Кто создал транзистор и в каком году: Как был изобретен транзистор | В мире музыки

Как был изобретен транзистор | В мире музыки

УВЕРЕННАЯ ПОСТУПЬ ТРАНЗИСТОРА

С 17 ноября до 23 декабря 1947 года ученые Уильям Шокли, Уолтер Браттейн и Джон Бардин проводили эксперименты по исследованию полупроводников, в результате которых был изобретен «полупроводниковый триод», а 30 июня 1948 года Bell Laboratories официально представила это изобретение публике на прес-конференции, сменив слишком длинное название на более емкое транзистор. Именно эту дату принято считать днем изобретения транзистора. Но великий поход в «страну Полупроводников» начался еще в 1833, когда Майкл Фарадей обнаружил, что электропроводность сульфида серебра увеличивается при нагревании. И только через 125 лет в Америке на основе другого полупроводника, германия, была создана микросхема.

Новое изобретение

О первой демонстрации транзистора газета «New York Times» сообщила 1 июля 1948 года на предпоследней странице: «Вчера Bell Telephone Laboratories впервые продемонстрировала изобретенный ею прибор под названием «транзистор», его в некоторых случаях можно использовать в области радиотехники вместо электронных ламп. Было также показано его использование в телефонной системе и телевизионном устройстве. В каждом из этих случаев транзистор работал в качестве усилителя, хотя фирма заявляет, что он может применяться и как генератор, способный создавать и передавать радиоволны».

Транзисторный магнитофон Комета МГ-209

Новость, по мнению редактора, не походила на сенсацию. Публика не проявила поначалу интереса к новому прибору, и Bell пыталась продвинуть новинку, раздавая лицензии на использование транзистора всем желающим. А инвесторы между тем делали миллионные вложения в радиолампы, которые после тридцати лет развития переживали бум, – конец ему положит именно новое изобретение.

Потесненная лампа

До середины ХХ века казалось, что электронная лампа навсегда заняла место в радиоэлектронике. Она работала везде: в радиоприемниках и телевизорах, магнитофонах и радарах. Радиоэлектронная лампа сильно потеснила кристаллический детектор Брауна, оставив ему место только в детекторных приемниках. Удалось ей также составить конкуренцию и кристадину Лосева, – это был прообраз будущих полупроводниковых транзисторов.

Копия первого в мире работающего транзистора

Но у лампы был большой недостаток – ограниченный срок службы. Необходимость создания нового элемента с неограниченным временем действия становилась в радиоэлектронике все острее. Но, как не парадоксально, разработка полупроводниковых приборов тормозилась, кроме объективных причин, еще и субъективными – инерцией мышления самих ученых. Достаточно сказать, что лабораторию американской компании «Bell telefon», где проводились исследования со сверхчистым германием, коллеги пренебрежительно называли «хижиной ненужных материалов».

Давние конкуренты

Эксперты, впервые увидев пластинку германия с присоединенными к ней проводниками, заявили: «Такой примитив никогда не сможет заменить лампу». И все же, не обращая внимания на все преграды, 30 июня 1948 года компания «Bell telefon» впервые публично продемонстрировала твердотельный усилитель – точечный транзистор. Его годом раньше разработали сотрудники Джон Бардин и Уолтер Браттейн под руководством Уильяма Шокли.

Транзисторный радиоприемник 1959 года

На вопрос журналиста: «Как вы этого достигли?», Уильям Шокли ответил: «Транзистор создан в результате соединения человеческих усилий, потребностей и обстоятельств».

Название «транзистор» происходит от английского слова TRANsferreSISTance, а окончание слова – «OR« соответствует раннее появившимся радиоэлементам – «термистор и варистор» и дал его Джон Пирс. В основе названия заложен тот факт, что прибором можно управлять путем изменения его сопротивления.

Бардин Шокли и Браттейн в лаборатории Bell, 1948

В 1956 году трем американским ученым за это открытие была присуждена Нобелевская премия в области физики. Интересно, что когда Джон Бардин опоздал на пресс-конференцию по поводу присуждения ему этой премии, то войдя в зал, в свое оправдание сказал: «Прошу извинить меня, но я не виноват, так как не мог попасть в гараж: отказал транзистор в электронном замке».

Транзисторы в музыке

Уильям Шокли не остановился на достигнутом и разработал еще несколько новых типов транзисторов. К этим трудам своего сотрудника эксперты компании проявили скепсис. Более дальновидными оказались специалисты японской фирмы «SONY», она приобрела лицензию на эти транзисторы.

Полностью вытеснить радиолампу транзистору пока еще не удалось. Можно, наверное, утверждать, что полупроводниковые приборы и электронные лампы будут сосуществовать еще долго, не заменяя друг друга, а дополняя, и занимать то место в радиоэлектронике, где они дают наибольший эффект.

Современный макет транзистора Бардина и Браттейна

Не составляет исключение и музыкальная индустрия, так как звучание транзисторов и ламп серьезно отличается друг от друга. Очевидно то, что и варианты применения техники, построенной на столь несхожих компонентах, должны отличаться. Видимо, в каких-то случаях предпочтительней лампа, а в каких-то – транзистор.

При современном развитии электроники существует возможность сделать звук транзисторного прибора теплым, а лампового – достоверным. Такая техника существует, но стоит очень дорого.

Все же есть надежда, что в будущем лампа и транзистор станут жить дружно, дополняя друг друга и радуя потребителей. Отзывы же о комбинированной аппаратуре на сегодня очень обнадеживающие.

История транзисторов. Буревестники кремниевой революции::Журнал СА 1-2.2010

Рубрика:

Карьера/Образование / 
Ретроспектива

Facebook

Twitter

Мой мир

Вконтакте

Одноклассники

Google+

 ВЛАДИМИР ГАКОВ, журналист, писатель-фантаст, лектор. Окончил физфак МГУ. Работал в НИИ. С 1984 г. на творческой работе. В 1990-1991 гг. – Associate Professor, Central Michigan University. С 2003 г. преподает в Академии народного хозяйства. Автор 8 книг и более 1000 публикаций

История транзисторов
Буревестники кремниевой революции

Нелепая ошибка привела к открытию, которое принесло его авторам Нобелевскую премию

Более шестидесяти лет назад, 23 декабря 1947 года, три американских физика, Уильям Шокли, Джон Бардин, Уолтер Браттейн, продемонстрировали коллегам новый прибор – полупроводниковый усилитель, или транзистор. Он был миниатюрнее, дешевле, прочнее и долговечнее радиоламп, а кроме того, потреблял гораздо меньше энергии. Словом, открытие стало настоящим рождественским подарком трех «санта-клаусов» человечеству – именно с этого основного элемента интегральных схем началась Великая кремниевая революция, приведшая к появлению общепринятых сегодня «персоналок».

Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн

Все трое получили заслуженную Нобелевскую премию, а Бардин впоследствии ухитрился получить и вторую – в 1972-м, за создание микроскопической теории сверхпроводимости (вместе с Леоном Купером и Джоном Шриффером – о чем ниже). Судьба Уильяма Шокли вообще сложилась очень любопытно.

Усилитель технического прогресса

История изобретения полупроводниковых усилителей – транзисторов – вышла драматичной, несмотря на ее скоротечность. Вся она уместилась в два послевоенных десятилетия, но чего в ней только не было! Тут и поразительные «пролеты» конкурентов удачливой тройки: находясь в буквальном смысле в сантиметрах от открытия, они не разглядели его и прошли мимо, в том числе и мимо светившей им Нобелевской премии. Ученики настолько хорошо усвоили идеи учителя, что чуть было не оставили его самого без означенной «нобелевки», так что раздосадованному шефу пришлось за неделю совершить невозможное, чтобы нагнать свою чересчур шуструю команду. Да и сам транзистор появился на свет, как это часто случалось, в результате нелепой ошибки одного из героев этой истории, измученного затяжной полосой неудач. Ну и, наконец, не менее поразительная «слепота» масс-медиа, сообщивших об одном из главных технологических переворотов ХХ века… мелким шрифтом на последних полосах!

Драматична судьба двух участников исторического события. Потеряв интерес к открытой ими золотой жиле, оба переключились на иные направления. Но Бардин, как уже говорилось, получил вторую «нобелевку» (их вообще в этой истории хватало), а Шокли – общественное негодование и игнорирование всего научного сообщества. До этого он еще успел растерять и лучших сотрудников. Сбежав из его фирмы и создав собственную, они разбогатели и прославились как создатели первых интегральных схем.

Тут не статью – увлекательный роман писать впору!

Но все по порядку. Итак, к середине прошлого века на повестку дня встал вопрос о замене громоздких, капризных, энергоемких и недолговечных электровакуумных ламп на что-то более миниатюрное и эффективное. К решению этой задачи одновременно подбирались несколько ученых и целые исследовательские группы.

История развития транзисторов

Хотя все началось еще раньше – в 1833 году, когда англичанин Майкл Фарадей обнаружил, что электропроводность сульфида серебра увеличивается при нагревании. Спустя без малого век, в 1926-м, соотечественник Фарадея Джулиус Эдгар Лилиенфилд получил патент под названием «Метод и прибор для управления электрическими токами», фактически предвосхитив, но так и не построив транзистор. А по окончании Второй мировой войны изучением электропроводных свойств полупроводниковых материалов занялись специалисты исследовательской фирмы Bell Telephone Laboratories, чья штаб-квартира располагалась в Марри-Хиллз (штат Нью-Джерси).

Именно там под руководством видного теоретика Уильяма Шокли был создан один из первых «мозговых центров» в истории американской науки. Шокли еще до войны пытался решить задачу повышения проводимости полупроводников с помощью внешнего электрического поля. Эскиз прибора в рабочем журнале ученого за 1939 год весьма напоминал нынешний полевой транзистор, однако испытания тогда закончились неудачей.

К концу войны в полупроводники успели поверить многие коллеги Шокли и, что самое главное, потенциальные заказчики и инвесторы – большой бизнес и «оборонка». На них произвели впечатление созданные во время войны радары, в основе которых лежали полупроводниковые детекторы.

Первым делом Шокли пригласил в Марри-Хиллз бывшего однокашника – теоретика Джона Бардина, переманив его из университета простым способом: предложил в два раза больший оклад. Кроме них двоих, в состав группы входила еще пятерка специалистов: теоретик, два экспериментатора, физико-химик и инженер-электронщик. Капитан этой команды ученых поставил перед ними ту же задачу, над которой бился до войны.

Однако и вторая попытка привела к отрицательному результату: изменить электропроводность полупроводниковых кремниевых пластин не смогли даже сильные внешние поля. Правда, на сей раз Бардин, работавший в связке с экспериментатором Уолтером Браттейном, с которым успел подружиться еще в колледже (где их объединила не только работа, но и совместное увлечение – гольф), смог хотя бы объяснить причину неудачи.

Если не вдаваться в технические детали, то из созданной им теории так называемых поверхностных состояний следовало, что управляющие металлические пластины, с помощью которых ученые воздействовали на полупроводниковый образец, и не могли дать желанного эффекта. Для получения положительного результата их следовало заменить заостренными (игольчатыми) электродами.

Друзья-коллеги так и поступили, и снова ничего. Казалось, дело зашло в тупик, но тут законченный трудоголик Браттейн, про которого говорили, что он может крутить ручки осциллографа по 25 часов в сутки («лишь бы было с кем поболтать»), неожиданно сорвался и совершил непростительную для профессионала ошибку. Что он там замкнул не так и какие полюса перепутал, в состоянии понять и оценить по достоинству только специалист-физик, для остального человечества важен результат той досадной ошибки, ставшей поистине золотой. Подсоединив электрод не туда, куда надо, Браттейн с удивлением зафиксировал резкое усиление входного сигнала: полупроводник заработал!

Проваленная премьера

Первым, кто сразу же оценил всю прелесть совершенной ошибки, был Бардин. Вместе с Браттейном он продолжил движение в «неправильном» направлении, начав экспериментировать с кристаллом германия, обладавшим большим, чем у кремния, сопротивлением. И 16 декабря 1947 года друзья продемонстрировали остальным участникам группы первый полупроводниковый усилитель, названный позже точечным транзистором.

Это был уродливый на вид германиевый брусок с торчащими из него закрученными усиками-электродами. Как именно он действует, в ту пору понимал, очевидно, один только Бардин: выдвинутая им по горячим следам гипотеза об инжекции (испускании) зарядов одним электродом (эмиттером) и их собирании другим электродом (коллектором) была выслушана коллегами в недоуменном молчании. Специалистов можно было понять – подтверждения теоретической правоты Бардина пришлось ждать годы.

Официальная презентация нового прибора состоялась через неделю, в предрождественский вторник 23 декабря, и эта дата вошла в историю как день открытия транзисторного эффекта. Присутствовал весь топ-менеджмент Bell Telephone Laboratories, сразу оценивший, какие золотые горы сулит компании новое изобретение – особенно в радиосвязи и телефонии.

Современные транзисторы

В мрачном расположении духа пребывал лишь снедаемый ревностью руководитель группы. Шокли считал себя автором идеи транзистора, он первым преподал своим удачливым ученикам основы квантовой теории полупроводников – однако его непосредственного вклада в создание первого рабочего транзистора никакое патентное бюро при всем желании не разглядело бы и в лупу.

Вдвойне несправедливо было и то, что Шокли раньше других оценил совершенно фантастические перспективы, которые сулил транзистор в иной области – стремительно прогрессировавшей вычислительной технике. Тут уже определенно светила «нобелевка», и Шокли, обладавший честолюбием и болезненным самолюбием, совершил фантастический рывок, чтобы успеть на уходящий поезд. Буквально за неделю ученый создал теорию инжекции и более основательную, чем бардинская, теорию транзистора – так называемую теорию p-n-переходов. А в новогоднюю ночь, когда коллеги исследовали в основном оставшиеся с рождественских гуляний бутылки из-под шампанского, придумал еще один тип транзистора – плоскостной (его еще называют «бутербродный»).

Героические усилия честолюбивого Шокли не пропали даром – спустя восемь лет он вместе с Бардиным и Браттейном разделил заветную Нобелевскую премию. На торжествах в Стокгольме, кстати, вся тройка в последний раз собралась вместе и больше никогда в полном составе не встречалась.

Через полгода после удачной премьеры транзистора в нью-йоркском офисе фирмы состоялась презентация для прессы нового усилителя. Однако реакция СМИ вопреки ожиданиям оказалась более чем вялой. На одной из последних полос (46-й) газеты The New York Times от 1 июля 1948 года в разделе «Новости радио» появилась короткая заметка – и все. Сообщение явно не тянуло на мировую сенсацию – с конца июня все американские и мировые СМИ были заняты обсуждением другой новости – советской блокады Западного Берлина, начатой за неделю до презентации транзистора. Изобретение троих ученых померкло на фоне репортажей о «воздушном мосте», с помощью которого американцы доставляли в блокированный сектор Берлина продукты питания и прочие предметы первой необходимости.

Поначалу фирме Bell Telephone Laboratories пришлось раздавать лицензии на транзисторы всем желающим, не торгуясь. Спрос был невелик – в то время инвесторы по инерции еще вкладывали огромные деньги в обычные радиолампы, производство которых переживало бум. Однако нашлись одиночки, которые быстро распознали возможности новых полупроводниковых усилителей, прежде всего в неожиданной области – слуховых аппаратов.

Микроэлектроника и макроевгеника

Среди прочих на нью-йоркской презентации присутствовал еще один будущий нобелевский лауреат – в ту пору инженер небольшой фирмы Centralab Джек Сент-Клер Килби. Вдохновившись увиденным, он наладил в своей фирме производство первых в мире миниатюрных слуховых аппаратов на транзисторах. А в мае 1958 года Килби перебрался в Даллас и поступил на работу в компанию Texas Instruments, производившую транзисторы, конденсаторы, резисторы и прочие «кубики», из которых собираются электросхемы.

Когда летом большинство сотрудников отправились в отпуска, Килби «на новенького» оставили потеть в офисе. Кроме всего прочего, ему пришлось заниматься рутинной работой, связанной скорее с бизнесом, чем с физикой. Именно за анализом ценообразования полупроводникового производства ученого посетила гениальная идея, в основе своей чисто экономическая. Получалось, что для вывода производства полупроводников на уровень рентабельности компании следовало ограничиться выпуском их одних. А все прочие активные элементы схемы производить на основе того же полупроводника, причем уже соединенными в единую компактную конструкцию наподобие детской игры Lego! Килби как раз и придумал, как это сделать.

Руководство компании пришло в восторг от идеи сотрудника и тут же «нагрузило» его срочным заданием: построить опытную модель схемы, целиком сделанной из полупроводника. 28 августа 1958 года Килби продемонстрировал работавший макет триггера, после чего приступил к изготовлению первой монолитной интегральной микросхемы (генератора с фазовым сдвигом) на кристалле германия.

Первый в истории простейший микрочип размером со скрепку для бумаг заработал 12 сентября, и этот день также вошел в историю. Однако Нобелевской премии Джеку Килби пришлось ждать почти полвека – ученый получил ее в последний год ХХ столетия, разделив премию с соотечественником, выходцем из Германии Гербертом Кремером и российским коллегой Жоресом Алферовым.

Что касается личных и профессиональных судеб трех отцов транзистора, то они сложились по-разному. Бардин, которого ревнивый до паранойи Шокли начал откровенно «затирать», в 1951 году оставил Bell Telephone Laboratories и перешел на работу в Университет штата Иллинойс в Урбане. Дополнительным стимулом послужил редкий в те времена годовой оклад в $10 тыс. Спустя пять лет профессор Бардин, уже забывший о полупроводниках и переключившийся на квантовые системы, услышал по радио о присуждении ему Нобелевской премии. А в 1972-м, как уже говорилось, за созданную вместе с сотрудниками Леоном Купером и Джоном Шриффером микроскопическую теорию сверхпроводимости получил и вторую. Умер единственный в истории дважды лауреат Нобелевской премии (в одной и той же номинации!) в 1991 году в возрасте 82 лет.

Анди Гроув, Роберт Нойс и Гордон Мур

Для Уолтера Браттейна, скончавшегося за четыре года до того, точечный транзистор так и остался пиком научной карьеры.

Зато их руководитель Уильям Шокли и после полученной премии активно работал в различных областях, хотя транзисторы вскоре забросил. Любопытно, что с технологической и коммерческой точек зрения его плоскостной транзистор оказался более перспективным, чем точечный Бардина и Браттейна: последний продержался на рынке лишь до конца 1950-х, в то время как плоскостные выпускаются и поныне. И именно на их основе были созданы первые микросхемы.

Но более всего Шокли прославился в сфере, весьма далекой от физики. А по мнению многих, и от науки вообще. В середине 1960-х годов он неожиданно увлекся евгеникой, вызывающей у многих неприятные ассоциации с арийскими сверхчеловеками, низшими расами и тому подобными «приветами» из недавнего прошлого. Шокли разработал собственную модификацию евгеники – дисгенику. Эта теория говорит о неизбежной умственной деградации человечества, в котором с течением времени вымывается интеллектуальная элита (люди с высоким IQ), а их место занимают те, у кого недостаток интеллекта скомпенсирован избытком репродуктивной функции. Иными словами – более плодовитыми и более глупыми.

С идеей общего оглупления человечества трезвомыслящему человеку еще можно было бы согласиться – в принципе. Однако Шокли добавил в свои рассуждения расовый момент, записав в число более плодовитых и более глупых представителей черной и желтой рас, которые, по его мнению, от рождения обладают более низким IQ, чем белые. На том американский физик не остановился и в духе приснопамятных нацистских рецептов предложил свое окончательное решение – только не еврейского, а негритянского вопроса. Чтобы бурно размножающиеся и умственно неразвитые «черные» (а также «желтые» и слабоумные «белые») окончательно не вытеснили на обочину истории высокоинтеллектуальную белую элиту, последней следует побудить первых к добровольной стерилизации.

План Шокли, который он неоднократно представлял в американскую Академию наук и правительственные учреждения, предусматривал материальное стимулировение людей с низким IQ, согласившихся на добровольную стерилизацию.

Можно себе представить реакцию коллег Шокли на подобные откровения. В 1960-е годы о тотальной политкорректности в Америке говорить не приходилось, но и откровенный расизм был уже не в моде. А когда подобные идеи излагал профессор и нобелевский лауреат, результатом могли быть только шок и возмущение. Полная обструкция со стороны интеллектуальной элиты сопровождала Шокли до последних дней (он умер от рака в 1989 году).

Вундеркинды Кремниевой долины

Между тем история изобретения транзистора на том не закончилась. Круги от исторического события, произошедшего в декабре 1947 года, расходились еще долго, порой приводя к совершенно непредсказуемым результатам.

По справедливости к упомянутой тройке нобелевских лауреатов 2000 года – Килби, Кремеру и Алферову – должен был бы присоединиться и американец Роберт Нойс, создавший первую микросхему одновременно с Килби. И самое главное – независимо от него. Однако Нойсу не довелось дожить до конца века, а посмертно эту премию, как известно, не присуждают.

Но занятно, что первый толчок научной карьере Нойса дал тот же Шокли – еще до того, как окончательно «сдвинулся» на расовой почве. В 1955 году будущий нобелевский лауреат покинул компанию Bell Telephone Laboratories и основал собственную фирму Shockley Semiconductor Laboratories в южном пригороде Сан-Франциско – Пало-Альто, где прошло его детство. Так был заложен первый камень в основание легендарной Кремниевой (или Силиконовой) долины.

Сотрудников Шокли набрал из молодых, да ранних, не подумав ни об их амбициях, ни о пределах их терпения – характер у него был отвратительный, да и руководителем он себя показал никаким. Не прошло и двух лет, как психологический климат в фирме стал чреват взрывом, и восемь лучших сотрудников во главе с Нойсом и Гордоном Муром сбежали из нее, чтобы основать собственную компанию.

Гениальных идей у «восьмерки предателей» (как заклеймил их Шокли) было хоть отбавляй – чего не скажешь о стартовых капиталах. Друзья-компаньоны еще не рожденной компании начали хождение по банкам и инвесторам в поисках денег. И после нескольких отказов счастливо наткнулись на такого же молодого и амбициозного финансиста Артура Рока, чьим коньком было как раз привлечение инвестиций. Что именно «напели» инженеры-технари бизнесмену, истории неведомо, но, как бы то ни было, он сыграл поистине судьбоносную роль в их будущем бизнесе. А также в судьбе других фирм Кремниевой долины, у основателей которых на старте не было ни гроша за душой – одни гениальные идеи и проекты.

С помощью Рока местная компания Fairchild Camera & Instrument согласилась инвестировать в новое дело $1,5 млн, но с одним условием: у нее останется право в будущем выкупить компанию «восьмерки» за вдвое большую сумму – если у тех дела пойдут в гору. Так была создана компания Fairchild Semiconductor, название которой буквально переводится как «Полупроводник чудо-ребенка» (в немецком варианте – вундеркинда). И вундеркинды из Пало-Альто скоро заявили о себе.

Первый транзисторСовременный микрочипМикрочип

Нойс сам себя считал отменным лентяем. И главное изобретение жизни сделал, по его собственным словам, также из лени. Ему надоело наблюдать, как при изготовлении микромодулей пластины кремния сначала разрезали на отдельные транзисторы, а затем опять соединяли друг с другом в единую схему. Процесс был трудоемким (все соединения паялись вручную под микроскопом) и дорогостоящим. И в 1958 году Нойс наконец сообразил, как изолировать друг от друга отдельные транзисторы в кристалле. Так родились всем знакомые микросхемы – пластинки с графическим лабиринтом «дорожек» из алюминиевых напылений, отделенных друг от друга изолирующим материалом.

На первых порах микросхемы с трудом пробивали себе дорогу на рынок. Но в начале 1970-х все резко изменилось: после того как в 1969 году Fairchild Superconductor продала определенный тип микрочипов (предсказанных Бардиным еще во время работы в Bell Telephone Laboratories) на $15 млн. Спустя два года объем продаж той же продукции подскочил до $100 млн.

Однако успехи «вундеркиндов» омрачили обычные в таких случаях приоритетные дрязги. Дело в том, что Джек Килби подал заявку на патент микросхемы в феврале 1959 года, а Нойс сделал это только спустя пять месяцев. Тем не менее он получил патент первым – в апреле 1961-го, а Килби – только через три года. После этого между конкурентами развязалась десятилетняя «приоритетная война», закончившаяся мировым соглашением: Апелляционный суд США подтвердил претензии Нойса на первенство в технологии, но одновременно постановил считать Килби создателем первой работающей микросхемы.

Роберт Нойс не дожил до положенной ему по праву Нобелевской премии 2000 года ровно десять лет – в 63-летнем возрасте он скончался в своем рабочем кабинете от сердечного приступа.

Но до этого он основал вместе с Муром еще одну знаменитую компанию. Бросив в 1968 году налаженный бизнес в Fairchild Semiconductor, друзья решили назвать свое новое детище без затей: Moore Noyce. Однако по-английски это звучало более чем двусмысленно – почти как more noise («больше шума»), и компаньоны остановились на более официальном, зато содержательном названии: Integrated Electronics. Затем их компания неоднократно меняла имя, и сегодня каждый пользователь «персоналок» ежедневно лицезреет ее логотип с нынешним названием, коротким и звучным – Intel. Который «внутри».

Так спустя два десятилетия после открытия Бардина, Браттейна и Шокли завершилась Великая кремниевая революция.

Приложение

Нарушитель конвенции

В случае с Джоном Бардиным члены Шведской академии в первый и пока единственный раз в более чем вековой истории Нобелевских премий пошли на нарушение ее статута. Один из его пунктов запрещает присуждать премии дважды в одной номинации. Однако отметить успех сотрудников Бардина (очевидный для членов комитета и всего мирового научного сообщества) и при этом проигнорировать главного виновника торжества было бы просто неприлично, и американскому физику сделали исключение.

На сенсацию явно не тянуло…

«Вчера Bell Telephone Laboratories впервые продемонстрировала изобретенный ею прибор под названием «транзистор», который в ряде случаев можно использовать в области радиотехники вместо электронных ламп. Прибор был применен в схеме радиоприемника, не содержащего обычных ламп, а также в телефонной системе и телевизионном устройстве. Во всех случаях прибор работал в качестве усилителя, хотя фирма заявляет, что он может применяться и как генератор, способный создавать и передавать радиоволны. Транзистор, имеющий форму маленького металлического цилиндра длиной около 13 миллиметров, совсем не похож на обычные лампы, в нем нет ни полости, из которой откачан воздух, ни сетки, ни анода, ни стеклянного корпуса. Транзистор включается практически мгновенно, не требуя разогрева, поскольку в нем отсутствует нить накала. Рабочими элементами прибора являются лишь две тонкие проволочки, подведенные к куску полупроводника величиной с булавочную головку, припаянному к металлическому основанию. Полупроводник усиливает ток, подводимый к нему по одной проволочке, а другая отводит усиленный ток».

The New York Times, 1 июля 1948 г.

Facebook

Twitter

Мой мир

Вконтакте

Одноклассники

Google+

Транзисторная история.

Изобретение транзисторов и развитие полупроводниковой электроники — Компоненты и технологии

Ровно 50 лет назад американцам Джону Бардину, Уолтеру Браттейну и Уильяму Шокли (рис. 1) была присуждена Нобелевская премия по физике «За исследования в области полупроводников и открытие транзистора». Тем не менее, анализ истории науки однозначно свидетельствует, что открытие транзистора — это не только заслуженный успех Бардина, Браттейна и Шокли.

Рис. 1. Лауреаты Нобелевской премии по физике за 1956 год

Первые опыты

Рождение твердотельной электроники можно отнести к 1833 году. Именно тогда Майкл Фарадей (рис. 2), экспериментируя с сульфидом серебра, обнаружил, что проводимость данного вещества (а это был, как мы теперь называем, полупроводник) растет с повышением температуры, в противоположность проводимости металлов, которая в данном случае уменьшается. Почему так происходит? С чем это связано? На эти вопросы Фарадей ответить не смог.

Рис. 2. Майкл Фарадей и его лаборатория

Следующей вехой в развитии твердотельной электроники стал 1874 год. Немецкий физик Фердинанд Браун (рис. 3), будущий нобелевский лауреат (в 1909 году он получит премию «За выдающийся вклад в создание беспроволочной телеграфии») публикует статью в журнале Analen der Physik und Chemie, в которой на примере «естественных и искусственных серных металлов» описывает важнейшее свойство полупроводников — проводить электрический ток только в одном направлении. Выпрямляющее свойство контакта полупроводника с металлом противоречило закону Ома. Браун (рис. 4) пытается объяснить наблюдаемое явление и проводит дальнейшие исследования, но безрезультатно. Явление есть, объяснения нет. По этой причине современники Брауна не заинтересовались его открытием, и только пять десятилетий спустя выпрямляющие свойства полупроводников были использованы в детекторных приемниках.

Рис. 3. Фердинанд Браун

Рис. 4. Фердинанд Браун в своей лаборатории

Год 1906. Американский инженер Гринлиф Виттер Пикард (рис. 5) получает патент на кристаллический детектор (рис. 6). В своей заявке на получение патента он пишет: «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 приеме радиоволн».

Рис. 5. Гринлиф Пикард

Рис. 6. Принципиальная схема кристаллического детектора Пикарда

Тонкий металлический проводник, с помощью которого осуществлялся контакт с поверхностью кристалла, внешне очень напоминал кошачий ус.

Кристаллический детектор Пикарда так и стали называть — «кошачий ус» (cat’s whisker).

Чтобы «вдохнуть жизнь» в детектор Пикарда и заставить его устойчиво работать, требовалось найти наиболее чувствительную точку на поверхности кристалла. Сделать это было непросто. На свет появляется множество хитроумных конструкций «кошачего уса» (рис. 7), облегчающих поиск заветной точки, но стремительный выход на авансцену радиотехники электронных ламп надолго отправляет детектор Пикарда за кулисы.

Рис. 7. Вариант конструкции «кошачий ус»

И все же «кошачий ус» намного проще и меньше вакуумных диодов, к тому же намного эффективнее на высоких частотах. А что если заменить вакуумный триод, на котором была основана вся радиоэлектроника того времени, (рис. 8) на полупроводник? Возможно ли это? В начале ХХ века подобный вопрос не давал покоя многим ученым.

Рис. 8. Вакуумный триод

Лосев

Советская Россия. 1918 год. По личному распоряжению Ленина в Нижнем Новгороде создается радиотехническая лаборатория (рис. 9). Новая власть остро нуждается в «беспроволочной телеграфной» связи. К работе в лаборатории привлекаются лучшие радиоинженеры того времени — М. А. Бонч-Бруевич, В. П. Вологдин, В. К. Лебединский, В. В. Татаринов и многие другие.

Рис. 9. Нижегородская радиолаборатория

Приезжает в Нижний Новгород и Олег Лосев (рис. 10).

Рис. 10. Олег Владимирович Лосев

После окончания Тверского реального училища в 1920 году и неудачного 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, на лестничной площадке перед чердаком, только бы заниматься любимым делом.

С раннего возраста он страстно увлекался радиосвязью. В годы Первой мировой войны в Твери была построена радиоприемная станция. В ее задачи входило принимать сообщения от союзников России по Антанте и далее по телеграфу передавать их в Петроград. Лосев часто бывал на радиостанции, знал многих сотрудников, помогал им и не мыслил свою дальнейшую жизнь без радиотехники. В Нижнем Новгороде у него не было ни семьи, ни нормального быта, но было главное — возможность общаться со специалистами в области радиосвязи, перенимать их опыт и знания. После выполнения необходимых работ в лаборатории ему разрешали заниматься самостоятельным экспериментированием.

В то время интерес к кристаллическим детекторам практически отсутствовал. В лаборатории никто особо не занимался этой темой. Приоритет в исследованиях был отдан радиолампам. Лосеву очень хотелось работать самостоятельно. Перспектива получить ограниченный участок работы «по лампам» его никак не вдохновляет. Может быть, именно по этой причине он выбирает для своих исследований кристаллический детектор. Его цель — усовершенствовать детектор, сделать его более чувствительным и стабильным в работе. Приступая к экспериментам, Лосев ошибочно предполагал, что «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». В то время уже было известно, что для самовозбуждения одной лишь нелинейности вольтамперной характеристики недостаточно, должен обязательно присутствовать падающий участок. Любой грамотный специалист не стал бы ожидать усиления от детектора. Но вчерашний школьник ничего этого не знает. Он меняет кристаллы, материал иглы, аккуратно фиксирует получаемые результаты и в один прекрасный день обнаруживает искомые активные точки у кристаллов, которые обеспечивают генерацию высокочастотных сигналов.

«Все с детства знают, что то-то и то-то невозможно, но всегда находится невежда, который этого не знает, он-то и делает открытие», — шутил Эйнштейн.

Свои первые исследования генераторных кристаллов Лосев производил на простейшей схеме, представленной на рис. 11.

Рис. 11. Схема первых опытов Лосева

Испытав большое количество кристаллических детекторов, Лосев выяснил, что лучше всего генерируют колебания кристаллы цинкита, подвергнутые специальной обработке. Для получения качественных материалов он разрабатывает технологию приготовления цинкита методом сплавливания в электрической дуге естественных кристаллов. При паре цинкит — угольное острие, при подаче напряжения в10 В получался радиосигнал с длиной волны 68 м. При снижении генерации реализуется усилительный режим детектора.

Заметим, что «генерирующий» детектор был впервые продемонстрирован еще в 1910 году английским физиком Уильямом Икклзом (рис. 12).

Рис 12. Уильям Генри Икклз

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 полупроводника падает с увеличением температуры вследствие тепловых эффектов, возникающих на границе «металл–полупроводник».

В 1922 году на страницах научного журнала «Телеграфия и телефония без проводов» появляется первая статья Лосева, посвященная усиливающему и генерирующему детектору. В ней он очень подробно описывает результаты своих экспериментов, причем особое внимание уделяет обязательному присутствию падающего участка вольтамперной характеристики контакта.

В те годы Лосев активно занимается самообразованием. Его непосредственный руководитель профессор В. К. Лебединский помогает ему в изучении радиофизики. Лебединский понимает, что его молодой сотрудник сделал настоящее открытие и тоже пытается дать объяснение наблюдаемому эффекту, но тщетно. Фундаментальная наука того времени еще не знает квантовой механики. Лосев, в свою очередь, выдвигает гипотезу, что при большом токе в зоне контакта возникает некий 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 было открыто. Сегодня мы бы сказали, что прибор Лосева — это двухполюсник с N-образной вольтамперной характеристикой, или туннельный диод, за который в 1973 году японский физик Лео Исаки (рис. 13) получил Нобелевскую премию.

Рис. 13. Лео Исаки

Руководство нижегородской лаборатории понимало, что серийно воспроизвести эффект не удастся. Немного поработав, детекторы практически теряли свойства 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 пользуются простейшими детекторными приемниками, собранными по схеме Шапошникова (рис. 14).

Рис. 14. Детекторный приемник Шапошникова

Для повышения громкости и дальности приема применяются высокие антенны. В городах применять такие антенны было затруднительно из-за промышленных помех. На открытой местности, где практически нет помех, хороший прием радиосигналов не всегда удавался из-за низкого качества детекторов. Введение в антенный контур приемника отрицательного сопротивления детектора с цинкитом, поставленного в режим, близкий к самовозбуждению, значительно усиливало принимаемые сигналы. Радиолюбителям удавалось услышать самые отдаленные станции. Заметно повышалась избирательность приема. И это без использования электронных ламп!

Лампы были не дешевы, причем к ним требовался специальный источник питания, а детектор Лосева мог работать от обычных батареек для карманного фонарика.

В итоге оказалось, что простые приемники конструкции Шапошникова с генерирующими кристаллами предоставляют возможность осуществлять гетеродинный прием, являвшийся в то время последним словом радиоприемной техники. В последующих статьях Лосев описывает методику быстрого поиска активных точек на поверхности цинкита и заменяет угольное острие металлическим. Он дает рекомендации, как следует обрабатывать кристаллы и приводит несколько практических схем для самостоятельной сборки радиоприемников (рис. 15).

Рис. 15. Принципиальная схема кристадина О. В. Лосева

Устройство Лосева позволяет не только принимать сигналы на больших расстояниях, но и передавать их. Радиолюбители в массовом порядке, на основе детекторов-генераторов, изготавливают радиопередатчики, поддерживающие связь в радиусе нескольких километров. Вскоре издается брошюра Лосева (рис. 16). Она расходится миллионными тиражами. Восторженные радиолюбители писали в различные научно-популярные журналы, что «при помощи цинкитного детектора в Томске, например, можно услышать Москву, Нижний и даже заграничные станции».

Рис. 16. Брошюра Лосева, издание 1924 года

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, а ведь 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 времени приобрел мировую известность в связи с его открытием осциллирующих свойств у некоторых кристаллов».

Другой американский журнал — Radio News — примерно в то же время публикует статью под заголовком «Сенсационное изобретение», в которой отмечается: «Нет необходимости доказывать, что это — революционное радиоизобретение. В скором времени мы будем говорить о схеме с тремя или шестью кристаллами, как мы говорим сейчас о схеме с тремя или шестью усилительными лампами. Потребуется несколько лет, чтобы генерирующий кристалл усовершенствовался настолько, чтобы стать лучше вакуумной лампы, но мы предсказываем, что такое время наступит».

Автор этой статьи Хьюго Гернсбек называет твердотельный приемник Лосева — кристадином (кристалл + гетеродин). Причем не только называет, но и предусмотрительно регистрирует название, как торговую марку (рис. 17). Спрос на кристадины огромен.

Рис. 17. Кристаллический детектор Лосева. Изготовлен в Radio News Laboratories. США, 1924 год

Интересно, что когда в нижегородскую лабораторию приезжают немецкие радиотехники, чтобы лично познакомиться с Лосевым, они не верят своим глазам. Они поражаются таланту и юному возрасту изобретателя. В письмах из-за границы Лосева величали не иначе как профессором. Никто и представить не мог, что профессор еще только постигает азы науки. Впрочем, очень скоро Лосев станет блестящим физиком-экспериментатором и еще раз заставит мир заговорить о себе.

В лаборатории с должности рассыльного его переводят в лаборанты, предоставляют жилье. В Нижнем Новгороде Лосев женится (правда, неудачно, как оказалось впоследствии), обустраивает свой быт и продолжает заниматься кристаллами.

В 1928 году, по решению правительства, тематика нижегородской радиолаборатории вместе с сотрудниками передается в Центральную радиолабораторию в Ленинграде, которая, в свою очередь, тоже постоянно реорганизуется. На новом месте Лосев продолжает заниматься полупроводниками, но вскоре Центральную радиолабораторию преобразовывают в Институт радиовещательного приема и акустик. В новом институте своя программа исследований, тематика работ сужается. Лаборанту Лосеву удается устроиться по совместительству в Ленинградский физико-технический институт (ЛФТИ), где у него появляется возможность продолжить исследования новых физических эффектов в полупроводниках. В конце 1920-х годов у Лосева появилась идея создать твердотельный аналог трехэлектродной вакуумной радиолампы.

В 1929–1933 гг., по предложению А. Ф. Иоффе, Лосев проводит исследования полупроводникового устройства, полностью повторяющего конструкцию точечного транзистора. Как известно, принцип действия этого прибора заключается в управлении током, текущим между двумя электродами, с помощью дополнительного электрода. Лосев действительно наблюдал данный эффект, но, к сожалению, общий коэффициент такого управления не позволял получить усиление сигнала. Для этой цели Лосев использовал только кристалл карборунда (SiC), а не кристалл цинкита (ZnO), имевшего значительно лучшие характеристики в кристаллическом усилителе (Что странно! Ему ли не знать о свойствах этого кристалла.) До недавнего времени считалось, что после вынужденного ухода из ЛФТИ Лосев не возвращался к идее полупроводниковых усилителей. Однако существует довольно любопытный документ, написанный самим Лосевым. Он датирован 12 июля 1939 года и в настоящее время хранится в Политехническом музее. В этом документе, озаглавленном «Жизнеописание Олега Владимировича Лосева», кроме интересных фактов его жизни содержится и перечень научных результатов. Особый интерес вызывают следующие строки: «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…».

К сожалению, пока не установлена судьба этих работ, которые могли бы полностью изменить представление об истории открытия транзистора — самого революционного изобретения XX века.

Рассказывая о выдающемся вкладе Олега Владимировича Лосева в развитие современной электроники, просто невозможно не упомянуть о его открытии светоизлучающего диода.

Масштаб этого открытия нам еще только предстоит понять. Пройдет не так много времени, и в каждом доме вместо привычной лампы накаливания будут гореть «электронные генераторы света», как назвал светодиоды Лосев.

Еще в 1923 году, экспериментируя с кристадинами, Лосев обратил внимание на свечение кристаллов при пропускании через них электрического тока. Особенно ярко светились карборундовые детекторы. В 1920-е годы на Западе явление электролюминесценции одно время даже называли «свет Лосева» (Losev light, Lossew Licht). Лосев занялся изучением и объяснением полученной электролюминесценции. Он первым оценил огромные перспективы таких источников света, особо подчеркивая их высокую яркость и быстродействие. Лосев стал обладателем первого патента на изобретение светового релеприбора с электролюминесцентным источником света.

В 70-х годах ХХ века, когда светодиоды стали широко применяться, в журнале Electronic World за 1907 год была обнаружена статья англичанина Генри Роунда, в которой автор, будучи сотрудником лаборатории Маркони, сообщал, что видел свечение в контакте карборундового детектора при подаче на него внешнего электрического поля. Никаких соображений, объясняющих физику этого явления, не приводилось. Данная заметка не оказала никакого влияния на последующие исследования в области электролюминесценции, тем не менее, автор статьи сегодня официально считается первооткрывателем светодиода.

Лосев независимо открыл явление электролюминесценции и провел ряд исследований на примере кристалла карборунда. Он выделил два физически различных явления, которые наблюдаются при разной полярности напряжения на контактах. Его несомненной заслугой является обнаружение эффекта предпробойной электролюминесценции, названной им «свечение номер один», и инжекционной электролюминесценции — «свечение номер два». В наши дни эффект предпробойной люминесценции широко применяется при создании электролюминесцентных дисплеев, а инжекционная электролюминесценция является основой светодиодов и полупроводниковых лазеров. Лосеву удалось существенно продвинуться в понимании физики этих явлений задолго до создания зонной теории полупроводников. Впоследствии, в 1936 году, свечение номер один было заново обнаружено французским физиком Жоржем Дестрио. В научной литературе оно известно под названием «эффект Дестрио», хотя сам Дестрио приоритет в открытии этого явления отдавал Олегу Лосеву. Наверное, было бы несправедливо оспаривать приоритет Роунда в открытии светодиода. И все же нельзя забывать, что изобретателями радио по праву считаются Маркони и Попов, хотя всем известно, что радиоволны первым наблюдал Герц. И таких примеров в истории науки множество.

В своей статье Subhistory of Light Emitting Diode известный американский ученый в области электролюминесценции Игон Лобнер пишет о Лосеве: «Своими пионерскими исследованиями в области светодиодов и фотодетекторов он внес вклад в будущий прогресс оптической связи. Его исследования были так точны и его публикации так ясны, что без труда можно представить сейчас, что тогда происходило в его лаборатории. Его интуитивный выбор и искусство эксперимента просто изумляют».

Сегодня мы понимаем, что без квантовой теории строения полупроводников представить развитие твердотельной электроники невозможно. Поэтому талант Лосева поражает воображение. Он с самого начала видел единую физическую природу кристадина и явления инжекционной люминесценции и в этом значительно опередил свое время.

После него исследования детекторов и электролюминесценции проводились отдельно друг от друга, как самостоятельные направления. Анализ результатов показывает, что на протяжении почти двадцати лет после появления работ Лосева не было сделано ничего нового с точки зрения понимания физики этого явления. Только в 1951 году американский физик Курт Леховец (рис. 18) установил, что детектирование и электролюминесценция имеют единую природу, связанную с поведением носителей тока в p-n-переходах.

Рис. 18. Курт Леховец

Следует отметить, что в своей работе Леховец приводит в первую очередь ссылки на работы Лосева, посвященные электролюминесценции.

В 1930–31 гг. Лосев выполнил на высоком экспериментальном уровне серию опытов с косыми шлифами, растягивающими исследуемую область, и системой электродов, включаемых в компенсационную измерительную схему, для измерения потенциалов в разных точках поперечного сечения слоистой структуры. Перемещая металлический «кошачий ус» поперек шлифа, он показал с точностью до микрона, что приповерхностная часть кристалла имеет сложное строение. Он выявил активный слой толщиной приблизительно в десять микрон, в котором наблюдалось явление инжекционной люминесценции. По результатам проведенных экспериментов Лосев сделал предположение, что причиной униполярной проводимости является различие условий движения электрона по обе стороны активного 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 как ученого-физика.

В 1935 году, в результате очередной реорганизации радиовещательного института и непростых отношений с руководством, Лосев остается без работы. Лаборанту Лосеву дозволялось делать открытия, но не греться в лучах славы. И это при том, что его имя было хорошо известно сильным мира сего. В письме, датируемом 16 мая 1930 года, академик А. Ф. Иоффе пишет своему коллеге Паулю Эренфесту: «В научном отношении у меня ряд успехов. Так, Лосев получил в карборунде и других кристаллах свечение под действием электронов в 2–6 вольт. Граница свечения в спектре ограничена…».

В ЛФТИ у Лосева долгое время было свое рабочее место, но в институт его не берут, слишком независимый он человек. Все работы выполнял самостоятельно — ни в одной из них нет соавторов.

При помощи друзей Лосев устраивается ассистентом на кафедру физики Первого медицинского института. На новом месте ему намного сложнее заниматься научной работой, поскольку нет необходимого оборудования. Тем не менее, задавшись целью выбрать материал для изготовления фотоэлементов и фотосопротивлений, Лосев продолжает исследования фотоэлектрических свойств кристаллов. Он изучает более 90 веществ и особо выделяет кремний с его заметной фоточувствительностью.

В то время не было достаточно чистых материалов, чтобы добиться точного воспроизведения полученных результатов, но Лосев (в который раз!) чисто интуитивно понимает, что этому материалу принадлежит будущее. В начале 1941 года он приступает к работе над новой темой — «Метод электролитных фотосопротивлений, фоточувствительность некоторых сплавов кремния». Когда началась Великая Отечественная война, Лосев не уезжает в эвакуацию, желая завершить статью, в которой излагал результаты своих исследований по кремнию. По всей видимости, ему удалось закончить работу, так как статья была отослана в редакцию «ЖЭТФ». К тому времени редакция уже была эвакуирована из Ленинграда. К сожалению, после войны не удалось найти следы этой статьи, и теперь можно лишь догадываться о ее содержании.

22 января 1942 года Олег Владимирович Лосев умер от голода в блокадном Ленинграде. Ему было 38 лет.

В том же 1942 году в США компании Sylvania и Western Electric начали промышленное производство кремниевых (а чуть позже и германиевых) точечных диодов, которые использовались в качестве детекторовсмесителей в радиолокаторах. Смерть Лосева совпала по времени с рождением кремниевых технологий.

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, которая провела бы серию исследований, направленных на замену ламповых усилителей полупроводниковыми. Группу возглавил Джозеф Бекер, привлекший к работе физика-теоретика Уильяма Шокли и блестящего экспериментатора Уолтера Браттейна.

Окончив докторантуру в Массачусетском технологическом институте, знаменитом МТИ, и поступив на работу в Bell Telephone Laboratories, Шокли, будучи исключительно амбициозным и честолюбивым человеком, энергично берется за дело. В 1938 году, в рабочей тетради 26-летнего Шокли появляется первый набросок полупроводникового триода. Идея проста и не отличается оригинальностью: сделать устройство, максимально похожее на электронную лампу, с тем лишь отличием, что электроны в нем будут протекать по тонкому нитевидному полупроводнику, а не пролетать в вакууме между катодом и анодом. Для управления током полупроводника предполагалось ввести дополнительный электрод (аналог сетки) — прикладывая к нему напряжение разной полярности. Таким образом, можно будет либо уменьшать, либо увеличивать количество электронов в нити и, соответственно, изменять ее сопротивление и протекающий ток. Все как в радиолампе, только без вакуума, без громоздкого стеклянного баллона и без подогрева катода. Вытеснение электронов из нити или их приток должен был происходить под влиянием электрического поля, создаваемого между управляющим электродом и нитью, то есть благодаря полевому эффекту. Для этого нить должна быть именно полупроводниковой. В металле слишком много электронов и никакими полями их не вытеснишь, а в диэлектрике свободных электронов практически нет. Шокли приступает к теоретическим расчетам, однако все попытки построить твердотельный усилитель ни к чему не приводят.

В то же время в Европе немецкие физики Роберт Поль и Рудольф Хилш создали на основе бромида калия работающий контактный трехэлектродный кристаллический усилитель. Тем не менее, никакой практической ценности немецкий прибор не представлял. У него была очень низкая рабочая частота. Есть сведения, что в первой половине 1930-х годов трехэлектродные полупроводниковые усилители «собрали» и два радиолюбителяканадец Ларри Кайзер и новозеландский школьник Роберт Адамс. Адамс, в дальнейшем ставший радиоинженером, замечал, что ему никогда не приходило в голову оформить патент на изобретение, так как всю информацию для своего усилителя он почерпнул из радиолюбительских журналов и других открытых источников.

К 1926–1930 гг. относятся работы Юлиуса Лилиенфельда (рис. 19), профессора Лейпцигского университета, который запатентовал конструкцию полупроводникового усилителя, в наше время известного под названием полевой транзистор (рис. 20).

Рис. 19. Юлиус Лилиенфельд

Рис. 20. Патент Ю. Лилиенфельда на полевой транзистор

Лилиенфельд предполагал, что при подаче напряжения на слабо проводящий материал будет меняться его проводимость и в связи с этим возникнет усиление электрических колебаний. Несмотря на получение патента, создать работающий прибор Лилиенфельд не сумел. Причина была самая прозаическая — в 30-х годах ХХ века еще не нашлось необходимого материала, на основе которого можно было бы изготовить работающий транзистор. Именно поэтому усилия большинства ученых того времени были направлены на изобретение более сложного биполярного транзистора. Таким образом, пытались обойти трудности, возникшие при реализации полевого транзистора.

Работы по твердотельному усилителю в Bell Telephone Laboratories прерываются с началом Второй мировой войны. Уильям Шокли и многие его коллеги откомандированы в распоряжение министерства обороны, где работают до конца 1945 года.

Твердотельная электроника не представляла интереса для военных — 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 за Британию, достигшая апогея в сентябре 1940 года. После оккупации Западной Европы Англия осталась один на один с армадой немецких бомбардировщиков, разрушающих береговую оборону и подготавливающих высадку морского десанта для захвата страны — 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 и точно обнаруживать вражеские самолеты и своевременно организовывать противодействие. Потеряв в небе над Британией более тысячи самолетов, гитлеровская Германия сильно охладела к идее захвата Англии в 1940-м и приступила к подготовке блицкрига на Востоке.

Англии были нужны радары, радарам — кристаллические детекторы, детекторам — чистые германий и кремний. Первым, и в значительных количествах, на заводах и в лабораториях появился германий. С кремнием, из-за высокой температуры его обработки, сначала возникли некоторые трудности, но вскоре проблему решили. После этого предпочтение было отдано кремнию. Кремний был дешев по сравнению с германием. Итак, трамплин для прыжка к транзистору был практически готов.

Вторая мировая стала первой войной, в которой наука, по своей значимости для победы над врагом, выступила на равных с конкретными оружейными технологиями, а в чем-то и опередила их. Вспомним атомный и ракетный проекты. В этот список можно включить и транзисторный проект, предпосылки для которого были в значительной степени заложены развитием военной радиолокации.

Открытие

В послевоенные годы в Bell Telephone Laboratories начинают форсировать работы в области глобальной связи. Аппаратура 1940-х годов использовала для усиления, преобразования и коммутации сигналов в абонентских цепях два основных элемента: электронную лампу и электромеханическое реле. Эти элементы были громоздки, срабатывали медленно, потребляли много энергии и не отличались высокой надежностью. Усовершенствовать их значило вернуться к идее использования полупроводников. В Bell Telephone Laboratories вновь создается исследовательская группа (рис. 21), научным руководителем которой становится вернувшийся «с войны» Уильям Шокли. В команду входят Уолтер Браттейн, Джон Бардин, Джон Пирсон, Берт Мур и Роберт Гибни.

Рис. 21. г. Мюррей Хилл, штат Нью-Джерси, США, Bell Laboratories. Место рождение транзистора.

В самом начале команда принимает важнейшее решение: направить усилия на изучение свойств только двух материалов — кремния и германия, как наиболее перспективных для реализации поставленной задачи. Естественно, группа начала разрабатывать предвоенную идею Шокли — усилителя с эффектом поля. Но электроны внутри полупроводника упрямо игнорировали любые изменения потенциала на управляющем электроде. От высоких напряжений и токов кристаллы взрывались, но не желали изменять свое сопротивление.

Над этим задумался теоретик Джон Бардин. Шокли, не получив быстрого 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 самой поверхности полупроводника. Заряд этих «застрявших» электронов экранирует прикладываемое извне поле, которое не проникает в объем кристалла. Вот так в 1947 году в физику твердого тела вошла теория поверхностных состояний. Теперь, когда, казалось, причина неудач найдена, группа начала более осмысленно реализовывать идею эффекта поля. Других идей просто не было. Стали различными способами обрабатывать поверхность германия, надеясь устранить ловушки электронов. Перепробовали все — химическое травление, механическую полировку, нанесение на поверхность 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 близко расположенных подпружиненных иголочек. Экспериментатор Браттейн, за плечами которого был 15-летний опыт работы с различными полупроводниками, мог по 25 часов в сутки крутить ручки осциллографа.

Теоретик Бардин всегда был рядом, готовый сутки напролет проверять свои теоретические выкладки. Оба исследователя, как говорится, нашли друг друга. Они практически не выходили из лаборатории, но время шло, а сколько-нибудь существенных результатов по-прежнему не было.

Однажды Браттейн, издерганный от неудач, сдвинул иголки почти вплотную, более того — случайно перепутал полярности прикладываемых к ним потенциалов. Ученый не поверил своим глазам. Он был поражен, но на экране осциллографа было явно видно усиление сигнала. Теоретик Бардин отреагировал молниеносно и безошибочно: эффекта поля никакого нет, и дело не в нем. Усиление сигнала возникает по другой причине. Во всех предыдущих оценках рассматривались только электроны, как основные носители тока в германиевом кристалле, а «дырки», которых было в миллионы раз меньше, естественно игнорировались. Бардин понял, что дело именно в «дырках». Введение «дырок» через один электрод (этот процесс назвали инжекцией) вызывает неизмеримо больший ток в другом электроде. И все это на фоне неизменности состояния огромного количества электронов.

Вот так, непредсказуемым образом, 19 декабря 1947 года на свет появился точечный транзистор (рис. 22).

Рис. 22. Страница рабочей тетради Браттейна. 19 декабря 1947 г.

Сначала новое устройство назвали германиевым триодом. Бардину и Браттейну название не понравилось. Не звучало. Они хотели, чтобы название заканчивалось бы на «тор», по аналогии с резистором или термистором. Здесь им на помощь приходит инженер-электронщик Джон Пирс, который прекрасно владел словом (в дальнейшем он станет известным популяризатором науки и писателем-фантастом под псевдонимом J. J. Coupling). Пирс вспомнил, что одним из параметров вакуумного триода служит крутизна характеристики, по-английски — transconductance. Он предложил назвать аналогичный параметр твердотельного усилителя transresistance, а сам усилитель, а это слово просто вертелось на языке, — транзистором. Название всем понравилось.

Через несколько дней после замечательного открытия, в канун Рождества, 23 декабря 1947 года состоялась презентация транзистора руководству Bell Telephone Laboratories (рис. 23).

Рис. 23. Точечный транзистор Бардина-Браттейна

Уильям Шокли, который проводил отпуск в Европе, срочно возвратился в Америку. Неожиданный успех Бардина и Браттейна глубоко задевает его 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 звона бокалов с шампанским Шокли выглядел разочарованным и мрачным. И тут происходит нечто, что всегда будет скрыто от нас пеленой времени. За одну неделю, которую впоследствии Шокли назовет своей «страстной неделей», он создает теорию транзистора с p-n-переходами, заменившими экзотические иголочки, и в новогоднюю ночь изобретает плоскостной биполярный транзистор. (Заметим, что реально работающий биполярный транзистор был изготовлен только в 1950 году.)

Предложение принципиальной схемы более эффективного твердотельного усилителя со слоеной структурой уравняло Шокли в правах на открытие транзисторного эффекта с Бардиным и Браттейном.

Через полгода, 30 июня 1948-го, в Нью-Йорке, в штаб-квартире Bell Telephone Laboratories, после улаживания всех необходимых патентных формальностей, прошла открытая презентация транзистора. В то время уже началась холодная война между США и Советским Союзом, поэтому технические новинки прежде всего оценивались военными. К удивлению всех присутствующих, эксперты из Пентагона не заинтересовались транзистором и порекомендовали использовать его в слуховых аппаратах.

Через несколько лет новое устройство стало незаменимым компонентом в системе управления боевыми ракетами, но именно в тот день близорукость военных 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 радиотехнического устройства. И только.

В Bell Telephone Laboratories не ожидали такого развития событий. Военных заказов с их щедрым финансированием не предвиделось даже в отдаленной перспективе. Срочно принимается решение о продаже всем желающим лицензий на транзистор. Сумма сделки — $25 тыс. Организовывается учебный центр, проводятся семинары для специалистов. Результаты не заставляют себя ждать (рис. 24).

Рис. 24. Серийное производство транзисторов. Одно из первых рекламных объявлений. США. Февраль 1953 года

Транзистор быстро находит применение в самых различных устройствах — от военного и компьютерного оборудования до потребительской электроники. Интересно, что первый портативный радиоприемник долгое время так и называли — транзистор.

Европейский аналог

Работы по созданию трехэлектродного полупроводникового усилителя велись и по другую сторону океана, но о них известно намного меньше.

Совсем недавно бельгийский историк Арманд Ван Дормел и профессор Стэнфордского университета Майкл Риордан обнаружили, что в конце 1940-х годов в Европе был изобретен и даже запущен в серию «родной брат транзистора» Бардина-Браттейна.

Европейских изобретателей точечного транзистора звали Герберт Франц Матаре и Генрих Иоганн Велкер (рис. 25). Матаре был физиком-экспериментатором, работал в немецкой фирме Telefunken и занимался микроволновой электроникой и радиолокацией. Велкер больше был теоретиком, долгое время преподавал в Мюнхенском университете, а в военные годы трудился на люфтваффе.

Рис. 25. Изобретатели транзитрона Герберт Матаре и Генрих Велкер

Встретились они в Париже. После разгрома фашистской Германии оба физика были приглашены в европейский филиал американской корпорации Westinghouse.

Еще в 1944 году Матаре, занимаясь полупроводниковыми выпрямителями для радаров, сконструировал прибор, который назвал дуодиодом. Это была пара работающих параллельно точечных выпрямителей, использующих одну и ту же пластинку германия. При правильном подборе параметров устройство подавляло шумы в приемном блоке радара. Тогда Матаре обнаружил, что колебания напряжения на одном электроде могут обернуться изменением силы тока, проходящего через второй электрод. Заметим, что описание подобного эффекта содержалось еще в патенте Лилиенфельда, и не исключено, что Матаре знал об этом. Но как бы там ни было, он заинтересовался наблюдаемым явлением и продолжал исследования.

Велкер пришел к идее транзистора с другой стороны, занимаясь квантовой физикой и зонной теорией твердого тела. В самом начале 1945 года он создает схему твердотельного усилителя, очень похожего на устройство Шокли. В марте Велкер успевает его собрать и испытать, но ему повезло не больше, чем американцам. Устройство не работает.

В Париже Матаре и Велкеру поручают организовать промышленное производство полупроводниковых выпрямителей для французской телефонной сети. В конце 1947 года выпрямители запускаются в серию, и у Матаре с Велкером появляется время для возобновления исследований. Они приступают к дальнейшим экспериментам с дуодиодом. Вдвоем они изготавливают пластинки из гораздо более чистого германия и получают стабильный эффект усиления. Уже в начале июня 1948 года Матаре и Велкер создают стабильно работающий точечный транзистор. Европейский транзистор появляется на полгода позже, чем устройство Бардина и Браттейна, но абсолютно независимо от него. О работе американцев Матаре и Велкер не могли ничего знать. Первое упоминание в прессе о «новом радиотехническом устройстве», вышедшем из Bell Laboratories, появилось только 1 июля.

Дальнейшая судьба европейского изобретения сложилась печально. Матаре и Велкер в августе подготовили патентную заявку на изобретение, но французское бюро патентов очень долго изучало документы. Только в марте 1952 года они получают патент на изобретение транзитрона — такое название выбрали немецкие физики своему полупроводниковому усилителю. К тому времени парижский филиал Westinghouse уже начал серийное производство транзитронов. Основным заказчиком выступало Почтовое министерство. Во Франции строилось много новых телефонных линий. Тем не менее, век транзитронов был недолог. Несмотря на то, что они работали лучше и дольше своего американского «собрата» (за счет более тщательной сборки), завоевать мировой рынок транзитроны не смогли. Впоследствии французские власти вообще отказались субсидировать исследования в области полупроводниковой электроники, переключившись на более масштабные ядерные проекты. Лаборатория Матаре и Велкера приходит в упадок. Ученые принимают решение вернуться на родину. К тому времени в Германии начинается возрождение науки и высокотехнологичной промышленности. Велкер устраивается на работу в лабораторию концерна Siemens, которую впоследствии возглавит, а Матаре переезжает в Дюссельдорф и становится президентом небольшой компании Intermetall, выпускающей полупроводниковые приборы.

Послесловие

Если проследить судьбы американцев, то Джон Бардин ушел из Bell Telephone Labora-tories в 1951 году, занялся теорией сверхпроводимости и в 1972 году вместе с двумя своими учениками был удостоен Нобелевской премии «За разработку теории сверхпроводимости», став, таким образом, 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 свой родной город и занялся преподаванием физики в местном университете.

Судьба Уильяма Шокли сложилась следующим образом. Он покидает Bell Telephone Laboratories в 1955 году и, при финансовой помощи Арнольда Бекмана, основывает фирму по производству транзисторов — Shockly Transistor Corporation. На работу в новую компанию переходят многое талантливые ученые и инженеры, но через два года большинство из них уходят от Шокли. Заносчивость, высокомерие, нежелание прислушиваться к мнению коллег и навязчивая идея не повторить ошибку, которую он допустил в работе с Бардиным и Браттейном, делают свое дело. Компания разваливается.

Его бывшие сотрудники Гордон Мур и Роберт Нойс при поддержке того же Бекмана основывают фирму Fairchild Semiconductor, а затем, в 1968 году создают собственную компанию — Intel.

Мечта Шокли построить полупроводниковую бизнес-империю была претворена в жизнь другими (рис. 26), а ему опять досталась роль стороннего наблюдателя. Ирония судьбы заключается в том, что еще в 1952 году именно Шокли предложил конструкцию полевого транзистора на основе кремния. Тем не менее, компания Shockly Transistor Corporation не выпустила ни одного полевого транзистора. Сегодня это устройство является основой всей компьютерной индустрии.

Рис. 26. Эволюция транзистора

После неудачи в бизнесе Шокли становится преподавателем в Стэндфордском университете. Он читает блестящие лекции по физике, лично занимается с аспирантами, но ему не хватает былой славы — всего того, что американцы называют емким словом publicity. Шокли включается в общественную жизнь и начинает выступать с докладами по многим социальным и демографическим вопросам. Предлагая решения острых проблем, связанных с перенаселением азиатских стран и национальными различиями, он скатывается к евгенике и расовой нетерпимости. Пресса, телевидение, научные журналы обвиняют его в экстремизме и расизме. Шокли снова «знаменит» и, похоже, испытывает удовлетворение от всего происходящего. Его репутации и карьере ученого приходит конец. Он выходит на пенсию, перестает со всеми общаться, даже с собственными детьми, и доживает жизнь затворником.

Разные люди, разные судьбы, но всех их объединяет причастность к открытию, коренным образом изменившему наш мир.

Дату 19 декабря 1947 года можно по праву считать днем рождения новой 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 Invention of the Transistor and Where it will lead us // IEEE Journal of Solid-State Circuits. Vol.32, No.12. December 1997.
  2. Hugo Gernsback. A Sensational Radio Invention // Radio News. September 1924.
  3. Новиков М. А. Олег Владимирович Лосев — пионер полупроводниковой электроники // Физика твердого тела. 2004. Том 46, вып. 1.
  4. Остроумов Б., Шляхтер И. Изобретатель кристадина О. В. Лосев. // Радио. 1952. № 5.
  5. Жирнов В., Суэтин Н. Изобретение инженера Лосева // Эксперт. 2004. № 15.
  6. Lee T. H., A Nonlinear History of Radio. Cambridge University Press. 1998.
  7. Носов Ю. Парадоксы транзистора // Квант. 2006. № 1.
  8. Andrew Emmerson. Who really invented Transistor? www.radiobygones.com
  9. Michael Riordan. How Europe Missed the Transistor // IEEE Spectrum, Nov. 2005. www.spectrum.ieee.org

История транзистора, часть 3: многократное переизобретение / Хабр

<< До этого: Из горнила войны

Более сотни лет аналоговая собака виляла цифровым хвостом. Попытки расширить возможности наших органов чувств – зрения, слуха, и даже, в каком-то смысле, осязания, вели инженеров и учёных на поиски лучших компонентов для телеграфа, телефона, радио и радаров. Лишь по счастливой случайности эти поиски обнаружили путь к созданию новых типов цифровых машин. И я решил рассказать историю этой постоянной экзаптации, во время которой инженеры электросвязи поставляли исходные материалы для первых цифровых компьютеров, а иногда даже сами проектировали и создавали эти компьютеры.

Но к 1960-м годам это плодотворное сотрудничество подошло к концу, а с ним и моя история. Изготовителям цифрового оборудования уже не нужно было заглядывать в мир телеграфа, телефона и радио в поисках новых, улучшенных переключателей, поскольку сам транзистор обеспечил неисчерпаемый источник улучшений. Год за годом они копали всё глубже и глубже, всегда находя способы экспоненциально увеличивать скорость работы и уменьшать стоимость.

Однако ничего этого бы не произошло, если бы изобретение транзистора остановилось бы на работе Бардина и Бреттейна.

Все статьи цикла:

  • История реле
  • История электронных компьютеров
  • История транзистора
  • История интернета
  • Эра фрагментации
  • Восхождение интернета

Медленный старт

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. Задним умом мы, возможно, захотим посмеяться, или даже побранить неизвестных авторов – как же они не смогли распознать перевернувшее мир событие?

Но взгляд в прошлое искажает восприятие, усиливая те сигналы, значимость которых нам известно, хотя в то время они терялись в море шума. Транзистор 1948 года сильно отличался от транзисторов компьютеров, на одном из которых вы читаете эту статью (если вы не решили её распечатать). Отличались так сильно, что, несмотря на одинаковое название, и связывающую их непрерывную линию наследования, их нужно считать разными видами, если не разными родами. У них разные составы, разная структура, разный принцип функционирования, не говоря уже о гигантском различии в размерах. Только благодаря постоянным повторным изобретениям неуклюжее устройство, сооружённое Бардином и Бреттейном, смогло преобразовать мир и нашу жизнь.

На самом деле, германиевый транзистор с одной точкой контакта не заслуживал внимания большего, чем получил. У него было несколько дефектов, унаследованных от электронной лампы. Он, конечно, был гораздо меньше самых компактных ламп. Отсутствие раскалённой нити означало, что он выдаёт меньше тепла, потребляет меньше энергии, не перегорает и не требует прогрева перед использованием.

Однако накопление грязи на контактной поверхности 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.

Однако тогда уже начались первые попытки превратить транзистор в нечто лучшее и более полезное. Они вообще-то начались гораздо раньше того момента, когда общественность узнала о его существовании.

Амбиции Шокли

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.

Подбадриваемый наличием такого туза в рукаве, Шокли предъявил Бардину и Бреттейну претензии по их возвращению в Мюррей-Хилл, требуя всей славы за изобретение транзистора. Разве не его идея о полевом эффекте заставила Бардин и Бреттейна засесть в лаборатории? Разве не нужно из-за этого передать все права на патент ему? Однако хитрость Шокли 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. Однако, сделанного не воротишь: амбиции Шокли уничтожили его взаимоотношения с двумя подчинёнными. Бардин прекратил работу над транзистором, и сконцентрировался на сверхпроводимости. Он ушёл из лабораторий в 1951. Бреттейн остался там, но отказался вновь работать с Шокли, и настоял на перевод в другую группу.

Из-за неспособности работать с другими людьми Шокли так и не продвинулся в лабораториях, поэтому тоже ушёл оттуда. В 1956 он вернулся домой в Пало-Альто, чтобы основать собственную компанию по производству транзисторов, Shockley Semiconductor. Перед отъездом он расстался с женой Джин, когда она восстанавливалась от рака матки, и сошёлся с Эмми Леннинг, на которой вскоре женился. Но из двух половин его калифорнийской мечты – новая компания и новая жена – исполнилась лишь одна. В 1957 лучшие его инженеры, разгневанные его стилем управления и направлением, в котором он вёл компанию, ушли от него, чтобы основать новую фирму, Fairchild Semiconductor.

Шокли в 1956

Так что Шокли бросил пустую оболочку своей компании и устроился в департамент электротехники в Стэнфорде. Там он продолжал отталкивать от себя своих коллег (и своего старейшего друга, физика Фреда Зейтца) заинтересовавшими его теориями расового вырождения и расовой гигиены – темами, непопулярными в США со времени окончания последней войны, особенно в академических кругах. Он находил удовольствие в развязывании споров, взвинчивании СМИ и вызывании протестов. Он умер в 1989 году, отдалившись от детей и коллег, и посещаемый только вечно преданной ему второй женой, Эмми.

Хотя его жалкие попытки на поприще предпринимательства провалились, Шокли уронил зерно в плодотворную почву. Область залива Сан-Франциско произвела на свет множество небольших фирм, производящих электронику, которые сдабривало финансированием федеральное правительство во время войны. Fairchild Semiconductor, случайный отпрыск Шокли, породил десятки новых фирм, парочка которых известна и сегодня: Intel и Advanced Micro Devices (AMD). К началу 1970-х эта область заслужила насмешливое прозвище «Кремниевая долина». Но постойте-ка – ведь Бардин и Бреттейн создали германиевый транзистор. Откуда взялся кремний?

Так в 2009 году выглядело заброшенное место в Маунтин-Вью, где ранее находилась Shockley Semiconductor. Сегодня здание снесено.

К кремниевому перекрёстку

Судьба нового типа транзистора, придуманного Шокли в чикагском отеле, была гораздо счастливее, чем у его изобретателя. Всё 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. В частности, добавленные в них неосновные переносчики могли выживать внутри сотню микросекунд или даже дольше (против не более чем десяти микросекунд в других пробах кристаллов).

Теперь Тил мог позволить себе больше ресурсов, и 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.

Морган Спаркс и Гордон Тил за верстаком в лабораториях Белла

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.

И всё же это было лишь начало. В 1952 году General Electric (GE) объявила о разработке нового процесса создания транзисторов с переходом, сплавного метода. В его рамках два шарика индия (донор p-типа) сплавлялись с двух сторон тонкого ломтика из германия n-типа. Этот процесс был проще и дешевле, чем выращивание переходов в сплаве, такой транзистор давал меньше сопротивления и поддерживал большие частоты.

Выращенные и сплавные транзисторы

В следующем году Гордон Тил решил вернуться в свой родной штат, и устроился на работу в Texas Instruments (TI) в Далласе. Компания была основана под именем Geophysical Services, Inc., и сначала производила оборудование для разведывания нефтяных месторождений, TI открыла подразделение электроники во время войны, и теперь выходила на рынок транзисторов по лицензии от Western Electric (производственного подразделения лабораторий Белла).

Тил принёс с собой новые навыки, полученные в лабораториях: способность выращивать и легировать монокристаллы кремния. Самой очевидной слабостью германия была его чувствительность к температуре. Подвергаясь воздействию тепла, атомы германия в кристалле быстро сбрасывали свободные электроны, и он всё больше превращался в проводник. При температуре в 77 °C он вообще переставал работать, как транзистор. Главной целью продаж транзисторов были вооружённые силы – потенциальный потребитель с низкой ценовой чувствительностью и огромной потребностью в стабильных, надёжных и компактных электронных компонентах. Однако чувствительный к температуре германий не пригодился бы во многих случаях военного применения, особенно в аэрокосмической области.

Кремний был гораздо стабильнее, однако расплачиваться приходилось гораздо более высокой точкой плавления, сравнимой с точкой плавления стали. Это вызывало огромные трудности, учитывая, что для создания высококачественных транзисторов требовались очень чистые кристаллы. Горячий расплавленный кремний впитывал бы загрязнения из любого тигля, в котором бы находился. Тил с командой из TI сумели преодолеть эти трудности при помощи сверхчистых образцов кремния от DuPont. В мае 1954 на конференции института радиоинженеров в Дайтоне (Огайо) Тил продемонстрировал, что новые кремниевые устройства, произведённые в его лаборатории, продолжали работать, даже будучи погружёнными в горячее масло.

Успешные выскочки

Наконец, примерно через семь лет после первого изобретения транзистора, его можно было изготавливать из материала, с которым он стал синонимом. И ещё примерно столько же времени пройдёт до появления транзисторов, грубо напоминающих ту форму, что используется в наших микропроцессорах и чипах памяти.

В 1955 году учёные из лабораторий Белла успешно научились делать кремниевые транзисторы с новой технологией легирования – вместо того, чтобы добавлять твёрдые шарики примесей в жидкий расплав, они внедряли газообразные добавки в твёрдую поверхность полупроводника (термодиффузия). Тщательно контролируя температуру, давление и длительность процедуры, они достигали точно необходимой глубины и степени легирования. Усиление контроля над производственным процессом дало усиление контроля над электрическими свойствами конечного продукта. Что ещё важно, термодиффузия дала возможность производить продукт партиями – можно было легировать большую плиту кремния, а потом нарезать её на транзисторы. Военные обеспечили финансирование лабораторий Белла, поскольку на организацию производства требовались высокие предварительные траты. Им требовался новый продукт для ультравысокочастотной линии раннего радиолокационного обнаружения («линии Дью»), цепочке арктических радарных станций, предназначенных для обнаружения советских бомбардировщиков, летящих со стороны Северного полюса, и они готовы были выложить по $100 за транзистор (это были времена, когда новый автомобиль можно было купить за $2000).

Легирование вместе с фотолитографией, управлявшей расположением примесей, открыли возможность вытравливать весь контур целиком на одной полупроводниковой подложке – до этого одновременно додумались в Fairchild Semiconductor и Texas Instruments в 1959. «Планарная технология» от Fairchild использовала химическое осаждение металлических плёнок, соединяющих электрические контакты транзистора. Она избавляла от необходимости создания проводки вручную, уменьшала стоимость производства и увеличивала надёжность.

Наконец, в 1960-м два инженера из лабораторий Белла (Джон Аталла и Дэвон Кан) реализовали оригинальную концепцию Шокли транзистора на полевом эффекте. Тонкий слой оксида на поверхности полупроводника смог эффективно подавлять поверхностные состояния, в результате чего электрическое поле от алюминиевого затвора проникало внутрь кремния. Так родился MOSFET [metal-oxide semiconductor field-effect transistor] (или МОП-структура, от металл-оксид-полупроводник), который оказалось так легко миниатюризировать, и который до сих пор используется почти во всех современных компьютерах (интересно, что Аталла был родом из Египта, а Кан из Южной Кореи, и практически только эти двое инженеров из всей нашей истории не имеют европейских корней).

Наконец, спустя тринадцать лет после изобретения первого транзистора, появилось нечто, напоминающее транзистор вашего компьютера. Его было проще производить, он использовал меньше энергии, чем плоскостной транзистор, однако он довольно медленно реагировал на сигналы. Только после распространения крупных интегральных схем с сотнями или тысячами компонентов, расположенными на едином чипе, преимущества полевых транзисторов вышли на первый план.

Иллюстрация из патента на полевой транзистор

Полевой эффект стал последним серьёзным вкладом лабораторий Белла в разработку транзистора. Крупные производители электроники, такие, как лаборатории Белла (с их Western Electric), General Electric, Sylvania и Westinghouse наработали впечатляющий объём исследований полупроводников. С 1952 по 1965 только лаборатории Белла зарегистрировали более двух сотен патентов на эту тему. И всё же коммерческий рынок быстро перешёл в руки таких новых игроков, как Texas Instruments, Transitron и Fairchild.

Ранний рынок транзисторов был слишком маленьким для того, чтобы на него обращали внимание крупные игроки: порядка $18 млн в год в середине 1950-х, по сравнению с общим объёмом рынка электроники в $2 млрд. Однако исследовательские лаборатории этих гигантов служили непреднамеренными тренировочными лагерями, где молодые учёные могли впитывать знания, касающиеся полупроводников, чтобы после переходить к продаже своих услуг менее крупным фирмам. Когда рынок ламповой электроники в середине 1960-х начал серьёзно ужиматься, для лабораторий Белла, Westinghouse и остальных было уже слишком поздно состязаться с выскочками.

Переход компьютеров на транзисторы

В 1950-х транзисторы вторглись в мир электроники в четырёх наиболее значимых областях. Первыми двумя были слуховые аппараты и портативные радиоприёмники, в которых низкое энергопотребление, и, как следствие, долгая работа от батареи, пересиливали остальные соображения. Третьей было военное применение. Армия США возлагала большие надежды на транзисторы, как на надёжные и компактные компоненты, которые можно использовать везде, от полевого радио до баллистических ракет. Однако в первое время их траты на транзисторы больше были похожи на ставку на будущее технологии, чем на подтверждение их тогдашней ценности. И, наконец, были ещё цифровые вычисления.

В компьютерной области недостатки переключателей на электронных лампах были хорошо известны, причём некоторые скептики до войны даже считали, что электронный компьютер не удастся сделать практичным устройством. Когда тысячи ламп собирали в одном устройстве, они пожирали электроэнергию, выдавая огромное количество тепла, а в плане надёжности можно было положиться только на их регулярное выгорание. Поэтому мало потребляющий, холодный и не имеющий нити транзистор стал спасителем компьютерных производителей. Его недостатки как усилителя (к примеру, более шумный выходной сигнал) не представляли такой уж проблемы при использовании его в качестве переключателя. Единственным препятствием была стоимость, и в своё время она начнёт резко падать.

Все ранние американские эксперименты с транзисторными компьютерами происходили на пересечении желания военных изучить потенциал многообещающей новой технологии, и желания инженеров перейти на улучшенные переключатели.

В лабораториях Белла в 1954 году построили TRADIC для ВВС США, чтобы посмотреть, дадут ли транзисторы возможность установить цифровой компьютер на борту бомбардировщика, заменив им аналоговую навигацию и помощь в поиске целей. Лаборатория Линкольна из MIT разработала компьютер TX-0 в рамках обширного проекта ПВО в 1956. Машина использовала ещё один вариант транзистора, поверхностно-барьерный, хорошо подходивший для высокоскоростных вычислений. Philco построила свой компьютер SOLO по контракту с ВМФ (однако реально – по запросу АНБ), закончив его в 1958 (используя ещё один вариант поверхностно-барьерного транзистора).

В Западной Европе, не настолько обеспеченной ресурсами в ходе Холодной войны, история была совсем другой. Такие машины, как Manchester Transistor Computer, Harwell CADET (ещё одно название, вдохновлённое проектом ENIAC, и зашифрованное написанием задом наперёд), и австрийский Mailüfterl были побочными проектами, использовавшими ресурсы, которые их создатели могли наскрести – включая транзисторы с одной точкой контакта первого поколения.

Идёт множество споров по поводу титула первого компьютера, использовавшего транзисторы. Всё, конечно, упирается в выбор правильных определений таких слов, как «первый», «транзисторный» и «компьютер». В любом случае известно, где история заканчивается. Коммерциализация транзисторных компьютеров началась почти сразу. Год за годом компьютеры за одну и ту же цену становились всё более мощными, а компьютеры одной мощности становились всё дешевле, и этот процесс казался настолько неумолимым, что его возвели в ранг закона, рядом с гравитацией и сохранением энергии. Нужно ли нам спорить о том, какой камушек стал первым в обвале?

Откуда взялся закон Мура?

Приближаясь к окончанию истории переключателя, стоит задать вопрос: что привело к появлению этого обвала? Почему закон Мура существует (или существовал – поспорим об этом в другой раз)? Для самолётов или пылесосов закона Мура нет, как нет его для электронных ламп или реле.

Ответ состоит из двух частей:

  1. Логические свойства переключателя как категории артефакта.
  2. Возможность использовать чисто химические процессы для изготовления транзисторов.

Сначала о сути переключателя. Свойства большинства артефактов обязаны удовлетворять широкому спектру неумолимых физических ограничений. Пассажирский самолёт должен выдерживать общий вес множества людей. Пылесос должен уметь засасывать определённое количество грязи за определённое время с определённой физической площади. Самолёты и пылесосы будут бесполезными, если уменьшить их до наномасштабов.

У переключателя же – автоматического переключателя, которого никогда не касалась рука человека – физических ограничений гораздо меньше. У него должно быть два различных состояния, и он должен уметь сообщать другим таким же переключателям изменение их состояний. То есть, всё, что он должен уметь, это включаться и выключаться. Что же такого особенного в транзисторах? Почему другие виды цифровых переключателей не испытали таких экспоненциальных улучшений?

Тут мы подходим ко второму факту. Транзисторы можно изготавливать при помощи химических процессов без механического вмешательства. С самого начала ключевым элементом производства транзисторов было применение химических примесей. Затем появился планарный процесс, устранивший последний механический шаг из производства – присоединение проводов. В результате он избавился от последнего физического ограничения на миниатюризацию. Транзисторам уже не нужно было быть достаточно крупными для пальцев человека – или для любого механического устройства. Всё делала простая химия, на невообразимо маленьком масштабе: кислота для травления, свет для управления тем, какие части поверхности будут противостоять травлению, и пары для внедрения примесей и металлических плёнок на вытравленные дорожки.

А зачем вообще нужна миниатюризация? Уменьшение размера давало целую плеяду приятных побочных эффектов: увеличение скорости переключения, уменьшение потребления энергии и стоимости отдельных экземпляров. Эти мощные стимулы побудили всех заниматься поиском способов дальнейшего уменьшения переключателей. И полупроводниковая индустрия за время жизни одного человека перешла от изготовления переключателей размером с ноготь до упаковки десятков миллионов переключателей на квадратный миллиметр. От запроса восьми долларов за один переключатель до предложения двадцати миллионов переключателей за доллар.

Чип памяти Intel 1103 от 1971 года. Отдельные транзисторы, размером всего в десятки микрометров, уже неразличимы глазом. А с тех пор они уменьшились ещё в тысячу раз.

Что ещё почитать:

  • Ernest Bruan and Stuart MacDonald, Revolution in Miniature (1978)
  • Michael Riordan and Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
  • Joel Shurkin, Broken Genius (1997)

Далее: Опорная сеть >>

История за изобретение полевых транзисторов — РадиоСхема

Никто, конечно, можно представить любые электронные устройства без присутствия транзисторов. В этом случае Какова идея изобретения транзисторов? Кто были люди за свои изобретения и достижения? Какова реальная цель изобретения полевых транзисторов? И как она появиться? Каковы текущие приложения и достижений этих транзисторов? Вы когда-нибудь задумывались об этом? Если да, то этот пишут поможет вам узнать больше о интересный рассказ за изобретение транзисторов field-effect.

Перед входом в его изобретение часть, давайте проведем краткий взгляд на то, что полевые транзисторы. Полевые транзисторы униполярные, появившихся в основном от биполярных транзисторов. Он используется как транзистор, но его эффективность является, что он контролирует теплопроводность материала с помощью электрического поля.

Хотя есть слишком много людей, участвующих в этом изобретении, следует отметить несколько. Юлиус Эдгара Лилиенфельда, Oskar Хайль, Джон Бардин, Уолтер Хаузер Браттейн и Уильям Шокли внесли основной вклад в изобретение полевой транзистор.

Изобретение

До начала XX века, в самом деле, не было ни малейшего представления о том принципе, что привело к полевой транзистор.

Два человека запатентовали свои идеи на это изобретение.

Вклад Юлий Эдгар Lilienfield

Первый человек — Юлиус Эдгара Лилиенфельда, который был Австро-венгерский физик. Позже он переехал в США и стал гражданином США. В 1905 году он начал работать в Лейпцигском университете в кафедры физики.

Его работы интерес был в выполнении электрических частиц или электронов в вакууме. Его первый вклад в научное общество было сделано с идентификации поля электронной эмиссии.

Он был один, чтобы изобрести полевой транзистор или ФЕТ, как это широко известно. Его изобретения включают электролитический конденсатор, который был изобретен в тот же период 1920. Он утверждал патентов для различных работ, среди которых он был предоставлен патент для FET полевой транзистор на 28 января 1930 года.

Основываясь на одной из его открытий, которые был похож на рентгеновские трубки, любого оптического излучения, испускаемого попадания электронов на металлической поверхности был назван как Лилиенфельд излучения.

Хайль Оскар и его вклад

В отличие от Лилиенфельд Oskar Хайль был инженер-электрик. Он закончил свое обучение в университете Джорджа-Август. Докторскую степень была присуждена ему за его работу по молекулярной спектроскопии в 1933 году.

Основываясь на докладах различных патентов, выданных ему, Oskar Хайль считается одним из изобретателей полевых транзисторов. Другие изобретения, которые записываются по его являются трансформатор движения воздуха и Хайль трубки.

В год 1963 года, накопив большой опыт он инициировал его компании в Калифорнии, США.

Вклад Уильям Шокли

Хотя принцип полевых транзисторов была впервые запатентована Лилиенфельд и Хайль, практические полупроводникового устройства, такие как junction ворота полевой транзистор или JFET были разработаны лет спустя после транзистора эффект наблюдался, объяснил и продемонстрировал Уильям Шокли и его командой в Bell Labs в 1947 году.

Шокли усилия по коммерциализации транзистор был путь, преодолев вклад в научное общество. Во время второй мировой войны Шокли работал в исследовательских лабораториях радар в Нью-Джерси. Шокли был построен первый рабочий транзистор. Это был Германий точки транзистор серии.

Транзисторов, которые в настоящее время работают в электрических устройствах, все, полевые ТРАНЗИСТОРЫ. Полевые ТРАНЗИСТОРЫ, металло-оксидный полупроводник транзисторы field-effect. Они были впервые предложены Dawon Kahng в 1960 году и этот транзистор во многом заменил JFET и гораздо более глубокое воздействие на развитие электронной.

Как работает полевой транзистор

В полевой транзистор электрическое поле создается путем слабого электрического сигнала в нижней части транзистор, который также передается на другие части полевой транзистор.

В нижней части транзистор заполнено вверх с избытком электронов. В Центральной или базового региона, количество электронов является слишком мало когда по сравнению с нижней частью полу провода. Есть две стороны нашли, что известны как источник и сток. Исходный сторона является формой региона, где электроны ввести внутри, а так же на другой регион, слива, электроны стоки из. Обычно поток электронов производится от одной стороны к другой. Ток не отмечен рядом база региона. Ток способствует тонкий канал вдоль другого региона.

На базе полу провода электрода связан или прилагается. Тонкий слой окиси металла отделяет этот электрод от остальной части. Наиболее распространенные окиси тяжелых металлов используется это диоксид кремния. Электрод часто рассматривается как «ворота». Ворота это, где мы пройти слабый электрический сигнал в полу дирижер.

Благодаря отталкивающим действием электронов истощение зоны получает сформирована база региона. Проходя отрицательный заряд поможет полностью предотвратить прохождение электроэнергии через провод полу.

Хотя транзисторы имеют различные приложения, которые проще, они могут быть использованы в сложных местах тоже. Они также могут вести себя как усиления устройства.

Основываясь на заряд передается полу дирижер, тока, протекающего через другой регион может быть либо меньше или больше. Как еще один напряжения, подключенных к нему, есть возможные пути дальнейшего сделать его больше. Полевые транзисторы или ФЕТ часто используются в электрических устройствах, таких как микрофоны, микроволновые печи, телевизоры, радиоприемники и даже в автомобилях. Они имеют широкое применение в качестве несущей зарядов. Хотя есть много других полупроводники, кремния служит лучшим для использования в полевых транзисторов.

В каком году был изобретен транзистор

УВЕРЕННАЯ ПОСТУПЬ ТРАНЗИСТОРА

30 июня 1941 года ученые Уильям Шокли, Уолтер Браттейн и Джон Бардин объявили о создании транзистора, а 23 декабря 1947 года изобретение было официальное представлено публике. Именно эту дату принято считать днем изобретения транзистора. Но великий поход в «страну Полупроводников» начался еще в 1833, когда Майкл Фарадей обнаружил, что электропроводность сульфида серебра увеличивается при нагревании. И только через 125 лет в Америке на основе другого полупроводника, германия, была создана микросхема.

Новое изобретение

О первой демонстрации транзистора газета «New York Times» сообщила 1 июля 1948 года на предпоследней странице: «Вчера Bell Telephone Laboratories впервые продемонстрировала изобретенный ею прибор под названием «транзистор», его в некоторых случаях можно использовать в области радиотехники вместо электронных ламп. Было также показано его использование в телефонной системе и телевизионном устройстве. В каждом из этих случаев транзистор работал в качестве усилителя, хотя фирма заявляет, что он может применяться и как генератор, способный создавать и передавать радиоволны».

Транзисторный магнитофон Комета МГ-209

Новость, по мнению редактора, не походила на сенсацию. Публика не проявила поначалу интереса к новому прибору, и Bell пыталась продвинуть новинку, раздавая лицензии на использование транзистора всем желающим. А инвесторы между тем делали миллионные вложения в радиолампы, которые после тридцати лет развития переживали бум, – конец ему положит именно новое изобретение.

Потесненная лампа

До середины ХХ века казалось, что электронная лампа навсегда заняла место в радиоэлектронике. Она работала везде: в радиоприемниках и телевизорах, магнитофонах и радарах. Радиоэлектронная лампа сильно потеснила кристаллический детектор Брауна, оставив ему место только в детекторных приемниках. Удалось ей также составить конкуренцию и кристадину Лосева, – это был прообраз будущих полупроводниковых транзисторов.

Копия первого в мире работающего транзистора

Но у лампы был большой недостаток – ограниченный срок службы. Необходимость создания нового элемента с неограниченным временем действия становилась в радиоэлектронике все острее. Но, как не парадоксально, разработка полупроводниковых приборов тормозилась, кроме объективных причин, еще и субъективными – инерцией мышления самих ученых. Достаточно сказать, что лабораторию американской компании «Bell telefon», где проводились исследования со сверхчистым германием, коллеги пренебрежительно называли «хижиной ненужных материалов».

Давние конкуренты

Эксперты, впервые увидев пластинку германия с присоединенными к ней проводниками, заявили: «Такой примитив никогда не сможет заменить лампу». И все же, не обращая внимания на все преграды, 30 июня 1948 года компания «Bell telefon» впервые публично продемонстрировала твердотельный усилитель – точечный транзистор. Его годом раньше разработали сотрудники Джон Бардин и Уолтер Браттейн под руководством Уильяма Шокли.

Транзисторный радиоприемник 1959 года

На вопрос журналиста: «Как вы этого достигли?», Уильям Шокли ответил: «Транзистор создан в результате соединения человеческих усилий, потребностей и обстоятельств».

Название «транзистор» происходит от английского слова TRANsferreSISTance, а окончание слова – «OR« соответствует раннее появившимся радиоэлементам – «термистор и варистор» и дал его Джон Пирс. В основе названия заложен тот факт, что прибором можно управлять путем изменения его сопротивления.

Бардин Шокли и Браттейн в лаборатории Bell, 1948 год

В 1956 году трем американским ученым за это открытие была присуждена Нобелевская премия в области физики. Интересно, что когда Джон Бардин опоздал на пресс-конференцию по поводу присуждения ему этой премии, то войдя в зал, в свое оправдание сказал: «Прошу извинить меня, но я не виноват, так как не мог попасть в гараж: отказал транзистор в электронном замке».

Транзисторы в музыке

Уильям Шокли не остановился на достигнутом и разработал еще несколько новых типов транзисторов. К этим трудам своего сотрудника эксперты компании проявили скепсис. Более дальновидными оказались специалисты японской фирмы «SONY», она приобрела лицензию на эти транзисторы.

Полностью вытеснить радиолампу транзистору пока еще не удалось. Можно, наверное, утверждать, что полупроводниковые приборы и электронные лампы будут сосуществовать еще долго, не заменяя друг друга, а дополняя, и занимать то место в радиоэлектронике, где они дают наибольший эффект.

Современный макет транзистора Бардина и Браттейна

Не составляет исключение и музыкальная индустрия, так как звучание транзисторов и ламп серьезно отличается друг от друга. Очевидно то, что и варианты применения техники, построенной на столь несхожих компонентах, должны отличаться. Видимо, в каких-то случаях предпочтительней лампа, а в каких-то – транзистор.

При современном развитии электроники существует возможность сделать звук транзисторного прибора теплым, а лампового – достоверным. Такая техника существует, но стоит очень дорого.

Все же есть надежда, что в будущем лампа и транзистор станут жить дружно, дополняя друг друга и радуя потребителей. Отзывы же о комбинированной аппаратуре на сегодня очень обнадеживающие.

Транзисторы и его путь изобретения

Мы все знаем, что «транзистор» является неотъемлемой частью любой электронной цепи или устройства. О чень редко можно увидеть схемы, построенные по крайней мере без одного транзистора. Это полупроводниковый прибор используется для целей переключения или для целей усиления в электронных устройствах. Они бывают в отдельном корпусе или в сочетании с интегральными микросхемами. Транзисторы бывают двух типов PNP и NPN. Наиболее часто используются транзисторы NPN.

В этой статье позволяет искать глубоко в интересную историю изобретения транзистора. Также имеется статья по Истории изобретения соединения PN.

Родители транзисторов

22 октября 1925 Австрийск-Венгерский физик, Юлиуса Эдгара Лилиенфельда записал первый патент для транзисторов в Канаде. Но, как он не сделал каких-либо научных публикаций относительно изобретения транзистора, отрасли игнорировать его работу. Тем не менее он имел большую роль в изобретении полевой транзистор. После работ Джулиус, в 1934, немецкий физик, Оскар Хайль отмечен другой патент на полевой транзистор. Хотя не выводы были сделаны в то время, позже исследования показывают, что Юлий Лилиенфельд транзистор дал отличный результат и получить. Джон Бардин, Уильям Брэдфорд Шокли и Уолтер Браттейн сделал параллельных исследований с Германий.

Какова была необходимость?

Вы можете догадаться, что сделали эти люди работают так религиозно на транзисторы? Есть роль, которую играет кристаллах германий позади экрана! Конечная цель исследований было производить чистый Германий кристалл диода смеситель, который был использован в РЛС. Эти радары служил цели смеситель частоты.

Достижение с Германий

Университет Пердью доказал успех в производстве чистого и Германий стандарт качества полупроводниковых кристаллов. Как трубка на основе технологии не достаточно быстро, они пытались с полупроводниковые диоды. Узнать больше о этот диод, они пытались, оформляя триод; Однако они нашли этот процесс будет очень утомительным.

Достижений с триода

Джон Бардин развитые поверхности физика, которая является результатом исследований и странное поведение предыдущего исследования. Бардин и Браттейн удалось сделать работы устройства и затем Шокли попытался разработать устройство полупроводникового триода на основе.

Что является базой для изобретения?

Принцип изобретения транзистора лежит на понимание подвижность электронов. Если поток электронов от эмиттера к коллектору может контролироваться одним так или иначе, усилитель может быть построен диода! Это казалось очень сложно, но Браттейн сделал шаг. Когда команда работает на создание такого устройства, было много недостатков в исследованиях. Во времена работала система, и иногда он неожиданно перестал работать.

И какие могут быть решения?

Если есть проблема, должно быть решение. Когда не работает настройка был помещен на воде, к счастью, он начал работать! Из-за чистой обвинения будет двигаться электроны в любой одной части кристаллов. Как противоположными зарядами, более вероятно, чтобы привлечь, электроны в излучателей и отверстия в коллекторы, как правило, двигаться в направлении поверхности кристалла. Противоположный заряд был получен из воздуха или воды. Эти чистые расходы могут быть легко оттеснили от применения очень мало количество заряда от часть кристалла. Максимальная инъекции электронов, что было необходимо промыть обвинения тогда был заменен с минимальным запасом электронов. Таким образом понимание исследователи проложили путь для решения проблемы. Нет никакой необходимости двух отдельных или отдельных полупроводники; Вместо этого немного больше одной поверхности может использоваться в качестве замены.

Новая система

В новом изобретении эмиттер и коллектор были расположены в верхней части которой были близко друг к другу и свинца управления был сделан на базе кристалл. На применении текущего, электронов или дырок от эмиттеров и коллекторов были очищены, по всему полу дирижер и они были собраны в дальнем конце поверхности кристалла.

Первый когда-либо транзистор

Хотя есть множество эволюций транзистора, первый транзистор был сделан после многих неудач. BELL laboratories телефон пытался на этот процесс и сталкиваются с нет успех. Изобретение транзистора точки контакт-это еще одна интересная история. Было установлено, что, когда контакты были более тесно, системы или Настройка стала еще более хрупким. Золото катушки был вставлен в конце пластиковый клин. Затем он был сокращен с помощью бритвы на кончике. В результате два близко расположенных червонцев. Было установлено, что тока начали поступать когда напряжения был применен на другой стороне кристалла, после того, как пластик был толкаемых вниз поверхность этого кристалла. Таким образом был изобретен транзистор контактной точки.

Это было 16 декабря 1947 года, было сделано двойной точкой контакта транзистор, создавая контакт с поверхностью Германий. Этот Германий был ранее анодированного до 90 вольт и несколько золотых пятен были испарялась. При нажатии золотые пятна на голой поверхности, на золото был установлен связаться поверхности идеально. Вопросы были разделены на расстоянии около 4 X 10 -3 см. Среди две точки одна была использована как сетки и другой был использован как плита. Браттейн и Мур показал набор до несколько их коллег и изобретение транзистора было объявлено на 23 РД декабря 1947 года.

Уильям Брэдфорд Шокли, Джон Бардин и Уолтер Хаузер Браттейн были награждены Нобелевской премией в 1956 году для этого преобразования жизни исследования на полупроводниках и их открытия (вместо изобретения) транзистора.

Помимо Уильям Брэдфорд Шокли, Джон Бардин и Браттейн, Уолтер Хаузер двенадцать больше людей сказали принимать непосредственное участие в изобретении транзисторов.

Transistron

В 1948 году Герберт Matare и Генрих Уэлкер применяется для патента на прочной основе транзисторов, которые назывались transistrons. Поскольку там не было каких-либо объявление от Белл, было объявлено, что transistrons были разработаны независимо друг от друга. Эти transistrons были коммерчески изготовлено и был использован в французской телефонной компании.

Одним из значительных изобретений XX века по праву считается изобретение транзистора, пришедшего на замену электронным лампам.

Долгое время лампы были единственным активным компонентом всех радиоэлектронных устройств, хотя и имели множество недостатков. Прежде всего, это большая потребляемая мощность, большие габариты, малый срок службы и малая механическая прочность. Эти недостатки все острее ощущались по мере усовершенствования и усложнения электронной аппаратуры.

Революционный переворот в радиотехнике произошел, когда на смену устаревшим лампам пришли полупроводниковые усилительные приборы – транзисторы, лишенные всех упомянутых недостатков.

Первый работоспособный транзистор появился на свет в 1947 году, благодаря стараниям сотрудников американской фирмы Bell Telephone Laboratories. Их имена теперь известны всему миру. Это ученые – физики У. Шокли, Д. Бардин и У. Брайтен. Уже в 1956 году за это изобретение все трое были удостоены нобелевской премии по физике.

Но, как и многие великие изобретения, транзистор был замечен не сразу. Лишь в одной из американских газет было упомянуто, что фирма Bell Telephone Laboratories продемонстрировала созданный ею прибор под названием транзистор. Там же было сказано, что его можно использовать в некоторых областях электротехники вместо электронных ламп.

Показанный транзистор имел форму маленького металлического цилиндрика длиной 13 мм и демонстрировался в приемнике, не имевшем электронных ламп. Ко всему прочему, фирма уверяла, что прибор может использоваться не только для усиления, но и для генерации или преобразования электрического сигнала.

Рис. 1. Первый транзистор

Рис. 2. Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Браттейн. За сотрудничество в разработке первого в мире действующего транзистора в 1948 году они разделили Нобелевскую премию 1956 года.

Но возможности транзистора, как, впрочем, и многих других великих открытий, были поняты и оценены не сразу. Чтобы вызвать интерес к новому прибору, фирма Bell усиленно рекламировала его на семинарах и в статьях, и предоставляла всем желающим лицензии на его производство.

Производители электронных ламп не видели в транзисторе серьезного конкурента, ведь нельзя было так сразу, одним махом, сбросить со счетов тридцатилетнюю историю производства ламп нескольких сотен конструкций, и многомиллионные денежные вложения в их развитие и производство. Поэтому транзистор вошел в электронику не так быстро, поскольку эпоха электронных ламп еще продолжалась.

Рис. 3. Транзистор и электронная лампа

Первые шаги к полупроводникам

С давних времен в электротехнике использовались в основном два вида материалов – проводники и диэлектрики (изоляторы). Способностью проводить ток обладают металлы, растворы солей, некоторые газы. Эта способность обусловлена наличием в проводниках свободных носителей заряда – электронов. В проводниках электроны достаточно легко отрываются от атома, но для передачи электрической энергии наиболее пригодны те металлы, которые обладают низким сопротивлением (медь, алюминий, серебро, золото).

К изоляторам относятся вещества с высоким сопротивлением, у них электроны очень крепко связаны с атомом. Это фарфор, стекло, резина, керамика, пластик. Поэтому свободных зарядов в этих веществах нет, а значит нет и электрического тока.

Здесь уместно вспомнить формулировку из учебников физики, что электрический ток это есть направленное движение электрически заряженных частиц под действием электрического поля. В изоляторах двигаться под действием электрического поля просто нечему.

Однако, в процессе исследования электрических явлений в различных материалах некоторым исследователям удавалось «нащупать» полупроводниковые эффекты. Например, первый кристаллический детектор (диод) создал в 1874 году немецкий физик Карл Фердинанд Браун на основе контакта свинца и пирита. (Пирит – железный колчедан, при ударе о кресало высекается искра, отчего и получил название от греческого «пир» — огонь). Позднее этот детектор с успехом заменил когерер в первых приемниках, что значительно повысило их чувствительность.

В 1907 году Беддекер, исследуя проводимость йодистой меди обнаружил, что ее проводимость возрастает в 24 раза при наличии примеси йода, хотя сам йод проводником не является. Но все это были случайные открытия, которым не могли дать научного обоснования. Систематическое изучение полупроводников началось лишь в 1920 — 1930 годы.

Большой вклад в изучение полупроводников внес советский ученый сотрудник знаменитой Нижегородской радиолаборатории О.В. Лосев . Он вошел в историю в первую очередь как изобретатель кристадина (генератор колебаний и усилитель на основе диода) и светодиода. Подробнее об этом смотрите здесь: История светодиодов. Свечение Лосева.

На заре производства транзисторов основным полупроводником являлся германий (Ge). В плане энергозатрат он весьма экономичен, напряжение отпирания его pn – перехода составляет всего 0,1…0,3В, но вот многие параметры нестабильны, поэтому на замену ему пришел кремний (Si).

Температура, при которой работоспособны германиевые транзисторы не более 60 градусов, в то время, как кремниевые транзисторы могут продолжать работать при 150. Кремний, как полупроводник, превосходит германий и по другим свойствам, прежде всего по частотным.

Кроме того, запасы кремния (обычный песок на пляже) в природе безграничны, а технология его очистки и обработки проще и дешевле, нежели редкого в природе элемента германия. Первый кремниевый транзистор появился вскоре после первого германиевого — в 1954 году. Это событие даже повлекло за собой новое название «кремниевый век», не надо путать с каменным!

Рис. 4. Эволюция транзисторов

Микропроцессоры и полупроводники. Закат «кремниевого века»

Вы никогда не задумывались над тем, почему в последнее время практически все компьютеры стали многоядерными? Термины двухъядерный или четырехъядерный у всех на слуху. Дело в том, что увеличение производительности микропроцессоров методом повышения тактовой частоты, и увеличения количества транзисторов в одном корпусе, для кремниевых структур практически приблизилось к пределу.

Увеличение количества полупроводников в одном корпусе достигается за счет уменьшения их физических размеров. В 2011 году фирма INTEL уже разработала 32 нм техпроцесс, при котором длина канала транзистора всего 20 нм. Однако, такое уменьшение не приносит ощутимого прироста тактовой частоты, как это было вплоть до 90 нм технологий. Совершенно очевидно, что пора переходить на что-то принципиально новое.

Рис. 5. История транзисторов

Графен – полупроводник будущего

В 2004 году учеными–физиками был открыт новый полупроводниковый материал графен. Этот основной претендент на замену кремнию также является материалом углеродной группы. На его основе создается транзистор, работающий в трех разных режимах.

История транзистора, часть 3: многократное переизобретение

Другие статьи цикла:

  • История реле
    • Метод «быстрой передачи сведений», или Зарождение реле
    • Дальнописец
    • Гальванизм
    • Предприниматели
    • А вот, наконец, и реле
    • Говорящий телеграф
    • Просто соединить
    • Забытое поколение релейных компьютеров
    • Электронная эра
  • История электронных компьютеров
    • Пролог
    • Колосс
    • ENIAC
    • Электронная революция
  • История транзистора
    • Пробираясь на ощупь в темноте
    • Из горнила войны

Более сотни лет аналоговая собака виляла цифровым хвостом. Попытки расширить возможности наших органов чувств – зрения, слуха, и даже, в каком-то смысле, осязания, вели инженеров и учёных на поиски лучших компонентов для телеграфа, телефона, радио и радаров. Лишь по счастливой случайности эти поиски обнаружили путь к созданию новых типов цифровых машин. И я решил рассказать историю этой постоянной экзаптации, во время которой инженеры электросвязи поставляли исходные материалы для первых цифровых компьютеров, а иногда даже сами проектировали и создавали эти компьютеры.

Но к 1960-м это плодотворное сотрудничество подошло к концу, а с ним и моя история. Изготовителям цифрового оборудования уже не нужно было заглядывать в мир телеграфа, телефона и радио в поисках новых, улучшенных переключателей, поскольку сам транзистор обеспечил неисчерпаемый источник улучшений. Год за годом они копали всё глубже и глубже, всегда находя способы экспоненциально увеличивать скорость работы и уменьшать стоимость.

Однако ничего этого бы не произошло, если бы изобретение транзистора остановилось бы на работе Бардина и Бреттейна.

Медленный старт

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. Задним умом мы, возможно, захотим посмеяться, или даже побранить неизвестных авторов – как же они не смогли распознать перевернувшее мир событие?

Но взгляд в прошлое искажает восприятие, усиливая те сигналы, значимость которых нам известно, хотя в то время они терялись в море шума. Транзистор 1948 года сильно отличался от транзисторов компьютеров, на одном из которых вы читаете эту статью (если вы не решили её распечатать). Отличались так сильно, что, несмотря на одинаковое название, и связывающую их непрерывную линию наследования, их нужно считать разными видами, если не разными родами. У них разные составы, разная структура, разный принцип функционирования, не говоря уже о гигантском различии в размерах. Только благодаря постоянным повторным изобретениям неуклюжее устройство, сооружённое Бардином и Бреттейном, смогло преобразовать мир и нашу жизнь.

На самом деле, германиевый транзистор с одной точкой контакта не заслуживал внимания большего, чем получил. У него было несколько дефектов, унаследованных от электронной лампы. Он, конечно, был гораздо меньше самых компактных ламп. Отсутствие раскалённой нити означало, что он выдаёт меньше тепла, потребляет меньше энергии, не перегорает и не требует прогрева перед использованием.

Однако накопление грязи на контактной поверхности 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.

Однако тогда уже начались первые попытки превратить транзистор в нечто лучшее и более полезное. Они вообще-то начались гораздо раньше того момента, когда общественность узнала о его существовании.

Амбиции Шокли

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.

Подбадриваемый наличием такого туза в рукаве, Шокли предъявил Бардину и Бреттейну претензии по их возвращению в Мюррей-Хилл, требуя всей славы за изобретение транзистора. Разве не его идея о полевом эффекте заставила Бардин и Бреттейна засесть в лаборатории? Разве не нужно из-за этого передать все права на патент ему? Однако хитрость Шокли 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. Однако, сделанного не воротишь: амбиции Шокли уничтожили его взаимоотношения с двумя подчинёнными. Бардин прекратил работу над транзистором, и сконцентрировался на сверхпроводимости. Он ушёл из лабораторий в 1951. Бреттейн остался там, но отказался вновь работать с Шокли, и настоял на перевод в другую группу.

Из-за неспособности работать с другими людьми Шокли так и не продвинулся в лабораториях, поэтому тоже ушёл оттуда. В 1956 он вернулся домой в Пало-Альто, чтобы основать собственную компанию по производству транзисторов, Shockley Semiconductor. Перед отъездом он расстался с женой Джин, когда она восстанавливалась от рака матки, и сошёлся с Эмми Леннинг, на которой вскоре женился. Но из двух половин его калифорнийской мечты – новая компания и новая жена – исполнилась лишь одна. В 1957 лучшие его инженеры, разгневанные его стилем управления и направлением, в котором он вёл компанию, ушли от него, чтобы основать новую фирму, Fairchild Semiconductor.

Шокли в 1956

Так что Шокли бросил пустую оболочку своей компании и устроился в департамент электротехники в Стэнфорде. Там он продолжал отталкивать от себя своих коллег (и своего старейшего друга, физика Фреда Зейтца) заинтересовавшими его теориями расового вырождения и расовой гигиены – темами, непопулярными в США со времени окончания последней войны, особенно в академических кругах. Он находил удовольствие в развязывании споров, взвинчивании СМИ и вызывании протестов. Он умер в 1989 году, отдалившись от детей и коллег, и посещаемый только вечно преданной ему второй женой, Эмми.

Хотя его жалкие попытки на поприще предпринимательства провалились, Шокли уронил зерно в плодотворную почву. Область залива Сан-Франциско произвела на свет множество небольших фирм, производящих электронику, которые сдабривало финансированием федеральное правительство во время войны. Fairchild Semiconductor, случайный отпрыск Шокли, породил десятки новых фирм, парочка которых известна и сегодня: Intel и Advanced Micro Devices (AMD). К началу 1970-х эта область заслужила насмешливое прозвище «Кремниевая долина». Но постойте-ка – ведь Бардин и Бреттейн создали германиевый транзистор. Откуда взялся кремний?

Так в 2009 году выглядело заброшенное место в Маунтин-Вью, где ранее находилась Shockley Semiconductor. Сегодня здание снесено.

К кремниевому перекрёстку

Судьба нового типа транзистора, придуманного Шокли в чикагском отеле, была гораздо счастливее, чем у его изобретателя. Всё 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. В частности, добавленные в них неосновные переносчики могли выживать внутри сотню микросекунд или даже дольше (против не более чем десяти микросекунд в других пробах кристаллов).

Теперь Тил мог позволить себе больше ресурсов, и набрал в свою команду больше людей, среди которых был ещё один физический химик, пришедший в лаборатории Белла из Техаса – Моргана Спаркса. 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.

Морган Спаркс и Гордон Тил за верстаком в лабораториях Белла

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.

И всё же это было лишь начало. В 1952 году General Electric (GE) объявила о разработке нового процесса создания транзисторов с переходом, сплавного метода. В его рамках два шарика индия (донор p-типа) сплавлялись с двух сторон тонкого ломтика из германия n-типа. Этот процесс был проще и дешевле, чем выращивание переходов в сплаве, такой транзистор давал меньше сопротивления и поддерживал большие частоты.

Выращенные и сплавные транзисторы

В следующем году Гордон Тил решил вернуться в свой родной штат, и устроился на работу в Texas Instruments (TI) в Далласе. Компания была основана под именем Geophysical Services, Inc., и сначала производила оборудование для разведывания нефтяных месторождений, TI открыла подразделение электроники во время войны, и теперь выходила на рынок транзисторов по лицензии от Western Electric (производственного подразделения лабораторий Белла).

Тил принёс с собой новые навыки, полученные в лабораториях: способность выращивать и легировать монокристаллы кремния. Самой очевидной слабостью германия была его чувствительность к температуре. Подвергаясь воздействию тепла, атомы германия в кристалле быстро сбрасывали свободные электроны, и он всё больше превращался в проводник. При температуре в 77 °C он вообще переставал работать, как транзистор. Главной целью продаж транзисторов были вооружённые силы – потенциальный потребитель с низкой ценовой чувствительностью и огромной потребностью в стабильных, надёжных и компактных электронных компонентах. Однако чувствительный к температуре германий не пригодился бы во многих случаях военного применения, особенно в аэрокосмической области.

Кремний был гораздо стабильнее, однако расплачиваться приходилось гораздо более высокой точкой плавления, сравнимой с точкой плавления стали. Это вызывало огромные трудности, учитывая, что для создания высококачественных транзисторов требовались очень чистые кристаллы. Горячий расплавленный кремний впитывал бы загрязнения из любого тигля, в котором бы находился. Тил с командой из TI сумели преодолеть эти трудности при помощи сверхчистых образцов кремния от DuPont. В мае 1954 на конференции института радиоинженеров в Дайтоне (Огайо) Тил продемонстрировал, что новые кремниевые устройства, произведённые в его лаборатории, продолжали работать, даже будучи погружёнными в горячее масло.

Успешные выскочки

Наконец, примерно через семь лет после первого изобретения транзистора, его можно было изготавливать из материала, с которым он стал синонимом. И ещё примерно столько же времени пройдёт до появления транзисторов, грубо напоминающих ту форму, что используется в наших микропроцессорах и чипах памяти.

В 1955 году учёные из лабораторий Белла успешно научились делать кремниевые транзисторы с новой технологией легирования – вместо того, чтобы добавлять твёрдые шарики примесей в жидкий расплав, они внедряли газообразные добавки в твёрдую поверхность полупроводника (термодиффузия). Тщательно контролируя температуру, давление и длительность процедуры, они достигали точно необходимой глубины и степени легирования. Усиление контроля над производственным процессом дало усиление контроля над электрическими свойствами конечного продукта. Что ещё важно, термодиффузия дала возможность производить продукт партиями – можно было легировать большую плиту кремния, а потом нарезать её на транзисторы. Военные обеспечили финансирование лабораторий Белла, поскольку на организацию производства требовались высокие предварительные траты. Им требовался новый продукт для ультравысокочастотной линии раннего радиолокационного обнаружения («линии Дью»), цепочке арктических радарных станций, предназначенных для обнаружения советских бомбардировщиков, летящих со стороны Северного полюса, и они готовы были выложить по $100 за транзистор (это были времена, когда новый автомобиль можно было купить за $2000).

Легирование вместе с фотолитографией, управлявшей расположением примесей, открыли возможность вытравливать весь контур целиком на одной полупроводниковой подложке – до этого одновременно додумались в Fairchild Semiconductor и Texas Instruments в 1959. «Планарная технология» от Fairchild использовала химическое осаждение металлических плёнок, соединяющих электрические контакты транзистора. Она избавляла от необходимости создания проводки вручную, уменьшала стоимость производства и увеличивала надёжность.

Наконец, в 1960-м два инженера из лабораторий Белла (Джон Аталла и Дэвон Кан) реализовали оригинальную концепцию Шокли транзистора на полевом эффекте. Тонкий слой оксида на поверхности полупроводника смог эффективно подавлять поверхностные состояния, в результате чего электрическое поле из алюминиевого вентиля проникать внутрь кремния. Так родился MOSFET [metal-oxide semiconductor field-effect transistor] (или МОП-структура, от металл-оксид-полупроводник), который оказалось так легко миниатюризировать, и который до сих пор используется почти во всех современных компьютерах (интересно, что Аталла был родом из Египта, а Кан из Южной Кореи, и практически только эти двое инженеров из всей нашей истории не имеют европейских корней).

Наконец, спустя тринадцать лет после изобретения первого транзистора, появилось нечто, напоминающее транзистор вашего компьютера. Его было проще производить, он использовал меньше энергии, чем плоскостной транзистор, однако он довольно медленно реагировал на сигналы. Только после распространения крупных интегральных схем с сотнями или тысячами компонентов, расположенными на едином чипе, преимущества полевых транзисторов вышли на первый план.

Иллюстрация из патента на полевой транзистор

Полевой эффект стал последним серьёзным вкладом лабораторий Белла в разработку транзистора. Крупные производители электроники, такие, как лаборатории Белла (с их Western Electric), General Electric, Sylvania и Westinghouse наработали впечатляющий объём исследований полупроводников. С 1952 по 1965 только лаборатории Белла зарегистрировали более двух сотен патентов на эту тему. И всё же коммерческий рынок быстро перешёл в руки таких новых игроков, как Texas Instruments, Transitron и Fairchild.

Ранний рынок транзисторов был слишком маленьким для того, чтобы на него обращали внимание крупные игроки: порядка $18 млн в год в середине 1950-х, по сравнению с общим объёмом рынка электроники в $2 млрд. Однако исследовательские лаборатории этих гигантов служили непреднамеренными тренировочными лагерями, где молодые учёные могли впитывать знания, касающиеся полупроводников, чтобы после переходить к продаже своих услуг менее крупным фирмам. Когда рынок ламповой электроники в середине 1960-х начал серьёзно ужиматься, для лабораторий Белла, Westinghouse и остальных было уже слишком поздно состязаться с выскочками.

Переход компьютеров на транзисторы

В 1950-х транзисторы вторглись в мир электроники в четырёх наиболее значимых областях. Первыми двумя были слуховые аппараты и портативные радиоприёмники, в которых низкое энергопотребление, и, как следствие, долгая работа от батареи, пересиливали остальные соображения. Третьей было военное применение. Армия США возлагала большие надежды на транзисторы, как на надёжные и компактные компоненты, которые можно использовать везде, от полевого радио до баллистических ракет. Однако в первое время их траты на транзисторы больше были похожи на ставку на будущее технологии, чем на подтверждение их тогдашней ценности. И, наконец, были ещё цифровые вычисления.

В компьютерной области недостатки переключателей на электронных лампах были хорошо известны, причём некоторые скептики до войны даже считали, что электронный компьютер не удастся сделать практичным устройством. Когда тысячи ламп собирали в одном устройстве, они пожирали электроэнергию, выдавая огромное количество тепла, а в плане надёжности можно было положиться только на их регулярное выгорание. Поэтому мало потребляющий, холодный и не имеющий нити транзистор стал спасителем компьютерных производителей. Его недостатки как усилителя (к примеру, более шумный выходной сигнал) не представляли такой уж проблемы при использовании его в качестве переключателя. Единственным препятствием была стоимость, и в своё время она начнёт резко падать.

Все ранние американские эксперименты с транзисторными компьютерами происходили на пересечении желания военных изучить потенциал многообещающей новой технологии, и желания инженеров перейти на улучшенные переключатели.

В лабораториях Белла в 1954 году построили TRADIC для ВВС США, чтобы посмотреть, дадут ли транзисторы возможность установить цифровой компьютер на борту бомбардировщика, заменив им аналоговую навигацию и помощь в поиске целей. Лаборатория Линкольна из MIT разработала компьютер TX-0 в рамках обширного проекта ПВО в 1956. Машина использовала ещё один вариант транзистора, поверхностно-барьерный, хорошо подходивший для высокоскоростных вычислений. Philco построила свой компьютер SOLO по контракту с ВМФ (однако реально – по запросу АНБ), закончив его в 1958 (используя ещё один вариант поверхностно-барьерного транзистора).

В Восточной Европе, не настолько обеспеченной ресурсами в ходе Холодной войны, история была совсем другой. Такие машины, как Manchester Transistor Computer, Harwell CADET (ещё одно название, вдохновлённое проектом ENIAC, и зашифрованное написанием задом наперёд), и австрийский Mailüfterl были побочными проектами, использовавшими ресурсы, которые их создатели могли наскрести – включая транзисторы с одной точкой контакта первого поколения.

Идёт множество споров по поводу титула первого компьютера, использовавшего транзисторы. Всё, конечно, упирается в выбор правильных определений таких слов, как «первый», «транзисторный» и «компьютер». В любом случае известно, где история заканчивается. Коммерциализация транзисторных компьютеров началась почти сразу. Год за годом компьютеры за одну и ту же цену становились всё более мощными, а компьютеры одной мощности становились всё дешевле, и этот процесс казался настолько неумолимым, что его возвели в ранг закона, рядом с гравитацией и сохранением энергии. Нужно ли нам спорить о том, какой камушек стал первым в обвале?

Откуда взялся закон Мура?

Приближаясь к окончанию истории переключателя, стоит задать вопрос: что привело к появлению этого обвала? Почему закон Мура существует (или существовал – поспорим об этом в другой раз)? Для самолётов или пылесосов закона Мура нет, как нет его для электронных ламп или реле.

Ответ состоит из двух частей:

  1. Логические свойства переключателя как категории артефакта.
  2. Возможность использовать чисто химические процессы для изготовления транзисторов.

Сначала о сути переключателя. Свойства большинства артефактов обязаны удовлетворять широкому спектру неумолимых физических ограничений. Пассажирский самолёт должен выдерживать общий вес множества людей. Пылесос должен уметь засасывать определённое количество грязи за определённое время с определённой физической площади. Самолёты и пылесосы будут бесполезными, если уменьшить их до наномасштабов.

У переключателя же – автоматического переключателя, которого никогда не касалась рука человека – физических ограничений гораздо меньше. У него должно быть два различных состояния, и он должен уметь сообщать другим таким же переключателям изменение их состояний. То есть, всё, что он должен уметь, это включаться и выключаться. Что же такого особенного в транзисторах? Почему другие виды цифровых переключателей не испытали таких экспоненциальных улучшений?

Тут мы подходим ко второму факту. Транзисторы можно изготавливать при помощи химических процессов без механического вмешательства. С самого начала ключевым элементом производства транзисторов было применение химических примесей. Затем появился планарный процесс, устранивший последний механический шаг из производства – присоединение проводов. В результате он избавился от последнего физического ограничения на миниатюризацию. Транзисторам уже не нужно было быть достаточно крупными для пальцев человека – или для любого механического устройства. Всё делала простая химия, на невообразимо маленьком масштабе: кислота для травления, свет для управления тем, какие части поверхности будут противостоять травлению, и пары для внедрения примесей и металлических плёнок на вытравленные дорожки.

А зачем вообще нужна миниатюризация? Уменьшение размера давало целую плеяду приятных побочных эффектов: увеличение скорости переключения, уменьшение потребления энергии и стоимости отдельных экземпляров. Эти мощные стимулы побудили всех заниматься поиском способов дальнейшего уменьшения переключателей. И полупроводниковая индустрия за время жизни одного человека перешла от изготовления переключателей размером с ноготь до упаковки десятков миллионов переключателей на квадратный миллиметр. От запроса восьми долларов за один переключатель до предложения двадцати миллионов переключателей за доллар.

Чип памяти Intel 1103 от 1971 года. Отдельные транзисторы, размером всего в десятки микрометров, уже неразличимы глазом. А с тех пор они уменьшились ещё в тысячу раз.

Что ещё почитать:

  • Ernest Bruan and Stuart MacDonald, Revolution in Miniature (1978)
  • Michael Riordan and Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
  • Joel Shurkin, Broken Genius (1997)

Что такое транзистор? | Основы электроники

Транзистор был изобретен в 1948 году в Bell Telephone Laboratories

.

Изобретение транзистора стало беспрецедентным достижением в электронной промышленности. Это ознаменовало начало нынешней эпохи в секторе электроники. После изобретения транзистора технический прогресс стал более частым, наиболее заметным из которых были компьютерные технологии. Трое физиков, которые изобрели транзистор; Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн были удостоены Нобелевской премии.Учитывая изобретения, которые открыли транзисторы, можно утверждать, что это было самое важное изобретение двадцатого века.

От германия к кремнию

Транзисторы изначально производились с использованием германия. Это было стандартом для первого десятилетия производства транзисторов. Транзисторы на основе кремния, которые мы привыкли видеть сегодня, были приняты, потому что германий разрушается при температуре 180 градусов F.

Функции транзистора

Функции транзистора заключаются в усилении и переключении.Давайте возьмем радио в качестве примера: сигналы, которые радио принимает из атмосферы, очень слабые. Радио усиливает эти сигналы через выход динамика. Это функция «усиления».

Для аналогового радио простое усиление сигнала заставит динамики воспроизводить звук. Однако для цифровых устройств форму входного сигнала необходимо изменить. Для цифрового устройства, такого как компьютер или MP3-плеер, транзистор должен переключать состояние сигнала на 0 или 1.Это «функция переключения»

Даже более сложные компоненты, такие как интегральные схемы, изготовленные из жидкого кремния, в основном представляют собой наборы транзисторов.

Резисторы и транзисторы на одном кристалле

Изначально дискретные резисторы и транзисторы устанавливались на одних и тех же печатных платах. Позже транзисторные микросхемы со встроенными резисторами были разработаны как цифровые транзисторы. Использование цифровых транзисторов в конструкциях имеет:
1.Им требуется меньше места для установки компонентов на печатной плате.
2. Им требуется меньше времени для монтажа компонентов на печатной плате.
3. Это уменьшает количество необходимых компонентов.

Цифровые транзисторы защищены одним из эксклюзивных патентов ROHM.

Первые транзисторы со встроенными резисторами были разработаны фирмой ROHM, получившей патентные права. Цифровые транзисторы также защищены одним из эксклюзивных патентов ROHM.

Как работает транзистор?

Одна аналогия, которая помогает объяснить, как работает транзистор, — это думать о нем как о водопроводном кране.В этом случае электрический ток работает как вода. Транзистор имеет три контакта: база, коллектор и эмиттер. Основание работает как ручка крана, коллектор подобен трубе, которая идет в кран, а эмиттер подобен отверстию, через которое льется вода. Поворачивая ручку крана с небольшим усилием, мы можем контролировать мощный поток воды. Эта вода течет по трубе и выходит из отверстия. Слегка повернув ручку крана, можно значительно увеличить скорость потока воды.Если закрыть полностью, вода не будет течь. Если открыть полностью, вода будет хлестать как можно быстрее!

Теперь мы можем погрузиться в правильное объяснение, используя диаграммы ниже. Транзистор имеет три контакта: эмиттер (E), коллектор (C) и базу (B). База контролирует ток от коллектора до эмиттера. Ток, протекающий от коллектора к эмиттеру, пропорционален току базы. Ток эмиттера или базовый ток = hFE. Показанная схема использует коллекторный резистор (RI).Если через RI протекает ток Ic, на этом резисторе будет сформировано напряжение, равное произведению Ic x RI. Это означает, что напряжение на транзисторе равно: E2 — (RI x Ic). Ic приблизительно равно Ie, поэтому, если IE = hFE x IB, то Ic также равно hFE x IB. Следовательно, при подстановке напряжение на транзисторах (E) = E2 (RI x le x hFE). По сути, входное напряжение E появляется на выходе после преобразования в напряжение IcRL.

(* 1) hfe: Коэффициент усиления постоянного тока транзистора.

Транзистор

Кто на самом деле изобрел транзистор?

Хорошо, давайте проясним это раз и навсегда. Кто был настоящим изобретателем транзистора? В январе прошлого года Electronic Design опубликовал мою статью, посвященную годовщине изобретения транзистора. Я понял это в основном правильно, но недавно я получил записку, в которой я инициировал это разъяснение. В статье я сказал:

«В различных исторических записях говорится, что транзистор был изобретен 12 декабря.23 декабря 1947 года в лабораториях Белла AT&T учеными Уильямом Шокли, Джоном Бардином и Уолтером Браттейном. В тот день они продемонстрировали транзисторное усиление с точечным транзистором ».

Я должен был сказать, что Бардин и Браттейн действительно изобрели первый транзистор точечного типа. Однако Шокли не был включен в этот патент. Позже, в 1948 году, Шокли разработал первый биполярный транзистор. В 1956 году Шокли переехал в Калифорнию и основал Shockley Semiconductor, одну из первых, если не первую, компанию по производству полупроводников в том, что мы теперь знаем как Силиконовая долина.А остальное, как говорится, уже история. Более подробную информацию можно найти в окончательной биографии Шокли «Сломанный гений» Джоэла Шуркина.

Я получил записку, в которой указывалось, что это несоответствие было от сына Шокли Дика Шокли. Дик — физик, получивший первую степень в Стэнфорде, а затем докторскую степень в Университете Южной Калифорнии. Почетный пенсионер из Военно-морского центра информационной войны (NIWC) в Сан-Диего. Его специальности включают нелинейные волны, подводную акустику и другие эзотерические предметы.

Я хочу поблагодарить Дика за это разъяснение.И, что, может быть, более важно, он неосознанно раскрыл одну важную истину: как история искажается с течением времени. Это происходит неоднократно. Примером может служить начало Кремниевой долины. Есть много историй о том, кто что и когда делал. Я не мог подтвердить, что Shockley Semiconductor была первой полупроводниковой компанией, но я предполагаю, что у нее есть такое отличие, хотя вы мало о ней слышите.

Одним из главных вкладов Шокли было его видение использования кремния, а не германия для изготовления БЯТ.Кроме того, он мог непреднамеренно породить остальную полупроводниковую промышленность. Высококвалифицированная команда, собранная Шокли, позже ушла, чтобы сформировать дочерние компании, такие как Fairchild, и, в конечном итоге, другие, такие как Intel и AMD.

Другие исторические догадки

Другой пример исторической гипотезы — персональные компьютеры. Люди до сих пор беспокоятся о том, кто и когда сделал то или это первым. Как и следовало ожидать, существует несколько версий этого. Я написал свои версии этого несколько лет назад, чего бы это ни стоило — см. Здесь и здесь.

Еще один пример: Маркони, как правило, признают открытие радио. Хотя он сыграл значительную роль в разработке беспроводного оборудования и услуг, настоящими изобретателями, вероятно, были Герц и Тесла. Как могло быть искажено это важное открытие? Должны ли мы включить Максвелла?

А кто изобрел первую интегральную схему? Был ли это Джек Килби из Texas Instruments или Роберт Нойс из Fairchild? Оказывается, они оба имеют общий патент. Они работали независимо, но одновременно и имели разные представления о том, что такое ИС и как она сделана.История поняла это правильно. Но насколько другая история искажена или просто неверна? Я полагаю, что через долгое время вы сможете придумать все, что захотите, и заявить, что это исторически верно. Кто будет в этом сомневаться? Многие из вас могли бы привести другие примеры этого.

Вывод заключается в том, что изобретение биполярного переходного транзистора стало важной вехой, положившей начало полупроводниковой промышленности. Огромный вклад. Это привело к созданию интегральной схемы, а затем и микрокомпьютера.Трудно представить мир без этих разработок. Если бы не это изобретение, BJT, нас с вами, вероятно, даже не было бы здесь. Спасибо, доктор Шокли. И спасибо Дику Шокли за то, что обратил на это наше внимание.

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df275bcf6d5f267ee1f771f» data-embed-element = «aside» data-embed-alt = «Electronicdesign Com Sites Electronicdesign com Источники файлов Esb Lookin For Parts Banner Заглавные буквы 0 «data-embed-src =» https://base.imgix.net/files/base/ebm/electronicdesign/image/2012/07/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_SourceESB_Lookin_For_Parts_BannerCAPS_0.png? auto = format & fit = max & w = 1440 «data-embed-caption =» «]}%

Краткое изложение истории транзистора

«Транзистор, наверное, самый
важное изобретение 20-го века и история этого изобретения
это одно из противоречивых эго и совершенно секретных исследований …. «

Этот
краткое введение описывает вовлеченных лиц и организаций
в истории транзистора.Для более насыщенного изображения, пожалуйста, следуйте
ссылки на этом веб-сайте.

Колокол
Laboratories, одна из крупнейших промышленных лабораторий в мире,
был исследовательским подразделением гигантской телефонной компании American Telephone
и Телеграф (AT&T). В 1945 году Bell Labs
начал искать решение давней проблемы.

1907
— Проблема

AT&T привела своего бывшего президента Теодора Вейла,
выйти на пенсию, чтобы помочь ему бороться с конкуренцией, возникающей из
истечение срока действия Александра Грэма Белла
телефонные патенты.Решение Вейла: трансконтинентальная телефонная связь.

В 1906 году эксцентричный американский изобретатель
Ли Де Форест разработал триод в электронной лампе. Это было устройство, которое могло усиливать сигналы,
включая, как предполагалось, сигналы на телефонных линиях по мере их передачи
по всей стране от одной распределительной коробки к другой. AT&T купила De
Патент Фореста и значительно улучшил трубку. Это позволило сигнал
регулярно усиливаться по линии, что означает, что телефонный разговор
может идти на любое расстояние, пока есть усилители
путь.

Но вакуумные лампы, которые сделали это усиление возможным
были крайне ненадежны, использовали слишком много энергии и производили слишком много
нагревать. В 1930-х годах директор по исследованиям Bell Lab Мервин Келли признал, что необходимо устройство получше.
чтобы телефонный бизнес продолжал расти. Он чувствовал, что ответ
может находиться в странном классе материалов, называемых полупроводниками.

1945
— Решение

После окончания Второй мировой войны Келли собрала команду
ученых разработать твердотельный полупроводниковый переключатель, который заменит
проблемная вакуумная трубка.Команда использовала некоторые достижения в исследованиях полупроводников во время
война, которая сделала возможным радар. Молодой блестящий теоретик,
Билл Шокли был выбран в команду
лидер. (См. Шокли, Браттейн и Бардин —
команда и товарищи по команде)

Шокли подготовил Уолтера Браттейна из Bell Lab, физика-экспериментатора.
кто мог построить или исправить что угодно, и нанял физика-теоретика
Джон Бардин
из Университета Миннесоты.Шокли пополнил свою команду
эклектичный микс физиков, химиков и инженеров. Группа была
разнообразные, но сплоченные. Уолтер Браун,
физик, который присоединился к группе в 1951 году, вспоминает, что слышал об обильном
вечеринки и хорошие обеды. Бетти Спаркс,
Секретарь Шокли напомнила о приподнятом настроении группы на ее свадьбе.
в Морган Спаркс. Они позвонили в свою лабораторию
«Адский
Лаборатория колоколов.»

Весной 1945 года Шокли разработал то, что он надеялся
будет первым полупроводниковым усилителем, основанным на так называемом
«эффект поля». Его устройство
представлял собой небольшой цилиндр, тонко покрытый кремнием, установленный рядом с
небольшая, металлическая пластина. Это было, как сказал инженер-электрик Иллинойсского университета.
Ник Холоняк сказал, безумная идея. Действительно,
устройство не работало, и Шокли поручил Бардину и Браттейну
узнать почему.По словам автора Джоэля Шуркина,
двое в основном работали без присмотра; Шокли большую часть времени проводил
работаю дома в одиночестве.

Расположен в помещениях Bell Labs в Мюррей-Хилл, Бардин
и Браттейн начали отличное партнерство. Теоретик Бардин предложил
экспериментировал и интерпретировал результаты, в то время как Браттейн строил и запускал
эксперименты. Вспоминает техник Фил Фой
что время шло безуспешно, внутри начала нарастать напряженность.
лабораторная группа.

Осенью 1947 года, автор Лилиан
Ходдсон говорит, что Браттейн решил попробовать окунуть весь аппарат в воду.
в ванну с водой. Удивительно, но это сработало … немного.

Браттейн начал экспериментировать с золотом на германии, исключив
слой жидкости по теории, что он замедляет работу устройства.
Это не сработало, но команда продолжала экспериментировать, используя этот дизайн в качестве
отправная точка.

Незадолго до Рождества Бардин получил историческое прозрение.
Все думали, что знают, как электроны ведут себя в кристаллах, но Бардин
обнаружил, что они ошибались. Электроны образовывали барьер на поверхности.
Его прорыв был тем, что им было нужно. Не рассказывая Шокли о
изменения, которые они внесли в расследование, Бардин и Браттейн
работал над. 16 декабря 1947 года они построили точечный транзистор,
сделаны из полосок золотой фольги на пластиковом треугольнике, вставленном в
контакт с пластиной германия.

Когда Бардин и Браттейн позвонили Шокли, чтобы сказать ему
изобретения, Шокли был доволен результатами группы и
в ярости, что он не принимал непосредственного участия Он решил, что сохранить
его положение, он должен был бы сделать Бардина и Браттейна лучше.

Его устройство, переходной (сэндвич) транзистор, было
развился в порыве творчества и гнева, в основном в гостиничном номере
в Чикаго.В общей сложности ему потребовалось четыре недели работы пером на бумаге,
хотя потребовалось еще два года, прежде чем он смог его построить.
Его устройство было более прочным и практичным, чем устройство Бардина и Браттейна.
точечный транзистор, и намного проще
для производства. Он стал центральным артефактом электронной
возраст. Автор Майкл Риордан говорит, что Бардина и Браттейна «оттолкнули».
Это оскорбление раскололо команду, превратив некогда совместную среду
в ту, которая была высококонкурентной.Проблемы, чьи имена должны
быть зарегистрированным в патенте на устройство, и кто должен быть представлен в гласности
фотографии, еще больше усилили напряженность.

Bell Labs решила представить изобретение 30 июня,
1948. С помощью инженера Джона Пирса,
писавший научную фантастику в свободное время, Bell Labs остановилась на
название «транзистор» — объединение идей
«транс-сопротивления» с названиями других устройств, таких как термисторы.

В то время этому изобретению уделялось мало внимания.
в популярной прессе или в индустрии. Но Шокли увидел его потенциал.
Он покинул Bell Labs и основал Shockley Semiconductor в Пало-Альто, Калифорния.
Он нанял превосходных инженеров и физиков, но, если верить физическим
химик Гарри Селло, личность Шокли
выгнал восьмерку своих лучших и умнейших. Эти «предательские
восемь »основали новую компанию под названием Fairchild
Полупроводник.Боб Нойс и Гордон Мур, двое
из восьми сформировали корпорацию Intel. Они
(и другие в Техасе
Instruments) является соавтором интегральной схемы. Сегодня,
Intel ежедневно производит миллиарды транзисторов на своих интегральных схемах,
однако Бардин, Браттейн и Шокли зарабатывали очень мало денег на своих
исследовать. Тем не менее, компания Шокли положила начало Silicon
Долина.

Бардин покинул Bell Labs и перешел в Иллинойсский университет,
где он получил вторую Нобелевскую премию.Браттейн оставался там несколько лет,
а потом уехал преподавать. Шокли потерял компанию и преподавал в Стэнфорде.
на какое-то время, а затем ввязались в печально известный спор по поводу расы,
генетика и интеллект, разрушившие его репутацию.

В 1950-х и 1960-х годах большинство американских компаний предпочитали
их внимание на военном рынке при производстве транзисторной продукции.
Это оставило дверь открытой для японских инженеров, таких как Масару.
Ибука и Акио
Морита, который основал новую компанию под названием Sony Electronics.
что массовое производство крошечных транзисторных радиоприемников.Президент Bell Labs
Заслуженный Ян Росс
сказал, что часть их успеха заключалась в развитии способности
для быстрого серийного производства транзисторов.

Транзисторное радио изменило мир, открыв
информационный век. Информация могла быть быстро разрознена до конца
Земли, до такой степени, что историк Чарльз Стюарт слышал о
убийство Мартина Лютера Кинга младшегоот соплеменников бедуинов в
Сахара вскоре после этого.

Первые трое встречались несколько раз после разрыва:
однажды в Стокгольме, Швеция, чтобы получить Нобелевскую премию 1956 г.
за их вклад в физику, и еще раз в Bell Labs
в 1972 г. в ознаменование 25 -й годовщины их изобретений.
Они праздновали то, чего не могли знать, когда впервые
начали работать над транзистором — что собирались менять
Мир.

Вернуться к началу

__________________
Для дополнительной информации см. Майкл Риордан и Лилиан.
Кристалл Ходдесона
Огонь: изобретение транзистора и рождение информационного века,
Нью-Йорк, У. В. Нортон (1998)

Ресурсы: Видеоклип на эту страницу
произведено Bell Labs, авторское право AT&T Bell Labs.


Авторские права
1999 г., ScienCentral, Inc. и Американский институт физики.Нет
часть этого веб-сайта может быть воспроизведена без письменного разрешения.
NavKnob является товарным знаком ScienCentral, Inc. Все права защищены.

Изобретение транзистора — CHM Revolution

Изобретение транзистора

Ученые 20-х годов прошлого века предложили строить усилители из полупроводников. Но они недостаточно хорошо разбирались в материалах, чтобы на самом деле это делать. В 1939 году Уильям Шокли из Bell Labs компании AT&T возродил идею замены электронных ламп.

Под руководством Шокли Джон Бардин и Уолтер Браттейн продемонстрировали в 1947 году первый полупроводниковый усилитель: точечный транзистор с двумя металлическими точками, контактирующими с полоской германия. В 1948 году Шокли изобрел более прочный переходной транзистор, построенный в 1951 году.

Эти трое разделили Нобелевскую премию по физике 1956 года за свои изобретения.

Как работал транзистор Бардина и Браттейна

Транзистор Бардина и Браттейна состоял из полоски германия с двумя близко расположенными золотыми точечными контактами, удерживаемыми пластиковым клином.Они выбрали материал германия, который был обработан так, чтобы содержать избыток электронов, названный N-типом. Когда они заставляли электрический ток проходить через один контакт (называемый эмиттером), он вызывал дефицит электронов в тонком слое (локально изменяя его на P-тип) около поверхности германия. Это изменило количество тока, который мог протекать через контакт коллектора. Небольшое изменение тока через эмиттер вызвало большее изменение тока коллектора. Они создали усилитель тока.

Транзисторы Взлет

Компания AT&T, которая изобрела транзистор, лицензировала технологию в 1952 году. Она надеялась извлечь выгоду из других усовершенствований.

Транзисторы быстро покинули лабораторию и вышли на рынок. Хотя они дороже электронных ламп, они были идеальными, когда важна портативность и работа от батарей. Слуховой аппарат Sonotone 1952 года был первым в Америке потребительским товаром на транзисторах. AT&T также использовала транзисторные усилители в своей системе междугородной телефонной связи.Вскоре они появились как переключатели, начиная с экспериментального компьютера в Манчестерском университете в 1953 году.

По мере того, как цены падали, количество потребителей увеличивалось. К 1960 году большинство новых компьютеров были транзисторными.

Кто изобрел транзистор? — ЧМ

При чтении моего недавнего блога @CHM «Кто изобрел диод?» Старший куратор CHM Даг Спайсер указал мне на увлекательный научный трактат «Синглтоны и множественные числа в научных открытиях: глава социологии науки», в котором описывается, как множественные независимые открытия научных явлений являются скорее нормой, чем исключением.Автор, Роберт К. Мертон, прослеживает это понимание у елизаветинского философа, государственного деятеля и ученого сэра Фрэнсиса Бэкона.

Мертон также перефразирует наблюдение Бэкона о том, что «если следовать правильному пути, бесконечное количество открытий возникнет благодаря растущему запасу знаний». Эта закономерность была очевидна в истории диодов. И, как описывается в этом блоге, это было повторено при разработке следующего большого скачка в полупроводниковых устройствах — транзисторов.

В начале прошлого века ученые знали, как сделать двухконтактный диод, поместив острый металлический зонд в контакт с кристаллом полупроводника. Эти точечные диоды могли преобразовывать колебательный сигнал в устойчивый сигнал и нашли широкое применение в качестве детекторов в кварцевых радиоприемниках. К 1920-м годам изобретатели начали исследовать использование полупроводников для усиления и переключения сигналов.

Ранние полупроводниковые усилители

Лосев Олег Васильевич (1903-1942)

Некоторые из самых ранних работ по полупроводниковым усилителям появились в Восточной Европе.В 1922-1923 годах русский инженер Олег Лосев из Нижегородской радиолаборатории в Ленинграде обнаружил, что специальный режим работы в диоде на точечном кристалле цинкита (ZnO) поддерживает усиление сигнала до 5 МГц. Хотя Лосев много лет экспериментировал с материалом в радиосхемах, он умер во время блокады Ленинграда в 1942 году и не смог отстаивать свое место в истории. Его работы в значительной степени неизвестны.

Австро-венгерский физик Юлиус Э. Лилиенфельд переехал в США и в 1926 году подал патент на «Метод и устройство для управления электрическими токами», в котором он описал трехэлектродное усилительное устройство с использованием полупроводникового материала на основе сульфида меди.Лилиенфельду приписывают изобретение электролитического конденсатора, но нет никаких доказательств того, что он построил рабочий усилитель. Однако его патент имел достаточное сходство с более поздним полевым транзистором, чтобы отклонить будущие патентные заявки на эту структуру.

Юлиус Э. Лилиенфельд (1882–1963), предоставлено AIP Emilio Segre Visual Archives

немецких ученых также внесли свой вклад в это раннее исследование. Во время работы в Кембриджском университете, Англия, в 1934 году немецкий инженер-электрик и изобретатель Оскар Хейл подал патент на управление током в полупроводнике с помощью емкостной связи на электроде — по сути, полевом транзисторе.А в 1938 году Роберт Поль и Рудольф Хильш экспериментировали с кристаллами бромида калия с тремя электродами в Геттингенском университете. Сообщалось об усилении низкочастотных (около 1 Гц) сигналов. Ни одно из этих исследований не привело к каким-либо применениям, но сегодня в кругах аудиофилов Хейля помнят за его трансформатор движения воздуха, используемый в высококачественных динамиках.

Первые транзисторы

Из-за их низкой надежности и большого энергопотребления к концу 1930-х годов инженеры American Telephone and Telegraph знали, что электронные схемы не смогут удовлетворить быстро растущий спрос компании на увеличение емкости телефонных вызовов.Директор по исследованиям Bell Laboratories Мервин Дж. Келли поручил Уильяму Шокли изучить возможность использования полупроводниковой технологии для замены ламп.

Используя улучшенные полупроводниковые материалы, разработанные для радиолокационных детекторов во время войны, в начале 1945 года Шокли экспериментировал с полевым усилителем, похожим по концепции на те, что были запатентованы Хейлом и Лилиенфельдом, но он не работал так, как он задумал. Физик Джон Бардин предположил, что электроны на поверхности полупроводника могут блокировать проникновение электрических полей в материал.Под руководством Шокли вместе с физиком Уолтером Браттейном Бардин начал исследовать поведение этих «поверхностных состояний».

Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Браттейн в 1948 году, предоставлено Bell Telephone Laboratories

16 декабря 1947 года их исследования завершились успешным полупроводниковым усилителем. Бардин и Браттейн приложили два близко расположенных золотых контакта, удерживаемых пластиковым клином, на поверхность небольшой пластины из высокочистого германия.23 декабря они продемонстрировали свое устройство сотрудникам лаборатории, а в июне 1948 года Bell Labs публично анонсировала революционное твердотельное устройство, которое они назвали «транзистором».

В начале того же года, исследуя явление, которое он назвал «интерференцией», немецкий физик Герберт Матаре и его коллега Генрих Велкер независимо друг от друга изготовили усилитель на основе германия с двумя точечными контактами, касающимися его поверхности, в лаборатории Westinghouse в Париже, Франция. Когда они узнали об объявлении Bell Labs, Матаре и Велкер подали заявку на получение патента на собственное устройство, которое они назвали «транзистроном».”

Улучшение транзистора

Понимая, что структура точечного контакта имеет серьезные ограничения и подстрекаемая профессиональной завистью, поскольку он возмущался тем, что не участвует в ее открытии, Шокли работал в одиночку, чтобы создать более надежное и воспроизводимое устройство. Представленный в 1952 году биполярный транзистор Шокли, который был изготовлен из цельного куска полупроводникового материала без точечных контактов, доминировал в отрасли в течение следующих 30 лет. Все три ученых Bell Labs получили Нобелевскую премию по физике 1956 года за свой вклад.

В течение следующего десятилетия было разработано множество различных производственных методов для производства более быстрых, дешевых и надежных транзисторов. Важным достижением в 1954 году стал кремниевый транзистор, впервые разработанный Моррисом Таненбаумом из Bell Labs, а вскоре после этого — группа под руководством химика Уиллиса Адкока из недавно появившейся компании Texas Instruments. К концу 1950-х годов кремний стал предпочтительным материалом в отрасли, а компания TI — доминирующим поставщиком полупроводников.

Команда разработчиков кремниевых транзисторов Texas Instruments 1954 года: W.Адкок, М. Джонс, Э. Джексон и Дж. Торнхилл, любезно предоставлено Texas Instruments, Inc.

Основатели Fairchild Semiconductor, стартапа в Силиконовой долине в Калифорнии, основали свою компанию с целью создания еще более совершенного кремниевого транзистора. Их повседневные проблемы при разработке новой технологии подробно описаны в нескольких патентных тетрадях Fairchild из собрания музея, особенно в тех, которые написаны Гордоном Муром и Шелдоном Робертсом. Совпадение с началом «космической гонки», их внедрение в 1958 году кремниевого меза-транзистора с двойным рассеиванием имело большой коммерческий успех.Проблемы надежности, которые угрожали будущему компании, были решены с помощью революционного планарного процесса швейцарского физика Жана Орни. Планарный метод Хорни не только преобразовал производство транзисторов из полуручного производства в крупносерийное автоматизированное производство. Это также позволило разработать современные интегральные схемы (ИС).

МОП-транзистор

Мартин М. Аталла (1924 — 2009), любезно предоставлено семьей Аталла

Идеи Лилиенфельда и Хейла и неудачные ранние эксперименты Шокли наконец принесли плоды в 1959 году, когда, работая на египетского инженера Мартина М.(Джон) Аталла об исследовании поверхностей полупроводников в Bell Labs, корейский инженер-электрик Давон Канг построил первый успешный полевой транзистор (FET), состоящий из слоев металла (M — затвор), оксида (O — изоляция), и кремний (S — полупроводник). MOSFET, обычно сокращаемый до MOS, обещал значительно меньший, более дешевый и менее мощный транзистор.

Давон Кан (1931 — 1992), предоставлено NEC Corporation

Fairchild и RCA представили коммерческие МОП-транзисторы в 1964 году.Но за десятилетие, которое потребовалось, чтобы решить первые производственные проблемы с процессом MOS, отдельные транзисторы в компьютерных системах в значительной степени были заменены на ИС. В долгосрочной перспективе МОП-транзисторы оказались наиболее практичным подходом к созданию ИС высокой плотности, таких как микропроцессоры и запоминающие устройства. Почти 100% из миллиардов транзисторов, производимых каждый день, являются МОП-устройствами.

Как и большинство технологических разработок, создание современного транзистора следовало бэконовскому образцу постепенного выхода из «растущего запаса знаний», созданного действительно международным коллективом инженеров и ученых, а не в результате одиноких усилий одного героического «изобретателя». .”

Дополнительный контент

Уильям Шокли и изобретение транзистора

Уильям Брэдфорд Шокли (1910-1989) — вместе с Джоном Бардином (1908-1991) и Уолтером Браттейном (1902-1987) — был отцом транзистора, изобретения, которое, вероятно, является величайшей бесшумной революцией двадцатого века, которая в 2017 году исполняется 70 лет. Работа подавляющего большинства оборудования, которое мы используем ежедневно (включая телевизоры, мобильные телефоны и компьютеры), основана на свойствах транзисторов, из которых они построены.Часто говорят, что транзистор для двадцатого века олицетворяет то, что паровая машина значила для девятнадцатого века.

Шокли родился в Лондоне в 1910 году и был родом из США. У него было не очень счастливое детство, в значительной степени мотивированное плохими отношениями между его родителями, которые были нестабильными людьми, неспособными к социальному взаимодействию со своим окружением. Они передали это своему сыну, и это сформировало его угрюмый и нелюдимый нрав.После того, как его родители вернулись в Соединенные Штаты, он поступил в Калифорнийский технологический институт (Caltech) в 1928 году, где изучал физику, получив высшее образование в 1932 году. Впоследствии он защитил докторскую диссертацию в Массачусетском технологическом институте (MIT) и получил звание. доктора в 1936 году. В том же году он начал работать в Bell Telephone Laboratories в Нью-Йорке, принадлежащем AT&T., американскому телекоммуникационному гиганту.

В 1945 году директор лаборатории Мервин Дж. Келли поручил Шокли руководить группой по исследованию полупроводников с идеей разработки усилителя на основе этих материалов.A.T.&T очень интересовалась созданием усилителя на полупроводниках, так как у них были серьезные проблемы с дальней связью. В телефонном разговоре голос становится электрическим сигналом, сигналом, который затем проходит по медным проводам. Если сигнал проходит несколько километров, он беспрепятственно достигает приемного устройства; но в США связь между берегами должна проходить на расстоянии от 6000 до 8000 км; электрический сигнал теряет интенсивность, и на определенном расстоянии он должен быть снова увеличен; операция, которая называется усилением, а устройство, которое это делает, называется усилителем.Достаточно иметь на всей линии достаточное количество усилителей, чтобы сделать ее желаемой длины. В те годы усилением были вакуумные клапаны, хрупкие устройства, которые потребляли много энергии и выделяли много тепла. Келли пришел к выводу, что им необходимо иметь более надежное усилительное устройство для эффективной связи на таком большом расстоянии, и предположил, что отклик следует искать в полупроводниках, свойства которых они начали выяснять в то время.

Гонка на транзисторе

В течение 1946 года и в начале 1947 года результаты, полученные группой под руководством Шокли, были отнюдь не обнадеживающими, но с весны 1947 года два самых блестящих члена группы, Джон Бардин и Уолтер Браттейн, работали над поиском решений. проблема без Шокли, поскольку, несмотря на то, что он был лидером группы, он проводил большую часть своего времени дома, развивая свои собственные идеи. Летом и осенью того же года Бардин и Браттейн лихорадочно работали без участия Шокли.16 декабря 1947 года они наконец смогли управлять усилителем на транзисторе, сделанном из германия, а 23-го, за день до Рождества, они показали свои результаты директорам лаборатории. В начале января 1948 года они подали патент (2 524 035 долларов США) на производство первого в истории точечного транзистора, изобретателем которого не был Шокли.

Когда Шокли узнал об успехе, достигнутом Бардином и Браттейном в его отсутствие, он пришел в ярость, так как его раздражало то, что он не участвовал в открытии.Анализируя разработанное ими устройство, Шокли почувствовал, что его будет трудно производить в больших количествах с достаточной надежностью, поскольку оно было физически слабым. Шокли снова заперся в своем доме, он придумал транзистор, который отличался от транзистора с точечным контактом, назвал переходный транзистор и подал еще один патент (2 569 347 долларов США) 23 января следующего года (1948), через девять дней после дата, когда Бардин и Браттейн представили свои.

Одна из официальных фотографий, на которой Bell Labs объявила об изобретении транзистора: Бардин (слева), Шокли (в центре) и Браттейн (справа).Хотя кажется, что между этими тремя царит гармония, это было ничем иным, как далеко от истины / Изображение: стиль MLA: «Уильям Б. Шокли — Фотогалерея». Nobelprize.org. Nobel Media AB 2014.

Эта неприятная ситуация поставила директоров Bell Labs перед дилеммой. С одной стороны, Бардин и Браттейн построили первый транзистор самостоятельно, без участия Шокли. С другой стороны, Шокли был руководителем группы, и было неуместно не упоминать его имя, тем более что несколько дней спустя он смог придумать устройство даже лучше оригинала.Поэтому директора лаборатории решили, что на любой фотографии изобретателей транзистора должен быть изображен Шокли, который также будет выступать в качестве официального представителя; Бардин и Браттейн, которые уже испытывали сильную неприязнь к Шокли, неохотно приняли это решение, в то время как Шокли согласился с этим решением. Научный и особенно личный конфликт между Шокли, с одной стороны, и Бардином и Браттейном, с другой, в конечном итоге привел к роспуску группы.

В 1955 году Шокли покинул Bell Labs и основал Shockley Semiconductors, первую полупроводниковую фабрику в Кремниевой долине, но это была неудача из-за того, что для его сотрудников было невозможно общаться с ним.В 1956 году он получил известие о присуждении Нобелевской премии по физике вместе со своими бывшими подчиненными в Bell Labs, Бардином и Браттейном.

Шокли (сидит первый справа) празднует получение Нобелевской премии вместе с некоторыми сотрудниками своей компании / Изображение: Ник Райт

После того, как его компания рухнула, Шокли посвятил себя академическому миру и в 1963 году Стэнфордский университет назначил его профессором кафедры. Engineering, и он оставался в этом учреждении до выхода на пенсию в 1975 году.Он умер в 1989 году в возрасте 79 лет. Его дети и немногочисленные друзья узнали об этом из прессы.

Игнасио Мартиль.

Профессор электроники в Университете Комплутенсе, Мадрид и член Королевского физического общества Испании

История и изобретение транзисторов

»Электроника

Когда в 1947 году был изобретен первый транзистор, это ознаменовало собой огромный шаг вперед в развитии электронных технологий, поскольку он позволил полупроводниковой технологии заменить термоэлектронные лампы / вакуумные лампы.


История транзисторов Включает:
История транзисторов
Первый кремниевый транзистор
Изобретение фототранзистора
Изобретение полевого транзистора

Подробнее История полупроводников
История развития полупроводниковой технологии
Изобретение диода с PN переходом
Изобретение интегральной схемы


Незадолго до Рождества, 23 декабря 1947 года, команда Шокли, Бардина и Браттейна продемонстрировала свое новое изобретение точечного транзистора высшему руководству Bell Laboratories в США.

Никто не мог представить себе, какое серьезное влияние изобретение транзистора окажет на электронную промышленность и, фактически, на весь мир. Прошла всего неделя с тех пор, как команде впервые удалось заставить устройство работать. Таким образом, датой изобретения транзистора можно считать 16 декабря 1947 года.

Изобретение первого транзистора было историей решимости, несмотря на ряд неудач; история упорства и конечного успеха.

Это также напоминание о том, что хотя имена Шокли, Бардин и Браттейн связаны с изобретением транзистора, было много людей, которые их поддержали, и многие другие заложили основы для изобретения точечного транзистора. .

Старый транзистор OC71 — один из первых типов транзисторов, произведенных в Великобритании

История транзисторов

Было много основ, которые необходимо было заложить до изобретения транзистора.

Люди были знакомы с омическими проводниками в течение многих лет и понимали, как работают базовые резисторы, но был класс материалов, называемых полупроводниками, который немного отличался. Даже в девятнадцатом веке было замечено, что эти полупроводники имели отрицательный коэффициент удельного сопротивления, они были способны выпрямлять электрические токи и проявляли фотоэлектрический эффект.

Одно из первых применений полупроводников заключалось в создании беспроводных устройств, в которых использовались детекторы из кошачьего уса или кристаллы.

Позже, во время Второй мировой войны, было заложено еще несколько оснований, поскольку выпрямители из оксида меди и селена стали использоваться для выпрямления переменного тока.

Также работает над точечными контактными диодами, позволяющими обнаруживать или демодулировать микроволновые сигналы для радарных наборов, которые использовали все более высокие частоты.

Еще одним основанием для изобретения транзистора в 1920-х и 1930-х годах были теоретические работы по субмолекулярной физике. Хотя изначально это было направлено на термоэлектронные устройства, т.е.е. вакуумные лампы или клапаны, это оказало огромное влияние на понимание полупроводников.

Первые открытия и патенты, связанные с транзисторами

Первый зарегистрированный патент на работу над транзистором был подан австрийско-венгерским физиком по имени Юлиус Лилиенфельд 22 октября 1925 года в Канаде. Но, поскольку он не делал никаких исследовательских публикаций об изобретении транзистора, промышленность проигнорировала его работу. Однако его работа определила то, что мы теперь называем полевым транзистором, и именно это и стремилась сделать команда, которая в конечном итоге начала работу над транзистором.

Позже, в 1934 году, немецкий физик Оскар Хейл подал патент на устройство, управляющее током в цепи с помощью электрического поля — фактически полевой транзистор. Хотя это и не биполярное устройство, это было то, что первая команда Bell начала исследовать. Что касается Хайля, он не представил никаких реальных результатов, а его идеи были чисто теоретическими, и в результате его работа не была отмечена в научном сообществе.

Работа транзистора начинается с Bell

Когда военные действия начали подходить к концу, Bell Laboratories поняла, что есть большие возможности для полупроводниковой технологии.Весной 1945 года было созвано большое собрание, на котором обсуждались будущие исследования в области этих технологий — это был поворотный момент в истории транзисторов. Позже в том же году было получено разрешение на исследования, направленные на поиск «новых знаний, которые можно было бы использовать при разработке совершенно новых и улучшенных компонентов».

В результате была создана группа по физике твердого тела под руководством Уильяма Шокли и Стэнли Моргана. Шокли также возглавил подгруппу полупроводников, в которую должны были войти Браттейн и Бардин, чтобы составить трио, изобравшее транзистор.

Трио транзисторов

Тремя главными героями, участвовавшими в истории транзисторов, были:

  • Уильям Шокли:
    Записка об Уильяме Шокли:

    Он родился в Лондоне в 1910 году в семье американских родителей, но через три года они вернулись в США, поселившись недалеко от Сан-Франциско. Он получил свою первую степень в Калифорнийском технологическом институте, после чего перешел в Массачусетский технологический институт, чтобы получить докторскую степень.Д. в 1936 году. После окончания университета он перешел в Bell Labs, где возглавил команду, которая изобрела первый транзистор. В своей жизни он продолжал изобретать другие устройства и основал свою собственную компанию.

    Подробнее о Уильям Шокли.

  • Уолтер Браттейн:
    Записка об Уолтере Браттейне:

    Он родился в Китае, переехал в штат Вашингтон, когда его родители вернулись домой. Он получил свою первую степень в Колледже Уитмана в штате Вашингтон, а затем переехал в Университет Миннесоты, чтобы получить докторскую степень.D. После университета Браттейн сначала работал в Национальном бюро стандартов, а затем перешел в Bell Labs, где он был одним из тех древних людей, которым приписывают изобретение первого транзистора.

    Подробнее о Вальтер Браттейн.

  • Джон Бардин:
    Записка о Джоне Бардине:

    Он родился в Висконсине в мае 1908 года, получил первую степень в Университете Висконсина, затем переехал в Принстон для получения докторской степени.D. После нескольких преподавательских должностей он присоединился к группе физики твердого тела в Bell Laboratories осенью 1945 года, где он был одним из тех троих, кто изобрел первый транзистор. Он был удостоен двух Нобелевских премий за свою жизнь, одну за работу над транзистором, другую за работу над сверхпроводниками.

    Подробнее о Георг Ом.

После того, как подготовительная работа сделана и команда собрана, история транзистора переходит к настоящему изобретению транзистора.

Потребовалось много лет, чтобы наладить всю подготовительную работу и сформировать команду, прежде чем можно было сделать настоящее изобретение транзистора или открытие транзистора.

Команда, которая изобрела транзистор, хорошо работала вместе и, несмотря на некоторые первоначальные неудачи, добилась быстрого прогресса.

Среда, созданная Bell Labs, работала хорошо, и это обеспечило подходящую атмосферу для изобретения транзистора.

Первые попытки изобретения транзистора

Группа полупроводников начала работу над одной из идей Шокли.Он пришел к выводу, что возможно разработать полупроводниковый триод. Он предусмотрел структуру слоев кремния p- и n-типа. Основной ток будет проходить в одном из слоев, и проводимость этого слоя будет контролироваться внешним полем. Это изменило бы количество носителей заряда (дырок или электронов), доступных для переноса тока. По сути, это была идея полевого транзистора, который сегодня широко используется.

Чтобы создать структуру, чтобы опробовать эту идею, Шокли использовал несколько тонких пленок кремния, полученных методом осаждения.Сам по себе это был новый процесс, который только что был разработан другим сотрудником Bell по имени Тил.

Используя новую структуру, Шокли ожидал, что произойдет значительное изменение проводимости при изменении управляющего поля. К его большому разочарованию эффекта не наблюдалось. Расчеты и теории были проверены и перепроверены другими членами группы, и не было найдено никаких причин для их неудачи.

Проблема была решена только в марте 1946 года.Бардин рассуждал, что поверхность полупроводника захватывает электроны, которые экранируют основной канал от воздействия внешнего поля. Позже Шокли сказал, что это открытие было одним из самых значительных достижений во всей полупроводниковой программе.

Изменение направления

Якобы избитая захваченными электронами группа изменила направление. Они обратили свое внимание на исследования перевернутых смещенных PN-переходов в попытке разработать новый тип грозового разрядника.Исследования вращались вокруг трехслойных структур с одним прямым и одним обратным смещенным переходом, и работа над этим продолжалась на протяжении большей части 1947 года.

Это было ближе к концу того года, когда группа начала развиваться. В ноябре новому рекруту в команду пришла в голову важная идея. Возвращаясь к своей более ранней работе по устройствам с полевым эффектом, он предположил, что если электролит будет помещен между управляющей пластиной и каналом проводимости, то эффект экранирования захваченных электронов может быть преодолен.Был поставлен новый эксперимент, и он увенчался успехом, хотя и в некоторой степени. После определенного успеха команда нашла новый уровень мотивации. В последующие дни обсуждалось множество идей относительно возможных усилительных устройств.

Изобретение транзистора

В начале декабря Бардин и Браттейн начали экспериментировать с двумя близко расположенными точечными контактными переходами в качестве новой идеи для изобретения транзистора. Они обнаружили, что при прямом смещении одного и обратном смещении другого было замечено небольшое усиление.

Вскоре команда приступила к дальнейшим экспериментам, основанным на этой идее, но сначала они не смогли должным образом использовать эффект транзистора. В одном эксперименте вокруг образца даже был помещен электролит, но с каждым новым тестом они приближались к открытию полного транзисторного эффекта.

В конце концов они решили, что необходимо разместить два диодных перехода на расстоянии примерно 0,05 мм друг от друга. Первоначально идея казалась невозможной, поскольку было невозможно разместить два точечных контакта так близко друг к другу.

Однако решение было достигнуто на удивление легко. Слой золота был нанесен на небольшой клин из плексигласа. Затем лезвием бритвы было проделано очень тонкое отверстие в золоте прямо на острие клина. Затем клин помещался на слой германия под действием небольшой пружины. Коллектор и эмиттер были образованы двумя золотыми контактами, а слой германия был базовым контактом.

Идея была опробована 16 декабря 1947 года, и, к их удивлению, она сработала впервые.Был изготовлен первый транзистор с точечным контактом и изобретен первый транзистор.

Схема установки первого транзистора

Ровно через неделю Шокли, Бардин и Браттейн обнаружили, что демонстрируют новое изобретение транзистора сотрудникам лаборатории и высшему руководству компании Bell. Шокли назвал это «великолепным рождественским подарком».

Изобретение транзистора возвестило начало эры транзисторов. Однако потребовалось еще много разработок, прежде чем эти устройства могли стать повседневной реальностью.

Официальное сообщение об изобретении транзистора

Хотя изобретение транзистора вызвало большой ажиотаж, только 30 июня 1948 года Bell Labs публично анонсировала новое устройство, которое Джон Пирс назвал транзистором.

Название «транзистор» произошло из-за комбинации слов «крутизна» или «передача» и «варистор». Элемент варистора слова был использован, потому что устройство логически принадлежит к семейству варисторов, и у него есть крутизна или передаточный импеданс устройства, имеющего усиление.

В заявлении Bell Labs говорится, что изобретение транзистора «может иметь далеко идущее значение в электронике и электрической связи».

Устройство также было запатентовано, и что интересно, на нем были названы Бардин и Браттейн, а не Шокли.

Изобретение параллельного транзистора

Как и многие другие изобретения в истории, аналогичные работы проводились и в других частях земного шара, и почти в то же время во Франции был изобретен транзистор с точечным контактом.

Два немецких физика В 1948 году Герберт Матаре и Генрих Велкер принимали активное участие в работе немецких радаров во время Второй мировой войны, работая в лабораториях Telefunken. Матаре работал в основном в Берлине, а Велкер — в Мюнхене.

В рамках этой работы Матаре исследовал кристаллические выпрямители, сделанные как из германия, так и из кремния, а Велкер работал над методами очистки германия.

После окончания войны оба работали в дочерней компании Westinghouse под названием Compagnie des Freins et Signaux.Их целью была разработка и производство твердотельных выпрямителей.

В 1947 году, когда работа продвигалась в США, Матаре исследовал феномен, при котором два очень близко расположенных точечных контакта могли мешать или влиять друг на друга — то, что он наблюдал во время войны.

В начале 1948 г. Матаре смог добиться результатов, в которых время от времени наблюдалось некоторое усиление. К середине 1948 года работа Велкера по производству кристаллов с гораздо более высоким уровнем чистоты позволила добиться гораздо лучших результатов.чтобы получить.

Сразу после того, как им удалось завершить свою работу и получить надежную работу этих новых устройств, они узнали об изобретении транзистора в Bell Labs в США.

Ввиду этих новостей из США изобретенный во Франции «транзистор» был срочно запущен в производство и назван «транзистор». Производство этих устройств вскоре было расширено, и они широко использовались во французской телефонной системе.

После того, как первые транзисторы были продемонстрированы и анонсированы, именно устройство Bell Laboratories стало фактически первым транзистором, но, глядя на производительность обоих устройств, было очевидно, что требуется гораздо больше работы, чтобы транзисторная технология стала основной. устройство для электронной промышленности.

Изобретение первого транзистора было только первым шагом на пути к полупроводниковой технологии, которой все мы пользуемся сегодня.

Ключевые факты об изобретении транзистора
Атрибут Детали
Дата изобретения транзистора 16 декабря 1947 г.