Кто придумал транзистор: Кто изобрел транзистор? | Ответ на вопрос

Как был изобретен транзистор | В мире музыки

УВЕРЕННАЯ ПОСТУПЬ ТРАНЗИСТОРА

 

С 17 ноября до 23 декабря 1947 года ученые Уильям Шокли, Уолтер Браттейн и Джон Бардин проводили эксперименты по исследованию полупроводников, в результате которых был изобретен «полупроводниковый триод», а 30 июня 1948 года Bell Laboratories официально представила это изобретение публике на прес-конференции, сменив слишком длинное название на более емкое транзистор. Именно эту дату принято считать днем изобретения транзистора. Но великий поход в «страну Полупроводников» начался еще в 1833, когда Майкл Фарадей обнаружил, что электропроводность сульфида серебра увеличивается при нагревании. И только через 125 лет в Америке на основе другого полупроводника, германия, была создана микросхема.

Новое изобретение

О первой демонстрации транзистора газета «New York Times» сообщила 1 июля 1948 года на предпоследней странице: «Вчера Bell Telephone Laboratories впервые продемонстрировала изобретенный ею прибор под названием

«транзистор», его в некоторых случаях можно использовать в области радиотехники вместо электронных ламп. Было также показано его использование в телефонной системе и телевизионном устройстве. В каждом из этих случаев транзистор работал в качестве усилителя, хотя фирма заявляет, что он может применяться и как генератор, способный создавать и передавать радиоволны».

Транзисторный магнитофон Комета МГ-209

Новость, по мнению редактора, не походила на сенсацию. Публика не проявила поначалу интереса к новому прибору, и Bell пыталась продвинуть новинку, раздавая лицензии на использование транзистора всем желающим. А инвесторы между тем делали миллионные вложения в радиолампы, которые после тридцати лет развития переживали бум, – конец ему положит именно новое изобретение.

Потесненная лампа

До середины ХХ века казалось, что электронная лампа навсегда заняла место в радиоэлектронике. Она работала везде: в радиоприемниках и телевизорах, магнитофонах и радарах. Радиоэлектронная лампа сильно потеснила кристаллический детектор Брауна, оставив ему место только в детекторных приемниках. Удалось ей также составить конкуренцию и кристадину Лосева, – это был прообраз будущих полупроводниковых транзисторов.

Копия первого в мире работающего транзистора

Но у лампы был большой недостаток – ограниченный срок службы. Необходимость создания нового элемента с неограниченным временем действия становилась в радиоэлектронике все острее. Но, как не парадоксально, разработка полупроводниковых приборов тормозилась, кроме объективных причин, еще и субъективными – инерцией мышления самих ученых. Достаточно сказать, что лабораторию американской компании «Bell telefon», где проводились исследования со сверхчистым германием, коллеги пренебрежительно называли «хижиной ненужных материалов».

Давние конкуренты

Эксперты, впервые увидев пластинку германия с присоединенными к ней проводниками, заявили: «Такой примитив никогда не сможет заменить лампу». И все же, не обращая внимания на все преграды, 30 июня 1948 года компания «Bell telefon» впервые публично продемонстрировала твердотельный усилитель – точечный

транзистор. Его годом раньше разработали сотрудники Джон Бардин и Уолтер Браттейн под руководством Уильяма Шокли.

Транзисторный радиоприемник 1959 года

На вопрос журналиста: «Как вы этого достигли?», Уильям Шокли ответил: «Транзистор создан в результате соединения человеческих усилий, потребностей и обстоятельств».

Название «транзистор» происходит от английского слова TRANsferreSISTance, а окончание слова – «OR« соответствует раннее появившимся радиоэлементам – «термистор и варистор» и дал его Джон Пирс. В основе названия заложен тот факт, что прибором можно управлять путем изменения его сопротивления.

Бардин Шокли и Браттейн в лаборатории Bell, 1948

В 1956 году трем американским ученым за это открытие была присуждена Нобелевская премия в области физики. Интересно, что когда Джон Бардин опоздал на пресс-конференцию по поводу присуждения ему этой премии, то войдя в зал, в свое оправдание сказал: «Прошу извинить меня, но я не виноват, так как не мог попасть в гараж: отказал транзистор в электронном замке».

Транзисторы в музыке

Уильям Шокли не остановился на достигнутом и разработал еще несколько новых типов транзисторов. К этим трудам своего сотрудника эксперты компании проявили скепсис. Более дальновидными оказались специалисты японской фирмы «SONY», она приобрела лицензию на эти

транзисторы.

Полностью вытеснить радиолампу транзистору пока еще не удалось. Можно, наверное, утверждать, что полупроводниковые приборы и электронные лампы будут сосуществовать еще долго, не заменяя друг друга, а дополняя, и занимать то место в радиоэлектронике, где они дают наибольший эффект.

Современный макет транзистора Бардина и Браттейна

Не составляет исключение и музыкальная индустрия, так как звучание транзисторов и ламп серьезно отличается друг от друга. Очевидно то, что и варианты применения техники, построенной на столь несхожих компонентах, должны отличаться. Видимо, в каких-то случаях предпочтительней лампа, а в каких-то –

транзистор.

При современном развитии электроники существует возможность сделать звук транзисторного прибора теплым, а лампового – достоверным. Такая техника существует, но стоит очень дорого.

Все же есть надежда, что в будущем лампа и транзистор станут жить дружно, дополняя друг друга и радуя потребителей. Отзывы же о комбинированной аппаратуре на сегодня очень обнадеживающие.

 

Кто и когда изобрел транзистор, самый первый полупроводник в мире

Самый первый транзистор — основополагающий строительный блок, на котором, можно сказать, основана вся современная цивилизация — был создан в лаборатории Bell Labs компании AT&T 23 декабря 1947 года.

Этот первый транзистор был огромен и совсем не был похож на миллионы транзисторов, которые можно обнаружить, вскрыв современный процессор (всё равно вы их не увидите при размере в 22 нанометра). Хотя история о том, как из первых гигантских транзисторов получились нанометровые, весьма интересна, сегодня мы рассмотрим другую тему: как вообще инженеры Bell Labs додумались до транзистора.

Работа транзистора целиком основана на классе материалов под названием полупроводники, о котором химикам и инженерам известно с середины 19-го столетия. В 1833 году Майкл Фарадей заметил, что у сульфида серебра при нагревании снижается электрическое сопротивление (у металлов, как правило, увеличивается). В 1880 году Александр Грэхем Белл используется селен — полупроводник, который вырабатывает электричество, когда на него падает свет — для передачи звука на расстоянии при помощи устройства, получившего название фотофон.

Настоящей анализ полупроводников начинается в 1920-х годах, когда учёные попытались понять, почему и за счёт чего класс материалов, которые, казалось бы, относятся к металлам, ведёт себя совершенно иначе, чем нормальные металлы. Со Второй мировой войной и появлением радиолокационных и других радиотехнологий, полупроводники постепенно становились серьёзным бизнесом. Особенно когда после войны полупроводники начала исследовать Bell Labs; тогда мир стал узнавать о свойствах полупроводников и как управлять ими.

В частности, Уолтер Браттейн, Джон Бардин и Уильям Шокли из Bell Labs решили исследовать объёмные и поверхностные свойства кремния и германия. В результате серии экспериментов исследователи открыли, что при приложении небольшого количества электроэнергии к поверхности германия можно увеличить поток электроэнергии через второй контур, который также подключён к германию — другими словами, открыли усилитель. Самые ранние усилители из германия применяли жидкие электролиты, которые высыхали и могли переключаться только на низких частотах. 23 декабря 1947 года, вместо электролита были использованы позолоченные контакты — таким образом, родился первый транзистор. На рисунке 1 германий находится под материалом в форме треугольника. Золотые контакты тут не видно.

В то время как Шокли хотел назвать разработку полевым транзистором, Юлий Эдгар Лилиенфельд запатентовал такое название ещё в 1925 году, хотя такого устройства он не создавал. В результате, Bell Labs выбрала название транзистор и открыла «эффект транзистора» — за который в 1956 году Браттейн, Бардин и Шокли получили Нобелевскую премию по физике.

К 1953 году были созданы первые германиевые высокопроизводительные транзисторы, способные переключаться на частоте 60 МГц; они были впервые использованы в автомобильных радиоприемниках, они же впервые могли применяться в компьютерах. Первый кремниевый транзистор не был изготовлен до 1954 года той же Bell Labs, в этом же году компания Texas Instruments создала первый коммерческий транзистор, пригодный для массового производства.

Наконец, в 1960 году Bell Labs выпустила первый MOSFET-транзистор (металл — оксид — полупроводник). За последние 50 лет почти все выпускаемые транзисторы относятся к категории MOSFET с теми или иными вариациями. Далее уже идёт отдельная история разработки микропроцессоров и в игру вступает закон Мура.

masterok

Одним из значительных изобретений XX века по праву считается изобретение транзистора, пришедшего на замену электронным лампам.
Долгое время лампы были единственным активным компонентом всех радиоэлектронных устройств, хотя и имели множество недостатков. Прежде всего, это большая потребляемая мощность, большие габариты, малый срок службы и малая механическая прочность. Эти недостатки все острее ощущались по мере усовершенствования и усложнения электронной аппаратуры.

Революционный переворот в радиотехнике произошел, когда на смену устаревшим лампам пришли полупроводниковые усилительные приборы – транзисторы, лишенные всех упомянутых недостатков.
Рождение твердотельной электроники можно отнести к 1833 году. Именно тогда Майкл Фарадей, экспериментируя с сульфидом серебра, обнаружил, что проводимость данного вещества (а это был, как мы теперь называем, полупроводник) растет с повышением температуры, в противоположность проводимости металлов, которая в данном случае уменьшается. Почему так происходит? С чем это связано? На эти вопросы Фарадей ответить не смог.
Тонкий металлический проводник, с помощью которого осуществлялся контакт с поверхностью кристалла, внешне очень напоминал кошачий ус.
Кристаллический детектор Пикарда так и стали называть —кошачий ус.
Чтобы вдохнуть жизнь в детектор Пикарда и заставить его устойчиво работать, требовалось найти наиболее чувствительную точку на поверхности кристалла. Сделать это было непросто. На свет появляется множество хитроумных конструкций кошачего уса облегчающих поиск заветной точки, но стремительный выход на авансцену радиотехники электронных ламп надолго отправляет детектор Пикарда за кулисы.
И все же кошачий ус намного проще и меньше вакуумных диодов, к тому же намного эффективнее на высоких частотах. А что если заменить вакуумный триод, на котором была основана вся радиоэлектроника того времени, на полупроводник? Возможно ли это? В начале ХХ века подобный вопрос не давал покоя многим ученым.
Советская Россия. 1918 год. По личному распоряжению Ленина в Нижнем Новгороде создается радиотехническая лаборатория. Новая власть остро нуждается в беспроволочной телеграфной связи. К работе в лаборатории привлекаются лучшие радиоинженеры того времени — М. А. Бонч-Бруевич, В. П. Вологдин, В. К. Лебединский, В. В. Татаринов и многие другие. Приезжает в Нижний Новгород и Олег Лосев.
После окончания Тверского реального училища в 1920 году и неудачного поступления в Московский институт связи Лосев согласен на любую работу, только бы приняли в лабораторию. Его берут посыльным. Общежития посыльным не полагается.
17-летний Лосев готов жить в помещении лаборатории, на лестничной площадке перед чердаком, только бы заниматься любимым делом.

С раннего возраста он страстно увлекался радиосвязью. В годы Первой мировой войны в Твери была построена радиоприемная станция. В ее задачи входило принимать сообщения от союзников России по Антанте и далее по телеграфу передавать их в Петроград. Лосев часто бывал на радиостанции, знал многих сотрудников, помогал им и не мыслил свою дальнейшую жизнь без радиотехники. В Нижнем Новгороде у него не было ни семьи, ни нормального быта, но было главное — возможность общаться со специалистами в области радиосвязи, перенимать их опыт и знания. После выполнения необходимых работ в лаборатории ему разрешали заниматься самостоятельным экспериментированием.
В то время интерес к кристаллическим детекторам практически отсутствовал. В лаборатории никто особо не занимался этой темой. Приоритет в исследованиях был отдан радиолампам. Лосеву очень хотелось работать самостоятельно. Перспектива получить ограниченный участок работы по лампам его никак не вдохновляет. Может быть, именно по этой причине он выбирает для своих исследований кристаллический детектор. Его цель — усовершенствовать детектор, сделать его более чувствительным и стабильным в работе. Приступая к экспериментам, Лосев ошибочно предполагал, что в связи с тем, что некоторые контакты между металлом и кристаллом не подчиняются закону Ома, то вполне вероятно, что в колебательном контуре, подключенном к такому контакту, могут возникнуть незатухающие колебания.
В то время уже было известно, что для самовозбуждения одной лишь нелинейности вольтамперной характеристики недостаточно, должен обязательно присутствовать падающий участок. Любой грамотный специалист не стал бы ожидать усиления от детектора. Но вчерашний школьник ничего этого не знает. Он меняет кристаллы, материал иглы, аккуратно фиксирует получаемые результаты и в один прекрасный день обнаруживает искомые активные точки у кристаллов, которые обеспечивают генерацию высокочастотных сигналов.
Все с детства знают, что то-то и то-то невозможно, но всегда находится невежда, который этого не знает, он-то и делает открытие — шутил Эйнштейн.
Свои первые исследования генераторных кристаллов Лосев производил на простейшей схеме.
Испытав большое количество кристаллических детекторов, Лосев выяснил, что лучше всего генерируют колебания кристаллы цинкита, подвергнутые специальной обработке. Для получения качественных материалов он разрабатывает технологию приготовления цинкита методом сплавливания в электрической дуге естественных кристаллов. При паре цинкит — угольное острие, при подаче напряжения в10 В получался радиосигнал с длиной волны 68 м. При снижении генерации реализуется усилительный режим детектора.
Первыми изобретенными транзисторами, как ни странно, были полевые. Австро-венгерский физик Юлий Эдгар Лилиенфельд в 1928 году запатентовал принцип работы полевого транзистора, который основан на электростатическом эффекте поля. Полевые транзисторы намного опередили биполярные, может быть из-за более простого принципа их работы. Сам полевой транзистор был запатентован в 1934 году немецким физиком Оскаром Хейлом.

Первый работоспособный транзистор появился на свет в 1947 году, благодаря стараниям сотрудников американской фирмы Bell Telephone Laboratories. Их имена теперь известны всему миру. Это ученые – физики У. Шокли, Д. Бардин и У. Брайтен. Уже в 1956 году за это изобретение все трое были удостоены нобелевской премии по физике.
Но, как и многие великие изобретения, транзистор был замечен не сразу. Лишь в одной из американских газет было упомянуто, что фирма Bell Telephone Laboratories продемонстрировала созданный ею прибор под названием транзистор. Там же было сказано, что его можно использовать в некоторых областях электротехники вместо электронных ламп.
Показанный транзистор имел форму маленького металлического цилиндрика длиной 13 мм и демонстрировался в приемнике, не имевшем электронных ламп. Ко всему прочему, фирма уверяла, что прибор может использоваться не только для усиления, но и для генерации или преобразования электрического сигнала.
Но возможности транзистора, как, впрочем, и многих других великих открытий, были поняты и оценены не сразу. Чтобы вызвать интерес к новому прибору, фирма Bell усиленно рекламировала его на семинарах и в статьях, и предоставляла всем желающим лицензии на его производство.
Производители электронных ламп не видели в транзисторе серьезного конкурента, ведь нельзя было так сразу, одним махом, сбросить со счетов тридцатилетнюю историю производства ламп нескольких сотен конструкций, и многомиллионные денежные вложения в их развитие и производство. Поэтому транзистор вошел в электронику не так быстро, поскольку эпоха электронных ламп еще продолжалась.
Первые шаги к полупроводникам
С давних времен в электротехнике использовались в основном два вида материалов – проводники и диэлектрики (изоляторы). Способностью проводить ток обладают металлы, растворы солей, некоторые газы. Эта способность обусловлена наличием в проводниках свободных носителей заряда – электронов. В проводниках электроны достаточно легко отрываются от атома, но для передачи электрической энергии наиболее пригодны те металлы, которые обладают низким сопротивлением (медь, алюминий, серебро, золото).
К изоляторам относятся вещества с высоким сопротивлением, у них электроны очень крепко связаны с атомом. Это фарфор, стекло, резина, керамика, пластик. Поэтому свободных зарядов в этих веществах нет, а значит нет и электрического тока.
Здесь уместно вспомнить формулировку из учебников физики, что электрический ток это есть направленное движение электрически заряженных частиц под действием электрического поля. В изоляторах двигаться под действием электрического поля просто нечему.
Однако, в процессе исследования электрических явлений в различных материалах некоторым исследователям удавалось «нащупать» полупроводниковые эффекты. Например, первый кристаллический детектор (диод) создал в 1874 году немецкий физик Карл Фердинанд Браун на основе контакта свинца и пирита. (Пирит – железный колчедан, при ударе о кресало высекается искра, отчего и получил название от греческого «пир» — огонь). Позднее этот детектор с успехом заменил когерер в первых приемниках, что значительно повысило их чувствительность.

В 1907 году Беддекер, исследуя проводимость йодистой меди обнаружил, что ее проводимость возрастает в 24 раза при наличии примеси йода, хотя сам йод проводником не является. Но все это были случайные открытия, которым не могли дать научного обоснования. Систематическое изучение полупроводников началось лишь в 1920 — 1930 годы.
Большой вклад в изучение полупроводников внес советский ученый сотрудник знаменитой Нижегородской радиолаборатории О.В. Лосев. Он вошел в историю в первую очередь как изобретатель кристадина (генератор колебаний и усилитель на основе диода) и светодиода.
На заре производства транзисторов основным полупроводником являлся германий (Ge). В плане энергозатрат он весьма экономичен, напряжение отпирания его pn – перехода составляет всего 0,1…0,3В, но вот многие параметры нестабильны, поэтому на замену ему пришел кремний (Si).
Температура, при которой работоспособны германиевые транзисторы не более 60 градусов, в то время, как кремниевые транзисторы могут продолжать работать при 150. Кремний, как полупроводник, превосходит германий и по другим свойствам, прежде всего по частотным.
Кроме того, запасы кремния в природе очень большие, а технология его очистки и обработки проще и дешевле, нежели редкого в природе элемента германия. Первый кремниевый транзистор появился вскоре после первого германиевого — в 1954 году. Это событие даже повлекло за собой новое название «кремниевый век», не надо путать с каменным!
Поначалу при производстве транзисторов лишь каждый пятый получался не бракованным, но технология быстро развивалась. Уже в 1953 году вышел первый транзисторный слуховой аппарат, который ознаменовал начало коммерческого применения нового радиоэлемента. Через год в продажу поступил транзисторный радиоприемник.
В 1956 году Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Брайтейн были удостоены нобелевской премии за свое открытие. В 1958 году, когда пара транзисторов была помещена на один кремниевый кристалл, в мире появилась первая интегральная схема. Сегодня на одном кристалле их помещается более миллиарда.
С изобретением транзистора маховик научно-технического прогресса был запущен с новой силой. В 1960 году Sony выпустила портативный телевизор. В 1971 появился карманный калькулятор. В 1983 году с изобретением мобильного телефона началась эра мобильной связи.
Микропроцессоры и полупроводники. Закат «кремниевого века»
Вы никогда не задумывались над тем, почему в последнее время практически все компьютеры стали многоядерными? Термины двухъядерный или четырехъядерный у всех на слуху. Дело в том, что увеличение производительности микропроцессоров методом повышения тактовой частоты, и увеличения количества транзисторов в одном корпусе, для кремниевых структур практически приблизилось к пределу.
Увеличение количества полупроводников в одном корпусе достигается за счет уменьшения их физических размеров. В 2011 году фирма INTEL уже разработала 32 нм техпроцесс, при котором длина канала транзистора всего 20 нм. Однако, такое уменьшение не приносит ощутимого прироста тактовой частоты, как это было вплоть до 90 нм технологий. Совершенно очевидно, что пора переходить на что-то принципиально новое.

Графен – полупроводник будущего
В 2004 году учеными–физиками был открыт новый полупроводниковый материал графен. Этот основной претендент на замену кремнию также является материалом углеродной группы. На его основе создается транзистор, работающий в трех разных режимах.
По сравнению с существующими технологиями это позволит ровно в три раза сократить количество транзисторов в одном корпусе. Кроме того, по мнению ученых рабочие частоты нового полупроводникового материала могут достигать до 1000 ГГц. Параметры, конечно, очень заманчивые, но пока новый полупроводник находится на стадии разработки и изучения, а кремний до сих пор остается рабочей лошадкой. Его век еще не закончился.

Изобретение транзистора

Субтитры

Транзистор. Эта маленькая фитюлечка о трех ногах, без которой современный мир представить уже невозможно. О нем рассказано всё. Почти всё. Приветствую вас, друзья. Современный мир невозможно представить без транзисторов. Вы можете о них ничего не знать, но они повсюду. Если вы вытяните руку, то обязательно нащупаете нечто, что содержит транзисторы. Вы сейчас смотрите этот фильм только потому, что ваш телевизор, монитор и все остальные ящики сделаны на транзисторах. В вашем компьютере их может быть больше миллиарда. Они всегда востребованы. Из них можно сделать все, что угодно: усилители, ключи, генераторы, логические элементы и все остальное, на что только способна человеческая фантазия. И, естественно, фантазия радиолюбителей. В стародавние времена, когда на свете не было ни микросхем, ни транзисторов, люди с успехом пользовались лампами. Выражаясь по-научному, электровакуумными многоэлектродными приборами. И все было вроде бы хорошо. Но, видимо, не очень. Чего-то все же не хватало. Нам же всегда чего-то не хватает. Зимою лета, осенью весны. Конечно же в истории создания транзистора романтики было… Нет… Романтики совсем не было. От нового усилительного элемента нужны были такие параметры, пределов которых достигли радиолампы. Но как же люди догадались, что усиливать сигналы можно твердотельным элементом, без накала, вакуума и стеклянных колб? Сегодня мы все знаем, что основа транзистора – это p-n-переход в полупроводниковом кристалле. Мы даже изучаем его в средней школе. Но как до него додумались? Что же послужило причиной возникновения мыслей об усилении сигналов и выпрямлении тока с помощью кристалликов и прочих порошков? Любопытство – немаловажный фактор, но в конце 19 века изобрели радио. Это было что-то. Тут, как говорится, ученые всполошились. Вот где можно разгуляться неуемной мысли. На неоднородность проводимости кристаллов различных солей обратили внимание довольно давно. Например, Фарадей более чем за 50 лет до появления первого кристаллического детектора экспериментировал с проводимостью сульфида серебра. Об этом, наверное, все бы забыли, если бы не имя – Фарадей. Более или менее рабочий детектор на переходе металл-полупроводник получил немецкий физик Карл Фердинанд Браун. Да тот самый Браун, который несколько раньше, в 1895 году, создал первый кинескоп, из-за которого Брауна помнят все радиоинженеры. Все же рабочей моделью кристаллического детектора на основе контакта металл-полупроводник мы обязаны Гринлифу Уиттеру Пиккарду (Greenleaf Whittier Pickard). Произошло это в 1906 году. Этот детектор представлял из себя своеобразный прототип диода Шотки. Да что там прототип. По сути это был именно он. В этой кристаллической предтранзисторной эпопее конечно же нельзя пройти мимо работ советского инженера Олега Лосева. С 1920 года он работал в знаменитой на весь СССР нижегородской радиолаборатории, куда он попал с большими приключениями, но знаменитый кристадин он сделал в своей домашней лаборатории как обычный радиолюбитель. Кристадин Лосева представлял из себя детектор с отрицательным дифференциальным сопротивлением на основе кристаллов цинкита (оксид цинка). Позже, когда 1928 году нижегородскую радиолабораторию расформировали и передали в центральную радиолабораторию в Ленинграде, Лосев стал подробно изучать полупроводниковые кристаллы. Часть своих исследований он делал также и в физикотехническом институте с разрешения самого Иоффе. Самое интересное, что Лосев был в шаге от изобретения транзистора. Он выбрал не тот материал – карбид кремния. Но, как говорится, чуть-чуть – не считается. К сожалению Олег Лосев не пережил блокаду Ленинграда. С появлением электровакуумных диодов о кристаллах слегка подзабыли, но не на долго. Во второй половине тридцатых годов с появлением первых сверхвысокочастотных радиолокаторов лампы не справлялись с частотами выше 400 МГц, а твердотельные детекторы работали на частотах гораздо выше. И инженеры засучили рукава. Тут-то и начались серьезные поиски и исследования в области физики полупроводников. Но откатимся на несколько лет назад, примерно в 1925-30 годы, когда появились диод на основе оксида меди и позже селеновый выпрямитель. Селеновые выпрямители, кстати, выпускают по сей день. Они простые, как три копейки, и надежные. У инженеров того времени появилась естественная мысль – внедрить в такой диод какой-нибудь управляющий электрод, наподобие сетки вакуумного триода. И конечно же попытки были. Например, немецкий ученый Роберт Вихард Поль (Robert Wichard Pohl) в 1938 году попытался внедрить сетку в кристалл бромиде калия, но ничего не получилось. Однако, австро-венгерский ученый Юлиус Эдгар Лилиенфельд (Julius Edgar Lilienfeld) в 1926 году получил патент на ни что иное, как полевой транзистор. К сожалению, его идея так и осталась только на бумаге. Технологии того времени не позволили создать прототип. А первый полевой транзистор по схеме патента Лилиенфельда был создал только в 1960 году. В 1936 году в исследовательском центре Bell Telephone Laboratories к группе, работавшей с полупроводниковыми материалами, подключается Уильям Брэдфорд Шокли (William Bradford Shockley) – талантливейший физик теоретик. По утверждению его биографа Джоела Шаркина (Joel N. Shurkin) характер у Шокли с самого детства был мерзопакастным. К этому времени над темой полупроводников уже работал Уолтер Хаузер Браттейн (Walter Houser Brattain). Несколько позже Шокли перевели на другие работы, а группа вместе с Браттейном продолжила работы по изучению и поиску новых материалов для детекторов сверхвысокочастотных колебаний. И вот настал ключевой момент. Инженеры Bell Labs Рассел Шумакер Ол (Russell Shoemaker Ohl) и Джек Холл Скафф (Jack Hall Scaff) экспериментировали с отчисткой кремния для кристаллических детекторов. Произошла интересная штука. Оказалось, что получаемые диоды вели себя непредсказуемо. Одни проводили ток от металла к кристаллу, другие наоборот. А когда обнаружился экземпляр, который вел себя вообще странно, проводил ток то в одну сторону, то в другую, все были ошарашены и вообще ничего не понимали. Чуть позже оказалось, что кристалл реагирует на свет и температуру. А когда Ол показал свои результаты Браттейну, то тот догадался, что фотоэффект возникает в энергетическом барьере. Чуть позже Скафф и Ол обнаружили эту границу между слоями кремния. Именно они дали этим слоям кремния названия p-тип и n-тип от слов positive и negative – положительный и отрицательный. Барьерная зона была названа p-n-переходом. Еще позже стало ясно, что тип проводимости определяется вовсе не степенью чистоты кремния, а совсем наоборот – наличием в нем примесей. Уже экспериментальным путем выяснили, какие именно примеси влияют на тип проводимости. Для p-типа в образцах кремния обнаружили примеси бора и алюминия, а для n-типа – фосфора. Несколько лет эта находка была засекречена, а в 1940 году Ол и Скафф получили на нее патент. Рассекретили все эти данные о p-n-переходе только в 1946 году. В советском союзе в 1941 году тоже велись работы в этой области. Вадим Евгеньевич Лажкарёв экспериментировал с p-n-переходом на основе оксида меди и в результате опубликовал на эту тему две монографии. Сегодня кое-кто пытается представить историю так, что это именно Ложкарев изобрел транзистор, но несмотря на вклад этого ученого в мировую копилку знаний, пользуясь подобной логикой, можно смело утверждать, что транзистор изобрели Адам и Ева. Мы уже видим, какое количество великих умов причастно к появлению транзистора. А тех, что остались в тени, вообще не счесть. И вообще, амбиции до добра не доводят. А к ним мы еще вернемся в нашей американской транзисторной истории. В общем, работы по твердотельному триоду велись в Bell Labs Уолтером Браттейном под руководством Шокли. Группа сосредоточилась на двух полупроводниках: кремнии и германии. Сначала был взят курс по проторенной дороге на создание полевого триода, но с полевиком ничего не получалось. Теория не подтверждалась практикой, и работа зашла в тупик. Но когда в октябре 1945 года к группе присоединился блестящий теоретик Джон Бардин, работы сдвинулись с мертвой точки. А 19 марта 1946 года Бардину удалось объяснить неудачи группы. Шокли, поняв, что не он заметил ошибку, а какой-то выскочка Бардин, обиделся на весь белый свет и устранился от работы. И вот наконец 16 декабря 1947 года Уолтер Браттейн собрал первый работоспособный точечный транзистор. Вообще-то слово «транзистор» появилось позже – в 1948 году после специального конкурса на лучшее название нового устройства. Уже через несколько дней, 23 декабря 1947 года, Браттейн продемонстрировал руководству Bell Labs транзисторный усилитель. Шокли тоже присутствовал на презентации. Увидев такой прорыв, он понял, что упустил свой час – слава достается его подчиненным. Тогда Шокли в тайне от Бардина и Браттейна дома придумал гипотетический плоскостной транзистор, и на одном из научных семинаров с очередной демонстрацией точечного транзистора из-за опасений, что к такому же результату придут его якобы противники, выложил карты на стол. Все были возмущены таким сепаратизмом, но и одновременно восхищены красотой теории. Шокли видел, что точечный транзистор Браттейна был нестабильным и ненадежным. И действительно впоследствии оказалось, что плоскостной транзистор – это будущее. Однако, теория теорией, но на практике начались шекспировские перипетии. Из-за своего скверного характера Шокли переругался со всеми подряд. Он вообще хотел присвоить себе всю славу и права на изобретение транзистора. Однако это довольно темная история, в которой не все ясно. Достоверно известно, что юридически личные права на изобретение транзистора принадлежат Браттейну и Бардину, но администрация Bell Labs, видимо шантажируемая Шокли судебными процессами, повелела, что для общественности и прессы автором транзистора также является и Уильям Бредфорд Шокли. На знаменитой рекламной фотографии и всех кинолентах Шокли красуется вместе с Бардином и Браттейном, но к тому времени он уже был с ними на ножах. Так сложился миф, что авторами изобретения транзистора являются все трое, а на самом деле… Да… С другой стороны, вклад Шокли в теорию полупроводников нельзя преуменьшать. Мы до сих пор ею пользуемся. Но дальнейшая судьба Шокли была, мягко выражаясь, гнусной. Лучше бы она закончилась на этой более или менее красивой ноте. В 1956 году за создание транзистора все трое: Уолтер Браттейн, Джон Бардин и Уильям Шокли были удостоены нобелевской премии по физике. С тех пор прошло не так уж много времени. А транзистор вот он – само совершенство. Транзистор. Блин, упал.

Транзисторная история

Александр Нитусов

Открывая осенний форум Intel для разработчиков (IDF) в Сан-Франциско (www.pcweek.ru/themes/detail.php?ID=102444), старший вице-президент и генеральный менеджер подразделения Digital Enterprise Group корпорации Патрик Гелсингер отметил, что 2007-й стал юбилейным не только для Intel (отметившей десятилетие IDF), но и для всей полупроводниковой отрасли: как признано международным сообществом, 60 лет назад американцы У. Шокли, В. Браттейн и Дж. Бардин изобрели первый транзистор.

Тем не менее, подобные изобретения не делаются на пустом месте «из ничего»; научные достижения советских исследователей и инженеров, равно как и разработки немецких ученых, в 1920—1930-е годы создали теоретические и экспериментальные основы и во многом предопределили появление этого прибора.

Когда и где именно начался «путь к транзистору» , сказать не просто. Его конкретному созданию предшествовал длительный и весьма насыщенный период исследований в области электроники, научных экспериментов и разработок во многих странах. Разумеется, СССР не был исключением. Началом отечественных разработок в этом направлении можно считать труды физика А. Г. Столетова по исследованию фотоэффекта и А. С. Попова по созданию радиопередающих устройств ещё в конце XIX в. Развитие электроники в советское время стимулировалось бурным прогрессом радиотехники в двадцатые годы, немалую роль в котором играли разработки сверхмощных (для того времени) радиоламп, ламповых триггеров и других элементов, выполненные М. А. Бонч-Бруевичем. Одним из факторов, определивших бурное развитие данного направления, стал общий подъём науки и образования в стране.

Историки науки знают, что уровень советских исследований и разработок по всему диапазону вопросов электроники часто превосходил мировой и никогда не опускался ниже него. Это обуславливалось как «взрывным» характером научного прогресса в СССР так и тем, что на развитии науки во многих западных странах весьма негативно сказались период послевоенной (1914—1918 гг.) депрессии, а позже и жестокий экономический кризис 1929—1934 гг.

Одной из первых заинтересовавших экспериментаторов проблем стала односторонняя проводимость в точке соприкосновения металлической пружины и кристаллов полупроводника: требовалось понять причины этого явления.

О. В. Лосев

Советский инженер-радиофизик О. В. Лосев, родившийся в 1903 в Твери, школьником провёл много времени на местной радиостанции, где работали радиоконструкторы В.М. Бонч-Бруевич, В.М. Лещинский и В.К. Лебединскй. В 1920 г. он окончил Тверское реальное училище и начал работу в Нижегородской радиолаборатории (соданной по указу В.И. Ленина в 1918), где Бонч-Бруевич и создавал новые радиолампы. Получив должность лаборанта в отделе В.К. Лебединского, Лосев занялся иследованием кристаллических детекторов. Экспериментируя со слаботочной техникой (работающей при напряжениях до 4В), Лосев исследовал вольт-амперные характеристики детектора из цинкита и угольного волоска (из старой лампы). 13 января 1922 он открыл явление возникновения электромагнитных колебаний и эффект их усиления в полупроводниковом кристаллическом детекторе. Он обнаружил у кристалла падающий участок вольт-амперной характеристики и первым построил генерирующий детектор, т. е. детекторный приемник, способный принимать и усиливать электромагнитные колебания. Свой прибор Лосев и основал на контактной паре металлического острия и кристалла цинкита (оксида цинка), на которую подавалось небольшое напряжение. Прибор Лосева – приемник с генерирующим диодом, вошёл в историю полупроводниковой электроники как «кристадин» (кристаллический гетеродин). Это открытие не оформлялось никакими патентами, но было широко обнародовано и в СССР и за рубежом. Лосев приобрел всемирную известность, а сами кристадины работали (на волне 24 м ) на нескольких радиостанциях Министерства связи (Наркомпочтеля), что принесло автору две премии министерства – в 1922 и 1925 гг. Кристадины производились до начала 1930-х гг., а потом были сменены усовершенствованными радиолампами. Примечательно, что продолжение исследований в этом направлении привело к созданию в 1958 г. туннельных диодов, нашедших применение в вычислительной технике 60-х годов ХХ века. Лосев первым открыл и новое явление — свечение кристаллов карборунда при прохождении тока через точечный контакт. Учёный объяснил это явление существованием в детектирующем контакте некоторого «активного слоя» (впоследствии названного p – n -переходом, от p — positive, n — negative) (статья О. Лосева в журнале «Телеграфия и Телефония без проводов» 1927 г.). В 1929 г. Лосев получил патент СССР (№ 12191) на изобретение светового реле. Само явление свечения мировая печать1920-х гг. называла «светом Лосева» (Lossew Licht, Losev light, etc.), а открывателю (так и не получившему специального образования) по инициативе академика А.Ф. Иоффе в 1938 г. была присуждена степень кандидата физико-математических наук.

В 1926 г. советский физик Я. И. Френкель выдвинул гипотезу о дефектах кристаллической структуры полупроводников, названных «пустыми местами» , или, более привычно, «дырками» , которые могли перемещаться по кристаллу. В 1930-е годы академик А. Ф. Иоффе начал эксперименты с полупроводниками в Ленинградском институте инженерной физики, а в 1932 Иоффе и Френкель разработали теорию выпрямления тока контактном слое металл-полупроводник в которой рассматривался и туннельный эффект.

Параллельно с открытиями советских исследователей достигли успехов и немецкие ученые. Так 1928 Юлиус Эдгар Лилиенфельд запатентовал принципы работы полевого транзистора , хотя конечно, говорить о стабильности его характеристик или их техническом совершенстве в то время было ещё рано. В 1936-38 гг. знаменитый физик Роберт Вихард Поль (основоположник современной физики твёрдого тела), совместно с Р. Хильшем, создали реально работавший прототип транзистора – полупроводниковый усилитель, основанный на кристаллах бромида галлия (опубликовано в Zeitschrift Physik, III (1938)).

Сам факт научного общения в Европе (и не только) вряд ли может вызвать сомнения. В 1920-е и до второй половины 1930-х гг. научная литература и периодика европейских стран, включая СССР, были достижимы почти для каждого ученого и личные контакты также были относительно свободыми. Так например, Роберт Поль посещал СССР в 1928 г., участвуя, вместе с Полем Дираком, Петером Прингсхаймом, Максом Борном, Абрамом Йоффе, Рудольфом Ладенбургом и др. в VI съезде физиков, в Казани. Советские ученые также выезжали в другие страны и поддерживали международные научные контакты. Правда, не всегда это приносило вещественные результаты. Так О. Лосев пытался обсудить физические основы своих открытий в фотолюменисценции с А. Эйнштейном, однако ответа на своё обращение не получил.

Тем не менее, определить степень взаимного влияния результатов конкретных разработок в области электроники и указать насколько независимым было то или иное открытие того периода, не так просто.

В том же 1938 г. украинский академик Б.И. Давыдов и его сотрудники предложили (первую) диффузионную теорию выпрямления переменного тока посредством кристаллических детекторов, в соответствии с которой оно имеет место на границе между двумя слоями проводников, обладающих p- и n- проводимостью. Эта диффузионная теория выпрямления в p – n – p переходе была опубликована Б.И. Давыдовым в 1938 в статье: «К теории движения электронов в газах и полупроводниках» (ЖЭТФ VII , вып. 9-10 стр. 1069-89, 1937, воспроизведено в «Успехах Физических наук» I. XIX вып.1, 1938), последовавшей за его статьей: «О распределении скоростей электронов движущихся в электрическом поле» (ЖЭТФ 6 (5), 463, 1936).

Далее, в СССР, эта теория была подтверждена и развита в исследованиях, работавшего до 1935 в группе А.Ф. Йоффе в Ленинграде, Вадима Евгеньевича Лашкарева, проведенных им в Киеве в 1939—1941 гг. Он установил, что по обе стороны «запорного слоя» , расположенного параллельно границе раздела медь – оксид меди, находятся носители тока противоположных знаков (явление p – n -перехода), а также, что введение в полупроводники примесей резко повышает их способность проводить электрический ток. Лашкарев открыл и механизм инжекции (переноса носителей тока) – явления, составляющего основу действия полупроводниковых диодов и транзисторов. Его работа была прервана начавшейся войной и окупацией, однако по её окончании Лашкарёв вернулся в Киев и в 1946 г. возобновил исследования.

Война прервала не только его работу. Так, Олег Лосев, начавший в 1941 исследования сплавов кремния, который он считал очень перспективным для электроники материалом, скончался от голода в 1942 г. в осажденном Ленинграде.

Так выглядел первый транзистор,
созданный группой специалистов Bell Labs, 1947 г.
(фотография с сайта www.wikipedia.org)

Ко второй половине 1940-х гг. успешные теоретические и эксперементальные довоенные исследования европейцев (включая СССР), а затем и начавшиеся американские разработки, создали благоприятную научную основу для создания более-менее удовлетворительно работавших транзисторов и их производства на промышленном уровне. Так теория p – n – p перехода предложенная Давыдовым в 1938 впоследствии была развита У. Шокли в США. В 1947 г. В. Браттейн и Дж. Бардин, работавшие под руководством Шокли, открыли транзисторный эффект в детекторах, основанных на кристаллах германия. Их эксперименты во многом продолжали довоенные опыты Роберта В. Поля и Р. Хильша с усилителем на базе монокристалла бромида галлия, а также разработки Юлиуса Лилиенфельда. В 1948 г. были опубликованы результаты исследований Шокли и изготовлены первые германиевые транзисторы с точечным контактом. Разумеется, они всё ещё были весьма далеки от совершенства, а их конструкция сохраняла черты лабораторной установки (что, впрочем, характерно для начального периода любого подобного изобретения). Характеристики первых транзисторов отличались неустойчивостью и непредсказуемостью, и поэтому их реальное практическое применение началось уже после 1951 г., когда Шокли создал более надёжный транзистор – планарный, состоявший из трёх слоёв германия типа n — p — n суммарной толщиной 1 см. За открытия в области полупроводников и изобретение транзистора Шокли, Бардин и Браттейн в 1956 г. разделили Нобелевскую премию по физике (примечательно, что Бардин – единственный физик, удостоенный Нобелевской премии дважды: второй раз – в 1972 г. за разработку теории сверхпроводимости).

К сожалению, эпохальное изобретение было омрачено последовавшей попыткой Шокли претендовать на монопольное владение патентом на выпущенный транзистор, однако патентоведы фирмы Белл отклонили претензии, указав, между прочем, что его собственный патент (на основании которого он руководил работой) оказался почти идентичным патенту Лилиенфельда.

Разумеется, создатели первого, достаточно устойчиво функционировавшего, транзистора не начинали «с нулевой отметки» , что попросту невозможно при современном уровне науки и технологий, а продолжали работу предшественников. Об этом говорил и Дж. Бэрдин в вводной части своей Нобелевской лекции (11.12.1956 г.). В частности, Бэрдин отметил, что: «…Основательный теоретический базис имелся уже в (Европейских) работах выполненных в 1930-е гг.:

• Квантовая механическая теория Вильсона, основанная на модели энергетической зоны, описывающая проводимость в терминах избыточных электронов и дырок. Это основа всего последующего развития. Теория показывает, как концентрация носителей зависит от температуры и наличия примесей.»
• «Теория Френкеля о явлении фотопроводимости (изменение потенциала в точке контакта при (изменении) освещённости и электрический эффект фотогенерирования). В них приводятся общие уравнения, описывающие протекание тока при наличии неравновесной концентрации дырок и проводящих электронов. Он открыл что ток (электронов) может происходить по причине диффузии в перепаде концентрации, равно как и за счёт электрического поля.»
• «Независимые, параллельные разработки по теории выпрямления в контактной зоне были выполнены Моттом, Шоттки и Давыдовым. Наиболее полная математическая теория была разработана Шоттки и его сотрудником Шпенке.»

В списке источников, помещенном в лекции, под номером 2 значится Я.И. Фрнекель ( Physik Z. Sowjetunion 8 (1935) 185), под ном. 4 – Б.И. Давыдов (J. Tech. Phys. U.S.S.R, 5(1938)87), под ном. 6 – R . Hilsch and R. W. Pohl, (Z. Physik, III (1938) 399), а под ном. 7 помещен комментарий о том что: «Усилители основанные на принципе полевого эффекта ранее уже приводились в патентной литературе (Р. Лилиенфельд и др.), но были несовершенны / not successful /» .).

Первые отечественные транзисторы П1А и П3А
(с радиатором), 1957 г.

Однако времена менялись и в 1950-е гг. развитие транзистора шло полным ходом. Полым ходом шла работа и в СССР. Начиная с 1946 г. В.Е. Лашкарёв успешно разворачивал научные исследования в разрушенном войной Киеве. Вскоре он открыл биполярную диффузию неравновесных носителей тока в полупроводниках, а в начале 1950-х изготовил первые точечные транзисторы в лабораторных условиях. То, что результаты их опытной эксплуатации были обнадёживающими, подтверждается следующим любопытным эпизодом.

Пионер советской вычислительной техники – академик С. А. Лебедев, создавший в Киеве первую советскую ЭВМ МЭСМ (1949—1951) и основавший там научную школу, приезжал в Киев в день своего 50-летия (2 ноября 1952 г.). Там он услышал о транзисторах Лашкарёва и, игнорируя подготовленные в его честь торжества (а Лебедев вообще не любил никакого официоза, справедливо полагая его пустой тратой времени), отправился прямиком в лабораторию при Институте физики АН Украинской ССР. Познакомившись с Лашкарёвым и его разработками, Лебедев предложил сопровождавшему его аспиранту А. Кондалеву начать проектирование ряда устройств ЭВМ на базе новых транзисторов и диодов, что тот и сделал после трехмесячной стажировки у Лашкарёва. (Об этом случае автору рассказал другой аспирант Лебедева – ныне академик НАН Украины Б.Н. Малиновский, также присутствовавший при встрече и впоследствии включившийся в упомянутую работу.) Правда, сведения о каком-либо промышленном развитии этого проекта, по крайней мере в гражданской области, отсутствуют, но это и понятно: массового производства транзисторов в те годы ещё не существовало.

Широкое применение транзисторов во всём мире началось позже. Тем не менее, научные заслуги Лашкарёва были оценены: он возглавил новый Институт полупроводников АН Украины, который был открыт в 1960 г.

В СССР работа по транзисторам велась почти в таком же темпе, что и за рубежом. Параллельно с киевской лабораторией Лашкарёва исследовательская группа московского инженера А. В. Красилова в 1948 г. создала германиевые диоды для радиолокационных станций. В феврале 1949-го Красилов и его помощница Сусанна Мадоян (Сусанна Гукасовна Мадоян – в то время студентка Московского химико-технологического института, выполнявшая дипломную работу по теме «Точечный транзистор» ) впервые наблюдали транзисторный эффект. Правда, первый лабораторный образец работал не более часа, а затем требовал новой настройки. Тогда же Красилов и Мадоян опубликовали первую в Советском Союзе статью о транзисторах, называвшуюся «Кристаллический триод» .

Приблизительно в то же время точечные транзисторы были разработаны и в других лабораториях страны. Так, в 1950 г. экспериментальные образцы германиевых транзисторов были созданы в Физическом институте Академии наук (Б.М. Вулом, А.В. Ржановым, В.С. Вавиловым и др.) и Ленинградском физико-техническом институте (В.М. Тучкевичем, Д.Н. Наследовым).

В 1953 г. был организован первый в СССР институт полупроводников (ныне — НИИ «Пульсар» ). Туда была переведена лаборатория Красилова, в которой Мадоян разработала первые сплавные германиевые транзисторы. Их развитие связано с расширением частотного предела и повышением КПД транзистора. Соответствующие работы проводились совместно с лабораторией профессора С. Г. Калашникова в ЦНИИ-108 (ныне ГосЦНИРТИ): начинался новый период, характеризуемый сотрудничеством различных организаций, специализировавшихся в полупроводниковой области. В конце же 1940-х одинаковые открытия часто делались независимо друг от друга, а их авторы не имели информации о достижениях своих коллег. Причиной такой «научной параллельности» была секретность исследований в области электроники, имевшей оборонное значение. Подобная картина наблюдалась и при создании первых электронных компьютеров будущих потребителей транзисторов.

Впрочем, секретность отнюдь не была некой «советской особенностью» : оборонные разработки засекречиваются во всем мире. Изобретение транзистора тоже было строго засекречено фирмой Bell (где в то время работал Шокли), и первое сообщение о нем появилось в печати только 1 июля 1948 г.: в небольшой заметке газеты The New York Times, где без лишних подробностей сообщалось о создании подразделением Bell Telephone Laboratories твердотельного электронного прибора, заменявшего электронную лампу.

С образованием сети специальных научно-исследовательских организаций развитие транзисторов постоянно ускорялось. В начале 1950-х в НИИ-160 Ф. А. Щиголь и Н. Н. Спиро ежедневно выпускали десятки промышленных экземпляров точечных транзисторов типа С1-С4, а М. М. Самохвалов разрабатывал в НИИ-35 новые решения по групповой технологии, технологии «вплавления – диффузии» для получения тонкой базы ВЧ-транзисторов. В 1953 г. на основе исследований термоэлектрических свойств полупроводников А. Ф. Иоффе создал серию термоэлектрогенераторов, а в НИИ-35 были изготовлены планарные транзисторы П1, П2, П3. Вскоре в лаборатории С. Г. Калашникова был получен германиевый транзистор для частот 1,0 — 1,5 МГц, а Ф. А. Щиголь сконструировал кремниевые сплавные транзисторы типа П501-П503.

В 1957 г. советская промышленность выпустила 2,7 млн. транзисторов. Начавшееся создание и развитие ракетной и космической техники, а затем и вычислительных машин, а так же потребности приборостроения и других отраслей экономики полностью удовлетворялись транзисторами и другими электронными компонентами отечественного производства.

Статья опубликована в журнале PCWeek/RE №41 (599) 2007
Печатается с разрешения автора.
Статья помещена в музей 6.01.2008

Транзисторная история. Изобретение транзисторов и развитие полупроводниковой электроники – Компоненты и технологии

Ровно 50 лет назад американцам Джону Бардину, Уолтеру Браттейну и Уильяму Шокли (рис. 1) была присуждена Нобелевская премия по физике «За исследования в области полупроводников и открытие транзистора». Тем не менее, анализ истории науки однозначно свидетельствует, что открытие транзистора — это не только заслуженный успех Бардина, Браттейна и Шокли.

Рис. 1. Лауреаты Нобелевской премии по физике за 1956 год

Первые опыты

Рождение твердотельной электроники можно отнести к 1833 году. Именно тогда Майкл Фарадей (рис. 2), экспериментируя с сульфидом серебра, обнаружил, что проводимость данного вещества (а это был, как мы теперь называем, полупроводник) растет с повышением температуры, в противоположность проводимости металлов, которая в данном случае уменьшается. Почему так происходит? С чем это связано? На эти вопросы Фарадей ответить не смог.

Рис. 2. Майкл Фарадей и его лаборатория

Следующей вехой в развитии твердотельной электроники стал 1874 год. Немецкий физик Фердинанд Браун (рис. 3), будущий нобелевский лауреат (в 1909 году он получит премию «За выдающийся вклад в создание беспроволочной телеграфии») публикует статью в журнале Analen der Physik und Chemie, в которой на примере «естественных и искусственных серных металлов» описывает важнейшее свойство полупроводников — проводить электрический ток только в одном направлении. Выпрямляющее свойство контакта полупроводника с металлом противоречило закону Ома. Браун (рис. 4) пытается объяснить наблюдаемое явление и проводит дальнейшие исследования, но безрезультатно. Явление есть, объяснения нет. По этой причине современники Брауна не заинтересовались его открытием, и только пять десятилетий спустя выпрямляющие свойства полупроводников были использованы в детекторных приемниках.

Рис. 3. Фердинанд Браун

Рис. 4. Фердинанд Браун в своей лаборатории

Год 1906. Американский инженер Гринлиф Виттер Пикард (рис. 5) получает патент на кристаллический детектор (рис. 6). В своей заявке на получение патента он пишет: «Контакт между тонким металлическим проводником и поверхностью некоторых кристаллических материалов (кремний, галенит, пирит и др.) выпрямляет и демодулирует высокочастотный переменный ток, возникающий в антенне при приеме радиоволн».

Рис. 5. Гринлиф Пикард

Рис. 6. Принципиальная схема кристаллического детектора Пикарда

Тонкий металлический проводник, с помощью которого осуществлялся контакт с поверхностью кристалла, внешне очень напоминал кошачий ус.

Кристаллический детектор Пикарда так и стали называть — «кошачий ус» (cat’s whisker).

Чтобы «вдохнуть жизнь» в детектор Пикарда и заставить его устойчиво работать, требовалось найти наиболее чувствительную точку на поверхности кристалла. Сделать это было непросто. На свет появляется множество хитроумных конструкций «кошачего уса» (рис. 7), облегчающих поиск заветной точки, но стремительный выход на авансцену радиотехники электронных ламп надолго отправляет детектор Пикарда за кулисы.

Рис. 7. Вариант конструкции «кошачий ус»

И все же «кошачий ус» намного проще и меньше вакуумных диодов, к тому же намного эффективнее на высоких частотах. А что если заменить вакуумный триод, на котором была основана вся радиоэлектроника того времени, (рис. 8) на полупроводник? Возможно ли это? В начале ХХ века подобный вопрос не давал покоя многим ученым.

Рис. 8. Вакуумный триод

Лосев

Советская Россия. 1918 год. По личному распоряжению Ленина в Нижнем Новгороде создается радиотехническая лаборатория (рис. 9). Новая власть остро нуждается в «беспроволочной телеграфной» связи. К работе в лаборатории привлекаются лучшие радиоинженеры того времени — М. А. Бонч-Бруевич, В. П. Вологдин, В. К. Лебединский, В. В. Татаринов и многие другие.

Рис. 9. Нижегородская радиолаборатория

Приезжает в Нижний Новгород и Олег Лосев (рис. 10).

Рис. 10. Олег Владимирович Лосев

После окончания Тверского реального училища в 1920 году и неудачного поступления в Московский институт связи Лосев согласен на любую работу, только бы приняли в лабораторию. Его берут посыльным. Общежития посыльным не полагается.

17-летний Лосев готов жить в помещении лаборатории, на лестничной площадке перед чердаком, только бы заниматься любимым делом.

С раннего возраста он страстно увлекался радиосвязью. В годы Первой мировой войны в Твери была построена радиоприемная станция. В ее задачи входило принимать сообщения от союзников России по Антанте и далее по телеграфу передавать их в Петроград. Лосев часто бывал на радиостанции, знал многих сотрудников, помогал им и не мыслил свою дальнейшую жизнь без радиотехники. В Нижнем Новгороде у него не было ни семьи, ни нормального быта, но было главное — возможность общаться со специалистами в области радиосвязи, перенимать их опыт и знания. После выполнения необходимых работ в лаборатории ему разрешали заниматься самостоятельным экспериментированием.

В то время интерес к кристаллическим детекторам практически отсутствовал. В лаборатории никто особо не занимался этой темой. Приоритет в исследованиях был отдан радиолампам. Лосеву очень хотелось работать самостоятельно. Перспектива получить ограниченный участок работы «по лампам» его никак не вдохновляет. Может быть, именно по этой причине он выбирает для своих исследований кристаллический детектор. Его цель — усовершенствовать детектор, сделать его более чувствительным и стабильным в работе. Приступая к экспериментам, Лосев ошибочно предполагал, что «в связи с тем, что некоторые контакты между металлом и кристаллом не подчиняются закону Ома, то вполне вероятно, что в колебательном контуре, подключенном к такому контакту, могут возникнуть незатухающие колебания». В то время уже было известно, что для самовозбуждения одной лишь нелинейности вольтамперной характеристики недостаточно, должен обязательно присутствовать падающий участок. Любой грамотный специалист не стал бы ожидать усиления от детектора. Но вчерашний школьник ничего этого не знает. Он меняет кристаллы, материал иглы, аккуратно фиксирует получаемые результаты и в один прекрасный день обнаруживает искомые активные точки у кристаллов, которые обеспечивают генерацию высокочастотных сигналов.

«Все с детства знают, что то-то и то-то невозможно, но всегда находится невежда, который этого не знает, он-то и делает открытие», — шутил Эйнштейн.

Свои первые исследования генераторных кристаллов Лосев производил на простейшей схеме, представленной на рис. 11.

Рис. 11. Схема первых опытов Лосева

Испытав большое количество кристаллических детекторов, Лосев выяснил, что лучше всего генерируют колебания кристаллы цинкита, подвергнутые специальной обработке. Для получения качественных материалов он разрабатывает технологию приготовления цинкита методом сплавливания в электрической дуге естественных кристаллов. При паре цинкит — угольное острие, при подаче напряжения в10 В получался радиосигнал с длиной волны 68 м. При снижении генерации реализуется усилительный режим детектора.

Заметим, что «генерирующий» детектор был впервые продемонстрирован еще в 1910 году английским физиком Уильямом Икклзом (рис. 12).

Рис 12. Уильям Генри Икклз

Новое физическое явление не привлекает внимания специалистов, и о нем на какое-то время забывают. Икклз тоже ошибочно объяснял механизм «отрицательного» сопротивления исходя из того, что сопротивление полупроводника падает с увеличением температуры вследствие тепловых эффектов, возникающих на границе «металл–полупроводник».

В 1922 году на страницах научного журнала «Телеграфия и телефония без проводов» появляется первая статья Лосева, посвященная усиливающему и генерирующему детектору. В ней он очень подробно описывает результаты своих экспериментов, причем особое внимание уделяет обязательному присутствию падающего участка вольтамперной характеристики контакта.

В те годы Лосев активно занимается самообразованием. Его непосредственный руководитель профессор В. К. Лебединский помогает ему в изучении радиофизики. Лебединский понимает, что его молодой сотрудник сделал настоящее открытие и тоже пытается дать объяснение наблюдаемому эффекту, но тщетно. Фундаментальная наука того времени еще не знает квантовой механики. Лосев, в свою очередь, выдвигает гипотезу, что при большом токе в зоне контакта возникает некий электрический разряд наподобие вольтовой дуги, но только без разогрева. Этот разряд закорачивает высокое сопротивление контакта, обеспечивая генерацию.

Лишь через тридцать лет сумели понять, что собственно было открыто. Сегодня мы бы сказали, что прибор Лосева — это двухполюсник с N-образной вольтамперной характеристикой, или туннельный диод, за который в 1973 году японский физик Лео Исаки (рис. 13) получил Нобелевскую премию.

Рис. 13. Лео Исаки

Руководство нижегородской лаборатории понимало, что серийно воспроизвести эффект не удастся. Немного поработав, детекторы практически теряли свойства усиления и генерации. Об отказе от ламп не могло быть и речи. Тем не менее практическая значимость открытия Лосева была огромной.

В 1920-е годы во всем мире, в том числе и в Советском Союзе, радиолюбительство принимает характер эпидемии. Советские радиолюбители пользуются простейшими детекторными приемниками, собранными по схеме Шапошникова (рис. 14).

Рис. 14. Детекторный приемник Шапошникова

Для повышения громкости и дальности приема применяются высокие антенны. В городах применять такие антенны было затруднительно из-за промышленных помех. На открытой местности, где практически нет помех, хороший прием радиосигналов не всегда удавался из-за низкого качества детекторов. Введение в антенный контур приемника отрицательного сопротивления детектора с цинкитом, поставленного в режим, близкий к самовозбуждению, значительно усиливало принимаемые сигналы. Радиолюбителям удавалось услышать самые отдаленные станции. Заметно повышалась избирательность приема. И это без использования электронных ламп!

Лампы были не дешевы, причем к ним требовался специальный источник питания, а детектор Лосева мог работать от обычных батареек для карманного фонарика.

В итоге оказалось, что простые приемники конструкции Шапошникова с генерирующими кристаллами предоставляют возможность осуществлять гетеродинный прием, являвшийся в то время последним словом радиоприемной техники. В последующих статьях Лосев описывает методику быстрого поиска активных точек на поверхности цинкита и заменяет угольное острие металлическим. Он дает рекомендации, как следует обрабатывать кристаллы и приводит несколько практических схем для самостоятельной сборки радиоприемников (рис. 15).

Рис. 15. Принципиальная схема кристадина О. В. Лосева

Устройство Лосева позволяет не только принимать сигналы на больших расстояниях, но и передавать их. Радиолюбители в массовом порядке, на основе детекторов-генераторов, изготавливают радиопередатчики, поддерживающие связь в радиусе нескольких километров. Вскоре издается брошюра Лосева (рис. 16). Она расходится миллионными тиражами. Восторженные радиолюбители писали в различные научно-популярные журналы, что «при помощи цинкитного детектора в Томске, например, можно услышать Москву, Нижний и даже заграничные станции».

Рис. 16. Брошюра Лосева, издание 1924 года

На все свои технические решения Лосев получает патенты, начиная с «Детекторного приемника-гетеродина», заявленного в декабре 1923 года.

Статьи Лосева печатаются в таких журналах, как «ЖЭТФ», «Доклады АН СССР», Radio Revue, Philosophical Magazine, Physikalische Zeitschrift.

Лосев становится знаменитостью, а ведь ему еще не исполнилось и двадцати лет!

Например, в редакторском предисловии к статье Лосева «Осциллирующие кристаллы» в американском журнале The Wireless World and Radio Review за октябрь 1924 года говорится: «Автор этой статьи, господин Олег Лосев из России, за сравнительно короткий промежуток времени приобрел мировую известность в связи с его открытием осциллирующих свойств у некоторых кристаллов».

Другой американский журнал — Radio News — примерно в то же время публикует статью под заголовком «Сенсационное изобретение», в которой отмечается: «Нет необходимости доказывать, что это — революционное радиоизобретение. В скором времени мы будем говорить о схеме с тремя или шестью кристаллами, как мы говорим сейчас о схеме с тремя или шестью усилительными лампами. Потребуется несколько лет, чтобы генерирующий кристалл усовершенствовался настолько, чтобы стать лучше вакуумной лампы, но мы предсказываем, что такое время наступит».

Автор этой статьи Хьюго Гернсбек называет твердотельный приемник Лосева — кристадином (кристалл + гетеродин). Причем не только называет, но и предусмотрительно регистрирует название, как торговую марку (рис. 17). Спрос на кристадины огромен.

Рис. 17. Кристаллический детектор Лосева. Изготовлен в Radio News Laboratories. США, 1924 год

Интересно, что когда в нижегородскую лабораторию приезжают немецкие радиотехники, чтобы лично познакомиться с Лосевым, они не верят своим глазам. Они поражаются таланту и юному возрасту изобретателя. В письмах из-за границы Лосева величали не иначе как профессором. Никто и представить не мог, что профессор еще только постигает азы науки. Впрочем, очень скоро Лосев станет блестящим физиком-экспериментатором и еще раз заставит мир заговорить о себе.

В лаборатории с должности рассыльного его переводят в лаборанты, предоставляют жилье. В Нижнем Новгороде Лосев женится (правда, неудачно, как оказалось впоследствии), обустраивает свой быт и продолжает заниматься кристаллами.

В 1928 году, по решению правительства, тематика нижегородской радиолаборатории вместе с сотрудниками передается в Центральную радиолабораторию в Ленинграде, которая, в свою очередь, тоже постоянно реорганизуется. На новом месте Лосев продолжает заниматься полупроводниками, но вскоре Центральную радиолабораторию преобразовывают в Институт радиовещательного приема и акустик. В новом институте своя программа исследований, тематика работ сужается. Лаборанту Лосеву удается устроиться по совместительству в Ленинградский физико-технический институт (ЛФТИ), где у него появляется возможность продолжить исследования новых физических эффектов в полупроводниках. В конце 1920-х годов у Лосева появилась идея создать твердотельный аналог трехэлектродной вакуумной радиолампы.

В 1929–1933 гг., по предложению А. Ф. Иоффе, Лосев проводит исследования полупроводникового устройства, полностью повторяющего конструкцию точечного транзистора. Как известно, принцип действия этого прибора заключается в управлении током, текущим между двумя электродами, с помощью дополнительного электрода. Лосев действительно наблюдал данный эффект, но, к сожалению, общий коэффициент такого управления не позволял получить усиление сигнала. Для этой цели Лосев использовал только кристалл карборунда (SiC), а не кристалл цинкита (ZnO), имевшего значительно лучшие характеристики в кристаллическом усилителе (Что странно! Ему ли не знать о свойствах этого кристалла.) До недавнего времени считалось, что после вынужденного ухода из ЛФТИ Лосев не возвращался к идее полупроводниковых усилителей. Однако существует довольно любопытный документ, написанный самим Лосевым. Он датирован 12 июля 1939 года и в настоящее время хранится в Политехническом музее. В этом документе, озаглавленном «Жизнеописание Олега Владимировича Лосева», кроме интересных фактов его жизни содержится и перечень научных результатов. Особый интерес вызывают следующие строки: «Установлено, что с полупроводниками может быть построена трехэлектродная система, аналогичная триоду, как и триод, дающая характеристики, показывающие отрицательное сопротивление. Эти работы в настоящее время подготавливаются мною к печати…».

К сожалению, пока не установлена судьба этих работ, которые могли бы полностью изменить представление об истории открытия транзистора — самого революционного изобретения XX века.

Рассказывая о выдающемся вкладе Олега Владимировича Лосева в развитие современной электроники, просто невозможно не упомянуть о его открытии светоизлучающего диода.

Масштаб этого открытия нам еще только предстоит понять. Пройдет не так много времени, и в каждом доме вместо привычной лампы накаливания будут гореть «электронные генераторы света», как назвал светодиоды Лосев.

Еще в 1923 году, экспериментируя с кристадинами, Лосев обратил внимание на свечение кристаллов при пропускании через них электрического тока. Особенно ярко светились карборундовые детекторы. В 1920-е годы на Западе явление электролюминесценции одно время даже называли «свет Лосева» (Losev light, Lossew Licht). Лосев занялся изучением и объяснением полученной электролюминесценции. Он первым оценил огромные перспективы таких источников света, особо подчеркивая их высокую яркость и быстродействие. Лосев стал обладателем первого патента на изобретение светового релеприбора с электролюминесцентным источником света.

В 70-х годах ХХ века, когда светодиоды стали широко применяться, в журнале Electronic World за 1907 год была обнаружена статья англичанина Генри Роунда, в которой автор, будучи сотрудником лаборатории Маркони, сообщал, что видел свечение в контакте карборундового детектора при подаче на него внешнего электрического поля. Никаких соображений, объясняющих физику этого явления, не приводилось. Данная заметка не оказала никакого влияния на последующие исследования в области электролюминесценции, тем не менее, автор статьи сегодня официально считается первооткрывателем светодиода.

Лосев независимо открыл явление электролюминесценции и провел ряд исследований на примере кристалла карборунда. Он выделил два физически различных явления, которые наблюдаются при разной полярности напряжения на контактах. Его несомненной заслугой является обнаружение эффекта предпробойной электролюминесценции, названной им «свечение номер один», и инжекционной электролюминесценции — «свечение номер два». В наши дни эффект предпробойной люминесценции широко применяется при создании электролюминесцентных дисплеев, а инжекционная электролюминесценция является основой светодиодов и полупроводниковых лазеров. Лосеву удалось существенно продвинуться в понимании физики этих явлений задолго до создания зонной теории полупроводников. Впоследствии, в 1936 году, свечение номер один было заново обнаружено французским физиком Жоржем Дестрио. В научной литературе оно известно под названием «эффект Дестрио», хотя сам Дестрио приоритет в открытии этого явления отдавал Олегу Лосеву. Наверное, было бы несправедливо оспаривать приоритет Роунда в открытии светодиода. И все же нельзя забывать, что изобретателями радио по праву считаются Маркони и Попов, хотя всем известно, что радиоволны первым наблюдал Герц. И таких примеров в истории науки множество.

В своей статье Subhistory of Light Emitting Diode известный американский ученый в области электролюминесценции Игон Лобнер пишет о Лосеве: «Своими пионерскими исследованиями в области светодиодов и фотодетекторов он внес вклад в будущий прогресс оптической связи. Его исследования были так точны и его публикации так ясны, что без труда можно представить сейчас, что тогда происходило в его лаборатории. Его интуитивный выбор и искусство эксперимента просто изумляют».

Сегодня мы понимаем, что без квантовой теории строения полупроводников представить развитие твердотельной электроники невозможно. Поэтому талант Лосева поражает воображение. Он с самого начала видел единую физическую природу кристадина и явления инжекционной люминесценции и в этом значительно опередил свое время.

После него исследования детекторов и электролюминесценции проводились отдельно друг от друга, как самостоятельные направления. Анализ результатов показывает, что на протяжении почти двадцати лет после появления работ Лосева не было сделано ничего нового с точки зрения понимания физики этого явления. Только в 1951 году американский физик Курт Леховец (рис. 18) установил, что детектирование и электролюминесценция имеют единую природу, связанную с поведением носителей тока в p-n-переходах.

Рис. 18. Курт Леховец

Следует отметить, что в своей работе Леховец приводит в первую очередь ссылки на работы Лосева, посвященные электролюминесценции.

В 1930–31 гг. Лосев выполнил на высоком экспериментальном уровне серию опытов с косыми шлифами, растягивающими исследуемую область, и системой электродов, включаемых в компенсационную измерительную схему, для измерения потенциалов в разных точках поперечного сечения слоистой структуры. Перемещая металлический «кошачий ус» поперек шлифа, он показал с точностью до микрона, что приповерхностная часть кристалла имеет сложное строение. Он выявил активный слой толщиной приблизительно в десять микрон, в котором наблюдалось явление инжекционной люминесценции. По результатам проведенных экспериментов Лосев сделал предположение, что причиной униполярной проводимости является различие условий движения электрона по обе стороны активного слоя (или, как бы мы сказали сегодня, — разные типы проводимости). Впоследствии, экспериментируя с тремя и более зондами-электродами, расположенными в данных областях, он действительно подтвердил свое предположение. Эти исследования являются еще одним значительным достижением Лосева как ученого-физика.

В 1935 году, в результате очередной реорганизации радиовещательного института и непростых отношений с руководством, Лосев остается без работы. Лаборанту Лосеву дозволялось делать открытия, но не греться в лучах славы. И это при том, что его имя было хорошо известно сильным мира сего. В письме, датируемом 16 мая 1930 года, академик А. Ф. Иоффе пишет своему коллеге Паулю Эренфесту: «В научном отношении у меня ряд успехов. Так, Лосев получил в карборунде и других кристаллах свечение под действием электронов в 2–6 вольт. Граница свечения в спектре ограничена…».

В ЛФТИ у Лосева долгое время было свое рабочее место, но в институт его не берут, слишком независимый он человек. Все работы выполнял самостоятельно — ни в одной из них нет соавторов.

При помощи друзей Лосев устраивается ассистентом на кафедру физики Первого медицинского института. На новом месте ему намного сложнее заниматься научной работой, поскольку нет необходимого оборудования. Тем не менее, задавшись целью выбрать материал для изготовления фотоэлементов и фотосопротивлений, Лосев продолжает исследования фотоэлектрических свойств кристаллов. Он изучает более 90 веществ и особо выделяет кремний с его заметной фоточувствительностью.

В то время не было достаточно чистых материалов, чтобы добиться точного воспроизведения полученных результатов, но Лосев (в который раз!) чисто интуитивно понимает, что этому материалу принадлежит будущее. В начале 1941 года он приступает к работе над новой темой — «Метод электролитных фотосопротивлений, фоточувствительность некоторых сплавов кремния». Когда началась Великая Отечественная война, Лосев не уезжает в эвакуацию, желая завершить статью, в которой излагал результаты своих исследований по кремнию. По всей видимости, ему удалось закончить работу, так как статья была отослана в редакцию «ЖЭТФ». К тому времени редакция уже была эвакуирована из Ленинграда. К сожалению, после войны не удалось найти следы этой статьи, и теперь можно лишь догадываться о ее содержании.

22 января 1942 года Олег Владимирович Лосев умер от голода в блокадном Ленинграде. Ему было 38 лет.

В том же 1942 году в США компании Sylvania и Western Electric начали промышленное производство кремниевых (а чуть позже и германиевых) точечных диодов, которые использовались в качестве детекторовсмесителей в радиолокаторах. Смерть Лосева совпала по времени с рождением кремниевых технологий.

Военный трамплин

В 1925 году корпорация American Telephone and Telegraph (AT&T) открывает научный и опытно-конструкторский центр Bell Telephone Laboratories. В 1936 году директор Bell Telephone Laboratories Мервин Келли решает сформировать группу ученых, которая провела бы серию исследований, направленных на замену ламповых усилителей полупроводниковыми. Группу возглавил Джозеф Бекер, привлекший к работе физика-теоретика Уильяма Шокли и блестящего экспериментатора Уолтера Браттейна.

Окончив докторантуру в Массачусетском технологическом институте, знаменитом МТИ, и поступив на работу в Bell Telephone Laboratories, Шокли, будучи исключительно амбициозным и честолюбивым человеком, энергично берется за дело. В 1938 году, в рабочей тетради 26-летнего Шокли появляется первый набросок полупроводникового триода. Идея проста и не отличается оригинальностью: сделать устройство, максимально похожее на электронную лампу, с тем лишь отличием, что электроны в нем будут протекать по тонкому нитевидному полупроводнику, а не пролетать в вакууме между катодом и анодом. Для управления током полупроводника предполагалось ввести дополнительный электрод (аналог сетки) — прикладывая к нему напряжение разной полярности. Таким образом, можно будет либо уменьшать, либо увеличивать количество электронов в нити и, соответственно, изменять ее сопротивление и протекающий ток. Все как в радиолампе, только без вакуума, без громоздкого стеклянного баллона и без подогрева катода. Вытеснение электронов из нити или их приток должен был происходить под влиянием электрического поля, создаваемого между управляющим электродом и нитью, то есть благодаря полевому эффекту. Для этого нить должна быть именно полупроводниковой. В металле слишком много электронов и никакими полями их не вытеснишь, а в диэлектрике свободных электронов практически нет. Шокли приступает к теоретическим расчетам, однако все попытки построить твердотельный усилитель ни к чему не приводят.

В то же время в Европе немецкие физики Роберт Поль и Рудольф Хилш создали на основе бромида калия работающий контактный трехэлектродный кристаллический усилитель. Тем не менее, никакой практической ценности немецкий прибор не представлял. У него была очень низкая рабочая частота. Есть сведения, что в первой половине 1930-х годов трехэлектродные полупроводниковые усилители «собрали» и два радиолюбителяканадец Ларри Кайзер и новозеландский школьник Роберт Адамс. Адамс, в дальнейшем ставший радиоинженером, замечал, что ему никогда не приходило в голову оформить патент на изобретение, так как всю информацию для своего усилителя он почерпнул из радиолюбительских журналов и других открытых источников.

К 1926–1930 гг. относятся работы Юлиуса Лилиенфельда (рис. 19), профессора Лейпцигского университета, который запатентовал конструкцию полупроводникового усилителя, в наше время известного под названием полевой транзистор (рис. 20).

Рис. 19. Юлиус Лилиенфельд

Рис. 20. Патент Ю. Лилиенфельда на полевой транзистор

Лилиенфельд предполагал, что при подаче напряжения на слабо проводящий материал будет меняться его проводимость и в связи с этим возникнет усиление электрических колебаний. Несмотря на получение патента, создать работающий прибор Лилиенфельд не сумел. Причина была самая прозаическая — в 30-х годах ХХ века еще не нашлось необходимого материала, на основе которого можно было бы изготовить работающий транзистор. Именно поэтому усилия большинства ученых того времени были направлены на изобретение более сложного биполярного транзистора. Таким образом, пытались обойти трудности, возникшие при реализации полевого транзистора.

Работы по твердотельному усилителю в Bell Telephone Laboratories прерываются с началом Второй мировой войны. Уильям Шокли и многие его коллеги откомандированы в распоряжение министерства обороны, где работают до конца 1945 года.

Твердотельная электроника не представляла интереса для военных — достижения им представлялись сомнительными. За одним исключением. Детекторы. Они-то как раз и оказались в центре исторических событий.

В небе над Ла-Маншем развернулась грандиозная битва за Британию, достигшая апогея в сентябре 1940 года. После оккупации Западной Европы Англия осталась один на один с армадой немецких бомбардировщиков, разрушающих береговую оборону и подготавливающих высадку морского десанта для захвата страны — операцию «Морской лев». Трудно сказать, что спасло Англию — чудо, решительность премьера Уинстона Черчилля или радиолокационные станции. Появившиеся в конце 30-х годов радары позволяли быстро и точно обнаруживать вражеские самолеты и своевременно организовывать противодействие. Потеряв в небе над Британией более тысячи самолетов, гитлеровская Германия сильно охладела к идее захвата Англии в 1940-м и приступила к подготовке блицкрига на Востоке.

Англии были нужны радары, радарам — кристаллические детекторы, детекторам — чистые германий и кремний. Первым, и в значительных количествах, на заводах и в лабораториях появился германий. С кремнием, из-за высокой температуры его обработки, сначала возникли некоторые трудности, но вскоре проблему решили. После этого предпочтение было отдано кремнию. Кремний был дешев по сравнению с германием. Итак, трамплин для прыжка к транзистору был практически готов.

Вторая мировая стала первой войной, в которой наука, по своей значимости для победы над врагом, выступила на равных с конкретными оружейными технологиями, а в чем-то и опередила их. Вспомним атомный и ракетный проекты. В этот список можно включить и транзисторный проект, предпосылки для которого были в значительной степени заложены развитием военной радиолокации.

Открытие

В послевоенные годы в Bell Telephone Laboratories начинают форсировать работы в области глобальной связи. Аппаратура 1940-х годов использовала для усиления, преобразования и коммутации сигналов в абонентских цепях два основных элемента: электронную лампу и электромеханическое реле. Эти элементы были громоздки, срабатывали медленно, потребляли много энергии и не отличались высокой надежностью. Усовершенствовать их значило вернуться к идее использования полупроводников. В Bell Telephone Laboratories вновь создается исследовательская группа (рис. 21), научным руководителем которой становится вернувшийся «с войны» Уильям Шокли. В команду входят Уолтер Браттейн, Джон Бардин, Джон Пирсон, Берт Мур и Роберт Гибни.

Рис. 21. г. Мюррей Хилл, штат Нью-Джерси, США, Bell Laboratories. Место рождение транзистора.

В самом начале команда принимает важнейшее решение: направить усилия на изучение свойств только двух материалов — кремния и германия, как наиболее перспективных для реализации поставленной задачи. Естественно, группа начала разрабатывать предвоенную идею Шокли — усилителя с эффектом поля. Но электроны внутри полупроводника упрямо игнорировали любые изменения потенциала на управляющем электроде. От высоких напряжений и токов кристаллы взрывались, но не желали изменять свое сопротивление.

Над этим задумался теоретик Джон Бардин. Шокли, не получив быстрого результата, охладел к теме и не принимал активного участия в работе. Бардин предположил, что значительная часть электронов на самом деле не «разгуливает» свободно по кристаллу, а застревает в каких-то ловушках у самой поверхности полупроводника. Заряд этих «застрявших» электронов экранирует прикладываемое извне поле, которое не проникает в объем кристалла. Вот так в 1947 году в физику твердого тела вошла теория поверхностных состояний. Теперь, когда, казалось, причина неудач найдена, группа начала более осмысленно реализовывать идею эффекта поля. Других идей просто не было. Стали различными способами обрабатывать поверхность германия, надеясь устранить ловушки электронов. Перепробовали все — химическое травление, механическую полировку, нанесение на поверхность различных пассиваторов. Кристаллы погружали в различные жидкости, но результата не было. Тогда решили максимально локализовать зону управления, для чего один из токопроводов и управляющий электрод изготовили в виде близко расположенных подпружиненных иголочек. Экспериментатор Браттейн, за плечами которого был 15-летний опыт работы с различными полупроводниками, мог по 25 часов в сутки крутить ручки осциллографа.

Теоретик Бардин всегда был рядом, готовый сутки напролет проверять свои теоретические выкладки. Оба исследователя, как говорится, нашли друг друга. Они практически не выходили из лаборатории, но время шло, а сколько-нибудь существенных результатов по-прежнему не было.

Однажды Браттейн, издерганный от неудач, сдвинул иголки почти вплотную, более того — случайно перепутал полярности прикладываемых к ним потенциалов. Ученый не поверил своим глазам. Он был поражен, но на экране осциллографа было явно видно усиление сигнала. Теоретик Бардин отреагировал молниеносно и безошибочно: эффекта поля никакого нет, и дело не в нем. Усиление сигнала возникает по другой причине. Во всех предыдущих оценках рассматривались только электроны, как основные носители тока в германиевом кристалле, а «дырки», которых было в миллионы раз меньше, естественно игнорировались. Бардин понял, что дело именно в «дырках». Введение «дырок» через один электрод (этот процесс назвали инжекцией) вызывает неизмеримо больший ток в другом электроде. И все это на фоне неизменности состояния огромного количества электронов.

Вот так, непредсказуемым образом, 19 декабря 1947 года на свет появился точечный транзистор (рис. 22).

Рис. 22. Страница рабочей тетради Браттейна. 19 декабря 1947 г.

Сначала новое устройство назвали германиевым триодом. Бардину и Браттейну название не понравилось. Не звучало. Они хотели, чтобы название заканчивалось бы на «тор», по аналогии с резистором или термистором. Здесь им на помощь приходит инженер-электронщик Джон Пирс, который прекрасно владел словом (в дальнейшем он станет известным популяризатором науки и писателем-фантастом под псевдонимом J. J. Coupling). Пирс вспомнил, что одним из параметров вакуумного триода служит крутизна характеристики, по-английски — transconductance. Он предложил назвать аналогичный параметр твердотельного усилителя transresistance, а сам усилитель, а это слово просто вертелось на языке, — транзистором. Название всем понравилось.

Через несколько дней после замечательного открытия, в канун Рождества, 23 декабря 1947 года состоялась презентация транзистора руководству Bell Telephone Laboratories (рис. 23).

Рис. 23. Точечный транзистор Бардина-Браттейна

Уильям Шокли, который проводил отпуск в Европе, срочно возвратился в Америку. Неожиданный успех Бардина и Браттейна глубоко задевает его самолюбие. Он раньше других задумался о полупроводниковом усилителе, возглавил группу, выбрал направление исследований, но на соавторство в «звездном» патенте претендовать не мог. На фоне всеобщего ликования, блеска и звона бокалов с шампанским Шокли выглядел разочарованным и мрачным. И тут происходит нечто, что всегда будет скрыто от нас пеленой времени. За одну неделю, которую впоследствии Шокли назовет своей «страстной неделей», он создает теорию транзистора с p-n-переходами, заменившими экзотические иголочки, и в новогоднюю ночь изобретает плоскостной биполярный транзистор. (Заметим, что реально работающий биполярный транзистор был изготовлен только в 1950 году.)

Предложение принципиальной схемы более эффективного твердотельного усилителя со слоеной структурой уравняло Шокли в правах на открытие транзисторного эффекта с Бардиным и Браттейном.

Через полгода, 30 июня 1948-го, в Нью-Йорке, в штаб-квартире Bell Telephone Laboratories, после улаживания всех необходимых патентных формальностей, прошла открытая презентация транзистора. В то время уже началась холодная война между США и Советским Союзом, поэтому технические новинки прежде всего оценивались военными. К удивлению всех присутствующих, эксперты из Пентагона не заинтересовались транзистором и порекомендовали использовать его в слуховых аппаратах.

Через несколько лет новое устройство стало незаменимым компонентом в системе управления боевыми ракетами, но именно в тот день близорукость военных спасла транзистор от грифа «совершенно секретно».

Журналисты отреагировали на изобретение тоже без особых эмоций. На сорок шестой странице в разделе «Новости радио» в газете «Нью-Йорк Таймс» была напечатана краткая заметка об изобретении нового радиотехнического устройства. И только.

В Bell Telephone Laboratories не ожидали такого развития событий. Военных заказов с их щедрым финансированием не предвиделось даже в отдаленной перспективе. Срочно принимается решение о продаже всем желающим лицензий на транзистор. Сумма сделки — $25 тыс. Организовывается учебный центр, проводятся семинары для специалистов. Результаты не заставляют себя ждать (рис. 24).

Рис. 24. Серийное производство транзисторов. Одно из первых рекламных объявлений. США. Февраль 1953 года

Транзистор быстро находит применение в самых различных устройствах — от военного и компьютерного оборудования до потребительской электроники. Интересно, что первый портативный радиоприемник долгое время так и называли — транзистор.

Европейский аналог

Работы по созданию трехэлектродного полупроводникового усилителя велись и по другую сторону океана, но о них известно намного меньше.

Совсем недавно бельгийский историк Арманд Ван Дормел и профессор Стэнфордского университета Майкл Риордан обнаружили, что в конце 1940-х годов в Европе был изобретен и даже запущен в серию «родной брат транзистора» Бардина-Браттейна.

Европейских изобретателей точечного транзистора звали Герберт Франц Матаре и Генрих Иоганн Велкер (рис. 25). Матаре был физиком-экспериментатором, работал в немецкой фирме Telefunken и занимался микроволновой электроникой и радиолокацией. Велкер больше был теоретиком, долгое время преподавал в Мюнхенском университете, а в военные годы трудился на люфтваффе.

Рис. 25. Изобретатели транзитрона Герберт Матаре и Генрих Велкер

Встретились они в Париже. После разгрома фашистской Германии оба физика были приглашены в европейский филиал американской корпорации Westinghouse.

Еще в 1944 году Матаре, занимаясь полупроводниковыми выпрямителями для радаров, сконструировал прибор, который назвал дуодиодом. Это была пара работающих параллельно точечных выпрямителей, использующих одну и ту же пластинку германия. При правильном подборе параметров устройство подавляло шумы в приемном блоке радара. Тогда Матаре обнаружил, что колебания напряжения на одном электроде могут обернуться изменением силы тока, проходящего через второй электрод. Заметим, что описание подобного эффекта содержалось еще в патенте Лилиенфельда, и не исключено, что Матаре знал об этом. Но как бы там ни было, он заинтересовался наблюдаемым явлением и продолжал исследования.

Велкер пришел к идее транзистора с другой стороны, занимаясь квантовой физикой и зонной теорией твердого тела. В самом начале 1945 года он создает схему твердотельного усилителя, очень похожего на устройство Шокли. В марте Велкер успевает его собрать и испытать, но ему повезло не больше, чем американцам. Устройство не работает.

В Париже Матаре и Велкеру поручают организовать промышленное производство полупроводниковых выпрямителей для французской телефонной сети. В конце 1947 года выпрямители запускаются в серию, и у Матаре с Велкером появляется время для возобновления исследований. Они приступают к дальнейшим экспериментам с дуодиодом. Вдвоем они изготавливают пластинки из гораздо более чистого германия и получают стабильный эффект усиления. Уже в начале июня 1948 года Матаре и Велкер создают стабильно работающий точечный транзистор. Европейский транзистор появляется на полгода позже, чем устройство Бардина и Браттейна, но абсолютно независимо от него. О работе американцев Матаре и Велкер не могли ничего знать. Первое упоминание в прессе о «новом радиотехническом устройстве», вышедшем из Bell Laboratories, появилось только 1 июля.

Дальнейшая судьба европейского изобретения сложилась печально. Матаре и Велкер в августе подготовили патентную заявку на изобретение, но французское бюро патентов очень долго изучало документы. Только в марте 1952 года они получают патент на изобретение транзитрона — такое название выбрали немецкие физики своему полупроводниковому усилителю. К тому времени парижский филиал Westinghouse уже начал серийное производство транзитронов. Основным заказчиком выступало Почтовое министерство. Во Франции строилось много новых телефонных линий. Тем не менее, век транзитронов был недолог. Несмотря на то, что они работали лучше и дольше своего американского «собрата» (за счет более тщательной сборки), завоевать мировой рынок транзитроны не смогли. Впоследствии французские власти вообще отказались субсидировать исследования в области полупроводниковой электроники, переключившись на более масштабные ядерные проекты. Лаборатория Матаре и Велкера приходит в упадок. Ученые принимают решение вернуться на родину. К тому времени в Германии начинается возрождение науки и высокотехнологичной промышленности. Велкер устраивается на работу в лабораторию концерна Siemens, которую впоследствии возглавит, а Матаре переезжает в Дюссельдорф и становится президентом небольшой компании Intermetall, выпускающей полупроводниковые приборы.

Послесловие

Если проследить судьбы американцев, то Джон Бардин ушел из Bell Telephone Labora-tories в 1951 году, занялся теорией сверхпроводимости и в 1972 году вместе с двумя своими учениками был удостоен Нобелевской премии «За разработку теории сверхпроводимости», став, таким образом, единственным в истории ученым, дважды нобелевским лауреатом.

Уолтер Браттейн проработал в Bell Telephone Laboratories до выхода на пенсию в 1967 году, а затем вернулся в свой родной город и занялся преподаванием физики в местном университете.

Судьба Уильяма Шокли сложилась следующим образом. Он покидает Bell Telephone Laboratories в 1955 году и, при финансовой помощи Арнольда Бекмана, основывает фирму по производству транзисторов — Shockly Transistor Corporation. На работу в новую компанию переходят многое талантливые ученые и инженеры, но через два года большинство из них уходят от Шокли. Заносчивость, высокомерие, нежелание прислушиваться к мнению коллег и навязчивая идея не повторить ошибку, которую он допустил в работе с Бардиным и Браттейном, делают свое дело. Компания разваливается.

Его бывшие сотрудники Гордон Мур и Роберт Нойс при поддержке того же Бекмана основывают фирму Fairchild Semiconductor, а затем, в 1968 году создают собственную компанию — Intel.

Мечта Шокли построить полупроводниковую бизнес-империю была претворена в жизнь другими (рис. 26), а ему опять досталась роль стороннего наблюдателя. Ирония судьбы заключается в том, что еще в 1952 году именно Шокли предложил конструкцию полевого транзистора на основе кремния. Тем не менее, компания Shockly Transistor Corporation не выпустила ни одного полевого транзистора. Сегодня это устройство является основой всей компьютерной индустрии.

Рис. 26. Эволюция транзистора

После неудачи в бизнесе Шокли становится преподавателем в Стэндфордском университете. Он читает блестящие лекции по физике, лично занимается с аспирантами, но ему не хватает былой славы — всего того, что американцы называют емким словом publicity. Шокли включается в общественную жизнь и начинает выступать с докладами по многим социальным и демографическим вопросам. Предлагая решения острых проблем, связанных с перенаселением азиатских стран и национальными различиями, он скатывается к евгенике и расовой нетерпимости. Пресса, телевидение, научные журналы обвиняют его в экстремизме и расизме. Шокли снова «знаменит» и, похоже, испытывает удовлетворение от всего происходящего. Его репутации и карьере ученого приходит конец. Он выходит на пенсию, перестает со всеми общаться, даже с собственными детьми, и доживает жизнь затворником.

Разные люди, разные судьбы, но всех их объединяет причастность к открытию, коренным образом изменившему наш мир.

Дату 19 декабря 1947 года можно по праву считать днем рождения новой эпохи. Начался отсчет нового времени. Мир шагнул в эру цифровых технологий.

Литература

1. William F. Brinkman, Douglas E. Haggan, William W. Troutman. A History of the Invention of the Transistor and Where it will lead us // IEEE Journal of Solid-State Circuits. Vol.32, No.12. December 1997.
2. Hugo Gernsback. A Sensational Radio Invention // Radio News. September 1924.
3. Новиков М. А. Олег Владимирович Лосев — пионер полупроводниковой электроники // Физика твердого тела. 2004. Том 46, вып. 1.
4. Остроумов Б., Шляхтер И. Изобретатель кристадина О. В. Лосев. // Радио. 1952. № 5.
5. Жирнов В., Суэтин Н. Изобретение инженера Лосева // Эксперт. 2004. № 15.
6. Lee T. H., A Nonlinear History of Radio. Cambridge University Press. 1998.
7. Носов Ю. Парадоксы транзистора // Квант. 2006. № 1.
8. Andrew Emmerson. Who really invented Transistor? www.radiobygones.com
9. Michael Riordan. How Europe Missed the Transistor // IEEE Spectrum, Nov. 2005. www.spectrum.ieee.org

из горнила войны / Хабр

<< До этого: Пробираясь на ощупь в темноте

Горнило войны подготовило почву для появления транзистора. С 1939 по 1945 года технические знания из области полупроводников невероятно сильно разрослись. И тому была одна простая причина: радар. Самая важная технология войны, среди примеров применения которой: обнаружение воздушного налёта, поиск подводных лодок, направление ночных авиарейдов на цели, наведение средств ПВО и морских орудий. Инженеры даже научились впихивать крохотные радары в артиллерийские снаряды, чтобы те взрывались при пролёте рядом с целью – радиовзрыватели. Однако источником этой новой мощной военной технологии была более мирная область: изучение верхних слоёв атмосферы в научных целях.

Все статьи цикла:

• История реле
• История электронных компьютеров
• История транзистора
• История интернета
• Эра фрагментации
• Восхождение интернета

Радар

В 1901 году компания «Беспроводной телеграф Маркони» успешно передала беспроводное сообщение через Атлантику, из Корнуолла в Ньюфаундленд. Этот факт привёл современную науку в замешательство. Если радиопередачи перемещаются по прямой (как и должно происходить), подобная передача должна быть невозможной. Между Англией и Канадой нет прямой линии видимости, не пересекающей Землю, поэтому сообщение Маркони должно было улететь в космос. Американский инженер Артур Кеннели и британский физик Оливер Хевисайд одновременно и независимо предположили, что объяснение этого феномена должно быть связано со слоем ионизированного газа, находящегося в верхних слоях атмосферы, способного отражать радиоволны обратно к Земле (сам Маркони считал, что радиоволны следуют кривизне поверхности Земли, однако физики его не поддержали).

К 1920-м учёные разработали новое оборудование, позволявшее сначала доказать существование ионосферы, а затем изучить её структуру. Они использовали электронные лампы для генерации коротковолновых радиоимпульсов, направленные антенны для отправки их вверх в атмосферу и регистрации эхо, и электронно-лучевые приборы для демонстрации результатов. Чем больше задержка возврата эхо, тем дальше должна быть ионосфера. Эту технологию назвали атмосферным зондированием, и она обеспечила базовую техническую инфраструктуру для создания радара (сам термин «радар», от RAdio Detection And Ranging, появился только в 1940-х в военно-морском флоте США).

То, что люди, обладающие нужными знаниями, ресурсами и мотивацией, поняли потенциал наземного применения такого оборудования, было лишь вопросом времени (таким образом, история радара противоположна истории телескопа, который сначала предназначался для наземного использования). И вероятность такого озарения повышалась по мере того, как радио всё больше распространялось по планете, и всё больше людей замечали помехи, исходящие от находящихся неподалёку судов, самолётов и других крупных объектов. Знания из области технологий зондирования верхних слоёв атмосферы распространились во время второго Международного полярного года (1932-1933), когда с разных арктических станций учёные составляли карту ионосферы. Вскоре после этого команды в Британии, США, Германии, Италии, СССР и других странах разработали свои простейшие радарные системы.

Роберт Уотсон-Уотт со своим радаром 1935 года

Затем случилась война, и важность радаров для стран – и ресурсов для их разработки – резко возросла. В США эти ресурсы собрались вокруг новой организации, основанной в 1940 в MIT, известной, как Rad Lab (её назвали так специально, чтобы ввести иностранных шпионов в заблуждение, и создать впечатление, что в лаборатории исследуют радиоактивность – тогда ещё мало кто верил в атомные бомбы). Проект Rad Lab, не прославившийся так сильно, как Манхэттенский проект, всё же заполучил в свои ряды столь же выдающихся и талантливых физиков со всех США. Пятеро из первых сотрудников лаборатории (включая Луиса Альвареса и Исидора Айзека Раби) впоследствии получили Нобелевские премии. К концу войны в лаборатории трудилось около 500 докторов наук, учёных и инженеров, а всего работало 4000 человек. Полмиллиона долларов – что сравнимо с полным бюджетом создания ENIAC – было потрачено только на издание Radiation Laboratory Series, двадцати семи томов, где было описано всё знание, полученное в лаборатории во время войны (при этом траты правительства США на радарные технологии не ограничивались бюджетом Rad Lab; в течение войны правительство закупило радаров на три миллиарда долларов).

20-й корпус MIT, где располагалась Rad Lab

Одной из основных областей исследований Rad Lab был высокочастотный радар. Ранние радары использовали волны с длинами, измерявшимися метрами. Но лучи более высокой частоты, длины волн которых измерялись сантиметрами – микроволны – позволяли использовать более компактные антенны и меньше рассеивались на больших расстояниях, что обещало большие преимущества в дальности и точности работы. Микроволновые радары могли бы уместиться в носу самолёта и обнаруживать объекты размером с перископ подводной лодки.

Первыми эту задачу удалось решить команде британских физиков из Бирмингемского университета. В 1940-м они разработали “резонансный магнетрон”, который работал как электромагнитный «свисток», превращая беспорядочный импульс электричества в мощный и точно настроенный луч микроволн. Этот микроволновый передатчик был в тысячу раз более мощным по сравнению с ближайшим конкурентом; он открыл путь к созданию практических высокочастотных радарных передатчиков. Однако ему требовался компаньон, приёмник, способный регистрировать высокие частоты. И на этом месте мы возвращаемся в историю полупроводников.

Магнетрон в разрезе

Второе пришествие кошачьего уса

Оказалось, что электронные лампы совсем не были приспособлены для принятия микроволновых сигналов радаров. Разрыв между горячим катодом и холодным анодом создаёт ёмкость, из-за чего контур отказывается работать на высоких частотах. Наилучшей технологией для высокочастотных радаров из доступных был старомодный “кошачий ус” – небольшой отрезок провода, прижатый к полупроводниковому кристаллу. Это независимо друг от друга обнаружили несколько людей, однако к нашей истории ближе всего то, что происходило в Нью-Джерси.

В 1938 лаборатории Белла заключили с военным флотом контракт на разработку управляющего огнём радара в диапазоне 40 см – это было гораздо короче, и, следовательно, больше по частоте, чем у существовавших тогда радаров в эпоху до резонансных магнетронов. Основную исследовательскую работу получили подразделению лабораторий в Холмделе к югу от Стейтен-Айленда. У исследователей не ушло много времени на то, чтобы понять, что им потребуется для высокочастотного приёмника, и вскоре инженер Джордж Саутворт прочёсывал магазины радиотоваров на Манхэттене в поисках старых детекторов «кошачий ус». Как и предполагалось, он работал гораздо лучше детектора на лампах, но делал это нестабильно. Поэтому Саутворт разыскал электрохимика по имени Рассел Ол, и попросил его попробовать улучшить однородность отклика кристаллического детектора с одной точкой контакта.

Ол был довольно своеобразным человеком, считавшим развитие технологии своей судьбой, и рассказывавшем о периодических озарениях с видениями будущего. К примеру, он заявлял, что ещё в 1939 году знал о будущем изобретении кремниевого усилителя, но что судьбой было предначертано изобрести его другому человеку. Изучив десятки вариантов, он остановился на кремнии, как лучшем веществе для приёмников Саутворта. Проблема была в возможности контролировать содержимое материала, чтобы управлять его электрическими свойствами. Тогда были широко распространены промышленные болванки из кремния, их использовали на сталелитейных заводах, но на таком производстве никого не беспокоило, допустим, содержание 1% фосфора в кремнии. Заручившись помощью парочки металлургов, Ол задался целью получить гораздо более чистые болванки, чем удавалось ранее.

В процессе работы они обнаружили, что некоторые из их кристаллов выпрямляли ток в одном направлении, а другие – в другом. Они назвали их «n-тип» и «p-тип». Дальнейший анализ показал, что за эти типы отвечали разные виды примесей. Кремний находится в четвёртом столбце периодической таблицы Менделеева, то есть у него есть четыре электрона на внешней оболочке. В болванке из чистейшего кремния каждый из этих электронов объединился бы с соседом. Примеси из третьего столбца, допустим, бор, у которого на один электрон меньше, создавали «дырку», дополнительное пространство для движения тока в кристалле. В итоге получался полупроводник p-типа (с избытком положительных зарядов). Элементы из пятого столбца, например, фосфор, давали дополнительные свободные электроны для переноски тока, и получался полупроводник n-типа.

Кристаллическая структура кремния

Все эти исследования были очень интересными, однако к 1940 году Саутворт с Олом не приблизились к созданию рабочего прототипа высокочастотного радара. Британское правительство при этом требовало немедленных практических результатов из-за нависавшей угрозы со стороны Люфтваффе, где уже создали готовые к производству микроволновые детекторы, работающие в паре с магнетронными передатчиками.

Однако вскоре баланс технических достижений склонится на западную сторону Атлантики. Черчилль решил раскрыть все технические секреты Британии американцам ещё до того, как по-настоящему вступил в войну (поскольку, как он предполагал, это всё равно должно было произойти). Он считал, что стоит рискнуть утечкой информации, поскольку тогда все промышленные возможности США будут брошены на решение таких задач, как атомное оружие и радары. Британская научно-техническая миссия (более известная, как миссия Тизарда) прибыла в Вашингтон в сентябре 1940 и привезла в багаже подарок в виде технических чудес.

Раскрытие невероятной мощности резонансного магнетрона и эффективность британских кристаллических детекторов в получении его сигнала оживила исследования американцев в области полупроводников как основы высокочастотных радаров. Предстояло проделать много работы, особенно в области материаловедения. Чтобы удовлетворить запросы, полупроводниковые кристаллы «требовалось производить миллионами, куда как больше, чем было возможно ранее. Необходимо было улучшать выпрямление, уменьшать чувствительность к ударам и вероятность выгорания, и минимизировать разницу между различными партиями кристаллов».

Кремниевый выпрямитель с точечным контактом

В Rad Lab открыли новые исследовательские отделы для изучения свойств полупроводниковых кристаллов и того, как их можно изменить для максимизации ценных свойств в качестве приёмника. Наиболее многообещающими материалами были кремний и германий, поэтому в Rad Lab решили подстраховаться и запустили параллельные программы для изучения обоих: кремний в Пенсильванском университете, а германий – в Пердью. Такие промышленные гиганты, как Bell, Westinghouse, Du Pont и Sylvania начали собственные программы исследования полупроводников, и начали разработку новых производственных мощностей для кристаллических детекторов.

Общими усилиями чистоту кристаллов кремния и германия удалось поднять с 99% в начале до 99,999% — то есть, до одной частицы примеси на 100 000 атомов. В процессе этого кадровый состав учёных и инженеров близко познакомился с абстрактными свойствами германия и кремния и прикладными технологиями по контролю за ними: плавление, выращивание кристаллов, добавление нужных примесей (типа бора, увеличивавшего проводимость).

А потом война закончилась. Спрос на радары исчез, но знания и навыки, полученные во время войны, никуда не делись, и мечта о твердотельном усилителе не была забыта. Теперь гонка заключалась в создании такого усилителя. И, по меньшей мере, три команды находились в удачном положении для получения этого приза.

Уэст-Лафайетт

Первой была группа из университета Пердью под руководством физика австрийского происхождения по имени Карл Ларк-Хоровиц. Он при помощи таланта и влияния в одиночку вывел физический департамент университета из забвения и повлиял на решение Rad Lab поручить его лаборатории исследования германия.

Карл Ларк-Хоровиц в 1947 году, в центре, с трубкой

К началу 1940-х кремний считался наилучшим материалом для радарных выпрямителей, однако расположенный прямо под ним в периодической таблице материал также выглядел достойным дальнейшего изучения. У германия было практическое преимущество благодаря облегчавшей работу с ним более низкой точке плавления: порядка 940 градусов, по сравнению с 1400 градусами у кремния (практически как у стали). Из-за высокой температуры плавления было чрезвычайно сложно сделать болванку, которая бы не вытекала в расплавленный кремний, загрязняя её.

Поэтому Ларк-Хоровиц с коллегами провели всю войну за изучением химических, электрических и физических свойств германия. Самым главным препятствием было «обратное напряжение»: германиевые выпрямители при очень малом напряжении переставали выпрямлять ток и позволяли ему течь в обратную сторону. Импульс обратного тока сжигал остальные компоненты радара. Один из аспирантов Ларк-Хоровица, Сеймур Бензер, больше года изучал эту проблему, и наконец разработал добавку на основе олова, которая останавливала обратные импульсы при напряжениях вплоть до сотни вольт. Вскоре после этого Western Electric, производственное подразделение лаборатории Белла, начало выдавать выпрямители, работающие по схеме Бензера, для военных нужд.

Изучение германия в Пердью продолжалось и после войны. В июне 1947 Бензер, будучи уже профессором, сообщил о необычной аномалии: в некоторых экспериментах в кристаллах германия появлялись высокочастотные колебания. А его коллега Ральф Брэй продолжал изучение «объёмного сопротивления» по проекту, начатому во время войны. Объёмное сопротивление описывало то, как электричество течёт в кристалле германия в контактной точке выпрямителя. Брэй обнаружил, что импульсы высокого напряжения значительно уменьшали сопротивление германия n-типа к этим потокам. Не зная того, он стал свидетелем т.н. «неосновных» носителей заряда. В полупроводниках n-типа избыточный отрицательный заряд служит основным носителем заряда, но положительные «дырки» тоже могут переносить ток, и в данном случае высоковольтные импульсы создавали дырки в германиевой структуре, из-за чего появлялись неосновные носители заряда.

Брэй и Бензер соблазнительно близко подошли к германиевому усилителю, не поняв этого. Бензер отловил Уолтера Браттейна, учёного из лабораторий Белла, на конференции в январе 1948, чтобы обсудить с ним объёмное сопротивление. Он предложил Браттейну расположить ещё один точечный контакт рядом с первым, который мог бы проводить ток, и тогда они, возможно, смогли бы понять, что происходит под поверхностью. Браттейн тихо согласился с этим предложением, и ушёл. Как мы увидим, он слишком хорошо знал, что может раскрыть подобный эксперимент.

Оне-су-Буа

У группы из Пердью были как технологии, так и теоретические основы для того, чтобы совершить скачок в направлении транзистора. Но наткнуться на него они могли только случайно. Они интересовались физическими свойствами материала, а не поисками устройства нового типа. Совершенно другая ситуация царила в Оне-су-Буа (Франция), где два бывших исследователя радаров из Германии, Генрих Велкер и Герберт Матаре, руководили командой, чьей целью было создание промышленных полупроводниковых устройств.

Велкер сначала изучал, а затем преподавал физику в Мюнхенском университете, управляемом знаменитым теоретиком Арнольдом Зоммерфельдом. С 1940 года он покинул чисто теоретическую стезю и начал работать над радаром для Люфтваффе. Матаре (бельгийского происхождения) рос в Аахене, где изучал физику. Он присоединился к исследовательскому департаменту немецкого радиогиганта Telefunkenв 1939-м. Во время войны он перенёс свою работу из Берлина на восток в аббатство в Силесии, чтобы избежать налётов авиации Антигитлеровской коалиции, а потом обратно на запад, чтобы избежать наступающей Красной армии, и в итоге попал в руки американской армии.

Как и их соперники из Антигитлеровской коалиции, немцы к началу 1940-х знали, что кристаллические детекторы были идеальными приёмниками для радаров, и что кремний и германий были наиболее многообещающими материалами для их создания. Матаре и Велкер во время войны пытались улучшать эффективное использование этих материалов в выпрямителях. После войны оба подвергались периодическим допросам касательно их военной работы, и в итоге получили приглашение от французского разведчика в Париж в 1946.

Compagnie des Freins & Signaux («компания тормозов и сигналов»), французское подразделение Westinghouse, получила контракт от французского телефонного управления на создание твердотельных выпрямителей и искала немецких учёных себе в помощь. Такой союз недавних врагов может показаться странным, однако эта договорённость оказалась довольно благоприятной для обеих сторон. Французы, потерпевшие поражение в 1940, не имели возможности набрать знаний в области полупроводников, и им отчаянно требовались навыки немцев. Немцы не могли вести разработку в любых высокотехнологичных областях в оккупированной и разрушенной войной стране, поэтому ухватились за возможность продолжения работы.

Велкер и Матаре оборудовали штаб в двухэтажном доме в пригороде Парижа, Оне-су-Буа, и с помощью команды техников наладили успешный выпуск германиевых выпрямителей к концу 1947. Затем они обратились к более серьёзным призам: Велкер вернулся к интересовавшим его сверхпроводникам, а Матаре к усилителям.

Герберт Матаре в 1950

Во время войны Матаре экспериментировал с выпрямителями с двумя точечными контактами – «дуодиодами» – в попытке уменьшить шум в контуре. Он возобновил опыты и вскоре обнаружил, что второй «кошачий ус», расположенный в 100 миллионных долей метра от первого [0,1 мм], иногда мог модулировать ток, идущий через первый ус. Он создал твердотельный усилитель, хотя и довольно бесполезный. Чтобы достичь более надёжной работы, он обратился к Велкеру, наработавшему большой опыт работы с кристаллами германия во время войны. Команда Велкера выращивала более крупные и чистые образцы германиевых кристаллов, и вместе с улучшением качества материала к июню 1948 года усилители с точечным контактом Матаре стали надёжными.

Рентгеновский снимок «транзистрона» на основе схемы Матаре, который имеет две точки контакта с германием

У Матаре даже была теоретическая модель происходящего: он считал, что второй контакт проделывает в германии дырки, ускоряя прохождение тока через первый контакт, поставляя неосновных носителей заряда. Велкер не был с ним согласен, и считал, что происходящее зависит от некоего полевого эффекта. Однако до того, как они могли бы проработать устройство или теорию, они узнали, что группа американцев разработала ровно такую же концепцию – германиевый усилитель с двумя точечными контактами – на шесть месяцев раньше.

Мюррей-Хилл

В конце войны Мервин Келли реформировал исследовательскую группу лабораторий Белла, занимавшуюся полупроводниками с Биллом Шокли во главе. Проект разросся, получил больше финансирования, и переехал из первоначального здания лабораторий на Манхэттене в расширяющийся кампус в Мюррей-Хилл (Нью-Джерси).

Кампус в Мюррей-Хилл, ок. 1960

Чтобы вновь познакомиться с передовыми полупроводниками (после того, как на войне он занимался исследованиями операций), весной 1945 Шокли посетил лабораторию Рассела Ола в Холмделе. Ол провёл годы войны, работая над кремнием, и не терял времени зря. Он показал Шокли грубый усилитель собственной постройки, названный им «дезистер». Он взял кремниевый выпрямитель точечного контакта и пустил по нему ток с аккумулятора. Судя по всему, тепло аккумулятора уменьшило сопротивление через точку контакта, и превратило выпрямитель в усилитель, способный передавать входящие радиосигналы в контур, достаточно мощный для того, чтобы питать динамик

Эффект был грубым и ненадёжным, непригодным для коммерциализации. Однако его хватило для подтверждения мнения Шокли о возможности создания полупроводникового усилителя, и о том, что это нужно сделать приоритетным направлением исследований в области твердотельной электроники. Также эта встреча с командой Ола убедила Шокли, что кремний и германий необходимо изучать в первую очередь. Они демонстрировали привлекательные электрические свойства, а кроме того, коллеги Ола, металлурги Джек Скафф и Генри Терер достигли потрясающих успехов в выращивании, очистке и добавлению примесей в эти кристаллы во время войны, превзойдя все технологии, имевшиеся для других полупроводниковых материалов. Группа Шокли больше не собиралась тратить время на довоенные усилители из оксида меди.

С помощью Келли, Шокли начал собирать новую команду. Среди ключевых игроков оказался Уолтер Бреттейн, помогавший Шокли с его первой попыткой создания полупроводникового усилителя (в 1940) и Джон Бардин, молодой физик и новый сотрудник лабораторий Белла. У Бардина, наверное, был самые обширные знания по физике твёрдых тел из всех членов команды – его диссертация описывала энергетические уровни электронов в структуре металлического натрия. Также он был ещё одним протеже Джона Хазбрука Ван Флека, как Атанасов и Бреттейн.

И как у Атанасова, диссертации Бардина и Шокли требовали сложнейших вычислений. Им приходилось использовать квантово-механическую теорию полупроводников, определённую Аланам Уилсоном, чтобы рассчитывать энергетическую структуру материалов при помощи настольного калькулятора Монро. Помогая создавать транзистор, они, по сути, внесли вклад в избавление будущих аспирантов от подобного труда.

Первый подход Шокли к твердотельному усилителю полагался на то, что позднее назвали “эффектом поля”. Он подвешивал металлическую пластину над полупроводником n-типа (с избытком отрицательных зарядов). Приложение положительного заряда к пластине вытягивало избыток электронов на поверхность кристалла, создавая реку отрицательных зарядов, по которой мог легко течь электрический ток. Усиливаемый сигнал (представленный уровнем заряда на пластине) таким способом мог модулировать основной контур (проходящий по поверхности полупроводника). Работоспособность данной схемы ему подсказали его теоретические познания в физике. Но, несмотря на множество опытов и экспериментов, схема так и не заработала.

К марту 1946 года Бардин создал неплохо проработанную теорию, объяснявшую причину этого: поверхность полупроводника на квантовом уровне ведёт себя не так, как его внутренности. Отрицательные заряды, вытягиваемые на поверхность, попадают в ловушку «поверхностных состояний» и блокируют проникновение электрического поля с пластины в материал. Остальные члены команды сочли этот анализ убедительным, и запустили новую исследовательскую программу по трём путям:

1. Доказать существование поверхностных состояний.
2. Изучить их свойства.
3. Придумать, как победить их и сделать рабочий полевой транзистор.

После полутора лет исследований и экспериментов, 17 ноября 1947 года Бреттейн совершил прорыв. Он обнаружил, что если разместить заполненную ионами жидкость, к примеру, воду, между пластиной и полупроводником, электрическое поле с пластины будет толкать ионы к полупроводнику, где они будут нейтрализовывать заряды, пойманные в поверхностных состояниях. Теперь он мог управлять электрическим поведением куска кремния, меняя заряд на пластине. Этот успех подал Бардину идею для нового подхода к созданию усилителя: окружить точку контакта выпрямителя электролитной водой, а потом использовать второй провод в воде для управления поверхностными состояниями, и таким способом контролировать уровень проводимости основного контакта. Так Бардин и Бреттейн вышли на финишную прямую.

Идея Бардина сработала, однако усиление было слабым и работало на очень малых частотах, недоступных человеческому уху – поэтому было бесполезно в роли телефонного или радиоусилителя. Бардин предложил переключиться к стойкому к обратному напряжению германию, полученному в Пердью, считая, что на его поверхности будет собираться меньше зарядов. Внезапно они получили мощнейшее усиление, однако в противоположном от ожидаемого направлении. Они открыли эффект неосновных носителей – вместо ожидаемых электронов, ток, идущий через германий, усиливали дырки, приходящие из электролита. Ток на проводе в электролите создал слой p-типа (область избыточных положительных зарядов) на поверхности германия n-типа.

Последующие эксперименты показали, что электролит вообще не был нужен: просто разместив две точки контакта близко на поверхности германия, можно было модулировать током с одного из них ток на другом. Чтобы свести их как можно ближе, Бреттейн обмотал кусочком золотой фольги треугольный кусок пластика, а потом осторожно разрезал фольгу на конце. Потом при помощи пружины он прижимал треугольник к германию, в результате чего два края разреза прикасались к его поверхности на расстоянии в 0,05 мм. Это придало прототипу транзистора от лабораторий Белла его характерный вид:

Прототип транзистора Бреттейна и Бардина

Как и устройство Матаре и Велкера, это был, в принципе, классический «кошачий ус», просто с двумя точками контакта вместо одной. 16 декабря он выдал значительное усиление мощности и напряжения, и частоту 1000 Гц в диапазоне слышимости. Через неделю, после небольших улучшений, Бардин и Бреттейн получили усиление напряжения в 100 раз и мощности в 40 раз, и продемонстрировали директорам Белла, что их устройство может воспроизводить слышимую речь. Джон Пирс, ещё один член команды разработки твердотельных устройств, придумал термин «транзистор» по мотивам названия белловского выпрямителя на оксиде меди, варистора.

Следующие шесть месяцев лаборатория держала новое творение в секрете. Руководство хотело убедиться, что у них будет фора в реализации коммерческих возможностей транзистора до того, как его заполучит кто-то ещё. Пресс-конференцию назначили на 30 июня 1948 года, как раз вовремя, чтобы разбить все мечты Велкера и Матаре о бессмертии. Тем временем, группа полупроводниковых исследований по-тихому развалилась. Услышав о достижениях Бардина и Бреттейна, их босс, Билл Шокли, начал работать над тем, чтобы присвоить себе всю славу. И хотя он играл лишь наблюдательную роль, в публичной презентации Шокли получил равную, если не большую рекламу – что видно из этого опубликованного снимка, где он находится в гуще событий, и прямо у лабораторного стола:

Рекламная фотография 1948 года – Бардин, Шокли и Бреттейн

Однако Шокли было недостаточно равной славы. И ещё до того, как кто-либо вне лабораторий Белла узнал о транзисторе, он занялся его повторным изобретением, чтобы присвоить его себе. И это было лишь первым из множества подобных повторных изобретений.

Что ещё почитать

• Robert Buderi, The Invention That Changed the World (1996)
• Michael Riordan, “How Europe Missed the Transistor,” IEEE Spectrum (Nov. 1, 2005)
• Michael Riordan and Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
• Armand Van Dormael, “The ‘French’ Transistor,” www.cdvandt.org/VanDormael.pdf (1994)

Далее: Многократное переизобретение >>

Изобретение, которое изменило мир: к чему идёт развитие транзисторов?

«В мире нет ничего особенного. Никакой магии. Только физика»

(из дневника Чака Палахнюка)

Физика была главной наукой ХХ столетия и остаётся таковой в начале ХХІ-го. Если спросить  обычного человека, что важного было сделано в физике, он, наверно, скажет: атомная бомба. Но есть мнение, что самой существенной для человека является физика твёрдого тела, эволюция транзисторов и полупроводниковых лазеров. ЮНЕСКО объявило самым выдающимся достижением в ХХ веке транзисторы – приборы, работающие в электронных схемах, из которых состоят компьютеры и мобильные телефоны. 

Мобильный телефон на сегодня – это основной прибор, которым постоянно пользуется гигантское количество людей в мире, и они постоянно совершенствуются. Мобильные телефоны стали не только средством связи, но и полностью поменяли нашу жизнь. Коммуникационные сети, общественные СМИ, информационные системы, возможность постоянного общения – это всё сделано с помощью мобильных телефонов. Для того, чтобы телефон хорошо работал, в нём должен быть достаточно мощный микропроцессор и, с другой стороны, он должен быть достаточно эффективным, чтобы не потреблял много энергии и батарея могла дать вам возможность использовать его как минимум целый день. Мощность и эффективность микропроцессоров определяет качество транзисторов.

Первоначально транзистор был задуман как электронный прибор, который усиливает электрический сигнал. При этом отношение сигнала, который выходит из прибора, к тому, который входит в прибор, должно быть 1 к 100 или даже к 200. Как и большинство других изобретений, транзистор не появился «из воздуха», а стал решением некой остро ощутимой проблемы, которая требовала решения: long distancecommunication (общение на большие расстояния) в начале ХХ века. Это сейчас жителю Соединённых Штатов ничего не стоит позвонить в Украину по серьёзному бизнес-вопросу, а раньше, ещё в 30-х годах, обитателю Восточного побережья расспросить бабушку на Западном о её здоровье было совсем не просто! Связь была не очень надёжной: электрический сигнал уже шёл по проводам, но на расстоянии он деградировал, затухал – его нужно время от времени, через каждые хотя бы 100 километров, усиливать, чтобы он пробрался-таки к получателю. 

Как это делать? До изобретения транзисторов это осуществлялось с помощью электронных ламп. Но каждая электронная лампа размером минимум с ноготь, если не с палец. Плюс ей нужна наружная система, электронная цепь, которая поддерживала бы её нормальную работу. Электронная лампа – это достаточно сложный и дорогой прибор. В 40-х его попытались заменить маленьким кристалликом полупроводника, который в то время был размером в 1 мм и мог усиливать сигнал таким же образом, как электронная лампа.

Первые полупроводниковые транзисторы были использованы в усилителях, их делали в таком знаменитом в Америке месте, которое называлось The Bell Laboratories. Они входили в компанию American Telephone and Telegraph Company (AT&T), определившей всё дальнейшее развитие телекоммуникационной отрасли в США. Директором её был Александр Белл – человек, который изобрёл телефон. Но это было не единственное его достижение: он «изобрёл» корпоративные НИИ! Белл в своё время сказал: «Когда компания станет богатой настолько, что у нас будут деньги, которые мы сможем тратить не только на то, чтобы поддерживать компанию – выплачивать зарплату и покупать оборудование, — мы эти деньги будем вкладывать в науку. Создадим корпоративную лабораторию, в которой люди будут заниматься теми исследованиями, которые нужны нам». 

Изобретение транзисторов стало фундаментальным шагом в науке, а не просто методом сделать лучше цепь в электронной лампе. В Bell Labs было сделано то, чего никто никогда до этого не делал. Первый транзистор это был маленький полупроводниковый кристаллик, который усиливал электрический ток. Транзисторы-усилители были очень дешёвыми и надёжными: их можно было вешать буквально на телефонных столбах и они усиливали сигнал, чтобы люди с обоих побережий могли говорить друг с другом. Bipolar junction transistor были созданы, чтобы улучшить работу телефона – а потом выяснилось, что их можно использовать в электронных схемах, которые будут работать в «компьютере». Но для того, чтобы транзистор работал в компьютере, это уже должен был быть не просто усилитель, а электронный переключатель, с так называемой бинарной логикой: может находиться в двух положениях. Автором этого изобретения, полевого транзистора MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) стал  Мохамед Аталла, египтянин по происхождению.  

Следующим технологическим шагом после изменения структуры транзистора стало объединение их в интегральные схемы. Один умный человек, Джек Килби из Далласа, тот самый, который впоследствии получил Нобелевскую премию за интегральные схемы, сказал: «А что, если я возьму не один транзистор, а десять, сто, тысячу? И объединю их в схему, которая будет сделана компактным образом, как бы отштампована, и я смогу использовать её для логических копераций?» Для этого уже понадобился другой транзистор, чтобы можно было его делать всё меньше и меньше, а качество его не менялось.

До Килби в схеме было максимум 16 транзисторов, и её предлагали использовать для слуховых аппаратов. А потом несколько сотен, и они переключали свет в светофорах. Для компьютерного же микропроцессора понадобилось несколько десятков тысяч транзисторов. 

Тот транзистор, который стоит в вашем телефоне, совершенно не похож на классические, которые преподаватели показывают студентам. Раньше он был двухмерной плоской структурой, а сейчас она трёхмерная, и потребляет такой транзистор намного меньше энергии, хотя переключается очень быстро. Принцип тот же, но приборы, упакованные в интегральные схемы, уменьшились в сто раз по сравнению с индивидуальными транзисторами, стали быстрее и эффективнее. 

Что важно, несмотря на то, что прибор становится сложнее, цена каждого индивидуального транзистора каждый год продолжает падать. Современная микросхема стоит около 100 долларов. На ней, допустим, миллиард транзисторов. 10 лет назад в ней был миллион транзисторов, а стоила она примерно столько же. Посчитайте стоимость каждого транзистора – очень удивитесь.

Транзистор, который изобрели тогда, к тому, который мы используем сегодня, имеет очень небольшое отношение, это уже, можно сказать, совершенно другой прибор. Микроэлектронная техника – это, пожалуй, самое передовое производство в мире. Нет такого производства, которое можно было бы сравнить по сложности и автоматизации, как это. Один завод по производству интегральных микросхем стоит 10-20 миллиардов долларов, один прибор на нём может стоить 100 миллионов. Но они делают эти схемы в гигантских количествах, и всё лучше и лучше. Цикл от сырья до готового продукта занимает около месяца. 

Транзисторы и то, что называют интегральными схемами, поменяло нашу жизнь больше, чем что бы то ни было. Компьютеры, искусственный интеллект – это всё появилось благодаря транзисторам и тому, что их стало возможным упаковывать в интегральные схемы. Их сейчас миллиарды, они работают очень быстро, потребляют относительно немного энергии, выполняют различные математические операции. 

Что будет с транзисторами дальше? Каковы пути их развития?

Почётный профессор Технологического института Нью-Джерси, одессит Леонид Цыбесков, который уже 10 лет он заведует департаментом электронной и компьютерной инженерии в Ньюаркском колледже, ответил «Граниту науки» на этот вопрос:

— Они становятся меньше, потребляют всё меньше энергии, и появилась возможность создавать такие системы, в которых все логические операции будут сделаны очень-очень быстро. За счёт того, что транзисторы становятся меньше, появилась возможность упаковывать их очень плотно. Если раньше в интегральной схеме их было миллион, то сегодня их миллиард, а ещё через 5 лет будет 5 миллиардов. Цикл логических команд в компьютере будет разбит на много циклов, которые можно делать параллельно – это называется параллелизм. И это, в принципе, движение в сторону того, как работает человеческий мозг. Он работает в такой системе, которая называется massive parallelism – то есть, требует большого количества сценариев. Вы не задумываетесь, но просто уже знаете, что делать, что не делать. И вот так же, видимо, будут работать со временем транзисторы. 

В мозге есть колоссальное количество нейронов, и они все переплетены друг с другом. Интегральные схемы будут работать так же. Это то, что называется bio-inspiring computing, когда даются такие структуры, где одна задача разбивается на много параллельных задач, и дальше они делаются одновременно, вместо последовательно совершаемой операции. Например, вы знаете, что какое-то действие нужно сделать в три этапа, и есть случаи, когда вам не нужно знать ответ первого, чтобы сделать второй. Это то, что в корне поменяет работу искусственного интеллекта. Он будет работать намного быстрее и эффективнее. Можно решать большое количество задач одновременно. Даже если увидите ошибку где-то, вы эту ошибку быстро исправляете, потому что видите, что, например, решение идет не туда, куда оно должно идти – и тут же останавливаете процесс, возвращаетесь, меняете исходный параметр и продолжаете. 

И вот я смотрю, что процесс может идти куда угодно, и тогда уже могу ставить эксперимент: «А что будет, если?» Знаете, Gmail на английском уже начал сам поправлять грамматику, и даже подсказывает паттерны и варианты, как закончить предложение. Эти компьютерные системы работают так, потому что есть гигантское количество транзисторов, которые создают всё более мощные процессоры, и они начинают проигрывать результаты наперёд. Более того, они запоминают ваш стиль! Например, вы любите начинать предложения определённым образом. Тогда следующее предложение он уже вам подскажет, чтобы соответствовало вашему стилю. Не то чтобы компьютер начал «думать», он просто анализирует паттерны – последовательность ваших шагов. Computing power – вычислительная способность – в десять раз больше, чем была в 90-е годы.

Semi-Conductor Research Corporation – это объединение основных компаний, работающий в области полупроводников. Мои исследования финансировал производитель процессов Intel, Hewlett Packard. Они, в основном, были связаны со свойствами квантовых точек. Я занимаюсь не системами микроэлектронных систем, а их компонентами. Это совершенно отдельная история, и в ней каждый день происходит что-то интересное. Я считаю, что это можно объяснить любому человеку, потому что все люди этим пользуются. Для того, чтобы они поняли, как эти системы работают, и осознали, как много было сделано людьми, которые занимались, занимаются и будут заниматься этими электронными системами.

В завершение своего комментария хочу привести слова Ричарда Фейнмана из его книги «Без ума от физики»: «Физика – это как секс: конечно, она может принести некие практические результаты, но это не то, почему мы ею занимаемся».

Читайте статью Леонида Владимировича Цыбескова о физфаке Одесского университета, который он называет особой «флуктуацией» во времени и пространстве 70-х, через неделю на «Граните науки».

ЧИТАЙТЕ НАС В ТЕЛЕГРАМ

Поделиться ссылкой:

1947 год — демонстрация первого транзистора — История — EADaily

23 декабря 1947 года опытно-конструкторское подразделение Bell Telephone Laboratories фирмы American Telephone and Telegraph провело презентацию полупроводникового биполярного усилительного прибора. Этот день стал считаться датой рождения транзистора.

Транзистор — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, способный от небольшого входного сигнала управлять значительным током в выходной цепи. Используется для усиления, генерирования, коммутации и преобразования электрических сигналов. В настоящее время транзистор является основой схемотехники подавляющего большинства электронных устройств и интегральных микросхем.

Первый действующий биполярный транзистор создали американские физики Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн в лабораториях Bell Labs. Работы велись с 1945 года, и после двух лет неудач долгожданное открытие было сделано благодаря нелепой случайности.

16 декабря 1947 года Уолтер Браттейн, пытаясь преодолеть поверхностный эффект в германиевом кристалле и экспериментируя с двумя игольчатыми электродами, перепутал полярность приложенного напряжения и неожиданно получил устойчивое усиление сигнала.

Спустя неделю — 23 декабря 1947 года — состоялось официальное представление изобретения. Действующий макет биполярного транзистора был представлен руководству головной компании. Именно эта дата считается днём изобретения транзистора.

В 1956 году ученые были награждены Нобелевской премией по физике «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта». Джон Бардин вскоре был удостоен Нобелевской премии во второй раз за создание теории сверхпроводимости.

Название для нового устройства придумал американский инженер и писатель-фантаст Джон Пирс. Первоначально название «транзистор» относилось к резисторам, управляемым напряжением. В самом деле, транзистор можно представить как некое сопротивление, регулируемое напряжением на одном электроде.

30 июня 1948 г. в штаб-квартире фирмы American Telephone and Telegraph в Нью-Йорке состоялась официальная презентация нового прибора, на транзисторах был собран радиоприемник.

И все же, мировой сенсации не состоялось, первоначально открытие не оценили по достоинству, ибо первые точечные транзисторы, в сравнении с электронными лампами, имели очень плохие и неустойчивые характеристики.

Однако позднее транзисторы заменили вакуумные лампы в большинстве электронных устройств, свершив революцию в создании интегральных схем и компьютеров.

Также в этот день:

1914 год — в России возникла Дальняя авиация

1900 год — первая в мире звуковая радиопередача

Кто на самом деле изобрел транзистор?

Хорошо, давайте проясним это раз и навсегда. Кто был настоящим изобретателем транзистора? В январе прошлого года Electronic Design опубликовал мою статью, посвященную годовщине изобретения транзистора. Я понял это в основном правильно, но недавно я получил записку, в которой я инициировал это разъяснение. В статье я сказал:

«В различных исторических записях говорится, что транзистор был изобретен 23 декабря 1947 года в лабораториях AT&T Bell Laboratories учеными Уильямом Шокли, Джоном Бардином и Уолтером Браттейном.В тот день они продемонстрировали транзисторное усиление с точечным транзистором ».

Я должен был сказать, что Бардин и Браттейн действительно изобрели первый транзистор точечного типа. Однако Шокли не был включен в этот патент. Позже, в 1948 году, Шокли разработал первый биполярный транзистор. В 1956 году Шокли переехал в Калифорнию и основал Shockley Semiconductor, одну из первых, если не первую, компанию по производству полупроводников в том, что мы теперь знаем как Силиконовая долина.А остальное, как говорится, уже история. Более подробную информацию можно найти в полной биографии Шокли Broken Genius Джоэла Шуркина.

Я получил записку, в которой указывалось на это несоответствие, от сына Шокли Дика Шокли. Дик – физик, получивший первую степень в Стэнфорде, а затем докторскую степень в Университете Южной Калифорнии. Почетный пенсионер из Военно-морского центра информационной войны (NIWC) в Сан-Диего. Его специальности включают нелинейные волны, подводную акустику и другие эзотерические предметы.

Я хочу поблагодарить Дика за это разъяснение. И, что, может быть, более важно, он неосознанно раскрыл одну важную истину: как история искажается с течением времени. Это происходит неоднократно. Примером может служить начало Кремниевой долины. Есть много историй о том, кто что и когда делал. Я не мог подтвердить, что Shockley Semiconductor была первой полупроводниковой компанией, но я предполагаю, что у нее есть такое отличие, хотя вы мало о ней слышите.

Одним из главных вкладов Шокли было его видение использования кремния, а не германия для изготовления БЯТ.Кроме того, он мог непреднамеренно породить остальную полупроводниковую промышленность. Высококвалифицированная команда, собранная Шокли, позже уехала, чтобы сформировать дочерние компании, такие как Fairchild, и в конечном итоге другие, такие как Intel и AMD.

Другие исторические предположения

Другой пример исторической гипотезы – персональные компьютеры. Люди до сих пор беспокоятся о том, кто и когда сделал то или это первым. Как и следовало ожидать, существует несколько версий этого. Я написал свои версии этого несколько лет назад, чего бы это ни стоило – см. Здесь и здесь.

Еще один пример – Маркони, как правило, признают открытие радио. Хотя он сыграл значительную роль в разработке беспроводного оборудования и услуг, настоящими изобретателями, вероятно, были Герц и Тесла. Как могло быть искажено это важное открытие? Должны ли мы включить Максвелла?

А кто изобрел первую интегральную схему? Был ли это Джек Килби из Texas Instruments или Роберт Нойс из Fairchild? Оказывается, они оба имеют общий патент. Они работали независимо, но одновременно и имели разные представления о том, что такое ИС и как она создается.История правильно поняла. Но насколько другая история искажена или просто неверна? Я полагаю, что через долгое время вы сможете придумать все, что захотите, и заявить, что это исторически верно. Кто будет в этом сомневаться? Многие из вас могли бы привести другие примеры этого.

Вывод состоит в том, что изобретение биполярного переходного транзистора стало важной вехой, положившей начало полупроводниковой промышленности. Огромный вклад. Это привело к созданию интегральной схемы, а затем и микрокомпьютера.Трудно представить мир без этих разработок. Если бы не это изобретение, BJT, нас с вами, вероятно, даже не было бы здесь. Спасибо, доктор Шокли. И спасибо Дику Шокли за то, что обратил на это наше внимание.

% {[data-embed-type = “image” data-embed-id = “5df275bcf6d5f267ee1f771f” data-embed-element = “aside” data-embed-alt = “Electronicdesign Com Sites Electronicdesign com Источники файлов Esb Lookin For Parts Banner Заглавные буквы 0 “data-embed-src =” https: //img.electronicdesign.com / files / base / ebm / electronicdesign / image / 2012/07 / electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_SourceESB_Lookin_For_Parts_BannerCAPS_0.png? auto = format & fit = max & w = 1440 “data-embed-caption =” “]}%

Кто изобрел транзистор? – ЧМ

При чтении моего недавнего блога @CHM «Кто изобрел диод?» Старший куратор CHM Даг Спайсер указал мне на увлекательный научный трактат «Синглтоны и множественные числа в научных открытиях: глава социологии науки», в котором описывается, как множественные независимые открытия научных явлений являются скорее нормой, чем исключением.Автор, Роберт К. Мертон, прослеживает это понимание у елизаветинского философа, государственного деятеля и ученого сэра Фрэнсиса Бэкона.

Мертон также перефразирует наблюдение Бэкона о том, что «если следовать правильному пути, бесконечное количество открытий возникнет благодаря растущему запасу знаний». Эта закономерность была очевидна в истории диодов. И, как описывается в этом блоге, это было повторено при разработке следующего большого скачка в полупроводниковых устройствах – транзисторов.

В начале прошлого века ученые знали, как сделать двухконтактный диод, поместив острый металлический зонд в контакт с кристаллом полупроводника. Эти точечные диоды могли преобразовывать колебательный сигнал в устойчивый сигнал и нашли широкое применение в качестве детекторов в кристаллических радиоприемниках. К 1920-м годам изобретатели начали исследовать использование полупроводников для усиления и переключения сигналов.

Ранние полупроводниковые усилители

Лосев Олег Васильевич (1903-1942)

Некоторые из самых ранних работ по полупроводниковым усилителям появились в Восточной Европе.В 1922-1923 годах русский инженер Олег Лосев из Нижегородской радиолаборатории в Ленинграде обнаружил, что специальный режим работы в диоде на точечном кристалле цинкита (ZnO) поддерживает усиление сигнала до 5 МГц. Хотя Лосев много лет экспериментировал с материалом в радиосхемах, он умер во время блокады Ленинграда в 1942 году и не смог отстаивать свое место в истории. Его работы в значительной степени неизвестны.

Австро-венгерский физик Юлиус Э. Лилиенфельд переехал в США и в 1926 году подал патент на «Метод и устройство для управления электрическими токами», в котором он описал трехэлектродное усилительное устройство с использованием полупроводникового материала на основе сульфида меди.Лилиенфельду приписывают изобретение электролитического конденсатора, но нет никаких доказательств того, что он построил рабочий усилитель. Его патент, однако, имел достаточное сходство с более поздним полевым транзистором , чтобы отказать в будущих патентных заявках на эту структуру.

Юлиус Э. Лилиенфельд (1882–1963), предоставлено AIP Emilio Segre Visual Archives

немецких ученых также внесли свой вклад в это раннее исследование. Во время работы в Кембриджском университете, Англия, в 1934 году немецкий инженер-электрик и изобретатель Оскар Хейл подал патент на управление током в полупроводнике с помощью емкостной связи на электроде – по сути, полевом транзисторе.А в 1938 году Роберт Поль и Рудольф Хильш экспериментировали с кристаллами бромида калия с тремя электродами в Геттингенском университете. Сообщалось об усилении низкочастотных (около 1 Гц) сигналов. Ни одно из этих исследований не привело к каким-либо применениям, но сегодня в кругах аудиофилов Хейля помнят за его трансформатор движения воздуха, используемый в высококачественных динамиках.

Первые транзисторы

Из-за их низкой надежности и большого энергопотребления к концу 1930-х годов инженеры American Telephone and Telegraph знали, что электронные схемы не смогут удовлетворить быстро растущий спрос компании на увеличение емкости телефонных разговоров.Директор по исследованиям Bell Laboratories Мервин Дж. Келли поручил Уильяму Шокли изучить возможность использования полупроводниковой технологии для замены ламп.

Используя улучшенные полупроводниковые материалы, разработанные для радиолокационных детекторов во время войны, в начале 1945 года Шокли экспериментировал с полевым усилителем, аналогичным по концепции запатентованным Хайлем и Лилиенфельдом, но он не работал так, как он планировал. Физик Джон Бардин предположил, что электроны на поверхности полупроводника могут блокировать проникновение электрических полей в материал.Под руководством Шокли вместе с физиком Уолтером Браттейном Бардин начал исследовать поведение этих «поверхностных состояний».

Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Браттейн в 1948 году, предоставлено Bell Telephone Laboratories

16 декабря 1947 года их исследования завершились успешным полупроводниковым усилителем. Бардин и Браттейн приложили два близко расположенных золотых контакта, удерживаемых пластиковым клином, на поверхность небольшой пластины из высокочистого германия.23 декабря они продемонстрировали свое устройство сотрудникам лаборатории, а в июне 1948 года Bell Labs публично анонсировала революционное твердотельное устройство, которое они назвали «транзистором».

В начале того же года, исследуя явление, которое он назвал «интерференцией», немецкий физик Герберт Матаре и его коллега Генрих Велкер независимо друг от друга изготовили усилитель на основе германия с двумя точечными контактами, касающимися его поверхности, в лаборатории Westinghouse в Париже, Франция. Когда они узнали об объявлении Bell Labs, Матаре и Велкер подали заявку на получение патента на собственное устройство, которое они назвали «транзистроном».”

Улучшение транзистора

Понимая, что структура точечного контакта имеет серьезные ограничения, и подстрекаемый профессиональной ревностью, поскольку он возмущался тем, что не участвует в ее открытии, Шокли работал в одиночку, чтобы создать более надежное и воспроизводимое устройство. Представленный в 1952 году биполярный транзистор Шокли, который был изготовлен из цельного куска полупроводникового материала без точечных контактов, доминировал в отрасли в течение следующих 30 лет. Все три ученых Bell Labs получили Нобелевскую премию по физике 1956 года за свой вклад.

В течение следующего десятилетия было разработано множество различных производственных методов для производства более быстрых, дешевых и надежных транзисторов. Важным достижением в 1954 году стал кремниевый транзистор , впервые разработанный Моррисом Таненбаумом из Bell Labs, а вскоре после этого – группа под руководством химика Уиллиса Адкока из недавно появившейся компании Texas Instruments. К концу 1950-х годов кремний стал предпочтительным материалом в отрасли, а TI – доминирующим поставщиком полупроводников.

Команда разработчиков кремниевых транзисторов Texas Instruments 1954 года: W.Адкок, М. Джонс, Э. Джексон и Дж. Торнхилл, любезно предоставлено Texas Instruments, Inc.

Основатели Fairchild Semiconductor, стартапа в Силиконовой долине в Калифорнии, основали свою компанию с целью создания еще более совершенного кремниевого транзистора. Их повседневные проблемы при разработке новой технологии подробно описаны в нескольких патентных тетрадях Fairchild из собрания музея, в частности, написанных Гордоном Муром и Шелдоном Робертсом. Совпадение с началом «космической гонки», их внедрение в 1958 году кремниевого меза-транзистора с двойным рассеиванием имело большой коммерческий успех.Проблемы надежности, которые угрожали будущему компании, были решены с помощью революционного планарного процесса швейцарского физика Жана Орни. Планарный метод Хорни не только преобразовал производство транзисторов из полуручного производства в крупносерийное автоматизированное производство. Это также позволило разработать современные интегральные схемы (ИС).

МОП-транзистор

Мартин М. Аталла (1924 – 2009), любезно предоставлено семьей Аталла

Идеи Лилиенфельда и Хейла, а также неудачные ранние эксперименты Шокли наконец принесли плоды в 1959 году, когда, работая на египетского инженера Мартина М.(Джон) Аталла об исследовании поверхностей полупроводников в Bell Labs, корейский инженер-электрик Давон Канг построил первый успешный полевой транзистор (FET), состоящий из слоёв металла (M – затвор), оксида (O – изоляция), и кремний (S – полупроводник). MOSFET, обычно сокращаемый до MOS, обещал значительно меньший, более дешевый и менее мощный транзистор.

Давон Кан (1931 – 1992), предоставлено NEC Corporation

Fairchild и RCA представили коммерческие МОП-транзисторы в 1964 году.Но за десятилетие, которое потребовалось, чтобы решить первые производственные проблемы с процессом MOS, отдельные транзисторы в компьютерных системах в значительной степени были заменены на ИС. В долгосрочной перспективе МОП-транзисторы оказались наиболее практичным подходом к созданию ИС с высокой плотностью размещения, таких как микропроцессоры и запоминающие устройства. Почти 100% из миллиардов транзисторов, производимых каждый день, являются МОП-устройствами.

Как и большинство технологических разработок, создание современных транзисторов следовало бэконовскому образцу постепенного выхода из «растущего запаса знаний», созданного действительно международным коллективом инженеров и ученых, а не в результате одиноких усилий одного героического «изобретателя». .”

Дополнительный контент

Что такое транзистор? | Основы электроники

Транзистор был изобретен в 1948 году в Bell Telephone Laboratories.

Изобретение транзистора стало беспрецедентным достижением в электронной промышленности. Это ознаменовало начало нынешней эпохи в секторе электроники. После изобретения транзистора технический прогресс стал более частым, наиболее заметным из которых были компьютерные технологии. Трое физиков, которые изобрели транзистор; Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн были удостоены Нобелевской премии.Учитывая изобретения, которые открыли транзисторы, можно утверждать, что это было самое важное изобретение двадцатого века.

От германия к кремнию

Транзисторы изначально производились с использованием германия. Это было стандартом для первого десятилетия производства транзисторов. Транзисторы на основе кремния, которые мы привыкли видеть сегодня, были приняты, потому что германий разрушается при температуре 180 градусов F.

Функции транзистора

Функции транзистора состоят из усиления и переключения.Возьмем для примера радио: сигналы, которые радио принимает из атмосферы, очень слабые. Радио усиливает эти сигналы через выход динамика. Это функция «усиления».

Для аналогового радио простое усиление сигнала заставит динамики воспроизводить звук. Однако для цифровых устройств форму входного сигнала необходимо изменить. Для цифрового устройства, такого как компьютер или MP3-плеер, транзистор должен переключать состояние сигнала на 0 или 1.Это “функция переключения”

Даже более сложные компоненты, такие как интегральные схемы, изготовленные из жидкого кремния, в основном представляют собой наборы транзисторов.

Резисторы и транзисторы

на одном кристалле

Изначально дискретные резисторы и транзисторы устанавливались на одних и тех же печатных платах. Позже транзисторные микросхемы со встроенными резисторами были разработаны как цифровые транзисторы. Использование цифровых транзисторов в конструкциях имеет:
1.Им требуется меньше места для установки компонентов на печатной плате.
2. Они требуют меньше времени для монтажа компонентов на печатной плате.
3. Это уменьшает количество необходимых компонентов.

Цифровые транзисторы защищены одним из эксклюзивных патентов ROHM.

Первые транзисторы со встроенными резисторами были разработаны фирмой ROHM, получившей патентные права. Цифровые транзисторы также защищены одним из эксклюзивных патентов ROHM.

Как работает транзистор?

Одна аналогия, которая помогает объяснить, как работает транзистор, – это думать о нем как о водопроводном кране.В этом случае электрический ток работает как вода. Транзистор имеет три контакта: база, коллектор и эмиттер. Основание работает как ручка крана, коллектор подобен трубе, которая идет в кран, а эмиттер подобен отверстию, через которое льется вода. Поворачивая ручку крана с небольшим усилием, мы можем контролировать мощный поток воды. Эта вода течет по трубе и выходит из отверстия. Слегка повернув ручку крана, можно значительно увеличить скорость потока воды.Если закрыть полностью, вода не будет течь. Если открыть полностью, вода будет хлестать как можно быстрее!

Теперь мы можем погрузиться в правильное объяснение, используя диаграммы ниже. Транзистор имеет три контакта: эмиттер (E), коллектор (C) и базу (B). База контролирует ток от коллектора до эмиттера. Ток, протекающий от коллектора к эмиттеру, пропорционален току базы. Ток эмиттера или базовый ток = hFE. Показанная установка использует коллекторный резистор (RI).Если через RI протекает ток Ic, на этом резисторе будет сформировано напряжение, равное произведению Ic x RI. Это означает, что напряжение на транзисторе равно: E2 – (RI x Ic). Ic приблизительно равно Ie, поэтому, если IE = hFE x IB, то Ic также равно hFE x IB. Следовательно, при подстановке напряжение на транзисторах (E) = E2 (RI x le x hFE). По сути, входное напряжение E появляется на выходе после преобразования в напряжение IcRL.

(* 1) hfe: Коэффициент усиления постоянного тока транзистора.

Транзистор

Краткое изложение истории транзистора

“Транзистор был, наверное, самым важное изобретение 20-го века и история этого изобретения одно из противоречивых эго и сверхсекретных исследований …. “

Этот краткое введение описывает вовлеченных лиц и организаций в истории транзистора.Для более насыщенного изображения, пожалуйста, следуйте ссылки на этом веб-сайте.

Колокол Laboratories, одна из крупнейших промышленных лабораторий в мире, был исследовательским подразделением гигантской телефонной компании American Telephone и Телеграф (AT&T). В 1945 году Bell Labs начал искать решение давней проблемы.

1907 – Проблема

AT&T привела своего бывшего президента Теодора Вейла, выйти на пенсию, чтобы помочь ему бороться с конкуренцией, возникающей из истечение срока действия Александра Грэма Белла телефонные патенты.Решение Вейла: трансконтинентальная телефонная связь.

В 1906 году эксцентричный американский изобретатель Ли Де Форест разработал триод в электронной лампе. Это было устройство, которое могло усиливать сигналы, включая, как предполагалось, сигналы на телефонных линиях по мере их передачи по всей стране от одной распределительной коробки к другой. AT&T купила De Патент Фореста и значительно улучшил трубку. Это позволило сигнал регулярно усиливаться по линии, что означает, что телефонный разговор может идти на любое расстояние, пока есть усилители путь.

Но вакуумные лампы, которые сделали это усиление возможным были крайне ненадежны, использовали слишком много энергии и производили слишком много нагревать. В 1930-х годах директор по исследованиям Bell Lab Мервин Келли признал, что необходимо устройство получше. чтобы телефонный бизнес продолжал расти. Он чувствовал, что ответ может находиться в странном классе материалов, называемых полупроводниками.

1945 – Решение

После окончания Второй мировой войны Келли собрала команду ученых разработать твердотельный полупроводниковый переключатель, который заменит проблемная вакуумная трубка.Команда использовала некоторые достижения в исследованиях полупроводников во время война, которая сделала возможным радар. Молодой блестящий теоретик, Билл Шокли был выбран в команду лидер. (См. Шокли, Браттейн и Бардин – команда и товарищи по команде)

Шокли подготовил Уолтера Браттейна из Bell Lab, физика-экспериментатора. кто мог построить или исправить что угодно, и нанял физика-теоретика Джон Бардин из Университета Миннесоты.Шокли пополнил свою команду эклектичный микс физиков, химиков и инженеров. Группа была разнообразные, но сплоченные. Уолтер Браун, физик, который присоединился к группе в 1951 году, вспоминает, что слышал об обильном вечеринки и хорошие обеды. Бетти Спаркс, Секретарь Шокли напомнила о приподнятом настроении группы на ее свадьбе. в Морган Спаркс. Они позвонили в свою лабораторию “Адский Лаборатория колоколов.”

Весной 1945 года Шокли разработал то, что он надеялся будет первым полупроводниковым усилителем, основанным на так называемом «эффект поля». Его устройство представлял собой небольшой цилиндр, тонко покрытый кремнием, установленный рядом с небольшая, металлическая пластина. Это было, как сказал инженер-электрик Иллинойсского университета. Ник Холоняк сказал, безумная идея. Действительно, устройство не работало, и Шокли поручил Бардину и Браттейну узнать почему.По словам автора Джоэля Шуркина, двое в основном работали без присмотра; Шокли большую часть времени проводил работаю дома в одиночестве.

Расположен в помещениях Bell Labs в Мюррей-Хилл, Бардин и Браттейн начали отличное партнерство. Теоретик Бардин предложил экспериментировал и интерпретировал результаты, в то время как Браттейн строил и запускал эксперименты. Вспоминает техник Фил Фой что время шло безуспешно, внутри начала нарастать напряженность. лабораторная группа.

Осенью 1947 года, автор Лилиан. Ходдсон говорит, что Браттейн решил попробовать окунуть весь аппарат в воду. в ванну с водой. Удивительно, но это сработало … немного.

Браттейн начал экспериментировать с золотом на германии, исключив слой жидкости по теории, что он замедляет работу устройства. Это не сработало, но команда продолжала экспериментировать, используя этот дизайн в качестве отправная точка.

Незадолго до Рождества Бардин получил историческое прозрение. Все думали, что знают, как ведут себя электроны в кристаллах, но Бардин обнаружил, что они ошибались. Электроны образовывали барьер на поверхности. Его прорыв был тем, что им было нужно. Не рассказывая Шокли о изменения, которые они вносили в расследование, Бардин и Браттейн работал над. 16 декабря 1947 года они построили точечный транзистор, сделаны из полосок золотой фольги на пластиковом треугольнике, вставленном в контакт с пластиной германия.

Когда Бардин и Браттейн позвонили Шокли, чтобы сказать ему изобретения, Шокли был доволен результатами группы и в ярости из-за того, что он не принимал непосредственного участия. Он решил, что сохранить его положение, он должен был бы сделать Бардина и Браттейна лучше.

Его устройство, переходной (сэндвич) транзистор, было развился в порыве творчества и гнева, в основном в гостиничном номере в Чикаго.В общей сложности ему потребовалось четыре недели работы пером на бумаге, хотя потребовалось еще два года, прежде чем он смог его построить. Его устройство было более прочным и практичным, чем устройство Бардина и Браттейна. точечный транзистор, и намного проще для производства. Он стал центральным артефактом электронной возраст. Автор Майкл Риордан говорит, что Бардина и Браттейна «оттолкнули». Это оскорбление раскололо команду, превратив некогда кооперативную среду в ту, которая была высококонкурентной.Проблемы, чьи имена должны быть зарегистрированным в патенте на устройство, и кто должен быть представлен в гласности фотографии, еще больше усилили напряженность.

Bell Labs решила представить изобретение 30 июня, 1948. С помощью инженера Джона Пирса, писавший научную фантастику в свободное время, Bell Labs остановилась на название «транзистор» – объединение идей «транс-сопротивления» с названиями других устройств, таких как термисторы.

В то время этому изобретению уделялось мало внимания. в популярной прессе или в индустрии. Но Шокли увидел его потенциал. Он покинул Bell Labs и основал Shockley Semiconductor в Пало-Альто, Калифорния. Он нанял превосходных инженеров и физиков, но, если верить физическим химик Гарри Селло, личность Шокли выгнал восьмерку своих лучших и умнейших. Эти “предательские восемь »основали новую компанию под названием Fairchild Полупроводник.Боб Нойс и Гордон Мур, двое из восьми сформировали корпорацию Intel. Они (и другие в Техасе Instruments) является соавтором интегральной схемы. Сегодня, Intel ежедневно производит миллиарды транзисторов на своих интегральных схемах, однако Бардин, Браттейн и Шокли зарабатывали очень мало денег на своих исследовать. Тем не менее, компания Шокли положила начало Silicon Долина.

Бардин покинул Bell Labs и перешел в Иллинойсский университет, где он получил вторую Нобелевскую премию.Браттейн оставался там несколько лет, а потом уехал преподавать. Шокли потерял компанию и преподавал в Стэнфорде. на какое-то время, а затем ввязались в печально известный спор по поводу расы, генетика и интеллект, разрушившие его репутацию.

В 1950-х и 1960-х годах большинство американских компаний предпочитали их внимание на военном рынке при производстве транзисторной продукции. Это оставило дверь открытой для японских инженеров, таких как Масару. Ибука и Акио Морита, который основал новую компанию под названием Sony Electronics. что массовое производство крошечных транзисторных радиоприемников.Президент Bell Labs Заслуженный Ян Росс сказал, что часть их успеха заключалась в развитии способности для быстрого серийного производства транзисторов.

Транзисторное радио изменило мир, открыв информационный век. Информация могла быть быстро разрознена до конца Земли, до такой степени, что историк Чарльз Стюарт слышал о убийство Мартина Лютера Кинга младшегоот бедуинских племен в Сахара вскоре после этого.

Первые трое встречались несколько раз после разрыва: однажды в Стокгольме, Швеция, чтобы получить Нобелевскую премию 1956 г. за их вклад в физику, и еще раз в Bell Labs в 1972 году в ознаменование 25 ^-й -й годовщины их изобретений. Они праздновали то, чего не могли знать, когда впервые начали работать над транзистором – что собирались менять Мир.

Вернуться к началу

__________________
Для дополнительного чтения см. Майкл Риордан и Лилиан. Кристалл Ходдесона Огонь: изобретение транзистора и рождение информационного века, Нью-Йорк, У. В. Нортон (1998)

Ресурсы: Видеоклип на эту страницу произведено Bell Labs, авторское право AT&T Bell Labs.

---

Авторские права 1999 г., ScienCentral, Inc. и Американский институт физики. Нет часть этого веб-сайта может быть воспроизведена без письменного разрешения. NavKnob является товарным знаком ScienCentral, Inc. Все права защищены.

Кто изобрел транзистор?

В середине 1940-х группа ученых работала в Bell Telephone Labs в Мюррее. Хилл, штат Нью-Джерси, работал над поиском устройства, которое заменит существовавший тогда технология вакуумных трубок.Вакуумные лампы были единственной технологией, доступной на время для усиления сигналов или использования в качестве переключающих устройств в электронике. Проблема было то, что они были дорогими, потребляли много энергии, выделяли слишком много тепла и были ненадежными, что требовало значительного технического обслуживания.

Учеными, ответственными за изобретение транзистора в 1947 году, были: Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли. Бардин, доктор философии. в математики и физики из Принстонского университета, был специалистом в области электронов. проводящие свойства полупроводников.Браттейн, доктор философии, был экспертом в природа атомной структуры твердых тел на уровне их поверхности и твердого тела физика. Шокли, доктор философии, был директором по исследованиям транзисторов в Bell Labs. Их первоначальное патентное название транзистора было: «Полупроводниковый усилитель; Трехэлектродный элемент схемы из полупроводниковых материалов ». В 1956 г. группа была удостоена Нобелевской премии по физике за изобретение транзистора. В 1977 году Джон Бардин был награжден Президентской медалью свободы. Ссылки: Ответил: Стивен Портц, учитель технологий, средняя школа космического побережья, Флорида Магазин Наш научный интернет-магазин

Уильям Шокли и изобретение транзистора

Уильям Брэдфорд Шокли (1910-1989) – вместе с Джоном Бардином (1908-1991) и Уолтером Браттейном (1902-1987) – был отцом транзистора, изобретения, которое, вероятно, является величайшей бесшумной революцией двадцатого века, которая в 2017 году исполняется 70 лет.Работа подавляющего большинства оборудования, которое мы используем ежедневно (включая телевизоры, мобильные телефоны и компьютеры), основана на свойствах транзисторов, из которых они построены. Часто говорят, что транзистор для двадцатого века олицетворяет то, что паровая машина значила для девятнадцатого века.

Шокли родился в Лондоне в 1910 году и был родом из США. У него было не очень счастливое детство, в значительной степени мотивированное плохими отношениями между его родителями, которые были нестабильными людьми, неспособными к социальному взаимодействию со своим окружением.Они передали это своему сыну, и это сформировало его угрюмый и нелюдимый нрав. После того, как его родители вернулись в Соединенные Штаты, он поступил в Калифорнийский технологический институт (Калифорнийский технологический институт) в 1928 году, , где он изучал физику, получив высшее образование в 1932 году. Впоследствии он получил докторскую степень в Массачусетском технологическом институте ( Массачусетский технологический институт) и получил звание доктора в 1936 году. В том же году он начал работать в Bell Telephone Laboratories в Нью-Йорке, принадлежащем А.T.&T., Телекоммуникационный гигант США.

В 1945 году директор лаборатории Мервин Дж. Келли поручил Шокли руководить группой по исследованию полупроводников с идеей разработки усилителя на основе этих материалов. A.T.&T очень интересовалась созданием усилителя на полупроводниках, так как у них были серьезные проблемы с дальней связью. В телефонном разговоре голос становится электрическим сигналом, сигналом, который затем проходит по медным проводам.Если сигнал проходит несколько километров, он беспрепятственно достигает приемного устройства; но в США связь между берегами должна проходить на расстоянии от 6000 до 8000 км; , электрический сигнал теряет интенсивность, и на определенном расстоянии он должен быть снова увеличен, операция, которая называется усилением, а устройство, которое это делает, называется усилителем . Достаточно иметь на всей линии достаточное количество усилителей, чтобы сделать ее желаемой длины. В те годы усилением были вакуумные клапаны, хрупкие устройства, которые потребляли много энергии и выделяли много тепла.Келли пришел к выводу, что им необходимо иметь более надежное усилительное устройство для эффективной связи на таком большом расстоянии, и предположил, что отклик следует искать в полупроводниках , свойства которых они начинали выяснять в то время.

Гонка на транзисторе

В течение 1946 года и в начале 1947 года результаты, полученные группой под руководством Шокли, были отнюдь не обнадеживающими, но с весны 1947 года два самых блестящих члена группы, Джон Бардин и Уолтер Браттейн, работали над поиском решений проблемы. проблема без Шокли, поскольку, несмотря на то, что он был лидером группы, он проводил большую часть своего времени дома, развивая свои собственные идеи.Летом и осенью того года Бардин и Браттейн лихорадочно работали без участия Шокли. 16 декабря 1947 года они наконец смогли управлять усилителем на транзисторе, сделанном из германия, а 23-го, за день до Рождества, они показали свои результаты директорам лаборатории. В начале января 1948 года они подали патент (2 524 035 долларов США) на производство первого в истории транзистора с точечным контактом, изобретателем которого не был Шокли.

Когда Шокли узнал об успехе, достигнутом Бардином и Браттейном в его отсутствие, он пришел в ярость, так как его раздражало то, что он не участвовал в открытии.Анализируя разработанное ими устройство, Шокли почувствовал, что его будет трудно производить в больших количествах с достаточной надежностью, поскольку оно было физически слабым. Шокли снова заперся в своем доме, он придумал транзистор, который отличался от точечного, назвал переходным транзистором и подал еще один патент (2569347 долларов США) 23 января следующего года (1948), девять дней. после даты, когда Бардин и Браттейн представили свои.

Одна из официальных фотографий, на которой Bell Labs объявила об изобретении транзистора: Бардин (слева), Шокли (в центре) и Браттейн (справа).Хотя кажется, что между ними царит гармония, это было ничем иным, как далеко от истины / Изображение: Стиль MLA: «Уильям Б. Шокли – Фотогалерея». Nobelprize.org. Nobel Media AB 2014.

Эта неловкая ситуация поставила директоров Bell Labs перед дилеммой. С одной стороны, Бардин и Браттейн построили первый транзистор самостоятельно, без участия Шокли. С другой стороны, Шокли был руководителем группы, и было неуместно не упоминать его имя, тем более что несколько дней спустя он смог придумать устройство даже лучше оригинала.Поэтому директора лаборатории решили, что на любой фотографии изобретателей транзистора должен быть изображен Шокли, который также будет выступать в качестве официального представителя; Бардин и Браттейн, которые уже испытывали сильную неприязнь к Шокли, неохотно приняли это решение, в то время как Шокли согласился с этим решением. Научный и особенно личный конфликт между Шокли, с одной стороны, и Бардином и Браттейном, с другой, в конечном итоге привел к роспуску группы.

В 1955 году Шокли покинул Bell Labs и основал Shockley Semiconductors , , первую фабрику по производству полупроводников в Кремниевой долине , но это была неудача из-за того, что для его сотрудников было невозможно общаться с ним.В 1956 году он получил известие о присуждении Нобелевской премии по физике вместе со своими бывшими подчиненными в Bell Labs , Бардином и Браттейном.

Шокли (первый справа, сидит) празднует получение Нобелевской премии вместе с некоторыми сотрудниками своей компании / Изображение: Ник Райт

После того, как его компания рухнула, Шокли посвятил себя академическому миру и в 1963 году был назначен Стэнфордским университетом. он был профессором инженерных наук, и он оставался в этом учреждении до выхода на пенсию в 1975 году.Он умер в 1989 году в возрасте 79 лет. Его дети и немногочисленные друзья узнали об этом из прессы.

Игнасио Мартиль.

Профессор электроники Университета Комплутенсе, Мадрид и член Королевского физического общества Испании

23 декабря 1947: Транзистор открывает дверь в цифровое будущее

1947: Джон Бардин и Уолтер Браттейн при поддержке коллеги Уильяма Шокли демонстрируют транзистор в Bell Laboratories в Мюррей-Хилл, Нью-Джерси.

Его называют самым важным изобретением 20 века. Транзистор, также известный как транзистор с точечным контактом, представляет собой полупроводниковое устройство, которое может усиливать или переключать электрические сигналы. Он был разработан для замены электронных ламп.

Электронные лампы были громоздкими, ненадежными и потребляли слишком много энергии. Поэтому исследовательское подразделение компании AT&T, Bell Labs, начало проект по поиску альтернативы.

Почти за десять лет до того, как был разработан первый транзистор, Шокли, физик из Bell Labs, работал над теорией такого устройства.Но Шокли не смог построить работающую модель. Его первый полупроводниковый усилитель имел «небольшой цилиндр, тонко покрытый кремнием, установленный рядом с небольшой металлической пластиной».

Итак, Шокли попросил своих коллег, Бардина и Браттейна, вмешаться. Одной из проблем, которые они заметили при первой попытке Шокли, была конденсация на кремнии. Они погрузили его в воду и предположили, что у первоначального прототипа есть металлический наконечник, «который будет вставлен в кремний, окруженный дистиллированной водой.«Наконец-то было усиление – но, к сожалению, на тривиальном уровне.

После дополнительных экспериментов германий заменил кремний, что увеличило усиление примерно в 300 раз. Это привело к лучшей способности модулировать усиление на всех частотах

Окончательная конструкция точечного транзистора имела два золотых контакта, слегка соприкасающихся с кристаллом германия, который находился на металлической пластине, подключенной к источнику напряжения.Также известный как «маленький пластиковый треугольник», он стал первым работающим твердотельным усилителем.

Бардин и Браттейн продемонстрировали транзистор должностным лицам Bell Lab 23 декабря 1947 года. Сообщается, что Шокли назвал его «великолепным рождественским подарком». Но сам Шокли не присутствовал, когда это произошло, и, как говорят, он был огорчен поражением в тот день.

Но он отомстил. Шокли продолжал работать над идеей и дорабатывать ее. В начале 1948 года он придумал биполярный или переходной транзистор, превосходное устройство, пришедшее на смену точечному типу.

Bell Labs публично анонсировала первый транзистор на пресс-конференции в Нью-Йорке 30 июня 1948 года.

Транзистор пришел на смену громоздким электронным лампам и механическим реле. Изобретение произвело революцию в мире электроники и стало основным строительным блоком, на котором зиждутся все современные компьютерные технологии.

Шокли, Бардин и Браттейн разделили Нобелевскую премию по физике 1956 года за транзистор, но трио никогда не работало вместе после первых нескольких месяцев их первоначального создания транзистора.

Шокли покинул Bell Labs и основал Shockley Semiconductor в Маунтин-Вью, Калифорния, – одну из первых высокотехнологичных компаний в том, что позже станет Силиконовой долиной.

Браттейн остался сотрудником Bell Labs. Бардин стал профессором Университета Иллинойса в 1951 году и получил вторую Нобелевскую премию по физике в 1972 году за первое успешное объяснение сверхпроводимости.

Источник: Различный

Фото: Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн работают в Bell Labs в конце 1940-х годов.
Предоставлено Alcatel-Lucent / Bell Labs

См. Также:

• 21 февраля 1947 г .: «Take a Polaroid» входит в английский язык
• 16 апреля 1947 г .: взрыв корабля вызывает трехдневный огненный дождь и смерть
• 28 апреля 1947 года: Кон-Тики отправляется в плавание из Перу в Полинезию
• 17 июня 1947 года: Pan Am запускает кругосветную службу
• 24 июня 1947 года: они прибыли из … космического пространства ?
• 6 июля 1947 г .: АК-47, универсальный убийца
• 8 июля 1947 г .: инцидент в Розуэлле вызывает споры об НЛО
• авг.18, 1947: Рождение Крутой (То есть Компания)
• 15 сентября 1947: Жужжание Ассоциации вычислительной техники
• 24 сентября 1947: MJ-12 – Мы не одни … или мы ?
• 3 октября 1947 г .: рождение «гигантского глаза» Паломара
• 14 октября 1947 г .: звуковой барьер Йегера Махса
• 2 ноября 1947 г .: еловый гусь … или дорогая индейка?
• 23 декабря 1970: Всемирный торговый центр превысил

.