Рождественская история. Как начиналось всё
24.12.2018130

24 декабря 1947 года заработал первый прибор на полупроводниковых транзисторах. Браттейн уже на следующий день после демонстрации транзистора показал в работе простейшую схему транзисторного генератора с 15-кратным усилением по напряжению. Процесс пошел…

Современный мир невозможно себе представить без электроники на транзисторах. Но так было не всегда…

(Продолжение. Читать начало рождественской истории…)

Рождественская история. Как начиналось всё

Здесь следует сделать небольшой экскурс в историю. В 1947 году мир уже вовсю пользовался преимуществами радиосвязи и телевидения. Уже заработал первый электронный компьютер (ENIAC). Создавались и другие электронные приборы, но все это на электронных (вакуумных) лампах. Без полупроводниковой компонентной базы мы бы никогда не узнали мир таким, каким знаем его сейчас.

Браттейн, Бардин и Шокли стали пионерами, первыми открывшими золотую жилу. Но, конечно же, путь к открытию начался задолго до того заснеженного дня в Мюррей Хилл.

Рождественская история. Как начиналось всё

Предтечей полупроводниковой (твердотельной) электроники считается выдающийся британский физик и химик Майкл Фарадей. В 1833 году он обнаружил, что проводимость сульфида серебра растет с повышением температуры, в противоположность металлам, чья проводимость при нагреве падает. Объяснить результаты исследований Фарадей не смог.

В 1874 году немецкий физик Фердинанд Браун, в будущем нобелевский лауреат (1909 год, совместно с Гульельмо Маркони, «За выдающийся вклад в создание беспроволочной телеграфии») в журнале Analen der Physik und Chemie описывает важнейшее свойство полупроводников — проводить электрический ток только в одном направлении. Выпрямляющее свойство контакта полупроводника с металлом противоречило закону Ома, что Браун объяснить не смог, но на основе эмпирических данных смоделировал устройство и описал принцип действия простейшего полупроводникового устройства – диода.

В 1906 году американский инженер Гринлиф Виттер Пикард запатентовал кремниевый кристаллический детектор. Из патентной заявки Пикарда: «Контакт между тонким металлическим проводником и поверхностью некоторых кристаллических материалов (кремний, галенит, пирит и др.) выпрямляет и демодулирует высокочастотный переменный ток, возникающий в антенне при приеме радиоволн».

Рождественская история. Как начиналось всё

Кристаллический детектор Пикарда назвали за внешнее сходство «кошачий ус». Впрочем, широкого распространения «кошачий ус» не получил, поскольку с легкой руки британца Джона Флеминга (первая электронная лампа) и американца Ли де Фореста (вакуумный триод) в электронике начинается «ламповая эпоха».

В то же время, во всем мире продолжаются изыскания в области полупроводниковых материалов. В 1910 году Уильям Генри Икклз обнаружил, что кристаллические детекторы в определённых условиях демонстрируют отрицательное дифференциальное сопротивление и потому могут быть использованы для генерации колебаний и усиления сигналов. Впрочем, кристаллические детекторы («кристадины») не смогли выдержать конкуренцию и к концу 1920-х годов были вытеснены вакуумными лампами, а развитие этого направления физики полупроводников приостановилось, по крайней мере в США.

Рождественская история. Как начиналось всё

В 1925 году австрийский физик Юлиус Генри Лилиенфельд, подал в Канаде первую патентную заявку на твердотельный усилитель, состоящий из слоёв металла и полупроводника. Фактически Юлиус запатентовал устройство простейшего полевого транзистора, но, увы, создать работающий прототип он не смог. Ни он, ни другие – на то время уровень технологий не позволял реализовать идеи Лилиенфельда на практике.

В 1927 годах американцы Грёндаль и Гейгер изобрели и даже внедрили в массовое производство (на заводе американской корпорации «Вестингауз» в Англии) твердотельный выпрямительный вентиль в виде медно-закисного выпрямителя (купрокса), а в 1930-е годы ему на смену пришёл более совершенный селеновый выпрямитель. Как писал Уолтер Браттейн, аналогия между выпрямителем на закиси меди и вакуумным диодом была очевидна для всех, изучавших полупроводники, — и многие из них задумывались о том, как внедрить в выпрямитель третий, управляющий электрод («сетку»), сделав из выпрямителя усилитель.

В 1935 году немецкий физик, Оскар Хайл, запатентовал в Великобритании принцип действия полевого транзистора. В 1938 году сотрудники Гёттингенского университета Роберт Поль и Рудольф Хилш создали работающий прототип твердотельного триода, способный усиливать медленно меняющийся входной сигнал. Впрочем, усилитель Поля был слишком медленным и работал только при высоких температурах и поэтому не имел практического развития. Сам Поль не захотел продолжать прикладные исследования, предпочитая им фундаментальную науку.

Рождественская история. Как начиналось всё

Есть сведения, что в 1930-х годов работающие трехэлектродные полупроводниковые усилители сумели собрать канадский радиолюбитель Ларри Кайзер и новозеландский школьник Роберт Адамс. Причем, черпая информацию из радиолюбительских журналов и используя имеющуюся на то время компонентную базу. Впрочем, подтверждения этой информации нет.

Следует отметить, что все безуспешные эксперименты тех лет были направлены на воспроизведение в полупроводниковом приборе принципа вакуумного триода. Так, в «триоде» Поля управляющий электрод представлял собой мелкоячеистую металлическую сетку, управлявшую полем внутри кристалла бромида калия.

В том же 1938 году, в рабочей тетради 26-летнего Шокли появляется первый набросок полупроводникового триода. Идея та же, что и у Роберта Поля – сделать полупроводниковый аналог вакуумного триода, с тем лишь отличием, что электроны в нем будут протекать по тонкому нитевидному полупроводнику, а не пролетать в вакууме между катодом и анодом. Для управления током полупроводника предполагалось использовать полевой эффект. Впрочем, эксперименты упорно не желали подтверждать теоретические выкладки ученого. А сконцентрироваться на дальнейших исследованиях помешала война.

Шокли, как и многие ученые, был мобилизован Пентагоном для работы над военными проектами (и немало преуспел в них). Исследования полупроводников, не представлявшие интереса для военных, были на время свернуты. Впрочем, кроме одной отрасли – кристаллических детекторов.

Военным нужны были радары. Для радаров были необходимы детекторы. Вакуумные лампы проигрывали кристаллическим детекторам на высоких частотах. Излучатели ранних радиолокаторов работали на частотах до 3 ГГц, а частотный диапазон детекторов на вакуумных диодах был ограничен 400 МГц. Контактные полупроводниковые детекторы могли эффективно выпрямлять сверхвысокие частоты, но для их производства требовались чистые полупроводники. Потребности военных стимулируют развитие физики твердого тела и технологии производства полупроводников, в частности производство чистых германия и кремния.

В 1942 году в США компании Sylvania и Western Electric начали промышленное производство кремниевых (а чуть позже и германиевых) точечных диодов, которые использовались в качестве детекторов-смесителей в радиолокаторах. Начинается отсчет кремниевой эры. Впрочем, до появления Кремниевой Долины было еще далеко.

Рождественская история. Как начиналось всё

Причины появления Кремниевой Долины следует искать, как ни странно, на Восточном побережье. Здесь, в пригороде Нью-Йорка Мюррей Хилл, в 1925 году корпорация American Telephone and Telegraph (AT&T) открывает научный и опытно-конструкторский центр Bell Telephone Laboratories. В недрах этой «фабрики патентов» родилось немало открытий, и именно здесь суждено было родиться и полупроводниковой отрасли.

После вступления США в войну большинство «гражданских» исследований в Bell Labs было заморожено полностью или частично, как, например, проект Шокли. Небольшой коллектив физиков-твердотельщиков продолжил исследования полупроводников, с целью разработки новых материалов для детектирования сверхвысоких частот в радиолокации. Электрохимик Рассел Ол сосредоточился на технологиях очистки и плавки кремния. В августе 1939 года Ол, Джон Скафф и Генри Тойерер провели первую плавку в гелиевой атмосфере. Детекторы, изготовленные из очищенного до 99,8% поликристаллического кремния, показывали высокую стабильность, но исследователей слегка озадачил тот факт, что полярность полученных полупроводников (проводимость из контакта в кристалл или наоборот) можно было определить только опытным путём.

В октябре 1939 года среди заготовок для детекторов обнаружился образец с весьма странными параметрами. На время он был отложен в сторону, и лишь в феврале 1940 года у Ола дошли руки до проверки «аномального» полупроводника. Оказалось, что образец реагировал на свет, а степень наблюдаемого фотоэффекта на порядок превосходила фотоэффект в традиционных для того времени фотоэлементах. Проводимость также зависела от температуры и влажности. Ол продемонстрировал свою находку Мервину Келли и Уолтеру Браттейну. Браттейн предположил, что фотоэффект возникает на некоем невидимом барьере между двумя слоями кремния, и что этот же барьер должен выпрямлять переменный ток.

Рождественская история. Как начиналось всё

При травлении азотной кислотой удалось увидеть барьер между двумя слоями кремния визуально. Скафф и Ол дали этим слоям имена: «кремний p-типа» (от англ. positive, положительный) и «кремний n-типа» (negative, отрицательный), в зависимости от направления тока в изготавливаемых из этих слоёв детекторах. Барьерная зона получила название p-n-переход. Эмпирически исследователи пришли к выводу, что получение кремния p-типа происходит из-за примесей бора и алюминия, а а n-типа – с примесями фосфора.

Личным волевым решением директор по исследованиям Bell Labs Келли засекретил открытие p-n-перехода. Bell Labs поставляла образцы кремния другим американскими и британскими лабораториям, но это был кремний исключительно p-типа. Ол лично отвечал за то, чтобы кремний n-типа и p-n-переходы не покидали стен компании. Шокли узнал об открытии Ола только в 1945 году, а широкая публика — 25 июня 1946 года, когда Ол и Скафф получили патенты на свои изобретения 1940 года. Открытие Ола и Скаффа станет важной ступенькой к созданию полевых транзисторов.

Но это уже совсем другая история…


vd-mais-professional-distributorЗа консультациями по применению современных электронных компонентов в системах различного назначения обращайтесь в отдел электронных компонентов научно-производственной фирмы VD MAIS — ведущего дистрибьютора электронных и электромеханических компонентов в Украине.

Купить онлайн