Журнал «Компьютерра» №45 от 01 декабря 2005 года - Журнал Компьютерра - Страница 31

ИСТОРИЯ: Транзистор - дитя многих родителей

Трехэлектродный полупроводниковый усилитель электрических сигналов, ныне известный всему миру как транзистор, справедливо считают одним из величайших достижений научно-технической мысли двадцатого столетия. Оно было отмечено Нобелевской премией по физике, которую в 1956 г. получили Джон Бардин (John Bardeen), Уолтер Браттейн (Walter Brattain) и Уильям Шокли (William Shockley). Практически все источники связывают создание транзистора с именами этих и только этих американских ученых.

Однако на самом деле все гораздо запутаннее и интереснее. У американской тройки в разных странах были предшественники, наблюдавшие твердотельное усиление электрического тока и конструировавшие приборы, основанные на этом эффекте. Имелись также и современники-европейцы, которые не только независимо изобрели транзистор, но и организовали его промышленный выпуск. Давайте перелистаем страницы этой полузабытой летописи.

Каноническая версия истории изобретения транзистора выглядит так. В 1925 г. гигантская корпорация American Telephone amp; Telegraph открыла научный и опытно-конструкторский центр Bell Laboratories. Во второй половине тридцатых годов его директор Мервин Келли (Mervin Kelly) задумал серию исследований, направленных на замену ламповых усилителей полупроводниковыми. Эту работу возглавил Джозеф Бекер (Joseph Becker), который привлек к ней Шокли и Браттейна (первый был теоретиком, а второй - блестящим экспериментатором). Однако все попытки построить твердотельный усилитель ни к чему не привели и после Пирл-Харбора были положены в долгий ящик. В военные годы Браттейн принимал участие в разработке сонаров, а Шокли занимался противолодочным вооружением и планированием рейдов стратегической авиации. В 1945 г. оба возвратились в Белловские лаборатории. В это время Келли решил создать под руководством Шокли сильную команду из физиков, химиков и инженеров для работы над твердотельными приборами. В нее вошли Браттейн и физик-теоретик Джон Бардин, который в военные годы тоже занимался оборонными исследованиями.

К тому времени было хорошо известно, что электрическое поле может влиять на проводимость полупроводников. Шокли придумал (не исключено, что не вполне самостоятельно) схему полупроводникового усилителя, основанного на этом эффекте. Но поскольку устройство упорно отказывалось действовать, он поручил Бардину и Браттейну довести его до ума, а сам практически устранился от этой темы. Пару лет дело не двигалось, однако в конце 1947 г. ученым наконец-то улыбнулась удача. 16 декабря в лаборатории Браттейна заработал твердотельный усилитель, который и считают первым в мире транзистором. Устроен он был очень просто - металлическая подложка-электрод и лежащая на ней пластинка германия с двумя тончайшими золотыми контактами, отстоящими друг от друга на расстояние не шире волоска. Начальство Белловских лабораторий придержало информацию об этом изобретении и обнародовало ее в специальном пресс-релизе лишь 1 июля 1948 г.

Поначалу сотрудники лаборатории именовали новый прибор германиевым триодом, но для широкой публики требовалось название попроще и покрасивее. Бардин с Браттейном хотели найти слово, заканчивающееся на «тор», по аналогии с резистором и варистором, но не смогли ничего придумать. Тогда Браттейн обратился за помощью к инженеру-электронщику Джону Пирсу (John Pierce), который отлично владел языком и позднее приобрел известность как популяризатор науки и писатель-фантаст. Пирс вспомнил, что одним из параметров вакуумного триода служит крутизна характеристики, по-английски transconductance. Он предложил назвать аналогичный параметр полупроводникового усилителя transresistance, и тут его озарило: transistor!

Транзисторы, изобретенные Бардином и Браттейном, сейчас именуют точечными. В середине января 1948 г. Шокли предложил принципиальную схему более эффективного твердотельного усилителя со слоеной структурой - биполярного транзистора. «В железе» эту идею воплотили сотрудники Белловских лабораторий Гордон Тил (Gordon Teal) и Морган Спаркс (Morgan Sparks), причем лишь в 1950 г. Так что свою часть Нобелевской премии Шокли заработал честно, пусть в создании «самого первого» транзистора он практически не участвовал.

Читателям «Компьютерры» вряд ли нужно рассказывать, как работают твердотельные приборы. Для полноты картины стоит напомнить, что в полупроводниках электрический ток переносят не только электроны проводимости, но и дырки, специфические квазичастицы, которые во внешнем электрическом поле движутся противоположно электронам и, следовательно, ведут себя как объекты с положительным зарядом. В идеальных кристаллах концентрация электронов проводимости строго равна концентрации дырок. Правда, отсюда не следует, что они вносят равный вклад в электропроводность, поскольку их подвижность может оказаться различной (к примеру, у чистого германия основная проводимость - электронная).

В реальных полупроводниках это равенство всегда нарушается из-за дефектов кристаллической решетки и наличия примесных атомов. Примеси донорного типа отдают кристаллу избыточные электроны и этим увеличивают электронную проводимость. Примеси-акцепторы, напротив, захватывают валентные электроны кристалла-хозяина и повышают концентрацию дырок и дырочную проводимость. Прицельное легирование различных участков полупроводника донорными и акцепторными примесями создает области как с электронной, так и, соответственно, с дырочной проводимостью.

Внешние электрические поля и токи могут изменять плотность носителей обоих типов и оказывать влияние на электропроводность полупроводника. Этот эффект объясняет действие транзистора: управляющие электрические импульсы снижают сопротивление кристалла в области прохождения основного тока и потому увеличивают силу этого тока. В частности, собранный Браттейном и Бардином прибор усиливал ток из-за того, что на поверхности германиевой пластинки возникал слой с дырочной проводимостью. В этот слой через управляющий электрод опять-таки закачивались дырки, что и приводило к росту электропроводности кристалла.

Транзистор Браттейна и Бардина - чрезвычайно простое устройство. Его единственным полупроводниковым компонентом был кусочек чистого германия, добыть который не составляло труда. А вот техника легирования полупроводников в конце сороковых годов еще находилась во младенчестве, в Белловских лабораториях владели ею не слишком хорошо, и поэтому изготовление транзистора «по Шокли» заняло столь долгое время. Напрашивается вопрос: неужели до декабря 1947 г. точечный транзистор никогда не выходил из чьих-нибудь рук, хотя бы и случайно?

Оказывается, все так и было. В начале XX века были популярны детекторные приемники, в которых для выпрямления тока использовался полупроводниковый кристалл с прижатой к нему металлической иглой. Порой кое-кто из любопытства «тыкал» в зону контакта вторым электродом и, случалось, наблюдал усиление тока! Историк радиотехники Лоуренс Пиззелла (Lawrence Pizzella) отмечает, что особенно этим делом увлекались корабельные радисты. Есть сведения, что в первой половине тридцатых годов контактные трехэлектродные полупроводниковые усилители изобрели и собрали по крайней мере двое радиолюбителей - канадец Ларри Кайзер (Larry Kayser) и тринадцатилетний новозеландский школьник Роберт Адамс (Robert Adams). Достоверно известно, что несколькими годами позже непрактичный, но все-таки действующий кристаллический усилитель построили немцы Роберт Поль (Robert Pohl), чья книга «Механика, акустика и учение о теплоте» переведена на русский язык, и Рудольф Хилш (Rudolf Hilsch). Подчеркнем, что изобретенный в 1922 г. лаборантом Нижегородской радиолаборатории Олегом Лосевым знаменитый кристадин был двухэлектродным устройством, и потому на роль предшественника контактного транзистора он не годится. Чуть позднее немец Юлиус Лилиенфельд (Julius Lilienfeld) запатентовал полупроводниковый усилитель, который можно считать дедушкой современных полевых транзисторов. Однако построить работающий прибор Лилиенфельд не сумел, ибо не располагал достаточно чистыми образцами полупроводников. В довоенные годы в Германии и Англии было выдано еще несколько аналогичных патентов. Короче говоря, к транзистору, как и в Рим, вело множество дорог.