Транзистор хтось створив і в якому році. Транзисторна історія

Транзистор виготовляється з урахуванням напівпровідників. Довгий час їх не визнавали, використовуючи для створення різних пристроїв лише провідники та діелектрики. Подібні пристрої мали безліч недоліків: низький ККД, високе енергоспоживання та недовговічність. Вивчення властивостей напівпровідників стало переломним моментом історія електроніки.

Електронна провідність різних речовин

Всі речовини за своєю здатністю проводити електричний струм поділяються на три великі групи: метали, діелектрики та напівпровідники. Діелектрики названо так тому, що практично не здатні проводити струм. Метали мають кращу провідність завдяки наявності в них вільних електронів, які хаотично рухаються серед атомів. При застосуванні зовнішнього електричного поля ці електрони почнуть рухатись у бік позитивного потенціалу. По металі пройде струм.

Напівпровідники здатні проводити струм гірше за метали, але краще діелектриків. У таких речовинах існують основні (електрони) та неосновні (дірки) носії електричного заряду. Що? Це відсутність одного електрона зовнішньої атомної орбіталі. Дірка здатна переміщатися за матеріалом. За допомогою спеціальних домішок, донорних чи акцепторних, можна суттєво збільшувати кількість електронів та дірок у вихідній речовині. N-напівпровідник можна отримати, створивши надлишок електронів, а p-провідник – за допомогою надлишку дірок.

Діод та транзистор

Діод - це прилад, отриманий з'єднанням n-і p-напівпровідників. Він зіграв величезну роль розвитку радіолокації в 40 роках минулого століття. Вивчення його можливостей активно займалася команда співробітників американської фірми Bell на чолі з У.Б. Шокклі. Ці люди у 1948 році, приєднавши до кристала два контакти. На кінцях кристала були крихітні мідні вістря. Можливості такого приладу здійснили справжню революцію в електроніці. Було з'ясовано, що струмом, що проходить через другий контакт, можна керувати (підсилювати або послаблювати його) за допомогою вхідного струму першого контакту. Це було можливе за умови, що кристал германію набагато тонший, ніж мідні вістря.

Перші транзистори мали недосконалу конструкцію та досить слабкі характеристики. Незважаючи на це, вони були набагато кращі за електронні лампи. За цей винахід Шокклі та його команда удостоїлися Нобелівської премії. Вже 1955 року з'явилися дифузійні транзистори, які за своїми характеристиками перевершували германієві кілька разів.

Винахідники: Вільям Шоклі, Джон Бардін та Уолтер Браттейн.
Країна: США
Час винаходу: 1948 р.

Винахід наприкінці 40-х років XX століття транзистора став однією з найбільших віх в історії електроніки. , Які раніше протягом тривалого часу були неодмінним і найголовнішим елементом всіх радіо - і електронних пристроїв, мали багато недоліків.

У міру ускладнення радіоапаратури та підвищення загальних вимог до неї ці недоліки відчувалися все гостріше. До них потрібно віднести, перш за все, механічну неміцність ламп, малий термін їхньої служби, великі габарити, невисокий ККД через великі теплові втрати на аноді.

Тому, коли на зміну вакуумним лампам у другій половині XX століття прийшли напівпровідникові елементи, які не мали жодної з перелічених вад, у радіотехніці та електроніці стався справжній переворот.

Треба сказати, що напівпровідники далеко не одразу відкрили перед людиною свої чудові властивості. Довгий час в електротехніці використовувалися виключно провідники та діелектрики. Велика група матеріалів, які займали проміжне положення між ними, не знаходила жодного застосування, і лише окремі дослідники, вивчаючи природу електрики, іноді виявляли інтерес до їх електричних властивостей.

Так, в 1874 Карл Фердинанд Браун виявив явище випрямлення струму в місці контакту свинцю і піриту і створив перший кристалічний детектор. Іншими дослідниками було встановлено, що істотний вплив на провідність напівпровідників надають домішки, що містяться в них. Наприклад, Беддекер у 1907 році виявив, що провідність йодистої міді зростає у 24 рази за наявності домішки йоду, який сам по собі не є провідником.

Чим же пояснюються властивості напівпровідників і чому вони набули такого великого значення в електроніці? Візьмемо такий типовий напівпровідник, як Німеччина. У звичайних умовах він має питомий опір у 30 мільйонів разів більше, ніж у міді, і в 1000000 мільйонів разів менше, ніж у . Отже, за своїми властивостями він все ж таки дещо ближче до провідників, ніж до діелектриків. Як відомо, здатність тієї чи іншої речовини проводити або проводити електричний струм залежить від наявності або відсутності в ньому вільних заряджених частинок.

Німеччина в цьому сенсі не є винятком. Кожен його атом чотиривалентний і повинен утворювати з сусідніми атомами чотири електронні зв'язки. Але завдяки тепловому впливу деяка частина електронів залишає свої атоми і починає вільно переміщатися між вузлами кристалічних ґрат. Це приблизно 2 електрони на кожні 10 мільярдів атомів.

В одному грамі германію міститься близько 10 тисяч мільярдів атомів, тобто в ньому є близько 2 тисяч мільярдів вільних електронів. Це в мільйони разів менше, ніж, наприклад, у міді чи сріблі, але все ж таки, достатньо для того, щоб германій міг пропускати через себе невеликий струм. Однак, як уже говорилося, провідність германію можна значно підвищити, якщо ввести до складу його решітки домішки, наприклад, пятивалентний атом миш'яку або сурми.

Тоді чотири електрони миш'яку утворюють валентні зв'язки з атомами германію, але п'ятий залишиться вільним. Він буде слабко пов'язаний з атомом, так що невеликого напруги, прикладеного до кристала, буде достатньо для того, щоб він відірвався і перетворився на вільний електрон (зрозуміло, що атоми миш'яку при цьому стають позитивно зарядженими іонами). Усе це помітно змінює електричні властивості германію.

Інша картина буде в тому випадку, коли кристал германію вводиться тривалентна домішка (наприклад, алюміній, галій або індій). Кожен атом домішки утворює зв'язку лише з трьома атомами германію, але в місці четвертого зв'язку залишиться вільне місце - дірка, яку може заповнити будь-який електрон (у своїй атом домішки іонізується негативно).

Якщо цей електрон перейде до домішки від сусіднього атома германію, то дірка буде своєю чергою. останнього. Приклавши до такого кристалу напругу, отримаємо ефект, який можна назвати "переміщенням дірок". Дійсно, нехай із того боку, де знаходиться негативний полюс зовнішнього джерела, електрон заповнить дірку тривалентного атома. Отже, електрон наблизиться до позитивного полюса, тоді як нова дірка утворюється в сусідньому атомі, розташованому ближче до негативного полюса.

Потім відбувається це явище з іншим атомом. Нова дірка у свою чергу заповниться електроном, що наближається таким чином до позитивного полюса, а дірка, що утворилася за цей рахунок, наблизиться до негативного полюса. І коли в результаті такого руху електрон досягне позитивного полюса, звідки він попрямує в джерело струму, дірка досягне негативного полюса, де заповниться електроном, що надходить з джерела струму. Дірка переміщається так, ніби це частка з позитивним зарядом, і можна говорити, що електричний струм тут створюється позитивними зарядами. Такий напівпровідник називають напівпровідником p-типу (від positiv – позитивний).

Саме собою явище домішкової провідності ще немає великого значення, але при з'єднанні двох напівпровідників - одного з n-провідністю, а іншого з p-провідністю (наприклад, коли в кристалі германію з одного боку створена n-провідність, а з іншого - p -Провідність) - відбуваються дуже цікаві явища.

Негативно іонізовані атоми області p відштовхнуть від переходу вільні електрони області n, а позитивно іонізовані атоми області відштовхнуть від переходу дірки області p. Тобто p-n перехід перетвориться на свого роду бар'єр між двома областями. Завдяки цьому кристал набуде яскраво вираженої односторонньої провідності: для одних струмів він поводитиметься як провідник, а для інших - як ізолятор.

Справді, якщо докласти до кристала напруга більша за величиною, ніж «запірна» напруга p-n переходу, причому таким чином, що позитивний електрод буде з'єднаний з p-областю, а негативний - з n-областю, то в кристалі протікатиме електричний струм , утворений електронами та дірками, що переміщуються назустріч один одному.

Якщо ж потенціали зовнішнього джерела змінити протилежним чином, струм припиниться (вірніше, він буде дуже незначним) - відбудеться лише відтік електронів та дірок від межі поділу двох областей, унаслідок чого потенційний бар'єр між ними збільшиться.

У цьому випадку напівпровідниковий кристал поводитиметься так само, як вакуумна лампа-діод, тому прилади, засновані на цьому принципі, назвали напівпровідниковими діодами. Як і лампові діоди, вони можуть бути детекторами, тобто випрямлячами струму.

Ще більш цікаве явище можна спостерігати у тому випадку, коли у напівпровідниковому кристалі утворено не один, а два p-n переходи. Такий напівпровідниковий елемент отримав назву транзистора. Одну з його зовнішніх областей називають емітером, іншу - колектором, а середню область (яку зазвичай роблять дуже тонкою) - основою.

Якщо прикласти напругу до емітера та колектора транзистора, струм не проходитиме, як би ми не змінювали полярність. Але якщо створити невелику різницю потенціалів між емітером та базою, то вільні електрони з емітера, подолавши p-n перехід, потраплять у базу. Оскільки база дуже тонка, лише невеликої кількості цих електронів вистачить заповнення дірок, що у області p. Тому більшість їх пройде в колектор, подолавши замикаючий бар'єр другого переходу - в транзисторі виникне електричний струм.

Це тим більше чудово, що струм в ланцюзі емітер-база зазвичай у десятки разів менше від того, який протікає в ланцюзі емітер-колектор З цього видно, що за своєю дією транзистор можна у певному сенсі вважати аналогом триелектродної лампи (хоча фізичні процеси в них зовсім різні), причому база грає тут роль сітки, що міститься між анодом і катодом.

Так само, як у лампі, невелика зміна потенціалу сітки викликає значну зміну анодного струму, в транзисторі слабкі зміни в ланцюзі бази викликають значні зміни колекторного струму. Отже, транзистор може використовуватися як підсилювач і генератор електричних сигналів.

Напівпровідникові елементи почали поступово витісняти електронні лампи початку 40-х. З 1940 року широке застосування радіолокаційних пристроях отримав точковий германієвий діод. Радіолокація взагалі стала стимулом для швидкого розвитку електроніки потужних джерел високочастотної енергії. Все більший інтерес проявлявся до дециметрових і сантиметрових хвиль, створення електронних приладів, здатних працювати в цих діапазонах.

Тим часом електронні лампи при використанні їх в області високих та надвисоких частот поводилися незадовільно, оскільки власні шуми суттєво обмежували їхню чутливість. Застосування на входах радіоприймачів точкових германієвих діодів дозволило різко знизити власні шуми, підвищити чутливість та дальність виявлення об'єктів.

Однак справжня ера напівпровідників почалася вже після Другої світової війни, коли було винайдено точковий транзистор.

Його створили після багатьох дослідів у 1948 році співробітники американської фірми «Белл» Вільям Шоклі, Джон Бардін та Уолтер Браттейн. Розташувавши на германієвому кристалі, на невеликій відстані один від одного, два точкові контакти і подавши на один з них пряме зміщення, а на інший - зворотне, вони отримали можливість за допомогою струму, що проходив через перший контакт, керувати струмом через другий. Цей перший транзистор мав коефіцієнт посилення 100.

Новий винахід швидко набув широкого поширення. Перші точкові транзистори складалися з германієвого кристала з n-провідністю, що служив базою, на яку спиралися два тонкі бронзові вістря, розташовані дуже близько один до одного - на відстані кількох мікрон.

Одне з них (зазвичай берилієва) служило емітером, а інше (з фосфорної бронзи) – колектором. При виготовленні транзистора через вістря пропускався струм силою приблизно один ампер. Німеччина у своїй розплавлявся, як і кінчики вістрів. Мідь і домішки, що є в ній, переходили в германій і утворювали в безпосередній близькості від точкових контактів шари з дірковою провідністю.

Ці транзистори не відрізнялися надійністю через недосконалість своєї конструкції. Вони були нестабільні і не могли працювати за великих потужностей. Вартість їхня була велика. Однак вони були набагато надійнішими за вакуумні лампи, не боялися вогкості і споживали потужності в сотні разів менші, ніж аналогічні їм електронні лампи.

Водночас вони були надзвичайно економічними, оскільки вимагали для свого живлення дуже маленького струму. порядку 0, 5-1 В і не потребували окремої батареї. Їхній ККД досягав 70%, тоді як у лампи він рідко перевищував 10%. Оскільки транзистори не вимагали напруження, вони починали працювати негайно після подачі напруги. До того ж вони мали дуже низький рівень власних шумів, тому апаратура, зібрана на транзисторах, виявлялася більш чутливою.

Поступово новий пристрій удосконалювався. У 1952 році з'явилися перші плоскі домішкові германієві транзистори. Їхнє виготовлення було складним технологічним процесом. Спочатку германій очищали від домішок, а потім утворювали монокристал. Звичайний шматок германія складається з великої кількості зрощених безладно кристалів. Для напівпровідникових приладів така структура матеріалу не годиться - тут потрібні виключно правильні, єдині для всього шматка кристалічні грати. Для цього германій розплавляли і опускали в нього затравку - маленький кристал, з правильно орієнтованими ґратами.

Обертаючи затравку навколо осі, її повільно піднімали. Внаслідок цього атоми навколо затравки вишиковувалися у правильні кристалічні грати. Напівпровідниковий матеріал твердів і обволікав затравку. В результаті виходив монокристалічний стрижень. Одночасно до розплаву додавали домішка p або n типу. Потім монокристал різали на маленькі платівки, які були базою.

Емітер і колектор створювали у різний спосіб. Найбільш простий метод полягав у тому, що на обидві сторони платівки германію накладали маленькі шматочки індію та швидко нагрівали їх до 600 градусів. При цій індій сплавлявся з Німеччиною, що знаходиться під ним. При охолодженні насичені індієм області набували провідності p-типу. Потім кристал поміщали корпус і приєднували висновки.

1955 року фірмою «Белл систем» було створено дифузійний германієвий транзистор. Метод дифузії полягав у тому, що пластинки напівпровідника поміщали в атмосферу газу, що містить пари домішки, яка мала утворити емітер і колектор, і нагрівали пластинки до температури, близької до точки плавлення. Атоми домішок у своїй поступово проникали в напівпровідник.

Починаючи з 1947 р. в СРСР почалися інтенсивно вестися роботи в області напівпровідникових підсилювачів - в ЦНДІ-108 (лаб. С. Г. Калашнікова) та в НДІ-160 (НДІ «Исток», Фрязіно, лаб. А. В. Красилова) . 15 листопада 1948 року у журналі «Вісник інформації» А.В. Красилов опублікував статтю «Кристалічний тріод». Це була перша публікація в СРСР про транзисторів.

Отже, перший радянський транзистор у СРСР створили незалежно від роботи американських учених. Нагадаємо, що 16 грудня 1947 року в американській компанії Bell Labs був створений перший у світі транзистор, а в липні 1948 року, на 4 місяці раніше за радянську публікацію, інформація про цей винахід з'явилася в журналі «The Physical Review».

У серійне виробництво перші радянські германієві тріоди С1-С4 (термін «транзистор» в СРСР узвичаївся в 1960-і роки) були запущені лабораторією Красилова вже в 1949 р. У 1950 р. зразки германієвих тріодів були розроблені в ФІАН (Б.Б.). .Вул, А. В. Ржанов, В. С. Вавілов та ін), в ЛФТІ (В.М. Тучкевич, Д. Н. Спадкоємців) та в ІРЕ АН СРСР (С.Г. Калашніков, Н. А. А. В. А. В. Ржанов, В. С. Вавілов та ін.). Пенін та ін). На той момент радянські транзистори були нічим не гірші за імпортні транзистори.

Звісно, ​​транзистори з'явилися не так на порожньому місці – цьому передували роки досліджень.
У 1926 р. радянський фізик Я. І. Френкель висунув гіпотезу про дефекти кристалічної структури напівпровідників, названих "порожніми місцями", або, звичніше, "дірками", які могли переміщатися кристалом. У 1930-ті роки академік А. Ф. Іоффе розпочав експерименти з напівпровідниками в Ленінградському інституті інженерної фізики.
У 1938 р. український академік Б. І. Давидов та його співробітники запропонували дифузійну теорію випрямлення змінного струму за допомогою кристалічних детекторів, відповідно до якої воно має місце на кордоні між двома шарами провідників, які мають p-і n-провідністю. Далі ця теорія була підтверджена та розвинена у дослідженнях В.Є. Лашкарьова, проведених у Києві в 1939-1941 pp. Він встановив, що по обидві сторони "запірного шару", розташованого паралельно межі розділу мідь - оксид міді, знаходяться носії струму протилежних знаків (явище p-n-переходу), а також що введення в напівпровідники домішок різко підвищує їхню здатність проводити електричний струм. Лашкарьов відкрив і механізм інжекції (перенесення носіїв струму) - явища, що становить основу дії напівпровідникових діодів та транзисторів.
Ці дослідження було перервано війною. Однак війна ж гостро порушила питання необхідності розвитку радянської електронної промисловості. Зокрема, потрібно було розвивати радіолокацію.

До початку війни Ленінградський радіозавод встиг випустити всього 45 комплектів «радіоуловлювача літаків» РУС-1. Перші два військові роки радіолокаційні станції в СРСР більше не випускалися. 4 липня 1943 року Державним комітетом Оборони було прийнято ухвалу «Про радіолокацію».

ДЕРЖАВНИЙ КОМІТЕТ ОБОРОНИ
ПОСТАНОВКА № ГОКО-3683сс
4 липня 1943 року. Москва. Кремль

Про радіолокацію
Враховуючи виключно важливе значення радіолокації для підвищення боєздатності Червоної Армії та Військово-Морського Флоту, Державний Комітет Оборони ухвалює:
1. Створити при Державному Комітеті Оборони Раду з радіолокації
Покласти на Раду з радіолокації при ГЗКО наступні завдання:
а) підготовку проектів військово-технічних завдань ГОКО для конструкторів з питань системи озброєння засобами радіолокації Червоної Армії та Військово-Морського флоту;
б) всебічний розвиток радіолокаційної промисловості та техніки, забезпечення створення нових засобів радіолокації та удосконалення існуючих типів радіолокаторів, а також забезпечення серійного випуску промисловістю високоякісних радіолокаторів;
в) залучення до справи радіолокації найбільших наукових, конструкторських та інженерно-технічних сил, здатних рухати вперед радіолокаційну техніку;
г) систематизацію та узагальнення всіх досягнень науки та техніки в галузі радіолокації, як у СРСР, так і за кордоном, шляхом використання науково-технічної літератури та всіх джерел інформації;
д) підготовку пропозицій для ГЗКО з питань імпорту засобів радіолокації.
2. Затвердити Раду з радіолокації у такому складі: тт. Маленков (голова), Архіпов, Берг, Голованов, Горохів, Данилін, Кабанов, Калмиков, Кобзарєв, Стогов, Тереньтьєв, Угер, Шахурін, Щукін.
3. Поставити перед Радою з радіолокації як найближче завдання:
а) забезпечення поліпшення якості та збільшення серійного виробництва наступних радіолокаторів, що випускаються промисловістю, – встановлення виявлення, розпізнавання літаків та наведення на них винищувальної авіації в системі ППО – "Пегматит – 3" та "Редут" з висотною приставкою; станції гарматного наведення СОН для забезпечення стрільби зенітних дивізіонів у системі ППО; літакових установок радіолокації радіонаведення для двомоторних літаків "Гнейс – 2"; радіолокаційних приладів розпізнавання літаків та кораблів "свій – чужий".
б) Забезпечення створення та випробування дослідних зразків та підготовки серійного виробництва наступних радіолокаторів – встановлення наведення прожекторів для ведення загороджувального вогню зенітною артилерією у системі ППО; станції гарматного наведення СОН – 3 для забезпечення стрільби зенітним дивізіоном у системі ППО; радіолокаційної установки для наведення на ціль бомбардувальної авіації дальньої дії; радіолокаційної установки наведення для одномоторного винищувача; універсальної морської установки виявлення для всіх типів кораблів, включаючи підводні човни та торпедні катери; корабельної та берегової установки для виявлення та забезпечення стрілянини головним калібром надводних кораблів та берегових батарей у будь-яких умовах видимості.
4. З метою забезпечення нових розробок та серійного виробництва радіолокаторів сучасними високоякісними електровакуумними виробами, створити Електровакуумний інститут із дослідним заводом. .
Розмістити Електровакуумний інститут на площі заводу №747 НКЕП
Затвердити начальником електровакуумного інституту т. Векшинського С.А.
6. Для вирішення завдань комплексного проектування радіолокаційного обладнання об'єктів, розробки тактико-технічних завдань на радіолокаційні прилади та координації робіт відділів головних конструкторів заводів радіолокаційної промисловості організувати Проектно-Конструкторське Бюро з радіолокації.
Затвердити начальником Проектно-конструкторського бюро з радіолокації т. Попова Н.Л.
7. Організувати в Наркоматі електропромисловості Головне управління радіолокаційної промисловості у складі:
а) Всесоюзного науково-дослідного інституту радіолокації;
б) Електровакуумного інституту;
в) проектно-конструкторського бюро;
г) заводів Наркомелектропрому №№ 465, 747, 498, 208 та 830.
7. Затвердити т. Берг А.І. заступником наркома електропромисловості з питань радіолокації.
8. Відновити у Московському енергетичному інституті факультет радіотехніки.
9. Зобов'язати Головне управління трудових резервів при РНК СРСР (Т. Москатов і Зеленко) спільно з ЦК ВЛКСМ (Т. Михайлов) організувати 15 ремісничих училищ з контингентом учнів 10 тисяч осіб з метою підготовки в цих училищах кваліфікованих робочих кадрів для радіолокаційних заводів.
10. Встановити великих наукових, конструкторських і інженерно-технічних працівників з радіолокації 30 персональних окладів у вигляді до 5 000 рублів кожен і 70 окладів у вигляді до 3 000 рублей.
11. Дозволити голові Ради з радіолокації затвердити штати апарату Ради.
12. Зобов'язати Раду з радіолокації спільно з Держпланом при РНК СРСР (т. Вознесенський), Наркомелектропромом (т. Кабанів), Наркомавіапромом (т. Шахурін), Наркоммінозброєння (т. Паршин) Наркомсудпромом (т. Носенко), Наркомсередмашем (т. Носенко) ), Наркомозброєння (т. Устинов) та 15 липня ц.р. подати на затвердження Державного Комітету Оборони пропозиції щодо заходів щодо організації виробництва радіолокаційної апаратури.

Голова Державного Комітету Оборони І. Сталін

Створений згідно з цією постановою Всесоюзного науково-дослідного інституту радіолокації отримав назву ЦНДІ-108 (нині «ЦНДРТІ ім. академіка А.І. Берга»). Його керівником став А.І. Берг. Інститут займався створенням радіолокаторів та методів боротьби з ними. Співробітник цього НДІ, керівник лабораторії Сергій Григорович Калашніков надалі створив перший систематичний курс фізики напівпровідників в СРСР і читав лекції в університеті.

6 серпня того ж 1943 року було прийнято постанову про створення у місті Фрязіно на базі заводу «Радіолампа»(завод N747) НДІ-160 (надалі називався НДІ Електронної техніки, НДІ «Исток», НВО «Исток», ДНВП "Исток") . Перед цим НДІ поставили завдання створення електровакуумних приладів для радіолокаційних станцій.

Директором НДІ був призначений досвідчений інженер і винахідник Сергій Аркадійович Векшинський, колишній начальник Галузевої вакуумної лабораторії (ОВЛ), евакуйованої з Ленінграда до Новосибірська, і колишній головний інженер «Світлани», а з 1940 р. начальник Спецбюро з металографії, евакуйований потім у Новосибірськ. Менш за рік пробув він директором НДІ-160, але найціннішою його заслугою було залучення сюди низка працівників свого Спецбюро, а також найцінніших працівників ОВЛ на чолі з її начальником С.А. Зусмановським (він був призначений заступником Векшинського з наукової частини). Серед них були Ю. А. Юнак, В. І. Єгіазаров, Г. А. Шустін, С. А. Зусмановський, К. П. Шахов, А. В. Красілов, В. С. Лукошков, Т.Б. Фогельсон та ін. Разом із співробітниками «Світлани» ці ленінградці стали золотим фондом інституту.

Інститути НДІ-160 та ЦНДІ-108 активно співпрацювали, зокрема у вирішенні проблеми підвищення вихідної потужності та робочих частот транзисторів, і в результаті народилася ідея нового технологічного процесу "сплавлення-дифузії", на основі якої з'явилися серійні германієві транзистори П401-П04 , П411. Але в 1957 році А.І.Берг створив в Академії наук СРСР новий Інститут радіоелектроніки, який сам і очолив, співробітники, які займалися напівпровідниковими приладами, перейшли туди, і в ЦНДІ-108 цей напрямок було згорнуто.

У Радянському Союзі перша НДР транзисторами була поставлена ​​в НДІ-160 (надалі - НДІ «Исток») у грудні 1948 р. Робота була виконана Сусанною Мадоян - дипломницею Хіміко-технологічного інституту ім. Д.І. Менделєєва під керівництвом А.В. Красилів.

Олександр Вікторович Красилов вважається патріархом вітчизняної напівпровідникової електроніки. Народився 14 вересня 1910 р. Закінчив Київський політехнічний інститут. Розпочав трудову діяльність у 1932 році на заводі "Світлана" м. Ленінград.

Брав активну участь у розвитку вакуумної електроніки. У період Великої Вітчизняної війни брав участь у створенні радіолампового заводу Новосибірську. Був відряджений у США з метою замовлення обладнання для вакуумної промисловості, де знайомився з роботами провідних електронних фірм на той час: "Дженерал-Електрик", "Вестінгауз", "Ар-СІ-Ей", "Х'юлет-Паккард", "Вестон".

Під його керівництвом у НДІ "Исток" розроблено та впроваджено у виробництво кілька серій мікрохвильових кремнієвих детекторів сантиметрового та міліметрового діапазонів, що забезпечують потреби радіолокації, радіоприладобудування та НВЧ вимірювальної техніки. Одночасно розроблено комплекс апаратури для вимірювання всіх електричних параметрів детекторів, включаючи вимірювання на надвисоких частотах. За ці роботи А. В. Красилову у 1949 р. було присуджено Сталінську премію.

З серпня 1953 р. А. В. Красілов - начальник відділу НДІ-35 (НДІ "Пульсар"). За більш ніж 20-річний термін перебування на цій посаді керував розробкою, удосконаленням, дослідженням та впровадженням у виробництво на дослідному заводі НДІ та на дев'яти заводах у різних частинах країни сотень типів германієвих діодів, транзисторів, тунельних діодів. У процесі цих робіт було вивчено основні властивості германію, способи його обробки, принципи конструювання приладів, методи їх випробувань, шляхи досягнення необхідної герметичності та надійності, у тому числі для роботи в особливих умовах.

А. В. Красилов - автор ряду нових напрямків конструювання та виготовлення напівпровідникових приладів, таких як методи дифузії легуючих домішок у кристали германію та кремнію, метод епітаксійного нарощування, методи піролітичного розкладання сполук германію, кремнію та металів, методи травлення напівпровідникових приладів та багато інших методи технології.

Сусанна Гукасівна Мадоян. 1950 р.

Створення точкових транзисторів було початком її трудової діяльності, проте незабаром довелося переключитися на розробку і виготовлення діодів для обчислювальної техніки, що розвивається.

У 1953 року разом із А.В. Красиловим перейшла на роботу в напівпровідникової електроніки, що відкрився НДІ (НДІ-35, нині «Пульсар»). У тому року С.Г. Мадоян створила перший у Союзі досвідчений зразок площинного (за тодішньою термінологією - шаруватого) германієвого транзистора. Ця технологія стала основою серійних приладів типу П1, П2, П3 та його подальших модифікацій.
Наприкінці 1960 року С.Г. Мадоян захистила дисертацію на ступінь кандидата технічних наук і почала цикл нових робіт зі створення НВЧ приладів – тунельних діодів, заснованих не тільки на Німеччині, а й на нових напівпровідникових матеріалах, що з'явився на той час – арсеніді галію та антимоніді галію. Однак у 1969 р. залишила напівпровідникову промисловість та зайнялася викладанням – отримала посаду доцента кафедри «Напівпровідникові прилади» в Інституті сталі та сплавів. Там вела курс «Технологія напівпровідникових приладів» та написала низку навчальних посібників, з лекційного курсу, з курсового проектування та лабораторного практикуму. Керувала роботами аспірантів; дев'ять із них захистили кандидатські дисертації.

С.Г. Мадоян та А.В. Красилів

Після війни В.Є. Лошкарьов відновив дослідження та на початку 1950-х років виготовив перші точкові транзистори в лабораторних умовах. Наукові заслуги Лашкарьова були оцінені: він очолив новий Інститут напівпровідників АН України, відкритий у 1960 р.

Радянські транзистори П1А та П3А(з радіатором). 1957 р.

На початку 1950-х у НДІ-160 Ф. А. Щиголь (який також, як і С.Г. Мадоян, був дипломником у А.В. Красилова) та Н. Н. Спіро щодня випускали десятки точкових транзисторів типу С1-С4 , а М. М. Самохвалов розробляв у НДІ-35 нові рішення щодо групової технології, технології "вплавлення - дифузії" для отримання тонкої бази ВЧ-транзисторів. У 1953 р. на основі досліджень термоелектричних властивостей напівпровідників А. Ф. Іоффе створив серію термоелектрогенераторів, а в НДІ-35 були виготовлені планарні транзистори П1, П2, П3. Незабаром у лабораторії С. Г. Калашнікова було отримано германієвий транзистор для частот 1,0 - 1,5 МГц, а Ф. А. Щиголь сконструював сплавні кремнієві транзистори типу П501-П503.

Фелікс Анатолійович Щиголь став лауреатом Ленінської премії за розвиток напівпровідникової промисловості. Серед його заслуг – створення стандартного для галузі малопотужного універсального кремнієвого планарного транзистора 2Т312, який разом із безліччю своїх похідних виробляється досі.

Творець перших кремнієвих планарних транзисторів Фелікс Анатолійович Щиголь

1957 р. радянська промисловість випустила 2,7 млн. транзисторів. Розпочате створення та розвиток ракетної та космічної техніки, а потім і обчислювальних машин, а також потреби приладобудування та інших галузей економіки повністю задовольнялися транзисторами та іншими електронними компонентами вітчизняного виробництва.

Ось що С.Г. Мадоян говорить про створення радянської напівпровідникової промисловості:

Приблизно 1960-го року почалася передача робіт на нові заводи. Тоді виникло багато напівпровідникових заводів, але якимось дивним чином: у Таллінні напівпровідникове виробництво організували на колишній сірниковій фабриці, у Брянську – на базі старої макаронної фабрики – нову макаронну звели, а стару віддали під виробництво напівпровідникових приладів. У Ризі під завод напівпровідникових приладів відвели будівлю фізкультурного технікуму. Так що, початкові роботи скрізь були важкі, я пам'ятаю, що в першому відрядженні в Брянську я шукала макаронний завод і потрапила на нову макаронну фабрику, там мені пояснили, що є ще стара фабрика, і на старій фабриці я ледве ногу не зламала, оступившись у калюжі, причому на підлозі в коридорі, який вів до кабінету директора.
Тоді почалося виробництво наймасовішого виду приладів – малопотужних германієвих транзисторів й у Новгороді Великому, та був почали будувати нові заводи. Спочатку місця для розгортання виробництва вибиралися так, щоб була готова інфраструктура, у містах, в яких людям хотілося жити, туди можна було набирати працівників, а потім напівпровідникові заводи почали будувати, ну, наприклад, у Запоріжжі, бо ми використовували переважно жіночу працю. на всіх складальних ділянках, а у Запоріжжі було багато безробітних жінок. Ну, таким чином ми розширювалися і просувалися.

Винахід транзистора, який став найважливішим досягненням ХХ століття, пов'язаний з іменами багатьох чудових учених. Про тих, хто створював та розвивав напівпровідникову електроніку, і йтиметься у цій статті.

Рівно 50 років тому американцям Джону Бардіну, Уолтеру Браттейну та Вільяму Шоклі (рис. 1) було присуджено Нобелівську премію з фізики «За дослідження в області напівпровідників та відкриття транзистора». Проте аналіз історії науки однозначно свідчить, що відкриття транзистора - це не лише заслужений успіх Бардіна, Браттейна та Шоклі.

Мал. 1. Лауреати Нобелівської премії з фізики за 1956 рік

Перші досліди

Народження твердотільної електроніки можна зарахувати до 1833 року. Саме тоді Майкл Фарадей (рис. 2), експериментуючи з сульфідом срібла, виявив, що провідність даної речовини (а це був, як ми тепер називаємо, напівпровідник) зростає з підвищенням температури, на противагу провідності металів, яка в даному випадку зменшується. Чому так відбувається? З чим це пов'язано? На ці запитання Фарадей відповісти не зміг.

Наступною віхою у розвитку твердотільної електроніки став 1874 рік. Німецький фізик Фердинанд Браун (рис. 3), майбутній нобелівський лауреат (1909 року він отримає премію «За видатний внесок у створення бездротової телеграфії») публікує статтю в журналі Analen der Physik und Chemie, в якій на прикладі «природних та штучних сірчаних металів» » описує найважливішу властивість напівпровідників - проводити електричний струм лише одному напрямку. Випрямляюча властивість контакту напівпровідника з металом суперечила закону Ома. Браун (рис. 4) намагається пояснити явище, що спостерігається, і проводить подальші дослідження, але безрезультатно. Явище є, пояснення немає. З цієї причини сучасники Брауна не зацікавилися його відкриттям, і лише через п'ять десятиліть випрямляючі властивості напівпровідників були використані в детекторних приймачах.

Мал. 3. Фердінанд Браун

Мал. 4. Фердинанд Браун у своїй лабораторії

Рік 1906. Американський інженер Грінліф Віттер Пікард (рис. 5) отримує патент на кристалічний детектор (рис. 6). У своїй заявці на отримання патенту він пише: «Контакт між тонким металевим провідником і поверхнею деяких кристалічних матеріалів (кремній, галеніт, пірит та ін.) випрямляє та демодулює високочастотний змінний струм, що виникає в антені при прийомі радіохвиль».

Мал. 5. Грінліф Пікард

Мал. 6. Принципова схема кристалічного детектора Пікарда

Тонкий металевий провідник, за допомогою якого здійснювався контакт із поверхнею кристала, зовні дуже нагадував котячий вус.

Кристалічний детектор Пікарда так і стали називати - котячий вус (cat's whisker).

Щоб "вдихнути життя" в детектор Пікарда і змусити його стійко працювати, потрібно було знайти найбільш чутливу точку на поверхні кристала. Зробити це було непросто. На світ з'являється безліч хитромудрих конструкцій «котячого вуса» (мал. 7), що полегшують пошук заповітної точки, але стрімкий вихід на авансцену радіотехніки електронних ламп надовго відправляє детектор Пікарда за лаштунки.

Мал. 7. Варіант конструкції «котячий вус»

І все ж «котячий вус» набагато простіше і менше вакуумних діодів, до того ж набагато ефективніше на високих частотах. А що якщо замінити вакуумний тріод, на якому було засновано всю радіоелектроніку того часу, (рис. 8) на напівпровідник? Чи це можливо? На початку ХХ століття подібне питання не давало спокою багатьом ученим.

Мал. 8. Вакуумний тріод

Лосєв

Радянська Росія. 1918 рік. За особистим розпорядженням Леніна в Нижньому Новгороді створюється радіотехнічна лабораторія (рис. 9). Нова влада гостро потребує «бездротового телеграфного» зв'язку. До роботи в лабораторії залучаються кращі радіоінженери на той час - М. А. Бонч-Бруєвич, В. П. Вологдін, В. К. Лебединський, В. В. Татарінов та багато інших.

Мал. 9. Нижегородська радіолабораторія

Приїжджає до Нижнього Новгорода та Олега Лосєва (рис. 10).

Мал. 10. Олег Володимирович Лосєв

Після закінчення Тверського реального училища в 1920 році та невдалого вступу до Московського інституту зв'язку Лосєв згоден на будь-яку роботу, аби тільки прийняли до лабораторії. Його беруть посильним. Гуртожитки посилальним не належить.

17-річний Лосєв готовий жити в приміщенні лабораторії, на сходовому майданчику перед горищем, аби лише займатися улюбленою справою.

З раннього віку він пристрасно захоплювався радіозв'язком. У роки Першої світової війни у ​​Твері була побудована радіоприймальна станція. У її завдання входило приймати повідомлення від союзників Росії по Антанті і далі телеграфом передавати в Петроград. Лосєв часто бував на радіостанції, знав багатьох співробітників, допомагав їм і не мислив своє життя без радіотехніки. У Нижньому Новгороді він не мав ні сім'ї, ні нормального побуту, але було головне - можливість спілкуватися з фахівцями в галузі радіозв'язку, переймати їх досвід і знання. Після виконання необхідних робіт у лабораторії йому дозволяли займатися самостійним експериментуванням.

Тоді інтерес до кристалічних детекторів практично був відсутній. У лабораторії ніхто особливо не займався цією темою. Пріоритет у дослідженнях було віддано радіолампам. Лосєву дуже хотілося працювати самостійно. Перспектива отримати обмежену ділянку роботи «по лампах» її не надихає. Можливо, саме тому він вибирає для своїх досліджень кристалічний детектор. Його мета - удосконалити детектор, зробити його більш чутливим та стабільним у роботі. Приступаючи до експериментів, Лосєв помилково припускав, що «у зв'язку з тим, що деякі контакти між металом і кристалом не підкоряються закону Ома, то цілком імовірно, що коливальний контур, підключений до такого контакту, може виникнути коливання, що не згасають». У той час вже було відомо, що для самозбудження однієї лише нелінійності вольтамперної характеристики недостатньо, повинен обов'язково бути присутня падаюча ділянка. Будь-який грамотний фахівець не став би очікувати на посилення від детектора. Але вчорашній школяр нічого не знає. Він змінює кристали, матеріал голки, акуратно фіксує отримані результати і в один прекрасний день виявляє активні точки, що шукаються у кристалів, які забезпечують генерацію високочастотних сигналів.

«Всі з дитинства знають, що те й те неможливо, але завжди знаходиться невіглас, який цього не знає, він і робить відкриття», - жартував Ейнштейн.

Свої перші дослідження генераторних кристалів Лосєв проводив на простій схемі, представленій на рис. 11.

Мал. 11. Схема перших дослідів Лосєва

Випробувавши велику кількість кристалічних детекторів, Лосєв з'ясував, що найкраще генерують коливання кристали цинкіту, піддані спеціальній обробці. Для отримання якісних матеріалів розробляє технологію приготування цинкіту методом сплавлення в електричній дузі природних кристалів. При парі цинкіту - вугільний вістря, при подачі напруги в10 В виходив радіосигнал з довжиною хвилі 68 м. При зниженні генерації реалізується підсилювальний режим детектора.

Зауважимо, що «генеруючий» детектор був уперше продемонстрований ще 1910 року англійським фізиком Вільямом Ікклзом (рис. 12).

Рис 12. Вільям Генрі Ікклз

Нове фізичне явище не привертає уваги фахівців і про нього на якийсь час забувають. Ікклз теж помилково пояснював механізм «негативного» опору, виходячи з того, що опір напівпровідника падає зі збільшенням температури внаслідок теплових ефектів, що виникають на межі «метал-напівпровідник».

У 1922 році на сторінках наукового журналу «Телеграфія і телефонія без проводів» з'являється перша стаття Лосєва, присвячена посилюючому та генеруючому детектору. У ній він дуже докладно описує результати своїх експериментів, причому особливу увагу приділяє обов'язковому присутності ділянки вольтамперної характеристики контакту, що падає.

У ті роки Лосєв активно займається самоосвітою. Його безпосередній керівник професор В. К. Лебединський допомагає йому у вивченні радіофізики. Лебединський розуміє, що його молодий співробітник зробив справжнє відкриття і теж намагається дати пояснення ефекту, що спостерігається, але марно. Фундаментальна наука на той час ще знає квантової механіки. Лосєв, своєю чергою, висуває гіпотезу, що з великому струмі у зоні контакту виникає якийсь електричний розряд на зразок вольтової дуги, але тільки без розігріву. Цей розряд закорочує високий опір контакту, забезпечуючи генерацію.

Лише через тридцять років зуміли зрозуміти, що було відкрито. Сьогодні ми сказали б, що прилад Лосєва - це двополюсник з N-подібною вольтамперною характеристикою, або тунельний діод, за який у 1973 році японський фізик Лео Ісакі (рис. 13) отримав Нобелівську премію.

Мал. 13. Лео Ісакі

Керівництво нижегородської лабораторії розуміло, що серійно відтворити ефект не вдасться. Трохи попрацювавши, детектори практично втрачали властивості посилення та генерації. Про відмову від ламп не могло бути й мови. Проте практична значимість відкриття Лосєва була величезною.

У 1920-ті роки в усьому світі, в тому числі і в Радянському Союзі, радіоаматорство набуває характеру епідемії. Радянські радіоаматори користуються найпростішими детекторними приймачами, зібраними за схемою Шапошнікова (рис. 14).

Мал. 14. Детекторний приймач Шапошнікова

Для підвищення гучності та дальності прийому застосовуються високі антени. У містах застосовувати такі антени було важко через промислові перешкоди. На відкритій місцевості, де практично немає перешкод, гарний прийом радіосигналів не завжди вдавався через низьку якість детекторів. Введення в антенний контур приймача негативного опору детектора з цинкітом, поставленого в режим, близький до самозбудження, значно посилювало сигнали. Радіоаматорам вдавалося почути найвіддаленіші станції. Помітно підвищувалася вибірковість прийому. І це без використання електричних ламп!

Лампи були не дешеві, причому до них потрібно спеціальне джерело живлення, а детектор Лосєва міг працювати від звичайних батарейок для кишенькового ліхтарика.

У результаті виявилося, що прості приймачі конструкції Шапошникова з генеруючими кристалами надають можливість здійснювати гетеродинний прийом, що був тоді останнім словом радіоприймачів. У наступних статтях Лосєв описує методику швидкого пошуку активних точок на поверхні цинкіту та замінює вугільний вістр металевим. Він дає рекомендації, як слід обробляти кристали та наводить кілька практичних схем для самостійного збирання радіоприймачів (рис. 15).

Мал. 15. Принципова схема крістадіна О. В. Лосєва

Пристрій Лосєва дозволяє як приймати сигнали великих відстанях, а й передавати їх. Радіоаматори в масовому порядку, на основі детекторів-генераторів, виготовляють радіопередавачі, що підтримують зв'язок у радіусі кількох кілометрів. Незабаром видається брошура Лосєва (рис. 16). Вона розходиться мільйонними тиражами. Захоплені радіоаматори писали до різних науково-популярних журналів, що «за допомогою цинкітного детектора в Томську, наприклад, можна почути Москву, Нижній і навіть закордонні станції».

Мал. 16. Брошура Лосєва, видання 1924 року

На всі свої технічні рішення Лосєв отримує патенти, починаючи з «Детекторного приймача-гетеродина», заявленого у грудні 1923 року.

Статті Лосєва друкуються в таких журналах, як ЖЕТФ, Доповіді АН СРСР, Radio Revue, Philosophical Magazine, Physikalische Zeitschrift.

Лосєв стає знаменитістю, а йому ще не виповнилося і двадцяти років!

Наприклад, у редакторській передмові до статті Лосєва «Осцилюючі кристали» в американському журналі The Wireless World and Radio Review за жовтень 1924 року йдеться: «Автор цієї статті, пан Олег Лосєв з Росії, за порівняно короткий проміжок часу набув світової популярності у зв'язку з його відкриттям осцилюючих властивостей у деяких кристалів».

Інший американський журнал - Radio News - приблизно в той же час публікує статтю під заголовком «Сенсаційний винахід», в якій зазначається: «Немає необхідності доводити, що це – революційне радіовинахід. Незабаром ми говоритимемо про схему з трьома чи шістьма кристалами, як ми говоримо зараз про схему з трьома чи шістьма підсилювальними лампами. Потрібно кілька років, щоб генеруючий кристал удосконалився настільки, щоб стати кращим за вакуумну лампу, але ми передбачаємо, що такий час настане».

Автор цієї статті Х'юго Гернсбек називає твердотільний приймач Лосєва – кристадином (кристал + гетеродин). Причому як називає, а й передбачливо реєструє назву, як торгову марку (рис. 17). Попит на кристадини величезний.

Мал. 17. Кристалічний детектор Лосєва. Виготовлений у Radio News Laboratories. США, 1924 рік

Цікаво, що коли до нижегородської лабораторії приїжджають німецькі радіотехніки, щоб особисто познайомитися з Лосєвим, вони не вірять своїм очам. Вони вражаються талантом і молодим винахідником. У листах з-за кордону Лосєва називали не інакше як професором. Ніхто й уявити не міг, що професор ще тільки осягає ази науки. Втім, незабаром Лосєв стане блискучим фізиком-експериментатором і ще раз змусить світ заговорити про себе.

У лабораторії з посади розсильного його переводять до лаборантів, надають житло. У Нижньому Новгороді Лосєв одружується (щоправда, невдало, як виявилося згодом), облаштовує свій побут і продовжує займатися кристалами.

У 1928 року, за рішенням уряду, тематика нижегородской радіолабораторії разом із співробітниками передається у Центральну радіолабораторію Ленінграді, яка, своєю чергою, теж постійно реорганізується. На новому місці Лосєв продовжує займатися напівпровідниками, але незабаром Центральну радіолабораторію перетворюють на Інститут радіомовного прийому та акустик. У новому інституті своя програма досліджень, тематика робіт звужується. Лаборанту Лосєву вдається влаштуватися за сумісництвом до Ленінградського фізико-технічного інституту (ЛФТІ), де з'являється можливість продовжити дослідження нових фізичних ефектів у напівпровідниках. Наприкінці 1920-х років у Лосєва з'явилася ідея створити твердотільний аналог триелектродної вакуумної радіолампи.

У 1929-1933 рр.., За пропозицією А. Ф. Іоффе, Лосєв проводить дослідження напівпровідникового пристрою, що повністю повторює конструкцію точкового транзистора. Як відомо, принцип дії цього приладу полягає в управлінні струмом, що тече між двома електродами, за допомогою додаткового електрода. Лосєв справді спостерігав цей ефект, але, на жаль, загальний коефіцієнт такого управління не дозволяв отримати посилення сигналу. Для цієї мети Лосєв використовував тільки кристал карборунду (SiC), а не кристал цинкіту (ZnO), що мав значно кращі характеристики в кристалічному підсилювачі (Що дивно! Йому не знати про властивості цього кристала.) До недавнього часу вважалося, що після вимушеного догляду з ЛФТІ Лосєв не повертався до ідеї напівпровідникових підсилювачів Проте є досить цікавий документ, написаний самим Лосєвим. Він датований 12 липня 1939 року і зараз зберігається в Політехнічному музеї. У цьому документі, під назвою «Життєпис Олега Володимировича Лосєва», крім цікавих фактів його життя міститься і перелік наукових результатів. Особливий інтерес викликають такі рядки: «Встановлено, що з напівпровідниками може бути побудована триелектродна система, аналогічна тріоду, як і тріод, що дає характеристики, що спричиняють негативний опір. Ці роботи нині готуються до друку…».

На жаль, поки не встановлено долю цих робіт, які могли б повністю змінити уявлення про історію відкриття транзистора - найреволюційнішого винаходу XX століття.

Розповідаючи про видатний внесок Олега Володимировича Лосєва у розвиток сучасної електроніки, просто неможливо не згадати про його відкриття світловипромінюючого діода.

Масштаб цього відкриття нам ще тільки доведеться зрозуміти. Мине не так багато часу, і в кожному будинку замість звичної лампи розжарювання горітимуть «електронні генератори світла», як назвав світлодіоди Лосєв.

Ще 1923 року, експериментуючи з кристадинами, Лосєв звернув увагу до світіння кристалів під час пропускання них електричного струму. Особливо яскраво світилися карборундові детектори. У 1920-ті роки на Заході явище електролюмінесценції у свій час навіть називали «світло Лосєва» (Losev light, Lossew Licht). Лосєв зайнявся вивченням та поясненням отриманої електролюмінесценції. Він першим оцінив величезні перспективи таких джерел світла, особливо підкреслюючи їхню високу яскравість і швидкодію. Лосєв став власником першого патенту на винахід світлового релеприладу з електролюмінесцентним джерелом світла.

У 70-х роках ХХ століття, коли світлодіоди стали широко застосовуватися, у журналі Electronic World за 1907 рік було виявлено статтю англійця Генрі Роунда, в якій автор, будучи співробітником лабораторії Марконі, повідомляв, що бачив світіння в контакті карборундового детектора при подачі на нього. зовнішнього електричного поля. Жодних міркувань, що пояснюють фізику цього явища, не наводилося. Ця замітка не вплинула на подальші дослідження в галузі електролюмінесценції, проте автор статті сьогодні офіційно вважається першовідкривачем світлодіода.

Лосєв незалежно відкрив явище електролюмінесценції та провів низку досліджень на прикладі кристала карборунду. Він виділив два фізично різні явища, які спостерігаються при різній полярності напруги на контактах. Його безперечною заслугою є виявлення ефекту передпробійної електролюмінесценції, названої ним «свічення номер один», та інжекційної електролюмінесценції – «свічення номер два». В наші дні ефект передпробійної люмінесценції широко застосовується при створенні електролюмінесцентних дисплеїв, а інжекційна електролюмінесценція є основою світлодіодів та напівпровідникових лазерів. Лосєву вдалося суттєво просунутися у розумінні фізики цих явищ задовго до створення зонної теорії напівпровідників. Згодом, у 1936 році, свічення номер один було заново виявлено французьким фізиком Жоржем Дестріо. У науковій літературі він відомий під назвою «ефект Дестріо», хоча сам Дестріо пріоритет у відкритті цього явища віддавав Олегу Лосєву. Напевно, було б несправедливо заперечувати пріоритет Роунда у відкритті світлодіода. І все ж таки не можна забувати, що винахідниками радіо по праву вважаються Марконі і Попов, хоча всім відомо, що радіохвилі першим спостерігав Герц. І таких прикладів історія науки безліч.

У своїй статті Subhistory of Light Emitting Diode відомий американський вчений у галузі електролюмінесценції Ігон Лобнер пише про Лосєва: «Своїми піонерськими дослідженнями в галузі світлодіодів та фотодетекторів він зробив внесок у майбутній прогрес оптичного зв'язку. Його дослідження були такі точні і його публікації такі зрозумілі, що легко можна уявити зараз, що тоді відбувалося в його лабораторії. Його інтуїтивний вибір та мистецтво експерименту просто дивують».

Сьогодні ми розуміємо, що без квантової теорії будови напівпровідників уявити розвиток твердотільної електроніки неможливо. Тому талант Лосєва вражає уяву. Він із самого початку бачив єдину фізичну природу кристадину та явища інжекційної люмінесценції і в цьому значно випередив свій час.

Після нього дослідження детекторів та електролюмінесценції проводилися окремо один від одного як самостійні напрямки. Аналіз результатів показує, що майже двадцять років після появи робіт Лосєва було зроблено нічого нового з погляду розуміння фізики цього явища. Тільки 1951 року американський фізик Курт Леховець (мал. 18) встановив, що детектування і електролюмінесценція мають єдину природу, що з поведінкою носіїв струму в p-n-переходах.

Мал. 18. Курт Леховець

Слід зазначити, що у своїй роботі Леховець наводить насамперед посилання роботи Лосєва, присвячені електролюмінесценції.

У 1930-31 рр. Лосєв виконав на високому експериментальному рівні серію дослідів з косими шліфами, що розтягують досліджувану область, і системою електродів, що включаються до компенсаційної вимірювальної схеми, для вимірювання потенціалів у різних точках поперечного перерізу шаруватої структури. Переміщаючи металевий «котячий вус» упоперек шліфу, він показав з точністю до мікрона, що приповерхнева частина кристала має складну будову. Він виявив активний шар товщиною приблизно десять мікрон, в якому спостерігалося явище інжекційної люмінесценції. За результатами проведених експериментів Лосєв припустив, що причиною уніполярної провідності є відмінність умов руху електрона по обидва боки активного шару (або, як ми сказали сьогодні, - різні типи провідності). Згодом, експериментуючи з трьома та більше зондами-електродами, розташованими в цих областях, він справді підтвердив своє припущення. Ці дослідження є ще одним значним досягненням Лосєва як вченого-фізика.

У 1935 році, в результаті чергової реорганізації радіомовного інституту та непростих відносин з керівництвом, Лосєв залишається без роботи. Лаборанту Лосєву дозволялося робити відкриття, але з грітися у променях слави. І це при тому, що його ім'я було добре відоме сильним світу цього. У листі, датованому 16 травня 1930 року, академік А. Ф. Іоффе пише своєму колегі Паулю Еренфесту: «У науковому відношенні у мене низка успіхів. Так, Лосєв отримав у карборунді та інших кристалах світіння під дією електронів у 2–6 вольт. Кордон світіння у діапазоні обмежена…».

У ЛФТІ Лосєв довгий час мав своє робоче місце, але в інститут його не беруть, надто незалежна він людина. Усі роботи виконував самостійно – у жодній із них немає співавторів.

За допомогою друзів Лосєв влаштовується помічником на кафедру фізики Першого медичного інституту. На новому місці йому набагато складніше займатись науковою роботою, оскільки немає необхідного обладнання. Проте, поставивши за мету вибрати матеріал для виготовлення фотоелементів і фотоопорів, Лосєв продовжує дослідження фотоелектричних властивостей кристалів. Він вивчає понад 90 речовин та особливо виділяє кремній з його помітною фоточутливістю.

У той час не було достатньо чистих матеріалів, щоб досягти точного відтворення отриманих результатів, але Лосєв (вкотре!) суто інтуїтивно розуміє, що цьому матеріалу належить майбутнє. На початку 1941 року він починає роботу над новою темою - «Метод електролітних фотоопорів, фоточутливість деяких сплавів кремнію». Коли почалася Велика Вітчизняна війна, Лосєв не їде в евакуацію, бажаючи завершити статтю, в якій викладав результати своїх досліджень з кремнію. Очевидно, йому вдалося закінчити роботу, оскільки статтю було надіслано до редакції «ЖЕТФ». На той час редакція вже була евакуйована з Ленінграда. На жаль, після війни не вдалося знайти слідів цієї статті, і тепер можна лише здогадуватися про її зміст.

22 січня 1942 року Олег Володимирович Лосєв помер з голоду в блокадному Ленінграді. Йому було 38 років.

У тому ж 1942 році в США компанії Sylvania і Western Electric почали промислове виробництво кремнієвих (а трохи пізніше і германієвих) точкових діодів, які використовувалися як детектори змішувачів в радіолокаторах. Смерть Лосєва збіглася за часом із народженням кремнієвих технологій.

Військовий трамплін

У 1925 році корпорація American Telephone and Telegraph (AT&T) відкриває науковий та дослідно-конструкторський центр Bell Telephone Laboratories. У 1936 році директор Bell Telephone Laboratories Мервін Келлі вирішує сформувати групу вчених, яка б провела серію досліджень, спрямованих на заміну лампових підсилювачів напівпровідниковими. Групу очолив Джозеф Бекер, який залучив до роботи фізика-теоретика Вільяма Шоклі та блискучого експериментатора Уолтера Браттейна.

Закінчивши докторантуру в Массачусетському технологічному інституті, знаменитому МТІ, і вступивши на роботу в Bell Telephone Laboratories, Шоклі, будучи винятково амбітною та честолюбною людиною, енергійно береться за справу. У 1938 році, в робочому зошиті 26-річного Шоклі з'являється перший малюнок напівпровідникового тріода. Ідея проста і не відрізняється оригінальністю: зробити пристрій, максимально схожий на електронну лампу, з тією лише відмінністю, що електрони в ньому протікатимуть тонким ниткоподібним напівпровідником, а не пролітатимуть у вакуумі між катодом і анодом. Для управління струмом напівпровідника передбачалося запровадити додатковий електрод (аналог сітки) - прикладаючи щодо нього напруга різної полярності. Таким чином, можна буде або зменшувати, або збільшувати кількість електронів у нитці і, відповідно, змінювати її опір і струм, що протікає. Все як у радіолампі, тільки без вакууму, без громіздкого скляного балона та без підігріву катода. Витіснення електронів з нитки або їх приплив повинен був відбуватися під впливом електричного поля, створюваного між керуючим електродом та ниткою, тобто завдяки польовому ефекту. Для цього нитка має бути саме напівпровідниковою. У металі занадто багато електронів і ніякими полями їх не витісниш, а діелектрики вільних електронів практично немає. Шоклі розпочинає теоретичні розрахунки, проте всі спроби побудувати твердотільний підсилювач ні до чого не призводять.

У той же час у Європі німецькі фізики Роберт Поль і Рудольф Хілш створили на основі броміду калію контактний триелектродний кристалічний підсилювач, що працює. Проте жодної практичної цінності німецький прилад не являв. Він мав дуже низьку робочу частоту. Є відомості, що в першій половині 1930-х років триелектродні напівпровідникові підсилювачі «зібрали» і два радіоаматори – канадець Ларрі Кайзер і новозеландський школяр Роберт Адамс. Адамс, який надалі став радіоінженером, помічав, що йому ніколи не спадало на думку оформити патент на винахід, оскільки всю інформацію для свого підсилювача він почерпнув з радіоаматорських журналів та інших відкритих джерел.

До 1926-1930 років. відносяться роботи Юліуса Лілієнфельда (рис. 19), професора Лейпцизького університету, який запатентував конструкцію напівпровідникового підсилювача, в наш час відомого під назвою польовий транзистор (рис. 20).

Мал. 19. Юліус Лілієнфельд

Мал. 20. Патент Ю. Лілієнфельда на польовий транзистор

Лілієнфельд припускав, що при подачі напруги на слабкий матеріал буде змінюватися його провідність і у зв'язку з цим виникне посилення електричних коливань. Незважаючи на отримання патенту, створити працюючий прилад Лілієнфельд не зумів. Причина була найпрозаїчніша - у 30-х роках ХХ століття ще не знайшлося необхідного матеріалу, на основі якого можна було б виготовити працюючий транзистор. Саме тому зусилля більшості вчених на той час були спрямовані на винахід більш складного біполярного транзистора. Таким чином, намагалися обійти труднощі, що виникли під час реалізації польового транзистора.

Роботи з твердотільного підсилювача в Bell Telephone Laboratories припиняються з початком Другої світової війни. Вільям Шоклі та багато його колег відряджено в розпорядження міністерства оборони, де працюють до кінця 1945 року.

Твердотільна електроніка не становила інтересу для військових – досягнення їм уявлялися сумнівними. За одним винятком. детектори. Вони якраз і опинилися в центрі історичних подій.

У небі над Ла-Маншем розгорнулася грандіозна битва за Британію, яка досягла апогею у вересні 1940 року. Після окупації Західної Європи Англія залишилася віч-на-віч з армадою німецьких бомбардувальників, які руйнують берегову оборону і готують висадку морського десанту для захоплення країни - операцію «Морський лев». Важко сказати, що врятувало Англію - диво, рішучість прем'єра Уінстона Черчілля чи станції радіолокації. Радари, що з'явилися наприкінці 30-х років, дозволяли швидко і точно виявляти ворожі літаки і своєчасно організовувати протидію. Втративши в небі над Британією понад тисячу літаків, гітлерівська Німеччина сильно охолонула ідеї захоплення Англії 1940-го і приступила до підготовки бліцкригу на Сході.

Англії були потрібні радари, радарам – кристалічні детектори, детекторам – чисті германій та кремній. Першим, і у значних кількостях, на заводах та у лабораторіях з'явився германій. З кремнієм через високу температуру його обробки спочатку виникли деякі труднощі, але незабаром проблему вирішили. Після цього перевагу віддали кремнію. Кремній був дешевий у порівнянні з Німеччиною. Отже, трамплін для стрибка до транзистора був майже готовий.

Друга світова стала першою війною, в якій наука, за своєю значущістю для перемоги над ворогом, виступила на рівних із конкретними збройовими технологіями, а в чомусь і випередила їх. Згадаймо атомний та ракетний проекти. До цього списку можна включити і транзисторний проект, передумови якого значною мірою закладено розвитком військової радіолокації.

Відкриття

У повоєнні роки Bell Telephone Laboratories починають форсувати роботи в галузі глобального зв'язку. Апаратура 1940-х років використовувала для посилення, перетворення та комутації сигналів в абонентських ланцюгах два основні елементи: електронну лампу та електромеханічне реле. Ці елементи були громіздкі, спрацьовували повільно, споживали багато енергії та не відрізнялися високою надійністю. Удосконалити їх означало повернутися до ідеї використання напівпровідників. У Bell Telephone Laboratories знову створюється дослідницька група (рис. 21), науковим керівником якої стає Вільям Шоклі, який повернувся «з війни». У команду входять Уолтер Браттейн, Джон Бардін, Джон Пірсон, Берт Мур та Роберт Гібні.

Мал. 21. Мюррей Хілл, штат Нью-Джерсі, США, Bell Laboratories. Місце народження транзистора.

На самому початку команда приймає найважливіше рішення: спрямувати зусилля вивчення властивостей лише двох матеріалів - кремнію і германію, як найбільш перспективних реалізації поставленої задачи. Звичайно, група почала розробляти передвоєнну ідею Шоклі - підсилювача з ефектом поля. Але електрони всередині напівпровідника вперто ігнорували будь-які зміни потенціалу на електроді, що управляє. Від високої напруги і струмів кристали вибухали, але не бажали змінювати свій опір.

Над цим замислився теоретик Джон Бардін. Шоклі, не отримавши швидкого результату, охолодів до теми і не брав активної участі у роботі. Бардін припустив, що значна частина електронів насправді не «розгулює» вільно по кристалу, а застряє в якихось пастках біля поверхні напівпровідника. Заряд цих «застряглих» електронів екранує поле, що прикладається ззовні, яке не проникає в об'єм кристала. Ось так 1947 року у фізику твердого тіла увійшла теорія поверхневих станів. Тепер, коли, здавалося, причину невдач знайдено, група почала осмислено реалізовувати ідею ефекту поля. Інших ідей просто не було. Стали у різний спосіб обробляти поверхню германію, сподіваючись усунути пастки електронів. Перепробували все – хімічне травлення, механічне полірування, нанесення на поверхню різних пасиваторів. Кристали занурювали у різні рідини, але результату не було. Тоді вирішили максимально локалізувати зону управління, для чого один з струмопроводів і електрод, що управляє, виготовили у вигляді близько розташованих пружних голок. Експериментатор Браттейн, за плечима якого був 15-річний досвід роботи з різними напівпровідниками, міг по 25 годин на добу крутити осцилографові ручки.

Теоретик Бардін завжди був поруч, готовий добу безперервно перевіряти свої теоретичні викладки. Обидва дослідники, як кажуть, знайшли один одного. Вони практично не виходили з лабораторії, але час минав, а скільки-небудь істотних результатів, як і раніше, не було.

Одного разу Браттейн, висмикнутий від невдач, зрушив голки майже впритул, більше того - випадково переплутав полярності потенціалів, що до них додаються. Вчений не повірив своїм очам. Він був вражений, але на екрані осцилографа було очевидно посилення сигналу. Теоретик Бардін відреагував блискавично та безпомилково: ефекту поля ніякого немає, і справа не в ньому. Посилення сигналу виникає з іншої причини. У всіх попередніх оцінках розглядалися лише електрони, як основні носії струму в германієвому кристалі, а «дірки», яких було в мільйони разів менше, ігнорувалися. Бардін зрозумів, що справа саме у «дірках». Введення "дірок" через один електрод (цей процес назвали інжекцією) викликає незмірно більший струм в іншому електроді. І все це на тлі незмінності стану величезної кількості електронів.

Ось так, непередбачуваним чином, 19 грудня 1947 на світ з'явився точковий транзистор (рис. 22).

Спочатку новий пристрій назвали германієвим тріодом. Бардіна і Браттейна назва не сподобалася. Чи не звучало. Вони хотіли, щоб назва закінчувалася б на тор, за аналогією з резистором або термістором. Тут їм на допомогу приходить інженер-електронник Джон Пірс, який чудово володів словом (надалі він стане відомим популяризатором науки та письменником-фантастом під псевдонімом J. J. Coupling). Пірс згадав, що одним із параметрів вакуумного тріода служить крутість характеристики, англійською - transconductance. Він запропонував назвати аналогічний параметр твердотільного підсилювача transresistance, а сам підсилювач, а це слово просто крутилося мовою - транзистором. Назва всім сподобалася.

Через кілька днів після чудового відкриття, напередодні Різдва, 23 грудня 1947 року відбулася презентація транзистора керівництву Bell Telephone Laboratories (рис. 23).

Мал. 23. Точковий транзистор Бардіна-Браттейна

Вільям Шоклі, який проводив відпустку у Європі, терміново повернувся до Америки. Несподіваний успіх Бардіна і Браттейна глибоко зачіпає його самолюбство. Він раніше за інших задумався про напівпровідниковий підсилювач, очолив групу, вибрав напрямок досліджень, але на співавторство в «зірковому» патенті претендувати не міг. На тлі загального тріумфу, блиску і дзвону келихів з шампанським Шоклі виглядав розчарованим і похмурим. І тут відбувається щось, що завжди буде приховано від нас пеленою часу. За один тиждень, який згодом Шоклі назве своїм «пристрасним тижнем», він створює теорію транзистора з p-n-переходами, що замінили екзотичні голочки, і в новорічну ніч винаходить площинний біполярний транзистор. (Зауважимо, що біполярний транзистор, що реально працює, був виготовлений тільки в 1950 році.)

Пропозиція принципової схеми ефективнішого твердотільного підсилювача з листковою структурою зрівняло Шоклі у правах відкриття транзисторного ефекту з Бардіним і Браттейном.

Через півроку, 30 червня 1948 року, у Нью-Йорку, у штаб-квартирі Bell Telephone Laboratories, після залагодження всіх необхідних патентних формальностей, відбулася відкрита презентація транзистора. На той час уже розпочалася холодна війна між США та Радянським Союзом, тому технічні новинки передусім оцінювалися військовими. На превеликий подив усіх присутніх, експерти з Пентагону не зацікавилися транзистором і порекомендували використовувати його в слухових апаратах.

Через кілька років новий пристрій став незамінним компонентом у системі управління бойовими ракетами, але саме того дня короткозорість військових врятувала транзистор від грифу «цілком таємно».

Журналісти відреагували на винахід без особливих емоцій. На сорок шостій сторінці в розділі "Новини радіо" в газеті "Нью-Йорк Таймс" було надруковано коротку замітку про винахід нового радіотехнічного пристрою. І тільки.

У Bell Telephone Laboratories не очікували такого розвитку подій. Військових замовлень із їхнім щедрим фінансуванням не передбачалося навіть у віддаленій перспективі. Терміново приймається рішення про продаж усім охочим ліцензій на транзистор. Сума угоди – $25 тис. Організовується навчальний центр, проводяться семінари для фахівців. Результати не змушують на себе чекати (рис. 24).

Транзистор швидко знаходить застосування в різних пристроях - від військового і комп'ютерного обладнання до споживчої електроніки. Цікаво, що перший портативний радіоприймач тривалий час так і називали – транзистор.

Європейський аналог

Роботи зі створення триелектродного напівпровідникового підсилювача велися і з іншого боку океану, але про них відомо набагато менше.

Нещодавно бельгійський історик Арманд Ван Дормел і професор Стенфордського університету Майкл Ріордан виявили, що наприкінці 1940-х років у Європі був винайдений і навіть запущений у серію «рідний брат транзистора» Бардіна-Браттейна.

Європейських винахідників точкового транзистора звали Герберт Франц Матаре та Генріх Йоганн Велкер (рис. 25). Матаре був фізиком-експериментатором, працював у німецькій фірмі Telefunken і займався мікрохвильовою електронікою та радіолокацією. Велкер більше був теоретиком, довгий час викладав у Мюнхенському університеті, а у воєнні роки працював на Люфтваффі.

Мал. 25. Винахідники транзитрону Герберт Матаре та Генріх Велкер

Зустрілися вони у Парижі. Після розгрому фашистської Німеччини обидві фізики були запрошені до європейської філії американської корпорації Westinghouse.

Ще 1944 року Матаре, займаючись напівпровідниковими випрямлячами для радарів, сконструював прилад, який назвав дуодіодом. Це була пара працюючих паралельно точкових випрямлячів, що використовують одну й ту саму платівку Німеччини. При правильному доборі параметрів пристрій пригнічував шуми у приймальному блоці радара. Тоді Матаре виявив, що коливання напруги одному електроді можуть обернутися зміною сили струму, що проходить через другий електрод. Зауважимо, що опис такого ефекту містився ще в патенті Лілієнфельда, і не виключено, що Матаре знав про це. Але як би там не було, він зацікавився явищем і продовжував дослідження.

Велкер прийшов до ідеї транзистора з іншого боку, займаючись квантовою фізикою та зонною теорією твердого тіла. На початку 1945 року він створює схему твердотільного підсилювача, дуже схожого на пристрій Шоклі. У березні Велкер встигає його зібрати та випробувати, але йому пощастило не більше, ніж американцям. Пристрій не працює.

У Парижі Матарі та Велкер доручають організувати промислове виробництво напівпровідникових випрямлячів для французької телефонної мережі. Наприкінці 1947 року випрямлячі запускаються в серію, і в Матарі з Велкер з'являється час для відновлення досліджень. Вони приступають до подальших експериментів із дуодіодом. Удвох вони виготовляють платівки з більш чистого германію і отримують стабільний ефект посилення. Вже на початку червня 1948 року Матаре і Велкер створюють точковий транзистор, що стабільно працює. Європейський транзистор з'являється на півроку пізніше, ніж пристрій Бардіна та Браттейна, але абсолютно незалежно від нього. Про роботу американців Матарі та Велкер не могли нічого знати. Перша згадка у пресі про «новий радіотехнічний пристрій», що вийшов із Bell Laboratories, з'явилася лише 1 липня.

Подальша доля європейського винаходу склалася сумно. Матаре та Велкер у серпні підготували патентну заявку на винахід, але французьке бюро патентів дуже довго вивчало документи. Лише у березні 1952 року вони одержують патент на винахід транзитрону – таку назву вибрали німецькі фізики своєму напівпровідниковому підсилювачу. На той час паризька філія Westinghouse вже розпочала серійне виробництво транзитронів. Основним замовником виступало Поштове міністерство. У Франції будувалося багато нових телефонних ліній. Проте століття транзитронів було недовго. Незважаючи на те, що вони працювали краще і довше за свого американського «собрата» (за рахунок більш ретельного складання), завоювати світовий ринок транзитрони не змогли. Згодом французька влада взагалі відмовилася субсидувати дослідження в галузі напівпровідникової електроніки, переключившись на масштабніші ядерні проекти. Лабораторія Матаре і Велкера занепадає. Вчені вирішують повернутися на батьківщину. На той час у Німеччині починається відродження науки та високотехнологічної промисловості. Велкер влаштовується на роботу в лабораторію концерну Siemens, яку згодом очолить, а Матаре переїжджає до Дюсельдорфа і стає президентом невеликої компанії Intermetall, яка випускає напівпровідникові прилади.

Післямова

Якщо простежити долі американців, то Джон Бардін пішов з Bell Telephone Labora-tories в 1951 році, зайнявся теорією надпровідності і в 1972 разом із двома своїми учнями був удостоєний Нобелівської премії «За розробку теорії надпровідності», ставши, таким чином, єдиним в історії вченим, двічі нобелівським лауреатом.

Уолтер Браттейн пропрацював у Bell Telephone Laboratories до виходу на пенсію у 1967 році, а потім повернувся до свого рідного міста та зайнявся викладанням фізики у місцевому університеті.

Доля Вільяма Шоклі склалася в такий спосіб. Він залишає Bell Telephone Laboratories у 1955 році і, за фінансової допомоги Арнольда Бекмана, засновує фірму з виробництва транзисторів – Shockly Transistor Corporation. На роботу в нову компанію переходять багато талановитих вчених та інженерів, але через два роки більшість з них йдуть від Шоклі. Зарозумілість, зарозумілість, небажання прислухатися до думки колег і нав'язлива ідея не повторити помилку, яку він припустився у роботі з Бардіним і Браттейном, роблять свою справу. Компанія розвалюється.

Його колишні співробітники Гордон Мур і Роберт Нойс за підтримки того ж таки Бекмана заснують фірму Fairchild Semiconductor, а потім, у 1968 році створюють власну компанію - Intel.

Мрія Шоклі побудувати напівпровідникову бізнес-імперію була втілена в життя іншими (рис. 26), а йому знову дісталася роль стороннього спостерігача. Іронія долі у тому, що ще 1952 року саме Шоклі запропонував конструкцію польового транзистора з урахуванням кремнію. Проте компанія Shockly Transistor Corporation не випустила жодного польового транзистора. Сьогодні цей пристрій є основою усієї комп'ютерної індустрії.

Мал. 26. Еволюція транзистора

Після невдачі у бізнесі Шоклі стає викладачем у Стендфордському університеті. Він читає блискучі лекції з фізики, особисто займається з аспірантами, але йому не вистачає колишньої слави – всього того, що американці називають ємним словом publicity. Шоклі включається до суспільного життя і починає виступати з доповідями з багатьох соціальних та демографічних питань. Пропонуючи вирішення гострих проблем, пов'язаних з перенаселенням азіатських країн та національними відмінностями, він скочується до євгеніки та расової нетерпимості. Преса, телебачення, наукові журнали звинувачують його в екстремізмі та расизмі. Шоклі знову «знаменить» і, схоже, відчуває задоволення від того, що відбувається. Його репутації та кар'єрі вченого приходить кінець. Він виходить на пенсію, перестає з усіма спілкуватися, навіть із власними дітьми, і доживає життя самітником.

Різні люди, різні долі, але всіх їх поєднує причетність до відкриття, яке докорінно змінило наш світ.

Дату 19 грудня 1947 можна по праву вважати днем ​​народження нової епохи. Почався відлік нового часу. Світ зробив крок в епоху цифрових технологій.

Література

1. William F. Brinkman, Douglas E. Haggan, William W. Troutman. History of Invention of 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. Новіков М. А. Олег Володимирович Лосєв - піонер напівпровідникової електроніки // Фізика твердого тіла. 2004. Том 46, вип. 1.
4. Остроумов Б., Шляхтер І. ​​Винахідник крістадіна О. В. Лосєв. // Радіо. 1952. №5.
5. Жирнов В., Суетін Н. Винахід інженера Лосєва // Експерт. 2004. № 15.
6. Lee T. H., A Nonlinear History of Radio. Cambridge University Press. 1998.
7. Носов Ю. Парадокси 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

Хто створив перший транзистор? Це питання хвилює дуже багатьох. Перший патент для польового транзисторного принципу був оформлений у Канаді австро-угорським фізиком Юлієм Едгаром Лілієнфельдом 22 жовтня 1925 року, але Лілієнфельд не опублікував жодних наукових статей про свої пристрої, і його робота була проігнорована промисловістю. Таким чином, перший у світі транзистор канув в історію. 1934 року німецький фізик доктор Оскар Хайль запатентував інший польовий транзистор. Немає прямих доказів того, що ці пристрої були побудовані, але пізніше робота в 1990-х роках показала, що один із проектів Лілієнфельда працював так, як описано, і давав суттєвий результат. Нині відомим і загальноприйнятим фактом вважається те, що Вільям Шоклі та його помічник Джеральд Пірсон створили робочі версії апаратів з патентів Лілієнфельда, про що, зрозуміло, ніколи не згадували в жодній зі своїх пізніших наукових праць чи історичних статей. Перші комп'ютери на транзисторах, зрозуміло, були збудовані значно пізніше.

Лабораторія Белла

Лабораторія Белла працювала на транзисторі, побудованому для виробництва надзвичайно чистих германієвих «кристальних» міксерів-діодів, що використовуються в радіолокаційних установках як елемент частотного мікшера. Паралельно з цим проектом існувало безліч інших, серед них - транзистор на германієвих діодах. Ранні схеми на основі трубки не мали функції швидкого перемикання, і замість них команда Bell використовувала твердотільні діоди. Перші комп'ютери на транзисторах працювали за схожим принципом.

Подальші дослідження Шоклі

Після війни Шоклі вирішив спробувати збудувати тріодоподібний напівпровідниковий пристрій. Він забезпечив фінансування і лабораторний простір, а потім почав розбиратися з проблемою спільно з Бардіном і Браттеном. Джон Бардін зрештою розробив нову галузь квантової механіки, відому як фізика поверхні, щоб пояснити свої перші невдачі, і цим ученим зрештою вдалося створити робочий пристрій.

Ключем до розвитку транзистора стало подальше розуміння процесу рухливості електронів у напівпровіднику. Було доведено, що якби був якийсь спосіб контролювати потік електронів від емітера до колектора цього знову виявленого діода (виявлений 1874, запатентований 1906), можна було б побудувати підсилювач. Наприклад, якщо помістити контакти з обох боків від одного типу кристала, струм не пройде через нього.

Насправді робити це виявилося дуже складно. Розмір кристала повинен був бути більш усередненим, а кількість передбачуваних електронів (або отворів), які необхідно було "впорскувати", було дуже великим, що зробило б його менш корисним, ніж підсилювач, тому що для цього знадобився великий струм упорскування. Проте вся ідея кристалічного діода полягала в тому, що сам кристал міг утримувати електрони на дуже невеликій відстані, перебуваючи при цьому на межі виснаження. Очевидно, ключ у тому, щоб контакти введення і виведення були дуже близькі друг до друга лежить на поверхні кристала.

Праці Браттена

Браттен почав працювати над створенням такого пристрою, і натяки на успіх продовжували з'являтися, коли команда працювала над проблемою. Винахідництво – складна робота. Іноді система працює, але потім відбувається черговий збій. Іноді результати роботи Браттена починали несподівано працювати у воді, мабуть, через її високу провідність. Електрони у будь-якій частині кристала мігрують через близькі заряди. Електрони в емітерах або «дірки» в колекторах акумулювали безпосередньо зверху кристала, де і отримують протилежний заряд, що «плаває» в повітрі (або воді). Однак їх можна було відштовхнути з поверхні із застосуванням невеликої кількості заряду з іншого місця на кристалі. Замість того, щоб вимагати великий запас інжектованих електронів, дуже невелика кількість у потрібному місці на кристалі виконає те саме.

Новий досвід дослідників певною мірою допоміг вирішити проблему невеликої контрольної області, що виникла раніше. Замість необхідності використання двох окремих напівпровідників, з'єднаних загальною, але крихітною областю, використовуватиметься одна велика поверхня. Виходи емітера та колектора були б розташовані зверху, а контрольний провід розміщений на підставі кристала. Коли струм був застосований до «базового» висновку, електрони виштовхувалися через блок напівпровідника і збиралися на дальній поверхні. Поки випромінювач і колектор були дуже близько розташовані, це мало б забезпечувати достатню кількість електронів або дірок між ними, щоб розпочати проведення.

Приєднання Брея

Раннім свідком цього явища був Ральф Брей, молодий аспірант. Він приєднався до розробки германієвого транзистора в Університеті Пердью у листопаді 1943 року і отримав складне завдання вимірювання опору розсіювання на контакті метал-напівпровідник. Брей виявив безліч аномалій, таких як внутрішні бар'єри високого опору деяких зразках германію. Найбільш цікавим явищем був виключно низький опір, що спостерігається при застосуванні імпульсів напруги. Перші радянські транзистори розроблялися з урахуванням цих американських напрацювань.

Прорив

16 грудня 1947 року, використовуючи двоточковий контакт, було зроблено контакт із поверхнею германію, анодованої до дев'яносто вольт, електроліт змився в H 2 O, та був у ньому випало кілька золотих плям. Золоті контакти були притиснуті до голих поверхонь. Поділ між крапками був близько 4 × 10 -3 см. Одна точка використовувалася як сітка, а інша точка - як платівка. Ухилення (DC) на сітці мало бути позитивним, щоб отримати посилення потужності напруги на зміщенні пластини близько п'ятнадцяти вольт.

Винахід першого транзистора

З історією цього чудомеханізму пов'язано багато питань. Частина знайома читачеві. Наприклад: чому перші транзистори СРСР були PNP-типу? Відповідь це питання у продовженні всієї цієї історії. Браттен і Х. Р. Мур продемонстрували кільком колегам і менеджерам у Bell Labs у другій половині дня 23 грудня 1947 року результат, яких вони досягли, тому цей день часто згадується як дата народження транзистора. PNP-контактний германієвий транзистор працював мовленнєвим підсилювачем з коефіцієнтом посилення потужності 18. Це відповідь на питання, чому перші транзистори СРСР були PNP-типу, адже їх закупили саме у американців. У 1956 році Джон Бардін, Уолтер Хаузер Браттен та Вільям Бредфорд Шоклі були удостоєні Нобелівської премії з фізики за дослідження напівпровідників та відкриття ефекту транзистора.

Дванадцять чоловік згадуються як безпосередня участь у винаході транзистора у лабораторії Bell.

Найперші транзистори в Європі

Водночас, деякі європейські вчені зайнялися ідеєю твердотілих підсилювачів. У серпні 1948 року німецькі фізики Герберт Ф. Матаре та Генріх Велькер, які працювали в інституті Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse в Ольні-су-Буа, Франція, подали заявку на патент на підсилювач, заснований на меншості, які вони назвали «транзистором». Оскільки Bell Labs не публікував транзистор до червня 1948, транзистор вважався незалежно розробленим. Вперше Mataré спостерігала ефекти крутості під час виробництва кремнієвих діодів для німецького радіолокаційного обладнання під час Другої світової війни. Транзистори були комерційно виготовлені для французької телефонної компанії та військових, а в 1953 році на радіостанції в Дюссельдорфі було продемонстровано твердотільний радіоприймач із чотирма транзисторами.

Bell Telephone Laboratories потребувало назву для нового винаходу: Semiconductor Triode, Tried States Triode, Crystal Triode, Solid Triode та Iotatron були розглянуті, але «транзистор», придуманий Джоном Р. Пірсом, був явним переможцем внутрішнього голосування (частково завдяки близькості, яку інженери Белла розробили для суфікса "-істор").

Перша комерційна лінія з виробництва транзисторів у світі була на заводі Western Electric на Union Boulevard в Аллентауні, штат Пенсільванія. Виробництво почалося 1 жовтня 1951 з точкового контактного германієвого транзистора.

Подальше застосування

Аж до початку 1950-х цей транзистор використовувався у всіх видах виробництва, але все ще існували значні проблеми, що перешкоджають його ширшому застосуванню, такі як чутливість до вологи і крихкість проводів, прикріплених до кристалів германію.

Шоклі часто звинувачували у плагіаті через те, що його роботи були дуже наближені до праць великого, але невизнаного угорського інженера. Але адвокати Bell Labs швидко вирішили цю проблему.

Тим не менш, Шоклі був обурений нападками з боку критиків і вирішив продемонструвати, хто був справжнім мозком усієї великої епопеї щодо винаходу транзистора. Лише через кілька місяців він винайшов зовсім новий тип транзистора, який має дуже своєрідну «бутербродну структуру». Ця нова форма була значно надійнішою, ніж тендітна система точкового контакту, і саме вона почала використовуватися в усіх транзисторах 60-х років ХХ століття. Незабаром вона розвинулася в апарат біполярного переходу, який став основою першого біполярного транзистора.

Статичний індукційний прилад, перша концепція високочастотного транзистора, був винайдений японськими інженерами Jun-ichi Nishizawa та Y. Watanabe у 1950 році та, нарешті, зміг створити експериментальні прототипи у 1975 році. Це був найшвидший транзистор у 80-х роках ХХ століття.

Подальші розробки включали прилади з розширеним з'єднанням, поверхнево-бар'єрний транзистор, дифузійний, тетродний і пентодний. Дифузійний кремнієвий "меза-транзистор" був розроблений в 1955 році в Bell і комерційно доступний Fairchild Semiconductor в 1958 році. Простір був типом транзистора, розробленого в 1950-х роках як покращення порівняно з точковим контактним транзистором та пізнішим транзистором зі сплаву.

В 1953 Філко розробив перший у світі високочастотний поверхнево-бар'єрний прилад, який також був першим транзистором, придатним для високошвидкісних комп'ютерів. Перше у світі транзисторне автомобільне радіо, виготовлене Philco у 1955 році, використало поверхнево-бар'єрні транзистори у своїй схемі.

Вирішення проблем та доопрацювання

Із вирішенням проблем крихкості залишилася проблема чистоти. Створення германію необхідної чистоти виявилося серйозною проблемою та обмежило кількість транзисторів, які фактично працювали з цієї партії матеріалу. Чутливість германію до температури також обмежувала його корисність.

Вчені припустили, що кремній легше буде виготовити, але мало хто вивчив цю можливість. Morris Tanenbaum в Bell Laboratories були першими, хто розробив робочий кремнієвий транзистор 26 січня 1954 р. Через кілька місяців, Гордон Тіл, що працює самостійно в Texas Instruments, розробив аналогічний пристрій. Обидва пристрої були зроблені шляхом контролю легування кристалів одного кремнію, коли вони вирощувалися з розплавленого кремнію. Більш високий метод був розроблений Моррісом Таненбаумом і Кальвіном С. Фуллером у Bell Laboratories на початку 1955 року шляхом газової дифузії донорних та акцепторних домішок у монокристалічні кремнієві кристали.

Польові транзистори

Польовий транзистор був вперше запатентований Юлісом Едгаром Лілієнфельдом у 1926 році та Оскаром Хейлом у 1934 році, але практичні напівпровідникові пристрої (транзистори з польовим ефектом переходу) були розроблені пізніше, після того як ефект транзистора спостерігався і пояснювався командою Уільяма7 , відразу після закінчення двадцятирічного патентного періоду.

Першим типом JFET був статичний індукційний транзистор (SIT), винайдений японськими інженерами Jun-ichi Nishizawa та Y. Watanabe у 1950 році. SIT – це тип JFET з короткою довжиною каналу. Напівпровідниковий польовий транзистор (МОП-транзистор) з металу-оксиду-напівпровідника, який значною мірою витіснив JFET і вплинув на розвиток електронної електронної техніки, був винайдений Дауном Кахнгом і Мартіном Аталою в 1959 році.

Польові транзистори можуть бути пристроями з мажоритарним зарядом, в яких струм переноситься переважно мажоритарними носіями або пристроями з носіями менших зарядів, в яких струм переважно обумовлений потоком неосновних носіїв. Прилад складається з активного каналу, через який носії заряду, електрони або отвори надходять із джерела каналізацію. Кінцеві висновки джерела та стоку підключаються до напівпровідника через омічні контакти. Провідність каналу є функцією потенціалу, що застосовується через клеми затвора та джерела. Цей принцип роботи дав початок першим всехвильовим транзисторам.

Всі польові транзистори мають клеми джерела, стоку та затвора, які приблизно відповідають емітеру, колектору та базі BJT. Більшість польових транзисторів мають четвертий термінал, який називається корпусом, базою, масою або субстратом. Цей четвертий термінал служить зміщення транзистора в експлуатацію. Рідко доводиться робити нетривіальне використання терміналів корпусу в схемах, але його присутність важлива при налаштуванні фізичного компонування інтегральної схеми. Розмір воріт, довжина L на діаграмі, - це відстань між джерелом та стоком. Ширина - це розширення транзистора у напрямі, перпендикулярному поперечному перерізу на діаграмі (тобто в/з екрана). Зазвичай ширина набагато більша, ніж довжина воріт. Довжина затвора 1 мкм обмежує верхню частоту приблизно 5 ГГц, від 0,2 до 30 ГГц.