23 декабря – день рождения транзистора. В канун Рождества 1947 года презентацией первого твердотельного транзистора, ныне являющегося основой схемотехники электронных устройств, было положено начало новой эры в развитии человечества – эры полупроводниковой электроники.
Рождественские история. День рождения транзистора
Сегодня социальные сети переполнены поздравлениями всех и вся со Всемирным днем сноубордиста (предпоследнее воскресенье года), но почему-то мало кто вспоминает, что именно в этот день, 71 год назад, впервые “вышел в свет” первый полупроводниковый прибор, ставший предтечей всей полупроводниковой отрасли.
Случилось это в Мюррей Хилл, юго-западном пригороде Нью-Йорка, в одном из многочисленных корпусов Bell Telephone Laboratories фирмы American Telephone and Telegraph, гигантской “фабрики патентов” и крупнейшего по тем временам научно-исследовательского центра США.
23 декабря 1947 года двое ученых, блестящий физик-экспериментатор Уолтер Хаузер Браттейн и выдающийся физик-теоретик Джон Бардин, прРождественские история. День рождения транзистораедставили коллегам и руководству Bell Labs первый работающий прототип “точечного” транзистора. Руководство пожало плечами и разъехалось в поисках подарков для родни: на Нью-Йорк надвигались сильные снегопады и следовало поспешить, чтобы успеть сделать все покупки к Рождеству. К тому же, продемонстрированный прибор был “немного не тем”, над чем работала рабочая группа под руководством Уильяма Шокли.
Сам Шокли, срочно прилетевший на презентацию из Европы, где проводил отпуск, был раздосадован: он руководил группой по разработке полупроводникового усилителя с 1936 года (с перерывами), но открытие произошло без него и, в некотором роде, даже вопреки ему.
Впрочем, ранним рождественским утром 25 декабря, несмотря на снежные заносы, полностью парализовавшие Нью-Йорк и Нью-Джерси, Шокли сумел-таки добраться до лаборатории, чтобы ещё раз посмотреть на установку Браттейна. Кому, как не ему, человеку, положившему десяток лет жизни на создание полупроводникового усилителя, было понятно значение изобретения.
Забавно, но изобретение первого полупроводникового транзистора, как и многие другие эпохальные изобретения, произошло во многом случайно, во всяком случае, все пошло не совсем так, как было запланировано изначально.
Уильям Шокли работал в Bell Telephone Laboratories с 1936 года, занимаясь совершенствованием электронных ламп, но уже в 1938 году он начинает работать и над идеей полупроводниковых приборов. 29 декабря 1939 года Шокли сформулировал принцип работы полевого транзистора: током в канале между двумя электродами должно управлять внешнее поле, создаваемое третьим (управляющим) электродом, размещённым вне канала. Опираясь на опубликованные работы Поля, Иоффе и Давыдова и результаты экспериментов Браттейна, Шокли пришёл к выводу о невозможности внедрения управляющего электрода в массив полупроводника и не видел альтернативы полевому принципу управления.
На время войны талантливый физик был мобилизован для работы над военными проектами. В июне 1945 года Мервин Келли, директор по исследованиям Bell Labs, создал группу по исследованию твёрдого тела во главе с Шокли и Стэнли Морганом (Стенли должен был “дублировать” Шокли, загруженного работой над проектами Пентогона). В группу вошли Браттейн, Бардин, экспериментатор Джеральд Пирсон, физик-химик Роберт Джибни и инженер-электрик Хилберт Мур. Образцы полупроводников для группы изготавливали Уильям Пфанн, Джон Скафф и Генри Тойерер.
Опираясь на актуальные разработки того времени, Шокли сузил выбор полупроводников до германия и кремния, а направление исследований было сфокусировано на использовании эффекта поля. Но результаты экспериментов не подтверждали теоретические выкладки, в реальном полупроводнике эффект поля был на три порядка слабее, чем предсказывала теория. Бардин объяснил экспериментальные данные, предложив гипотезу поверхностных состояний, согласно которой на границе полупроводника и металлического электрода образуется пространственный заряд, нейтрализующий действие внешнего поля.
Бесчисленные эксперименты не давали результата, и Шокли понемногу охладел к этому направлению, уделяя больше времени другим направлениям деятельности, фактически самоустранившись от руководства проектом.
Работая над проблемой объёмного заряда, Бардин и Браттейн едва ли не ночуют в лаборатории, проводя бесчисленные эксперименты и понемногу отходя от концепции полевого транзистора. Шокли писал в 1972 году, что благодаря Бардину “мы прекратили “делать транзистор”.
В ноябре 1947 года Джибни предложил подавать на “триод” постоянное напряжение смещения с помощью точечного управляющего электрода, отделённого от массы полупроводника слоем электролита. К слову, Роберт Джибни наравне с Бардин и Браттейном заслуживает звания творца первого транзистора. Однако, уволившись из Bell Labs в 1948-м, Роберт сам себя вычеркнул из списка лауреатов Нобелевской премии 1956 года.
В начале декабря Бардин и Браттейн после совещания с заглянувшим на огонек Шокли решили заменить однородный полупроводник двухслойной структурой германия с p-n-переходом с высоким напряжением пробоя. 10 декабря “электролитический триод” на германии n-типа с инверсным слоем p-типа продемонстрировал усиление по мощности. Впрочем, прибор был неприемлемо медленным даже на низких частотах, поэтому 12 декабря Бардин решил заменить электролит на тонкую плёнку окиси германия. В тот день исследователям не удалось добиться результата. 15 декабря установка с оксидной плёнкой продемонстрировала двукратное усиление по напряжению в частотном диапазоне до 10 кГц. После этого опыта Бардин предложил использовать два контактных электрода — управляющий (эмиттер) и управляемый (коллектор). По расчётам Бардин, схема могла бы усиливать мощность при межэлектродном расстоянии не более пяти микрон (2·10−4 дюйма).
Чтобы получить столь малое расстояние, Браттейн сконструировал контактный узел из пластмассовой треугольной призмы с наклеенной на неё полоской золотой фольги. Аккуратно разрезав фольгу бритвой, Браттейн получил зазор между коллектором и эмиттером шириной около 50 микрон.
16 декабря слегка подуставший от бесчисленных неудач Браттейн, проводя опыт, перепутал полярность контактной группы и… создал первый работоспособный точечный транзистор. Он обеспечивал устойчивое усиление сигнала. На частоте 10 МГц усиление составило 20 дБ при выходной мощности 25 мВт.
Джон Бардин, неотступно находившийся рядом с Браттейном, чтобы интерпретировать результаты опытов, мгновенно “ухватился” за “нестандартный” опыт. Как видно из сохранившихся рабочих записей Бардин, уже к 19 декабря он подвел под эмпирические результаты теоретическую базу. Спустя неделю после случайного открытия, 23 декабря 1947 года, Браттейн и Бардин продемонстрировали прототип первого точечного транзистора коллегам и руководству. И с тех пор именно эта дата и считается днём изобретения транзистора.
Конечно, этим изобретением только начался длинный путь к современной электронике. Открытие транзистора запустило целый клубок событий и драматических жизненных сюжетов. Уже через день, 24 декабря, Браттейн показал первый твердотельный транзисторный генератор с 15-кратным усилением по напряжению. Еще через день Шокли, в состоянии близком к аффекту, засядет за создание теории транзистора с p-n-переходами, чтобы под самый Новый год изобрести биполярный транзистор с плоскостными переходами.
Затем будет “гонка” транзисторов, в ходе которой на сцену выйдут многие именитые инженеры, ученые и предприниматели. В результате родится целая отрасль, будет создана Кремниевая Долина, мир изменится до неузнаваемости. Но это будет позже. А пока в заснеженном Нью-Йорке Браттейн крутил ручку осциллографа, а Бардин комментировал показания прибора.
Первая презентация нового транзистора, до той поры засекреченного, состоится лишь в июне 1948 года. Тогда собравшимся в штаб-квартире фирмы American Telephone and Telegraph в Нью-Йорке продемонстрировали первый транзисторный приемник, а также применение транзистора в телевидении и в телефонии. Удивительно, но событие, что называется, не оценили. Пентагон отказался финансировать дальнейшие разработки, посоветовав искать новинке гражданское применение. Эксперты, впервые увидев пластинку германия с присоединенными к ней проводниками, заявили: “Такой примитив никогда не сможет заменить [электронную] лампу”. Пресса также отнеслась к новинке холодно. Заметку о первой демонстрации транзистора New York Times поместила на предпоследней 43-й странице.
К слову сказать, само слово “транзистор” родилось за месяц до официальной презентации. Его предложил сотрудник исследовательской группы Джон Пирс, впоследствии, кстати, ставший известным писателем и популяризатором науки. Изначально новое устройство называли германиевым триодом, но это название никому не нравилось, включая и авторов изобретения. Пирс предложил назвать характеристику отношения изменения тока стока к изменению напряжения на затворе (крутизну) transresistance по аналогии с одной из основных характеристик вакуумного триода transconductance. После этого название “трансрезистор” уже просто вертелось на языке. А сокращение “транзистор” сразу понравилось всем и стало именем нового прибора, а заодно и символа новой эпохи.
Совсем недавно бельгийский историк Арманд Ван Дормел и профессор Стэнфордского университета Майкл Риордан обнаружили, что в конце 1940-х годов в Европе был изобретен и даже запущен в серию “родной брат транзистора” Бардина-Браттейна. Герберт Франц Матаре из Telefunken и Генрих Иоганн Велкер из Мюнхенского университета в конце войны перебрались во Францию, где их быстро нашли агенты французских спецслужб. Физиков вежливо пригласили поработать в европейском филиале американской корпорации Westinghouse, и они, конечно же, согласились.
Еще в 1944 году Матаре, занимаясь полупроводниковыми выпрямителями для радаров, сконструировал прибор, который назвал дуодиодом. Это была пара работающих параллельно точечных выпрямителей, использующих одну и ту же пластинку германия. При правильном подборе параметров устройство подавляло шумы в приемном блоке радара. Тогда Матаре обнаружил, что колебания напряжения на одном электроде могут обернуться изменением силы тока, проходящего через второй электрод.
Велкер пришел к идее транзистора с другой стороны, занимаясь квантовой физикой и зонной теорией твердого тела. В самом начале 1945 года он создал схему твердотельного усилителя, очень похожего на устройство Шокли. В марте Велкер успел его собрать и испытать, но ему повезло не больше, чем американцам. Устройство не работало.
В Париже Матаре и Велкеру поручили организовать промышленное производство полупроводниковых выпрямителей для французской телефонной сети. Параллельно немецкие физики экспериментируют с дуодиодом. Вдвоем они изготавливают пластинки из гораздо более чистого германия и получают стабильный эффект усиления. Уже в начале июня 1948 года Матаре и Велкер создают стабильно работающий точечный транзистор, который они, кстати, назвали “транзитрон”. Европейский транзистор появляется на полгода позже, чем устройство Бардина и Браттейна, но абсолютно независимо от него.
Парижский филиал Westinghouse в 1949 году даже начал серийное производство транзитронов для использования в телефонном оборудовании, но по непонятным причинам французские власти свернули финансирование лаборатории Матаре и Велкера, и они прекращают работы над транзитронами. Матаре переезжает в Дюссельдорф и становится президентом небольшой компании Intermetall. В 1953 году он представил радиоприёмник на четырёх транзисторах (первый американский транзисторный приёмник Regency TR-1 был выпущен на год позже), а затем уехал в США. Велкер устраивается на работу в лабораторию полупроводников концерна Siemens, которую впоследствии возглавит, во много благодаря его энергии со временем немецкий концерн Infineon станет одним из лидеров полупроводникового рынка.
А в это время на другом берегу Атлантики транзисторы начинают потихоньку теснить лампы из электроники, как гражданского, так и военного назначения, чтобы вытеснить их навсегда. В 1956 году Шокли, Бардин и Браттейн получат свою Нобелевскую премию по физике “за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта”. Когда Джон Бардин умудрился опоздать на пресс-конференцию по поводу присуждения ему Нобелевской премии, слегка сконфуженный, он заявил журналистам: “Прошу извинить меня, но я не виноват, так как не мог попасть в гараж: отказал транзистор в электронном замке”. Забавно, да? Но это произойдет позже.
И это уже совсем другая история…
За 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.
Лайкнуть
Твитнуть