Транзистор автор и дата: 404 Страница не найдена

дата и история изобретения, принцип работы, назначение и применение — ABC IMPORT

Содержание статьи:

Кто создал первый транзистор? Этот вопрос волнует очень многих. Первый патент для полевого транзисторного принципа был оформлен в Канаде австро-венгерским физиком Юлием Эдгаром Лилиенфельдом 22 октября 1925 года, но Лилиенфельд не опубликовал никаких научных статей о своих устройствах, и его работа была проигнорирована промышленностью. Таким образом первый в мире транзистор канул в историю. В 1934 году немецкий физик доктор Оскар Хайль запатентовал другой полевой транзистор. Нет прямых доказательств того, что эти устройства были построены, но позже работа в 1990-х годах показала, что один из проектов Лилиенфельда работал так, как описано, и давал существенный результат. Ныне известным и общепринятым фактом считается то, что Уильям Шокли и его помощник Джеральд Пирсон создали рабочие версии аппаратов из патентов Лилиенфельда, о чем, разумеется, никогда не упоминали ни в одной из своих более поздних научных работ или исторических статей.

Первые компьютеры на транзисторах, разумеется, были построены значительно позже.

Вам будет интересно:Как выбрать комнатную антенну с усилителем?

Лаборатория Белла

Лаборатория Белла работала на транзисторе, построенном для производства чрезвычайно чистых германиевых «кристальных» миксеров-диодов, используемых в радиолокационных установках в качестве элемента частотного микшера. Параллельно этому проекту существовало множество других, в их числе – транзистор на германиевых диодах. Ранние схемы на основе трубки не обладали функцией быстрого переключения, и вместо них команда Bell использовала твердотельные диоды. Первые компьютеры на транзисторах работали по похожему принципу.

Дальнейшие изыскания Шокли

После войны Шокли решил попытаться построить триодоподобное полупроводниковое устройство. Он обеспечил финансирование и лабораторное пространство, и затем стал разбираться с возникшей проблемой совместно с Бардином и Браттеном. Джон Бардин в конечном итоге разработал новую ветвь квантовой механики, известную как физика поверхности, чтобы объяснить свои первые неудачи, и этим ученым в конечном итоге удалось создать рабочее устройство.

Ключом к развитию транзистора стало дальнейшее понимание процесса подвижности электронов в полупроводнике. Было доказано, что если бы был какой-то способ контролировать поток электронов от эмиттера до коллектора этого вновь обнаруженного диода (обнаруженный 1874 г., запатентованный 1906 г.), можно было бы построить усилитель. Например, если поместить контакты по обе стороны от одного типа кристалла, ток не пройдет через него.

Вам будет интересно:Объемные светодиодные фигуры: инструкция по изготовлению

На самом деле делать это оказалось очень сложно. Размер кристалла должен был бы быть более усредненным, а число предполагаемых электронов (или отверстий), которые необходимо было “впрыскивать”, было очень большим, что сделало бы его менее полезным, чем усилитель, потому что для этого потребовался бы большой ток впрыска. Тем не менее вся идея кристаллического диода заключалась в том, что сам кристалл мог удерживать электроны на очень небольшом расстоянии, находясь при этом практически на грани истощения.

По-видимому, ключ заключался в том, чтобы контакты ввода и вывода были очень близки друг к другу на поверхности кристалла.

Труды Браттена

Браттен начал работать над созданием такого устройства, и намеки на успех все также продолжали появляться, когда команда работала над проблемой. Изобретательство – сложная работа. Иногда система работает, но затем происходит очередной сбой. Порой результаты работы Браттена начинали неожиданно работать в воде, по-видимому, из-за ее высокой проводимости. Электроны в любой части кристалла мигрируют из-за близких зарядов. Электроны в эмиттерах или «дыры» в коллекторах аккумулировались непосредственно сверху кристалла, где и получают противоположный заряд, «плавающий» в воздухе (или воде). Однако их можно было оттолкнуть с поверхности с применением небольшого количества заряда из любого другого места на кристалле. Вместо того, чтобы потребовать большой запас инжектированных электронов, очень небольшое число в нужном месте на кристалле выполнит одно и то же.

Новый опыт исследователей в какой-то степени помог решить ранее возникшую проблему небольшой контрольной области. Вместо необходимости использования двух отдельных полупроводников, соединенных общей, но крошечной областью, будет использоваться одна большая поверхность. Выходы эмиттера и коллектора были бы расположены сверху, а контрольный провод размещен на основании кристалла. Когда ток был применен к «базовому» выводу, электроны выталкивались бы через блок полупроводника и собирались на дальней поверхности. Пока излучатель и коллектор были очень близко расположены, это должно было бы обеспечивать достаточное количество электронов или дырок между ними, чтобы начать проведение.

Присоединение Брея

Вам будет интересно:Лучшие темы для “Андроида”: обзор, возможности и отзывы

Ранним свидетелем этого явления был Ральф Брей, молодой аспирант. Он присоединился к разработке германиевого транзистора в Университете Пердью в ноябре 1943 года и получил сложную задачу измерения сопротивления рассеяния на контакте металл-полупроводник. Брей обнаружил множество аномалий, таких как внутренние барьеры высокого сопротивления в некоторых образцах германия. Наиболее любопытным явлением было исключительно низкое сопротивление, наблюдаемое при применении импульсов напряжения. Первые советские транзисторы разрабатывались на основе этих американских наработок.

Прорыв

16 декабря 1947 года, используя двухточечный контакт, был сделан контакт с поверхностью германия, анодированной до девяносто вольт, электролит смылся в h3O, а затем на нем выпало несколько золотых пятен. Золотые контакты были прижаты к голым поверхностям. Разделение между точками было около 4 × 10-3 см. Одна точка использовалась как сетка, а другая точка – как пластинка. Уклонение (DC) на сетке должно было быть положительным, чтобы получить усиление мощности напряжения на смещении пластины около пятнадцати вольт.

Изобретение первого транзистора

С историей сего чудомеханизма связано множество вопросов. Часть из них знакома читателю.

К примеру: почему первые транзисторы СССР были PNP-типа? Ответ на этот вопрос кроется в продолжении всей этой истории. Браттен и Х. Р. Мур продемонстрировали нескольким коллегам и менеджерам в Bell Labs во второй половине дня 23 декабря 1947 года результат, которых они добились, потому этот день часто упоминается в качестве даты рождения транзистора. PNP-контактный германиевый транзистор работал в качестве речевого усилителя с коэффициентом усиления мощности 18. Это ответ на вопрос, почему первые транзисторы СССР были PNP-типа, ведь их закупили именно у американцев. В 1956 году Джон Бардин, Уолтер Хаузер Браттен и Уильям Брэдфорд Шокли были удостоены Нобелевской премии по физике за исследования полупроводников и открытие эффекта транзистора.

Двенадцать человек упоминаются как непосредственное участие в изобретении транзистора в лаборатории Bell.

Самые первые транзисторы в Европе

В то же время некоторые европейские ученые загорелись идеей твердотельных усилителей. В августе 1948 года немецкие физики Герберт Ф. Матаре и Генрих Велькер, работавшие в институте Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse в Ольне-су-Буа, Франция, подали заявку на патент на усилитель, основанный на меньшинстве которые они назвали «транзистором». Поскольку Bell Labs не публиковал транзистор до июня 1948 года, транзистор считался независимо разработанным. Впервые Mataré наблюдала эффекты крутизны при производстве кремниевых диодов для немецкого радиолокационного оборудования во время Второй мировой войны. Транзисторы были коммерчески изготовлены для французской телефонной компании и военных, а в 1953 году на радиостанции в Дюссельдорфе была продемонстрирована твердотельная радиоприемник с четырьмя транзисторами.

Bell Telephone Laboratories нуждалось в названии для нового изобретения: Semiconductor Triode, Tried States Triode, Crystal Triode, Solid Triode и Iotatron были рассмотрены, но «транзистор», придуманный Джоном Р. Пирсом, был явным победителем внутреннего голосования (частично благодаря близости, которую инженеры Белла разработали для суффикса «-истор»).

Первая коммерческая линия по производству транзисторов в мире была на заводе Western Electric на Union Boulevard в Аллентауне, штат Пенсильвания. Производство началось 1 октября 1951 г. с точечного контактного германиевого транзистора.

Дальнейшее применение

Вплоть до начала 1950-х этот транзистор использовался во всех видах производства, но все еще существовали значительные проблемы, препятствующие его более широкому применению такие, как чувствительность к влаге и хрупкость проводов, прикрепленных к кристаллам германия.

Шокли часто обвиняли в плагиате из-за того, что его работы были очень приближены к трудам великого, но непризнанного венгерского инженера. Но адвокаты Bell Labs быстро уладили эту проблему.

Тем не менее Шокли был возмущен нападками со стороны критиков и решил продемонстрировать, кто был настоящим мозгом всей великой эпопеи по изобретению транзистора. Всего несколько месяцев спустя он изобрел совершенно новый тип транзистора, обладающего очень своеобразной «бутербродной структурой». Эта новая форма была значительно более надежной, чем хрупкая система точечного контакта, и в итоге именно она начала использоваться во всех транзисторах 60-х годов ХХ столетия. Вскоре она развилась в аппарат биполярного перехода, ставший основой для первого биполярного транзистора.

Статический индукционный прибор, первая концепция высокочастотного транзистора, был изобретен японскими инженерами Jun-ichi Nishizawa и Y. Watanabe в 1950 году и, наконец, смог создать экспериментальные прототипы в 1975 году. Это был самый быстрый транзистор в 80-е годы ХХ столетия.

Дальнейшие разработки включали в себя приборы с расширенным соединением, поверхностно-барьерный транзистор, диффузионный, тетродный и пентодный. Диффузионный кремниевый «меза-транзистор» был разработан в 1955 году в Bell и коммерчески доступен Fairchild Semiconductor в 1958 году. Пространство было типом транзистора, разработанного в 1950-х годах как улучшение по сравнению с точечным контактным транзистором и более поздним транзистором из сплава.

Вам будет интересно:Как правильно выполнить настройку TP Link TD W8151N для “Ростелеком”

В 1953 году Филко разработал первый в мире высокочастотный поверхностно-барьерный прибор, который также был первым транзистором, подходящим для высокоскоростных компьютеров. Первое в мире транзисторное автомобильное радио, изготовленное Philco в 1955 году, использовало поверхностно-барьерные транзисторы в своей схеме.

Решение проблем и доработка

С решением проблем хрупкости осталась проблема чистоты. Создание германия требуемой чистоты оказалось серьезной проблемой и ограничило количество транзисторов, которые фактически работали из данной партии материала. Чувствительность германия к температуре также ограничивала его полезность.

Ученые предположили, что кремний будет легче изготовить, но мало кто изучил эту возможность. Morris Tanenbaum в Bell Laboratories были первыми, кто разработал рабочий кремниевый транзистор 26 января 1954 г. Несколько месяцев спустя, Гордон Тил, работающий самостоятельно в Texas Instruments, разработал аналогичное устройство. Оба эти устройства были сделаны путем контроля легирования кристаллов одного кремния, когда они выращивались из расплавленного кремния. Более высокий метод был разработан Моррисом Таненбаумом и Кальвином С. Фуллером в Bell Laboratories в начале 1955 года путем газовой диффузии донорных и акцепторных примесей в монокристаллические кремниевые кристаллы.

Полевые транзисторы

Полевой транзистор был впервые запатентован Юлисом Эдгаром Лилиенфельдом в 1926 году и Оскаром Хейлом в 1934 году, но практические полупроводниковые устройства (транзисторы с полевым эффектом перехода [JFET]) были разработаны позднее, после того как эффект транзистора наблюдался и объяснялся командой Уильяма Шокли в Bell Labs в 1947 году, сразу же после истечения двадцатилетнего патентного периода.

Первым типом JFET был статический индукционный транзистор (SIT), изобретенный японскими инженерами Jun-ichi Nishizawa и Y. Watanabe в 1950 году. SIT – это тип JFET с короткой длиной канала. Полупроводниковый полевой транзистор (МОП-транзистор) из металла-оксида-полупроводника, который в значительной степени вытеснил JFET и оказал глубокое влияние на развитие электронной электронной техники, был изобретен Дауном Кахнгом и Мартином Аталлой в 1959 году.

Полевые транзисторы могут быть устройствами с мажоритарным зарядом, в которых ток переносится преимущественно мажоритарными носителями или устройствами с носителями меньших зарядов, в которых ток в основном обусловлен потоком неосновных носителей. Прибор состоит из активного канала, через который носители заряда, электроны или отверстия поступают из источника в канализацию. Концевые выводы источника и стока подключаются к полупроводнику через омические контакты. Проводимость канала является функцией потенциала, применяемого через клеммы затвора и источника. Этот принцип работы дал начало первым всеволновым транзисторам.

Все полевые транзисторы имеют клеммы источника, стока и затвора, которые примерно соответствуют эмиттеру, коллектору и базе BJT. Большинство полевых транзисторов имеют четвертый терминал, называемый корпусом, базой, массой или субстратом. Этот четвертый терминал служит для смещения транзистора в эксплуатацию. Редко приходится делать нетривиальное использование терминалов корпуса в схемах, но его присутствие важно при настройке физической компоновки интегральной схемы. Размер ворот, длина L на диаграмме, – это расстояние между источником и стоком. Ширина – это расширение транзистора в направлении, перпендикулярном поперечному сечению на диаграмме (т. е. в/из экрана). Обычно ширина намного больше, чем длина ворот. Длина затвора 1 мкм ограничивает верхнюю частоту примерно до 5 ГГц, от 0,2 до 30 ГГц.

Источник

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

История транзистора

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.

История первого действующего биполярного транзистора началась 16 декабря 1947 года, когда он был продемонстрированисследователями Джоном Бардином, Уильямом Шокли и Уолтером Брайтейном. При помощи нехитрого устройства, состоящего из скрепки для бумаг, небольшого количества германия и золотой фольги они смогли увеличить входящий ток в сотню раз. Уже через неделю, 23 декабря  они официально представили первый действующий транзистор. Эта дата стала днем рождения первого биполярного транзистора. В июне 1948 года появились радиоприемник и телевизор на транзисторной платформе. С этого момента привычные и распространенные в то время электронные лампы стали постепенно уходить в прошлое.

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.

< Предыдущая		Следующая >

История транзисторов. Буревестники кремниевой революции::Журнал СА 1-2.2010

Рубрика: Карьера/Образование /  Ретроспектива

Facebook Twitter Мой мир Вконтакте Одноклассники Google+

 ВЛАДИМИР ГАКОВ, журналист, писатель-фантаст, лектор. Окончил физфак МГУ. Работал в НИИ. С 1984 г. на творческой работе. В 1990-1991 гг. – Associate Professor, Central Michigan University. С 2003 г. преподает в Академии народного хозяйства. Автор 8 книг и более 1000 публикаций

История транзисторов
Буревестники кремниевой революции

Нелепая ошибка привела к открытию, которое принесло его авторам Нобелевскую премию

Более шестидесяти лет назад, 23 декабря 1947 года, три американских физика, Уильям Шокли, Джон Бардин, Уолтер Браттейн, продемонстрировали коллегам новый прибор – полупроводниковый усилитель, или транзистор. Он был миниатюрнее, дешевле, прочнее и долговечнее радиоламп, а кроме того, потреблял гораздо меньше энергии. Словом, открытие стало настоящим рождественским подарком трех «санта-клаусов» человечеству – именно с этого основного элемента интегральных схем началась Великая кремниевая революция, приведшая к появлению общепринятых сегодня «персоналок».

Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн

Все трое получили заслуженную Нобелевскую премию, а Бардин впоследствии ухитрился получить и вторую – в 1972-м, за создание микроскопической теории сверхпроводимости (вместе с Леоном Купером и Джоном Шриффером – о чем ниже). Судьба Уильяма Шокли вообще сложилась очень любопытно.

Усилитель технического прогресса

История изобретения полупроводниковых усилителей – транзисторов – вышла драматичной, несмотря на ее скоротечность. Вся она уместилась в два послевоенных десятилетия, но чего в ней только не было! Тут и поразительные «пролеты» конкурентов удачливой тройки: находясь в буквальном смысле в сантиметрах от открытия, они не разглядели его и прошли мимо, в том числе и мимо светившей им Нобелевской премии. Ученики настолько хорошо усвоили идеи учителя, что чуть было не оставили его самого без означенной «нобелевки», так что раздосадованному шефу пришлось за неделю совершить невозможное, чтобы нагнать свою чересчур шуструю команду. Да и сам транзистор появился на свет, как это часто случалось, в результате нелепой ошибки одного из героев этой истории, измученного затяжной полосой неудач. Ну и, наконец, не менее поразительная «слепота» масс-медиа, сообщивших об одном из главных технологических переворотов ХХ века… мелким шрифтом на последних полосах!

Драматична судьба двух участников исторического события. Потеряв интерес к открытой ими золотой жиле, оба переключились на иные направления. Но Бардин, как уже говорилось, получил вторую «нобелевку» (их вообще в этой истории хватало), а Шокли – общественное негодование и игнорирование всего научного сообщества. До этого он еще успел растерять и лучших сотрудников. Сбежав из его фирмы и создав собственную, они разбогатели и прославились как создатели первых интегральных схем.

Тут не статью – увлекательный роман писать впору!

Но все по порядку. Итак, к середине прошлого века на повестку дня встал вопрос о замене громоздких, капризных, энергоемких и недолговечных электровакуумных ламп на что-то более миниатюрное и эффективное. К решению этой задачи одновременно подбирались несколько ученых и целые исследовательские группы.

История развития транзисторов

Хотя все началось еще раньше – в 1833 году, когда англичанин Майкл Фарадей обнаружил, что электропроводность сульфида серебра увеличивается при нагревании. Спустя без малого век, в 1926-м, соотечественник Фарадея Джулиус Эдгар Лилиенфилд получил патент под названием «Метод и прибор для управления электрическими токами», фактически предвосхитив, но так и не построив транзистор. А по окончании Второй мировой войны изучением электропроводных свойств полупроводниковых материалов занялись специалисты исследовательской фирмы Bell Telephone Laboratories, чья штаб-квартира располагалась в Марри-Хиллз (штат Нью-Джерси).

Именно там под руководством видного теоретика Уильяма Шокли был создан один из первых «мозговых центров» в истории американской науки. Шокли еще до войны пытался решить задачу повышения проводимости полупроводников с помощью внешнего электрического поля. Эскиз прибора в рабочем журнале ученого за 1939 год весьма напоминал нынешний полевой транзистор, однако испытания тогда закончились неудачей.

К концу войны в полупроводники успели поверить многие коллеги Шокли и, что самое главное, потенциальные заказчики и инвесторы – большой бизнес и «оборонка». На них произвели впечатление созданные во время войны радары, в основе которых лежали полупроводниковые детекторы.

Первым делом Шокли пригласил в Марри-Хиллз бывшего однокашника – теоретика Джона Бардина, переманив его из университета простым способом: предложил в два раза больший оклад. Кроме них двоих, в состав группы входила еще пятерка специалистов: теоретик, два экспериментатора, физико-химик и инженер-электронщик. Капитан этой команды ученых поставил перед ними ту же задачу, над которой бился до войны.

Однако и вторая попытка привела к отрицательному результату: изменить электропроводность полупроводниковых кремниевых пластин не смогли даже сильные внешние поля. Правда, на сей раз Бардин, работавший в связке с экспериментатором Уолтером Браттейном, с которым успел подружиться еще в колледже (где их объединила не только работа, но и совместное увлечение – гольф), смог хотя бы объяснить причину неудачи.

Если не вдаваться в технические детали, то из созданной им теории так называемых поверхностных состояний следовало, что управляющие металлические пластины, с помощью которых ученые воздействовали на полупроводниковый образец, и не могли дать желанного эффекта. Для получения положительного результата их следовало заменить заостренными (игольчатыми) электродами.

Друзья-коллеги так и поступили, и снова ничего. Казалось, дело зашло в тупик, но тут законченный трудоголик Браттейн, про которого говорили, что он может крутить ручки осциллографа по 25 часов в сутки («лишь бы было с кем поболтать»), неожиданно сорвался и совершил непростительную для профессионала ошибку. Что он там замкнул не так и какие полюса перепутал, в состоянии понять и оценить по достоинству только специалист-физик, для остального человечества важен результат той досадной ошибки, ставшей поистине золотой. Подсоединив электрод не туда, куда надо, Браттейн с удивлением зафиксировал резкое усиление входного сигнала: полупроводник заработал!

Проваленная премьера

Первым, кто сразу же оценил всю прелесть совершенной ошибки, был Бардин. Вместе с Браттейном он продолжил движение в «неправильном» направлении, начав экспериментировать с кристаллом германия, обладавшим большим, чем у кремния, сопротивлением. И 16 декабря 1947 года друзья продемонстрировали остальным участникам группы первый полупроводниковый усилитель, названный позже точечным транзистором.

Это был уродливый на вид германиевый брусок с торчащими из него закрученными усиками-электродами. Как именно он действует, в ту пору понимал, очевидно, один только Бардин: выдвинутая им по горячим следам гипотеза об инжекции (испускании) зарядов одним электродом (эмиттером) и их собирании другим электродом (коллектором) была выслушана коллегами в недоуменном молчании. Специалистов можно было понять – подтверждения теоретической правоты Бардина пришлось ждать годы.

Официальная презентация нового прибора состоялась через неделю, в предрождественский вторник 23 декабря, и эта дата вошла в историю как день открытия транзисторного эффекта. Присутствовал весь топ-менеджмент Bell Telephone Laboratories, сразу оценивший, какие золотые горы сулит компании новое изобретение – особенно в радиосвязи и телефонии.

Современные транзисторы

В мрачном расположении духа пребывал лишь снедаемый ревностью руководитель группы. Шокли считал себя автором идеи транзистора, он первым преподал своим удачливым ученикам основы квантовой теории полупроводников – однако его непосредственного вклада в создание первого рабочего транзистора никакое патентное бюро при всем желании не разглядело бы и в лупу.

Вдвойне несправедливо было и то, что Шокли раньше других оценил совершенно фантастические перспективы, которые сулил транзистор в иной области – стремительно прогрессировавшей вычислительной технике. Тут уже определенно светила «нобелевка», и Шокли, обладавший честолюбием и болезненным самолюбием, совершил фантастический рывок, чтобы успеть на уходящий поезд. Буквально за неделю ученый создал теорию инжекции и более основательную, чем бардинская, теорию транзистора – так называемую теорию p-n-переходов. А в новогоднюю ночь, когда коллеги исследовали в основном оставшиеся с рождественских гуляний бутылки из-под шампанского, придумал еще один тип транзистора – плоскостной (его еще называют «бутербродный»).

Героические усилия честолюбивого Шокли не пропали даром – спустя восемь лет он вместе с Бардиным и Браттейном разделил заветную Нобелевскую премию. На торжествах в Стокгольме, кстати, вся тройка в последний раз собралась вместе и больше никогда в полном составе не встречалась.

Через полгода после удачной премьеры транзистора в нью-йоркском офисе фирмы состоялась презентация для прессы нового усилителя. Однако реакция СМИ вопреки ожиданиям оказалась более чем вялой. На одной из последних полос (46-й) газеты The New York Times от 1 июля 1948 года в разделе «Новости радио» появилась короткая заметка – и все. Сообщение явно не тянуло на мировую сенсацию – с конца июня все американские и мировые СМИ были заняты обсуждением другой новости – советской блокады Западного Берлина, начатой за неделю до презентации транзистора. Изобретение троих ученых померкло на фоне репортажей о «воздушном мосте», с помощью которого американцы доставляли в блокированный сектор Берлина продукты питания и прочие предметы первой необходимости.

Поначалу фирме Bell Telephone Laboratories пришлось раздавать лицензии на транзисторы всем желающим, не торгуясь. Спрос был невелик – в то время инвесторы по инерции еще вкладывали огромные деньги в обычные радиолампы, производство которых переживало бум. Однако нашлись одиночки, которые быстро распознали возможности новых полупроводниковых усилителей, прежде всего в неожиданной области – слуховых аппаратов.

Микроэлектроника и макроевгеника

Среди прочих на нью-йоркской презентации присутствовал еще один будущий нобелевский лауреат – в ту пору инженер небольшой фирмы Centralab Джек Сент-Клер Килби. Вдохновившись увиденным, он наладил в своей фирме производство первых в мире миниатюрных слуховых аппаратов на транзисторах. А в мае 1958 года Килби перебрался в Даллас и поступил на работу в компанию Texas Instruments, производившую транзисторы, конденсаторы, резисторы и прочие «кубики», из которых собираются электросхемы.

Когда летом большинство сотрудников отправились в отпуска, Килби «на новенького» оставили потеть в офисе. Кроме всего прочего, ему пришлось заниматься рутинной работой, связанной скорее с бизнесом, чем с физикой. Именно за анализом ценообразования полупроводникового производства ученого посетила гениальная идея, в основе своей чисто экономическая. Получалось, что для вывода производства полупроводников на уровень рентабельности компании следовало ограничиться выпуском их одних. А все прочие активные элементы схемы производить на основе того же полупроводника, причем уже соединенными в единую компактную конструкцию наподобие детской игры Lego! Килби как раз и придумал, как это сделать.

Руководство компании пришло в восторг от идеи сотрудника и тут же «нагрузило» его срочным заданием: построить опытную модель схемы, целиком сделанной из полупроводника. 28 августа 1958 года Килби продемонстрировал работавший макет триггера, после чего приступил к изготовлению первой монолитной интегральной микросхемы (генератора с фазовым сдвигом) на кристалле германия.

Первый в истории простейший микрочип размером со скрепку для бумаг заработал 12 сентября, и этот день также вошел в историю. Однако Нобелевской премии Джеку Килби пришлось ждать почти полвека – ученый получил ее в последний год ХХ столетия, разделив премию с соотечественником, выходцем из Германии Гербертом Кремером и российским коллегой Жоресом Алферовым.

Что касается личных и профессиональных судеб трех отцов транзистора, то они сложились по-разному. Бардин, которого ревнивый до паранойи Шокли начал откровенно «затирать», в 1951 году оставил Bell Telephone Laboratories и перешел на работу в Университет штата Иллинойс в Урбане. Дополнительным стимулом послужил редкий в те времена годовой оклад в $10 тыс. Спустя пять лет профессор Бардин, уже забывший о полупроводниках и переключившийся на квантовые системы, услышал по радио о присуждении ему Нобелевской премии. А в 1972-м, как уже говорилось, за созданную вместе с сотрудниками Леоном Купером и Джоном Шриффером микроскопическую теорию сверхпроводимости получил и вторую. Умер единственный в истории дважды лауреат Нобелевской премии (в одной и той же номинации!) в 1991 году в возрасте 82 лет.

Анди Гроув, Роберт Нойс и Гордон Мур

Для Уолтера Браттейна, скончавшегося за четыре года до того, точечный транзистор так и остался пиком научной карьеры.

Зато их руководитель Уильям Шокли и после полученной премии активно работал в различных областях, хотя транзисторы вскоре забросил. Любопытно, что с технологической и коммерческой точек зрения его плоскостной транзистор оказался более перспективным, чем точечный Бардина и Браттейна: последний продержался на рынке лишь до конца 1950-х, в то время как плоскостные выпускаются и поныне. И именно на их основе были созданы первые микросхемы.

Но более всего Шокли прославился в сфере, весьма далекой от физики. А по мнению многих, и от науки вообще. В середине 1960-х годов он неожиданно увлекся евгеникой, вызывающей у многих неприятные ассоциации с арийскими сверхчеловеками, низшими расами и тому подобными «приветами» из недавнего прошлого. Шокли разработал собственную модификацию евгеники – дисгенику. Эта теория говорит о неизбежной умственной деградации человечества, в котором с течением времени вымывается интеллектуальная элита (люди с высоким IQ), а их место занимают те, у кого недостаток интеллекта скомпенсирован избытком репродуктивной функции. Иными словами – более плодовитыми и более глупыми.

С идеей общего оглупления человечества трезвомыслящему человеку еще можно было бы согласиться – в принципе. Однако Шокли добавил в свои рассуждения расовый момент, записав в число более плодовитых и более глупых представителей черной и желтой рас, которые, по его мнению, от рождения обладают более низким IQ, чем белые. На том американский физик не остановился и в духе приснопамятных нацистских рецептов предложил свое окончательное решение – только не еврейского, а негритянского вопроса. Чтобы бурно размножающиеся и умственно неразвитые «черные» (а также «желтые» и слабоумные «белые») окончательно не вытеснили на обочину истории высокоинтеллектуальную белую элиту, последней следует побудить первых к добровольной стерилизации.

План Шокли, который он неоднократно представлял в американскую Академию наук и правительственные учреждения, предусматривал материальное стимулировение людей с низким IQ, согласившихся на добровольную стерилизацию.

Можно себе представить реакцию коллег Шокли на подобные откровения. В 1960-е годы о тотальной политкорректности в Америке говорить не приходилось, но и откровенный расизм был уже не в моде. А когда подобные идеи излагал профессор и нобелевский лауреат, результатом могли быть только шок и возмущение. Полная обструкция со стороны интеллектуальной элиты сопровождала Шокли до последних дней (он умер от рака в 1989 году).

Вундеркинды Кремниевой долины

Между тем история изобретения транзистора на том не закончилась. Круги от исторического события, произошедшего в декабре 1947 года, расходились еще долго, порой приводя к совершенно непредсказуемым результатам.

По справедливости к упомянутой тройке нобелевских лауреатов 2000 года – Килби, Кремеру и Алферову – должен был бы присоединиться и американец Роберт Нойс, создавший первую микросхему одновременно с Килби. И самое главное – независимо от него. Однако Нойсу не довелось дожить до конца века, а посмертно эту премию, как известно, не присуждают.

Но занятно, что первый толчок научной карьере Нойса дал тот же Шокли – еще до того, как окончательно «сдвинулся» на расовой почве. В 1955 году будущий нобелевский лауреат покинул компанию Bell Telephone Laboratories и основал собственную фирму Shockley Semiconductor Laboratories в южном пригороде Сан-Франциско – Пало-Альто, где прошло его детство. Так был заложен первый камень в основание легендарной Кремниевой (или Силиконовой) долины.

Сотрудников Шокли набрал из молодых, да ранних, не подумав ни об их амбициях, ни о пределах их терпения – характер у него был отвратительный, да и руководителем он себя показал никаким. Не прошло и двух лет, как психологический климат в фирме стал чреват взрывом, и восемь лучших сотрудников во главе с Нойсом и Гордоном Муром сбежали из нее, чтобы основать собственную компанию.

Гениальных идей у «восьмерки предателей» (как заклеймил их Шокли) было хоть отбавляй – чего не скажешь о стартовых капиталах. Друзья-компаньоны еще не рожденной компании начали хождение по банкам и инвесторам в поисках денег. И после нескольких отказов счастливо наткнулись на такого же молодого и амбициозного финансиста Артура Рока, чьим коньком было как раз привлечение инвестиций. Что именно «напели» инженеры-технари бизнесмену, истории неведомо, но, как бы то ни было, он сыграл поистине судьбоносную роль в их будущем бизнесе. А также в судьбе других фирм Кремниевой долины, у основателей которых на старте не было ни гроша за душой – одни гениальные идеи и проекты.

С помощью Рока местная компания Fairchild Camera & Instrument согласилась инвестировать в новое дело $1,5 млн, но с одним условием: у нее останется право в будущем выкупить компанию «восьмерки» за вдвое большую сумму – если у тех дела пойдут в гору. Так была создана компания Fairchild Semiconductor, название которой буквально переводится как «Полупроводник чудо-ребенка» (в немецком варианте – вундеркинда). И вундеркинды из Пало-Альто скоро заявили о себе.

Первый транзистор	Современный микрочип	Микрочип

Нойс сам себя считал отменным лентяем. И главное изобретение жизни сделал, по его собственным словам, также из лени. Ему надоело наблюдать, как при изготовлении микромодулей пластины кремния сначала разрезали на отдельные транзисторы, а затем опять соединяли друг с другом в единую схему. Процесс был трудоемким (все соединения паялись вручную под микроскопом) и дорогостоящим. И в 1958 году Нойс наконец сообразил, как изолировать друг от друга отдельные транзисторы в кристалле. Так родились всем знакомые микросхемы – пластинки с графическим лабиринтом «дорожек» из алюминиевых напылений, отделенных друг от друга изолирующим материалом.

На первых порах микросхемы с трудом пробивали себе дорогу на рынок. Но в начале 1970-х все резко изменилось: после того как в 1969 году Fairchild Superconductor продала определенный тип микрочипов (предсказанных Бардиным еще во время работы в Bell Telephone Laboratories) на $15 млн. Спустя два года объем продаж той же продукции подскочил до $100 млн.

Однако успехи «вундеркиндов» омрачили обычные в таких случаях приоритетные дрязги. Дело в том, что Джек Килби подал заявку на патент микросхемы в феврале 1959 года, а Нойс сделал это только спустя пять месяцев. Тем не менее он получил патент первым – в апреле 1961-го, а Килби – только через три года. После этого между конкурентами развязалась десятилетняя «приоритетная война», закончившаяся мировым соглашением: Апелляционный суд США подтвердил претензии Нойса на первенство в технологии, но одновременно постановил считать Килби создателем первой работающей микросхемы.

Роберт Нойс не дожил до положенной ему по праву Нобелевской премии 2000 года ровно десять лет – в 63-летнем возрасте он скончался в своем рабочем кабинете от сердечного приступа.

Но до этого он основал вместе с Муром еще одну знаменитую компанию. Бросив в 1968 году налаженный бизнес в Fairchild Semiconductor, друзья решили назвать свое новое детище без затей: Moore Noyce. Однако по-английски это звучало более чем двусмысленно – почти как more noise («больше шума»), и компаньоны остановились на более официальном, зато содержательном названии: Integrated Electronics. Затем их компания неоднократно меняла имя, и сегодня каждый пользователь «персоналок» ежедневно лицезреет ее логотип с нынешним названием, коротким и звучным – Intel. Который «внутри».

Так спустя два десятилетия после открытия Бардина, Браттейна и Шокли завершилась Великая кремниевая революция.

Приложение

Нарушитель конвенции

В случае с Джоном Бардиным члены Шведской академии в первый и пока единственный раз в более чем вековой истории Нобелевских премий пошли на нарушение ее статута. Один из его пунктов запрещает присуждать премии дважды в одной номинации. Однако отметить успех сотрудников Бардина (очевидный для членов комитета и всего мирового научного сообщества) и при этом проигнорировать главного виновника торжества было бы просто неприлично, и американскому физику сделали исключение.

На сенсацию явно не тянуло…

«Вчера Bell Telephone Laboratories впервые продемонстрировала изобретенный ею прибор под названием «транзистор», который в ряде случаев можно использовать в области радиотехники вместо электронных ламп. Прибор был применен в схеме радиоприемника, не содержащего обычных ламп, а также в телефонной системе и телевизионном устройстве. Во всех случаях прибор работал в качестве усилителя, хотя фирма заявляет, что он может применяться и как генератор, способный создавать и передавать радиоволны. Транзистор, имеющий форму маленького металлического цилиндра длиной около 13 миллиметров, совсем не похож на обычные лампы, в нем нет ни полости, из которой откачан воздух, ни сетки, ни анода, ни стеклянного корпуса. Транзистор включается практически мгновенно, не требуя разогрева, поскольку в нем отсутствует нить накала. Рабочими элементами прибора являются лишь две тонкие проволочки, подведенные к куску полупроводника величиной с булавочную головку, припаянному к металлическому основанию. Полупроводник усиливает ток, подводимый к нему по одной проволочке, а другая отводит усиленный ток».

The New York Times, 1 июля 1948 г.

Facebook

Twitter

Мой мир

Вконтакте

Одноклассники

Google+

Изобретение транзистора – это… Что такое Изобретение транзистора?

Макет точечного транзистора Бардина и Браттейна. Треугольник в центре — прозрачная призма, по рёбрам которой приклеены полоски фольги — выводы коллектора и эмиттера. Базой служит металлическое основание, на котором закреплён германиевый кристалл.

16 декабря 1947 года физик-экспериментатор Уолтер Браттейн, работавший с теоретиком Джоном Бардином, собрал первый работоспособный точечный транзистор . Спустя полгода, но до обнародования работ Бардина и Браттейна, немецкие физики Герберт Матаре (англ.)русск. и Генрих Велькер (англ.)русск. представили разработанный во Франции точечный транзистор («транзистрон») . Так из безуспешных попыток создать сначала твердотельный аналог вакуумного триода , а затем полевой транзистор, родился первый несовершенный точечный биполярный транзистор.

Точечный транзистор, выпускавшийся серийно около десяти лет, оказался тупиковой ветвью развития электроники — ему на смену пришли германиевые плоскостные транзисторы. Теорию p-n-перехода и плоскостного транзистора создал в 1948—1950 годах Уильям Шокли . Первый плоскостной транзистор был изготовлен 12 апреля 1950 года методом выращивания из расплава . За ним последовали сплавной транзистор , «электрохимический» транзистор и диффузионный меза-транзистор .

В 1954 году Texas Instruments выпустила первый кремниевый транзистор. Открытие процесса мокрого окисления кремния сделало возможным выпуск в 1958 году первых кремниевых меза-транзисторов , а в марте 1959 года Жан Эрни создал первый кремниевый планарный транзистор . Кремний вытеснил германий, а планарный процесс стал основной технологией производства транзисторов и сделал возможным создание монолитных интегральных схем.

Предыстория

Полупроводниковый детектор Пикарда (англ.)русск. 1906 года

В 1906 году Гринлиф Пикард (англ.)русск. запатентовал кремниевый кристаллический детектор^[1]. В 1910 году Уильям Икклз обнаружил, что кристаллические детекторы в определённых условиях демонстрируют отрицательное внутреннее сопротивление и потому могут быть использованы для генерации колебаний и усиления сигналов^[2]. В 1922 году О. В. Лосев доказал возможность усиления и генерации электромагнитных колебаний на кристаллическом детекторе при подаче на него постоянного напряжения смещения (кристадинный эффект)^[2]. Цинкитный детектор («кристадин») Лосева сохранял работоспособность на частотах до 10 МГц^[2]. К концу 1920-х годов кристаллические детекторы были вытеснены вакуумными лампами, а развитие этого направления физики полупроводников приостановилось.

Нереализованный «полевой транзистор» Лилиенфельда. Патент США 1 745 175 на «метод и устройство управления электрическими токами» с приоритетом от 8 октября 1926 года (выдан 28 января 1930 года)

В 1922—1927 годах Грёндаль и Гейгер изобрели и внедрили в практику медно-закисный выпрямитель, а в 1930-е годы ему на смену пришёл более совершенный селеновый выпрямитель^[3]. Как писал Уолтер Браттейн, аналогия между выпрямителем на закиси меди и вакуумным диодом была очевидна для всех, изучавших полупроводники, — и многие из них задумывались о том, как внедрить в выпрямитель третий, управляющий электрод («сетку»), сделав из выпрямителя — усилитель^[4]. В 1925 году немецкий физик Юлиус Лилиенфельд подал первую патентную заявку на твердотельный усилитель, состоящий из слоёв металла и полупроводника^[5][6]. Лилиенфельд не смог довести своё предложение даже до стадии макета: его проект не мог быть реализован в 1920-е годы из-за недостаточного развития фундаментальной науки^[6]. В 1935 году другой немецкий физик, Оскар Хайл (англ.)русск., запатентовал в Великобритании принцип действия полевого транзистора. В 1938 году сотрудники Гёттингенского университета Роберт Пол (англ.)русск. и Рудольф Хилш создали твердотельный «триод», способный усиливать медленно меняющийся входной сигнал^[5]. Усилитель Пола был слишком медленным, работал только при высоких температурах и поэтому не имел практического развития, да и сам Пол не желал заниматься прикладными работами, предпочитая фундаментальную науку^[7]. Все эти безуспешные эксперименты в той или иной мере воспроизводили устройство вакуумного триода. Так, в «триоде» Пола управляющий электрод представлял собой мелкоячеистую металлическую сетку, управлявшую полем внутри кристалла бромида калия^[5]. Лосев в 1939 году упоминал о работе над полупроводниковой «трёхэлектродной системой, аналогичной триоду», но эти неопубликованные работы были утрачены^[8].

Во время Второй мировой войны исследовательские бюджеты многократно выросли, но, по мнению Питера Морриса, в физике полупроводников было сделано слишком мало. Все существенные достижения были связаны с военным заказом в двух направлениях, в которых были бессильны вакуумные лампы, — детектирование инфракрасного излучения и детектирование отражённого сигнала в радиолокации^[9]. Излучатели ранних радиолокаторов работали на частотах до 3 ГГц, а частотный диапазон детекторов на вакуумных диодах был ограничен 400 МГц^[3]. Контактные полупроводниковые детекторы, напротив, могли эффективно выпрямлять сверхвысокие частоты, поэтому в конце 1930-х годов правительства Великобритании, Германии и США начали масштабные проекты по совершенствованию полупроводников. В ходе этих исследований были исследованы фундаментальные свойства полупроводников и заложены основы технологии их производства, сделавшие возможным серийный выпуск полупроводниковых приборов^[10].

Открытие p-n-перехода

Плавка p-n-перехода по патенту Ола 1941 года

В 1936 году директор по исследованиям Bell Labs Мервин Келли поручил Уильяму Шокли изучить возможность создания твердотельных переключателей, способных в перспективе заменить электромеханические реле телефонных станций^[11]. Изучив опубликованные работы Пола, Иоффе и Давыдова^{[прим. 1]} и результаты экспериментов Браттейна, Шокли пришёл к выводу о невозможности внедрения управляющего электрода в массив полупроводника^[12]. Взамен 29 декабря 1939 года Шокли сформулировал принцип работы полевого транзистора: током в канале между двумя электродами должно управлять внешнее поле, создаваемое третьим (управляющим) электродом, размещённым вне канала^[12]. Шокли предложил строить полупроводниковый триод на изученной Давыдовым закиси меди, но первые опыты закончились неудачно, а затем персонал Bell Labs был мобилизован на решение военно-прикладных задач. Шокли в 1940 году работал на урановом проекте, а с 1942 года и до конца войны занимался практическими задачами радиолокации^{[прим. 2]}.

Небольшое ядро физиков-твердотельщиков, оставшееся в Bell Labs после ухода Шокли, занималось поисками материалов для детектирования сверхвысоких частот в радиолокации^[13]. Электрохимик и радиолюбитель Рассел Ол работал с кремниевыми детекторами ещё со времён великой депрессии^[14]. Полагая, что нестабильное поведение ранних детекторов было вызвано недостаточной очисткой от примесей, Ол сосредоточился на технологиях очистки и плавки кремния^[15]. В августе 1939 года Ол, Джон Скафф и Генри Тойерер провели первую плавку в гелиевой атмосфере^[15]. Детекторы, изготовленные из поликристаллического кремния, очищенного до 99,8%, были достаточно стабильными^[15]. Часть из них проводила ток в одном направлении (из контакта в кристалл), часть — в другом (из кристалла в контакт), при этом полярность конкретного экземпляра можно было определить только опытным путём^[15]. Полагая, что направление проводимости определяется только степенью очистки кремния, Ол назвал один тип «очищенным», а другой «коммерческим» (англ. purified and commercial)^[15].

В октябре 1939 года среди заготовок для детекторов нашёлся странный образец, электрические параметры которого вели себя настолько беспорядочно, что дальнейшие измерения казались бессмысленными^[15]. Только 23 февраля 1940 года Ол нашёл время, чтобы лично проверить его^[16]. Оказалось, что образец реагировал на свет, а степень наблюдаемого фотоэффекта на порядок превосходила фотоэффект в традиционных фотоэлементах^[16]. Проводимость образца зависела не только от освещённости, но и от температуры и влажности^[16]. Несмотря на противодействие своего начальника, который был не в ладах с Келли, 6 марта Ол продемонстрировал свою находку Келли и Уолтеру Браттейну^[16]. Браттейн догадался, что фотоэффект возникает на некоем невидимом барьере между двумя слоями кремния и что этот же барьер должен выпрямлять переменный ток^[16]. Именно поэтому измерение проводимости на переменном токе давало необъяснимые, бессмысленные результаты^{[прим. 3]}.

Вскоре Скафф и Ол буквально увидели этот барьер: травление азотной кислотой вскрыло видимую глазу границу между двумя слоями кремния^[16]. Скафф и Ол дали этим слоям новые названия: «кремний p-типа» (от англ. positive, положительный) и «кремний n-типа» (negative, отрицательный), в зависимости от направления тока в изготавливаемых из этих слоёв детекторах^[16]. Барьерная зона получила название p-n-переход^[17]. Постепенно Ол, Скафф и Тойерер пришли к пониманию того, что тип проводимости кремния определяется не его чистотой, а, напротив, присутствием характерных примесей^[17]. Более лёгкие элементы подгруппы бора должны были сосредотачиваться в верхнем слое расплава, более тяжёлые элементы подгруппы азота — в центре тигля^[17]. Действительно, химический анализ кремния p-типа выявил следы бора и алюминия, а присутствие фосфора в грубо очищенном кремнии n-типа ощущалось и без приборов — при обработке такого кремния выделялся фосфин^[17].

Личным волевым решением Келли засекретил открытие p-n-перехода^[18]. Bell Labs охотно делилась образцами кремния с американскими и британскими коллегами, но это был кремний исключительно p-типа^[18]. Ол лично отвечал за то, чтобы кремний n-типа и pn-переходы не покидали стен компании^[18]. Шокли узнал об открытии Ола только 24 марта 1945 года, а широкая публика — 25 июня 1946 года, когда Ол и Скафф получили патенты на свои изобретения 1940 года^[18].

Независимо от американских физиков, в 1941 году В. Е. Лашкарёв представил теорию «запирающего слоя» и инжекции носителей заряда на границе раздела меди и закиси меди. Лашкарёв предположил, что два типа проводимости, обнаруженные термозондом в медно-закисном элементе, разделены гипотетическим переходным слоем, препятствующим электрическому току. Работы Лашкарёва и К. М. Косогоновой («Исследование запирающих слоёв методом термозонда» и «Влияние примесей на вентильный фотоэффект в закиси меди») были опубликованы в 1941 году^[19].

Точечный транзистор

Транзистор Бардина и Браттейна

Бардин, Шокли и Браттейн в лаборатории Bell

В июне 1945 года Келли вновь сформировал отдел по исследованию твёрдого тела во главе с Шокли и Стэнли Морганом (в 1945 году Шокли по-прежнему был занят на военных проектах и не имел достаточно времени для единоличного управления отделом)^[20]. В группу вошли Браттейн, теоретик Джон Бардин, экспериментатор Джеральд Пирсон, физхимик Роберт Джибни и инженер-электрик Хилберт Мур^[20]. Образцы полупроводников изготавливали Уильям Пфанн (англ.)русск., Джон Скафф и Генри Тойерер^[21]. Группа опиралась на ресурсы огромной по тем временам научной организации — в конце 1940-х годов в Bell Labs работали 5700 человек, из них около 2000 — дипломированные профессионалы^[22].

Ознакомившись с наработками исследователей университета Пердью, Шокли сузил выбор полупроводников до двух (германия и кремния), а в январе 1946 года решил сосредоточиться на использовании эффекта поля^[23]. Однако эксперименты показали, что в реальном полупроводнике эффект поля был на три порядка^[24] слабее, чем предсказывала теория^[25]. Бардин объяснил экспериментальные данные, предложив гипотезу поверхностных состояний, согласно которой на границе полупроводника и металлического электрода образуется пространственный заряд, нейтрализующий действие внешнего поля^[25].

В течение 1947 года отдел Шокли искал решение проблемы объёмного заряда, с каждым шагом отступая всё дальше и дальше от концепции полевого транзистора. Шокли писал в 1972 году, что благодаря Бардину «мы прекратили „делать транзистор“. Взамен мы вернулись к принципу, который я называю „уважение к научной стороне практической задачи“»^[26]. В ноябре 1947 года Джибни предложил подавать на «триод» постоянное напряжение смещения с помощью точечного управляющего электрода, отделённого от массы полупроводника слоем электролита^[25]. Работы резко ускорились: в ноябре — декабре Бардин, Джибни и Браттейн испытали не менее пяти разных конструкций «триода»:

Эксперименты Браттейна в ноябре — декабре 1947 года[27]
Дата эксперимента	Полупроводник	Диэлектрик	Усиление			Частотный диапазон	Напряжение смещения[прим. 4]		Примечания
			По напряжению	По току	По мощности		На «стоке» («коллекторе»)	На «затворе» («эмиттере»)
21 ноября	Поликристаллический кремний p-типа	Дистиллированная вода	Нет	Да	Да	<10 Гц	Положительное	Положительное	«Электролитический полевой транзистор», патент США 2 524 034
8 декабря	Поликристаллический германий n-типа	Электролит GU[прим. 5]	Да	Нет	Да	<10 Гц	Отрицательное	Отрицательное
10 декабря	Поликристаллический германий n-типа с приповерхностным слоем p-типа		Да	Да	Да	<10 Гц	Отрицательное	Отрицательное
15 декабря		Оксидная плёнка	Да	Нет	Нет	10 Гц — 10 кГц	Положительное	Отрицательное
16 декабря		Нет	Да[28]	Да[28]	2 дБ[29]	1 кГц[29]	Положительное	Отрицательное	Изобретение точечного транзистора. Патент США 2 524 035
23 декабря			24 дБ на 1 кГц[30] 20 дБ на 10 МГц[31]	Да[31]	2 дБ[30]	До 15 МГц[31]

Современный макет транзистора Бардина и Браттейна

8 декабря Шокли, Бардин и Браттейн пришли к выводу о необходимости замены однородного полупроводника на двухслойную структуру — пластину германия, на поверхности которой был сформирован p-n-переход с высоким напряжением пробоя^[32][28]. 10 декабря «электролитический триод» Бардина и Браттейна на германии n-типа с инверсным слоем p-типа продемонстрировал усиление по мощности около 6000^[33]. Он был неприемлемо медленным даже для усиления звуковых частот, поэтому 12 декабря Бардин заменил электролит на тонкую плёнку окиси германия. Опыт в этот день окончился неудачно, вероятно, из-за повреждения плёнки при отмывке германиевой пластины^[34]. 15 декабря установка с оксидной плёнкой продемонстрировала двукратное усиление по напряжению в частотном диапазоне до 10 кГц^[29]. После этого опыта Бардин предложил использовать два контактных электрода — управляющий (эмиттер) и управляемый (коллектор). По расчётам Бардина, схема могла бы усиливать мощность при межэлектродном расстоянии не более пяти микрон (2*10⁻⁴ дюйма)^[35][29].

15 или 16 декабря 1947 года Браттейн сконструировал контактный узел из пластмассовой треугольной призмы с наклеенной на неё полоской золотой фольги^[36]. Аккуратно разрезав фольгу бритвой, Браттейн получил зазор между коллектором и эмиттером^[36] шириной около 50 микрон^[37][38]. 16 декабря Браттейн прижал контактный узел зазором к поверхности германиевой пластины^[39], создав первый работоспособный точечный транзистор^{[прим. 6]}. 23 декабря 1947 года Браттейн продемонстрировал коллегам транзисторный усилитель звуковых частот с пятнадцатикратным усилением по напряжению^{[прим. 7]}. На частоте 10 МГц усиление составило 20 дБ при выходной мощности 25 мВт^[31]. 24 декабря Браттейн продемонстрировал первый транзисторный генератор^[31].

Так, из неудачных попыток создать полевой транзистор, началось развитие биполярного транзистора^[40]. Руководство Bell Labs, понимая важность события, усилило отдел Шокли специалистами и на время засекретило проект^[30]. Публика узнала об изобретении транзистора 30 июня 1948 года на открытой презентации транзистора в Нью-Йорке, приуроченной к выходу статей в Physical Review^[21]. За месяц до этого события в Bell Labs состоялось тайное голосование по выбору имени нового прибора. Отбросив слишком длинное «полупроводниковый триод» (semiconductor triode), фактически неверное «триод на поверхностных состояниях» (surface states triode) и непонятное «йотатрон» (iotatron), Bell Labs утвердила «транзистор» (transistor) — от англ. transconductance (проводимость) или transfer (передача) и varistor (варистор, управляемое сопротивление)^[41].

Транзистрон Матаре и Велкера

Рентгенограмма транзистрона Матаре-Велкера

В 1944 году немецкий физик Герберт Матаре (англ.)русск., работавший за стенами Любежского монастыря (нем.)русск. над снижением шумов СВЧ-детекторов, изобрёл «дуодиод» — полупроводниковый выпрямитель с двумя точечными контактами^[42]. При подаче на эти контакты одинакового напряжения смещения и противофазных напряжений гетеродина «дуодиод» подавлял высокочастотные шумы гетеродина^[42]. Опыты на поликристаллическом германии Генриха Велкера (англ.)русск. и кремнии Карла Зайлера показали, что эффективное шумоподавление было возможно тогда, когда оба контакта замыкались на один и тот же кристаллик полупроводника^[42]. Если расстояние между контактами не превышало 100 микрон, изменение напряжения на одном из контактов приводило к изменению тока через второй контакт^[42]. В январе 1945 года Матаре бежал на запад от советского наступления, затем попал в плен к американцам, но вскоре был отпущен^[42]. Велкер продолжал исследования до марта 1945 года. Независимо от Шокли, и несколько опережая его, Велкер пришёл к концепции полевого транзистора — и его первые опыты также закончились неудачей^[43].

В 1946 году французские и британские агенты разыскали Велкера и Матаре, допросили их о немецких разработках в радиолокации и предложили работу на французском отделении Westinghouse, где в то время разворачивалось производство германиевых выпрямителей^[43]. Оба согласились: заниматься наукой в разгромленной Германии было невозможно^[43]. Велкер и Матаре основали лабораторию в Ольне-су-Буа и до конца 1947 года занимались наладкой производства выпрямителей^[43]. На рубеже 1947 и 1948 годов Матаре вернулся к теме «дуодиода», а Велкер по просьбе Матаре занялся очисткой германия^[43]. В июне 1948 года, до обнародования изобретения Бардина и Браттейна, усовершенствованный «дуодиод», а фактически — точечный транзистор, Матаре продемонстрировал стабильное усиление^[43]. В июле 1948 года работами Матаре и Велкера заинтересовался министр связи Франции Эжен Тома (фр.)русск., он же дал новому прибору имя «транзистрон» (фр. transistron)^[44]. В мае 1949 года Матаре и Велкер объявили о начале мелкосерийного выпуска транзистронов для дальней телефонной связи^[44].

Первые серийные транзисторы

Структура серийного транзистора «тип А». Профили проводимости эмиттерного и коллекторного переходов определяются материалами электродов и режимом электротермотренировки

В 1948—1951 годах специалисты Bell Labs под руководством Пфанна пытались наладить серийный выпуск точечных транзисторов, используя имеющуюся технологию контактных детекторов СВЧ-излучения^[45]. Пфанн добился успеха благодаря случайному совпадению: фосфористая бронза коллекторных контактов загрязняла поверхность германия атомами фосфора, создавая островки проводимости n-типа^[45]. Значение диффузии атомов меди, создававшей островки p-типа, было прояснено спустя несколько лет работами Кэлвина Фуллера (англ.)русск.^[46]. Транзистор Пфанна фактически был четырёхслойной PNPN-структурой, которая в определённых обстоятельствах демонстрировала несвойственное «настоящим» транзисторам отрицательное сопротивление^[45]. Серийное производство транзистора «тип А» на Western Electric началось в 1951 году и в апреле 1952 года вышло на уровень 8400 транзисторов в месяц^[47]. Производство было трудоёмко, дорого, а воспроизводимость параметров транзисторов — неприемлемо низкой^[45]. Поведение транзисторов зависело не только от температуры, но и от влажности воздуха^[47]. Пентагон внимательно следил за развитием технологии, но отказывался приобретать аппаратуру на ненадёжных приборах^[48]. Несмотря на то, что в 1951 году точечный транзистор уже устарел морально^[49], производство «типа А» продолжалось почти десять лет^[45], так как последовавшие за ним транзисторы на выращенных кристаллах и сплавные транзисторы уступали «типу А» в частотных свойствах. В течение всего десятилетия, по словам Шокли, успех производства зависел от «непостижимого шаманства» (англ. mysterious witchcraft)^[50].

Матаре и Велкер начали производство «транзистронов» в 1949 году, а в 1950 году продемонстрировали Шокли и Браттейну работу транзисторных усилителей на телефонной линии Франция-Алжир^[44]. Американцы насторожились: благодаря более совершенной технологии сборки «транзистроны» считались более надёжными приборами^[51]. Однако вскоре французское правительство прекратило поддержку Матаре и Велкера, и те вернулись в Германию^[44]. В 1952—1953 годах Матаре при поддержке Якоба Михаэля выпустил там опытную партию «транзистронов» и представил публике радиоприёмник на четырёх транзисторах (первый американский транзисторный приёмник Regency TR-1 был выпущен на год позже)^[44]. Американская компания Clevite (будущий владелец Shockley Semiconductor Laboratory) выкупила компанию у Михаэля, а затем свернула производство в Германии^[44]. Матаре переехал в США, Велкер возглавил полупроводниковые исследования на Siemens^[44].

В 1949 году Элмар Франк и Ян Тауц выпустили в Чехии партию работоспособных транзисторов из трофейного немецкого германия, используя собственный (более совершенный, чем у американцев) метод формирования контактов^[52]. В Советском Союзе А. В. Красилов и С. Г. Мадоян создали первый точечный транзистор в 1949 году, а первые промышленные образцы пошли в серию в 1950—1952 годах^[53].

В 1951 году правительство США потребовало, чтобы AT&T предоставило лицензии на свои технологии всем заинтересованным американским компаниям без взимания роялти. К лету 1952 года лицензию (так называемую «книгу за 25 тысяч долларов») приобрели 26 американских и 14 иностранных компаний^[54], но их попытки воспроизвести точечный транзистор не имели успеха. CBS-Hytron сумела запустить точечный транзистор в серию в 1951 году, а через год прекратила его выпуск^[55]. Hughes Aircraft безуспешно пыталась делать транзисторы из отдельных зёрен поликристаллического германия и в итоге отказалась от проекта^[52]. Philips, благодаря довоенным связям с Bell, получила лицензию раньше конкурентов, но серийное производство точечных транзисторов начала только в 1953 году, одновременно с более совершенными сплавными транзисторами^[56].

Ранние плоскостные транзисторы

Теория Шокли

Главный творческий прорыв состоялся не тогда, когда я пытался изобрести транзистор, а когда я конструировал установку для экспериментов с поверхностными явлениями в точечных транзисторах. Внезапно до меня дошло, что экспериментальная структура и есть транзистор. Именно она и была запатентована как плоскостной транзистор^{[прим. 8]}. Я был удручён тем, что, зная всё необходимое для этого изобретения, я целый год не мог соединить части целого — до тех пор, пока не появился раздражитель в лице точечного транзистора. — Уильям Шокли, 1972

Оригинальный текст  (англ.)  

My most important inventive breakthrough came not while I was trying to invent a transistor but while designing an experiment to diagnose incisively the surface phenomena of point-contact transistors. The structure I devised, I suddenly realised, was itself a transistor. It was patented as a junction transistor. I was disconcerted to realise that for at least a year I had known all the concepts needed for the invention but had not put them together until the point-contact transistor provided the challenging stimulus.^[50].

Уильям Шокли в 1975 году

Точечный транзистор Бардина и Браттейна был загадкой для его создателей. Было ясно только то, что изобретатели создали не гипотетический полевой транзистор, а нечто иное. 27 декабря 1947 года Бардин и Браттейн отправили в Physical Review статью об изобретении, объяснявшую действие транзистора поверхностными эффектами в полупроводнике^[57]. В патентной заявке 26 февраля 1948 года они дали другое объяснение, предположив существование в объёме полупроводника барьера, подобного барьеру Шоттки на границе полупроводника и металла^[58]. По мнению Бо Лоека, ни то, ни другое объяснение не выдерживало критики. Ни в одной рукописи Бардина и Браттейна не упоминались неосновные носители и инжекция заряда — понятия, без которых невозможно было описать поведение транзистора^[59].

Решение уже было записано в блокнотах Шокли — первые наброски теории p-n-перехода в германии Шокли создал ещё в апреле 1947 года^[60][61]. 8 декабря 1947 года, обсудив с Бардином и Браттейном структуру перспективного «триода», Шокли вернулся к теоретической проработке усилителя на p-n-переходах^[62]. В последнюю неделю 1947 года он мысленно перебрал множество конфигураций, однако все они, включая схему биполярного транзистора, не выдержали критического анализа^[62]. Только в январе 1948 года Шокли осознал, что использованная им модель не учитывала инжекции неосновных носителей заряда в базу^[62]. Учёт механизма инжекции сделал модель полностью работоспособной. Не позднее 23 января 1948 года Шокли составил патентную заявку на биполярный транзистор (будущий патент США 2 569 347)^[62] и оформил свои идеи в законченную теорию^[63]. В этой работе Шокли, наконец, отбросил попытки создать полевой транзистор и описал ещё не существующий прибор с двумя параллельными p-n-переходами — плоскостной биполярный транзистор. В ней впервые появились такие привычные ныне, но не очевидные в 1948 году утверждения, как необходимость прямого смещения эмиттерного p-n-перехода и обратного смещения коллекторного перехода^[45].

26 июня 1948 года Bell Labs подал патентную заявку на изобретение плоскостного транзистора^[60], но стоявшая за ней теория была оглашена публично только год спустя (16—18 июня 1949 года) — после того, как эксперимент подтвердил теорию^[64]. В июле 1949 года Шокли изложил свою теорию в Bell System Technical Journal (англ.)русск.^[65], а в ноябре 1950 года вышел magnum opus Шокли, Electrons and Holes in Semiconductor^[66] (в русском переводе 1953 года «Теория электронных полупроводников: Приложения к теории транзисторов»^[67]). По словам Ж. И. Алфёрова, книга Шокли стала «настольной книгой по обе стороны Атлантического океана»^[68]. Следует отметить, что Шокли описал именно плоскостной транзистор (транзистор на p-n-переходах, англ. junction transistor), а теорию точечного транзистора и кристадина Лосева так никто и не создал^[69][8]. Физическая сущность первого транзистора Бардина и Браттейна остаётся предметом споров: возможно, что реальные свойства использованной германиевой пластины существенно отличались от того, что предполагали экспериментаторы^[70]. Проверить это невозможно, так как подлинный первый транзистор давно утрачен^[70].

Публикация сделала Шокли безоговорочным авторитетом в физике полупроводников и привела к конфликту с Бардином, который в 1951 году ушёл из Bell Labs, чтобы сосредоточиться на исследованиях сверхпроводимости^[49]. Отношения Шокли и Бардина отчасти нормализовались только после присуждения Бардину, Браттейну и Шокли Нобелевской премии по физике за 1956 год^[71]. Четвёртый основной соавтор изобретения, Роберт Джибни, ушёл из Bell Labs в начале 1948 года и Нобелевской премии не получил^[57]. Впоследствии публичная активность Шокли и внимание прессы способствовали возникновению мнения о том, что Шокли якобы приписывал себе достижения Бардина, Браттейна и других^[71]. В действительности Шокли, напротив, всегда уточнял рамки собственного вклада^[72], исключал из списка изобретателей себя самого и включал туда Джибни^[11]. Шокли скрупулёзно отстаивал права своих коллег, даже тех, с кем (как с Робертом Нойсом) он разошёлся навсегда^{[прим. 9]}.

Транзистор на выращенных переходах

Метод выращивания p-n-переходов из расплава — исторически первая технология производства плоскостных транзисторов

В сентябре 1948 года^[73] в нью-йоркском автобусе случайно встретились два технолога Bell Labs, Гордон Тил (англ.)русск. и Джон Литтл^[74]. В этом случайном разговоре родилась идея производить монокристаллы «транзисторного» германия давно известным методом Чохральского^[74]. В декабре 1949 года Тил, Литтл и Эрни Бюлер построили первую опытную установку для вытягивания монокристаллов — пока ещё совсем небольших, не более 50 мм в длину и 10 мм в ширину^[74]. Если при вытягивании кристалла из расплава германия p-типа затравкой служил кристаллик n-типа, то внутри стержня формировался плавный p-n-переход^[74]. Ценность именно монокристаллических полупроводников в 1949 году не была очевидной — сам Шокли противился выращиванию кристаллов, полагая, что транзистор можно сделать и из качественного, но недорогого поликристаллического материала^[75][76]. Однако именно выращенный p-n-переход позволил экспериментально проверить теорию Шокли^[74].

12 апреля 1950 года Морган Спаркс (англ.)русск. вырастил методом Тила-Литтла трёхслойную NPN-структуру^[77]. Вначале из расплава вытягивалась низкоомная коллекторная область n-типа^[74]. Затем в расплав вбрасывали таблетку акцепторной примеси, растворявшуюся в тонком поверхностном слое расплава, — так формировался слой базы толщиной от 25 до 100 микрон. Сразу после создания базы в расплав вбрасывали таблетку донорной примеси для легирования эмиттера. Полученную трёхслойную NPN-структуру вырезали из кристалла, распиливали на продольные столбики и протравливали в кислоте для устранения поверхностных дефектов^[78]. Самой сложной операцией была контактная сварка 50-микронной золотой проволоки с 25-микронным слоем базы — для этого использовались прецизионные микроманипуляторы и специальный сплав золота с галлием. Примесь галлия, внедрявшаяся в кремний при сварке, расширяла приповерхностный p-слой базы, препятствуя короткому замыканию коллектора и эмиттера^[79]. Массовое производство германиевых транзисторов на выращенных переходах — первых полноценных биполярных транзисторов «по Шокли» — началось в 1951 году на Western Electric.

Из-за большой площади переходов транзисторы на выращенных переходах имели худшие частотные свойства, чем точечные. Но по той же причине выращенные транзисторы могли пропускать во много раз большие токи, при существенно меньших шумах^[75], а их параметры были относительно стабильны — настолько, что их стало возможно уверенно приводить в справочниках^[48]. Осенью 1951 года Пентагон, воздерживавшийся от приобретения точечных транзисторов, объявил о начале программы транзисторизации, сулившей многократную экономию на массе и объёме бортовой аппаратуры^[80]. Bell Labs ответила запуском новой производственной программы, нацеленной на ежемесячный выпуск миллиона транзисторов^[48]. Однако диапазон допустимых температур германиевых транзисторов был слишком узок для военных задач — транзисторизация американских ракет была отложена до выпуска «высокотемпературных» кремниевых транзисторов^[81].

Первый выращенный кремниевый транзистор изготовил на Texas Instruments тот же Тил в апреле 1954 года^[82]. Из-за высокой химической активности и более высокой, чем у германия, температуры плавления кремниевые технологии 1950-х годов отставали от германиевых. Тил вспоминал о том, что на конференции Института радиоинженеров в мае 1954 года коллеги один за другим докладывали о непреодолимых трудностях в работе с кремнием — до тех пор, пока сам Тил не продемонстрировал публике работающий кремниевый транзистор^[81]. Три последующие года, когда Texas Instruments была единственным поставщиком кремниевых транзисторов в мире, озолотили компанию и сделали её крупнейшим поставщиком полупроводников^[81].

Сплавной транзистор

Сплавной транзистор. Квадратная пластина — база, с одной стороны к ней приварена бусина эмиттера, с другой — бусина коллектора

В 1950 году Холл и Данлоп предложили формировать p-n-переходы сплавлением, а первые практические сплавные транзисторы были выпущены General Electric в 1952 году^[83]. В основе типичного сплавного транзистора PNP-типа была тонкая пластина германия n-типа, служившая базой. Эти пластины сплавлялись с индиевыми или мышьяковыми бусинами, а затем отжигались при температуре около 600 °С. При правильном выборе ориентации пластин в них формировались строго параллельные эпитаксиальные слои рекристаллизованного германия n-типа. Толщина базы задавалась временем отжига. Пластина монтировалась на несущую арматуру корпуса в бескислородной среде (азот или аргон), а затем корпус герметично заваривался. Герметизация не могла заменить должной пассивации поверхности p-n-переходов, поэтому параметры сплавных транзисторов были нестабильны во времени^[84]. Практически все сплавные транзисторы изготавливались из германия — реализация сплавной технологии в кремнии оказалась слишком сложной и дорогой^[85].

Переходы между зонами p-типа и n-типа в сплавных транзисторах были резкими (ступенчатыми), в отличие от плавных переходов выращенных транзисторов. Благодаря ступенчатой характеристике эмиттерного перехода сплавные транзисторы имели больший коэффициент усиления по току и были более эффективными переключателями в цифровых схемах. Ступенчатая характеристика коллекторного перехода, напротив, порождала нежелательные свойства — высокую миллеровскую ёмкость, узкий частотный диапазон (до 10 МГц), самовозбуждение усилителей^[86]. Предельная рабочая частота сплавных транзисторов была выше, чем у транзисторов на выращенных переходах, но по-прежнему уступала точечным транзисторам^[85].

В середине 1950-х годов Джеймс Эрли (англ.)русск. предложил различные варианты асимметричных сплавных структур (PNIP, NPIN), позволявшие расширить частотный диапазон до 200 МГц. По утверждению Иена Росса, Эрли стал вторым после Шокли человеком, предложившим принципиально новую структуру транзистора^[87], но сделал это слишком поздно. К концу 1960-х годов транзисторы Эрли, проигрывавшие по всем показателям диффузионным транзисторам, были сняты с производства^[86][88].

Диффузионные транзисторы

Германиевый меза-транзистор

Диффузионно-сплавной меза-транзистор по Дэйси, Ли и Шокли (1955). Три этапа технологии: диффузия базы (из газовой среды), сплавление эмиттера, пайка к основанию

В 1950 году группа специалистов Bell Labs под руководством Кэлвина Фуллера (англ.)русск. начала исследования диффузии примесей в германии с целью выработать меры против загрязнения кристаллов нежелательными примесями. Работы Фуллера развились во всеобъемлющее исследование диффузии из твёрдой и газовой сред и принесли побочный результат — создание эффективной кремниевой солнечной батареи^[46]. В начале 1954 года Шокли предложил использовать диффузию по Фуллеру для формирования p-n-переходов с заданной глубиной и профилем концентрации примесей^[89].

В марте 1955 года Шокли, Джордж Дэйси и Чарльз Ли подали патентную заявку на технологию массового производства диффузионного транзистора^[89]. В этом процессе в диффузионную печь единовременно закладывалась масса монокристаллических таблеток из германия p-типа — будущих транзисторов. Затем в течение 15 минут при 800 °С проводилась диффузия мышьяка, формировавшая на поверхности таблетки слой n-типа (базу). На поверхность каждой таблетки по трафарету наносили тонкий слой алюминия — контактную площадку будущего эмиттера. При отжиге атомы алюминия диффундировали в германий, создавая внутри базы тонкий слой p-типа (собственно эмиттер). Электрический контакт с коллектором, скрытым внутри диффузионного слоя базы, создавался при пайке кристалла к корпусу транзистора припоем, содержащим индий. Индий, диффундируя в германий, менял проводимость базового слоя с n-типа обратно на p-тип, мягко «выталкивая» слой базы из зоны пайки^[90]. Внешний вид таблетки, припаянной к плоскому основанию, напоминал распространённые на юго-западе США столовые горы (исп. mesa), оттого транзисторы этого типа стали известны как меза-транзисторы^[91]. Технология Дэйси, Ли и Шокли пошла в серию на Western Electric, но не вышла на открытый рынок — все выпущенные транзисторы были распределены между самой Western Electric и узким кругом военных заказчиков^[91].

В 1957 году Philips разработал собственную меза-технологию, так называемый процесс «выталкивания базы» (англ. pushed-out base, POB). В этом процессе диффузия и акцепторных (слой базы p-типа), и донорных (слой эмиттера n-типа) примесей производилась из капелек легированного свинца, нанесённых на германиевую таблетку n-типа. Транзисторы этого типа имели граничную частоту усиления до 200 МГц и массово применялись в первых лампово-полупроводниковых телевизорах. Коммерческий успех технологии POB сыграл с Philips злую шутку: компания сосредоточилась на совершенствовании германиевых технологий и сильно отстала и от американцев, и от Siemens в кремниевых^[92].

Открытие мокрого окисления

В начале 1955 года в диффузионной печи Карла Фроша (англ.)русск., занимавшегося в Bell Labs проблемами диффузии в кремний, произошла случайная вспышка водорода^[93]. Часть водорода в печи сгорела с выбросом водяного пара, опытная кремниевая пластина покрылась тонким слоем диоксида кремния^[93]. В течение последующих двух лет Фрош и его помощник Линкольн Дерик при участии Молла (англ.)русск., Фуллера и Холоньяка обстоятельно изучили процесс мокрого термического окисления и довели его до внедрения в промышленное производство^[94][95]. В отличие от непредсказуемого в то время сухого окисления в атмосфере кислорода мокрое окисление водяным паром оказалось легко воспроизводимым процессом, а полученные оксидные слои — равномерными и достаточно прочными^[93]. Они надёжно задерживали тяжёлые легирующие атомы (например, сурьмы) и потому могли служить эффективной, термостойкой маской для селективной диффузии примесей^[93].

Фрош ещё в 1955 году предвидел широкое внедрение селективных оксидных масок, но остановился в одном шаге от идеи интеграции^[93]. Холоньяк писал в 2003 году, что открытие Фроша «сделало все другие методы диффузии устаревшими» и сняло последний барьер на пути к созданию интегральных схем^[94]. Однако Фрош допустил ошибку, решив, что оксид не способен задерживать диффузию фосфора. Тонкие слои оксида, использованные Фрошем, действительно пропускали атомы фосфора, но в начале 1958 года Чи-Тан Са (англ.)русск. установил, что достаточно толстый слой оксида способен задерживать и фосфор^[96]. Эта ошибка задержала начало практических работ Жана Эрни по планарной технологии более чем на год^[96].

Работы Фроша оставались внутренним секретом Bell Labs вплоть до первой публикации в Journal of the Electrochemical Society летом 1957 года^[97]. Однако Уильям Шокли, уехавший в 1954 году в Калифорнию и формально уволенный из Bell Labs в сентябре 1955 года^[98], безусловно был в курсе работ Фроша. Шокли оставался рецензентом и консультантом Bell Labs, регулярно получал известия о новейших работах корпорации, знакомил с ними своих сотрудников^[99]. Две важнейшие и ещё не обнародованные в 1956 году технологии Bell Labs — мокрое окисление и фотолитография — внедрялись в опытное производство Shockley Semiconductor Laboratory^[99]. «Вероломная восьмёрка», покинувшая Шокли и основавшая Fairchild Semiconductor, взяла с собой уже практическое знание этих технологий^[100].

Кремниевый меза-транзистор

Меза-транзистор малой мощности 1960-х годов. Меза-структура с характерными концентрическими выводами эмиттера (в центре) и базы припаяна к торцу вывода коллектора

В августе 1958 года Fairchild Semiconductor представила разработанный Гордоном Муром 2N696 — первый кремниевый меза-транзистор и первый меза-транзистор, продававшийся на открытом рынке США^[101]. Технология его производства принципиально отличалась от «таблеточных» процессов Bell Labs и Philips тем, что обработка проводилась целыми, неразрезанными пластинами с применением фотолитографии и мокрого окисления по Фрошу^[102]. Непосредственно перед резкой пластины на индивидуальные транзисторы проводилась операция глубокого травления (англ. mesaing) пластины, разделявшая островки-мезы (будущие транзисторы) глубокими канавками^[103].

Технология Fairchild существенно повысила производительность, но была для своего времени весьма рискованной: единственная ошибка на этапах диффузии, металлизации и травления пластин приводила к гибели всей партии^[103]. Fairchild выдержала эти испытания, оставаясь почти полтора года единственным поставщиком меза-транзисторов на открытый рынок. 2N696 выгодно отличался от ближайших конкурентов (сплавных транзисторов Texas Instruments) сочетанием бо́льшей допустимой мощности и хорошего быстродействия в цифровых схемах и потому стал на время «универсальным транзистором» американского ВПК^[104]. В вычислительной технике 2N696 работал не столь хорошо из-за долгого времени выключения в ключевом режиме^[105]. В ноябре 1958 года — январе 1959 года Жан Эрни нашёл решение проблемы — легирование коллекторов золотом^[106]. Решение Эрни было совершенно алогичным, невероятным: ранее считалось, что золото «убивает» усиление транзистора^[107]. Однако легированные золотом PNP-транзисторы Эрни, запущенные в серию в начале 1959 года, имели стабильно высокий коэффициент усиления, превосходили германиевые транзисторы в скорости и оставались недосягаемыми для конкурентов до середины 1960-х годов^[108]. Fairchild, обойдя Texas Instruments, стала абсолютным лидером отрасли и удерживала первенство до июля 1967 года^[109].

Меза-технология дала разработчикам беспрецедентную гибкость в задании характеристик p-n переходов и позволила довести допустимое напряжение на коллекторе до нескольких киловольт^[110], а рабочую частоту до 1 ГГц^[111], но она имела и неустранимые недостатки. Она не позволяла формировать резисторы и потому была непригодна для производства интегральных схем^[112]. Толстые коллекторные слои имели высокое омическое сопротивление и, как следствие, далёкие от оптимума импульсные характеристики^[113]. Главная же проблема меза-транзисторов была в том, что выход коллекторного p-n-перехода на отвесную «стенку» мезы не был защищён от загрязняющих примесей — как следствие, надёжность меза-транзисторов была хуже, чем у предшествовавших им сплавных транзисторов^[112]. Микроскопические частицы, притянутые к кристаллу электрическим полем, шунтировали коллекторный переход, снижали коэффициент усиления и напряжение пробоя. Мур вспоминал, что при подаче на коллектор обратного напряжения эти частицы, разогретые током утечки, буквально светились^[114]. Защитить же стенки мезы оксидным слоем было невозможно, так как окисление требовало нагрева до температур, превышающих температуру плавления алюминия контактных площадок.

Планарный транзистор

Отличие планарной технологии Эрни (справа) от меза-технологии (слева). Высоты слоёв показаны схематично

Ещё 1 декабря 1957 года Эрни предложил Роберту Нойсу планарный процесс — перспективную замену меза-технологии. По Эрни, планарная структура должна была формироваться двумя последовательными диффузиями, создающими вначале слой базы, а затем вложенный в него слой эмиттера. Выходы коллекторного и эмиттерного переходов на верхнюю поверхность кристалла изолировались от внешней среды слоем «грязного» оксида, служившим маской при второй (эмиттерной) диффузии^[100]. Это предложение Эрни, так же, как и легирование золотом, противоречило общепринятому тогда мнению^[115]. Фуллер, Фрош и другие инженеры Bell Labs полагали, что «грязный» оксид в законченном транзисторе недопустим, так как атомы примесей будут неизбежно проникать из оксида в кремний, нарушая заданный профиль p-n-переходов^[115]. Эрни доказал, что это мнение ошибочно: предшественники не учли, что при диффузии примесь поступает не только вглубь кристалла, но и распространяется вбок под оксидной маской^[116]. Перекрытие маски над реальным (скрытым) p-n-переходом достаточно велико, поэтому диффузией из оксида в кристалл можно пренебречь^[116].

В последующие полгода Эрни и Нойс не возвращались к планарной теме^[117]. По мнению Риордана, задержка была связана с несовершенством литографского процесса Fairchild: технология 1957—1958 годов не позволяла провести четыре фотолитографии и две диффузии с приемлемым выходом годных, поэтому в последующие полгода Эрни и Нойс не возвращались к планарной теме^[117]. В мае 1958 года им стало известно, что Мартин Аттала из Bell Labs также работает над пассивацией оксидным слоем^[118]. Эрни, не желавший уступать инициативу конкурентам, занялся планарным диодом, а с января 1959 года сосредоточился на изготовлении планарного NPN-транзистора — преемника 2N696^[118]. 2 марта 1959 года Эрни создал первый опытный планарный транзистор^[119]. К 12 марта 1959 года Эрни убедился, что новый прибор превосходит меза-транзисторы по скорости, имеет в тысячу раз меньшие токи утечки и при этом надёжно защищён от посторонних частиц^[120].

По мнению Арджуна Саксены, задержка имела и фундаментальную причину. Согласно работам Карла Фроша, оксидный слой не мог служить маской при диффузии лёгких атомов фосфора — а именно фосфор требовался Эрни при второй, эмиттерной, диффузии^[96]. 2 марта 1959 года (или несколькими днями позже) бывший коллега Эрни по работе у Шокли Чи-Тан Са (англ.)русск. рассказал Эрни и Нойсу о своём опыте диффузии^[96]. Оказалось, что достаточно толстый слой оксида способен эффективно задерживать диффузию фосфора^[96]. Именно это знание и стимулировало активность Эрни в первой половине марта 1959 года^[96].

Мур и Нойс, фактически управлявшие Fairchild^{[прим. 10]}, приняли решение о переходе на планарную технологию, но запуск в серию оказался неожиданно сложным^[121]. Fairchild выпустила первые серийные планарные транзисторы 2N1613 лишь в апреле 1960 года^[122]. 26 мая 1960 года работавший на Fairchild Джей Ласт создал первую планарную интегральную микросхему по идеям Нойса^[123], а в октябре 1960 года Fairchild анонсировала полный отказ от меза-транзисторов^[124]. С тех пор планарный процесс остаётся основным способом производства транзисторов и фактически единственным способом производства интегральных схем^[125].

Высокочастотные и мощные транзисторы

Мощный транзистор с гребёнчатой топологией базы и эмиттера (коллектором служит тело кристалла, припаянное к корпусу)

Совершенствование биполярных транзисторов продолжилось по двум направлениям — повышение рабочей частоты (скорости переключения) и повышение рассеиваемой мощности^[126]. Эти две цели требовали от разработчиков взаимоисключающих технических решений: работа на высоких частотах предполагает минимальную площадь переходов и минимальную толщину базы, а работа на больших токах, напротив, требует большой площади переходов^[126]. Поэтому в 1960-е годы силовые и высокочастотные приборы развивались независимыми путями^[126]. В 1961 году кремниевые транзисторы Fairchild 2N709, спроектированные Эрни по заказу Сеймура Крея, впервые превзошли германиевые транзисторы по скорости переключения^[127]. К концу 1960-х годов опытные транзисторы достигли рабочих частот в 10 ГГц, сравнявшись по быстродействию с лучшими СВЧ-радиолампами^[111].

Мощность, рассеиваемая ранними типами транзисторов, не превышала 100 мВт^[126]. В 1952 году был создан первый «силовой транзистор» с мощностью рассеивания 10 Вт. Это был обычный германиевый сплавной транзистор, припаянный к медному основанию, которое крепилось к массивному радиатору^[128]. В 1954 году был разработан двадцативаттный транзистор с максимальным током коллектора 1 А^[128]. Граничная частота усиления этих транзисторов не превышала 100 кГц, а рабочая температура кристалла — 80 °С^[128]. Рабочий ток и коэффициент усиления были невелики из-за большого, порядка 30 Ом, сопротивления базы^[128].

В конце 1950-х годов разработчики мощных транзисторов переключились на диффузионные технологии и отказались от германия в пользу кремния, способного работать при температурах до 150 °С^[129]. В 1963 году появился первый эпитаксиальный силовой транзистор с сопротивлением базы порядка 1 Ом, что позволило управлять токами в 10 А и более^[128]. В 1965 году RCA выпустила первый многоэмиттерный транзистор с мозаичной топологией^[128], в том же году появились силовые меза-транзисторы с допустимым напряжением в 1 кВ^[129]. В 1970 году рабочий диапазон частот опытных мощных транзисторов достиг 2 ГГц при рассеиваемой мощности 100 Вт^[129]. Тогда же, в конце 1960-х и начале 1970-х годов, начался переход от цельнометаллических корпусов (TO3 (англ.)русск., ТО36, ТО66) к пластмассовым корпусам (TO220 и аналоги)^[111].

Полевой транзистор

Параллельно с совершенствованием биполярного транзистора продолжалась и работа по полевым транзисторам^[130]. В течение десяти лет (1948—1958) она оставалась безрезультатной из-за отсутствия подходящих диэлектриков^[130]. Затем события резко ускорились. В 1958 году Станислав Тезнер выпустил на французском отделении General Electric «Технитрон» (Technitron) — первый серийный, сплавной полевой транзистор^[130]. Это был несовершенный германиевый прибор, отличавшийся высокими токами утечки при малой крутизне характеристики^[130]. В 1959 году RCA выпустила тонкоплёночный полевой транзистор на сульфиде кадмия^[130]. В 1960 году американская Crystalonics выпустила серийный сплавной полевой транзистор на p-n-переходе с уровнем шумов ниже, чем у биполярных транзисторов. В 1962 году Texas Instruments выпустила первый планарный полевой транзистор на p-n-переходе.

Важнейшие события, как и десятью годами ранее, происходили в стенах Bell Labs. В 1959 году Мартин Аттала предложил выращивать затворы полевых транзисторов из двуокиси кремния; приборы такого типа получили название МОП-структур^[130]. В том же году Аттала и Дион Канг создали первый работоспособный МОП-транзистор^[131]. Изобретение не заинтересовало менеджмент Bell, зато RCA и Fairchild начали активно экспериментировать с МОП-технологией уже в 1960 году, а в 1962 году RCA изготовило первую опытную МОП-микросхему с шестнадцатью транзисторами^[131]. В 1963 году Чин-Тан Са (англ.)русск. и Фрэнк Уонлес (англ.)русск. предложили комплементарную МОП-схемотехнику^[132]. Первые серийные МОП-транзисторы RCA и Fairchild вышли на рынок в 1964 году, в том же году General Microelectronics выпустила первую МОП-микросхему, в 1970-е годы МОП-микросхемы завоевали рынки микросхем памяти и микропроцессоров, а в начале XXI века доля МОП-микросхем достигла 99% от общего числа выпускаемых интегральных схем (ИС)^[131].

Комментарии

1. ↑ De Vries, 1993, p. 214, пишет о том, что работы Давыдова не были известны в Bell Labs. По мнению Лоека, это неверно — хотя бы потому, что и Шокли, и Бардин ссылались на Давыдова в своих публикациях.
2. ↑ Lojek, 2007, pp. 12—13. «Урановый проект» Шокли — не Манхэттенский проект, а частная внутренняя разработка Bell Labs. Ещё на этапе теоретических изысканий военное ведомство заставило Bell Labs прекратить эти работы и изъяло все рабочие материалы.
3. ↑ Riordan and Hoddeson, 1997, pp. 49, 47. Ол измерял параметры кремниевых детекторов осциллографическим характериографом на сетевой частоте 60 Гц.
4. ↑ Относительно потенциала полупроводникового кристалла («базы» или «истока»). Все работы этого периода предполагали включение транзистора по схеме с общей базой.
5. ↑ Huff, 2001, p. 10: GU (англ. glycol borate) — электролит на органической основе. Замена воды на вязкий электролит была вызвана только тем, что вода быстро испарялась.
6. ↑ В соответствии с определением 97 ГОСТ 15133-77, название «точечно-контактный транзистор» (буквальная калька с англ. point contact transistor) является недопустимым.
7. ↑ Lojek, 2007, p. 19: Браттейн в своих воспоминаниях называл усиление стократным, однако в рабочих записях 1947 года сказано лишь о пятнадцатикратном (24 дБ).
8. ↑ В соответствии с определением 98 ГОСТ 15133-77, именно так, плоскостной транзистор, следует переводить английское junction transistor. Название не вполне удачное, так как сливается с планарным транзистором.
9. ↑ Berlin, 2005, pp. 86—88: Шокли до конца жизни отказывался разговаривать с Нойсом. После ухода «вероломной восьмёрки» Шокли запатентовал изобретения уволившихся в пользу акционеров Shockley Semiconductor Laboratories, соблюдая при этом личные права изобретателей. Нойс указан автором в четырёх таких патентах.
10. ↑ Riordan, 2007b, p. 3: Мартовские эксперименты Эрни совпали во времени с первым кризисом управления Fairchild. Генеральный директор Эд Болвин ушёл к конкурентам, прихватив с собой пятерых ведущих технологов. Внедрение меза-технологий Fairchild конкурентами казалось делом нескольких месяцев. Принявшему управление компанией Нойсу был нужен новый, неизвестный конкурентам продукт — им и стал планарный транзистор Эрни.

Примечания

1. ↑ Патент США 836 531.
2. ↑ ^{1 2 3} Новиков, 2004, p. 5
3. ↑ ^{1 2} Morris, 1990, p. 20
4. ↑ De Vries, 1993, p. 211. Оригинал цитаты Браттейна: «Anybody in the art was aware of the analogy between a copper-oxide rectifier and a diode vacuum tube and many people had the idea of how do we put in a grid, a third electrode, to make an amplifier».
5. ↑ ^{1 2 3} Chapuis and Joel, 2003, p. 126
6. ↑ ^{1 2} Braun and McDonald, 1982, p. 24
7. ↑ Braun et al, 1982, p. 19
8. ↑ ^{1 2} Новиков, 2004, p. 6
9. ↑ Morris, 1990, p. 24
10. ↑ Morris, 1990, p. 21
11. ↑ ^{1 2} Shockley, 1972, p. 689
12. ↑ ^{1 2} De Vries, 1993, p. 213
13. ↑ Lojek, 2007, p. 13
14. ↑ Riordan and Hoddeson, 1997, p. 46
15. ↑ ^{1 2 3 4 5 6} Riordan and Hoddeson, 1997, p. 48
16. ↑ ^{1 2 3 4 5 6 7} Riordan and Hoddeson, 1997, p. 49
17. ↑ ^{1 2 3 4} Riordan and Hoddeson, 1997, p. 50
18. ↑ ^{1 2 3 4} Riordan and Hoddeson, 1997, p. 51
19. ↑ Loebner, 1976, pp. 682, 698.
20. ↑ ^{1 2} Lojek, 2007, p. 14
21. ↑ ^{1 2} Lojek, 2007, p. 23
22. ↑ Braun and McDonald, 1982, p. 33
23. ↑ Lojek, 2007, p. 15
24. ↑ Shockley, 1972, p. 89 писал о «тысяче раз». De Vries, 1993, p. 214 — «1500 раз»
25. ↑ ^{1 2 3} Lojek, 2007, p. 16
26. ↑ Shockley, 1972, p. 689: «We stopped trying to make a transistor. We followed a princicle that I call „respect for the scientific aspects of practical problems“»
27. ↑ Huff, 2001, pp. 10—11
28. ↑ ^{1 2 3} Huff, 2001, p. 11
29. ↑ ^{1 2 3 4} Huff, 2001, p. 13
30. ↑ ^{1 2 3} Lojek, 2007, p. 19
31. ↑ ^{1 2 3 4 5} Huff, 2001, p. 14
32. ↑ Lojek, 2007, pp. 17—18
33. ↑ Huff, 2001, p. 12
34. ↑ Huff, 2001, pp. 12—13
35. ↑ Morris, 1990, p. 28
36. ↑ ^{1 2} Lojek, 2007, p. 18
37. ↑ Seitz and Einspruch, 1998, p. 180
38. ↑ Huff, 2001, p. 15
39. ↑ Huff, 2001, p. 13: это была та же пластина, что использовалась в опытах 12 и 15 декабря 1947 года.
40. ↑ Morris, 1990, p. 27
41. ↑ Meacham, L. A. et al. Terminology for Semiconductor Triodes. Bell Labs (1948). Проверено 20 марта 2012.
42. ↑ ^{1 2 3 4 5} Riordan, 2005, p. 49
43. ↑ ^{1 2 3 4 5 6} Riordan, 2005, p. 50
44. ↑ ^{1 2 3 4 5 6 7} Riordan, 2005, p. 51
45. ↑ ^{1 2 3 4 5 6} Lojek, 2007, p. 26
46. ↑ ^{1 2} Lojek, 2007, p. 52
47. ↑ ^{1 2} Morris, 1990, p. 29
48. ↑ ^{1 2 3} Morris, 1990, p. 31
49. ↑ ^{1 2} Lojek, 2007, p. 30
50. ↑ ^{1 2} Shockley, 1972, p. 690
51. ↑ Riordan, 2005, pp. 48, 51
52. ↑ ^{1 2} Lojek, 2007, p. 36
53. ↑ 100 лет Александру Викторовичу Красилову. НПП Пульсар (2010). Архивировано из первоисточника 5 августа 2012. Проверено 20 марта 2012.
54. ↑ Lojek, 2007, p. 34
55. ↑ Lojek, 2007, pp. 30—31
56. ↑ De Vries and Borsma, 2005, p. 96
57. ↑ ^{1 2} Lojek, 2007, p. 21
58. ↑ Lojek, 2007, p. 22
59. ↑ Lojek, 2007, pp. 21—22
60. ↑ ^{1 2} Lojek, 2007, p. 27
61. ↑ Huff, 2001, p. 20
62. ↑ ^{1 2 3 4} Huff, 2001, p. 21
63. ↑ Lojek, 2007, p. 27 (в оригинале очевидная ошибка — написано 1947, должно быть 1948).
64. ↑ Lojek, 2007, pp. 28, 42
65. ↑ Shockley, W. The theory of p-n junctions in Semiconductors and p-n Junction Transistors (англ.) // The Bell System Technical Journal. — 1949. — Vol. 28. — P. 435—48.
66. ↑ Lojek, 2007, p. 28
67. ↑ Шокли, У. Теория электронных полупроводников: Приложения к теории транзисторов. — М.: Издательство иностранной литературы, 1953. — 714 с.
68. ↑ Алфёров, Ж. И. Успех «Сколково» может быть достигнут, если наука в стране снова начнет развиваться. Советская Россия (29 апреля 2011). Архивировано из первоисточника 5 августа 2012. Проверено 20 марта 2012.
69. ↑ Lojek, 2007, p. 29
70. ↑ ^{1 2} Huff, 2001, p. 17
71. ↑ ^{1 2} Lojek, 2007, p. 32
72. ↑ Lojek, 2007, p. 33
73. ↑ Huff, 2003, p. 5
74. ↑ ^{1 2 3 4 5 6} Lojek, 2007, p. 42
75. ↑ ^{1 2} Morris, 1990, p. 30
76. ↑ Huff, 2003, pp. 4—6
77. ↑ Lojek, 2007, p. 45
78. ↑ Lojek, 2007, pp. 43—45
79. ↑ Lojek, 2007, pp. 45—46
80. ↑ Morris, 1990, pp. 31—32
81. ↑ ^{1 2 3} Morris, 1990, p. 35
82. ↑ Morris, 1990, pp. 34, 36
83. ↑ Morris, 1990, p. 32
84. ↑ Morris, 1990, p. 33
85. ↑ ^{1 2} Huff, 2003, p. 8
86. ↑ ^{1 2} Morris, 1990, p. 34
87. ↑ Huff, 2003, p. 10: Early «had the distinction of being the only person other than Shockley to propose a basically new transistor structure».
88. ↑ Huff, 2003, p. 10
89. ↑ ^{1 2} Lojek, 2007, p. 54
90. ↑ Dacey, Lee and Shockley US Patent 3028655. Semiconductive Device (1955). Архивировано из первоисточника 5 августа 2012. Проверено 25 марта 2012.
91. ↑ ^{1 2} Brock and Lécuyer, 2010, p. 255
92. ↑ De Vries and Boersma, 2005, pp. 175—176
93. ↑ ^{1 2 3 4 5} Huff, 2003, p. 12
94. ↑ ^{1 2} Huff, 2003, pp. 12—13
95. ↑ Lojek, 2007, p. 82
96. ↑ ^{1 2 3 4 5 6} Saxena, 2009, pp. 100—101
97. ↑ Lojek, 2007, p. 81
98. ↑ Lojek, 2007, p. 38
99. ↑ ^{1 2} Lojek, 2007, pp. 81—83
100. ↑ ^{1 2} Huff, 2003, p. 13
101. ↑ Brock and Lécuyer, 2010, pp. 22, 24
102. ↑ Brock and Lécuyer, 2010, pp. 62—63
103. ↑ ^{1 2} Brock and Lécuyer, 2010, p. 256
104. ↑ Brock and Lécuyer, 2010, p. 23
105. ↑ Brock and Lécuyer, 2010, pp. 25—26
106. ↑ Brock and Lécuyer, 2010, pp. 26—27
107. ↑ Brock and Lécuyer, 2010, p. 27
108. ↑ Brock and Lécuyer, 2010, pp. 24, 27
109. ↑ Lojek, 2007, p. 159
110. ↑ Morris, 1990, pp. 36—37
111. ↑ ^{1 2 3} Morris, 1990, p. 42
112. ↑ ^{1 2} Augarten, 1983, p. 8
113. ↑ Morris, 1990, p. 37
114. ↑ Huff, 2003, p. 14: «He noticed a spot of light emitted from the side of the mesa when the transistor was biased into breakdown. He shut off the power and saw a tiny particle on the side to the mesa at the point of the light emission».
115. ↑ ^{1 2} Brock and Lécuyer, 2010, p. 29
116. ↑ ^{1 2} Brock and Lécuyer, 2010, pp. 29—30
117. ↑ ^{1 2} Riordan, 2007b, pp. 2, 3
118. ↑ ^{1 2} Brock and Lécuyer, 2010, p. 30
119. ↑ Riordan, 2007b, p. 3
120. ↑ Brock and Lécuyer, 2010, pp. 30—31
121. ↑ Brock and Lécuyer, 2010, pp. 31—33
122. ↑ 1959 — Invention of the «Planar» Manufacturing Process. Computer History Museum (2007). Проверено 29 марта 2012.
123. ↑ 1960 — First Planar Integrated Circuit is Fabricated. Computer History Museum (2007). Проверено 29 марта 2012.
124. ↑ Lojek, 2007, p. 126
125. ↑ 1959 — Practical Monolithic Integrated Circuit Concept Patented. Computer History Museum (2007). Проверено 29 марта 2012.
126. ↑ ^{1 2 3 4} Morris, 1990, p. 39
127. ↑ 1961 — Silicon Transistor Exceeds Germanium Speed. Computer History Museum (2007). Архивировано из первоисточника 5 августа 2012. Проверено 29 марта 2012.
128. ↑ ^{1 2 3 4 5 6} Morris, 1990, p. 40
129. ↑ ^{1 2 3} Morris, 1990, p. 41
130. ↑ ^{1 2 3 4 5 6} Morris, 1990, p. 43
131. ↑ ^{1 2 3} 1960 — Metal Oxide Semiconductor (MOS) Transistor Demonstrated. Computer History Museum (2007). Архивировано из первоисточника 5 августа 2012. Проверено 29 марта 2012.
132. ↑ 1963 — Complementary MOS Circuit Configuration is Invented. Computer History Museum (2007). Архивировано из первоисточника 5 августа 2012. Проверено 29 марта 2012.

Источники

• Новиков, М. А. Олег Михайлович Лосев — пионер полупроводниковой электроники (рус.) // Физика твёрдого тела. — 2004. — Т. 46. — № 1. — С. 5-9.
• Augarten, S. State of the art: a photographic history of the integrated circuit. — Ticknor & Fields / Smithsonian Institution, 1983. — 79 p. — ISBN 0899191959
• Berlin, L. The Man Behind the Microchip: Robert Noyce and the Invention of Silicon Valley. — New York: Oxford Uiversity Press, 2005. — P. 85—89. — 440 p. — ISBN 9780199839773
• Braun, E.; McDonald, S. Revolution in Miniature: The History and Impact of Semiconductor Electronics. — Cambridge University Press, 1982. — 247 p. — ISBN 9780521289030
• Brock, D.; Lécuyer, C. Makers of the Microchip: A Documentary History of Fairchild Semiconductor / Lécuyer, C. et al. — MIT Press, 2010. — 312 p. — ISBN 9780262014243
• Chapuis, R. J.; Joel, A. E. 100 Years of Telephone Switching (1878-1978): Electronics, computers, and telephone switching, 1960-1985. — Studies in telecommunication. — IOS Press, 2003. — 596 p. — ISBN 9781586033729
• Clermontel, D. Chronologie scientifique, technologique et économique de la France. — Editions Publibook, 2009. — 411 p. — ISBN 9782748346824
• De Vries, M. J. Design methodology and relationships with science. — NATO Science Series D. — Springer, 1993. — Vol. 71. — 327 p. — ISBN 9780792321910
• De Vries, Marc; Boersma, Kees. 80 years of research at the Philips Natuurkundig Laboratorium (1914-1994): the role of the Nat.Lab. at Philips. — Amsterdam University Press, 2005. — 325 p. — ISBN 9789085550518
• Huff, H. R. John Bardeen and Transistor Physics // Characterization and Metrology for ULSI Technology: 2000 International Conference. — American Institute of Physics / Sematech, 2001. — P. 3—29 (препринт). — ISBN 1-56396-967-X. Ссылки на номера страниц приводятся по препринту [1]
• Huff, H. R. From The Lab to The Fab: Transistors to Integrated Circuits // ULSI process integration III: proceedings of the international symposium / Cor L. Claeys. — Proceedings of the Electrochemical Society. — The Electrochemical Society, 2003. — P. 16—67 (печатное издание), 3—39 (препринт). — 598 p. — ISBN 9781566773768. Ссылки на номера страниц приводятся по препринту (часть 1, часть 2, часть 3).
• Lécuyer, C. et al. Making Silicon Valley: innovation and the growth of high tech, 1930-1970. — MIT Press, 2006. — P. 212—228. — 393 p. — ISBN 9780262122818
• Loebner, E. E. Subhistories of the Light Emitting Diode (англ.) // IEEE Transactions on Electron Devices. — 1976. — Vol. ED23. — P. 675—699. — ISSN 0018-9383.
• Lojek, B. History of semiconductor engineering. — Springer, 2007. — P. 178—187. — 387 p. — ISBN 9783540342571
• Morris, P. R. A history of the world semiconductor industry. — History of technology series. — IET, 1990. — Vol. 12. — 171 p. — ISBN 9780863412271
• Morton, D.; Gabriel, J. Electronics: The Life Story of a Technology. — JHU Press, 2007. — 216 p. — ISBN 9780801887734
• Riordan, M. and Hoddeson, L. Crystal fire: the birth of the information age. — Sloan technology series. — Norton, 1998. — 352 p. — ISBN 9780393318517 Фрагменты из этой книги публиковались как:

Riordan, M. The Industrial Strength Particle (англ.) // Beam Line. — 1996. — P. 30—35. — ISSN 1543-6055.

Riordan, M. and Hoddeson, L. The Origins of the pn Junction // IEEE Spectrum. — 1997. — Vol. 34. — P. 46—51. — ISSN 0018-9235. — DOI:10.1109/6.591664

Riordan, M. The Invention of the Transistor (англ.) // Reviews of Modern Physics. — 1999. — Vol. 71. — P. 336—345. — ISSN 1539-0756. — DOI:10.1103/RevModPhys.71.S336

Riordan, M. and Hoddeson, L. Minority Carriers and the First Two Transistors // Facets: New Perspectivies on the History of Semiconductors / ed. Andrew Goldstein & William Aspray. — New Brunswick: IEEE Center for the History of Electrical Engineering, 1999. — P. 1—33. — 318 p. — ISBN 978-0780399020

Riordan, M. How Europe missed the transistor (англ.) // IEEE Spectrum. — 2005. — P. 47—49. — ISSN 0018-9235.

Riordan, M. From Bell Labs to Silicon Valley: A Saga of Semiconductor Technology Transfer, 1955-61 (англ.) // The Electrochemical Society Interface. — 2007a. — P. 36—41. — ISSN 1944-8783.

Riordan, M. The Silicon Dioxide Solution (англ.) // IEEE Spectrum. — 2007b. — ISSN 0018-9235.. Номера страниц приводятся по онлайн-публикации

Транзистор

Предисловие

Изобретение транзистора около 60 лет назад стало важнейшим фактором, стимулировавшим внедрение многих инноваций и развитие новых технологий. Именно транзистор — крошечное устройство, элемент микросхемы, действующий подобно миниатюрному выключателю, и тем самым позволяющий реализовывать алгоритмы обработки информации обеспечил феноменальный триумф компьютеров.

Если бы не он, ваш компьютер был бы грудой металлолома размером с трехэтажный дом, а ноутбуки можно было бы увидеть только в фантастических сериалах. Телевизоры все еще работали бы на электронных лампах, а мобильные телефоны еще носились бы за спиной как полевые рации. Без лишней скромности можно сказать, что это изобретение изменило мир. С чего же все начиналось?

Изобретение транзистора

Официальной датой появления на свет первого транзистора считается 23 декабря (по Другим данным — 16 декабря) 1947 года. Авторами этого замечательного изобретения стали сотрудники научно-исследовательского центра Bell Labs американские физики Уильям Шокли (William Shockley), Джон Бардин (John Bardeen) и Уолтер Браттейн (Walter Brattain). Правда, первоначально ученая общественность встретила это изобретение достаточно прохладно, но уже в 1956 году все три американца были удостоены Нобелевской премии в области физики. Ну, а само название — «транзистор» придумал их коллега Джон Пирс (John R. Pierce). В мае 1948 года он победил во внутреннем конкурсе, организованном среди сотрудников лаборатории, на самое удачное название изобретения, которому на тот момент исполнилось всего несколько месяцев.
Слово «transistor» образовано путем соединения двух терминов: «transconductance» (активная межэлектродная проводимость) и «variable resistor» или «varistor» (переменное сопротивление, варистор). Транзистор, по существу, делает то же, что и обычный выключатель: включает и выключает ток. Положение «включено» для транзистора означает «1», положение выключено — «0». Огромное количество транзисторов интегральной микросхемы генерирует единицы и нули, которые складываются в понятный компьютеру бинарный код, который компьютер использует в процессе вычислений, обработки текста, воспроизведения фильмов и аудио. Современные транзисторы могут включаться-выключаться 300 миллиардов раз в секунду.
Прежде, чем появился транзистор, его роль выполняла вакуумная трубка. Когда она гасла, это означало «0», когда включалась – «1».
Технология была малоэффективной, для того, чтобы выполнить простейшее математическое действие, требовалось множество таких трубок. Очень быстро транзистор позволил полностью отказаться от использования вакуумных трубок.

Быстрое распространение

Чтобы максимально ускорить популяризацию транзисторов, в научно-исследовательском центре Bell Labs было принято решение продать лицензию на транзисторные технологии. Лицензию стоимостью 25000 долларов США приобрели двадцать шесть компаний. Однако, для коммерческого успеха транзисторных технологий нужно было привлечь внимание массовой аудитории. Это стало возможным, благодаря транзисторным радиоприемникам. Первая модель такого устройства, Одержавшая аж четыре транзистора, была представлена в октябре 1954 года. Этим сразу воспользовалась молодежь, получившая возможность вырваться из-под родительской опеки и самоутвердиться с помощью новой субкультуры.
Так, портативное радио стимулировало новую революцию и в музыке — в эфире повсеместно зазвучал рок-н-ролл! С появлением портативного радиоприемника радиоманы обрели возможность слушать музыку и получать информацию в любом месте. Подобно транзисторному радиоприемнику, транзисторы начали вытеснять громоздкие и хрупкие лампы с невероятной скоростью.

Интегральная микросхема

К концу 50-х годов транзистор «обосновался» в радиоприемниках, телефонах и ЭВМ, и хотя его размеры были намного меньше, чем у электронных ламп, для создания нового поколения электронных устройств этого было явно недостаточно. Чтобы реализовать огромный вычислительный потенциал транзисторов, приспособить их для массового производства и снизить стоимость, потребовалось еще одно важное изобретение. В 1958 году Джек Килби (Jack Kilby) из компании Texas Instruments и Роберт Нойс (Robert Noyce) из компании Fairchild Semiconductor, ставший впоследствии одним из отцов-основателей корпорации Intel, изобрели способ объединения большого числа полупроводниковых транзисторов в одну интегральную схему.
Это был гигантский шаг вперед — ведь прежде отдельные компоненты электрической схемы приходилось соединять вручную. У микросхем было два преимущества: более низкая стоимость и более высокая производительность. Оба преимущества явились следствием миниатюризации, которая обеспечивала сокращение размеров устройств и необычайную динамичность производственного процесса.

«Закон Мура»

Гордон Мур (Gordon Moore), который в 1968 году вместе с Нойсом основал процессорный гигант «Inter, в одной из журнальных статей сформулировал прогноз, опубликованный в 1965 году и получивший название «закон Мура». Согласно этому закону, число транзисторов в микросхеме должно было удваиваться каждые полтора-два года, что в свою очередь, обеспечивало бы повышение вычислительной мощности и снижение стоимости продукта при его массовом производстве. Возможность размещения множества компактных элементов на поверхности малого раз мера, оказалась решающим фактором для успешного продвижения микросхем.
Производителям микросхем удается поддерживать этот экспоненциальный рост плотности размещения транзисторов в микросхеме на протяжении десятков лет. Первый компьютерный микропроцессор корпорации Intel 4004, выпущенный в 1971 году, содержал 2300 транзисторов. В 1989 году в процессоре Intel 486 их было уже 1 200 000, а в 2000 году процессор Intel Pentium 4-преодолел рубеж в 42 миллиона. Новый четырехъядерный процессор Intel Core 2 Extreme, созданный на базе 45-нанометровой производственной технологии, содержит 320 миллионов транзисторов.

Существует ли предел?

Закону Мура постоянно предсказывают кончину. Бесконечный рост числа транзисторов в микросхеме невозможен — и все-таки производителям процессоров до сих пор удается обходить ограничение. В сентябре прошлого года Гордон Мур заявил, что у закона его имени есть все шансы оставаться в силе еще как минимум лет 10-15, но затем могут возникнуть новые фундаментальные барьеры на пути его реализации. Так или иначе, но этот самый известный закон компьютерного мира XX века ждали трудные времена. Битва за миниатюризацию исчерпала возможности одного из наиболее критических компонентов транзистора: прослойки из диоксида кремния (Si02), служившей изолирующим слоем между затвором транзистора и его каналом, по которому течет ток, когда транзистор включен.
С каждым новым поколением процессоров этот изолирующий слой становился все более тонким — пока два поколения назад его толщина не достигла значения 1,2 нм, или 5 атомов. Инженеры Intel уже не смогли сделать этот слой тоньше хотя бы еще на один атом. По мере уменьшения толщины изолирующего слоя рос ток утечки. Изолирующий слой начал пропускать ток внутрь транзистора, поведение устройства изменилось, оно стало рассеивать все большее количество энергии. В результате выросло потребление тока процессором, при его работе выделялось дополнительное количество тепла.

Преодоление фундаментального предела: гафний вместо кремния

Утечка тока в транзисторе стала серьезнейшей проблемой полупроводниковой отрасли: без прорыва в этой области давно предсказанный фундаментальный предел становился непреодолимым. Причем, это означало не только конец закона Мура — цифровая революция последних десятилетий внезапно бы прекратилась. Компьютерные процессоры, практически удваивавшие свою производительность каждые 24 месяца, могли исчезнуть навсегда!
Чтобы найти выход из кризиса, нужно было увеличить толщину изолирующего слоя, но изготавливать этот более толстый слой из другого материала с более высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости (high-k) для сохранения характера взаимодействия затвора и канала. В январе 2007 года корпорация Intel объявила, что впервые за сорок лет изолирующий слой будет состоять не из оксида кремния, а из материала на основе гафния, превосходящего кремний по электрическим свойствам и позволяющего снизить ток утечки в десять раз. Сам Гордон Мур назвал это крупное достижение «самым важным изменением транзисторных технологий с конца шестидесятых годов». Однако данный прорыв решал проблему лишь наполовину. Новый материал оказался несовместимым с важным компонентом транзистора — с затвором. Еще хуже то, что транзисторы с новым изолирующим материалом работали менее эффективно, чем со старым. Тогда было предложено заменить и материал затвора: корпорация Intel открыла уникальное сочетание металлов, состав которого держится в строгом секрете.

Что мы имеем на сегодня?

12 ноября 2007 года корпорация Intel представила новое поколение процессоров на основе этих материалов и 45-нанометровой производственной технологии — Core 2 Duo, Core 2 Extreme, Core 2 Quad. Новая производственная технология, более тонкая, чем предыдущая 65-нанометровая, позволила Intel почти вдвое увеличить число транзисторов, размещаемых на той же площади кристалла — теперь можно было выбирать между увеличением общего числа транзисторов и уменьшением размеров процессора. Новым транзисторам требуется на 30% меньше энергии для включения и выключения. В итоге, новое поколение процессоров Intel, изготовленных по 45-нанометровой производственной технологии, не только демонстрирует рекордную производительность, но и знаменует прорыв в области энергопотребления.
Повышение вычислительной мощности, являющееся следствием закона Мура, позволяет человечеству эффективнее просчитывать пути разрешения важнейших стоящих перед ним проблем: вменение климата, наследственные болезни, тайны генетики и др. Современные пути и темпы решения подобных проблем еще пять лет назад трудно было себе даже представить. Новые приложения помогают изменить нашу жизнь и сделать ее еще более безопасной… Исследователи не думают, что в ближайшем будущем появится технология, которая сможет соперничать со стариной транзистором.
Вице-президент Intel Уилл Своуп считает транзистор величайшим изобретением человечества (интересно, была бы у него работа, если бы не этот кусочек металла). Он сказал, что раньше за один раз получалось делать один транзистор. Сейчас за один раз делается один миллиард. Он прошел путь от лабораторного экземпляра, работающего в одиночку, до устройства, способного связываться с 800 миллионами таких же, и все они могут уместиться на 10-копеечной монете. В Intel верят, что с помощью транзисторов в любом сотовом телефоне появится устный переводчик, который в реальном времени будет переводить голос вашего друга из Китая, Индии, или любой другой страны на ваш родной язык. Нет ни одного устройства в мире, которое за этот срок настолько бы усовершенствовалось. Ни одно устройство в мире не развивалось с такой скоростью!

 

Количество транзисторов в процессоре:

 

• Intel® 4004 (1971 г) — 2300
• Intel® 8086 (1978 г) – 29 000
• Intel® 486 (1989 г) – 1 200 000
• Intel® Pentium® 111 (1999 г) – 9 500 000
• Intel® Pentium® 4 (2000 г) – 42 000 000
• Intel® Core™ 2 Duo (2007 r) – 410 000 000:
• Intel® Penryn (2007 r) — 820 000 000

Процессоры и производственная технология (техпроцесс):

 

• 1993 г: Intel® Pentium® — 800 нм
• 1999 г: Intel® | Pentium® III -250 нм
• 2002 г: Intel® Pentium® 4 — 130 нм
• 2005 г: Intel® Pentium® D — 90 нм
• 2006 г. Intel® Core™ 2 Duo — 65 нм
• 2007 г. Intel® Core™ 2 Duo-45 нм

А. Оселедько

 

Электроника НТБ – научно-технический журнал – Электроника НТБ

Противопоставлять изобретения из разных сфер техники хлопотно и не креативно, иное дело – сопоставлять. Решающих критериев для такого сопоставления должно быть, по нашему мнению, всего два: насколько полезно данное изобретение, имея в виду прежде всего его гуманитарную составляющую и повышение качества жизни, и насколько оно вредно человеку и природе. Конечно, могут быть и другие существенные критерии оценки изобретения, как например его своевременность (радиолокация спасла Англию от фашистского вторжения в 1940 году, тогда ее своевременность была единственным критерием ее значимости), но, все же, они обычно носят частный, не общечеловеческий характер.
Паровая машина с КПД ≈10% как технический объект далека от совершенства. Она “повинна” в уничтожении лесов и каменного угля, ее жизненный цикл составил лишь сотню лет. В этом ей подобна и лампочка накаливания, уход которой из нашей жизни прогнозируется в ближайшие 20–30 лет. Транзистор в выполнении своего функционального предназначения и в экологической привлекательности – почти идеальный технический объект, он счастливо прожил 60 лет, его будущность непоколебима (а аналог-предшественник – электронная лампа – не дотянула и до пятидесяти). Транзисторный эффект

Даже в облегченном школьном варианте эта история не укладывается в линейную схему: “обществу потребовалось – наука созрела – явился первопроходец – пожалте вам транзистор”. Да, необходимость в транзисторе “витала в воздухе”, но поначалу она улавливалась лишь немногими – в конце 1930-х годов лидеры ведущей американской телекоммуникационной фирмы Bell Telephone Laboratories (Bell Labs) стали ощущать неудовлетворенность радиолампами и электромеханическими реле – основными элементами оконечных устройств радио- и проводных каналов связи. Радиолампа громоздка, неэкономична, недолговечна – нет смысла перечислять все ее известные недостатки, – реле смотрится совсем уж динозавром. Альтернатива виделась в категорическом отказе от вакуума, т.е. в твердотельном электронном приборе. Металлы и изоляторы сразу же отпали – в одних электронов слишком много, в других слишком мало. Подходящими виделись лишь полупроводники, тем более что полупроводниковые диоды-выпрямители уже были хорошо известны.
Сказано – сделано. Концепция “полупроводниковой лампы” появилась в рабочем журнале Уильяма Шокли, научного сотрудника Bell Labs, 29 декабря 1939 года (рис.1). Казалось, что, подавая на “сетку” напряжения разной полярности, можно вытеснять электроны из полупроводника или втягивать их в него и тем самым изменять его сопротивление и ток “катод–анод”. Однако тогдашний “главный” полупроводник – закись меди – был настолько “грязен”, невоспроизводим и необъясним, что даже начать осмысленные эксперименты не удалось. А тут грянула Вторая мировая война, и Шокли до конца 1945 года пришлось заниматься задачами флота и авиации, далекими от полупроводников.
Война, как ни парадоксально это кажется на первый взгляд, всегда ускоряет научно-технический прогресс. Гибнут массы людей, в том числе и ученых, разрушается промышленный и научно-технический потенциал, для многих обрывается высшее образование, закрываются перспективные исследования – всеобщее бедствие и горе. Но Клио – девушка малосентиментальная, скорее циничная. Ей интересны не жертвы, а “сухой остаток”. Война порождает мощнейший всплеск энергии, инициативы, изобретательности. Вторая мировая стала первой войной, в которой наука напрямую дополнила традиционное оружие. Для США успехи атомного проекта, радиолокации, СВЧ-электроники удачно сочетались с массовым притоком специалистов-беженцев из Европы, а также с тем, что страна не подверглась разрушениям. Поэтому в первые послевоенные годы именно в США началась разработка ряда масштабных проектов, в частности проекта глобальной связи, выдвинутого фирмой Bell Labs.
Необходимость транзистора теперь уже не просто “витала в воздухе”, кроме связной аппаратуры “заявки” на него поступили от зарождающейся вычислительной техники, средств радиовзрывателей, систем наведения ракет. В одночасье еще не созданный транзистор стал нужен всем. Но каких-либо реальных проектов на горизонте не виделось. Поэтому созданная в начале 1946 года на фирме Bell Labs исследовательская группа, нацеленная на создание полупроводникового усилителя, оказалась в чистом поле, одна. Казалось бы, в подобной ситуации работа могла разворачиваться по-академически неспешно, с сытными корпоративными уик-эндами. Да получилось-то совсем не так…
В порядке отступления вспомним, как 15 лет спустя, в 1962 году, раскручивался полупроводниковый лазерный проект, когда в гонке за приоритетом поначалу счет шел на месяцы, потом на недели, наконец, на дни. Но это объяснимо – в лазерном дерби сразу три американские лаборатории дышали в затылок друг другу, а кроме того, все они опасались еще и темной лошадки – ленинградского Физико-технического института: от русских после недавнего гагаринского взлета можно было ожидать любого сюрприза. Заметим, что эти лаборатории выкладывались не зря – двух первых на финише разделили всего десять дней.
Транзисторная группа не имела конкурентов, но в ней были собраны Личности, а значит – амбиции, озарения, непредсказуемость и неуправляемость, характеры, не всегда покладистые, – вот вам и игра страстей, обязательная для творчества.
“Техзадание” на разработку будущего транзистора, декларирующее, что “существуют большие возможности получения новых полезных свойств путем управления расположением атомов и электронов, из которых состоят твердые тела”, казалось бы, было академически расплывчатым, но императив “существуют” не позволял довольствоваться отрицательным результатом. Руководителем группы – директором программы – назначили У.Шокли, вернувшегося в 1945 году из пентагоновского офиса в Bell Labs. В костяк группы вошли еще два физика: экспериментатор Уолтер Браттейн, сотрудник фирмы с 1929 года, и теоретик-университетчик Джон Бардин, уже прославившийся в области физики металлов (в 1940 году его обзор был опубликован в СССР в журнале “Успехи физических наук”).
Естественно, группа занялась реализацией предвоенного проекта Шокли, основанного на “эффекте поля” (см. рис.1). Но теперь экспериментировали на германии и кремнии – к тому времени научились изготавливать эти материалы весьма совершенными, так как они использовались в радиолокационных детекторах. Но, как и прежде, электроны в кристалле упрямо игнорировали команды “сетки”, эффект поля почему-то не срабатывал. Важнейшим событием весны 1946 года стала гипотеза Бардина о наличии на поверхности полупроводника “ловушек”, захватывающих электроны, заряд которых и экранировал поле “сетки”. Не видя путей преодоления этого, группа на долгие полтора года погрузилась в отвлеченные проблемы, которые, вроде бы, не приближали их к главной цели. Бардин создал теорию поверхностных состояний, Шокли – теорию р-п-перехода. Но оказалось, сами того не ведая, они готовили трамплины для решающих прыжков.
В середине ноября 1947 года ученые обнаружили, что, поместив германий в электролит, можно “очистить” ловушки от электронов. Вектор дальнейших поисков обозначился четко. Последовал “magic month” (магический месяц, выражение Шокли) – электролит заменяли окислами, пленками металлов, наконец, подпружиненной иглой, приблизив ее почти вплотную к “сетке”, выполненной в виде такой же иглы (рис.2). И 15 декабря 1947 года Браттейн на экране осциллографа увидел усиление сигнала, да не лишь бы какое, а в десятки раз. Победа! Но удивительно, это произошло при полярностях потенциалов на иглах, обратных тем, которые “следовало” подавать. Вот она счастливая случайность, верная подружка великих открытий. У.Браттейн не проворонил ее, честь ему и хвала.
Настало время Теории. При успехе Эксперимента она всегда быстро и весело объясняет, что именно так все и должно быть, что она вроде бы именно это и предсказывала – о вчерашних иллюзиях забывается. Бардин угадал, что главными игроками являются неосновные носители – дырки, инжектируемые в кристалл приконтактной зоной одной из игл. Электроны же, которых неизмеримо больше чем дырок, при сем лишь недвижно присутствуют (раньше бы следовало вспомнить библейское “не презирайте ни одного из малых сих”). Обнаруженный транзисторный эффект был описан тремя звеньями: игла, на которую подано прямое смещение, инжектирует дырки в кристалл, дырки диффундируют к другой игле, смещенной в обратном направлении, и захватываются ею. При разных схемах включения можно получить усиление мощности, тока, напряжения.
Демонстрационная установка одновременно стала и макетом транзистора (так окрестили новый прибор). Эффект и прибор – две ипостаси одной и той же сущности. Пожалуй, это характерно для многих открытий современной физики, так как они сплошь и рядом совершаются в “естественно-искусственной” среде.
Демонстрацию открытия руководству фирмы назначили на предрождественский вторник 23 декабря 1947 года – американцы вообще любят красиво “конструировать историю”, так почему бы и теперь не ассоциировать рождение транзистора с рождением самого знаменитого младенца. Успех отметили шампанским и разошлись, чтобы после каникул начать интенсивную подготовку к публичной презентации. Она состоялась лишь через полгода 30 июня 1948 года. Поэтому именно 1948 год считают годом открытия транзисторного эффекта. (Формально это оправдано еще и тем, что приоритет транзисторного патента датирован 17.06.48, остальное – предыстория.) Событие удостоилось двух абзацев в разделе “Новости радио” на 46 странице газеты “Нью-Йорк Таймс”. Новая эра электроники началась без аплодисментов (мемуаристы, утверждающие, что она “привлекла всеобщее внимание” чаще всего “видят” события из будущего – так должно было быть, значит, так и было). Тому были причины. Действительно, так ли уж мог всколыхнуть общественность прибор, который “в некоторых случаях может использоваться вместо электронной лампы” (строки из репортажа газеты). Пентагон разрешил открытую презентацию – военным прибор неинтересен. Значит, они увидели в нем какую-то червоточину? Да и сама фирма Bell Labs не очень потратилась на рекламу. Реально продавать пока было нечего, представленный прибор не имел значительной коммерческой перспективы. (Правда, кто-то из журналистов тогда же возвестил: “в электронике появилась атомная бомба, величиной с горошину” – фантасты и журналисты частенько оказываются лучшими провидцами, чем специалисты.)
Недостатки первого варианта транзистора, названного точечно-контактным, или просто точечным, оказались слишком существенными и принципиально неустранимыми: громоздкость, невоспроизводимость параметров, оперирование лишь со слабыми сигналами, низкая устойчивость к механическим воздействиям. Уникальность эффекта и убогость его приборной реализации могли породить полное разочарование в транзисторе, но к счастью, почти тогда же выяснилось, что презентация была не финишем транзисторного проекта, а стартом его самого главного этапа. Начиналась совсем другая игра…
Уильям Шокли

День декабрьской презентации 1947 года выдался дождливым, но пасмурное небо не помешало всеобщему ликованию собравшихся. Хмурым оставался лишь один человек – руководитель транзисторной группы Уильям Шокли, не скрывавший своего разочарования. Джек-пот пролетел мимо – транзисторный патент оформлялся на Уолтера Браттейна и Джона Бардина, “административный ресурс” руководителя в Америке не принимают во внимание. Шокли первый загорелся идеей транзистора, возглавил группу (рис.3), читал ей лекции по квантовой теории полупроводников, упрямо вел к цели. Но не участвовал в итоговом аккорде и теперь оказался на вторых ролях. Что это означало для амбициозного индивидуалиста, читателю иной ментальности невозможно вообразить! К “счастью” – для Шокли – точечный транзистор был явно нежизнеспособен, его надо было не усовершенствовать, а отбросить, и на том же принципе создать что-то совсем иное. Шокли это понял сразу и был готов к новому как никто другой – не зря он разрабатывал теорию р-n-перехода. Надо было лишь забыть о своей же идее “эффекта поля” (конечно же, только на время, Шокли от своих идей не отрекался) и переключиться на транзисторный эффект. Его творческая энергия сфокусировалась в одну точку, рождественские каникулы стали его “страстной неделей”, и ночью 31 декабря 1947 года ему как бы приснился транзистор с р-n-переходами, будущий биполярный плоскостной транзистор (видимо, так бывает, когда сон и явь становятся неразличимы, вспомним Менделеева, которому “приснилась” Периодическая система элементов). Окончательная концепция сформировалась к 23 января 1948 года, дата патентного приоритета – 26.06.48, экспериментальное подтверждение состоялось в апреле 1949 года, а в 1950–51 годы началось изготовление сплавных германиевых транзисторов. Вот теперь преимущества транзистора перед радиолампой – твердотельность, сверхминиатюрность, неограниченная долговечность – стали явью, а что еще не реализовалось, вполне логично домысливалось. Стало ясно, что транзистор интересен не только и не столько тем, что может заменить радиолампу, сколько тем, что может дать то, на что радиолампа в принципе неспособна. В 1952 году впервые была высказана идея интегральной схемы – транзистор Шокли позволял об этом думать вполне реально.
Дальнейшие события развивались преимущественно в технико-технологической и производственной сферах. Во время Корейской войны (1950–1953 годы) плоскостные транзисторы прошли боевое крещение, теперь генералов смущала только их низкая рабочая температура. Поэтому с середины 50-х годов прошлого столетия вместо германия стали использовать кремний. Рабочая температура транзисторов поднялась до 125–150°С, а кроме того кремниевые транзисторы оказались значительно стабильнее и надежнее германиевых. В 1958–1959 годы была разработана особая технология изготовления кремниевых приборов, объединившая в единый процесс такие высокопроизводительные операции обработки пластин, как диффузия примесей, фотолитография, эпитаксиальное выращивание, напыление тонких пленок металлов и др. Все эти операции велись лишь в одной плоскости пластины, так сказать в плане, поэтому разработанный многостадийный процесс назвали планарной технологией. Односторонняя, планарная структура транзисторов стала решающим фактором, позволившим автоматизировать сборку.
В порядке отступления заметим, что планарная технология оказалась достаточно универсальной и нашла широчайшее применение в самых различных областях твердотельной электроники. Это наивысшее технологическое достижение вообще, прообраз технологий будущего, она обрела самостоятельную значимость, сопоставимую со значимостью транзистора. (Для междисциплинарных сопоставлений полезно ввести понятие “предельной технологии”, обеспечивающей изготовление изделий определенного класса во всем необходимом диапазоне изменения их конструкционных параметров при минимизации экологического вреда. Планарная технология – это почти идеальное приближение к предельной технологии твердотельной электроники.)
На основе планарной технологии в 1959 году были созданы интегральные схемы, и в дальнейшем транзистор стал “приходить” к пользователю преимущественно как элемент таких схем, отчего его значимость не только не уменьшилась, но напротив – еще более возросла. В 1960 году был создан полевой транзистор со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-транзистор), ставший основой сверхбольших интегральных схем. Но общие принципы и понятия полупроводниковой электроники, разработанные в 1947–1949 годы, – транзисторный эффект, р-n-переход, эффект поля, транспорт электронов и дырок – неизменно сохраняются и работают в микросхемах всех последующих поколений. Более того, эти принципы стали основой при изобретении и создании подавляющего числа других приборов полупроводниковой электроники, таких как разнообразные диоды, тиристоры, приборы с зарядовой связью, светодиоды, наконец, гетеролазеры.
В 1956 году Уильям Шокли, Джон Бардин, Уолтер Браттейн получили Нобелевскую премию “за исследование полупроводников и открытие транзисторного эффекта”. Браттейн показал себя подлинным патриотом и ветераном фирмы Bell Labs, проработав на ней до ухода на пенсию в 66 лет и занимаясь исследованием поверхностных свойств германия и кремния. Он побывал в Москве, в ФИАНе прочел лекцию все о тех же поверхностных свойствах полупроводников, его вежливо выслушали, но не более того. Бардин тоже показал себя патриотом, но не какого-либо учреждения, а единственно – патриотом теории твердого тела. В 1951 году он перешел в Иллинойский университет, где стал одним из соавторов теории сверхпроводимости (теория Бардина–Купера–Шиффера, или БКШ-теория), которая в 1972 году была отмечена Нобелевской премией. Бардин – единственный человек, дважды удостоенный Нобелевской премии по физике. Говорят, что в то утро, когда он узнал о своем втором “Нобеле”, Бардин долго не мог открыть закапризничавший транзисторный замок гаража – так напомнило о себе ревнивое прошлое, поздравляя с новым успехом и коря за расставание с полупроводниками.
Историк Г.Хафф обратил внимание на патент Бардина (без соавторов) от 23.11.1947 года, в котором заявлена структура, напоминающая МДП-транзистор. Поскольку именно МДП-транзисторы стали основой микроэлектроники и с учетом того, что Бардин также автор первого транзисторного патента, Хафф провозгласил Дж.Бардина “отцом современной электроники”. Вероятнее всего, эту пафосность сам Бардин вряд ли бы признал строго корректной, но то, что он был “великим физиком современности” (Ж.Алферов), несомненно.
Ключевая фигура всего транзисторного проекта – Уильям Брэдфорд Шокли. Навсегда остались в электронике его плоскостные транзисторы, как биполярные, так и полевые, в 1949–1950 годы вышел в свет ряд его статей по теории приборов с р-n-переходами и фундаментальная монография “Электроны и дырки в полупроводниках” – все это стало классикой, образовало каркас новой электроники. Пришло время изобретать новые типы транзисторов, изготавливать их, передавать в промышленность. В 1955 году Шокли оставил Bell Labs, перебрался в Калифорнию и организовал собственную фирму в наспех переоборудованном сарае для хранения абрикосов. Но помощники – преимущественно его прежние аспиранты – не захотели заниматься “транзисторной рутиной” и вскоре оставили учителя. “Предатели” – прогремело вслед восьмерке отступников. Шокли продержался в “бизнесе” еще несколько лет и возвратился “на круги своя” – профессором в Стэнфордский университет. (А “отступники” угадали: через два года разработали планарную технологию, позднее основали знаменитую компанию Intel и стали лидерами в микроэлектронике.)
В 1960 году А.Ф.Трутко (будущий директор НИИ “Пульсар”) стажировался в Стэнфорде и после одной из лекций подошел к Шокли и попросил надписать его книгу, изданную у нас в 1953 году. Профессор с доброжелательной заинтересованностью отнесся к тому, что, оказывается(!) его лекции посещает “симпатичный советский русский”, сделал теплую надпись, начинавшуюся с “To Anatole”, и не преминул разразиться саркастической тирадой: “Мало того, что ваши не заплатили мне гонорар за книгу, они еще выкинули из нее важный раздел, да меня же и обругали…”. То, что при переводе был исключен параграф с изложением “идеалистических взглядов физика Бриджмена, с которым автор полностью солидарен”, вполне понятно – время у нас было такое, “чуждую” идеологию пропагандировать не допускалось. Но так ли уж обязательны были в предисловии редактора перевода пассажи типа “серьезным недостатком книги является замалчивание работ советских ученых” или примечания, “которые должны помочь советскому читателю разобраться в ошибочных высказываниях автора и понять значение советской науки…”. Шокли ведь создавал не антологию советских научных работ и не историю полупроводниковой науки, да и кого бы из “наших” обязательно надо было процитировать в аспекте германиевых и кремниевых р-п-переходов? И совсем уже “сверхпрограммной” отсебятиной звучат точечные “уколы”: “материал изложен недостаточно последовательно”, “читатель… будет обманут в своих ожиданиях”, “несмотря на указанные выше недостатки”. Все это – о первой транзисторной библии!
Через пару лет У.Шокли в составе делегации IEEE приезжал в Москву на съезд Общества им. А.С.Попова. В качестве переводчика и сопровождающего к нему прикомандировали аспиранта ИРЭ Ю.В.Гуляева (будущего академика и директора ИРЭ). Придя для первого знакомства в гостиницу “Националь”, Юрий Васильевич прямо с порога торжественно начал с домашней заготовки: “Я горд, что буду сопровождать Вас, одного из трех изобретателей транзистора…”, но был резко прерван профессором: “Каких трех? Изобрел только Я, Бардин и Браттейн – это точечный транзистор, который тут же и умер. А мой – живет”. (Из моего интервью Ю.В.Гуляева. Я специально переспрашивал о достоверности инцидента – “Как сейчас вижу его возбужденное лицо при этих словах”, был ответ Юрия Васильевича.)
У Шокли было много общего с будущим шахматным “enfant terrible” – Робертом Фишером. Тот же абсолютный индивидуализм и убежденность в своей исключительности, та же бескомпромиссность в достижении цели и безразличие к реакции окружающих, тот же максимализм в формулировании этой цели и та же… Один журналист, перечисляя многочисленные фишеровские выверты, подытожил: “Единственное смягчающее обстоятельство – его гениальность”. Вот оно, ключевое слово к характеристике и нашего героя.
Шокли – человек многих интересов, его увлекала история и философия науки, хотя, признаем, что при крайнем субъективизме бесстрастно изложить историю транзистора ему не очень удавалось. Но поиск его всегда увлекателен, это – не остывшая манная каша Браттейна. От философии науки он естественно перешел к природе творчества, увлекся идеей искусственного выведения совершенных человеческих особей и на этом пути нарушил общепринятое молчаливое табу – стал сопоставлять мыслительные способности представителей разных рас. Политкорректный мир обвинил его в расизме, но может ли политкорректность быть аргументом в научных исследованиях? Сегодня вопрос о генетической неодинаковости рас уже не является запретным. Жаль, что в своих исканиях Шокли все дальше уходил от физики, а ведь он был первым, кто заметил, что “транзистор вызвал к жизни новую физику” (название его Нобелевской лекции).
Уильям Шокли скончался в 1989 году на 80-м году жизни, Уолтер Браттейн – в 1987 на 86-м, Джон Бардин – в 1991 на 83-м.
Продолжение в следующем номере.

Литература
Shockley W. The path to the conception of the junction transistor.– IEEE Trans., 1976, ED-23, № 7, p.597–620.
Brattain W.H. Discovery of the transistor effect.– Adventures in the experimental Physics, 1976, v. 5, p.1–31.
Pearson G.L., Brattain W.H. History of Semiconductor Research. – Proc. IRE, 1955, v. 43, p.1794–1806.
Huff H.R. John Bardeen and transistor physics. – ULSI Process Integration, 1999, PV99-18, p.19–55.
Bardeen J. Three men who changed our world, 25 years later. – Bell Labs. Rec, 1972, p.335–341.
Носов Ю.Р. Прибор под названием транзистор. – НГ– Наука, №4, декабрь, 1997.

Bell System Memorial – Bell Labs (Кто на самом деле изобрел транзистор?)

Кто на самом деле изобрел транзистор?

Другие пункты формулы изобретения …

Эта статья впервые появилась в журнале Radio Bygones, www.radiobygones.com
Перепечатано здесь с разрешения автора, Эндрю Эммерсон

Андрей Эммерсон раскрывает противоречивые утверждения и некоторую ревизионистскую историю.

Перед падением Советского Союза государственные педагоги бывшего СССР были заняты переписыванием истории, либо исключение из списка почета всех упоминаний героев народа. впали в безвыходность или приписывают всякое современное чудо затемнению коммунистические пионеры.

На этот раз, однако, Американцы подвергаются критике за фальсификацию истории, и предметом обсуждения является изобретение транзистор. Принято считать, что Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн изобрели это устройство в 1947 году. в этом, несомненно, не может быть никаких сомнений.Но есть и красочные претензии, и встречные иски представляют собой увлекательное чтение.

Один факт не оспаривается, что достижения Шокли, Бардина и Браттейна положили начало революции твердотельной электроники и эры компьютеризированных информатика. Порицать их роль в преобразовании электроники было бы одновременно грубовато и безумно, но утверждение, что они первыми изобрели твердотельное усиление не имеет вообще никакой субстанции.

Прежде чем мы вернемся в темные века, Давайте рассмотрим стандартную версию истории транзисторов, любезно предоставленную Эндрю Уайли, который создал отличный веб-сайт, посвященный ранним транзисторным устройствам. Он утверждает:

В транзистор был изобретен в Bell Laboratories в декабре 1947 г. (а не в 1948 г., как часто упоминается) Джоном Бардином и Уолтером Браттейном. «Обнаружено» было бы Лучшее слово, потому что, хотя они искали твердотельный эквивалент вакуумная трубка, она была обнаружена случайно при исследовании поверхности состояния вокруг точечного контакта диода. Поэтому первые транзисторы были точечного типа. Уильям Шокли, теоретик, руководивший исследованием, сразу понял, что это не то, что он искал: в то время, когда он пытался создать твердотельное устройство, подобное тому, что мы сейчас называем полевым эффектом соединения транзистор.

Bell Labs не раскрывала информацию о своем открытии до июня 1948 г. дата открытия). Затем они объявили об этом под фанфары, но мало кто осознавал его значение, и он даже не попал на первую полосу газеты. Шокли в основном игнорировал точечный транзистор, и продолжил свои исследования в других направлениях. Он изменил свои первоначальные идеи и разработал теорию переходного транзистора. В июле 1951 года Белл объявил создание такого устройства.В сентябре 1951 года Белл держал в руках транзистор. симпозиум, и лицензировал свою технологию для обоих типов транзисторов для всех которые заплатили необходимый гонорар в 25 тысяч долларов. Это было началом промышленность транзисторов, которая изменила наш образ жизни в западном мире по меньшей мере.

Действия инопланетян

Однако совершенно другое происхождение был предложен Джеком Шульманом, президентом американской компьютерной компании. Откровенно говоря, его теория довольно фантастична, но ее можно прочитать очень хорошо, если ничего больше.Вот что он говорит …

я вырос в дом главы Bell Labs, поэтому я знал, что что-то странно насчет транзистора, потому что я знал Билла Шокли, а Билл Шокли был что-то вроде бестолкового шута. Он никак не мог изобрести транзистор.

Символ транзистор состоит из трех частей: положительной, положительной и отрицательной; или отрицательный, отрицательный и положительный … диоксид кремния, легированный мышьяком и бор, в 1947 г.Теперь, в 1947 году, допинговать бором было непросто. Это требовало такое оборудование, которым даже Bell Labs в 1946 году не располагала. У них было это типа оборудования в лабораториях Лоуренса Беркли, но для этого потребовалось бы тысячи, тысячи и тысячи человеко-часов, чтобы изобрести транзистор.

Если посмотреть на это исторически, AT&T утверждала, что однажды этот “гений” Уильям Шокли работа с выпрямителем; он посмотрел на него и заметил необычный склонности, а там, бинго, он изобрел транзистор! Он понял это прямо там!

Кто угодно верить этой истории? И я нет.И я знал, потому что административный руководитель транзисторным проектом был Джек Мортон, человек, в доме которого я остановился. ходить в школу и с сыновьями которых я дружил. Он часто комментировал факт что это действительно позор, что эти три идиота взяли на себя ответственность за транзистор, а он нет.

Г-н Шульман утверждает, что Истинное происхождение транзистора лежит в технологии, восстановленной ВВС США из космический корабль пришельцев, обнаруженный в Розуэлле, штат Нью-Мексико, в 1947 году.Это очень спорный материал и вопреки всей общепринятой мудрости, но довольно забавный с вашей стороны не воспринимайте это слишком серьезно. Давайте быстро двинемся, спустимся на землю и в частности, минералы.

Это было в 1906 году, когда G.W. Пикард из Эймсбери, штат Массачусетс усовершенствовал кристаллический детектор и в ноябре того же года получил патент для использования кремния в детекторах. Возможно, это было началом кремниевой революции, и экспериментаторам не потребовалось много времени, чтобы добиться усиления используя кристаллические устройства, задолго до изобретения термина «транзистор».

Родилась твердотельная электроника. еще раньше, когда Фердинанд Браун изобрел твердотельный выпрямитель, использующий точечный контакт на основе сульфида свинца в 1874 году. кредит идет на обнаружив, что точечный контакт между тонкой металлической проволокой (так называемый усы кошек) и поверхность некоторых кристаллических материалов (особенно кремний) может выпрямлять и демодулировать высокочастотные переменные токи, такие как как те, которые производятся радиоволнами в приемной антенне (то, что Пикард называл волна-перехватчик).Его кристаллический детектор (точечный выпрямитель) был основу бесчисленных кристаллических радиоприемников, форма радиоприемника, который был популярен до тех пор, пока кристаллический детектор не был заменен термоэлектронным триодом. клапан.

По своему характеру Кристаллический выпрямитель был пассивным устройством без усиления сигнала. Но радио историк Лоуренс А. Пиццелла WR6K отмечает анекдотические истории о судовых радистов во втором Десятилетие 20 ^-го века достижения усиление с использованием кристалла карбида кремния (карборунда) и двух котов усы.Он цитирует записанное на пленку интервью 1975 года с Расселом Олом в его доме. в Виста, Калифорния в котором были сделаны заявления об усилении сигнала. Это отрывок из книги Ольса показания:

Он дал мне копию, которая у него была, я думаю, это была Электрик . Это было британский журнал, одна из таких статей с большими страницами. В нем был перевод из русской газеты, в которой они использовали карборунд с двумя контакты и батарея, питающая один из контактов, и получили прирост мощности десять раз.И это было еще в 1910-х годах, поэтому тот факт, что вы могли был известен прирост мощности, но он никогда не ставился под контроль. я знал об этом, потому что оператор войск связи еще в 1919 году сказал мне, что некоторые операторы использовали карборунд в качестве генераторов для приема. Когда у меня было видел эту статью, которую дал мне Кертис, я не был поражен, потому что я знал об этом до того, как я увидел статью. Я слышал об этом. Я знал бывшего первый сержант Связи, который жил в пансионате, в котором я жил и был опытным радистом.Он много рассказал мне об использовании кристаллических детекторов на кораблях. Он сказал мне, что профессиональные операторы несут два кристаллических детектора с ними. Один из них был сделан из карборунда им и один из них был чем-то вроде галенита или чего-то в этом роде. Он сказал карборунд использовался для двух целей. Они использовали его в гавани, когда были рядом с передатчиком, чтобы предотвратить выгорание. Они также использовали его в течение длительного времени. дистанции с двумя точками. Один балл был взволнован батареей и они были смогли получить из него длинноволновые колебания, и в этом мы смогли оказаться в длинноволновые телеграфные станции.

Ол, надо отметить, был человек, который изобрел кремниевый солнечный элемент в 1941 году и обнаружил во время мировой войны II, что полупроводники могут быть легированы небольшими количествами примесей для создания новые полезные свойства. Родился в 1889 году, в возрасте из 16 и посвятил большую часть своей жизни созданию простых радиоприемников, использующих полупроводники. Его случайное открытие барьера P-N в его работе в Bell Телефонные лаборатории привели к развитию солнечных батарей.

Увлекательное письмо на Wireless World в мае 1981 года под этим названием был назван доктором Гарри Э. Стокманом. из Серколаба (Арлингтон, Массачусетс) Тогда ему было 76 лет, и он пережил эпоху обсуждались и предоставили ценное резюме предшествующего уровня техники, предшествовавшего повторное изобретение транзистора. Его письмо было вызвано шестидесятилетием Статью в том же периодическом издании), напоминая статья У. Т. Дитчема о колебаниях кристалла в номере за май 1920 года.

Он заявил, что этот эффект был открыл доктор В. Х. Экклс в 1910 г. и заметил: «Трудно понять, что потребовалось около десяти лет для появления практических схем на активных кристаллах-диодах, несмотря на схемы напоминания Дитчема, которые включали как RF, так и AF усиление. Последний в то время был совершенно неизвестен большинству поклонников любви, один из них является автором этого письма. Большая заслуга в создании практические приспособления [такого рода] принадлежат О.В. Лосев о России, независимо от того, он знал о пионерской работе Эклза десятью годами ранее. Он должен был знать об этом; можно ожидать, что он как квалифицированный ученый был знаком с мировая научная литература.

Разъяснение исходит от Лоуренса Пиццеллы, который объясняет, как эти экспериментаторы создал успешные методы усиления с использованием устройств на минеральных кристаллах. По его словам, Лосев использовал цинкит и стальной кошачий ус с уклоном, чтобы сделать генератор и даже маломощный передатчик в начале 1920-х годов.Это было подробно сообщается в сентябрьском выпуске 1924 года журнала Radio News . и в выпусках 1 ^st и 8 ^th от октября 1924 г. Мир. Хьюго Гернсбак, редактор Radio News , назвал это Кристодайн и предсказал, что кристаллы когда-нибудь заменят клапаны в электроника. Все детали, необходимые для дублирования этих цепей и создания туннеля. диодные генераторы есть в этих статьях. Немецкая книга Евгений В 1925 году Непер описал схему колебательного детектора, используя цинкит. материал и напряжение смещения от 8 до 14 вольт.

С таким количеством информации в напечатать невозможно, чтобы команда Bell Labs не знала об этих техники. Но в любом случае Пиццелла говорит, что Рассел Ол показал Уильяму Шокли свое радио использование кристаллических усилителей за несколько лет до предполагаемого изобретения транзисторов в 1947 году. Также цитируется Шокли (в Crystal Fire Риордана и Ходдесона) он сказал, что просмотр радио Олса убедил его в том, что усиливающий кристалл может быть сделано.

Еще один экспериментатор этой эпохи кого заслуживает гораздо большего уважения, так это доктор Юлиус Лилиенфельд из Германии, который в 1926 году запатентовал концепцию полевого транзистора (FET).Он считал, что приложив напряжение к плохо проводящий материал изменит свою проводимость и тем самым достигнет усиление. Лилиенфельд заслуженно известен своими работами по электролитическому конденсаторной славы, но, согласно Стокману, следует признать также за его пионерские работы по полупроводникам.

Говорит Стокман, сам выдающийся автор многих книг и статей по физике полупроводников, он создал свое устройство без трубки примерно в 1923 году, одной ногой в Канаде, а другой в США, а дата его заявки на патент в Канаде – октябрь 1925 г.Позже последовали американские патенты, которые должны были быть хорошо известны Bell. Патентное бюро Labs. Лилиенфельд продемонстрировал свое замечательное бескамерное радио приемник во многих случаях, но Бог поможет человеку, который в то время угрожал господство трубки.

Дэвид Топхэм GM3WKB добавляет, что Лилиенфельд следил за своими патентными заявками 1925 г. (Канада) и 1926 г. (США). для метода и устройства для управления электрическим током с другим выдан в 1933 году. Дэвид говорит: патент США 1 900 018 четко описывает эту область транзистор с эффектом, построенный с использованием методов осаждения тонких пленок и используя размеры, которые стали нормальными, когда металлооксидный полевой транзистор действительно был произведено в больших количествах более 30 лет спустя.Патент (и последующие ед.) описывает преимущества устройства перед громоздкими электронными лампами.

На веб-сайте доктора Роберта Дж. Адамса говорится, что он сконструировал кристаллический усилитель в возрасте тринадцати лет, когда жил в Гастингс, Новая Зеландия. Фотография его установки размещена на его веб-сайте рядом с с диаграммой, воспроизведенной здесь, с подтверждением.

Подключения к двум кристаллам использовался доступный в то время вертикальный консольный тип держатели усов для кошек, обеспечивающие стабильное соединение с центральным соединением и точки входа и выхода.Два разных метода связи между два кристалла не дали видимой разницы в производительности. Адамс подчеркивает, что это ему никогда не приходило в голову возбуждать какие-либо патентные иски просто потому, что изобретение уже был в открытом доступе. По его мнению, это было очевидно непатентованным никому (не считая Bell Labs).

Кто-то, кто построил аналогичный усилитель такого рода канадский радиолюбитель Ларри Кайзер (va3lk / wa3zia), который обнаружил схему для новой кристаллической радиосхемы, которая выставленное усиление опубликовано в журнале Gernsbacks Radio во время период 1932-1934 гг.Он вспоминает, что для этого использовались два кошачьих уса. свинцовый детектор галенита (PbS). Он говорит, что смог продублировать это действия в начале 1950-х годов как молодой любитель и в то время как степень усиление не было ничего похожего на первые коммерческие транзисторы, это было по крайней мере, порядка 3 дБ или чуть больше.

Это было тогда, но это сейчас. Американский радиолюбитель Найл Штайнер K7NS был полон решимости доказать или опровергнуть эти претензии на себя и добился впечатляющих успехов.На его на сайте он публикует технические результаты, фотографии и кривые нескольких эксперименты, в которых он продемонстрировал осцилляции с железным пиритом и даже передавал свой голос по воздуху (схема для радиочастотного утюга там же приводится осциллятор отрицательного сопротивления пирита).

Успех этот эксперимент был для меня очень захватывающим, поскольку он представляет возможность построить простой самодельный активный полупроводниковый прибор. Это почти «как сделать самодельный транзистор», – утверждает он.Это актуальный реализация некоторых очень старых и эзотерических экспериментов 1920-х годов Экклзом, Пикардом и Лосева, о которых так неопределенно сообщалось в нескольких статьях, что я часто задавался вопросом, действительно ли это было сделано. Тем не менее, у меня всегда было крайнее восхищение этими сообщениями о возможности производить непрерывный волновой радиочастотный сигнал от сырого полупроводникового материала в самые ранние дни радио.

Другие эксперименты его показывают генератор на основе феррита цинка и устройство отрицательного сопротивления N-типа, похож на туннельный диод, созданный прикосновением к куску оцинкованной стальной проволоки против куска алюминия.Как говорит Найл, этот проект может быть не очень практично, но я нахожу это очень захватывающим опытом.

Чем больше вы изучаете историю изобретения, тем меньше вы найдете примеров совершенно новых устройств, задуманных и совершенствуется одним человеком в изоляции. История любит героев, а люди предпочитают простые истории, невзирая на неудобные факты.

Совершенно ясно, что Белл Не лаборатории изобрели транзистор, они изобрели его заново. Тот факт, что они полностью провалились признание новаторской работы, проделанной другими, можно объяснить человеческими природная гордость, высокомерие, невежество или простой корыстный интерес.Это совершенно верно что мир не был готов к предыдущим воплощениям транзистора, но что не было основанием отрицать, что Лилиенфельд запатентовал оригинальный твердотельный триодный генератор / усилитель задолго до того, как другие заявили о себе на всю заслугу. Но это жизнь; это было не в первый раз и, несомненно, не в последний.

• Майкл Риордан и Лилиан Ходдсон, Crystal Fire (1998)
  

• Уильям Бринкман, Дуглас Хагган и Уильям Траутман, История изобретения Транзистор и куда он нас приведет , журнал IEEE Journal of Твердотельные схемы, т.32, нет. 12 декабря 1997 г. (и в Интернете по адресу http://ieeexplore.ieee.org/iel3/4/14037/00643644.pdf?arnumber=643644)
  

• Юлий Nesper, Wie baue ich einen einfachen Detektorempfnger? (1925)
  

• Рональд Айвс, транзисторов в 1923 г., журнал CQ (США), январь 1959 г.

http://www.sparkbangbuzz.com/els/iposc-el.htm

http: // www.nuenergy.org/

---

Запатентованный компанией Pickards кристаллический детектор в 1906 году дал старт кремниевая революция.

Кристаллический усилитель, разработанный новозеландцем доктором Робертом. Адамса в 1933 году, показав, как терминология менялась с годами.

Мы предлагаем индивидуальные индивидуальные встречи Обслуживание!

Позвоните нам сегодня по телефону (651) 787-DIAL (3425)

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 кварцевых радиоприемниках. К 1920-м годам изобретатели начали исследовать использование полупроводников для усиления и переключения сигналов.

Ранние полупроводниковые усилители

Лосев Олег Викторович (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 точечном диоде на 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 отклонить будущие патентные заявки на эту структуру.

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

Немецкие ученые 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 детекторов радаров 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, любезно 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. Узнав 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 подстрекаемая профессиональной завистью, 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 сделан 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 компания TI – доминирующим поставщиком полупроводников.

Группа 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, особенно в тех, которые написаны Гордоном Муром и Шелдоном Робертсом. Совпадение с началом «космической гонки», их введение в 1958 году кремниевого меза-транзистора с двойным диффузором 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 ранних неудачных экспериментов Лилиенфельда и Хайля и 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 Канг (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 в случае с большинством 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

Рождение транзистора, ключевого компонента современной электроники

Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Браттейн в Bell Labs

22 декабря 1947 года Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли из Bell Labs компании ATT разработали первый транзистор , ключевой активный компонент практически во всей современной электронике.

Вакуумные лампы как предшественники транзисторов

Транзистор представляет собой твердотельное электронное устройство с тремя выводами.В устройстве с тремя выводами можно управлять электрическим током или напряжением между двумя выводами, подавая электрический ток или напряжение на третий вывод. Этот трехконтактный характер транзистора позволяет нам создавать усилитель для электрических сигналов, подобный тому, который используется в нашем радио. С помощью трехполюсного транзистора можно также сделать электрический переключатель, которым можно управлять с помощью другого электрического переключателя. Посредством каскадного подключения этих переключателей (переключателей, управляющих переключателями, управляющих переключателями и т. Д.)) могут быть спроектированы очень сложные логические схемы. Но транзистор не был первым трех оконечным устройством, которое можно было использовать для усиления или переключения схем. Триод на электронных лампах предшествовал транзистору почти на 50 лет. Джозеф Джон Томсон разработал вакуумную трубку для тщательного исследования природы катодных лучей еще в конце XIX века [3]. Он показал, что катодные лучи действительно состоят из частиц, которые содержатся во всем материале. Таким образом, Томсон открыл электрон, за что получил Нобелевскую премию по физике 1906 года.

Реплика первого работающего транзистора.

Триод с вакуумной трубкой

В то время как физики пытались понять, что такое катодные лучи, инженеры пытались применить их для создания электронных устройств. В 1906 году Ли Де Форест создал ламповый триод, или, как он его называл, audion, трехконцевое устройство, которое послужило основой для усилителя аудиосигналов, обеспечивающего AM-радио. [4] Триод на электронных лампах также значительно продвинул развитие компьютеров, но вскоре пределы возможностей этих ламп были исчерпаны.По мере усложнения электрических цепей требовалось все больше и больше триодов. Электронные лампы имели тенденцию протекать, и металл, испускавший электроны в электронных лампах, перегорал. Лампы также требовали такой большой мощности, что большие и сложные схемы были слишком большими и требовали слишком много энергии для работы. Эти проблемы заставляют ученых и инженеров думать о других способах изготовления трех оконечных устройств. Вместо того, чтобы использовать электроны в вакууме, ученые начали думать, как можно управлять электронами в твердых материалах, таких как металлы и полупроводники.

Практическая реализация полупроводникового транзистора

Юлиус Эдгар Лилиенфельд подал заявку на первые патенты на принцип транзистора в 1925 году. В своей работе Лилиенфельд описывает электронный компонент, который имеет свойства электронной лампы и сравним в самом широком смысле с компонентом, ныне известным как поле. -эффектный транзистор (FET). В то время технически реализовать полевые транзисторы на практике было невозможно. В 1934 году немецкий физик Оскар Хайль запатентовал первый полевой транзистор – полупроводниковый полевой транзистор с изолированным затвором.

С 1942 года Герберт Матаре экспериментировал на Telefunken с тем, что он назвал дуодиодом (двухконечным диодом), в рамках разработки детектора для доплеровских систем измерения радиоизлучения (RADAR). Дуодиоды, созданные Матаре для этой цели, представляли собой полупроводниковые точечные диоды с двумя очень близкими металлическими контактами на полупроводниковой подложке. Матаре экспериментировал с поликристаллическим кремнием (сокращенно поликремний), который он получил от Карла Зайлера в лаборатории Telefunken в Бреслау, и с германием, который он получил от исследовательской группы Люфтваффе недалеко от Мюнхена.Во время своих экспериментов с германием он обнаружил эффекты, которые нельзя было объяснить, рассматривая его как два независимо работающих диода: напряжение на одном диоде могло влиять на ток через другой диод. Это наблюдение сформировало основную идею для следующих заостренных транзисторов.

В 1947 году Джон Бардин и Уолтер Браттейн, работая в Bell Telephone Laboratories, пытались понять природу электронов на границе раздела между металлом и полупроводником.Они заметили, что когда два золотых точечных контакта были приложены к кристаллу германия, был получен сигнал с выходной мощностью, превышающей входную. Таким образом, они могли сделать трехполюсное устройство на основе полупроводников – первый транзистор. Первое, что они попробовали с новым устройством, – это взять несколько из этих транзисторов и соединили их с некоторыми другими компонентами, чтобы сделать усилитель звука. Этот аудиоусилитель был показан руководителям Bell Telephone Company, которые были очень впечатлены тем, что ему не нужно было времени для «разогрева», как нагреватели в традиционных ламповых схемах.Они сразу же осознали всю мощь этой новой технологии. Термин «транзистор» был введен Джоном Р. Пирсом в 1948 году.

Нобелевская премия по физике

Это изобретение было той искрой, которая положила начало огромным исследованиям в области твердотельной электроники. Бардин и Браттейн получили Нобелевскую премию по физике в 1956 году вместе с Уильямом Шокли, который разработал так называемый переходный транзистор, который был построен на тонких пластинах различных типов полупроводникового материала, спрессованных вместе.Сегодня транзистор стал ключевым активным компонентом практически всей современной электроники. Многие считают его одним из величайших изобретений 20 века. Если все транзисторы во всех изготовленных до сих пор схемах, таких как память, процессоры и т. Д., Сложить вместе, то транзистор станет технической функциональной единицей, которая была и производится человечеством в наибольших количествах. Современные интегральные схемы, такие как микропроцессоры, используемые в персональных компьютерах, состоят из многих миллионов и миллиардов транзисторов.

В поиске академических видео yovisto вы можете посмотреть интервью с лауреатом Нобелевской премии Уильямом Шокли 1969 года, в котором он рассказывает об изобретении транзистора.

Ссылки и дополнительная литература:

• [1] Building the Digital Age, на BBC.com
• [2] Риордан, М., Ходдесон, Л .: Crystal Fire. W.W Norton Company Limited, (1998).
• [3] Дж. Дж. Томсон и существование электрона, SciHi Blog
• [4] Включение радиотрансляции звука – Ли Де Форест и Audion, SciHi Blog
• [5] Джон Бардин и две его Нобелевские премии по физике, SciHi Blog
• [6] Уолтер Хаузер Браттейн и эпоха транзисторов, SciHi Blog
• [7] Транзистор в Викиданных
• [8] Хронология электронных компонентов, через Викиданные
• [9] Этот месяц в истории физики: с 17 ноября по 23 декабря 1947 года: изобретение первого транзистора .От Американского физического общества

(PDF) История изобретения транзистора и куда оно нас приведет.

BRINKMAN et al.: ИСТОРИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА 1859

показывает, что другие инженеры думали в том же направлении.

К 1940 году Рассел Ол проделал большую работу по

с другими сотрудниками Bell Labs, пытаясь понять кристаллы кремния

. Оль узнал, что в зависимости от того, как вы приготовили монокристаллы кремния

, можно получить кремний

n- или p-типа.В те дни под n или p типом понималось

вне зависимости от того, был ли это выпрямитель положительный или отрицательный. Вот откуда

обозначение n или p. Это был вопрос о том, в каком направлении

произошло исправление; по этому критерию они определили эти термины

. Также интересно, что немного позже Ohl

действительно смог сделать образец, в котором верхняя часть была

p-типа, а нижняя была n-типа, и он обнаружил, что

, когда светился свет. на нем фактически развилось напряжение

[1].Когда Оль представил свои результаты своему руководству в Bell

Laboratories, они были достаточно скептически настроены по этому поводу, что

они фактически спросили его, могут ли они получить кусок. Затем они

отдали кусок Уолтеру Браттейну, чтобы он мог повторно измерить

его. Руководство Оля хотело убедиться, что то, что он сказал

, было правильным. Уолтер гордился тем, что смог помочь

Расселу проверить этот эффект.

Забавно, как люди выяснили характер примесей

, которые вызвали разницу между типом n

и типом p.Говорят, что когда Джек Скафф и Х. К. Тьюерер

разрезали кремниевые пластины n-типа, они могли почувствовать запах фосфата, когда разрезали материал. Поэтому они

знали, что это должны быть примеси фосфора. Это имело большой смысл в

, потому что у фосфора есть дополнительный электрон. Это показывает

, как материалы были идентифицированы до Второй мировой войны. Фактически,

читая литературу из Университета Пердью, мы видим, что

человек имели всевозможные странные представления о том, что было важно для

, встроить в кремний для создания p- и n-типов.Некоторые люди

думали, что видят гелий. Позже люди поняли

, что произошло то, что они увлекали следы примесей

в кремний с гелием, а это был не гелий

всего. Сегодня мы смеемся над такой идеей. Но в то время это

просто было не так очевидно.

Это был статус твердотельной электроники к началу Второй мировой войны, и он действительно не сильно изменил во время войны

, за исключением технологических областей, на которые повлияла работа над радаром

.Требования к радарам вызвали очень сильное желание

выполнить тонкую настройку твердотельных выпрямителей, и это привело к некоторым усилиям

, направленным на улучшение кремниевых и германиевых материалов.

Радар, конечно, очень сильно управлялся лабораторией Radiation

Массачусетского технологического института, а

был запущен Ли ДюБриджем. Ранний радар был основан на

относительно низкочастотной или длинноволновой. Было обнаружено

, что самолеты могут быть обнаружены обычным образом, но не

с достаточной точностью для визуального контакта, что было особенно важно при плохих погодных условиях над

Ла-Маншем, и быстро стало очевидно, что в

, чтобы получить желаемое разрешение, требовалась более высокая частота или

более коротковолновый радар.Проблема более коротких и

более коротких длин волн побудила разработчиков систем обратить внимание на

гигагерцовый диапазон, и это побудило их искать твердотельные детекторы с меньшей емкостью

[2].

В то время было сделано много работы с твердотельными детекторами,

в основном методом проб и ошибок. Инженеры исследовали поверхность кристаллов

, чтобы найти лучшую точку для лучших детекторов.

Ученые из радиационных лабораторий попросили университет Пердью

создать программу, в которой они должны были рассмотреть возможность улучшения как кристаллов кремния

, так и кристаллов германия.В то же время исследователи

из штата Пенсильвания также получили финансирование для исследования кремния. Университет Purdue

также попросили предоставить лучшее понимание

работы с этими кристаллическими диодами, и поэтому большая часть работы

была проделана в Университете Пердью. Фактически, некоторые работы в

Университете Пердью сыграли важную роль в работе Джона Бардина

, размышляющей о состояниях поверхности и распространении сопротивления. Итак, в ретроспективе

различные исследователи из Университета Пердью внесли

ряд важных вкладов в понимание

этих двух полупроводниковых материалов во время и вскоре после

войны.

Группа инженеров и физиков, которую Келли объединила в лабораторию Bell Labs, была распущена во время войны. Шокли,

, который был частью группы, ушел в военно-морскую исследовательскую лабораторию

и стал очень активно участвовать в военных действиях

. Люди, которые остались в Bell Labs, занялись

различными проектами, которые были связаны с радаром и другими военными

усилиями. Когда война закончилась, Радиационная лаборатория была расформирована

, и большая часть усилий, связанных с войной, сильно сократилась.В

Bell Labs область исследований была освобождена еще раз, чтобы мыслить

шире, и Мервин Келли вернулся к своим довоенным интересам

.

В Bell Labs часто рассказывали историю о Мервине Келли

, который был очень дальновидным менеджером. Мы должны признать, что

скептически относятся к таким историям, поскольку менеджеры любят иметь такую ​​репутацию

. Однако, просмотрев различные материалы для

этой статьи, мы поняли, что у этого человека было видение.После перезапуска группы

стало ясно, что он полон решимости создать твердотельную электронику

. Итак, к январю 1946 года Келли собрал

другую команду людей, на этот раз возглавляемую Биллом Шокли

и Стэнли Морганом. В команду входили Уолтер Браттейн, Джон

Бардин, Джон Пирсон, Берт Мур и Роберт Гибни.

Эта группа приняла очень важное решение в самом начале

, которое заключалось в том, что простейшими полупроводниками являются

кремний и германий, и что их усилия будут направлены

на эти два элемента [3].Сначала будут предприняты усилия, чтобы понять

их. Усилия не будут направлены на более сложные материалы

, такие как сульфид свинца и оксид меди. Итак, команда

сосредоточилась на кремнии и германии. Во-вторых, Шокли

возродил (на самом деле идея возникла у него независимо) идею полевого устройства

.

Начали работу. Одним из самых первых и очень важных вкладов

Бардина было понимание полевых эффектов.

Идея о том, что приложение напряжения к полупроводнику

приведет к изменению его проводимости, должна была сработать в

лаборатории, но не сработала. Бардин показал с помощью очень простых расчетов

, что относительно низкая концентрация поверхностных состояний

будет экранировать любое напряжение внутри полупроводника

. Те, кто сегодня работает над полевыми транзисторами

, знают, насколько это верно. Мы потратили практически всю нашу

жизнь на улучшение границы раздела кремний – диоксид кремния и пытались устранить все дефекты, чтобы уменьшить этот эффект.То, что предложил Бардин

, было ключом к тому, чтобы заставить людей задуматься о правильных вещах

. Бардин и Браттейн немедленно начали исследовать

способов очистки поверхности, чтобы уменьшить влияние этих состояний поверхности и создать полезное устройство.

транзистор | Определение и использование

Полная статья

Транзистор , полупроводниковое устройство для усиления, управления и генерации электрических сигналов.Транзисторы – это активные компоненты интегральных схем или «микрочипов», которые часто содержат миллиарды этих крохотных устройств, выгравированных на их блестящих поверхностях. Транзисторы, глубоко укоренившиеся почти во всем электронном, стали нервными клетками информационного века.

Обычно в транзисторе есть три электрических вывода, называемых эмиттером, коллектором и базой, или, в современных коммутационных приложениях, истоком, стоком и затвором. Электрический сигнал, подаваемый на базу (или затвор), влияет на способность полупроводникового материала проводить электрический ток, который в большинстве случаев протекает между эмиттером (или истоком) и коллектором (или стоком).Источник напряжения, такой как батарея, управляет током, а скорость тока, протекающего через транзистор в любой момент, определяется входным сигналом на затворе – так же, как кран крана используется для регулирования потока воды через сад. шланг.

Британская викторина

Изобретатели и изобретения

Наши самые ранние предки изобрели колесо, но кто изобрел шарикоподшипник, уменьшающий трение вращения? Позвольте колесам в вашей голове крутиться, проверяя свои знания об изобретателях и их изобретениях в этой викторине.

Первые коммерческие применения транзисторов были в слуховых аппаратах и ​​«карманных» радиоприемниках в 1950-х годах. Благодаря их небольшому размеру и низкому энергопотреблению, транзисторы были желанной заменой электронных ламп (известных как «клапаны» в Великобритании), которые затем использовались для усиления слабых электрических сигналов и создания слышимых звуков. Транзисторы также начали заменять электронные лампы в схемах генераторов, используемых для генерации радиосигналов, особенно после того, как были разработаны специализированные структуры для обработки более высоких частот и задействованных уровней мощности.Низкочастотные и мощные приложения, такие как инверторы источников питания, преобразующие переменный ток (AC) в постоянный (DC), также были транзисторными. Некоторые силовые транзисторы теперь могут выдерживать токи в сотни ампер при электрических потенциалах более тысячи вольт.

Сегодня транзисторы наиболее часто применяются в микросхемах памяти компьютеров, включая твердотельные мультимедийные запоминающие устройства для электронных игр, камеры и MP3-плееры, а также в микропроцессорах, где миллионы компонентов встроены в единую интегральную схему.Здесь напряжение, приложенное к электроду затвора, обычно несколько вольт или меньше, определяет, может ли ток течь от истока транзистора к его стоку. В этом случае транзистор работает как переключатель: если ток течет, задействованная цепь включена, а если нет, то она выключена. Эти два различных состояния, единственные возможности в такой схеме, соответствуют соответственно двоичным единицам и нулям, используемым в цифровых компьютерах. Подобные применения транзисторов встречаются в сложных коммутационных схемах, используемых в современных телекоммуникационных системах.Потенциальные скорости переключения этих транзисторов сейчас составляют сотни гигагерц, или более 100 миллиардов включений и выключений в секунду.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Разработка транзисторов

Транзистор был изобретен в 1947–1948 годах тремя американскими физиками, Джоном Бардином, Уолтером Х. Браттейном и Уильямом Б. Шокли, в лабораториях Белла американской телефонной и телеграфной компании. Транзистор оказался жизнеспособной альтернативой электронной лампе и к концу 1950-х годов вытеснил последнюю во многих приложениях.Его небольшие размеры, низкое тепловыделение, высокая надежность и низкое энергопотребление сделали возможным прорыв в миниатюризации сложных схем. В течение 1960-х и 1970-х годов транзисторы были включены в интегральные схемы, в которых множество компонентов (например, диоды, резисторы и конденсаторы) сформированы на одной «микросхеме» из полупроводникового материала.

Мотивация и ранние радиолокационные исследования

Электронные лампы громоздкие и хрупкие, они потребляют большое количество энергии для нагрева своих катодных нитей и генерации потоков электронов; Кроме того, они часто сгорают после нескольких тысяч часов работы.Электромеханические переключатели или реле работают медленно и могут застревать во включенном или выключенном положении. Для приложений, требующих тысяч ламп или переключателей, таких как общенациональные телефонные системы, развивающиеся по всему миру в 1940-х годах, и первые электронные цифровые компьютеры, это означало, что требовалась постоянная бдительность, чтобы минимизировать неизбежные поломки.

Альтернатива была найдена в полупроводниках, материалах, таких как кремний или германий, электрическая проводимость которых находится посередине между проводимостью изоляторов, таких как стекло, и проводников, таких как алюминий.Проводящими свойствами полупроводников можно управлять, «допируя» их избранными примесями, и несколько провидцев увидели потенциал таких устройств для телекоммуникаций и компьютеров. Однако именно военное финансирование разработки радаров в 1940-х годах открыло двери для их реализации. Для «супергетеродинных» электронных схем, используемых для обнаружения радиолокационных волн, требовался диодный выпрямитель – устройство, позволяющее току течь только в одном направлении, – которое могло бы успешно работать на сверхвысоких частотах более одного гигагерца.Электронных ламп просто было недостаточно, и твердотельные диоды на основе существующих полупроводников из оксида меди также были слишком медленными для этой цели.

На помощь пришли

Кристаллические выпрямители на основе кремния и германия. В этих устройствах вольфрамовая проволока вставлялась в поверхность полупроводникового материала, который был легирован крошечными количествами примесей, таких как бор или фосфор. Примесные атомы заняли позиции в кристаллической решетке материала, вытесняя атомы кремния (или германия) и тем самым создавая крошечные популяции носителей заряда (таких как электроны), способных проводить полезный электрический ток.В зависимости от природы носителей заряда и приложенного напряжения ток может течь от провода к поверхности или наоборот, но не в обоих направлениях. Таким образом, эти устройства служили столь необходимыми выпрямителями, работающими на гигагерцовых частотах, необходимых для обнаружения отраженного микроволнового излучения в военных радиолокационных системах. К концу Второй мировой войны миллионы кристаллических выпрямителей ежегодно производились такими американскими производителями, как Sylvania и Western Electric.

транзистор | Определение и использование

Полная статья

Транзистор , полупроводниковое устройство для усиления, управления и генерации электрических сигналов.Транзисторы – это активные компоненты интегральных схем или «микрочипов», которые часто содержат миллиарды этих крохотных устройств, выгравированных на их блестящих поверхностях. Транзисторы, глубоко укоренившиеся почти во всем электронном, стали нервными клетками информационного века.

Обычно в транзисторе есть три электрических вывода, называемых эмиттером, коллектором и базой, или, в современных коммутационных приложениях, истоком, стоком и затвором. Электрический сигнал, подаваемый на базу (или затвор), влияет на способность полупроводникового материала проводить электрический ток, который в большинстве случаев протекает между эмиттером (или истоком) и коллектором (или стоком).Источник напряжения, такой как батарея, управляет током, а скорость тока, протекающего через транзистор в любой момент, определяется входным сигналом на затворе – так же, как кран крана используется для регулирования потока воды через сад. шланг.

Британская викторина

Изобретатели и изобретения

Наши самые ранние предки изобрели колесо, но кто изобрел шарикоподшипник, уменьшающий трение вращения? Позвольте колесам в вашей голове крутиться, проверяя свои знания об изобретателях и их изобретениях в этой викторине.

Первые коммерческие применения транзисторов были в слуховых аппаратах и ​​«карманных» радиоприемниках в 1950-х годах. Благодаря их небольшому размеру и низкому энергопотреблению, транзисторы были желанной заменой электронных ламп (известных как «клапаны» в Великобритании), которые затем использовались для усиления слабых электрических сигналов и создания слышимых звуков. Транзисторы также начали заменять электронные лампы в схемах генераторов, используемых для генерации радиосигналов, особенно после того, как были разработаны специализированные структуры для обработки более высоких частот и задействованных уровней мощности.Низкочастотные и мощные приложения, такие как инверторы источников питания, преобразующие переменный ток (AC) в постоянный (DC), также были транзисторными. Некоторые силовые транзисторы теперь могут выдерживать токи в сотни ампер при электрических потенциалах более тысячи вольт.

Сегодня транзисторы наиболее часто применяются в микросхемах памяти компьютеров, включая твердотельные мультимедийные запоминающие устройства для электронных игр, камеры и MP3-плееры, а также в микропроцессорах, где миллионы компонентов встроены в единую интегральную схему.Здесь напряжение, приложенное к электроду затвора, обычно несколько вольт или меньше, определяет, может ли ток течь от истока транзистора к его стоку. В этом случае транзистор работает как переключатель: если ток течет, задействованная цепь включена, а если нет, то она выключена. Эти два различных состояния, единственные возможности в такой схеме, соответствуют соответственно двоичным единицам и нулям, используемым в цифровых компьютерах. Подобные применения транзисторов встречаются в сложных коммутационных схемах, используемых в современных телекоммуникационных системах.Потенциальные скорости переключения этих транзисторов сейчас составляют сотни гигагерц, или более 100 миллиардов включений и выключений в секунду.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Разработка транзисторов

Транзистор был изобретен в 1947–1948 годах тремя американскими физиками, Джоном Бардином, Уолтером Х. Браттейном и Уильямом Б. Шокли, в лабораториях Белла американской телефонной и телеграфной компании. Транзистор оказался жизнеспособной альтернативой электронной лампе и к концу 1950-х годов вытеснил последнюю во многих приложениях.Его небольшие размеры, низкое тепловыделение, высокая надежность и низкое энергопотребление сделали возможным прорыв в миниатюризации сложных схем. В течение 1960-х и 1970-х годов транзисторы были включены в интегральные схемы, в которых множество компонентов (например, диоды, резисторы и конденсаторы) сформированы на одной «микросхеме» из полупроводникового материала.

Мотивация и ранние радиолокационные исследования

Электронные лампы громоздкие и хрупкие, они потребляют большое количество энергии для нагрева своих катодных нитей и генерации потоков электронов; Кроме того, они часто сгорают после нескольких тысяч часов работы.Электромеханические переключатели или реле работают медленно и могут застревать во включенном или выключенном положении. Для приложений, требующих тысяч ламп или переключателей, таких как общенациональные телефонные системы, развивающиеся по всему миру в 1940-х годах, и первые электронные цифровые компьютеры, это означало, что требовалась постоянная бдительность, чтобы минимизировать неизбежные поломки.

Альтернатива была найдена в полупроводниках, материалах, таких как кремний или германий, электрическая проводимость которых находится посередине между проводимостью изоляторов, таких как стекло, и проводников, таких как алюминий.Проводящими свойствами полупроводников можно управлять, «допируя» их избранными примесями, и несколько провидцев увидели потенциал таких устройств для телекоммуникаций и компьютеров. Однако именно военное финансирование разработки радаров в 1940-х годах открыло двери для их реализации. Для «супергетеродинных» электронных схем, используемых для обнаружения радиолокационных волн, требовался диодный выпрямитель – устройство, позволяющее току течь только в одном направлении, – которое могло бы успешно работать на сверхвысоких частотах более одного гигагерца.Электронных ламп просто было недостаточно, и твердотельные диоды на основе существующих полупроводников из оксида меди также были слишком медленными для этой цели.

На помощь пришли

Кристаллические выпрямители на основе кремния и германия. В этих устройствах вольфрамовая проволока вставлялась в поверхность полупроводникового материала, который был легирован крошечными количествами примесей, таких как бор или фосфор. Примесные атомы заняли позиции в кристаллической решетке материала, вытесняя атомы кремния (или германия) и тем самым создавая крошечные популяции носителей заряда (таких как электроны), способных проводить полезный электрический ток.В зависимости от природы носителей заряда и приложенного напряжения ток может течь от провода к поверхности или наоборот, но не в обоих направлениях. Таким образом, эти устройства служили столь необходимыми выпрямителями, работающими на гигагерцовых частотах, необходимых для обнаружения отраженного микроволнового излучения в военных радиолокационных системах. К концу Второй мировой войны миллионы кристаллических выпрямителей ежегодно производились такими американскими производителями, как Sylvania и Western Electric.

История транзистора

---

Изобретение, изменившее мир

Жизнь не была бы прежней без транзистора, который был изобретен чуть более семи десятилетий назад.Исследователи и историки считают его самым важным изобретением 20-го века, которое привело к революционным достижениям в вычислительной технике, коммуникациях, медицине и практически во всех технически связанных областях. Без этого не было бы таких разработок, как персональный компьютер, мобильные телефоны, система GPS, кардиостимуляторы, слуховые аппараты и Интернет.

Все началось с программы фундаментальных исследований физики твердого тела Bell Telephone Laboratories в 1936 году, которая произвела замену вакуумной лампе в 1950-х годах и в конечном итоге дала нам интегральные схемы и микропроцессор.Это породило огромную полупроводниковую промышленность, приносящую продажи в сотни миллиардов долларов.

Однако за этой историей изобретения стоит история совместного гения, случайных неудач, столкновения эго и секретных исследований. В этой статье мы оглянемся на тот период, когда началось серьезное изучение твердотельных устройств. Мы рассмотрим вклад заинтересованных лиц и организаций, а также импульс, который привел к этому знаменательному изобретению. Мы также рассмотрим раннюю историю полупроводников, а также влияние электронных ламп на развитие транзисторов.

Мое увлечение электроникой началось в раннем возрасте, когда я получил от родителей стандартный набор радиотелеграфных сигналов.

---

Его металлический корпус, выкрашенный в синий цвет, имел наверху белый код Морзе, простой ключ, лампочку, внутренний зуммер и работал с двумя ячейками D. Какое-то время это было захватывающе, но мой интерес действительно вырос, когда я решил сделать свой собственный радиоприемник на кристалле, подобный тому, что изображен на Рис. 1 .

РИСУНОК 1. Моя первая магнитола на кристалле. Он использовал кристалл галенита с кошачьим усом для обнаружения, самодельную катушку с ползунком для настройки и пару лишних наушников. В этой общей схеме не использовался настроечный конденсатор, а использовалась емкость антенны для формирования настроенной цепи с катушкой. Для приема требовались хорошая антенна и земля.

---

Это включало намотку катушки медной проволоки на старую картонную трубку и изготовление ползунка для настройки. Самым трудным было достать дорогие телефоны и кристаллы.Кристаллический детектор состоял из небольшого цилиндрического кусочка галенита, помещенного в непосредственной близости от подвижного рычага, который имел пружинный бронзовый провод, называемый кошачьим усом, который использовался для контакта с галенитом.

После того, как я собрал детали и подключил их к проволочной антенне и трубе с холодной водой, я прислушался к звуку. Там ничего не было! Я слышал, что вам нужно повозиться с кошачьим усом на мордочке галенита, чтобы найти «горячее» место.

После некоторых проб и ошибок в наушниках внезапно прорвался звук радиостанции.У меня радио заработало!

Я мало знал, что работаю с одним из первых твердотельных устройств: предшественником точечного транзистора. Это было также мое первое знакомство с полупроводником: галенитом, первым в мире полупроводником. Кристалл галенита был ключевым компонентом моего радио.

Этот крошечный кристалл обладал, казалось бы, волшебной способностью изменять сложные электрические токи, исходящие от моей антенны, и действовать как полупроводник, чтобы изолировать звуковую часть передаваемых радиоволн.

Далее мы подробнее расскажем о кристаллах и точечных устройствах. Это увлекательная история об открытии и понимании полупроводников, а также о людях и компаниях, участвовавших в изобретении транзистора. Для начала давайте рассмотрим некоторые из ранних работ в области полупроводников.

Ранняя история полупроводников

По мнению историков, первым ученым, использовавшим слово «полупроводники», был Алессандро Вольта в своем докладе Лондонскому королевскому обществу в 1782 году.Прикоснув заряженный электрометр (простой детектор заряда) к различным материалам, он обнаружил, что металлов вызывают немедленный разряд электрометра. С другой стороны, диэлектрики вообще не вызывали разряда. Однако некоторые материалы, которые он назвал полупроводниками , вызвали разряд за короткое (но не нулевое) время.

Исследования в области полупроводников сначала продвигались крайне медленно, но в середине 19 века они ускорились. Большая часть ранних работ заключалась просто в регистрации физических свойств этих материалов.Их обычно характеризовали как материалы с удельным сопротивлением где-то между изоляторами и металлами.

Эти первые открытия были сделаны людьми, занимавшимися чистыми исследованиями, которые заявили о своих результатах, написав статьи в научных журналах. На этом этапе не было теоретической основы для наблюдений и не было предпринято никаких усилий для практического применения этих открытий.

В 1833 году Майкл Фарадей первым зарегистрировал эффект, связанный с поведением полупроводников, когда он обнаружил, что сульфид серебра (Ag ₂ S) – в отличие от металлов – имеет отрицательный температурный коэффициент.Вскоре после этого М. А. Розеншольд в 1835 году обнаружил асимметричную проводимость в твердых телах. Его работа была забыта, пока она не была повторно обнаружена немецким физиком Карлом Фердинандом Брауном в 1874 году (как мы обсудим позже).

В 1839 году Эдмон Беккерель открыл фотоэлектрический эффект, который объяснил, как из солнечного света можно производить электричество. В 19 лет, работая в лаборатории своего отца, он создал первый в мире фотоэлектрический элемент , наблюдая за напряжением, генерируемым на стыке между полупроводником и электролитом при освещении.Его основным назначением на протяжении многих лет было измерение света, а затем и солнечных батарей.

Спустя годы, в 1873 году, эффект фотопроводимости был впервые описан Уиллоуби Смитом, который заметил, что сопротивление элемента схемы, сделанного из кристаллического селена, уменьшалось под воздействием света. Когда такой фотопроводящий материал подключен как часть цепи, он действует как резистор, сопротивление которого зависит от интенсивности света. Сегодня такие устройства называют фоторезисторами.Много лет спустя эта работа привела к коммерческому использованию фотопроводящих ячеек в экспонометрах камеры.

Тайна, окружающая полупроводники, начала разгадываться в 1874 году, когда Фердинанд Браун заметил, что электрическое сопротивление в кристаллах сульфидов металлов изменяется в зависимости от направления тока. Сосредоточившись на галените, Браун обнаружил, что влияние тока было наибольшим, когда один из соединяющих электродов был заостренным проводом. Обнаружив так называемый «эффект точечного электрического выпрямителя», Браун также изобрел первое грубое полупроводниковое устройство.

К сожалению, открытие Брауна не имело практического применения до начала 1900-х годов, когда американский ученый Гринлиф Уиттиер Пикард (, рис. 2, ) узнал, что полупроводниковые кристаллы галенита могут обнаруживать радиосигналы. Эти знания привели непосредственно к разработке первых радиоприемников, известных как «наборы кристаллов». Эти простые устройства состояли из проволочной антенны, схемы настройки, состоящей из проволочных катушек, наушника и «детектора».

РИСУНОК 2. Greenleaf Whittier Pickard был пионером и исследователем радио в США на заре развития беспроводной связи. Хотя он и не был одним из первых открывателей выпрямляющих свойств контакта между определенными твердыми материалами, он был в значительной степени ответственным и самым известным за разработку кристаллического детектора: самого раннего типа диодного детектора. Это был ключевой элемент во многих ранних радиоприемниках примерно до 1920 года, когда его заменили лампы.

---

Обнаружение полезной звуковой части воздушного микротока было достигнуто путем прикосновения к тонкой гибкой медной проволоке (называемой кошачьим усом) на поверхности кристалла галенита до тех пор, пока звуковой сигнал не стал самым громким.Этот кристаллический детектор был центральным компонентом ранних радиоприемников с 1906 по 1920 год. Это устройство, известное теперь как точечный диод, не имело никакого теоретического объяснения своей работы до 1930-х годов.

Хотя точечный кристаллический диод действовал как эффективный детектор (при условии, что производилась периодическая регулировка кошачьего уса), он не мог работать как усилительное устройство. В то время существовала вполне реальная потребность в устройстве, которое могло бы не только обнаруживать, но и усиливать слабые радиосигналы и работать без механической регулировки.

Ли де Форест (, рис. 3, ) успешно удовлетворил эту потребность в 1906 году с изобретением термоэмиссионной триодной лампы. Во многом благодаря его последующему успеху в качестве усилителя, работа в области твердотельных устройств не достигла большого прогресса ни теоретически, ни экспериментально в период примерно с 1910 по 1930 год.

РИСУНОК 3. Ли де Форест был изобретателем в Соединенных Штатах – самопровозглашенным «отцом радио» – и пионером в разработке записи звука на пленку, используемой для кинофильмов.У него было более 180 патентов, но он сделал бурную карьеру; хвастаясь, что он заработал (а затем проиграл) четыре состояния. Он также участвовал в нескольких крупных патентных исках и потратил большую часть своего дохода на оплату юридических услуг. Его самым известным изобретением в 1906 году была трехэлементная электронная лампа «аудион» (триод): первое практическое усилительное устройство. Хотя де Форест имел лишь ограниченное представление о том, как это работает, он стал основой электроники, сделав возможным радиовещание, междугородные телефонные линии и говорящие кинофильмы среди множества других приложений.

---

От трубок к твердотельным

До появления транзисторов большинство электронных устройств, таких как компьютеры и радио, основывались на электронных вакуумных лампах. Они состояли из электродов в вакуумированной лампочке, через которую можно было пропускать электрический ток и управлять им. Это позволило лампам работать как усилители и переключатели.

В 1904 году Джон Флеминг изобрел двухэлементную вакуумную лампу или диод . Изобретение Флеминга использовалось в ранних работах на радио в качестве выпрямителя.

В 1906 году де Форест изобрел трехэлементную лампу или триод , поместив металлическую решетку в середину лампы. Изменяя напряжение в сети, он мог управлять сильным током через трубку.

Это устройство стало образцом для более поздних электронных ламп. Это был один из самых важных прорывов в истории электроники, сделавший возможным усиление, модуляцию и переключение, заложивший основу для коммерческого радио, телевидения, высококачественного звука и разработки первых цифровых компьютеров.

Однако вакуумные лампы, также известные как клапаны, были далеки от совершенства. Они были большими, и нагретая металлическая нить накала, излучающая электроны, со временем перегорала. Их хрупкая стеклянная оболочка делала их легко бьющимися. Лампы требовали значительного количества энергии, поэтому они были очень горячими на ощупь. Со временем на их основе были построены компьютеры, но они были огромными и медленными.

На протяжении многих лет исследователи стремились заменить лампы твердотельными устройствами. Какая-то удивительная работа относительно неизвестного исследователя Олега Лосева, кажется, была забыта историей.Его увлекательная история требует пересказа.

Олег Лосев (или Лосев) был российским ученым, сделавшим значительные открытия в области полупроводниковых переходов в 1920-х годах. Он наблюдал световое излучение точечных переходов из карбида кремния, которые, по сути, были первым светоизлучающим диодом (LED). Он опубликовал свои результаты в 1927 году, предложив первую правильную модель светодиодов, основанную на новой теории квантовой механики. Он также разгадал еще одну загадку.

Рисунок 4. Олег Лосев был российским ученым и изобретателем, который сделал значительные открытия в области полупроводниковых переходов. Он опубликовал 43 статьи и получил 16 советских патентов на свои открытия. Он был первым, кто наблюдал световое излучение карбидных точечных переходов (первый светодиод) и предложил первую правильную теорию их работы. Он также исследовал переходы с отрицательным сопротивлением и был первым, кто использовал их для твердотельных усилителей, генераторов и радиоприемников. До недавнего времени его достижения оставались незамеченными.

---

Было замечено, что когда напряжение смещения постоянного тока прикладывалось к усу кошки, чтобы повысить его чувствительность в качестве детектора в кристаллическом радиоприемнике, он иногда переходил в спонтанные колебания, создавая переменный ток радиочастоты. Это был эффект отрицательного сопротивления, который был замечен в 1909 году Уильямом Экклсом и Гринлифом Пикардом, которые не обратили на него внимания.

В 1923 году Лосев начал изучение этих колеблющихся кристаллов. Он обнаружил, что смещенные кристаллы оксида цинка могут усиливать сигнал.Лосев был первым, кто использовал диоды с отрицательным сопротивлением, и понял, что они могут служить более простой альтернативой электронным лампам. Он использовал эти диоды для создания твердотельных версий усилителей, генераторов и регенеративных радиоприемников на частотах до 5 МГц. Это было за 25 лет до транзистора!

Хотя работа Лосева над светодиодами так и не получила коммерческого распространения, он добился большего успеха с диодами с отрицательным сопротивлением и радиоприемниками. Он построил более 50 радиоприемников, включающих свои необычные схемы.Радиоприемники и детекторы Лосева выставлялись в 20-е годы на многих европейских выставках радиотехники.

Хьюго Гернсбек, известный американский издатель и редактор, сенсационно одобрил работу Лосева. Гернсбек придумал слово «кристадин», чтобы описать это, и написал большую статью в Radio News в 1924 году под названием « Сенсационное изобретение ». У него даже был кристадиновый радиоприемник, сконструированный по точным требованиям Лосева.

Несмотря на энтузиазм Гернсбака, диоды с отрицательным сопротивлением никогда не оказывали влияния.Были проблемы с кристаллами кристадина, а лучшие кристаллы оксида цинка поступали из Соединенных Штатов, что было проблемой для сталинской России. Поскольку он не мог конкурировать с характеристиками современных ламп, кристадин в конечном итоге был оставлен без внимания. В 1957 году Лео Эсаки вновь открыл для себя это важное устройство, теперь известное как туннельный диод.

История Лосева – одна из , которые могли быть . Мир никогда не слышал о нем и знает только посторонних ученых как изобретателей твердотельной технологии, которую он когда-то использовал.Он имел несчастье родиться не в то время и в неподходящем месте.

В конце концов, он оказался в ловушке в Ленинграде, осажденном немцами в 1942 году. Сообщалось, что во время своей смерти он работал над трехконтактным полупроводниковым усилителем.

Ранние попытки транзисторов

Еще одна попытка заменить лампы твердотельными устройствами, Юлиус Лилиенфельд в 1926 году подал патент на «Метод и устройство для управления электрическими токами », в котором он предложил трехэлектродную структуру с использованием полупроводникового материала из сульфида меди.Это было устройство, которое полагалось на изменения электрического поля для управления формой и проводимостью канала в полупроводниковом материале.

Это тот же принцип, что и у современных полевых транзисторов – наиболее распространенных типов транзисторов. Однако неясно, производил ли Лилиенфельд когда-либо такой транзистор. Действительно, неизвестно, можно ли построить такой на основе описания его патента.

Позже, в 1935 году, Оскар Хайль из Берлинского университета (во время работы в Кембриджском университете) получил британский патент на предложенный полевой транзистор под названием « Улучшения электрических усилителей и других управляемых устройств и устройств или относящиеся к ним ».Это устройство состояло из тонкого слоя полупроводника, на котором устанавливалась разность потенциалов с помощью двух электродов с разными потенциалами, соединенных с каждой стороны.

Третий управляющий электрод (изолированный от полупроводника) затем будет использоваться для модуляции сопротивления полупроводникового слоя, тем самым управляя потоком тока во внешней цепи, подключенной между двумя электродами. Хотя патент был выдан, нет никаких записей, подтверждающих, что Heil действительно сконструировал работающие устройства.

Рост промышленной науки

Примерно в 1906 году перед американской телефонной и телеграфной компанией (AT&T) нависла большая проблема. До сих пор компания росла и процветала благодаря изобретениям и патентам Александра Грэхема Белла. Однако на рубеже веков эти патенты заканчивались, и бизнес поглощали тысячи местных телефонных компаний. В отчаянии AT&T вывела из отставки своего бывшего президента Теодора Вейла, чтобы помочь ей бороться с конкуренцией.

Вскоре после этого, в 1907 году, новый решительный президент поручил AT&T построить трансконтинентальные телефонные линии в качестве ключевого усилия в достижении его цели по созданию универсального обслуживания. В этом обязательстве он считал, что его выдающиеся люди могут преодолеть любые технические проблемы. Однако было одно серьезное препятствие.

За пределами нескольких сотен миль слабые голосовые сигналы телефона затонули в статике. Чтобы его мечта осуществилась, его компании крайне необходимы усилители (речевые репитеры), чтобы восстановить ослабленный сигнал.

Как мы уже говорили ранее, де Форест изобрел устройство на электронной лампе, которое можно было использовать в качестве усилителя. В 1912 году ученые и инженеры Western Electric Company (производственное подразделение AT&T) попросили де Фореста продемонстрировать свой аудион.

Audion.

---

Гарольд Арнольд, молодой физик, только что пришедший в AT&T из Чикагского университета, стал свидетелем демонстрации. К сожалению, с аудионом возникли проблемы.Он хорошо работал только при низких напряжениях, но не при более высоких напряжениях, необходимых для усиления телефонного тока. При более высоких напряжениях он заполнялся синей дымкой и переставал работать до тех пор, пока не уменьшился ток.

Тем не менее, Арнольд был настроен оптимистично и был убежден, что сможет превратить аудит в речевой репитер. Для понимания и решения проблем была собрана рабочая группа ученых и инженеров. Именно благодаря использованию более высокого вакуума и нити с оксидным покрытием им удалось устранить проблемы и улучшить выход лампы.

Год спустя – с использованием термоэлектронной трубки Арнольда – был сделан успешный звонок из Нью-Йорка в Балтимор. Затем, в 1914 году, был сделан трансконтинентальный звонок на расстояние более 3400 миль от побережья до побережья.

Безоговорочный успех этой группы в разработке повторителей для дальней связи убедил менеджеров AT&T в том, что платить квалифицированным ученым за проведение исследований – это хороший бизнес.

Исследовательский отдел AT&T продолжал расширяться после Первой мировой войны. В 1925 году она была зарегистрирована как отдельное предприятие под названием Bell Telephone Laboratories с более чем 3500 сотрудниками.Первым президентом Bell Labs был Фрэнк Джуитт, физик из Чикагского университета. Он выбрал Арнольда в качестве первого директора по исследованиям Белла.

Рис. 5. Bell Telephone Laboratories в 1925 году. Это здание на Вест-стрит в Манхэттене. Изображение любезно предоставлено AT&T.

---

Bell Labs начинает исследования в области твердого тела

К 1930-м годам физики начали признавать важный класс веществ, называемых полупроводниками. Оксид меди и селен являются примерами.Они не являются электрическими проводниками, как металлы, в которых много свободных электронов для переноса тока. Это также не изоляторы, такие как стекло или керамика, которые имеют очень мало свободных электронов и имеют высокое электрическое сопротивление. Полупроводники находятся между этими двумя группами и обладают некоторыми особыми свойствами (как обсуждалось ранее), такими как отрицательный температурный коэффициент и чувствительность к свету.

Большой прорыв в понимании этих необычных материалов был сделан британским теоретиком Аланом Уилсоном, который опубликовал две статьи по теме Theory of Electronic Semi-Conductors в 1931 году.Основываясь на этой работе, физики получили широкую квантово-механическую основу того, как электроны ведут себя в кристаллах. Теперь акцент сместился на объяснение поведения реальных материалов и возможности создания твердотельного устройства в той или иной форме.

В 1936 году Мервин Келли, ныне директор по исследованиям в Bell Labs, решил создать отдел по изучению физики твердого тела в надежде произвести замену вакуумной лампе из полупроводниковых материалов. Он привлек несколько человек: Уильяма Шокли, Рассела Ола, Джека Скаффа и других, чтобы они начали работать над твердотельными устройствами.

Рис. 6. Мервин Джо Келли был американским физиком и инженером из Bell Labs. Его дипломная работа с Р.А. Милликен из Чикагского университета дал ему неизгладимое впечатление о редкости и важности первоклассных ученых и первоклассных исследований. Он провел раннюю и важную работу по электронным лампам, включая исследования, разработки и производство. Он был директором по исследованиям и, в конечном итоге, президентом Bell Labs в 1951 году. Он сформировал исследовательскую группу, которая разработала транзистор, во главе с Уильямом Шокли.Изображение любезно предоставлено AT&T.

---

Келли была уверена, что вакуумная лампа – не окончательный ответ. Он хотел устройство, которое было бы более надежным, а также меньшего размера и более эффективным. Однако, как только они начали, группа была распущена, когда разразилась Вторая мировая война, что приостановило исследования.

Однако небольшая группа в Bell Labs продолжила исследования твердого тела под руководством Радарной лаборатории Массачусетского технологического института, чтобы очистить полупроводниковый материал для микроволнового детектора, используемого в радарах.Именно здесь Рассел Ол обнаружил первый P-N-переход, когда он случайно разрезал слиток кремния на границе между P- и N-областями.

Из необычного поведения тока, проходящего через образец, он и другие пришли к выводу, что это должно быть связано с «образованием некоторого барьера в кристалле», но в настоящее время они не пошли дальше. Подобные исследования военного времени привели к лучшему пониманию полупроводников, таких как кремний и германий.

Резюме послевоенных исследований в Bell Labs

После войны Келли был назначен вице-президентом по исследованиям.В 1945 году он немедленно организовал исследования, направленные на «разработку совершенно новых и улучшенных компонентов». Послевоенные исследования должны были проводиться в новой лаборатории на Мюррей-Хилл в Нью-Джерси, в которой не было шума и вибраций.

Уильям Шокли и физик-химик Стэнли Морган совместно возглавляли отдел физики твердого тела. Шокли быстро набрал в проект Уолтера Браттейна из Bell Lab, физика-экспериментатора, который мог построить что угодно. Затем он нанял физика-теоретика Джона Бардина из Университета Миннесоты.Затем он пополнил свою команду разнообразными физиками, химиками и инженерами, такими как Джон Пирсон, Берт Мур и Роберт Гибни.

Эта группа с самого начала приняла очень важное решение: простейшие полупроводники – это кремний и германий; и что их усилия будут направлены в первую очередь на их понимание. Они не стали бы тратить силы на более сложные материалы, такие как сульфид свинца и оксид меди.

Однажды Келли, Шокли и другие посетили Ола, чтобы обсудить его исследования кремния.Во-первых, Оль проинформировал их о P-N-переходах, фотоэлектрическом эффекте и методах очистки кремния для кристаллических детекторов. Затем он показал им радиоприемник, который он построил с использованием точечных детекторов, которые он назвал «Desisters».

Постоянный ток от батареи протекал через десистер, заставляя его усиливать сигнал. Как вспоминал Шокли, «Оль продемонстрировал, что усиленные радиопередачи можно слышать через небольшой громкоговоритель». К сожалению, нестабильности сделали усилитель неустойчивым и ненадежным.Шокли 30 лет спустя заметил, что «радиоприемник Оля действительно был захватывающей разработкой на твердотельном носителе».

Надо задаться вопросом, был ли Оль знаком с творчеством Лосева несколькими годами ранее. В самом деле, почему Лосев не упоминался и не упоминался ни в одной из последующих статей Bell Labs? Я оставлю это на усмотрение историков!

Весной 1945 года Шокли сконструировал первый полупроводниковый усилитель, который, как он надеялся, был основан на так называемом «полевом эффекте». Его устройство представляло собой небольшой цилиндр, тонко покрытый кремнием, установленный рядом с небольшой металлической пластиной.Он предсказал – основываясь на современных теориях германия и кремния – что, когда к пластине прикладывается напряжение, это вызывает увеличение или уменьшение количества носителей заряда в пленке, регулируя, таким образом, ток в ней. Однако несколько попыток изготовить это полевое устройство потерпели неудачу.

В октябре 1945 года Шокли попросил Бардина (который только что присоединился к группе) проверить сделанные им расчеты, чтобы объяснить неудачу его идеи о полевом эффекте. Две недели спустя Бардин, избрав другой теоретический путь, пришел к тому же выводу, что и Шокли.То, что никакого эффекта не наблюдалось, действительно было загадкой!

Бардин теперь подумал, что что-то мешает электрическому полю проникнуть внутрь поверхности полупроводника. Он обсудил это с Шокли, который призвал его продолжить исследования.

Несколько месяцев спустя, в 1946 году, Бардин получил ответ, основанный на творческой модели «поверхностных состояний». В этой модели электроны, притянутые к поверхности полупроводника, оказываются захваченными в локализованных состояниях и не могут действовать как носители заряда. Эти состояния эффективно защищают полупроводник от напряжения управляющей пластины.Была ли эта теория реальной? Этот вопрос очень заинтересовал группу.

Изобретение точечного транзистора

В последующие месяцы группа Bell Labs отреагировала на идею Бардина о состоянии поверхности интенсивной исследовательской программой. Обладая широким спектром талантов, группа очень хорошо работала вместе. Браттейн ярко описывает этот период, говоря, что в группе было много взаимопонимания.

Бардин тесно сотрудничал с Браттейном и Пирсоном. В ноябре 1947 года Браттейн сделал важное открытие, основанное на предположении Гибни.Он обнаружил, что может нейтрализовать влияние поверхностных состояний, погрузив кремний в электролит. «Это новое открытие было потрясающим», – заметил Шокли, добавив, что «наконец-то Браттейн и Гибни преодолели блокирующий эффект».

Это открытие положило начало работе, кульминацией которой месяц спустя стал первый транзистор.

Бардин и Браттейн провели серию экспериментов и попытались использовать это открытие для создания полевого усилителя. Одно странное предложение Бардина заключалось в замораживании тонкой пленки германия жидким азотом, чтобы «заморозить» поверхностные электроны на месте.Подав 500 вольт, они обнаружили изменение его проводимости только на одну десятую процента. Однако Бардин был убежден, что они видели эффект поля, предсказанный Шокли.

Они начали использовать точечный контакт, прижимаемый к специально подготовленной поверхности кремния с «инверсионным слоем» N-типа. Они использовали каплю электролита на поверхности в качестве одного контакта и металлическую точку в качестве другого. Они получили небольшое, но значительное усиление мощности, но очень плохую частотную характеристику.На встрече за обедом Бардин, Браттейн и Шокли обсудили, как решить эту проблему.

Пытаясь улучшить частотную характеристику, Браттейн напыил золотую пластину на тонкий слой оксида на пластине германия с инверсионным слоем. Он думал, что оксид изолирует золото от германия, но, неизвестно ему, он каким-то образом был смыт, оставив золото в прямом контакте. Они были удивлены, обнаружив, что все еще могут регулировать напряжение и ток.

Это счастливое событие указывало им на другое направление.Бардин понял, что на границе между золотом и германием происходит новое и отличное от других явление.

Обсудив проблему, они решили, что нужно поставить два точечных контакта на поверхность вплотную друг к другу. Браттейн нашел способ сформировать узкий зазор без проводов, как показано на рис. 7 . Он использовал пластиковый клин с полоской золотой фольги, приклеенной по краю. Он разрезал фольгу бритвой, образуя очень тонкий зазор.

РИСУНОК 7. Первый контактный транзистор слева. Справа схематическое изображение. Изображение любезно предоставлено AT&T.

---

16 декабря 1947 года они протестировали новое устройство и получили 30-процентное усиление мощности и 15-процентное усиление напряжения при входном сигнале с частотой 1000 Гц. Так родился транзисторный усилитель! Неделю спустя, 23 декабря 1947 года, руководству Bell Labs продемонстрировали схему, воспроизводящую усиленную речь в наушниках.

От точечных контактов к переходному транзистору

В течение большей части этой работы Шокли был в коротком отпуске в Европе, но вернулся около Рождества и был огорчен, обнаружив, что он не был частью изобретения.В течение нескольких недель после этого Шокли испытывал смешанные эмоции.

Он был в восторге от результатов группы, но беспокоился о том, что не имел прямого отношения к прорыву. Он также был расстроен тем, что его собственная идея полевого эффекта была упущена из виду, что, по его мнению, было решающей искрой, которая привела к изобретению.

Его озадачил тот факт, что «принцип транзистора» тоже не был ясен. Например, невозможно объяснить усиление тока, немного превышающее единицу, и случайное поведение отрицательного сопротивления.Он был глубоко скептичен к объяснению Бардина того, как электроны и дырки текут в их полупроводнике. В любом случае изобретение подтолкнуло его к действию.

Вскоре после этого, во время встречи Физического общества в Чикаго в канун Нового года в 1947 году, он начал формулировать свой собственный уникальный подход к полупроводниковому усилителю. Три недели спустя, 23 января 1948 года, он задумал конструкцию с трехслойной полупроводниковой структурой. Не было громоздких точечных контактов. Вместо них служили два P-N перехода на интерфейсах.Он разработал процесс инжекции носителей в германии!

Его устройство было более прочным и практичным, чем точечный транзистор, и намного проще в изготовлении. Достижения Шокли поистине удивительны, поскольку теория переходного транзистора была разработана еще до ее создания.

Прошел еще месяц, прежде чем Шокли поделился с группой своей революционной идеей. Почему он держал информацию при себе? Нужно ли ему молчать, чтобы разобраться в теоретических и практических последствиях этого? Или была какая-то другая причина? Мы не знаем.

26 февраля 1948 года компания подала заявку на получение четырех патентов на полупроводниковые усилители, включая оригинальную заявку Бардина и Браттейна на точечный транзистор. Через день Белл подал заявку на патент Шокли на переходный транзистор. Именно Джон Пирс, объединив слова «транс-сопротивление», придумал название «транзистор».

30 июня 1948 года Белл объявил об изобретении точечного транзистора на пресс-конференции. В то время изобретение не получило особого внимания ни в популярной прессе, ни в промышленности.

Рисунок 8. Первый переходной транзистор сверху. Ниже показано расположение стыков в германиевом стержне. Базовый слой имеет толщину от одного до двух милов. Изображение любезно предоставлено AT&T.

---

Компания Western Electric начала производство точечных транзисторов в 1951 году. Она использовала коммутационные аппараты, используемые для набора номера на большие расстояния. Однако на коммерческом рынке он не имел успеха, за исключением использования ниши в слуховых аппаратах и ​​военном оборудовании.

Со временем стало ясно, что теория точечного контакта, описанная в патентах Bell, была неполной. Именно Шокли с его работами по P-N-переходам и теории транзисторов положил физику твердого тела на прочный фундамент. Большая часть этих исследований обсуждается в его книге « Электроны и дыры в полупроводниках », опубликованной в 1950 году и ставшей библией твердого тела.

В конце 1949 года Тил в сотрудничестве со Спарксом и Морганом разработал метод извлечения монокристаллов из расплавленного германия.Это позволило им контролируемым образом легировать германий для изготовления первого практичного транзистора N-P-N. В день его демонстрации – 20 апреля 1950 года – Шокли написал в своем блокноте: «Сегодня был продемонстрирован блок N-P-N». Будущее теперь принадлежало переходному транзистору.

Эпилог

События 1948 года вызвали раскол в группе полупроводников Белла. Бардин и Браттейн со своим контактным устройством были с одной стороны, а Шокли и его помощники, работавшие над соединительным устройством, – с другой.Некогда кооперативная среда превратилась в очень конкурентную. Вопросы о том, чьи имена должны фигурировать в патенте на устройство и кого следует изображать на рекламных фотографиях, вызывают еще большее напряжение.

Бардин был недоволен ситуацией с Беллом и начал работать над другой загадкой: сверхпроводимостью. К сожалению, его исследования не увенчались успехом. В лаборатории было мало других, кто интересовался этой проблемой, и никаких экспериментальных работ не проводилось.

Бардин в конце концов покинул Белл в 1951 году и поступил в Иллинойский университет, где продолжил работу над сверхпроводимостью.В 1957 году он написал основополагающую статью Теория сверхпроводимости , которая считается одним из важнейших достижений физики. Признавая его большое значение, Шведская академия присудила ему вторую Нобелевскую премию в 1972 году.

Браттейн остался в Bell Labs на несколько лет, занимаясь исследованиями и став послом доброй воли. После выхода на пенсию в 1967 году он перешел в Уитмен-колледж в Уолла-Уолла, штат Вашингтон. Там он провел остаток своей жизни в колледже, работая над биофизикой и преподавая курсы физики для студентов.

Шокли увидел потенциал в транзисторе. Он покинул Bell Labs в 1955 году и основал Shockley Semiconductor в Пало-Альто, Калифорния, наняв лучших инженеров и физиков. В конце концов, его сняли с должности директора другие менеджеры, которым надоело владеть компанией, возглавляемой упорным физиком.

Рис. 9. Здесь слева показаны Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Браттейн из Bell Labs в 1948 году с устройством, которое привело к изобретению транзистора.Изображение любезно предоставлено AT&T.

---

Интересно отметить, что компания Шокли, а также инженеры и физики, которых он привез в Калифорнию, положили начало Кремниевой долине. После того, как Шокли покинул пост директора, он был схвачен Фредериком Терманом из Стэнфорда в качестве профессора инженерных и прикладных наук. Он также вернулся в Bell labs в качестве исполнительного консультанта.

10 декабря 1956 г. Шокли, Бардин и Браттейн (в указанном порядке) были удостоены Нобелевской премии по физике за свои «» исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта.” После того, как они получили свои награды, той ночью в Гранд Отеле устроили празднование. За столом в столовой трое мужчин и их супруги, казалось, забыли о синяках и ранах прошлого среди теплого сияния шампанского и славы момента.

Физические способности этих трех очень разных людей сделали возможным изобретение транзистора. Три изобретателя вряд ли могли знать результат, когда они сделали свое открытие в 1947 году: что они собираются изменить мир. NV

---

ССЫЛКИ

[1] Бо Лойек, «История полупроводниковой техники», Springer, 2007.

[2] П. Р. Моррис, «История мировой полупроводниковой промышленности», Институт инженерии и технологий, 2008 г.

[3] Майкл Риордан, Лилиан Ходдесон, «Кристальный огонь», W. W. Norton & Company, 1997.

---

.