Содержание
1. Первые опыты
2. О.В. Лосев
3. Военный трамплин
4. Открытие
5. Европейскийаналог
Заключение
Литература
Ровно 54года назад американцам Джону Бардину, Уолтеру Браттейну и Уильяму Шокли (рис.1) была присуждена Нобелевская премия по физике «За исследования в областиполупроводников и открытие транзистора». Тем не менее, анализ истории наукиоднозначно свидетельствует, что открытие транзистора — это не толькозаслуженный успех Бардина, Браттейна и Шокли.Джон Бардин Уолтер Браттеин Уильям Шокли
/>
Рисунок 1- Лауреаты нобелевской премии по физике за 1956 год.
1. Первыеопыты
Рождениетвердотельной электроники можно отнести к 1833 году. Именно тогда МайклФарадей, экспериментируя с сульфидом серебра, обнаружил, что проводимостьданного вещества (а это был, как мы теперь называем, полупроводник) растет сповышением температуры, в противоположность проводимости металлов, которая вданном случае уменьшается. Почему так происходит? С чем это связано? На эти вопросыФарадей ответить не смог.
Следующей вехой вразвитии твердотельной электроники стал 1874 год. Немецкий физик ФердинандБраун, будущий нобелевский лауреат (в 1909 году он получит премию «Завыдающийся вклад в создание беспроволочной телеграфии») публикует статью вжурнале Analen der Physik und Chemie, в которой на примере «естественных и искусственныхсерных металлов» описывает важнейшее свойство полупроводников — проводить электрическийток только в одном направлении. Выпрямляющее свойство контакта полупроводника сметаллом противоречило закону Ома. Браун пытается объяснить наблюдаемое явлениеи проводитдальнейшие исследования, но безрезультатно.
Явление есть, объяснениянет. По этой причине современники Брауна не заинтересовались его открытием, итолько пять десятилетий спустя выпрямляющие свойства полупроводников былииспользованы в детекторных приемниках.
Год 1906. Американскийинженер Гринлис Виттер Пикард получает патент на кристаллический детектор. Всвоей заявке на получение патента он пишет «Контакт между тонким металлическимпроводником и поверхностью некоторых кристаллических материалов (кремний,галенит, пирит и др.) выпрямляет и демодулирует высокочастотный переменный ток,возникающий в антенне при приеме радиоволн».
Тонкий металлический проводник, с помощью которогоосуществлялся контакт с поверхностью кристалла, внешне очень напоминал кошачийус. Кристаллический детектор Пикарда так и стали называть — «кошачий ус» (cat's whisker).
Чтобы «вдохнуть жизнь» вдетектор Пикарда и заставить его устойчиво работать, требовалось найти наиболеечувствительную точку на поверхности кристалла.
Сделать это было непросто.На свет появляется множество хитроумных конструкций «кошачего уса», облегчающихпоиск заветной точки, но стремительный выход на авансцену радиотехникиэлектронных ламп надолго отправляет детектор Пикарда за кулисы.
И все же «кошачий ус»намного проще и меньше вакуумных диодов, к тому же намного эффективнее навысоких частотах. А что если заменить вакуумный триод, на котором была основанався радиоэлектроника того времени, (рис. 8) на полупроводник? Возможно ли это?В начале XX века подобный вопрос не давал покоямногим ученым.
2. О.В. Лосев
Советская Россия. 1918год. По личному распоряжению Ленина в Нижнем Новгороде создаетсярадиотехническая лаборатория. Новая власть остро нуждается в «беспроволочнойтелеграфной» связи.
К работе в лаборатории привлекаются лучшие радиоинженеры тоговремени — М. А. Бонч-Бруевич, В. П. Вологдин, В. К. Лебединский, В. В.Татаринов и многие другие. Приезжает в Нижний Новгород и Олег Лосев.
После окончания Тверского реального училища в 1920 году инеудачного поступления в Московский институт связи Лосев согласен на любую работу,только бы приняли в лабораторию. Его берут посыльным. Общежития посыльным не полагается.
17-летний Лосев готов жить в помещении лаборатории, налестничной площадке перед чердаком, только бы заниматься любимым делом. Сраннего возраста он страстно увлекался радиосвязью.
В годы Первой мировой войны в Твери была построенарадиоприемная станция. В ее задачи входило принимать сообщения от союзниковРоссии по Антанте и далее по телеграфу передавать их в Петроград. Лосев частобывал на радиостанции, знал многих сотрудников, помогал им и не мыслил своюдальнейшую жизнь без радиотехники. В Нижнем Новгороде у него не было ни семьи,ни нормального быта, но было главное — возможность общаться со специалистами вобласти радиосвязи, перенимать их опыт и знания. После выполнения необходимых работв лаборатории ему разрешали заниматься самостоятельным экспериментированием.
В то время интерес к кристаллическим детекторам практическиотсутствовал. В лаборатории никто особо не занимался этой темой. Приоритет в исследованияхбыл отдан радиолампам. Лосеву очень хотелось работать самостоятельно.Перспектива получить ограниченный участок работы «по лампам» его никак невдохновляет. Может быть, именно по этой причине он выбирает для своихисследований кристаллический детектор. Его цель — усовершенствовать детектор,сделать его более чувствительным и стабильным в работе. Приступая кэкспериментам, Лосев ошибочно предполагал, что «в связи с тем, что некоторыеконтакты между металлом и кристаллом не подчиняются закону Ома, то вполневероятно, что в колебательном контуре, подключенном к такому контакту, могутвозникнуть незатухающие колебания». В то время уже было известно, что длясамовозбуждения одной лишь нелинейности вольтамперной характеристикинедостаточно, должен обязательно присутствовать падающий участок. Любойграмотный специалист не стал бы ожидать усиления от детектора. Но вчерашнийшкольник ничего этого не знает. Он меняет кристаллы, материал иглы, аккуратнофиксирует получаемые результаты и в один прекрасный день обнаруживает искомые активныеточки у кристаллов, которые обеспечивают генерацию высокочастотных сигналов.
/>
Рисунок 2 — Схема первых опытов Лосева
«Все с детства знают, что то-то и то-то невозможно, но всегданаходится невежда, который этого не знает, он-то и делает открытие», — шутил Эйнштейн.
Свои первые исследования генераторных кристаллов Лосевпроизводил на простейшей схеме, представленной на рис. 2.
Испытав большое количество кристаллических детекторов, Лосеввыяснил, что лучше всего генерируют колебания кристаллы цинкита, подвергнутыеспециальной обработке. Для получения качественных материалов он разрабатываеттехнологию приготовления цинкита методом сплавливания в электрической дугеестественных кристаллов. При паре цинкит — угольное острие, при подаче напряженияв 10 В получался радиосигнал с длиной волны 68 м. При снижении генерации реализуется усилительный режим детектора.
Новое физическое явление не привлекает внимания специалистов,и о нем на какое-то время забывают. Икклз тоже ошибочно объяснял механизм«отрицательного» сопротивления исходя из того, что сопротивление полупроводникападает с увеличением температуры вследствие тепловых эффектов, возникающих награнице «металл-полупроводник».
В 1922 году на страницах научного журнала «Телеграфия ителефония без проводов» появляется первая статья Лосева, посвященнаяусиливающему и генерирующему детектору. В ней он очень подробно описываетрезультаты своих экспериментов, причем особое внимание уделяет обязательномуприсутствию падающего участка вольтамперной характеристики контакта.
В те годы Лосев активно занимается самообразованием. Егонепосредственный руководитель профессор В. К. Лебединский помогает ему визучении радиофизики. Лебединский понимает, что его молодой сотрудник сделал настоящееоткрытие и тоже пытается дать объяснение наблюдаемому эффекту, но тщетно.Фундаментальная наука того времени еще не знает квантовой механики. Лосев, всвою очередь, выдвигает гипотезу, что при большом токе в зоне контакта возникаетнекий электрический разряд наподобие вольтовой дуги, но только без разогрева.Этот разряд закорачивает высокое сопротивление контакта, обеспечивая генерацию.
Лишь через тридцать лет сумели понять, что собственно былооткрыто. Сегодня мы бы сказали, что прибор Лосева — это двухполюсник с N-образной вольтампернойхарактеристикой, или туннельный диод, за который в 1973 году японский физик ЛеоИсаки получил Нобелевскую премию.
Руководство нижегородской лаборатории понимало, что серийновоспроизвести эффект не удастся. Немного поработав, детекторы практически терялисвойства усиления и генерации. Об отказе от ламп не могло быть и речи. Тем не менее,практическая значимость открытия Лосева была огромной.
В 1920-е годы во всем мире, в том числе и в Советском Союзе,радиолюбительство принимает характер эпидемии. Советские радиолюбители пользуютсяпростейшими детекторными приемниками, собранными по схеме Шапошникова.
Для повышения громкости и дальности приема применяютсявысокие антенны. В городах применять такие антенны было затруднительно из-запромышленных помех. На открытой местности, где практически нет помех, хорошийприем радиосигналов не всегда удавался из-за низкого качества детекторов.
Введение в антенный контур приемника отрицательногосопротивления детектора с цинкитом, поставленного в режим, близкий ксамовозбуждению значительно усиливало принимаемые сигналы. Радиолюбителямудавалось услышать самые отдаленные станции. Заметно повышалась избирательностьприема. И это без использования электронных ламп!
Лампы были не дешевы, причем к ним требовался специальныйисточник питания, а детектор Лосева мог работать от обычных батареек длякарманного фонарика.
В итоге оказалось, что простые приемники конструкцииШапошникова с генерирующими кристаллами предоставляют возможность осуществлятьгетеродинный прием, являвшийся в то время последним словом радиоприемнойтехники.
В последующих статьях Лосев описывает методику быстрого поискаактивных точек на поверхности цинкита и заменяет угольное острие металлическим.Он дает рекомендации, как следует обрабатывать кристаллы и приводит несколькопрактических схем для самостоятельной сборки радиоприемников.
Устройство Лосева позволяет не только принимать сигналы набольших расстояниях, но и передавать их. Радиолюбители в массовом порядке, наоснове детекторов-генераторов, изготавливают радиопередатчики, поддерживающиесвязь в радиусе нескольких километров. Вскоре издается брошюра Лосева. Онарасходится миллионными тиражами. Восторженные радиолюбители писали в различныенаучно-популярные журналы, что «при помощи цинкитного детектора в Томске,например, можно услышать Москву, Нижний и даже заграничные станции».
На все свои технические решения Лосев получает патенты,начиная с «Детекторного приемника-гетеродина», заявленного в декабре 1923 года.Статьи Лосева печатаются в таких журналах, как «ЖЭТФ», «Доклады АН СССР», Radio Revue, Philosophical Magazine, Physikalische Zeitschrift. Лосев становится знаменитостью, аведь ему еще не исполнилось и двадцати лет!
Например, в редакторском предисловии к статье Лосева«Осциллирующие кристаллы» в американском журнале The Wireless World and Radio Review за октябрь 1924 года говорится: «Автор этой статьи,господин Олег Лосев из России, за сравнительно короткий промежуток времениприобрел мировую известность в связи с его открытием осциллирующих свойств унекоторых кристаллов».
Другой американский журнал — Radio News — примерно в то же время публикует статью подзаголовком «Сенсационное изобретение», в которой отмечается: «Нет необходимостидоказывать, что это — революционное радиоизобретение. В скором времени мы будемговорить о схеме с тремя или шестью кристаллами, как мы говорим сейчас о схемес тремя или шестью усилительными лампами. Потребуется несколько лет, чтобыгенерирующий кристалл усовершенствовался настолько, чтобы стать лучше вакуумнойлампы, но мы предсказываем, что такое время наступит».
Автор этой статьи Хьюго Гернс6ек называет твердотельныйприемник Лосева — кристадином (кристалл + гетеродин). Причем не только называет,но и предусмотрительно регистрирует название, как торговую марку. Спрос накристадины огромен. Интересно, что когда в нижегородскую лабораторию приезжаютнемецкие радиотехники, чтобы лично познакомиться с Лосевым, они не верят своимглазам. Они поражаются таланту и юному возрасту изобретателя. В письмах из-заграницы Лосева величали не иначе как профессором.
Никто и представить не мог, что профессор еще толькопостигает азы науки. Впрочем, очень скоро Лосев станет блестящимфизиком-экспериментатором и еще раз заставит мир заговорить о себе. Влаборатории с должности рассыльного его переводят в лаборанты, предоставляютжилье. В Нижнем Новгороде Лосев женится (правда, неудачно, как оказалосьвпоследствии), обустраивает свой быт и продолжает заниматься кристаллами.
В 1928 году, по решению правительства, тематика нижегородскойрадиолаборатории вместе с сотрудниками передается в Центральнуюрадиолабораторию в Ленинграде, которая, в свою очередь, тоже постояннореорганизуется. На новом месте Лосев продолжает заниматься полупроводниками, новскоре Центральную радиолабораторию преобразовывают в Институт радиовещательногоприема и акустик.
В новом институте своя программа исследований, тематика работсужается. Лаборанту Лосеву удается устроиться по совместительству в Ленинградскийфизико-технический институт (ЛФТИ), где у него появляется возможностьпродолжить исследования новых физических эффектов в полупроводниках. В конце1920-х годов у Лосева появилась идея создать твердотельный аналог трехэлектроднойвакуумной радиолампы.
В 1929-1933 гг., по предложению А. Ф. Иоффе, Лосев проводитисследования полупроводникового устройства, полностью повторяющего конструкциюточечного транзистора. Как известно, принцип действия этого прибора заключаетсяв управлении током, текущим между двумя электродами, с помощью дополнительногоэлектрода. Лосев действительно наблюдал данный эффект, но, к сожалению, общийкоэффициент такого управления не позволял получить усиление сигнала. Для этойцели Лосев использовал только кристалл карборунда (SiC), а не кристалл цинкита (ZnO), имевшего значительно лучшие характеристики вкристаллическом усилителе (Что странно! Ему ли не знать о свойствах этогокристалла.) До недавнего времени считалось, что после вынужденного ухода изЛФТИ Лосев не возвращался к идее полупроводниковых усилителей. Однакосуществует довольно любопытный документ, написанный самим Лосевым. Он датирован12 июля 1939 года и в настоящее время хранится в Политехническом музее. В этомдокументе, озаглавленном «Жизнеописание Олега Владимировича Лосева», кроме интересныхфактов его жизни содержится и перечень научных результатов. Особый интересвызывают следующие строки: «Установлено, что с полупроводниками может быть построенатрехэлектродная система, аналогичная триоду, как и триод, дающая характеристики,показывающие отрицательное сопротивление. Эти работы в настоящее время подготавливаютсямною к печати...».
К сожалению, пока не установлена судьба этих работ, которыемогли бы полностью изменить представление об истории открытия транзистора —самого революционного изобретения XX века.
Рассказывая о выдающемся вкладе Олега Владимировича Лосева вразвитие современной электроники, просто невозможно не упомянуть о его открытиисветоизлучающего диода. Масштаб этого открытия нам еще только предстоит понять.Пройдет не так много времени, и в каждом доме вместо привычной лампы накаливаниябудут гореть «электронные генераторы света», как назвал светодиоды Лосев.
Еще в 1923 году, экспериментируя с кристадинами, Лосевобратил внимание на свечение кристаллов при пропускании через них электрическоготока. Особенно ярко светились карборундовые детекторы. В 1920-е годы на Западеявление электролюминесценции одно время даже называли «свет Лосева» (Losev light, Lossew Licht). Лосевзанялся изучением и объяснением полученной электролюминесценции. Он первымоценил огромные перспективы таких источников света, особо подчеркивая ихвысокую яркость и быстродействие. Лосев стал обладателем первого патента наизобретение светового реле — прибора с электролюминесцентным источником света.
В 70-х годах XX века, когдасветодиоды стали широко применяться, в журнале Electronic World за 1907 год была обнаружена статья англичанина ГенриРоунда, в которой автор, будучи сотрудником лаборатории Маркони, сообщал, что виделсвечение в контакте карборундового детектора при подаче на него внешнего электрическогополя. Никаких соображений, объясняющих физику этого явления, не приводилось.Данная заметка не оказала никакого влияния на последующие исследования вобласти электролюминесценции, тем не менее, автор статьи сегодня официально считаетсяпервооткрывателем светодиода.
Лосев независимо открыл явление электролюминесценции и провелряд исследований на примере кристалла карборунда. Он выделил два физическиразличных явления, которые наблюдаются при разной полярности напряжения наконтактах. Его несомненной заслугой является обнаружение эффекта предпробойнойэлектролюминесценции, названной им «свечение номер один», и инжекционнойэлектролюминесценции — «свечение номер два». В наши дни эффект предпробойной люминесценциишироко применяется при создании электролюминесцентных дисплеев, а инжекционнаяэлектролюминесценция является основой светодиодов и полупроводниковых лазеров.Лосеву удалось существенно продвинуться в понимании физики этих явлений задолгодо создания зонной теории полупроводников. Впоследствии, в 1936 году, свечениеномер один было заново обнаружено французским физиком Жоржем Дестрио. В научнойлитературе оно известно под названием «эффект Дестрио», хотя сам Дестриоприоритет в открытии этого явления отдавал Олегу Лосеву. Наверное, было бынесправедливо оспаривать приоритет Роунда в открытии светодиода. И все женельзя забывать, что изобретателями радио по праву считаются Маркони и Попов, хотявсем известно, что радиоволны первым наблюдал Герц. И таких примеров в историинауки множество.
В своей статье Subhistory of Light Emitting Diode известный американский ученый в областиэлектролюминесценции Игон Лобнер пишет о Лосеве: «Своими пионерскими исследованиямив области светодиодов и фотодетекторов он внес вклад в будущий прогресс оптическойсвязи. Его исследования были так точны и его публикации так ясны, что без трудаможно представить сейчас, что тогда происходило в его лаборатории. Его интуитивныйвыбор и искусство эксперимента просто изумляют».
Сегодня мы понимаем, что без квантовой теории строенияполупроводников представить развитие твердотельной электроники невозможно.Поэтому талант Лосева поражает воображение. Он с самого начала видел единую физическуюприроду кристадина и явления инжекционной люминесценции и в этом значительноопередил свое время.
После него исследования детекторов и электролюминесценциипроводились отдельно друг от друга, как самостоятельные направления. Анализрезультатов показывает, что на протяжении почти 20 лет после появления работЛосева не было сделано ничего нового с точки зрения понимания физики этогоявления.
Только в 1951 г. американский физик Курт Лиховец установил,что детектирование и электролюминесценция имеют единую природу, связанную споведением носителей тока в р-n-переходах.
Следует отметить, что в своей работе Леховец приводит впервую очередь ссылки на работы Лосева, посвященные электролюминесценции.
В 1930-31 гг. Лосев выполнил на высоком экспериментальномуровне серию опытов с косыми шлифами, растягивающими исследуемую область, исистемой электродов, включаемых в компенсационную измерительную схему, дляизмерения потенциалов в разных точках поперечного сечения слоистой структуры.Перемещая металлический «кошачий ус» поперек шлифа, он показал с точностью домикрона, что приповерхностная часть кристалла имеет сложное строение.
Он выявил активный слой толщиной приблизительно в десятьмикрон, в котором наблюдалось явление инжекционной люминесценции. По результатампроведенных экспериментов Лосев сделал предположение, что причиной униполярнойпроводимости является различие условий движения электрона по обе стороныактивного слоя (или, как бы мы сказали сегодня, — разные типы проводимости).Впоследствии, экспериментируя с тремя и более зондами-электродами,расположенными в данных областях, он действительно подтвердил свое предположение.Эти исследования являются еще одним значительным достижением Лосева какученого-физика.
В 1935 году, в результате очередной реорганизации радиовещательногоинститута и непростых отношений с руководством, Лосев остается без работы.Лаборанту Лосеву дозволялось делать открытия, но не греться в лучах славы. Иэто при том, что его имя было хорошо известно сильным мира сего. В письме, датируемом16 мая 1930 года, академик А. Ф. Иоффе пишет своему коллеге Паулю Эренфесту: «Внаучном отношении у меня ряд успехов. Так, Лосев получил в карборунде и другихкристаллах свечение под действием электронов в 2-6 вольт. Граница свечения вспектре ограничена...».
В ЛФТИ у Лосева долгое время было свое рабочее место, но винститут его не берут, слишком независимый он человек. Все работы выполнялсамостоятельно — ни в одной из них нет соавторов.
При помощи друзей Лосев устраивается ассистентом на кафедруфизики Первого медицинского института. На новом месте ему намного сложнее заниматьсянаучной работой, поскольку нет необходимого оборудования. Тем не менее,задавшись целью выбрать материал для изготовления фотоэлементов и фотосопротивлений,Лосев продолжает исследования фотоэлектрических свойств кристаллов. Он изучаетболее 90 веществ и особо выделяет кремний с его заметной фоточувствительностью.
В то время не было достаточно чистых материалов, чтобыдобиться точного воспроизведения полученных результатов, но Лосев (в которыйраз!) чисто интуитивно понимает, что этому материалу принадлежит будущее. Вначале 1941 года он приступает к работе над новой темой — «Метод электролитныхфотосопротивлений, фоточувствительность некоторых сплавов кремния». Когданачалась Великая Отечественная война, Лосев не уезжает в эвакуацию, желаязавершить статью, в которой излагал результаты своих исследований по кремнию.По всей видимости, ему удалось закончить работу, так как статья была отослана вредакцию «ЖЭТФ». К тому времени редакция уже была эвакуирована из Ленинграда. Ксожалению, после войны не удалось найти следы этой статьи, и теперь можно лишьдогадываться о ее содержании.
22 января 1942 года Олег Владимирович Лосев умер от голода вблокадном Ленинграде. Ему было 38 лет. В том же 1942 году в США компании Sylvania и Western Electric начали промышленное производство кремниевых (а чуть позже игерманиевых) точечных диодов, которые использовались в качестведетекторов-смесителей в радиолокаторах. Смерть Лосева совпала по времени срождением кремниевых технологий.
3. Военный трамплин
В 1925 году корпорация American Telephone and Telegraph (AT&T)открывает научный и опытно-конструкторский центр Bell Telephone Laboratories. В 1936 году директор Bell Telephone Laboratories Мервин Келли решает сформировать группу ученых, котораяпровела бы серию исследований, направленных на замену ламповых усилителей полупроводниковыми.Группу возглавил Джозеф Бекер, привлекший к работе физика-теоретика УильямаШокли и блестящего экспериментатора Уолтера Браттейна.
Окончив докторантуру в Массачусетском технологическоминституте, знаменитом МТИ, и поступив на работу в Bell Telephone Laboratories, Шокли, будучи исключительноамбициозным и честолюбивым человеком, энергично берется за дело. В 1938 году, врабочей тетради 26-летнего Шокли появляется первый набросок полупроводниковоготриода. Идея проста и не отличается оригинальностью: сделать устройство,максимально похожее на электронную лампу, с тем лишь отличием, что электроны внем будут протекать по тонкому нитевидному полупроводнику, а не пролетать ввакууме между катодом и анодом. Для управления током полупроводникапредполагалось ввести дополнительный электрод (аналог сетки) — прикладывая к немунапряжение разной полярности. Таким образом, можно будет либо уменьшать, либоувеличивать количество электронов в нити и, соответственно, изменять еесопротивление и протекающий ток. Все как в радиолампе, только без вакуума, безгромоздкого стеклянного баллона и без подогрева катода. Вытеснение электроновиз нити или их приток должен был происходить под влиянием электрического поля,создаваемого между управляющим электродом и нитью, то есть благодаря полевомуэффекту. Для этого нить должна быть именно полупроводниковой. В металле слишкоммного электронов и никакими полями их не вытеснишь, а в диэлектрике свободныхэлектронов практически нет. Шокли приступает к теоретическим расчетам, однако всепопытки построить твердотельный усилитель ни к чему не приводят.
В то же время в Европе немецкие физики Роберт Поль и РудольфХилш создали на основе бромида калия работающий контактный трехэлектродныйкристаллический усилитель. Тем не менее, никакой практической ценности немецкийприбор не представлял. У него была очень низкая рабочая частота.
Есть сведения, что в первой половине 1930-х годовтрехэлектродные полупроводниковые усилители «собрали» и два радиолюбителя —канадец Ларри Кайзер и новозеландский школьник Роберт Адамс. Адамс, в дальнейшемставший радиоинженером, замечал, что ему никогда не приходило в голову оформитьпатент на изобретение, так как всю информацию для своего усилителя он почерпнулиз радиолюбительских журналов и других открытых источников.
Лилиенфельд предполагал, что при подаче напряжения на слабопроводящий материал будет меняться его проводимость и в связи с этим возникнетусиление электрических колебаний. Несмотря на получение патента, создатьработающий прибор Лилиенфельд не сумел. Причина была самая прозаическая — в30-х годах XX века еще не нашлось необходимогоматериала, на основе которого можно было бы изготовить работающий транзистор.
К 1926-1930 гг. относятся работы Юлиуса Лилиенфельда, профессораЛейпцигского университета, который запатентовал конструкцию полупроводниковогоусилителя, в наше время известного под названием полевой транзистор.
Именно поэтому усилия большинства ученых того времени были направленына изобретение более сложного биполярного транзистора. Таким образом, пыталисьобойти трудности, возникшие при реализации полевого транзистора.
Работы по твердотельному усилителю в Bell Telephone Laboratories прерываются с началом Второй мировой войны. Уильям Шокли имногие его коллеги откомандированы в распоряжение министерства обороны, где работаютдо конца 1945 года
Твердотельная электроника не представляла интереса длявоенных — достижения им представлялись сомнительными. За одним исключением.Детекторы. Они-то как раз и оказались в центре исторических событий.
В небе над Ла-Маншем развернулась грандиозная битва заБританию, достигшая апогея в сентябре 1940 года. После оккупации ЗападнойЕвропы Англия осталась один на один с армадой немецких бомбардировщиков, разрушающихбереговую оборону и подготавливающих высадку морского десанта для захватастраны—операцию «Морской лев». Трудно сказать, что спасло Англию — чудо,решительность премьера Уинстона Черчилля или радиолокационные станции.
Появившиеся в конце 30-х годов радары позволяли быстро иточно обнаруживать вражеские самолеты и своевременно организовывать противодействие.Потеряв в небе над Британией более тысячи самолетов, гитлеровская Германиясильно охладела к идее захвата Англии в 1940-м и приступила к подготовке блицкригана Востоке.
Англии были нужны радары, радарам — кристаллическиедетекторы, детекторам — чистые германий и кремний. Первым, и в значительных количествах,на заводах и в лабораториях появился германий. С кремнием, из-за высокойтемпературы его обработки, сначала возникли некоторые трудности, но вскорепроблему решили. После этого предпочтение было отдано кремнию. Кремний былдешев по сравнению с германием. Итак, трамплин для прыжка к транзистору былпрактически готов.
Вторая мировая стала первой войной, в которой наука, по своейзначимости для победы над врагом, выступила на равных с конкретными оружейнымитехнологиями, а в чем-то и опередила их. Вспомним атомный и ракетный проекты. Вэтот список можно включить и транзисторный проект, предпосылки для которого былив значительной степени заложены развитием военной радиолокации.
4. Открытие
В послевоенные годы в Bell Telephone Laboratories начинают форсировать работы вобласти глобальной связи. Аппаратура 1940-х годов использовала для усиления икоммутации сигналов в абонентских цепях два основных элемента: электроннуюлампу и электромеханическое реле. Эти элементы были громоздки, срабатывалимедленно, потребляли много энергии и не отличались высокой надежностью.Усовершенствовать их значило вернуться к идее использования полупроводников. В Bell Telephone Laboratories вновь создается исследовательскаягруппа, научным руководителем которой становится вернувшийся «с войны» УильямШокли. В команду входят Уолтер Браттейн, Джон Бардин, Джон Пирсон, Берт Мур иРоберт Гибни.
В самом начале команда принимает важнейшее решение: направитьусилия на изучение свойств только двух материалов — кремния и германия, какнаиболее перспективных для реализации поставленной задачи. Естественно, группаначала разрабатывать предвоенную идею Шокли — усилителя с эффектом поля. Ноэлектроны внутри полупроводника упрямо игнорировали любые изменения потенциалана управляющем электроде. От высоких напряжений и токов кристаллы взрывались,но не желали изменять свое сопротивление.
Над этим задумался теоретик Джон Бардин. Шокли, не получивбыстрого результата, охладел к теме и не принимал активного участия в работе.Бардин предположил, что значительная часть электронов на самом деле не«разгуливает» свободно по кристаллу, а застревает в каких-то ловушках у самойповерхности полупроводника. Заряд этих «застрявших» электронов экранируетприкладываемое извне поле, которое не проникает в объем кристалла. Вот так в1947 году в физику твердого тела вошла теория поверхностных состояний. Теперь,когда, казалось, причина неудач найдена, группа начала более осмысленнореализовывать идею эффекта поля. Других идей просто не было. Стали различнымиспособами обрабатывать поверхность германия, надеясь устранить ловушки электронов.Перепробовали все — химическое травление, механическую полировку, нанесение наповерхность различных пассиваторов. Кристаллы погружали в различные жидкости,но результата не было. Тогда решили максимально локализовать зону управления,для чего один из токопроводов и управляющий электрод изготовили в виде близкорасположенных подпружиненных иголочек. Экспериментатор Браттейн, за плечамикоторого был 15-летний опыт работы с различными полупроводниками, мог по 25часов в сутки крутить ручки осциллографа.
Теоретик Бардин всегда был рядом, готовый сутки напролетпроверять свои теоретические выкладки. Оба исследователя, как говорится, нашлидруг друга. Они практически не выходили из лаборатории, но время шло, а сколько-нибудьсущественных результатов по-прежнему не было.
Однажды Браттейн, издерганный от неудач, сдвинул иголки почтивплотную, более того — случайно перепутал полярности прикладываемых к ним потенциалов.Ученый не поверил своим глазам. Он был поражен, но на экране осциллографа былоявно видно усиление сигнала. Теоретик Бардин отреагировал молниеносно ибезошибочно: эффекта поля никакого нет, и дело не в нем. Усиление сигналавозникает по другой причине. Во всех предыдущих оценках рассматривались только электроны,как основные носители тока в германиевом кристалле, а «дырки», которых было вмиллионы раз меньше, естественно игнорировались. Бардин понял, что дело именнов «дырках». Введение «дырок» через один электрод (этот процесс назвали инжекцией)вызывает неизмеримо больший ток в другом электроде. И все это на фоне неизменностисостояния огромного количества электронов.
Вот так, непредсказуемым образом, 19 декабря 1947 года насвет появился точечный транзистор.
Сначала новое устройство назвали германиевым триодом. Бардинуи Браттейну название не понравилось. Не звучало. Они хотели, чтобы названиезаканчивалось бы на «тор», по аналогии с резистором или термистором. Здесь имна помощь приходит инженер-электронщик Джон Пирс, который прекрасно владелсловом (в дальнейшем он станет известным популяризатором науки иписателем-фантастом под псевдонимом J. J. Coupling). Пирс вспомнил, что одним изпараметров вакуумного триода служит крутизна характеристики, по-английски — transconductance. Он предложил назвать аналогичныйпараметр твердотельного усилителя transresistance, а сам усилитель, а это слово просто вертелось на языке, —транзистором. Название всем понравилось.
Через несколько дней после замечательного открытия, в канунРождества, 23 декабря 1947 года состоялась презентация транзистора руководству Bell Telephone Laboratories.
Уильям Шокли, который проводил отпуск в Европе, срочновозвратился в Америку. Неожиданный успех Бардина и Браттейна глубоко задеваетего самолюбие. Он раньше других задумался о полупроводниковом усилителе,возглавил группу, выбрал направление исследований, но на соавторство в «звездном»патенте претендовать не мог. На фоне всеобщего ликования, блеска и звонабокалов с шампанским Шокли выглядел разочарованным и мрачным. И тут происходитнечто, что всегда будет скрыто от нас пеленой времени. За одну неделю, которуювпоследствии Шокли назовет своей «страстной неделей», он создает теориютранзистоpa с p-n-переходами,заменившими экзотические иголочки, и в новогоднюю ночь изобретает плоскостнойбиполярный транзистор (Заметим, что реально работающий биполярный транзисторбыл изготовлен только в 1950 году.)
Предложение принципиальной схемы более эффективноготвердотельного усилителя со слоеной структурой уравняло Шокли в правах наоткрытие транзисторного эффекта с Бардиным и Браттейном.
Через полгода, 30 июня 1948-го, в Нью-Йорке, в штаб-квартире Bell Telephone Laboratories, после улаживания всех необходимыхпатентных формальностей, прошла открытая презентация транзистора. В то времяуже началась холодная война между США и Советским Союзом, поэтому техническиеновинки прежде всего оценивались военными. К удивлению всех присутствующих,эксперты из Пентагона не заинтересовались транзистором и порекомендовалииспользовать его в слуховых аппаратах.
Через несколько лет новое устройство стало незаменимымкомпонентом в системе управления боевыми ракетами, но именно в тот день близорукостьвоенных спасла транзистор от грифа «совершенно секретно».
Журналисты отреагировали на изобретение тоже без особых эмоций.На сорок шестой странице в разделе «Новости радио» в газете «Нью-Йорк Таймс»была напечатана краткая заметка об изобретении нового радиотехническогоустройства. И только.
В Bell Telephone Laboratories не ожидали такого развития событий.Военных заказов с их щедрым финансированием не предвиделось даже в отдаленнойперспективе. Срочно принимается решение о продаже всем желающим лицензий натранзистор. Сумма сделки — $25 000.
Организовывается учебный центр, проводятся семинары для специалистов.Результаты не заставляют себя ждать.
Транзистор быстро находит применение в самых различныхустройствах — от военного и компьютерного оборудования до потребительскойэлектроники. Интересно, что первый портативный радиоприемник долгое время так иназывали — транзистор.
5. Европейский аналог
Работы по созданию трехэлектродного полупроводниковогоусилителя велись и по другую сторону океана, но о них известно намного меньше.
Совсем недавно бельгийский историк Арманд Ван Дормел ипрофессор Стэнфордкого университета Майкл Риордан обнаружили, что в конце1940-х годов в Европе был изобретен и даже запущен в серию «родной браттранзистора» Бардина — Браттейна.
Европейских изобретателей точечного транзистора звали ГербертФранц Матаре и Генрих Иоганн Велкер.
Матаре был физиком-экспериментатором, работал в немецкойфирме Telefunken и занимался микроволновойэлектроникой и радиолокацией. Велкер больше был теоретиком, долгое времяпреподавал в Мюнхенском университете, а в военные годы трудился на люфтваффе.
Встретились они в Париже. После разгрома фашистской Германииоба физика был приглашены в европейский филиал американской корпорации Westinghouse.
Еще в 1944 году Матаре, занимаясь полупроводниковымивыпрямителями для радаров, сконструировал прибор, который назвал дуодиодом. Этобыла пара работающих параллельно точечных выпрямителей, использующих одну и туже пластинку германия. При правильном подборе параметров устройство подавлялошумы в приемном блоке радара. Тогда Матаре обнаружил, чтоколебаниянапряжения на одном электроде могут обернуться изменением силы тока проходящегочерез второй электрод. Заметим, что описание подобного эффекта содержалось ещев патенте Лилиенфельда, и не исключено, что Матаре знал об этом. Но как бы тамни было, он заинтересовался наблюдаемым явлением и продолжал исследования.
Велкер пришел к идее транзистора с другой стороны, занимаяськвантовой физикой и зонной теорией твердого тела. В самом начале 1945 года онсоздает схему твердотельного усилителя, очень похожего на устройство Шокли. Вмарте Велкер успевает его собрать и испытать, но ему повезло не больше, чемамериканцам. Устройство не работает.
В Париже Матаре и Велкеру поручают организовать промышленноепроизводство полупроводниковых выпрямителей для французской телефонной сети. Вконце 1947 года выпрямители запускаются в серию, и у Матаре с Велкеромпоявляется время для возобновления исследований. Они приступают к дальнейшимэкспериментам с дуодиодом. Вдвоем они изготавливают пластинки из гораздо болеечистого германия и получают стабильный эффект усиления. Уже в начале июня 1948года Матаре и Велкер создают стабильно работающий точечный транзистор.Европейский транзистор появляется на полгода позже, чем устройство Бардина иБраттейна, но абсолютно независимо от него. О работе американцев Матаре и Велкерне могли ничего знать. Первое упоминание в прессе о «новом радиотехническомустройстве», вышедшем из Bell Laboratories,появилось только 1 июля.
Дальнейшая судьба европейского изобретения сложиласьпечально. Матаре и Велкер в августе подготовили патентную заявку на изобретение,но французское бюро патентов очень долго изучало документы. Только в марте 1952года они получают патент на изобретение транзитрона — такое название выбралинемецкие физики своему полупроводниковому усилителю. К тому времени парижскийфилиал Westinghouse уже начал серийное производствотранзитронов. Основным заказчиком выступало Почтовое министерство. Во Франциистроилось много новых телефонных линий. Тем не менее, век транзитронов былнедолог. Несмотря на то, что они работали лучше и дольше своего американского«собрата» (за счет более тщательной сборки), завоевать мировой рыноктранзитроны не смогли. Впоследствии французские власти вообще отказались субсидироватьисследования в области полупроводниковой электроники, переключившись на болеемасштабные ядерные проекты. Лаборатория Матаре и Велкера приходит в упадок.Ученые принимают решение вернуться на родину. К тому времени в Германииначинается возрождение науки и высокотехнологичной промышленности. Велкерустраивается на работу в лабораторию концерна Siemens, которую впоследствии возглавит, а Матаре переезжаетв Дюссельдорф и становится президентом небольшой компании Intermetall, выпускающей полупроводниковые приборы.
Заключение
Если проследить судьбы американцев, то Джон Бардин ушел из Bell Telephone Laboratories в 1951 году, занялся теориейсверхпроводимости и в 1972 году вместе с двумя своими учениками был удостоенНобелевской премии «За разработку теории сверхпроводимости», став, такимобразом, единственным в истории ученым, дважды нобелевским лауреатом.
Уолтер Браттейн проработал в Bell Telephone Laboratories до выхода на пенсию в 1967 году, а затем вернулся в свойродной город и занялся преподаванием физики в местном университете.
Судьба Уильяма Шокли сложилась следующим образом. Он покидаетBell Telephone Laboratories в 1955 году и, при финансовой помощиАрнольда Бекмана, основывает фирму по производству транзисторов — Shockly Transistor Corporation. На работу в новую компаниюпереходят многие талантливые ученые и инженеры, но через два года большинствоиз них уходят от Шокли. Заносчивость, высокомерие, нежелание прислушиваться кмнению коллег и навязчивая идея не повторить ошибку, которую он допустил в работес Бардиным и Браттейном, делают свое дело. Компания разваливается.
Его бывшие сотрудники Гордон Мур и Роберт Нойс при поддержкетого же Бекмана основывают фирму Fairchild Semiconductor, азатем, в 1968 году создают собственную компанию — Intel.
Мечта Шокли построить полупроводниковую бизнес-империю былапретворена в жизнь другими, а ему опять досталась роль стороннего наблюдателя.Ирония судьбы заключается в том, что еще в 1952 году именно Шокли предложил конструкциюполевого транзистора на основе кремния. Тем не менее, компания Shockly Transistor Corporation не выпустила ни одного полевоготранзистора. Сегодня это устройство является основой всей компьютернойиндустрии.
После неудачи в бизнесе Шокли становится преподавателем вСтэндфордском университете. Он читает блестящие лекции по физике, лично занимаетсяс аспирантами, но ему не хватает былой славы — всего того, что американцыназывают емким словом publicity. Шокли включается в общественную жизнь и начинает выступать с докладамипо многим социальным и демографическим вопросам. Предлагая решения острыхпроблем, связанных с перенаселением азиатских стран и национальными различиями,он скатывается к евгенике и расовой нетерпимости.
Пресса, телевидение, научные журналы обвиняют его в экстремизмеи расизме. Шокли снова «знаменит» и, похоже, испытывает удовлетворение от всегопроисходящего. Его репутации и карьере ученого приходит конец. Он выходит напенсию, перестает со всеми общаться, даже с собственными детьми, и доживаетжизнь затворником.
Разные люди, разные судьбы, но всех их объединяетпричастность к открытию, коренным образом изменившему наш мир.
Дату 19 декабря 1947 года можно по праву считать днем рожденияновой эпохи. Начался отсчет нового времени. Мир шагнул в эру цифровых технологий.
Литература
1.William F. Brinkman, Douglas E. Haggan, William W. Troutman. A History of the Inventionof the Transistor and Where it will lead us // IEEE Journal of Solid-StateCircuits. Vol.32, No.12. December 1997.
2.Hugo Gernsback. A Sensational Radio Invention // Radio News. September 1924.
3. НовиковМ. А. Олег Владимирович Лосев — пионер полупроводниковой электроники // Физикатвердого тела. 2004. Том 46, вып. 1.
4. ОстроумовБ., Шляхтер И. Изобретатель кристадина О. В. Лосев. // Радио. 1952. № 5.
5. ЖирновВ., Суэтин Н. Изобретение инженера Лосева // Эксперт. 2004. № 15.
6.Lee Т. Н., A Nonlinear History of Radio.Cambridge University Press. 1998.
7. НосовЮ. Парадоксы транзистора // Квант. 2006. № 1.
8.Andrew Emmerson. Who really invented Transistor? www.radiobygones.com
9. Michael Riordan. How Europe Missedthe Transistor // IEEE Spectrum, Nov. 2005. www.spectrum.ieee.org