常に障害となっており、 [ 2 ]急速に置き換えられた理由の一つでした。初期の半導体研究者であるフレデリック・ザイツは次のように書いています。[ 14 ]

このような変動性は、神秘的とも言えるほどで、水晶検波器の初期の歴史を悩ませ、後の世代の多くの真空管の専門家が水晶整流技術をほとんど信用できないものとみなす原因となりました。

鉱石ラジオは、緊急時や真空管ラジオを購入できない人々、すなわち[ 8 ]十代の若者、貧困層、発展途上国の人々によって使用される安価な代替受信機となりました。 [ 61 ] 鉱石セットの製作は、ラジオを紹介する人気の教育プロジェクトとして残り、ボーイスカウトなどの組織で使用されました。[ 16 ] アマチュアの間で最も広く使用されている方鉛鉱検出器は、[ 5 ]この時点から、鉱石ラジオで使用される事実上唯一の検出器となりました。[ 22 ] [ 23 ]カーボランダム接合は、三極管グリッドリーク検出器 よりも感度が高かったため、初期の真空管ラジオの検出器としていくつか使用されました。鉱石ラジオは、船舶に緊急時のバックアップラジオとして保管されていました。第二次世界大戦 中、ナチス占領下のヨーロッパでは、ラジオは簡単に構築でき、簡単に隠すことができる秘密ラジオとしてレジスタンスグループによって使用されました。[ 61 [ 61 ]

半導体整流理論の発展

結晶検出器のような半導体デバイスは量子力学の原理で動作しており、その動作は古典物理学では説明できない。1920年代の量子力学の誕生は1930年代の半導体物理学の発展に必要な基盤となり、物理学者は結晶検出器の動作原理を理解するに至った。 [ 77 ] ドイツ語のhalbleiterは英語では「半導体」と翻訳され、1911年に初めて、結晶検出器の結晶のように導体と絶縁体の間に位置する導電性を持つ物質を表すために使用された。 [ 78 ]フェリックス・ブロッホとルドルフ・パイエルスは1930年頃に量子力学を応用し、電子が結晶中をどのように移動するかに関する理論を構築した。[ 78 ] 1931年、アラン・ウィルソンは固体の電気伝導性を説明する量子バンド理論を構築した。[ 77 ] [ 78 ]ヴェルナー・ハイゼンベルクは、電子が存在するべき結晶格子の空孔である正孔の概念を考案しました。正孔は正孔粒子のように格子内を動き回ることができ、半導体では電子と正孔の両方が電流を伝導します。

結晶半導体の整流作用は結晶のみによるものではなく、結晶格子中の不純物原子の存在によるものであることが認識されたとき、画期的な進歩がもたらされた。[ 79 ] 1930年、ベルンハルト・グッデンとウィルソンは、半導体の電気伝導は結晶中の微量不純物によるものであることを確立した。「純粋な」半導体は半導体としてではなく、（低温では）絶縁体として作用する。 [ 77 ] 検出器に使用した場合、結晶片ごとに驚くほど異なる活性を示すこと、そして表面に「活性部位」が存在することは、結晶全体におけるこれらの不純物濃度の自然な変動によるものであった。トランジスタの共同発明者であり、ノーベル賞受賞者のウォルター・ブラッテンは次のように述べている。 [ 79 ]

当時は、シリコンの塊を一点に置き、猫のひげほどの細い線を当てると、非常に活性で、一方向に非常によく整流しました。少し動かすと、おそらく1インチの何分の一か、1000分の1インチほどですが、別の活性点が見つかるかもしれません。しかし、その点では逆方向に整流します。

科学者が合成実験用検出器結晶を作るために使用した「冶金純度」の化学物質には約1%の不純物が含まれていて、それがこのような一貫性のない結果の原因となっていました。[ 79 ] 1930年代には徐々に改良された精製方法が開発され、[ 8 ]科学者は超純粋な半導体結晶を作成し、その中に正確に制御された量の微量元素を導入することができました（ドーピングと呼ばれる）。[ 79 ]これにより初めて信頼性が高く再現性のある特性を持つ半導体接合が作られ、科学者は理論をテストできるようになり、後に現代のダイオード の製造が可能になりました。

猫のひげ検出器に使われるタイプの金属半導体接合における整流理論は、1938年にドイツのシーメンス・ハルスケ研究所 のウォルター・ショットキー[ 80 ]と英国ブリストル大学 のネビル・モット[ 81 ]によって独立に開発されました。 [ 77 ] [ 78 ] [ 79 ]モットは1977年のノーベル物理学賞 を受賞しました。 1949年、ベル研究所でウィリアム・ショックレーは、ブラウンとボーズ以来の科学者によって観測されてきた、整流作用を担う水晶検波器の非線形指数電流-電圧曲線を与えるショックレー・ダイオード方程式を導きました。[ 77 ]

1N23シリコンダイオード。グリッド1/4インチ。

最初の近代的なダイオード

現代の点接触ダイオード

1930 年代から第二次世界大戦にかけて軍用レーダー用にマイクロ波技術が進歩したことで、点接触結晶検出器が復​​活した。[ 8 ] [ 49 ] [ 79 ] マイクロ波レーダー受信機には、入力マイクロ波信号を局部発振器信号と混合して、マイクロ波信号を増幅可能なより低い中間周波数 (IF) にシフトするためのミキサーとして機能する非線形デバイスが必要だった。[ 79 ]スーパーヘテロダイン受信機 で低周波数でミキサーとして使用される真空管は、静電容量が大きすぎるため、マイクロ波周波数では機能しなかった。 1930 年代半ば、この問題に取り組んでいたベル研究所のGeorge Southworth は、古い猫のひげ検出器を購入し、それがマイクロ波周波数で機能することを発見した。[ 8 ] [ 79 ]ドイツのHans Hollmannも同じ発見をした。[ 8 [ 8 ] 1942年頃までに、1N21や1N23といったレーダー受信機用の点接触型シリコン結晶検出器が大量生産されるようになりました。これは、ホウ素ドープシリコン結晶のスライスにタングステン線の先端をしっかりと押し付けた構造です。猫ひげ状の接点は調整を必要とせず、密閉型でした。パーデュー大学で行われた2番目の並行開発プログラムでは、ゲルマニウムダイオードが開発されました。[ 8 ] このような点接触型ダイオードは現在も製造されており、最初の近代的なダイオードと言えるかもしれません。

戦後、少数の鉱石ラジオでは、方鉛鉱の猫ひげ検出器に代わってゲルマニウムダイオードが使用されるようになりました。ゲルマニウムダイオードはシリコンダイオードよりも検出器として感度が高く、これはゲルマニウムの順方向電圧降下がシリコンよりも低いためです（0.4ボルト対0.7ボルト）。現在でも少数の鉱石ラジオでは方鉛鉱の猫ひげ検出器が製造されていますが、アンティークのレプリカ鉱石ラジオや科学教育用の機器に限られています。

1946年にシルバニア社によって発売された1N34ダイオード（後に1N34Aが発売）は、最も広く普及した水晶検波ダイオードの一つとなった。安価で高性能な1N34は、汎用ダイオードとしても使用可能であった。[ 82 ]

参照

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特許
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  • 米国特許912,613 -振動検出器および整流器（DCバイアス付き「メッキ」シリコンカーバイド検出器）、GW Pickard、1909年
  • 米国特許912,726 -振動受信機（破面赤色酸化亜鉛（亜鉛鉱）検出器）、GW Pickard、1909年
  • 米国特許933,263 -振動装置（黄鉄鉱検出器）、GW Pickard、1909年
  • 米国特許 1,118,228 -振動検出器（異種鉱物ペア）、GW Pickard、1914年
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