06.03.2015

День рождения транзистора. 10 имён твердотельной электроники

Принято считать, что 16 декабря 1947 года началась транзисторная эпоха в истории технологий. В этот день сотрудники Bell Labs Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн - 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, можно сказать, что 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 ещё в 1833 году. В то время было уже хорошо известно, что с ростом температуры проводимость металлов падает. Однако сульфид серебра, будучи проводником, вёл себя странно: при нагревании его проводимость росла. Удовлетворительной интерпретации полученных результатов Фарадей, к тому времени член Лондонского королевского общества, почётный 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 Браун 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 с не поддающимися объяснению результатами, Браун с головой ушёл в эксперименты, итогом которых явилось изобретение им катодной трубки - кинескопа, основы осциллографов и телевизоров. Потом занялся беспроводным телеграфом, и вот тут он вспомнил свои юношеские исследования проводимости кристаллов. В конструкцию своего радиоприёмника 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 кристаллический детектор запатентовал 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 приёмку радиоволн". Справедливости ради надо отметить, что конструкция прибора Пикарда оказалась весьма удачной, её назвали "кошачьим усом" (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: рыночную схватку с электронными ламповыми диодами "кошачий ус" проиграл. Хотя далёкие потомки детектора 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 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 увлечён перспективами радио, а исследовательская работа, эксперименты - это было главное, чем он хотел заниматься в жизни. В поисках своей "ниши" он остановил выбор на опытах по усовершенствованию кристаллических детекторов. За короткое время Лосев исследует более двух десятков химических соединений и сочетаний контактных пар металл - кристалл, предполагая: "В связи с тем что некоторые контакты между металлом и кристаллом не подчиняются закону Ома, вполне вероятно, что в колебательном контуре, подключённом 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 не чем 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 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 осаждённом Ленинграде в 1942 году в возрасте 38 лет.

6.

Все ближе и ближе подходит творческая мысль инженеров к идее трехэлектродного прибора... Исследованиями практически параллельно занимается множество учёных во всех странах Европы и в США. Почти одновременно с 1930 по 1938 год 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 всё 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 непригодна 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 создаёт теорию транзистора с n-p-переходами (вместо точечных контактов, потомков "кошачих усов" Пикарда) и в новогоднюю ночь изобретает плосткостной биполярный транзистор - стабильный, надёжный прибор и полноценный рыночный продукт. Bell Labs приняла решение не браться за самостоятельный выпуск транзисторов, а продавать лицензии на право производства и использования 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 трёхэлектродный 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 Дэвон Канг 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 дешёвых интегральных микросхем для самых различных применений, в том числе для мини- и микрокомпьютеров.

9.

Вернёмся 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 так называемого 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 скрупулёзностью. Лосев нашёл различие между двумя типами свечения, возникающими при подаче различных полярностей напряжения - "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 напряжения. Никаких исследований явления он не проводил, а само сообщение ничьего внимания не привлекло.

Создание же мощных светодиодных источников света - заслуга Исаму Акасаки и Ироси Амано из Нагойского университета. 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 его сделал в 1962 году Ник Холоньяк, реализовавший полупроводниковый лазер на основе арсенида галлия, а годом позже в СССР Жорес Алфёров предложил принципиально новое решение - полупроводниковый лазер на основе гетероструктур, отличающийся значительно более высокой эффективностью. В 2000 году ему совместно с американскими учёными 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").

Юрий Романов

Источники:

1. computerra.ru