Транзисторная история. Часть 2.

[Радиоэлектроник]

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 р-п-переходах.



Рис. 18. Курт Леховец

Следует отметить, что е 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 XX 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 е 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 р-п-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