Когда и кем был создан первый транзистор. Транзистор (история изобретения)

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».

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 – очем 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.

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 укремния, 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 обинжекции (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.

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 ипрочие «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 заанализом 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 впоследний 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 иперешел 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.

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, вкотором 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 иболее 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.

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 водной 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, иамериканскому 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 ккуску полупроводника величиной с булавочную головку, припаянному к металлическому основанию. Полупроводник усиливает ток, подводимый к нему по одной проволочке, а другая отводит усиленный ток».

Вконтакте

Транзистор изготавливается на основе полупроводников. Долгое время их не признавали, используя для создания различных устройств только проводники и диэлектрики. Подобные устройства имели множество недостатков: низкий КПД, высокое энергопотребление и недолговечность. Изучение свойств полупроводников стало переломным моментом в истории электроники.

Электронная проводимость различных веществ

Все вещества по своей способности проводить электрический ток делятся на три большие группы: металлы, диэлектрики и полупроводники. Диэлектрики названы так потому, что практически не способны проводить ток. Металлы обладают лучшей проводимостью благодаря наличию в них свободных электронов, которые хаотически движутся среди атомов. При приложении внешнего электрического поля эти электроны начнут двигаться в сторону положительного потенциала. По металлу пройдет ток.

Полупроводники способны проводить ток хуже металлов, но лучше диэлектриков. В таких веществах существуют основные (электроны) и неосновные (дырки) носители электрического заряда. Что ? Это отсутствие одного электрона на внешней атомной орбитали. Дырка способна перемещаться по материалу. С помощью специальных примесей, донорных или акцепторных, можно существенно увеличивать количество электронов и дырок в исходном веществе. N-полупроводник можно получить, создав избыток электронов, а p-проводник - с помощью избытка дырок.

Диод и транзистор

Диод - это прибор, полученный соединением n- и p-полупроводников. Он сыграл огромную роль в развитии радиолокации в 40 годах прошлого века. Изучением его возможностей активно занималась команда сотрудников американской фирмы Bell во главе с У.Б. Шоккли. Эти люди в 1948 году, присоединив к кристаллу два контакта. На концах кристалла находились крошечные медные острия. Возможности такого прибора совершили настоящую революцию в электронике. Было выяснено, что током, проходящим через второй контакт можно управлять (усиливать или ослаблять его) при помощи входного тока первого контакта. Это было возможно при условии, что кристалл германия намного тоньше, чем медные острия.

Первые транзисторы имели несовершенную конструкцию и довольно слабые характеристики. Несмотря на это, они были гораздо лучше электронных ламп. За это изобретение Шоккли и его команда удостоились Нобелевской премии. Уже в 1955 году появились диффузионные транзисторы, которые по своим характеристикам превосходили германиевые в несколько раз.

Первой известной попыткой создания кристаллического усилителя в США предпринял немецкий физик Юлиус Лилиенфельд, запатентовавший в 1930, 1932 и 1933 гг. три варианта усилителя на основе сульфида меди. В 1935 г. немецкий у ченый Оскар Хейл получил британский патент на усилитель на основе пятиокиси ванадия. В 1938 г. немецкий физик Поль создал действующий образец кристаллического усилителя на нагретом кристалле бромида калия. В довоенные годы в Германии и Англии было выдано еще несколько аналогичных патентов. Эти усилители можно считать прообразом современных полевых транзисторов. Однако построить устойчиво работающие приборы не удавалось, т.к. в то время еще не было достаточно чистых материалов и технологий их обработки. В первой половине тридцатых годов точечные триоды изготовили двое радиолюбителей - канадец Ларри Кайзер и тринадцатилетний новозеландский школьник Роберт Адамс. В июне 1948 г. (до обнародования транзистора) изготовили свой вариант точечного германиевого триода, названный ими транзитроном, жившие тогда во Франции немецкие физики Роберт Поль и Рудольф Хилш. В начале 1949 г. было организовано производство транзитронов, применялись они в телефонном оборудовании, причем работали лучше и дольше американских транзисторов. В России в 20-х годах в Нижнем Новгороде О.В.Лосев наблюдал транзисторный эффект в системе из трех - четырех контактов на поверхности кремния и корборунда. В середине 1939 г. он писал: «…с полупроводниками может быть построена трехэлектродная система, аналогичная триоду», но увлекся открытым им светодиодным эффектом и не реализовал эту идею. К транзистору вело множество дорог.

ПЕРВЫЙ ТРАНЗИСТОР

Выше описанные примеры проектов и образцов транзисторов были результатами локальных всплесков мысли талантливых или удачливых людей, не подкрепленные достаточной экономической и организационной поддержкой и не сыгравшие серьезной роли в развитии электроники. Дж. Бардин, У. Браттейн и У. Шокли оказались в лучших условиях. Они работали по единственной в мире целенаправленной долговременной (более 5 лет) программе с достаточным финансовым и материальным обеспечением в фирме Bell Telephone Laboratories, тогда одной из самых мощных и наукоемких в США. Их работы были начаты еще во второй половине тридцатых годов, работу возглавил Джозеф Бекер, который привлек к ней высококлассного теоретика У. Шокли и блестящего экспериментатора У. Браттейна. В 1939 г. Шокли выдвинул идею изменять проводимость тонкой пластины полупроводника (оксида меди), воздействуя на нее внешним электрическим полем. Это было нечто, напоминающее и патент Ю. Лилиенфельда, и позже сделанный и ставший массовым полевой транзистор. В 1940 г. Шокли и Браттейн приняли удачное решение ограничить исследования только простыми элементами - германием и кремнием. Однако все попытки построить твердотельный усилитель ни к чему не привели, и после Пирл-Харбора (практическое начало Второй мировой войны для США) были положены в долгий ящик. Шоккли и Браттейн были направлены в исследовательский центр, работавший над созданием радаров. В 1945 г. оба возвратились в Bell Labs. Там под руководством Шокли была создана сильная команда из физиков, химиков и инженеров для работы над твердотельными приборами. В нее вошли У. Браттейн и физик-теоретик Дж. Бардин. Шокли сориентировал группу на реализацию своей довоенной идеи. Но устройство упорно отказывалось работать, и Шокли, поручив Бардину и Браттейну довести его до ума, сам практически устранился от этой темы. Два года упорного труда принесли лишь отрицательные результаты. Бардин предположил, что избыточные электроны прочно оседали в приповерхностных областях и экранировали внешнее поле. Эта гипотеза подсказала дальнейшие действия. Плоский управляющий электрод заменили острием, пытаясь локально воздействовать на тонкий приповерхностный слой полупроводника.

Однажды Браттейн нечаянно почти вплотную сблизил два игольчатых электрода на поверхности германия, да еще перепутал полярность напряжений питания, и вдруг заметил влияние тока одного электрода на ток другого. Бардин мгновенно оценил ошибку. А 16 декабря 1947 г. у них заработал твердотельный усилитель, который и считают первым в мире транзистором. Устроен онбыл очень просто - на металлической подложке-электроде лежала пластинка германия, в которую упирались два близко расположенных (10-15 мкм) контакта. Оригинально были сделаны эти контакты. Треугольный пластмассовый нож, обернутый золотой фольгой, разрезанной надвое бритвой по вершине треугольника. Треугольник прижимался к германиевой пластинке специальной пружиной, изготовленной из изогнутой канцелярской скрепки. Через неделю, 23 декабря 1947 г. прибор был продемонстрирован руководству фирмы, этот день и считается датой рождения транзистора. Все были рады результатом, кроме Шокли: получилось, что он, раньше всех задумавший полупроводниковый усилитель, руководивший группой специалистов, читавший им лекции по квантовой теории полупроводников - не участвовал в его создании. Да и транзистор получился не такой, как Шокли задумывал: биполярный, а не полевой. Следовательно на соавторство в «звездном» патенте он претендовать не мог. Прибор работал, но широкой публике эту внешне несуразную конструкцию показывать было нельзя. Изготовили несколько транзисторов в виде металлических цилиндриков диаметром около 13 мм. и собрали на них «безламповый» радиоприемник. 30 июня 1948 г. в Нью-Йорке состоялась официальная презентация нового прибора - транзистора (от англ. Transver Resistor - трансформатор сопротивлений). Но специалисты не сразу оценили его возможности. Эксперты из Пентагона «приговорили» транзистор к использованию лишь в слуховых аппаратах для старичков. Так близорукость военных спасла транзистор от засекречивания. Презентация осталась почти незамеченной, лишь пара абзацев о транзисторе появилась в «Нью-Йорк Тайме» на 46 странице в разделе «Новости радио». Таким было явление миру одного из величайших открытий XX века. Даже изготовители электронных ламп, вложившие многие миллионы в свои заводы, в появлении транзистора угрозы не увидели. Позже, в июле 1948 года, информация об этом изобретении появилась в журнале «The Physical Review». Но т олько через некоторое в время специалисты поняли, что произошло грандиозное событие, определившее дальнейшее развитие прогресса в мире. Bell Labs сразу оформила патент на это революционное изобретение, но с технологией было масса проблем. Первые транзисторы, поступившие в продажу в 1948 году, не внушали оптимизма - стоило их потрясти, и коэффициент усиления менялся в несколько раз, а при нагревании они и вовсе переставали работать. Но зато им не было равных в миниатюрности. Аппараты для людей с пониженным слухом можно было поместить в оправе очков! Поняв, что вряд ли она сама сможет справиться со всеми технологическими проблемами, Bell Labs решилась на необычный шаг. В начале 1952 года она объявила, что полностью передаст права на изготовление транзистора всем компаниям, готовым выложить довольно скромную сумму в 25 000 долларов вместо регулярных выплат за пользование патентом, и предложила обучающие курсы по транзисторной технологии, помогая распространению технологии по всему миру. Постепенно росла очевидность важности этого миниатюрного устройства. Транзистор оказался привлекательным по следующим причинам: был дешев, миниатюрен, прочен, потреблял мало мощности и мгновенно включался (лампы долго нагревались). В 1953 г. на рынке появилось первое коммерческое транзисторное изделие - слуховой аппарат (пионером в этом деле выступил Джон Килби из ф. Centralab , который через несколько лет сделает первую в мире полупроводниковую микросхему), а в октябре 1954 г. - первый транзисторный радиоприемник Regency TR1, в нем использовалось всего четыре германиевых транзистора. Немедленно принялась осваивать новые приборы и индустрия вычислительной техники, первой была фирма IBM . Доступность технологии дала свои плоды - мир начал стремительно меняться.

Изобретатели : Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн
Страна : США
Время изобретения : 1948 г.

Изобретение в конце 40-х годов XX века транзистора стало одной из крупнейших вех в истории электроники. , которые до этого в течение долгого времени были непременным и главнейшим элементом всех радио - и электронных устройств, имели много недостатков.

По мере усложнения радиоаппаратуры и повышения общих требований к ней, эти недостатки ощущались все острее. К ним нужно отнести, прежде всего, механическую непрочность ламп, малый срок их службы, большие габариты, невысокий КПД из-за больших тепловых потерь на аноде.

Поэтому, когда на смену вакуумным лампам во второй половине XX века пришли полупроводниковые элементы, не обладавшие ни одним из перечисленных изъянов, в радиотехнике и электронике произошел настоящий переворот.

Надо сказать, что полупроводники далеко не сразу открыли перед человеком свои замечательные свойства. Долгое время в электротехнике использовались исключительно проводники и диэлектрики. Большая группа материалов, занимавших промежуточное положение между ними, не находила никакого применения, и лишь отдельные исследователи, изучая природу электричества, время от времени проявляли интерес к их электрическим свойствам.

Так, в 1874 году Карл Фердинанд Браун обнаружил явление выпрямления тока в месте контакта свинца и пирита и создал первый кристаллический детектор. Другими исследователями было установлено, что существенное влияние на проводимость полупроводников оказывают содержащиеся в них примеси. Например, Беддекер в 1907 году обнаружил, что проводимость йодистой меди возрастает в 24 раза при наличии примеси йода, который сам по себе не является проводником.

Чем же объясняются свойства полупроводников и почему они приобрели столь большое значение в электронике? Возьмем такой типичный полупроводник, как германий. В обычных условиях он имеет удельное сопротивление в 30 миллионов раз больше, чем у меди, и в 1000000 миллионов раз меньше, чем у . Следовательно, по своим свойствам он все же несколько ближе к проводникам, чем к диэлектрикам. Как известно, способность того или иного вещества проводить или не проводить электрический ток зависит от наличия или отсутствия в нем свободных заряженных частиц.

Германий в этом смысле не является исключением. Каждый его атом четырехвалентен и должен образовывать с соседними атомами четыре электронных связи. Но благодаря тепловому воздействию некоторая часть электронов покидает свои атомы и начинает свободно перемещаться между узлами кристаллической решетки. Это примерно 2 электрона на каждые 10 миллиардов атомов.

В одном грамме германия содержится около 10 тысяч миллиардов атомов, то есть в нем имеется около 2 тысяч миллиардов свободных электронов. Это в миллионы раз меньше, чем, например, в меди или серебре, но все же, достаточно для того, чтобы германий мог пропускать через себя небольшой ток. Однако, как уже говорилось, проводимость германия можно значительно повысить, если ввести в состав его решетки примеси, например, пятивалентный атом мышьяка или сурьмы.

Тогда четыре электрона мышьяка образуют валентные связи с атомами германия, но пятый останется свободен. Он будет слабо связан с атомом, так что небольшого напряжения, приложенного к кристаллу, будет достаточно для того, чтобы он оторвался и превратился в свободный электрон (понятно, что атомы мышьяка при этом становятся положительно заряженными ионами). Все это заметно меняет электрические свойства германия.

Другая картина будет в том случае, когда в кристалл германия вводится трехвалентная примесь (например, алюминий, галлий или индий). Каждый атом примеси образует связи только с тремя атомами германия, а на месте четвертой связи останется свободное место - дырка, которую легко может заполнить любой электрон (при этом атом примеси ионизируется отрицательно).

Если этот электрон перейдет к примеси от соседнего атома германия, то дырка будет в свою очередь у последнего. Приложив к такому кристаллу напряжение, получим эффект, который можно назвать «перемещением дырок». Действительно, пусть с той стороны, где находится отрицательный полюс внешнего источника, электрон заполнит дырку трехвалентного атома. Следовательно, электрон приблизится к положительному полюсу, тогда как новая дырка образуется в соседнем атоме, расположенном ближе к отрицательному полюсу.

Затем происходит это же явление с другим атомом. Новая дырка в свою очередь заполнится электроном, приближающимся таким образом к положительному полюсу, а образовавшаяся за этот счет дырка приблизится к отрицательному полюсу. И когда в итоге такого движения электрон достигнет положительного полюса, откуда он направится в источник тока, дырка достигнет отрицательного полюса, где она заполнится электроном, поступающим из источника тока. Дырка перемещается так, словно это частица с положительным зарядом, и можно говорить, что здесь электрический ток создается положительными зарядами. Такой полупроводник называют полупроводником p-типа (от positiv - положительный).

Само по себе явление примесной проводимости еще не имеет большого значения, но при соединении двух полупроводников - одного с n-проводимостью, а другого с p-проводимостью (например, когда в кристалле германия с одной стороны создана n-проводимость, а с другой - p-проводимость) - происходят очень любопытные явления.

Отрицательно ионизированные атомы области p оттолкнут от перехода свободные электроны области n, а положительно ионизированные атомы области n оттолкнут от перехода дырки области p. То есть p-n переход превратится в своего рода барьер между двумя областями. Благодаря этому кристалл приобретет ярко выраженную одностороннюю проводимость: для одних токов он будет вести себя как проводник, а для других - как изолятор.

В самом деле, если приложить к кристаллу напряжение большее по величине, чем «запорное» напряжение p-n перехода, причем таким образом, что положительный электрод будет соединен с p-областью, а отрицательный - с n-областью, то в кристалле будет протекать электрический ток, образованный электронами и дырками, перемещающимися навстречу друг другу.

Если же потенциалы внешнего источника поменять противоположным образом, ток прекратится (вернее, он будет очень незначительным) - произойдет только отток электронов и дырок от границы разделения двух областей, вследствие чего потенциальный барьер между ними увеличится.

В данном случае полупроводниковый кристалл будет вести себя точно так же, как вакуумная лампа-диод, поэтому приборы, основанные на этом принципе, назвали полупроводниковыми диодами. Как и ламповые диоды, они могут служить детекторами, то есть выпрямителями тока.

Еще более интересное явление можно наблюдать в том случае, когда в полупроводниковом кристалле образован не один, а два p-n перехода. Такой полупроводниковый элемент получил название транзистора. Одну из его внешних областей именуют эмиттером, другую - коллектором, а среднюю область (которую обычно делают очень тонкой) - базой.

Если приложить напряжение к эмиттеру и коллектору транзистора, ток не будет проходить, как бы мы не меняли полярность. Но если создать небольшую разность потенциалов между эмиттером и базой, то свободные электроны из эмиттера, преодолев p-n переход, попадут в базу. А так как база очень тонкая, то лишь небольшого количества этих электронов хватит для заполнения дырок, находящихся в области p. Поэтому большая часть их пройдет в коллектор, преодолев запирающий барьер второго перехода - в транзисторе возникнет электрический ток.

Это явление тем более замечательно, что ток в цепи эмиттер-база обычно в десятки раз меньше того, который протекает в цепи эмиттер-коллектор Из этого видно, что по своему действию транзистор можно в известном смысле считать аналогом трехэлектродной лампы (хотя физические процессы в них совершенно различны), причем база играет здесь роль сетки, помещающейся между анодом и катодом.

Точно так же, как в лампе, небольшое изменение потенциала сетки вызывает значительное изменение анодного тока, в транзисторе слабые изменения в цепи базы вызывают значительные изменения тока коллектора. Следовательно, транзистор может использоваться в качестве усилителя и генератора электрических сигналов.

Полупроводниковые элементы начали постепенно вытеснять электронные лампы с начала 40-х годов. С 1940 года широкое применение в радиолокационных устройствах получил точечный германиевый диод. Радиолокация вообще послужила стимулом для быстрого развития электроники мощных источников высокочастотной энергии. Все больший интерес проявлялся к дециметровым и сантиметровым волнам, к созданию электронных приборов, способных работать в этих диапазонах.

Между тем электронные лампы при использовании их в области высоких и сверхвысоких частот вели себя неудовлетворительно, так как собственные шумы существенно ограничивали их чувствительность. Применение на входах радиоприемников точечных германиевых диодов позволило резко снизить собственные шумы, повысить чувствительность и дальность обнаружения объектов.

Однако подлинная эра полупроводников началась уже после Второй мировой войны, когда был изобретен точечный транзистор.

Его создали после многих опытов в 1948 году сотрудники американской фирмы «Белл» Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн. Расположив на германиевом кристалле, на небольшом расстоянии друг от друга, два точечных контакта и подав на один из них прямое смещение, а на другой - обратное, они получили возможность с помощью тока, проходившего через первый контакт, управлять током через второй. Этот первый транзистор имел коэффициент усиления порядка 100.

Новое изобретение быстро получило широкое распространение. Первые точечные транзисторы состояли из германиевого кристалла с n-проводимостью, служившего базой, на которую опирались два тонких бронзовых острия, расположенные очень близко друг к другу - на расстоянии нескольких микрон.

Одно из них (обычно бериллиевая ) служило эмиттером, а другое (из фосфорной бронзы) - коллектором. При изготовлении транзистора через острия пропускался ток силой примерно в один ампер. Германий при этом расплавлялся, так же как кончики остриев. Медь и имеющиеся в ней примеси переходили в германий и образовывали в непосредственной близости от точечных контактов слои с дырочной проводимостью.

Эти транзисторы не отличались надежностью из-за несовершенства своей конструкции. Они были нестабильны и не могли работать при больших мощностях. Стоимость их была велика. Однако они были намного надежнее вакуумных ламп, не боялись сырости и потребляли мощности в сотни раз меньшие, чем аналогичные им электронные лампы.

Вместе с тем они были чрезвычайно экономичны, так как требовали для своего питания очень маленького тока порядка 0, 5-1 В и не нуждались в отдельной батарее. Их КПД достигал 70%, в то время как у лампы он редко превышал 10%. Поскольку транзисторы не требовали накала, они начинали работать немедленно после подачи на них напряжения. К тому же они имели очень низкий уровень собственных шумов, и поэтому аппаратура, собранная на транзисторах, оказывалась более чувствительной.

Постепенно новый прибор совершенствовался. В 1952 году появились первые плоские примесные германиевые транзисторы. Их изготовление было сложным технологическим процессом. Сначала германий очищали от примесей, а затем образовывали монокристалл. Обычный кусок германия состоит из большого числа сращенных в беспорядке кристаллов. Для полупроводниковых приборов такая структура материала не годится - здесь нужна исключительно правильная, единая для всего куска кристаллическая решетка. Для этого германий расплавляли и опускали в него затравку - маленький кристалл, с правильно ориентированной решеткой.

Вращая затравку вокруг оси, ее медленно приподнимали. Вследствие этого атомы вокруг затравки выстраивались в правильную кристаллическую решетку. Полупроводниковый материал затвердевал и обволакивал затравку. В результате получался монокристаллический стержень. Одновременно в расплав добавляли примесь p или n типа. Затем монокристалл резали на маленькие пластинки, которые служили базой.

Эмиттер и коллектор создавали различными способами. Наиболее простой метод состоял в том, что на обе стороны пластинки германия накладывали маленькие кусочки индия и быстро нагревали их до 600 градусов. При этой индий сплавлялся с находящимся под ним германием. При остывании насыщенные индием области приобретали проводимость p-типа. Затем кристалл помещали в корпус и присоединяли выводы.

В 1955 году фирмой «Белл систем» был создан диффузионный германиевый транзистор. Метод диффузии состоял в том, что пластинки полупроводника помещали в атмосферу газа, содержащего пары примеси, которая должна была образовать эмиттер и коллектор, и нагревали пластинки до температуры, близкой к точке плавления. Атомы примесей при этом постепенно проникали в полупроводник.

1956 год. В Стокгольмском концертом зале три американских ученых Джон Бардин, Вильям Шокли и Уолтер Браттейн получают Нобелевскую премию «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта» - настоящий прорыв в области физики. Отныне их имена навсегда вписаны в мировую науку. Но более чем за 15 лет до этого, в начале 1941 года молодой украинский ученый Вадим Лашкарев экспериментально обнаружил и описал в своей статье физическое явление, которое, как оказалось, впоследствии получило название p-n переход (p-positive, n-negative). Он же в своей статье раскрыл и механизм инжекции - важнейшего явления, на основе которого действуют полупроводниковые диоды и транзисторы.

Официально история транзистора звучит так: первое сообщение в печати о появлении полупроводникового усилителя-транзистора появилось в американской прессе в июле 1948 года. Его изобретатели – американские ученые Бардин и Браттейн. Они пошли по пути создания так называемого точечного транзистора на базе кристалла германия n-типа. Первый обнадеживающий результат они получили в конце 1947 г. Однако прибор вел себя неустойчиво, его характеристики отличались непредсказуемостью, и поэтому практического применения точечный транзистор не получил.

Прорыв произошел в 1951 году, когда Вильям Шокли создал свой более надежный плоскостной транзистор n-p-n типа, который состоял из трех слоев германия n, p и n типа, общей толщиной 1 см. Уже через несколько лет значимость изобретения американских ученых стала очевидной, и они были отмечены Нобелевской премией.

Задолго до этого, еще перед началом Великой Отечественной войны в 1941 году Лашкарев проводит серию успешных экспериментов и открывает р-n переход и раскрывает механизм электронно-дырочной диффузии, на основе которых под его руководством в начале 50-х годов, были созданы первые в Украине (тогда часть СССР) полупроводниковые триоды - транзисторы.

Говоря научным языком, p-n переход – это область пространства на стыке двух полупроводников p- и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому. Электрическая проводимость материала зависит от того, насколько прочно ядра его атомов удерживают электроны. Так, большинство металлов являются хорошими проводниками, поскольку имеют огромное количество слабосвязанных с атомным ядром электронов, которые легко притягиваются положительными зарядами и отталкиваются отрицательными. Движущиеся электроны и есть носители электрического тока. С другой стороны, изоляторы, не пропускают ток, так как электроны в них прочно связаны с атомами и не реагируют на воздействие внешнего электрического поля.

Полупроводники ведут себя иначе. Атомы в кристаллах полупроводников образуют решетку, внешние электроны которой связаны силами химической природы. В чистом виде полупроводники подобны изоляторам: они или плохо проводят ток, или не проводят вообще. Но стоит добавить в кристаллическую решетку небольшое количество атомов определенных элементов (примесей), как их поведение кардинально меняется.

В некоторых случаях атомы примеси связываются с атомами полупроводника, образуя лишние электроны, избыток свободных электронов придает полупроводнику отрицательный заряд. В других случаях атомы примеси создают так называемые "дырки", способные "поглощать" электроны. Таким образом возникает недостаток электронов и полупроводник становится положительно заряженным. При соответствующих условиях полупроводники могут проводить электрический ток. Но в отличие от металлов они проводят его двояким образом. Отрицательно заряженный полупроводник стремится избавиться от лишних электронов, это проводимость n-типа (от negative - отрицательный). Носителями заряда в полупроводниках такого типа являются электроны. С другой стороны, положительно заряженные полупроводники притягивают электроны, заполняя "дырки". Но, когда заполняется одна "дырка" рядом возникает другая - покинутая электроном. Таким образом, "дырки" создают поток положительного заряда, который направлен в сторону, противоположную движению электронов. Это проводимость р-типа (от positive - положительный). В полупроводниках обоих типов так называемые не основные носители заряда (электроны в полупроводниках р-типа и "дырки" в полупроводниках п-типа) поддерживают ток в направлении, обратном движению основных носителей заряда.

Внесение примесей в кристаллы германия или кремния позволяет создать полупроводниковые материалы с желаемыми электрическими свойствами. Например, введение незначительного количества фосфора порождает свободные электроны, и полупроводник приобретает проводимость n-типа. Добавление атомов бора, наоборот, создает дырки, и материал становится полупроводником р-типа.

В дальнейшем оказалось, что полупроводник, в который введены примеси, обретает свойство пропускать электрический ток, т.е. обладает проводимостью, величина которой может при определенном воздействии изменяется в широких пределах.

Когда в США был найден способ для осуществления такого воздействия электрическим путем, появился транзистор (от первоначального названия трансрезистор). Тот факт, что 1941 году Лашкарев опубликовал результаты своих открытий в статьях «Исследование запирающих слоев методом термозонда» и «Влияние примесей на вентильный фотоэффект в закиси меди» (в соавторстве со своей коллегой К.М. Косоноговой), в связи с военным временем не попал в поле зрения научного мира. Предположительно, начавшаяся «холодная война» и опустившийся на Советский Союз «железный занавес» сыграли свою роль в том, что Лашкарев так и не стал Нобелевским лауреатом. Кстати сказать, Лашкарев разработал, находясь в Сибири во время войны, купроксные диоды, которые применялись в армейских радиостанциях и добился их промышленного выпуска.

В дополнение к двум первым работам, Лашкарев в соавторстве с В.И.Ляшенко в 1950 году опубликовал статью «Электронные состояния на поверхности полупроводника», в которой были описаны результаты исследований поверхностных явлений в полупроводниках, ставшие основой работы интегральных схем на базе полевых транзисторов.

В 50-е годы Лашкареву также удалось решить проблему массовой выбраковки монокристаллов германия. Он по новому сформулировал технические требования к этому элементу, так как предыдущие были неоправданно завышены. Тщательные исследования, проведенные Лашкаревым и Миселюком в Институте физики АН УССР в Киеве, показали, что уже достигнутый уровень технологии монокристаллов германия позволял создать точечные диоды и триоды с необходимыми характеристиками. Это позволило ускорить промышленный выпуск первых в бывшем СССР германиевых диодов и транзисторов.

Так, именно под руководством Лашкарева в начале 50-х в СССР было организовано производство первых точечных транзисторов. Сформированная В.Е. Лашкаревым научная школа в области физики полупроводников становится одной из ведущих в СССР. Признанием выдающихся результатов стало создание в 1960 г. Института полупроводников АН УССР, который возглавил В.Е. Лашкарев.

“Настанет время, когда на этом кристаллике, что нам показал Вадим Евгеньевич, можно будет разместить всю ЭВМ!” , - напророчил академик Сергей Лебедев, создавший первый в континентальной Европе компьютер - МЭСМ. Так и случилось. Но это произошло через двадцать с лишним лет, когда появились большие интегральные схемы БИС, содержащие на кристалле десятки и сотни тысяч транзисторов, а позднее - сверхбольшие интегральные схемы СБИС со многими миллионами компонентов на кристалле, открывшие человеку путь в информационную эру.