О вкладе советских и российских ученых в разработку полупроводниковых транзисторов

Открывая осенний форум Intel для разработчиков (IDF) в Сан-Франциско (www.pcweek.ru/themes/detail.php?ID=102444), старший вице-президент и генеральный менеджер подразделения Digital Enterprise Group корпорации Патрик Гелсингер отметил, что 2007-й стал юбилейным не только для Intel (отметившей десятилетие IDF), но и для всей полупроводниковой отрасли: как признано международным сообществом, 60 лет назад американцы У. Шокли, В. Браттейн и Дж. Бардин изобрели первый транзистор. А между тем в этой сфере есть чем гордиться и российским ученым и инженерам.

Когда и где именно начался “путь к транзистору”, сказать не просто. Его конкретному созданию предшествовал длительный и весьма насыщенный период исследований в области электроники, научных экспериментов и разработок во многих странах. Разумеется, СССР не был исключением. Началом отечественных разработок в этом направлении можно считать труды физика А. Г. Столетова в сфере фотоэффекта и А. С. Попова по созданию радиопередающих устройств еще в конце XIX в. Развитие электроники в советское время стимулировалось бурным прогрессом радиотехники в двадцатые годы, немалую роль в котором играли разработки сверхмощных (для того времени) радиоламп, ламповых триггеров и других элементов, выполненные М. А. Бонч-Бруевичем. Одним из факторов, определивших бурное развитие данного направления, стал общий подъем науки и образования в стране.

Историки науки знают, что уровень советских исследований и разработок по всему диапазону вопросов электроники часто превосходил мировой и никогда не опускался ниже него. Это обуславливалось “взрывным” характером научного прогресса в СССР и тем, что на развитии науки во многих западных странах весьма негативно сказались период послевоенной (1914 -1918 гг.) депрессии, а позже и жестокий экономический кризис 1929 -1934 гг.

Одной из первых заинтересовавших экспериментаторов проблем стала односторонняя проводимость в точке соприкосновения металлической пружины и кристаллов полупроводника: требовалось понять причины этого явления.

Советский инженер-радиофизик О. В. Лосев, экспериментировавший в 1922 г. со слаботочной техникой (работающей при напряжениях до 4 В), открыл явление возникновения электромагнитных колебаний и эффект их усиления в полупроводниковом кристаллическом детекторе. Он обнаружил у кристалла падающий участок вольт-амперной характеристики и первым построил генерирующий детектор, т. е. детекторный приемник, способный усиливать электромагнитные колебания. Свой прибор Лосев основал на контактной паре металлического острия и кристалла цинкита (оксида цинка), на которую подавалось небольшое напряжение. Прибор Лосева вошел в историю полупроводниковой электроники как “кристадин”. Примечательно, что продолжение исследований в этом направлении привело к созданию в 1958 г. туннельных диодов, нашедших применение в вычислительной технике 60-х годов ХХ века. Лосев первым открыл и новое явление — свечение кристаллов карборунда при прохождении тока через точечный контакт. Ученый объяснил это явление существованием в детектирующем контакте некоторого “активного слоя” (впоследствии названного p-n-переходом, от p - positive, n - negative).

В 1926 г. советский физик Я. И. Френкель выдвинул гипотезу о дефектах кристаллической структуры полупроводников, названных “пустыми местами”, или, более привычно, “дырками”, которые могли перемещаться по кристаллу. В 1930-е годы академик А. Ф. Иоффе начал эксперименты с полупроводниками в Ленинградском институте инженерной физики.

В 1938 г. украинский академик Б. И. Давыдов и его сотрудники предложили диффузионную теорию выпрямления переменного тока посредством кристаллических детекторов, в соответствии с которой оно имеет место на границе между двумя слоями проводников, обладающих p- и n- проводимостью. Далее эта теория была подтверждена и развита в исследованиях В. Е. Лашкарева, проведенных в Киеве в 1939-1941 гг. Он установил, что по обе стороны “запорного слоя”, расположенного параллельно границе раздела медь - оксид меди, находятся носители тока противоположных знаков (явление p-n-перехода), а также что введение в полупроводники примесей резко повышает их способность проводить электрический ток. Лашкарев открыл и механизм инжекции (переноса носителей тока) - явления, составляющего основу действия полупроводниковых диодов и транзисторов.

Его работа была прервана начавшейся войной, однако по ее окончании Лашкарев вернулся в Киев и в 1946 г. возобновил исследования. Вскоре он открыл биполярную диффузию неравновесных носителей тока в полупроводниках, а в начале 1950-х изготовил первые точечные транзисторы в лабораторных условиях. То, что результаты их опытной эксплуатации были обнадеживающими, подтверждается следующим любопытным эпизодом.

Пионер советской вычислительной техники - академик С. А. Лебедев, создавший в Киеве первую советскую ЭВМ МЭСМ (1949-1951) и основавший там научную школу, приезжал в Киев в день своего 50-летия (2 ноября 1952 г.). Там он услышал о транзисторах Лашкарева и, игнорируя подготовленные в его честь торжества (а Лебедев вообще не любил никакого официоза, справедливо полагая его пустой тратой времени), отправился прямиком в лабораторию при Институте физики АН Украинской ССР. Познакомившись с Лашкаревым и его разработками, Лебедев предложил сопровождавшему его аспиранту А. Кондалеву начать проектирование ряда устройств ЭВМ на базе новых транзисторов и диодов, что тот и сделал после трехмесячной стажировки у Лашкарева. (Об этом случае автору рассказал другой аспирант Лебедева - ныне академик Украины Б. Н. Малиновский, также присутствовавший при встрече и впоследствии включившийся в упомянутую работу.) Правда, сведения о каком-либо промышленном развитии этого проекта - по крайней мере в гражданской области - отсутствуют, но это и понятно: массового производства транзисторов в те годы еще не существовало.

Широкое применение транзисторов во всем мире началось позже. Тем не менее научные заслуги Лашкарева были оценены: он возглавил новый Институт полупроводников АН Украины, который был открыт в 1960 г.

Предложенная Давыдовым теория p-n-перехода впоследствии была развита У. Шокли в США. В 1947 г. В. Браттейн и Дж. Бардин, работавшие под руководством Шокли, открыли транзисторный эффект в детекторах, основанных на кристаллах германия. (Любопытно, что их эксперименты походили на довоенные опыты немецкого электротехника Р. В. Поля, создавшего в 1937 г. совместно с Р. Хильшем усилитель на базе монокристалла бромида галлия.) В 1948 г. были опубликованы результаты исследований Шокли и изготовлены первые германиевые транзисторы с точечным контактом. Разумеется, они были весьма далеки от совершенства. К тому же их конструкция еще носила черты лабораторной установки (что, впрочем, характерно для начального периода использования любого подобного изобретения). Характеристики первых транзисторов отличались неустойчивостью и непредсказуемостью, и поэтому их реальное практическое применение началось уже после 1951 г., когда Шокли создал более надежный транзистор - планарный, состоявший из трех слоев германия типа n-p-n суммарной толщиной 1 см. За открытия в области полупроводников и изобретение транзистора Шокли, Бардин и Браттейн в 1956 г. разделили Нобелевскую премию по физике (интересно, что Бардин - единственный физик, удостоенный Нобелевской премии дважды: второй раз - в 1972 г. за разработку теории сверхпроводимости).

В СССР работа по транзисторам велась почти в таком же темпе, что и за рубежом. Параллельно с киевской лабораторией Лашкарева исследовательская группа московского инженера А. В. Красилова в 1948 г. создала германиевые диоды для радиолокационных станций. В феврале 1949-го Красилов и его помощница С. Г. Мадоян (в то время студентка Московского химико-технологического института, выполнявшая дипломную работу по теме “Точечный транзистор”) впервые наблюдали транзисторный эффект. Правда, первый лабораторный образец работал не более часа, а затем требовал новой настройки. Тогда же Красилов и Мадоян опубликовали первую в Советском Союзе статью о транзисторах, называвшуюся “Кристаллический триод”.

Приблизительно в то же время точечные транзисторы были разработаны и в других лабораториях страны. Так, в 1950 г. экспериментальные образцы германиевых транзисторов были созданы в Физическом институте Академии наук (Б. М. Вулом, А. В. Ржановым, В. С. Вавиловым и др.) и Ленинградском физико-техническом институте (В. М. Тучкевичем, Д. Н. Наследовым).

В 1953 г. был организован первый в СССР институт полупроводников (ныне - НИИ “Пульсар”). Туда была переведена лаборатория Красилова, в которой Мадоян разработала первые сплавные германиевые транзисторы. Их развитие связано с расширением частотного предела и повышением КПД транзистора. Соответствующие работы проводились совместно с лабораторией профессора С. Г. Калашникова в ЦНИИ-108 (ныне ГосЦНИРТИ): начинался новый период, характеризуемый сотрудничеством различных организаций, специализировавшихся в полупроводниковой области. В конце же 1940-х одинаковые открытия часто делались независимо друг от друга, а их авторы не имели информации о достижениях своих коллег. Причиной такой “научной параллельности” была секретность исследований в области электроники, имевшей оборонное значение. Подобная картина наблюдалась и при создании первых электронных компьютеров - будущих потребителей транзисторов. Например, С. А. Лебедев, начиная работу над своей первой ЭВМ в Киеве, не подозревал, что в это же время в Москве академик И. С. Брук со своими помощниками также трудились над проектом электронной цифровой вычислительной машины.

Впрочем, секретность отнюдь не была некой “советской особенностью”: оборонные разработки засекречиваются во всем мире. Изобретение транзистора тоже было строго засекречено фирмой Bell (где в то время работал Шокли), и первое сообщение о нем появилось в печати только 1 июля 1948 г.: в небольшой заметке газеты The New York Times, в которой без лишних подробностей сообщалось о создании подразделением Bell Telephone Laboratories твердотельного электронного прибора, заменявшего электронную лампу.

С образованием сети специальных научно-исследовательских организаций развитие транзисторов постоянно ускорялось. В начале 1950-х в НИИ-160 Ф. А. Щиголь и Н. Н. Спиро ежедневно выпускали десятки точечных транзисторов типа С1-С4, а М. М. Самохвалов разрабатывал в НИИ-35 новые решения по групповой технологии, технологии “вплавления - диффузии” для получения тонкой базы ВЧ-транзисторов. В 1953 г. на основе исследований термоэлектрических свойств полупроводников А. Ф. Иоффе создал серию термоэлектрогенераторов, а в НИИ-35 были изготовлены планарные транзисторы П1, П2, П3. Вскоре в лаборатории С. Г. Калашникова был получен германиевый транзистор для частот 1,0 - 1,5 МГц, а Ф. А. Щиголь сконструировал кремниевые сплавные транзисторы типа П501-П503.

В 1957 г. советская промышленность выпустила 2,7 млн. транзисторов. Начавшееся создание и развитие ракетной и космической техники, а затем и вычислительных машин, а также потребности приборостроения и других отраслей экономики полностью удовлетворялись транзисторами и другими электронными компонентами отечественного производства.

1956 год. В Стокгольмском концертом зале три американских ученых Джон Бардин, Вильям Шокли и Уолтер Браттейн получают Нобелевскую премию «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта» - настоящий прорыв в области физики. Отныне их имена навсегда вписаны в мировую науку. Но более чем за 15 лет до этого, в начале 1941 года молодой украинский ученый Вадим Лашкарев экспериментально обнаружил и описал в своей статье физическое явление, которое, как оказалось, впоследствии получило название p-n переход (p-positive, n-negative). Он же в своей статье раскрыл и механизм инжекции - важнейшего явления, на основе которого действуют полупроводниковые диоды и транзисторы.

Официально история транзистора звучит так: первое сообщение в печати о появлении полупроводникового усилителя-транзистора появилось в американской прессе в июле 1948 года. Его изобретатели – американские ученые Бардин и Браттейн. Они пошли по пути создания так называемого точечного транзистора на базе кристалла германия n-типа. Первый обнадеживающий результат они получили в конце 1947 г. Однако прибор вел себя неустойчиво, его характеристики отличались непредсказуемостью, и поэтому практического применения точечный транзистор не получил.

Прорыв произошел в 1951 году, когда Вильям Шокли создал свой более надежный плоскостной транзистор n-p-n типа, который состоял из трех слоев германия n, p и n типа, общей толщиной 1 см. Уже через несколько лет значимость изобретения американских ученых стала очевидной, и они были отмечены Нобелевской премией.

Задолго до этого, еще перед началом Великой Отечественной войны в 1941 году Лашкарев проводит серию успешных экспериментов и открывает р-n переход и раскрывает механизм электронно-дырочной диффузии, на основе которых под его руководством в начале 50-х годов, были созданы первые в Украине (тогда часть СССР) полупроводниковые триоды - транзисторы.

Говоря научным языком, p-n переход – это область пространства на стыке двух полупроводников p- и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому. Электрическая проводимость материала зависит от того, насколько прочно ядра его атомов удерживают электроны. Так, большинство металлов являются хорошими проводниками, поскольку имеют огромное количество слабосвязанных с атомным ядром электронов, которые легко притягиваются положительными зарядами и отталкиваются отрицательными. Движущиеся электроны и есть носители электрического тока. С другой стороны, изоляторы, не пропускают ток, так как электроны в них прочно связаны с атомами и не реагируют на воздействие внешнего электрического поля.

Полупроводники ведут себя иначе. Атомы в кристаллах полупроводников образуют решетку, внешние электроны которой связаны силами химической природы. В чистом виде полупроводники подобны изоляторам: они или плохо проводят ток, или не проводят вообще. Но стоит добавить в кристаллическую решетку небольшое количество атомов определенных элементов (примесей), как их поведение кардинально меняется.

В некоторых случаях атомы примеси связываются с атомами полупроводника, образуя лишние электроны, избыток свободных электронов придает полупроводнику отрицательный заряд. В других случаях атомы примеси создают так называемые "дырки", способные "поглощать" электроны. Таким образом возникает недостаток электронов и полупроводник становится положительно заряженным. При соответствующих условиях полупроводники могут проводить электрический ток. Но в отличие от металлов они проводят его двояким образом. Отрицательно заряженный полупроводник стремится избавиться от лишних электронов, это проводимость n-типа (от negative - отрицательный). Носителями заряда в полупроводниках такого типа являются электроны. С другой стороны, положительно заряженные полупроводники притягивают электроны, заполняя "дырки". Но, когда заполняется одна "дырка" рядом возникает другая - покинутая электроном. Таким образом, "дырки" создают поток положительного заряда, который направлен в сторону, противоположную движению электронов. Это проводимость р-типа (от positive - положительный). В полупроводниках обоих типов так называемые не основные носители заряда (электроны в полупроводниках р-типа и "дырки" в полупроводниках п-типа) поддерживают ток в направлении, обратном движению основных носителей заряда.

Внесение примесей в кристаллы германия или кремния позволяет создать полупроводниковые материалы с желаемыми электрическими свойствами. Например, введение незначительного количества фосфора порождает свободные электроны, и полупроводник приобретает проводимость n-типа. Добавление атомов бора, наоборот, создает дырки, и материал становится полупроводником р-типа.

В дальнейшем оказалось, что полупроводник, в который введены примеси, обретает свойство пропускать электрический ток, т.е. обладает проводимостью, величина которой может при определенном воздействии изменяется в широких пределах.

Когда в США был найден способ для осуществления такого воздействия электрическим путем, появился транзистор (от первоначального названия трансрезистор). Тот факт, что 1941 году Лашкарев опубликовал результаты своих открытий в статьях «Исследование запирающих слоев методом термозонда» и «Влияние примесей на вентильный фотоэффект в закиси меди» (в соавторстве со своей коллегой К.М. Косоноговой), в связи с военным временем не попал в поле зрения научного мира. Предположительно, начавшаяся «холодная война» и опустившийся на Советский Союз «железный занавес» сыграли свою роль в том, что Лашкарев так и не стал Нобелевским лауреатом. Кстати сказать, Лашкарев разработал, находясь в Сибири во время войны, купроксные диоды, которые применялись в армейских радиостанциях и добился их промышленного выпуска.

В дополнение к двум первым работам, Лашкарев в соавторстве с В.И.Ляшенко в 1950 году опубликовал статью «Электронные состояния на поверхности полупроводника», в которой были описаны результаты исследований поверхностных явлений в полупроводниках, ставшие основой работы интегральных схем на базе полевых транзисторов.

В 50-е годы Лашкареву также удалось решить проблему массовой выбраковки монокристаллов германия. Он по новому сформулировал технические требования к этому элементу, так как предыдущие были неоправданно завышены. Тщательные исследования, проведенные Лашкаревым и Миселюком в Институте физики АН УССР в Киеве, показали, что уже достигнутый уровень технологии монокристаллов германия позволял создать точечные диоды и триоды с необходимыми характеристиками. Это позволило ускорить промышленный выпуск первых в бывшем СССР германиевых диодов и транзисторов.

Так, именно под руководством Лашкарева в начале 50-х в СССР было организовано производство первых точечных транзисторов. Сформированная В.Е. Лашкаревым научная школа в области физики полупроводников становится одной из ведущих в СССР. Признанием выдающихся результатов стало создание в 1960 г. Института полупроводников АН УССР, который возглавил В.Е. Лашкарев.

“Настанет время, когда на этом кристаллике, что нам показал Вадим Евгеньевич, можно будет разместить всю ЭВМ!” , - напророчил академик Сергей Лебедев, создавший первый в континентальной Европе компьютер - МЭСМ. Так и случилось. Но это произошло через двадцать с лишним лет, когда появились большие интегральные схемы БИС, содержащие на кристалле десятки и сотни тысяч транзисторов, а позднее - сверхбольшие интегральные схемы СБИС со многими миллионами компонентов на кристалле, открывшие человеку путь в информационную эру.

Первой известной попыткой создания кристаллического усилителя в США предпринял немецкий физик Юлиус Лилиенфельд, запатентовавший в 1930, 1932 и 1933 гг. три варианта усилителя на основе сульфида меди. В 1935 г. немецкий у ченый Оскар Хейл получил британский патент на усилитель на основе пятиокиси ванадия. В 1938 г. немецкий физик Поль создал действующий образец кристаллического усилителя на нагретом кристалле бромида калия. В довоенные годы в Германии и Англии было выдано еще несколько аналогичных патентов. Эти усилители можно считать прообразом современных полевых транзисторов. Однако построить устойчиво работающие приборы не удавалось, т.к. в то время еще не было достаточно чистых материалов и технологий их обработки. В первой половине тридцатых годов точечные триоды изготовили двое радиолюбителей - канадец Ларри Кайзер и тринадцатилетний новозеландский школьник Роберт Адамс. В июне 1948 г. (до обнародования транзистора) изготовили свой вариант точечного германиевого триода, названный ими транзитроном, жившие тогда во Франции немецкие физики Роберт Поль и Рудольф Хилш. В начале 1949 г. было организовано производство транзитронов, применялись они в телефонном оборудовании, причем работали лучше и дольше американских транзисторов. В России в 20-х годах в Нижнем Новгороде О.В.Лосев наблюдал транзисторный эффект в системе из трех - четырех контактов на поверхности кремния и корборунда. В середине 1939 г. он писал: «…с полупроводниками может быть построена трехэлектродная система, аналогичная триоду», но увлекся открытым им светодиодным эффектом и не реализовал эту идею. К транзистору вело множество дорог.

ПЕРВЫЙ ТРАНЗИСТОР

Выше описанные примеры проектов и образцов транзисторов были результатами локальных всплесков мысли талантливых или удачливых людей, не подкрепленные достаточной экономической и организационной поддержкой и не сыгравшие серьезной роли в развитии электроники. Дж. Бардин, У. Браттейн и У. Шокли оказались в лучших условиях. Они работали по единственной в мире целенаправленной долговременной (более 5 лет) программе с достаточным финансовым и материальным обеспечением в фирме Bell Telephone Laboratories, тогда одной из самых мощных и наукоемких в США. Их работы были начаты еще во второй половине тридцатых годов, работу возглавил Джозеф Бекер, который привлек к ней высококлассного теоретика У. Шокли и блестящего экспериментатора У. Браттейна. В 1939 г. Шокли выдвинул идею изменять проводимость тонкой пластины полупроводника (оксида меди), воздействуя на нее внешним электрическим полем. Это было нечто, напоминающее и патент Ю. Лилиенфельда, и позже сделанный и ставший массовым полевой транзистор. В 1940 г. Шокли и Браттейн приняли удачное решение ограничить исследования только простыми элементами - германием и кремнием. Однако все попытки построить твердотельный усилитель ни к чему не привели, и после Пирл-Харбора (практическое начало Второй мировой войны для США) были положены в долгий ящик. Шоккли и Браттейн были направлены в исследовательский центр, работавший над созданием радаров. В 1945 г. оба возвратились в Bell Labs. Там под руководством Шокли была создана сильная команда из физиков, химиков и инженеров для работы над твердотельными приборами. В нее вошли У. Браттейн и физик-теоретик Дж. Бардин. Шокли сориентировал группу на реализацию своей довоенной идеи. Но устройство упорно отказывалось работать, и Шокли, поручив Бардину и Браттейну довести его до ума, сам практически устранился от этой темы. Два года упорного труда принесли лишь отрицательные результаты. Бардин предположил, что избыточные электроны прочно оседали в приповерхностных областях и экранировали внешнее поле. Эта гипотеза подсказала дальнейшие действия. Плоский управляющий электрод заменили острием, пытаясь локально воздействовать на тонкий приповерхностный слой полупроводника.

Однажды Браттейн нечаянно почти вплотную сблизил два игольчатых электрода на поверхности германия, да еще перепутал полярность напряжений питания, и вдруг заметил влияние тока одного электрода на ток другого. Бардин мгновенно оценил ошибку. А 16 декабря 1947 г. у них заработал твердотельный усилитель, который и считают первым в мире транзистором. Устроен онбыл очень просто - на металлической подложке-электроде лежала пластинка германия, в которую упирались два близко расположенных (10-15 мкм) контакта. Оригинально были сделаны эти контакты. Треугольный пластмассовый нож, обернутый золотой фольгой, разрезанной надвое бритвой по вершине треугольника. Треугольник прижимался к германиевой пластинке специальной пружиной, изготовленной из изогнутой канцелярской скрепки. Через неделю, 23 декабря 1947 г. прибор был продемонстрирован руководству фирмы, этот день и считается датой рождения транзистора. Все были рады результатом, кроме Шокли: получилось, что он, раньше всех задумавший полупроводниковый усилитель, руководивший группой специалистов, читавший им лекции по квантовой теории полупроводников - не участвовал в его создании. Да и транзистор получился не такой, как Шокли задумывал: биполярный, а не полевой. Следовательно на соавторство в «звездном» патенте он претендовать не мог. Прибор работал, но широкой публике эту внешне несуразную конструкцию показывать было нельзя. Изготовили несколько транзисторов в виде металлических цилиндриков диаметром около 13 мм. и собрали на них «безламповый» радиоприемник. 30 июня 1948 г. в Нью-Йорке состоялась официальная презентация нового прибора - транзистора (от англ. Transver Resistor - трансформатор сопротивлений). Но специалисты не сразу оценили его возможности. Эксперты из Пентагона «приговорили» транзистор к использованию лишь в слуховых аппаратах для старичков. Так близорукость военных спасла транзистор от засекречивания. Презентация осталась почти незамеченной, лишь пара абзацев о транзисторе появилась в «Нью-Йорк Тайме» на 46 странице в разделе «Новости радио». Таким было явление миру одного из величайших открытий XX века. Даже изготовители электронных ламп, вложившие многие миллионы в свои заводы, в появлении транзистора угрозы не увидели. Позже, в июле 1948 года, информация об этом изобретении появилась в журнале «The Physical Review». Но т олько через некоторое в время специалисты поняли, что произошло грандиозное событие, определившее дальнейшее развитие прогресса в мире. Bell Labs сразу оформила патент на это революционное изобретение, но с технологией было масса проблем. Первые транзисторы, поступившие в продажу в 1948 году, не внушали оптимизма - стоило их потрясти, и коэффициент усиления менялся в несколько раз, а при нагревании они и вовсе переставали работать. Но зато им не было равных в миниатюрности. Аппараты для людей с пониженным слухом можно было поместить в оправе очков! Поняв, что вряд ли она сама сможет справиться со всеми технологическими проблемами, Bell Labs решилась на необычный шаг. В начале 1952 года она объявила, что полностью передаст права на изготовление транзистора всем компаниям, готовым выложить довольно скромную сумму в 25 000 долларов вместо регулярных выплат за пользование патентом, и предложила обучающие курсы по транзисторной технологии, помогая распространению технологии по всему миру. Постепенно росла очевидность важности этого миниатюрного устройства. Транзистор оказался привлекательным по следующим причинам: был дешев, миниатюрен, прочен, потреблял мало мощности и мгновенно включался (лампы долго нагревались). В 1953 г. на рынке появилось первое коммерческое транзисторное изделие - слуховой аппарат (пионером в этом деле выступил Джон Килби из ф. Centralab , который через несколько лет сделает первую в мире полупроводниковую микросхему), а в октябре 1954 г. - первый транзисторный радиоприемник Regency TR1, в нем использовалось всего четыре германиевых транзистора. Немедленно принялась осваивать новые приборы и индустрия вычислительной техники, первой была фирма IBM . Доступность технологии дала свои плоды - мир начал стремительно меняться.

Кто создал первый транзистор? Этот вопрос волнует очень многих. Первый патент для полевого транзисторного принципа был оформлен в Канаде австро-венгерским физиком Юлием Эдгаром Лилиенфельдом 22 октября 1925 года, но Лилиенфельд не опубликовал никаких научных статей о своих устройствах, и его работа была проигнорирована промышленностью. Таким образом первый в мире транзистор канул в историю. В 1934 году немецкий физик доктор Оскар Хайль запатентовал другой полевой транзистор. Нет прямых доказательств того, что эти устройства были построены, но позже работа в 1990-х годах показала, что один из проектов Лилиенфельда работал так, как описано, и давал существенный результат. Ныне известным и общепринятым фактом считается то, что Уильям Шокли и его помощник Джеральд Пирсон создали рабочие версии аппаратов из патентов Лилиенфельда, о чем, разумеется, никогда не упоминали ни в одной из своих более поздних научных работ или исторических статей. Первые компьютеры на транзисторах, разумеется, были построены значительно позже.

Лаборатория Белла

Лаборатория Белла работала на транзисторе, построенном для производства чрезвычайно чистых германиевых «кристальных» миксеров-диодов, используемых в радиолокационных установках в качестве элемента частотного микшера. Параллельно этому проекту существовало множество других, в их числе - транзистор на германиевых диодах. Ранние схемы на основе трубки не обладали функцией быстрого переключения, и вместо них команда Bell использовала твердотельные диоды. Первые компьютеры на транзисторах работали по похожему принципу.

Дальнейшие изыскания Шокли

После войны Шокли решил попытаться построить триодоподобное полупроводниковое устройство. Он обеспечил финансирование и лабораторное пространство, и затем стал разбираться с возникшей проблемой совместно с Бардином и Браттеном. Джон Бардин в конечном итоге разработал новую ветвь квантовой механики, известную как физика поверхности, чтобы объяснить свои первые неудачи, и этим ученым в конечном итоге удалось создать рабочее устройство.

Ключом к развитию транзистора стало дальнейшее понимание процесса подвижности электронов в полупроводнике. Было доказано, что если бы был какой-то способ контролировать поток электронов от эмиттера до коллектора этого вновь обнаруженного диода (обнаруженный 1874 г., запатентованный 1906 г.), можно было бы построить усилитель. Например, если поместить контакты по обе стороны от одного типа кристалла, ток не пройдет через него.

На самом деле делать это оказалось очень сложно. Размер кристалла должен был бы быть более усредненным, а число предполагаемых электронов (или отверстий), которые необходимо было "впрыскивать", было очень большим, что сделало бы его менее полезным, чем усилитель, потому что для этого потребовался бы большой ток впрыска. Тем не менее вся идея кристаллического диода заключалась в том, что сам кристалл мог удерживать электроны на очень небольшом расстоянии, находясь при этом практически на грани истощения. По-видимому, ключ заключался в том, чтобы контакты ввода и вывода были очень близки друг к другу на поверхности кристалла.

Труды Браттена

Браттен начал работать над созданием такого устройства, и намеки на успех все также продолжали появляться, когда команда работала над проблемой. Изобретательство - сложная работа. Иногда система работает, но затем происходит очередной сбой. Порой результаты работы Браттена начинали неожиданно работать в воде, по-видимому, из-за ее высокой проводимости. Электроны в любой части кристалла мигрируют из-за близких зарядов. Электроны в эмиттерах или «дыры» в коллекторах аккумулировались непосредственно сверху кристалла, где и получают противоположный заряд, «плавающий» в воздухе (или воде). Однако их можно было оттолкнуть с поверхности с применением небольшого количества заряда из любого другого места на кристалле. Вместо того, чтобы потребовать большой запас инжектированных электронов, очень небольшое число в нужном месте на кристалле выполнит одно и то же.

Новый опыт исследователей в какой-то степени помог решить ранее возникшую проблему небольшой контрольной области. Вместо необходимости использования двух отдельных полупроводников, соединенных общей, но крошечной областью, будет использоваться одна большая поверхность. Выходы эмиттера и коллектора были бы расположены сверху, а контрольный провод размещен на основании кристалла. Когда ток был применен к «базовому» выводу, электроны выталкивались бы через блок полупроводника и собирались на дальней поверхности. Пока излучатель и коллектор были очень близко расположены, это должно было бы обеспечивать достаточное количество электронов или дырок между ними, чтобы начать проведение.

Присоединение Брея

Ранним свидетелем этого явления был Ральф Брей, молодой аспирант. Он присоединился к разработке германиевого транзистора в Университете Пердью в ноябре 1943 года и получил сложную задачу измерения сопротивления рассеяния на контакте металл-полупроводник. Брей обнаружил множество аномалий, таких как внутренние барьеры высокого сопротивления в некоторых образцах германия. Наиболее любопытным явлением было исключительно низкое сопротивление, наблюдаемое при применении импульсов напряжения. Первые советские транзисторы разрабатывались на основе этих американских наработок.

Прорыв

16 декабря 1947 года, используя двухточечный контакт, был сделан контакт с поверхностью германия, анодированной до девяносто вольт, электролит смылся в H 2 O, а затем на нем выпало несколько золотых пятен. Золотые контакты были прижаты к голым поверхностям. Разделение между точками было около 4 × 10 -3 см. Одна точка использовалась как сетка, а другая точка - как пластинка. Уклонение (DC) на сетке должно было быть положительным, чтобы получить усиление мощности напряжения на смещении пластины около пятнадцати вольт.

Изобретение первого транзистора

С историей сего чудомеханизма связано множество вопросов. Часть из них знакома читателю. К примеру: почему первые транзисторы СССР были PNP-типа? Ответ на этот вопрос кроется в продолжении всей этой истории. Браттен и Х. Р. Мур продемонстрировали нескольким коллегам и менеджерам в Bell Labs во второй половине дня 23 декабря 1947 года результат, которых они добились, потому этот день часто упоминается в качестве даты рождения транзистора. PNP-контактный германиевый транзистор работал в качестве речевого усилителя с коэффициентом усиления мощности 18. Это ответ на вопрос, почему первые транзисторы СССР были PNP-типа, ведь их закупили именно у американцев. В 1956 году Джон Бардин, Уолтер Хаузер Браттен и Уильям Брэдфорд Шокли были удостоены Нобелевской премии по физике за исследования полупроводников и открытие эффекта транзистора.

Двенадцать человек упоминаются как непосредственное участие в изобретении транзистора в лаборатории Bell.

Самые первые транзисторы в Европе

В то же время некоторые европейские ученые загорелись идеей твердотельных усилителей. В августе 1948 года немецкие физики Герберт Ф. Матаре и Генрих Велькер, работавшие в институте Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse в Ольне-су-Буа, Франция, подали заявку на патент на усилитель, основанный на меньшинстве которые они назвали «транзистором». Поскольку Bell Labs не публиковал транзистор до июня 1948 года, транзистор считался независимо разработанным. Впервые Mataré наблюдала эффекты крутизны при производстве кремниевых диодов для немецкого радиолокационного оборудования во время Второй мировой войны. Транзисторы были коммерчески изготовлены для французской телефонной компании и военных, а в 1953 году на радиостанции в Дюссельдорфе была продемонстрирована твердотельная радиоприемник с четырьмя транзисторами.

Bell Telephone Laboratories нуждалось в названии для нового изобретения: Semiconductor Triode, Tried States Triode, Crystal Triode, Solid Triode и Iotatron были рассмотрены, но «транзистор», придуманный Джоном Р. Пирсом, был явным победителем внутреннего голосования (частично благодаря близости, которую инженеры Белла разработали для суффикса «-истор»).

Первая коммерческая линия по производству транзисторов в мире была на заводе Western Electric на Union Boulevard в Аллентауне, штат Пенсильвания. Производство началось 1 октября 1951 г. с точечного контактного германиевого транзистора.

Дальнейшее применение

Вплоть до начала 1950-х этот транзистор использовался во всех видах производства, но все еще существовали значительные проблемы, препятствующие его более широкому применению такие, как чувствительность к влаге и хрупкость проводов, прикрепленных к кристаллам германия.

Шокли часто обвиняли в плагиате из-за того, что его работы были очень приближены к трудам великого, но непризнанного венгерского инженера. Но адвокаты Bell Labs быстро уладили эту проблему.

Тем не менее Шокли был возмущен нападками со стороны критиков и решил продемонстрировать, кто был настоящим мозгом всей великой эпопеи по изобретению транзистора. Всего несколько месяцев спустя он изобрел совершенно новый тип транзистора, обладающего очень своеобразной «бутербродной структурой». Эта новая форма была значительно более надежной, чем хрупкая система точечного контакта, и в итоге именно она начала использоваться во всех транзисторах 60-х годов ХХ столетия. Вскоре она развилась в аппарат биполярного перехода, ставший основой для первого биполярного транзистора.

Статический индукционный прибор, первая концепция высокочастотного транзистора, был изобретен японскими инженерами Jun-ichi Nishizawa и Y. Watanabe в 1950 году и, наконец, смог создать экспериментальные прототипы в 1975 году. Это был самый быстрый транзистор в 80-е годы ХХ столетия.

Дальнейшие разработки включали в себя приборы с расширенным соединением, поверхностно-барьерный транзистор, диффузионный, тетродный и пентодный. Диффузионный кремниевый «меза-транзистор» был разработан в 1955 году в Bell и коммерчески доступен Fairchild Semiconductor в 1958 году. Пространство было типом транзистора, разработанного в 1950-х годах как улучшение по сравнению с точечным контактным транзистором и более поздним транзистором из сплава.

В 1953 году Филко разработал первый в мире высокочастотный поверхностно-барьерный прибор, который также был первым транзистором, подходящим для высокоскоростных компьютеров. Первое в мире транзисторное автомобильное радио, изготовленное Philco в 1955 году, использовало поверхностно-барьерные транзисторы в своей схеме.

Решение проблем и доработка

С решением проблем хрупкости осталась проблема чистоты. Создание германия требуемой чистоты оказалось серьезной проблемой и ограничило количество транзисторов, которые фактически работали из данной партии материала. Чувствительность германия к температуре также ограничивала его полезность.

Ученые предположили, что кремний будет легче изготовить, но мало кто изучил эту возможность. Morris Tanenbaum в Bell Laboratories были первыми, кто разработал рабочий кремниевый транзистор 26 января 1954 г. Несколько месяцев спустя, Гордон Тил, работающий самостоятельно в Texas Instruments, разработал аналогичное устройство. Оба эти устройства были сделаны путем контроля легирования кристаллов одного кремния, когда они выращивались из расплавленного кремния. Более высокий метод был разработан Моррисом Таненбаумом и Кальвином С. Фуллером в Bell Laboratories в начале 1955 года путем газовой диффузии донорных и акцепторных примесей в монокристаллические кремниевые кристаллы.

Полевые транзисторы

Полевой транзистор был впервые запатентован Юлисом Эдгаром Лилиенфельдом в 1926 году и Оскаром Хейлом в 1934 году, но практические полупроводниковые устройства (транзисторы с полевым эффектом перехода ) были разработаны позднее, после того как эффект транзистора наблюдался и объяснялся командой Уильяма Шокли в Bell Labs в 1947 году, сразу же после истечения двадцатилетнего патентного периода.

Первым типом JFET был статический индукционный транзистор (SIT), изобретенный японскими инженерами Jun-ichi Nishizawa и Y. Watanabe в 1950 году. SIT - это тип JFET с короткой длиной канала. Полупроводниковый полевой транзистор (МОП-транзистор) из металла-оксида-полупроводника, который в значительной степени вытеснил JFET и оказал глубокое влияние на развитие электронной электронной техники, был изобретен Дауном Кахнгом и Мартином Аталлой в 1959 году.

Полевые транзисторы могут быть устройствами с мажоритарным зарядом, в которых ток переносится преимущественно мажоритарными носителями или устройствами с носителями меньших зарядов, в которых ток в основном обусловлен потоком неосновных носителей. Прибор состоит из активного канала, через который носители заряда, электроны или отверстия поступают из источника в канализацию. Концевые выводы источника и стока подключаются к полупроводнику через омические контакты. Проводимость канала является функцией потенциала, применяемого через клеммы затвора и источника. Этот принцип работы дал начало первым всеволновым транзисторам.

Все полевые транзисторы имеют клеммы источника, стока и затвора, которые примерно соответствуют эмиттеру, коллектору и базе BJT. Большинство полевых транзисторов имеют четвертый терминал, называемый корпусом, базой, массой или субстратом. Этот четвертый терминал служит для смещения транзистора в эксплуатацию. Редко приходится делать нетривиальное использование терминалов корпуса в схемах, но его присутствие важно при настройке физической компоновки интегральной схемы. Размер ворот, длина L на диаграмме, - это расстояние между источником и стоком. Ширина - это расширение транзистора в направлении, перпендикулярном поперечному сечению на диаграмме (т. е. в/из экрана). Обычно ширина намного больше, чем длина ворот. Длина затвора 1 мкм ограничивает верхнюю частоту примерно до 5 ГГц, от 0,2 до 30 ГГц.

Транзистор — предпосылка всей современной микроэлектроники. Если бы в обычном мобильном телефоне вместо транзисторов использовались катодно-лучевые трубки, устройство приобрело бы размеры Кёльнского собора.

Transfer resistor

Накануне Сочельника 1947 г. сотрудники компании «Белл Телефон Лабораториз» Уильям Шокли, Уолтер Браттейн и Джон Бардин продемонстрировали коллективу своей фирмы первый транзистор на основе полупроводникового материала германия. Примерно в это же время немецкие ученые Герберт Франц Матаре и Генрих Велькер разработали так называемый «французский транзистор» и в 1848 г. получили на него патент. В том же году Роберт Денк сконструировал первый транзисторный радиоприемник на основе электрода с оксидным покрытием. Денк не стал патентовать свое изобретение и даже уничтожил единственный экземпляр приемника, чтобы избежать злоупотреблений.

Победу обеспечил кремний

Однако ученым пришлось еще много потрудиться над подбором материала, пока полупроводниковые детали смогли удовлетворять техническим требованиям. С 1955 г. началось серийное производство кремниевых транзисторов, быстро вытеснивших вакуумные трубки из разнообразнейших устройств. Преимущество транзисторов в том, что они гораздо меньше и не так сильно нагреваются. Теперь стало возможным сооружение вычислительных машин, не занимающих целую комнату. Появившиеся в 1960-е гг. интегральные микросхемы потребовали разработки все более миниатюрных транзисторов, так что со временем они уменьшились в тысячу раз и стали тоньше волоса.

• 1925 г.: Юлиус Эдгар Лилиенфельд создал теоретическое обоснование транзисторов, но не сумел воплотить их в реальность.
• 1934 г.: Оскар Хейл изобрел полевой транзистор.
• 1953 г.: первые транзисторы в слуховых аппаратах.
• 1971 г.: первый микропроцессор — Интел 4004.