День рождения транзистора. 10 имён твердотельной электроники

Принято считать, что 16 декабря 1947 года началась транзисторная эпоха в истории технологий. В этот день Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн — сотрудники Bell Labs успешно продемонстрировали руководству компании весьма несовершенный, но, главное, работающий прототип точечного биполярного транзистора. Однако точнее будет сказать, что в этот декабрьский день сама концепция твердотельной электроники одержала первую победу над электроникой вакуумной. Успех не возник на пустом месте. Пользуясь военными аналогиями, плацдармы для будущего прорыва готовились загодя, и трудились над ними выдающиеся умы. Самое время вспомнить первопроходцев…

1. Впервые аномальные электрические свойства соединений, которые почти сто лет спустя станут называться полупроводниками, зафиксировал в ходе исследований Майкл Фарадей еще в 1833 году. В то время было уже хорошо известно, что с ростом температуры проводимость металлов падает. Однако сульфид серебра, будучи проводником, вел себя странно: при нагревании его проводимость росла. Удовлетворительной интерпретации полученных результатов Фарадей, к тому времени Член Лондонского королевского общества, почетный член Петербургской академии наук и ряда других научных организаций Европы, дать не смог, однако, открытие загадочных электрических свойств неметаллических проводников было налицо.

2. Эстафету исследований подхватил скромный, никому не известный 23-летний учитель естествознания лейпцигской школы Святого Фомы Фердинанд Браун. В свободное от преподавания время он занимался исследованиями… да, именно! – явлений проводимости. В 1874 году он публикует в «Анналах физики и химии» (Analen der Physik und Chemie) статью, где отмечает: «…большое количество естественных и искусственных серных металлов имело разное сопротивление в зависимости от направления, величины и продолжительности тока. Различия составляли до 30% от полной величины». Отложив на время исследования, результаты которых он объяснить не мог, Браун с головой ушел в эксперименты, результатом которых явилось изобретение им катодной трубки – кинекопа, основы осциллографов и телевизоров. Потом занялся беспроводным телеграфом, и вот тут он вспомнил свои юношеские исследования проводимости кристаллов. В конструкцию своего радиоприемника Фердинанд Браун впервые вводит кристаллический детектор – несовершенный, капризный в настройке, но первый в мире полупроводниковый электронный компонент – точечный диод.

3. Забавно, но на несколько лет позже работ Брауна запатентовал кристаллический детектор американец Гринлиф Виттер Пикард. По документам дата его приоритета – 1906 год. В описании к патенту он указывал: «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 приемк радиоволн». Справедливости ради надо отметить, что конструкция прибора Пикарда оказалась весьма удачной, ее назвали «кошачий ус» (cat’s whisker) из-за своеобразной формы контактного проводника. Популярность этого прибора была невероятной! Во всем мире электротехнические компании проектировали и выпускали десятки разновидностей детектора, добиваясь стабильности в работе, но, увы… с электронными ламповыми диодами «кошачий ус» рыночную схватку проиграл. Хотя, далекие потомки детектра Пикарда – точечные диоды – с успехом применяются и сегодня.

4. Коммерческий успех детектора Пикарда подвигнул многих исследователей заняться более внимательным изучением его свойств, и новый успех не заставил себя ждать. В 1910 году англичанин Уильям Икклз обнаружил и продемонстрировал на опыте способность кристаллического детектора генерировать высокочастотные электрические колебания. Это было, прямо скажем, фундаментальное открытие. Истинная суть этого явления станет понятной лишь через полвека с развитием квантовой теории, способной объяснить возникновение такого явления, как отрицательное сопротивление (или «падающий» участок вольт-амперной характеристики), необходимое для возникновения режима генерации.

5. …В 1920 году за дело взялся 17-летний Олег Лосев. Работал он посыльным Нижегородской радиотехнической лаборатории и был страстно увлечен перспективами радио, а исследовательская работа, эксперименты – это было главное, чем он хотел бы заниматься в жизни. В поисках своей «ниши» он остановил выбор на опытах по усовершенстванию кристаллических детекторов. За короткое время Лосев исследует более двух десятков химических соединений и сочетаний контактных пар металл-кристалл, предполагая, как он сам писал: «в связи с тем, что некоторые контакты между металлом и кристаллом не подчиняются закону Ома, то вполне вероятно, что в колебательном контуре, подключенном к такому контакту, могут возникнуть незатухающие колебания». И он обнаружил этот эффект! Для изготовления своих приборов Олег Лосев, по сути, впервые в мире стал разрабатывать промышленную технологию производства полупроводникового материала – цинкита, получаемого дуговой плавкой природной окиси цинка в присутствии пероксида или диоксида марганца.
Через два года в журнале «Телеграфия и телефония без проводов» Лосев опубликовал свою первую статью с описанием усилительного и генераторного режимов работы кристаллического детектора. Потрясающе, но, как стало понятно лишь в наши дни, Лосев открыл и практически использовал в конструкциях своих приборов туннельный эффект, а его «генерирующий детектор» был ничем иным, как первым туннельным диодом (почти через полвека, в 1973 году японский физик Лео Исаки получил Нобелевскую премию за этот прибор). Любопытно вспомнить слова американского журналиста Radio News, который в 1924 году написал так: «Нет необходимости доказывать, что это – революционное радиоизобретение. В скором времени мы будем говорить о схеме с тремя или с шестью кристаллами, как мы говорим сейчас о схеме с тремя или шестью лампами. Потребуется несколько лет, чтобы генерирующий кристалл усовершенствовался настолько, чтобы стать лучше вакуумной лампы, но мы предсказываем, что такое время наступит». А вот слова самого Лосева из «Жизнеописания Олега Владимировича Лосева» (1939 год), которое хранится в Политехническом музее: «Установлено, что с полупроводниками может быть построена трехэлектродная система, аналогичная триоду, как и триод, дающая характеристики, показывающие отрицательное сопротивление. Эти работы в настоящее время подготавливаются мною к печати…»
Олег Лосев умер от голода в осажденном Ленинграде в 1942 году в возрасте 38 лет.

6. Все ближе и ближе подходит творческая мысль инженеров к идее трехэлектродного прибора… Исследованиями практически параллельно занимаются множество ученых во всех странах Европы и в США. Почти одновременно с 1930 по 1938 года патентуют свои конструкции твердотельных трехэлектродных усилительных приборов немцы Юлиус Лилиенфельд (на основе сульфата меди), Оскар Хейл (пятиокись ванадия) и Роберт Поль с Рудольфом Хилшем (нагретый бромид калия). Интересно то, что по своему принципу действия приборы Лилиенфельда представляли собой… полевые транзисторы – наиболее массовую разновидность транзисторов, используемых нами сегодня. В практическое осуществление идеи Лилиенфельда не пошли. Причина оказалась прозаической – технология того времени не позволяла выпускать полупроводники требуемого качества и чистоты…

7. И все же первым на свет появился не полевой, а биполярный транзистор… 16 декабря 1947 года три инженера компании Bell Labs Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн на лабораторном стенде запустили в работу прибор, который явился первым точечным биполярным транзистором. Через несколько дней в канун рождества 23 декабря 1947 года состоялась официальная презентация нового прибора, организованная с шиком, блеском, шампанским и поздравительными речами, однако выяснилось, что эта конструкция прибора не пригодна для практического применения (а, следовательно, с коммерческой точки зрения – бесперспективна).
Мозговой штурм, предпринятый единолично одним из соавторов изобретения Уильямом Шокли закончился блестящей победой – всего за неделю он создает теорию транзистора с n-p-переходами (вместо точечных контактов, потомков «кошачих усов» Пикарда) и в новогоднюю ночь изобретает плосткостной биполярный транзистор – стабильный, надежный прибор и полноценный рыночный продукт. Bell Labs приняла решение не браться за самостоятельный выпуск транзисторов, а продавать лицензии на право производства и использование этих приборов. 26 компаний приобрели лицензии, а выручка составила немалую по тем временам сумму в $650 тыс. Один из журналистов в те дни написал: «в электронике появилась атомная бомба размером с горошину».
Справедливости ради следует отметить, что трехэлектродный точечный прибор – транзитрон – на полгода позже, но независимо от Шокли-Бардина-Браттейна разработали и изготовили немецкие исследователи Герберт Франц Матаре и Генрих Иоганн Велкер. А автором названия «транзистор» является служащий Bell Labs Джон Пирс, который предложил сочетание двух слов «transconductance» (крутизна характеристики) и «variable resistor» («varistor») (переменный резистор, варистор).

8. А идея управления током при помощи электрического поля, реализацией которой стали полевые транзисторы, породила следующее поколение твердотельных приборов, которое произвело по-настоящему крутой переворот в технике. В той же компании Bell Labs Джон Аталла и Дун Кангом в 1959 году разработали технологию MOS-транзисторов (metal-oxide-semiconductor field effect transistor) – приборов идеально подходящих для конструирования цифровых схем и микроминиатюризации. Эта разработка открыла возможность создания широчайшего ассортимента дешевых интегральных микросхем для самых различных применений, в т.ч. для мини- и микро-компьютеров.

9. Вернемся немного назад, в 1924 год. Лаборатория Лосева.. В ходе экспериментов с кристаллическими детекторами он обнаруживает возникновение слабого свечения кристаллов при прохождении через них тока. На изобретение т.н. «светового реле» с электролюминесцентным источником света Лосев получает патент, а само явление на Западе так и назвали – «свет Лосева» (Losev light). Его исследования этого явления поражают глубиной и скрупулезностью. Лосев нашел различие между двуми типами свечения, возникающими при подаче различных полярностей напряжения – т.н. предпробойной электролюминесценции и инжекционной электролюминесценции. Первый тип свечения сегодня применяется при разработке электролюминесцентных дисплеев и светящихся панелей, на базе инжекционного свечения делают светодиоды и полупроводниковые лазеры.
Тем не менее, «отцом» светодиода принято считать Генри Роуда, который в 1907 году в журнале Electronic World поместил короткое сообщение об обнаруженном им свечении карборунда при подаче наряжения. Никаких исследований явления он не проводил, а само сообщение ничьего внимания не привлекло.
А создание мощных светодиодных источников света – заслуга Исаму Акасаки и Ироси Амано из университета Нагои. На базе разработанной ими технологии компания Nichia Corporation в 1993 году начала выпуск ярко-синего светодиода, позволяющего использовать люминофор для коррекции спектра свечения. В результате мир получил твердотельные сверхэффективные источники белого света, пригодного для освещения.
10. Один шаг оставалось сделать, чтобы заставить мощный светодиод заработать в режиме лазерной генерации. И он был сделан в 1962 году Ником Холоньяком, реализовавшим полупроводниковый дазер на основе арсенида галлия, а годом позже в СССР Жоресом Алферовым было предложено принципиально новое решение – полупроводниковый лазер на основе гетероструктур, отличающийся значительно более высокой эффективностью. В 2000 году ему, совместно с американскими учеными Гербертом Кремером и Джеком Килби была присуждена Нобелевская премия по физике за разработки в области современной информационной технологии («за исследование полупроводниковых гетероструктур, лазерные диоды и сверхбыстрые транзисторы»).

computerra.ru