28.03.2020
История появления первого транзистора
16 декабря 1947 года физик-экспериментатор Уолтер Браттейн, работавший с теоретиком Джоном Бардином, собрал первый работоспособный точечный транзистор в лаборатории Bell. Не простой дорогой пришли к изобретению транзистора. А началось с того что было обнаружено, что не все материалы ведут себя так как ожидалось в присутствии электричества.
Предыдущие электронные компоненты, такие как реле или электронные лампы ещё можно было создавать обладая навыками работы с деревом, металлом, откачки воздуха из стеклянной колбы. Но что касается твердотельных устройств, то создавать их можно было лишь при помощи безумно дорогого оборудования и обладая передовыми знаниями в математике, физике и химии.
Почти все продвижения в изучении твердотельной электроники случились благодаря учёным, учившимся в университетах, имевшим научную степень по физике и работавшим при университетах или в корпоративных лабораториях.
В Bell System искали возможность заменить электронные лампы, сослужившие бесценную службу, способные выполнять функции, недоступные предыдущему поколению механических и электромеханических компонентов. Лампы имели ряд недостатков: были сложны в обслуживании, грелись, потребляли много электроэнергии, часто выходили из строя.
Мервин Келли, физик и бывший глава департамента электронных ламп Лабораторий Белла, очень заинтересовался достижением коллег Браттейна и Беккера, разработавшими эффективный производственный процесс медно-оксидных выпрямителей, названный варистором. Bell System быстро стала заменять выпрямители на электронных лампах по всей системе на новое устройство.
Келли собирался перестроить систему Белла заново на основе более надёжных и выносливых твердотельных электронных компонентов, таких, как варистор, которым не требовались ни герметичные корпуса, заполненные газом или пустые, ни раскалённые нити. В 1936 он стал главой исследовательского отдела Лабораторий Белла, и начал перенаправлять организацию на новый путь.
Получив твердотельный выпрямитель, следующим очевидным шагом было создать твердотельный усилитель. Естественно, что, как и ламповый усилитель, такое устройство могло бы работать и как цифровой переключатель. Это особенно интересовало фирму Белла, поскольку в телефонных коммутаторах до сих пор работало огромное количество электромеханических цифровых переключателей. Компания искала более надёжную, компактную, энергоэффективную и холодную замену электронной лампе в телефонных системах, радиоприёмниках, радарах и другом аналоговом оборудовании, где они использовались для усиления слабых сигналов до уровня, доступного человеческому уху.
В 1936 Лаборатории Белла, наконец, отменили запрет на найм персонала, введённый во время Великой Депрессии. Келли сразу же начал нанимать экспертов по квантовой механике, чтобы те помогли запустить его программу исследований в области твердотельных устройств, среди которых был и Уильям Шокли, ещё один выходец с Западного побережья, из Пало-Альто (Калифорния). Тема его недавно оформленной в MIT диссертации как нельзя лучше подходила к нуждам Келли: "Электронные зоны в хлориде натрия".
Первое главное озарение у Шокли на новой должности случилось во время чтения работы британского физика Невилла Мота "Теория кристаллических выпрямителей" от 1938 года, где, наконец, объяснялся принцип работы выпрямителя Грондала на оксиде меди. Мотт использовал математику квантовой механики для описания формирования электрического поля на стыке проводящего металла и полупроводящего оксида, и того, как электроны "перепрыгивают" через этот электрический барьер, вместо того, чтобы туннелировать, как предлагал Уилсон. Ток течёт легче от металла к полупроводнику, чем наоборот, поскольку у металла имеется гораздо больше свободных электронов.
Это привело Шокли точно к такой же идее, какую рассмотрели и отвергли Браттейн и Беккер за много лет до этого - изготовить твердотельный усилитель, вставив сетку из оксида меди в промежуток между медью и оксидом меди. Он надеялся, что текущий по сетке ток увеличит барьер, ограничивающий ток, идущий от меди к оксиду, создав инвертированную, усиленную версию сигнала на сетке. Его первая грубая попытка полностью провалилась, поэтому он обратился к человеку, имевшему более отточенные лабораторные навыки, и хорошо знакомому с выпрямителями - Уолтеру Браттейну. И, хотя сомнений по поводу исхода у него не было, Браттейн согласился удовлетворить любопытство Шокли, и создал более сложную версию "сеточного" усилителя. Она также отказалась работать.
Горнило войны подготовило почву для появления транзистора. С 1939 по 1945 года технические знания из области полупроводников невероятно сильно разрослись. И тому была одна простая причина: радар. Самая важная технология войны, среди примеров применения которой: обнаружение воздушного налёта, поиск подводных лодок, направление ночных авиарейдов на цели, наведение средств ПВО и морских орудий.
Черчилль решил раскрыть все технические секреты Британии американцам ещё до того, как по-настоящему вступил в войну (поскольку, как он предполагал, это всё равно должно было произойти). Он считал, что стоит рискнуть утечкой информации, поскольку тогда все промышленные возможности США будут брошены на решение таких задач, как атомное оружие и радары. Британская научно-техническая миссия (более известная, как миссия Тизарда) прибыла в Вашингтон в сентябре 1940 и привезла в багаже подарок в виде технических чудес.
Раскрытие невероятной мощности резонансного магнетрона и эффективность британских кристаллических детекторов в получении его сигнала оживила исследования американцев в области полупроводников как основы высокочастотных радаров. Предстояло проделать много работы, особенно в области материаловедения.
В Rad Lab открыли новые исследовательские отделы для изучения свойств полупроводниковых кристаллов и того, как их можно изменить для максимизации ценных свойств в качестве приёмника. Наиболее многообещающими материалами были кремний и германий, поэтому в Rad Lab решили подстраховаться и запустили параллельные программы для изучения обоих: кремний в Пенсильванском университете, а германий – в Пердью.
Промышленные гиганты Bell, Westinghouse, Du Pont и Sylvania создали собственные программы исследования полупроводников, и начали разработку новых производственных мощностей для кристаллических детекторов.
Общими усилиями чистоту кристаллов кремния и германия удалось поднять с 99% в начале до 99,999% - то есть, до одной частицы примеси на 100 000 атомов. В процессе этого кадровый состав учёных и инженеров близко познакомился с абстрактными свойствами германия и кремния и прикладными технологиями по контролю за ними: плавление, выращивание кристаллов, добавление нужных примесей (типа бора, увеличивавшего проводимость).
Война закончилась. Спрос на радары исчез, но знания и навыки, полученные во время войны, никуда не делись, и мечта о твердотельном усилителе не была забыта. Три команды находились в удачном положении для получения этого приза: Уэст-Лафайетт, Оне-су-Буа, Мюррей-Хилл.
Уэст-Лафайетт (США)
Группа из университета Пердью под руководством физика австрийского происхождения по имени Карл Ларк-Хоровиц. Он при помощи таланта и влияния в одиночку вывел физический департамент университета из забвения и повлиял на решение Rad Lab поручить его лаборатории исследования германия.
Брэй и Бензер близко подошли к германиевому усилителю, не поняв этого. У группы из Пердью были как технологии, так и теоретические основы для того, чтобы совершить скачок в направлении транзистора. Но наткнуться на него они могли только случайно. Они интересовались физическими свойствами материала, а не поисками устройства нового типа.
Оне-су-Буа (Франция)
В Оне-су-Буа, где два бывших исследователя радаров из Германии, Генрих Велкер и Герберт Матаре, руководили командой, чьей целью было создание промышленных полупроводниковых устройств.
Как и их соперники из Антигитлеровской коалиции, немцы к началу 1940-х знали, что кристаллические детекторы были идеальными приёмниками для радаров, и что кремний и германий были наиболее многообещающими материалами для их создания. Матаре и Велкер во время войны пытались улучшать эффективное использование этих материалов в выпрямителях. После войны оба подвергались периодическим допросам касательно их военной работы, и в итоге получили приглашение от французского разведчика в Париж в 1946.
Во время войны Матаре экспериментировал с выпрямителями с двумя точечными контактами - "дуодиодами" - в попытке уменьшить шум в контуре. Он возобновил опыты и вскоре обнаружил, что второй "кошачий ус", расположенный в 1/100 млн доле метра от первого, иногда мог модулировать ток, идущий через первый ус. Он создал твердотельный усилитель, хотя и довольно бесполезный. Чтобы достичь более надёжной работы, он обратился к Велкеру, наработавшему большой опыт работы с кристаллами германия во время войны. Команда Велкера выращивала более крупные и чистые образцы германиевых кристаллов, и вместе с улучшением качества материала к июню 1948 года усилители с точечным контактом Матаре стали надёжными.
Но до того, как они смогли проработать устройство, стало известно, что группа американцев разработала ровно такую же концепцию - германиевый усилитель с двумя точечными контактами - на шесть месяцев раньше.
Мюррей-Хилл (США)
В конце войны Мервин Келли реформировал исследовательскую группу лабораторий Белла, занимавшуюся полупроводниками с Биллом Шокли во главе. Проект разросся, получил больше финансирования, и переехал из первоначального здания лабораторий на Манхэттене в расширяющийся кампус в Мюррей-Хилл (Нью-Джерси).
Чтобы вновь познакомиться с передовыми полупроводниками (после того, как на войне он занимался исследованиями операций), весной 1945 Шокли посетил лабораторию Рассела Ола в Холмделе. Ол провёл годы войны, работая над кремнием, и не терял времени зря. Он показал Шокли грубый усилитель собственной постройки, названный им "дезистер". Он взял кремниевый выпрямитель точечного контакта и пустил по нему ток с аккумулятора. Судя по всему, тепло аккумулятора уменьшило сопротивление через точку контакта, и превратило выпрямитель в усилитель, способный передавать входящие радиосигналы в контур, достаточно мощный для того, чтобы питать динамик.
Эффект был грубым и ненадёжным, непригодным для коммерциализации. Однако его хватило для подтверждения мнения Шокли о возможности создания полупроводникового усилителя, и о том, что это нужно сделать приоритетным направлением исследований в области твердотельной электроники. Также эта встреча с командой Ола убедила Шокли, что кремний и германий необходимо изучать в первую очередь. Группа Шокли больше не собиралась тратить время на довоенные усилители из оксида меди.
С помощью Келли, Шокли начал собирать новую команду. Среди ключевых игроков оказался Уолтер Бреттейн, помогавший Шокли с его первой попыткой создания полупроводникового усилителя (в 1940) и Джон Бардин, молодой физик и новый сотрудник лабораторий Белла. У Бардина, наверное, был самые обширные знания по физике твёрдых тел из всех членов команды - его диссертация описывала энергетические уровни электронов в структуре металлического натрия.
После полутора лет исследований и экспериментов, 16 ноября 1947 года Бреттейн совершил прорыв, в итоге приведший к созданию прототипа. Разместив две точки контакта близко на поверхности германия, можно было модулировать током с одного из них ток на другом. Чтобы свести их как можно ближе, Бреттейн обмотал кусочком золотой фольги треугольный кусок пластика, а потом осторожно разрезал фольгу на конце. Потом при помощи пружины он прижимал треугольник к германию, в результате чего два края разреза прикасались к его поверхности на расстоянии в 0,05 мм. Это придало прототипу транзистора от лабораторий Белла его характерный вид.
Прототип транзистора Бреттейна и Бардина
Как и устройство Матаре и Велкера, это был, в принципе, классический "кошачий ус", просто с двумя точками контакта вместо одной. 16 декабря он выдал значительное усиление мощности и напряжения, и частоту 1000 Гц в диапазоне слышимости. Через неделю, после небольших улучшений, Бардин и Бреттейн получили усиление напряжения в 100 раз и мощности в 40 раз, и продемонстрировали директорам Белла, что их устройство может воспроизводить слышимую речь. Джон Пирс, ещё один член команды разработки твердотельных устройств, придумал термин "транзистор" по мотивам названия белловского выпрямителя на оксиде меди, варистора.
Следующие шесть месяцев лаборатория держала новое творение в секрете. Руководство хотело убедиться, что у них будет фора в реализации коммерческих возможностей транзистора до того, как его заполучит кто-то ещё. Пресс-конференцию назначили на 30 июня 1948 года, как раз вовремя, чтобы разбить все мечты Велкера и Матаре о бессмертии.
Шокли было недостаточно равной славы с Бардином и Бреттейном. И ещё до того, как кто-либо вне лабораторий Белла узнал о транзисторе, он занялся его повторным изобретением. К концу 1947 года Билл Шокли в большом возбуждении предпринял поездку в Чикаго. У него были смутные идеи по поводу того, как превзойти недавно изобретённый Бардиным и Бреттейном транзистор, но ему пока не представилось шанса разработать их. Поэтому вместо того, чтобы наслаждаться перерывом между этапами в работе, он провёл Рождество и Новый год в отеле, заполнив порядка 20 страниц блокнота своими идеями. Среди них было предложение нового транзистора, состоящего из полупроводникового сэндвича - ломтика из германия p-типа между двумя кусочками n-типа.
В итоге группа полупроводниковых исследований рассыпалась. Билл Шокли, начал работать над тем, чтобы присвоить себе всю славу, аргументируя тем, что именно его идея о полевом эффекте была основой исследований. Но его хитрость вышла ему боком: патентные юристы лабораторий Белла выяснили, что неизвестный изобретатель, Юлий Эдгар Лилиенфельд, запатентовал полупроводниковый усилитель на полевом эффекте почти за 20 лет до этого, в 1930. Лилиенфельд, конечно, так и не воплотил свою идею, учитывая состояние материалов на то время, но риск пересечения был слишком велик - лучше было полностью избежать упоминания полевого эффекта в патенте. Так что, хотя лаборатории Белла и выдали Шокли щедрую долю славы изобретателя, в патенте они упомянули только Бардина и Бреттейна.
Германиевые плоскостные транзисторы
Судьба нового типа транзистора, придуманного Шокли в чикагском отеле, получила счастливое продолжение благодаря стремлению одного человека выращивать единые чистые полупроводниковые кристаллы. Гордон Тил, физический химик из Техаса, изучавший бесполезный тогда германий для своей докторской, в 30-х годах устроился на работу в лаборатории Белла. Узнав о транзисторе, он уверился в том, что его надёжность и мощность можно значительно улучшить, создав его из чистого монокристалла, а не из использовавшихся тогда поликристаллических смесей. Шокли отверг его попытки, считая их бесполезной тратой ресурсов.
Однако Тил упорствовал и добился успеха, с помощью инженера-механика Джона Литла создав аппарат, достающий крохотный зародыш кристалла из расплавленного германия. Охлаждаясь вокруг зародыша, германий расширял его кристаллическую структуру, создавая непрерывную и почти чистую полупроводящую решётку. К весне 1949 года Тил и Литл могли создавать кристаллы по заказу, и испытания показали, что они оставляют далеко позади своих поликристаллических конкурентов.
Набрал в свою команду больше людей, среди которых был ещё один физический химик, пришедший в лаборатории Белла из Техаса - Морган Спаркс. Они начали менять расплав для изготовления германия p-типа или n-типа, добавляя шарики соответствующих примесей. Ещё за год они усовершенствовали технологию до такой степени, что могли выращивать германиевый n-p-n сэндвич прямо в расплаве. И он работал именно так, как предсказывал Шокли: электрический сигнал материала p-типа модулировал электрический ток между двумя проводниками, соединёнными с окружающими его кусочками n-типа.
Этот транзистор с выращенным переходом превзошёл своего предка с одним точечным контактом почти по всем статьям. В особенности, он стал более надёжным и предсказуемым, выдавал гораздо меньше шума (и, следовательно, был более чувствительным), и чрезвычайно энергоэффективным - потребляя в миллион раз меньше энергии, чем типичная электронная лампа. В июле 1951 года лаборатории Белла организовали ещё одну пресс-конференцию, чтобы объявить о новом изобретении. Ещё до того, как первый транзистор сумел выйти на рынок, он, по сути, уже стал несущественным.
Интересные факты
- В популярной прессе не наблюдалось активного энтузиазма в связи с объявлением лабораторий Белла об изобретении транзистора. 1 июля 1948 года в The New York Times этому событию отвели три абзаца внизу сводки «Новостей радио». Причём эта новость появилась после других, очевидно, считавшихся более важными: например, часового радиошоу «Время вальса», которое должно было появиться на NBC.
- В 1956 году за это изобретение транзистора Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн были удостоены нобелевской премии по физике.
- По меньшей мере, ещё двое изобретателей сумели создать твердотельные усилители до Второй мировой. В 1922 году советский физик и изобретатель Олег Владимирович Лосев (27 апреля (10 мая) 1903, Тверь - 22 января 1942, Ленинград) опубликовал результаты успешных опытов с цинкитовыми полупроводниками, но его работы остались незамеченными западным сообществом; в 1926 году американский изобретатель Джулиус Лиленфилд подал заявку на патент на твердотельный усилитель, однако нет никаких свидетельств работоспособности его изобретения.
- Германиевый транзистор с одной точкой контакта был подвержен накоплению грязи на контактной поверхности, что приводило к отказам и сводило на нет потенциал к более долгому сроку службы; он давал более шумный сигнал; работал только при низких мощностях и в узком диапазоне частот; отказывал при наличии жары, холода или влажности; и его не получалось производить единообразно. Несколько транзисторов, созданных одним и тем же способом одними и теми же людьми, обладали бы вызывающе разными электрическими характеристиками. И всё это сопровождалось стоимостью в восемь раз большей, чем у стандартной лампы. Только к 1952 году лаборатории Белла (и другие владельцы патента) решили проблемы производства достаточно для того, чтобы транзисторы с одной точкой контакта стали практичными устройствами, и даже тогда они не особенно распространились дальше рынка слуховых аппаратов, на котором чувствительность к ценам была относительно низкой, а преимущества, касающиеся времени работы от аккумулятора, превышали недостатки.
При использовании материалов сайта активной гиперссылки обязательна:
http://rateli.ru/ 'Радиотехника'