Кристалл цивилизации

Каждый раз поднося к уху мобильный телефон или открывая крышку ноутбука, человек и не задумывается, что внутри этих устройств спрятаны миллионы транзисторов. Приборов, размеры и стоимость которых сейчас настолько малы, что они кажутся нам незаметными. А ведь появление транзистора можно сравнить с изобретением кирпича, из которого выстроена вся современная цивилизация.

Электрический ток, как известно, имеет напряжение и силу. В 1826 году Георг Ом выяснил, что чем большее сопротивление приходится преодолевать току, тем больше должна быть его сила. Соответственно, на выходе сила тока падает. Но в 1833 году английский физик Майкл Фарадей, нагревая сульфид серебра и пропуская через него ток, увидел, что на выходе сила тока стала больше, чем была на входе.. Объяснить, каким образом это происходит, Фарадей не смог.

Спустя 40 лет Карл Фердинанд Браун опубликовал статью, где описал основное свойство полупроводников - проводить ток лишь в одном направлении. На тот момент это был вызов устоявшемуся закону Ома, гласившему, что сила тока обратно пропорциональна сопротивлению. Здесь же Браун утверждал, что для некоторых веществ имеет значение, в каком направлении течет ток. Современникам ученого его выводы казались ошибочными. К тому же Браун не сумел объяснить природу этого явления, и о полупроводниках не вспоминали несколько десятилетий.

Дело сдвинулось после того, как итальянец Гульельмо Маркони и русский ученый Александр Попов изобрели радио. В 1906 году Гринлиф Пикард придумал кремниевый кристаллический детектор («кошачий ус»), представлявший собой кристалл кремния, в который упиралась металлическая проволочка. Обладая односторонней проводимостью, кристалл пропускал ток в одном направлении и тем самым мог отсекать полезный радиосигнал от несущей составляющей. Через 4 года Уильям Икклз выяснил, что кристалл в устройстве Пикарда может менять сопротивление в зависимости от условий (температура, освещенность, влажность), а значит, не только отделять полезный сигнал от шумов, но и усиливать его.

Пришедшие к власти в 1917 году в России большевики предприняли ряд энергичных мер по внедрению технических новинок. Помимо плана ГОЭЛРО, по личному распоряжению Ленина в Нижнем Новгороде была создана радиотехническая лаборатория. В ее задачи входило улучшение качества работы беспроволочного телеграфа. В коллективе ведущих русских радиоинженеров оказался юный на тот момент Олег Лосев, которого взяли туда как курьера. Но вскоре подпустили к работам на «тупиковой» ветке кристаллических детекторов. И юноша немало удивил профессоров.

«Баловство» подмастерья с кристаллическим детектором привело к тому, что, пропуская ток через кристалл оксида цинка, в 1922 году Лосев получил усиление сигнала, или эффект отрицательного сопротивления. Объяснить эффект ни Олег, ни его наставники не смогли. Точное объяснение опыту Лосева физики смогли дать только через 30 лет. А его прибор был сродни туннельному диоду, за который в 1973 году японец Лео Эсаки получил Нобелевскую премию. Но в 1920-е годы разработки Лосева не получили поддержки властей и были забыты на несколько лет.

Старания ученых на время похоронили электронные лампы, в которых усиление сигнала происходило за счет управления потоком электронов в вакууме или разреженном газе. Разработки в сфере кристаллических полупроводников казались нецелесообразными.

В 1925 году американская корпорация AT&T открыла научный центр Bell Telephone Laboratories (Bell Labs), в задачи которого входили разработки для улучшения телефонной связи. В 1936 году директор центра Мервин Келли поручил Джозефу Беккеру изучить возможность получения твердотельных переключателей, способных заменить электромеханические реле на телефонных станциях. К этой работе Беккер, в свою очередь, привлек физика-теоретика Уильяма Шокли и физика-экспериментатора Уолтера Браттейна. Задумка 24-летнего Шокли была такова: получить устройство, схожее с электронной лампой, но при этом такое, чтобы электроны в нем не пролетали в вакууме, а «выпрыгивали» из тонкого нитевидного полупроводника.

Вторая мировая война отвлекла ученых от этой задачи. Шокли и его люди были командированы в распоряжение министерства обороны и занимались другими вопросами. Но кое-кто продолжал изучать кристаллы. Так, сотрудники Bell Labs Рассел Ол и Джон Скафф выяснили, что существует два вида проводимости кристаллов - p-тип (positive) и n-тип (negative). Однако их босс Мервин Келли засекретил открытие p-n-перехода. Стоит отметить, что в 1941 году, независимо от американцев, советский физик Вадим Лашкарев в теории «запирающего слоя» также описал эти два типа проводимости. Но в отличие от Bell Labs, в СССР не могли похвастаться экспериментальными данными.

После окончания войны в Bell Labs восстановили ранее распущенную группу по изучению свойств полупроводников. В нее вошли Уолтер Браттейн, Джон Бардин, Джеральд Пирсон, Берт Мур и Роберт Гибни. Научным руководителем группы стал Уильям Шокли.

По решению Шокли группа сосредоточилась на экспериментах с кристаллами всего двух элементов - германия и кремния. Однако ученые столкнулись с проблемами. Когда экспериментаторы увеличивали напряжение, кристаллы просто взрывались, но их проводимость не увеличивалась. Это продолжалось до тех пор, пока Бардин не пришел к выводу, что свободные электроны, притягиваясь к поверхности кристалла, просто экранируют его остальную часть от напряжения. Значит, каким-то образом необходимо было избавить полупроводник от этого экранирования.

Физики перебирали варианты: химическое травление, механическая полировка, погружение в жидкость и изменение температуры.

Но кристалл упорно не хотел увеличивать проводимость. 8 декабря 1947 года Бардин и Браттейн с одобрения Шокли решили заменить однородный кристалл на двухслойную структуру. Спустя неделю Бардин применил вместо одного два контактных электрода - управляющий (эмиттер) и управляемый (коллектор).

Реализуя эту идею, Браттейн наклеил на треугольную пластмассовую призму полоску золотой фольги и прижал призму к поверхности германиевой пластины. Успеха это не принесло. Но однажды Браттейн случайно перепутал полярность напряжения. И тут на экране осциллографа он увидел значительное увеличение выходного сигнала. Это был прорыв! Стечение новаторства и везения позволило 16 декабря 1947 года создать первый в мире точечный транзистор!

Прорыв, осуществленный подчиненными, весьма задел самолюбие Шокли, который как раз был в отпуске. Срочно вернувшись к работе, вскоре он создал теорию транзистора с двумя параллельными p-n-переходами - не такого, как точечный транзистор Браттейна и Бардина. 26 июня 1948 года Bell Labs получила патент на плоскостной биполярный транзистор Шокли. Работающий же образец такого транзистора был получен только в 1950 году.

Заслуги Бардина и Браттейна с одной стороны и Шокли с другой в деле создания транзистора эксперты посчитали равноценными. На основании чего в 1956 году Нобелевский комитет присудил всем троим премию в области физики. Дальнейшее развитие полупроводниковой техники шло семимильными шагами. Работы по созданию транзисторов шли как в США, так и в Европе, и в СССР. Немало способствовали этому нужды военных ведомств, в эпоху холодной войны желавших перевести ядерные арсеналы на менее громоздкие системы управления. Спустя десятилетия развитие элементной базы достигло таких вершин, что теперь на одном квадратном сантиметре располагаются сотни тысяч транзисторов (если не миллионы). Впрочем, нет предела совершенству.

Алексей АНИКИН