История транзистора: от «кошачьего уса» до закона Мура

24 декабря 1947 года сотрудники Bell Telephone Laboratories Уолтер Браттейн, Джон Бардин и Уильям Шокли представили своим коллегам первый транзистор. К юбилею события рассказываем, как крошечный кусочек полупроводника изменил историю.

Исследования полупроводников начались еще в первой половине 19 века с работ физиков Томаса Зибека и Майкла Фарадея. В 1833 году Фарадей описал странное поведение сульфида серебра: его сопротивление электрическому току падало при нагревании, тогда как сопротивление простых металлов росло. Наука об электричестве тогда только зарождалась, и полупроводники не вызвали интереса ученых.

К концу века ситуация стала меняться. В 1873 году инженер Уиллоуби Смит и его помощник Джозеф Мэй обнаружили, что сопротивление селена меняется в зависимости от степени освещенности: чем ярче свет, тем оно ниже. Открытие Смита и Мэя привело к появлению первого полупроводникового прибора — селенового фотоэлемента, с которого начинается история телевидения, факса (и его потомка, компьютерного сканера), звукового кино и многих других отраслей техники.

В следующем, 1874 году, немецкий физик Карл Фердинанд Браун описал эффект выпрямления тока (то есть преобразования переменного тока в постоянный) полупроводниками — сульфидами металлов. Работа Брауна, как и труд Фарадея, оставался научным курьезом, пока не появилось радио. Оказалось, что открытый Брауном эффект позволяет легко обнаруживать радиоволны.

Первые детекторы радиоволн — когереры — были неудобны и могли принимать только сигналы радиотелеграфа. Полупроводниковые детекторы радиоволн, появившиеся благодаря работам Джагдиша Боше, Александра Попова и Гринлифа Пикарда, были лишены этих недостатков. Дальность приема радиоволн возросла, приемники стали меньше и надежнее, а еще стало возможно передавать по радио звук — так появились радиотелефон и радиовещание.

Детекторный приемник позволял принимать радиопередачи без батарей, используя саму энергию радиоволн. Главным минусом детекторного приемника была его капризность — на поверхности кристалла полупроводника нужно было найти точку, которая выпрямляла ток. Эту точку искали с помощью второго электрода — длинного и тонкого. Из-за внешнего сходства его называли cat’s whisker — кошачий ус.

После окончания Первой мировой войны во всем мире начало развиваться радиовещание. Однако появившиеся тогда радиолампы были дороги, хрупки, быстро перегорали и требовали электрический ток для работы. По-настоящему массовыми стали детекторные приемники. Детекторный приемник был прост и дешев. Многие делали его сами — ведь даже полупроводник для детектора можно было сделать самому. И после появления более надежных и удобных ламповых приемников, детекторы оставались популярны.

Популярность детекторных приемников привела к тому, что многие начали экспериментировать с ними и получать необычные результаты. Еще в 1909 году английский ученый Уильям Икклз обнаружил, что детектор в определенных условиях может работать как генератор колебаний и усилитель.

В 1922 году сотрудник Нижегородской радиолаборатории Олег Лосев работал над увеличением чувствительности детекторов и обнаружил эффект усиления сигналов. Используя этот эффект, Лосев смог построить первый радиоприемник с усилителем на полупроводниках — кристадин, но из-за ненадежности он не получил распространения.

Наконец, в 1925 году немецкий физик Юлиус Лилиенфельд запатентовал первый твердотельный усилитель, однако его попытки построить прибор не увенчались успехом. Безуспешны были и попытки других ученых — Оскара Хейла, Роберта Поля, Рудольфа Хилша. Идея транзистора была проста, но воплотить ее без более глубокого понимания физики твердого тела оказалось невозможно.

Создание транзистора потребовало объединения усилий теоретической физики, прикладной электротехники и химии. Эти дисциплины встретились в научно-исследовательской компании Bell Telephone Laboratories на излете 1930-х годов.

Первым из изобретателей транзистора, поступивших на работу в Bell Labs, стал Уолтер Браттейн. Он учился в Университете Миннесоты, где лекции по квантовой механике читали ее отцы-основатели Эрвин Шредингер, Джеймс Франк и Арнольд Зоммерфельд. С 1929 года Браттейн работал в Bell Labs, исследуя радиолампы. С 1931 года он занялся исследованиями полупроводниковых выпрямителей.

В то время работа над физикой твердого тела успешно шла по всему миру. К концу 1930-х годов физики-теоретики смогли создать удовлетворительную теорию полупроводников. Результаты этих работ становились быстро известны в научном мире благодаря журналам и конференциям. Студенты-физики тоже быстро усваивали новые знания. Одним из таких студентов был Уильям Шокли, поступивший на работу в Bell Labs в 1936 году.

Как и Браттейн, Шокли начинал с изучения радиоламп. Однако вскоре директор по исследованиям Bell Labs Мервин Келли поручил Шокли изучить возможность создания полупроводниковых переключателей для замены электромеханических реле, которые тогда использовались в телефонных станциях.

Изучив опыт предшественников, Шокли понял, что невозможно создать полупроводниковый усилитель, внедряя управляющий электрод в массив полупроводника. Он начал работать в группе Браттейна, но с началом Второй мировой войны переключился на военные исследования, оставив работу над полупроводниками.

Кроме группы Браттейна, полупроводниками в Bell Labs занимались и другие исследователи. Например, химик Рассел Ол работал с кремнием, который должен был стать основой сверхвысокочастотных детекторов. Способов получения чистого кремния тогда не существовало, и Ол взялся за дело. К августу 1939 году он и его сотрудники смогли получить кремний с чистотой 99,8% . Детекторы из такого кремния проводили ток или из металлического контакта в кристалл, или из кристалла в контакт.

Однажды ученым попался необычный экземпляр заготовки для детектора — он сильно реагировал на свет, а его электрические параметры постоянно менялись. 6 марта 1943 года Ол продемонстрировал свою находку Браттейну и Келли. Браттейн догадался, что на свет реагирует барьер между двумя слоями кремния и что этот же барьер должен выпрямлять переменный ток. Ол и его коллега Дж. Скафф назвали эти слои «кремний p-типа» (от positive) и «кремний n-типа» (от negative), а барьерная зона получила название p-n-переход. До конца войны открытие p-n-перехода было засекречено по решению Келли.

Во время Второй мировой войны появились первые радары и радиолокаторы. Они работали с радиоволнами сверхвысоких частот, с которыми радиолампы не могли работать. Появилась потребность в иных компонентах, и исследования полупроводников ускорились.

В июне 1945 года Мервин Келли вновь создал группу по исследованию твердого тела во главе с Шокли и Стэнли Морганом. В группу вошли Браттейн и новый сотрудник фирмы Джон Бардин, а также многие другие физики, химики и инженеры.

Ознакомившись с работами военного времени (особую ценность представляли исследования германия, проведенные в американском Университете Пердью), Шокли сузил выбор полупроводников до германия и кремния. Поначалу результаты экспериментов не сходились с теорией. Бардин объяснил расхождения, предложив гипотезу поверхностных состояний. Согласно ей на границе полупроводника и металла образуется пространственный заряд, который и мешает внешнему полю управлять потоком электронов через полупроводник.

В течение 1947 года отдел пытался устранить пространственный заряд. В ноябре Роберт Джибни предложил удачное решение — использовать для нейтрализации заряда напряжение, подаваемое через точечный управляющий электрод в жидком электролите. Работы резко ускорились: в ноябре — декабре Бардин, Джибни и Браттейн испытали не менее пяти разных конструкций полупроводникового усилителя.

Однако усилитель с жидким электролитом внутри был бы еще менее удобен, чем радиолампа. Бардин и Браттейн поняли, что от жидкости можно избавиться, если на поверхности полупроводника установить очень близко друг к другу два электрода. Расстояние между ними не должно было превышать 50 микрометров, тогда как самая тонкая доступная тогда проволока имела диаметр 125 микрометров.

Браттейн нашел остроумный выход из положения. 15 или 16 декабря 1947 года он наклеил на пластмассовой треугольник полоску золотой фольги, разрезал фольгу бритвой и получил зазор нужной ширины. 16 декабря Браттейн прижал контактный узел зазором к поверхности германиевой пластины, создав первый работоспособный точечный транзистор.

23 декабря 1947 года на неофициальной презентации Браттейн продемонстрировал коллегам по Bell Labs транзисторный усилитель звуковых частот, а 24 декабря — первый транзисторный генератор, доказав, что транзистор может выполнять все функции радиолампы.

Узнав об изобретении, руководство Bell Labs временно засекретило проект. Публика узнала об изобретении транзистора 30 июня 1948 года на открытой презентации в Нью-Йорке.

За месяц до этого события в Bell Labs состоялось тайное голосование по выбору названия нового прибора. Среди вариантов были полупроводниковый, твердотельный и кристаллический триод, триод на поверхностных состояниях и йотатрон. Победил предложенный инженером Джоном Пирсом транзистор, образованный от слов transconductance (проводимость) или transfer (передача) и varistor (управляемое сопротивление).

Выпуск транзисторов начался в 1948 году. Первые транзисторы изготавливались вручную, поэтому были хрупки и ненадежны. Однако их достоинства — размер, скорость работы, энергопотребление — оказались слишком важны в новых отраслях электроники. Вскоре выпуск транзисторов был налажен в промышленных масштабах. А количество выпущенных МОП-транзисторов превышает количество любых других созданных человеком устройств.

Группа изобретателей транзистора распалась уже в 1948 году, когда из Bell Labs ушел Роберт Джибни. В 1951 году за ним последовал Джон Бардин. В 1955 году Уильям Шокли основал свою компанию по выпуску полупроводников в Калифорнии. Его неуживчивый характер привел к тому, что в 1957 году восемь его сотрудников — «вероломная восьмерка» — уволились и основали компанию Fairchild Semiconductor. Итогом этого конфликта стало создание современной Кремниевой долины (но это уже совсем другая история).

В 1956 году Бардин, Браттейн и Шокли получили Нобелевскую премию по физике, хотя сам Шокли обычно исключал себя из списка изобретателей транзистора и включал туда Джибни.

У каждого крупного изобретения несколько создателей. Вспомнить хотя бы телефон, на изобретение которого претендуют десятки ученых и инженеров от Александра Белла (в честь которого и назвали Bell Labs) до Томаса Эдисона. Транзистор тоже изобретали дважды.

В 1944 году немецкий физик Герберт Матаре создал дуодиод — полупроводниковый выпрямитель с двумя точечными контактами, который проявлял свойства усилителя. В июне 1948 года, до обнародования изобретения Бардина и Браттейна, усовершенствованный дуодиод продемонстрировал стабильное усиление. В июле 1948 года работами Матаре и его коллеги Генриха Велкера заинтересовался министр связи Франции Эжен Тома, он же дал новому прибору имя транзистрон.

Матаре и Велкер начали производство транзистронов в 1949 году, а в 1950 году продемонстрировали Шокли и Браттейну их работу. Однако вскоре французское правительство прекратило поддержку Матаре и Велкера. Матаре переехал в США, Велкер возглавил полупроводниковые исследования в компании Siemens.

Транзисторы лежат в основе современного мира. Без них не было бы компьютеров, интернета, спутников, смартфонов. Даже холодильники и стиральные машины сегодня нуждаются в них. Еще в 1950-х годах ученые смогли перейти от отдельных транзисторов к интегральным схемам — множеству транзисторов на одной пластинке полупроводника.

Тогда же Гордон Мур (кстати, один из «вероломной восьмерки») заметил, что количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца. Сегодня это наблюдение известно как закон Мура. Многие утверждают, что мы вплотную подошли к естественному пределу, что невозможно уложить еще больше транзисторов на микрочип. Однако ученые работают и, быть может, скоро нас ждет еще одно великое открытие, подобное тому, которое случилось 75 лет назад.