транзистор-нашевсе / Транзистор – наше все. К истории великого открытия

ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 2/2008

118

вестные недостатки, – реле смотрится совсем уж дино-

завром. Альтернатива виделась в категорическом отказе

от вакуума, т.е. в твердотельном электронном приборе.

Металлы и изоляторы сразу же отпали – в одних элек-

тронов слишком много, в других слишком мало. Подхо-

дящими виделись лишь полупроводники, тем более что

полупроводниковые диоды-выпрямители уже были хоро-

шо известны.

Рис.1. "Полупроводникоая лампа", предложенная У.Шокли

Сказано – сделано. Концепция "полупроводниковой

лампы" появилась в рабочем журнале Уильяма Шокли, на-

диолокации, СВЧ-электроники удачно сочетались с массо-

учного сотрудника Bell Labs, 29 декабря 1939 года (рис.1).

вым притоком специалистов-беженцев из Европы, а также

Казалось, что, подавая на "сетку" напряжения разной по-

с тем, что страна не подверглась разрушениям. Поэтому в

лярности, можно вытеснять электроны из полупроводника

первые послевоенные годы именно в США началась раз-

или втягивать их в него и тем самым изменять его сопро-

работка ряда масштабных проектов, в частности проекта

тивление и ток "катод–анод". Однако тогдашний "главный"

глобальной связи, выдвинутого фирмой Bell Labs.

полупроводник – закись меди – был настолько "грязен",

Необходимость транзистора теперь уже не просто "ви-

невоспроизводим и необъясним, что даже начать осмыс-

тала в воздухе", кроме связной аппаратуры "заявки" на

ленные эксперименты не удалось. А тут грянула Вторая

него поступили от зарождающейся вычислительной тех-

мировая война, и Шокли до конца 1945 года пришлось

ники, средств радиовзрывателей, систем наведения ра-

заниматься задачами флота и авиации, далекими от по-

кет. В одночасье еще не созданный транзистор стал ну-

лупроводников.

жен всем. Но каких-либо реальных проектов на горизон-

Война, как ни парадоксально это кажется на пер-

те не виделось. Поэтому созданная в начале 1946 года

вый взгляд, всегда ускоряет научно-технический про-

на фирме Bell Labs исследовательская группа, нацелен-

гресс. Гибнут массы людей, в том числе и ученых, раз-

ная на создание полупроводникового усилителя, оказа-

рушается промышленный и научно-технический потенци-

лась в чистом поле, одна. Казалось бы, в подобной ситу-

ал, для многих обрывается высшее образование, закры-

ации работа могла разворачиваться по-академически не-

ваются перспективные исследования – всеобщее бедс-

спешно, с сытными корпоративными уик-эндами. Да по-

твие и горе. Но Клио – девушка малосентиментальная,

лучилось-то совсем не так…

скорее циничная. Ей интересны не жертвы, а "сухой оста-

В порядке отступления вспомним, как 15 лет спустя,

ток". Война порождает мощнейший всплеск энергии, ини-

в 1962 году, раскручивался полупроводниковый лазерный

циативы, изобретательности. Вторая мировая стала пер-

проект, когда в гонке за приоритетом поначалу счет шел

вой войной, в которой наука напрямую дополнила тради-

на месяцы, потом на недели, наконец, на дни. Но это

ционное оружие. Для США успехи атомного проекта, ра-

объяснимо – в лазерном дерби сразу три американские

119

ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 2/2008

ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 2/2008

120

года – американцы вообще любят красиво "конструиро-

вил группу (рис.3), читал ей лекции по квантовой теории

вать историю", так почему бы и теперь не ассоциировать

полупроводников, упрямо вел к цели. Но не участвовал в

рождение транзистора с рождением самого знаменитого

итоговом аккорде и теперь оказался на вторых ролях. Что

младенца. Успех отметили шампанским и разошлись, что-

это означало для амбициозного индивидуалиста, читате-

бы после каникул начать интенсивную подготовку к пуб-

лю иной ментальности невозможно вообразить! К "счас-

личной презентации. Она состоялась лишь через полго-

тью" – для Шокли – точечный транзистор был явно не-

да 30 июня 1948 года. Поэтому именно 1948 год счита-

жизнеспособен, его надо было не усовершенствовать, а

ют годом открытия транзисторного эффекта. (Формаль-

отбросить, и на том же принципе создать что-то совсем

но это оправдано еще и тем, что приоритет транзистор-

иное. Шокли это понял сразу и был готов к новому как

ного патента датирован 17.06.48, остальное – предысто-

никто другой – не зря он разрабатывал теорию р-n-пере-

рия.) Событие удостоилось двух абзацев в разделе "Но-

хода. Надо было лишь забыть о своей же идее "эффекта

вости радио" на 46 странице газеты "Нью-Йорк Таймс".

поля" (конечно же, только на время, Шокли от своих идей

Новая эра электроники началась без аплодисментов (ме-

не отрекался) и переключиться на транзисторный эффект.

муаристы, утверждающие, что она "привлекла всеобщее

Его творческая энергия сфокусировалась в одну точку,

внимание" чаще всего "видят" события из будущего – так

рождественские каникулы стали его "страстной неделей",

должно было быть, значит, так и было). Тому были при-

и ночью 31 декабря 1947 года ему как бы приснился тран-

чины. Действительно, так ли уж мог всколыхнуть обще-

зистор с р-n-переходами, будущий биполярный плоскост-

ственность прибор, который "в некоторых случаях может

ной транзистор (видимо, так бывает, когда сон и явь ста-

использоваться вместо электронной лампы" (строки из

новятся неразличимы, вспомним Менделеева, которому

репортажа газеты). Пентагон разрешил открытую презен-

"приснилась" Периодическая система элементов). Окон-

тацию – военным прибор неинтересен. Значит, они уви-

чательная концепция сформировалась к 23 января 1948

дели в нем какую-то червоточину? Да и сама фирма Bell

года, дата патентного приоритета – 26.06.48, эксперимен-

Labs не очень потратилась на рекламу. Реально продавать

тальное подтверждение состоялось в апреле 1949 года, а

пока было нечего, представленный прибор не имел зна-

в 1950–51 годы началось изготовление сплавных герма-

чительной коммерческой перспективы. (Правда, кто-то из

ниевых транзисторов. Вот теперь преимущества транзис-

журналистов тогда же возвестил: "в электронике появи-

тора перед радиолампой – твердотельность, сверхмини-

лась атомная бомба, величиной с горошину" – фантасты

атюрность, неограниченная долговечность – стали явью,

и журналисты частенько оказываются лучшими провидца-

а что еще не реализовалось, вполне логично домыслива-

ми, чем специалисты.)

лось. Стало ясно, что транзистор интересен не только и

Недостатки первого варианта транзистора, названно-

не столько тем, что может заменить радиолампу, сколько

го точечно-контактным, или просто точечным, оказались

тем, что может дать то, на что радиолампа в принципе не-

слишком существенными и принципиально неустрани-

способна. В 1952 году впервые была высказана идея ин-

мыми: громоздкость, невоспроизводимость параметров,

тегральной схемы – транзистор Шокли позволял об этом

оперирование лишь со слабыми сигналами, низкая устой-

думать вполне реально.

чивость к механическим воздействиям. Уникальность эф-

Дальнейшие события

развивались преимущественно

фекта и убогость его приборной реализации могли по-

в технико-технологической

и производственной сферах.

родить полное разочарование в транзисторе, но к счас-

Во время Корейской войны (1950–1953 годы) плоскостные

тью, почти тогда же выяснилось, что презентация была не

транзисторы прошли боевое крещение, теперь генералов

финишем транзисторного проекта, а стартом его самого

главного этапа. Начиналась совсем другая игра…

Уильям Шокли

День декабрьской презентации 1947 года выдался дожд-

ливым, но пасмурное небо не помешало всеобщему ли-

кованию собравшихся. Хмурым оставался лишь один че-

ловек – руководитель транзисторной группы Уильям Шок-

ли, не скрывавший своего разочарования. Джек-пот про-

летел мимо – транзисторный патент оформлялся на Уол-

тера Браттейна и Джона Бардина, "административный ре-

сурс" руководителя в Америке не принимают во внима-

ние. Шокли первый загорелся идеей транзистора, возгла-

121

ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 2/2008

и с т о р и я э л е к т р о н и к и

смущала только их низкая рабочая температура. Поэто-

та". Браттейн показал себя подлинным патриотом и ве-

му с середины 50-х годов прошлого столетия вместо гер-

тераном фирмы Bell Labs, проработав на ней до ухода на

мания стали использовать кремний. Рабочая температура

пенсию в 66 лет и занимаясь исследованием поверхнос-

транзисторов поднялась до 125–150°С, а кроме того крем-

тных свойств германия и кремния. Он побывал в Моск-

ниевые транзисторы оказались значительно стабильнее и

ве, в ФИАНе прочел лекцию все о тех же поверхностных

надежнее германиевых. В 1958–1959 годы была разрабо-

свойствах полупроводников, его вежливо выслушали, но

тана особая технология изготовления кремниевых прибо-

не более того. Бардин тоже показал себя патриотом, но

ров, объединившая в единый процесс такие высокопро-

не какого-либо учреждения, а единственно – патриотом

изводительные операции обработки пластин, как диффу-

теории твердого тела. В 1951 году он перешел в Илли-

зия примесей, фотолитография, эпитаксиальное выращи-

нойский университет, где стал одним из соавторов тео-

вание, напыление тонких пленок металлов и др. Все эти

рии сверхпроводимости (теория Бардина–Купера–Шиф-

операции велись лишь в одной плоскости пластины, так

фера, или БКШ-теория), которая в 1972 году была отме-

сказать в плане, поэтому разработанный многостадийный

чена Нобелевской премией. Бардин – единственный че-

процесс назвали планарной технологией. Односторонняя,

ловек, дважды удостоенный Нобелевской премии по фи-

планарная структура транзисторов стала решающим фак-

зике. Говорят, что в то утро, когда он узнал о своем вто-

тором, позволившим автоматизировать сборку.

ром "Нобеле", Бардин долго не мог открыть закапризни-

В порядке отступления заметим, что планарная техно-

чавший транзисторный замок гаража – так напомнило

логия оказалась достаточно универсальной и нашла ши-

о себе ревнивое прошлое, поздравляя с новым успехом

рочайшее применение в самых различных областях твер-

и коря за расставание с полупроводниками.

дотельной электроники. Это наивысшее технологическое

Историк Г.Хафф обратил внимание на патент Барди-

достижение вообще, прообраз технологий будущего, она

на (без соавторов) от 23.11.1947 года, в котором заявле-

обрела самостоятельную значимость, сопоставимую со

на структура, напоминающая МДП-транзистор. Посколь-

значимостью транзистора. (Для междисциплинарных со-

ку именно МДП-транзисторы стали основой микроэлект-

поставлений полезно ввести понятие "предельной техно-

роники и с учетом того, что Бардин также автор первого

логии", обеспечивающей изготовление изделий опреде-

транзисторного патента, Хафф провозгласил Дж.Бардина

ленного класса во всем необходимом диапазоне изме-

"отцом современной электроники". Вероятнее всего, эту

нения их конструкционных параметров при минимизации

пафосность сам Бардин вряд ли бы признал строго кор-

экологического вреда. Планарная технология – это почти

ректной, но то, что он был "великим физиком современ-

идеальное приближение к предельной технологии твердо-

ности" (Ж.Алферов), несомненно.

тельной электроники.)

Ключевая фигура всего транзисторного проекта – Уиль-

На основе планарной технологии в 1959 году были

ям Брэдфорд Шокли. Навсегда остались в электронике его

созданы интегральные схемы, и в дальнейшем транзис-

плоскостные транзисторы, как биполярные, так и полевые,

тор стал "приходить" к пользователю преимущественно

в 1949–1950 годы вышел в свет ряд его статей по теории

как элемент таких схем, отчего его значимость не толь-

приборов с р-n-переходами и фундаментальная моногра-

ко не уменьшилась, но напротив – еще более возросла.

фия "Электроны и дырки в полупроводниках" – все это ста-

В 1960 году был создан полевой транзистор со струк-

ло классикой, образовало каркас новой электроники. При-

турой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-транзис-

шло время изобретать новые типы транзисторов, изготавли-

тор), ставший основой сверхбольших интегральных схем.

вать их, передавать в промышленность. В 1955 году Шокли

Но общие принципы и понятия полупроводниковой элек-

оставил Bell Labs, перебрался в Калифорнию и организовал

троники, разработанные в 1947–1949 годы, – транзистор-

собственную фирму в наспех переоборудованном сарае для

ный эффект, р-n-переход, эффект поля, транспорт элек-

хранения абрикосов. Но помощники – преимущественно его

тронов и дырок – неизменно сохраняются и работают

прежние аспиранты – не захотели заниматься "транзистор-

в микросхемах всех последующих поколений. Более того,

ной рутиной" и вскоре оставили учителя. "Предатели" – про-

эти принципы стали основой при изобретении и созда-

гремело вслед восьмерке отступников. Шокли продержался

нии подавляющего числа других приборов полупроводни-

в "бизнесе" еще несколько лет и возвратился "на круги своя"

ковой электроники, таких как разнообразные диоды, ти-

– профессором в Стэнфордский университет. (А "отступни-

ристоры, приборы с зарядовой связью, светодиоды, на-

ки" угадали: через два года разработали планарную техно-

конец, гетеролазеры.

логию, позднее основали знаменитую компанию Intel и ста-

В 1956 году Уильям Шокли, Джон Бардин, Уолтер

ли лидерами в микроэлектронике.)

Браттейн получили Нобелевскую премию "за исследова-

В 1960 году А.Ф.Трутко (будущий директор НИИ "Пуль-

ние полупроводников и открытие транзисторного эффек-

сар") стажировался в Стэнфорде и после одной из лекций

ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 2/2008

122

123

ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 2/2008