Кто создал транзистор. Транзисторная история. «История развития транзисторов»

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.

3 ноября 1957 года Советский Союз запустил Второй искусственный спутник Земли с первым живым «пассажиром» - собакой Лайкой. Сенсационный успех и секретность проектов до сих пор оставляют «за кадром» выдающиеся достижения специалистов в области радиоэлектронной аппаратуры, чьё участие в космической гонке отечественной литературой практически не рассматривается, что совершенно несправедливо.

О чём речь?

- Где бревно?
- Чёрт его знает, говорят, на спутнике макаку чешет.
Перевод:
- Где капитан Деревянко?
- Не знаю, но, говорят, что работает по закрытому каналу связи и отслеживает американские испытания прототипа торпеды Мk-48.

За время, прошедшее после изобретения транзистора Шокли, Бардином и Браттейном в конце 1940-х и до начала космической эры, транзисторы изменились довольно заметно. Точечные транзисторы были вытеснены плоскостными, плоскостные - сплавными, и так далее, пока их все не вытеснили планарные . Кремниевые транзисторы вытеснили германиевые, хотя и далеко не сразу. Первый кремниевый транзистор сделала в 1954 году компания Texas Instruments , и, забегая вперёд, транзисторы именно этой компании использовали в первых американских спутниках .

Рис. 3 Бардин, Шокли и Браттейн в лаборатории Bell

Рис. 4 Сплавной транзистор. Квадратная пластина - база, с одной стороны к ней приварена бусина эмиттера, с другой - бусина коллектора (из Википедии)

Полупроводниковое производство в СССР началось в 1947 году с линии по производству германиевых детекторов для радиолокации, вывезенной из Германии. Разработками занималась группа под руководством А. В. Красилова в НИИ-160 (ныне - АО «НПП «Исток» им. Шокина). С. Г. Мадоян - выпускница Московского химико-технологического института - в 1948-1949 гг. разработала макет первого точечного германиевого транзистора в СССР , . Первый лабораторный образец работал не больше часа, а затем требовал новой настройки

Рис. 5 Александр Викторович Красилов	Рис. 6 Сусанна Гукасовна Мадоян. 1950 г.
Рис. 7 Вадим Евгеньевич Лашкарёв	Рис. 8 Академик Аксель Иванович Берг

В 1950 году транзисторная тематика появилась в ЦНИИ-108 МО (ныне АО «Центральный научно-исследовательский радиотехнический институт имени академика А. И. Берга»), Физическом институте Академии наук, Ленинградском физико-техническом институте и других организациях. Первые точечные транзисторы изготовлены В.Е. Лашкарёвым в лаборатории при Институте физики АН Украинской ССР. Из-за секретности исследований часто в тот период разные научные группы делали практически одно и то же, получали схожие результаты и делали открытия независимо друг от друга. Такая ситуация продолжалась до ноября 1952 года, когда вышел специальный номер американского журнала «Труды института радиоинженеров» (Proceedings of IRE, ныне Proceedings of IEEE), полностью посвященный транзисторам . В начале 1953 года заместитель министра обороны академик А. И. Берг подготовил письмо в ЦК КПСС о развитии работ по транзисторам, и в мае министр промышленности средств связи М. Г. Первухин провел в Кремле совещание, посвященное полупроводникам, на котором приняли решение об организации специализированного НИИ полупроводниковой электроники (НИИ-35, ныне НПП «Пульсар»). В «Пульсар» перевели лабораторию А.В. Красилова, в которой создали первый в СССР опытный образец германиевого плоскостного («слоистого») транзистора. Эта разработка легла в основу серийных приборов П1-П3 (1955 г.) и их модификаций .

Рис. 9 Первые германиевые и кремниевые советские транзисторы

Первые кремниевые сплавные транзисторы появились в СССР в 1956 году (П104-П106), затем в 1956-1957 гг. - германиевые П401-П-403 (30-120 МГц), а также П418 (500 МГц). Как видим, к запуску первого искусственного спутника Земли в СССР было производство как германиевых, так и кремниевых транзисторов, хотя даже 1960-е годы процент выхода годных кремниевых транзисторов составлял всего 19,3% . По данным , в 1957 году советская промышленность выпустила 2,7 миллионов транзисторов (для сравнения, в США выпуск транзисторов в этом году составил 28 миллионов штук, а число различных типов достигло 600). Первые германиевые транзисторы работали в диапазоне температур до +85 o C и их характеристики были нестабильны, что отвращало от транзисторов как военных, так и политическое руководство СССР.

Транзисторы и военные

В среде «транзисторостроителей» популярна история, согласно которой транзисторы получили широкое распространение, благодаря находчивости изобретателей, заявивших, что транзистор нельзя использовать для «спецприменений», и недальновидности военных . По всей видимости, эта история имеет под собой реальное основание.

Создатели первого транзистора не могли знать всё, на что он окажется способен, но администрация Bell Labs понимала, что значение этого открытия - огромно, и делала всё от неё зависящее, чтобы об открытии узнали в научных кругах . На 30 июня 1948 года назначили большую пресс-конференцию для того, чтобы объявить об открытии. Но перед тем, как показать транзистор публике, его нужно было показать военным. Была надежда на то, что военные не станут засекречивать эту разработку, но было понятно, что они могут это сделать. 23 июня Ральф Боун (Ralph Bown) показывал транзистор группе офицеров. Он показал кристалл с проводами и то, что он может усиливать электрический сигнал эффективнее, чем массивная вакуумная лампа. Он также рассказал им, что ровно такую же демонстрацию собираются провести через неделю, при этом формально не спросив у них на это разрешения. Военные обсудили этот вопрос между собой после демонстрации, но, в конце концов, никто из них не высказался в пользу засекречивания этой темы. То ли уже из-за собственной недальновидности, то ли в виде дополнительной защиты от посягательств военных было заявлено, что «the transistor is expected to be used primarily in hearing aids for the deaf» («ожидается, что транзистор будет использоваться, главным образом, в слуховых аппаратах для глухих») . В результате пресс-конференция прошла без помех . Журнал New York Times поместил заметку о транзисторе на странице 46 в разделе «Новости радио» после «пространной заметки о возобновлении репортажей некой несравненной мисс Брукс» .

В начале сентября 1951 года Bell Labs провели симпозиумы в Мюррей Хилл, штат Нью-Джерси, в ходе которых инженеры в довольно общих чертах объясняли, как сделать точечные транзисторы, и рассказывали о текущем прогрессе со сплавными транзисторами. При этом ничего не говорили о конкретном процессе изготовления и о военных применениях. Первый симпозиум посетили свыше 300 человек (в основном, военные), каждый из которых заплатил взнос $25000 (двадцать пять тысяч долларов 1951 года ) . Многие фирмы хотели производить транзисторы самостоятельно, а не покупать их, и многие в этом преуспели. Фирма Philips и вовсе изготовила транзистор без посещения этих семинаров, пользуясь только информацией из американских газет. Надо отметить, что AT&T не способствовала, но и не препятствовала тому, чтобы другие фирмы производили транзисторы .

В 1951 году было всего лишь четыре американских компании, изготавливающих транзисторы для коммерческих применений: Texas Instruments, International Business Machines (IBM), Hewlett-Packard и Motorola. Они получили лицензии за те самые $25000 с низким роялти. Их пригласили на второй симпозиум в апреле 1952 года, где секреты изготовления транзисторов были полностью раскрыты. К 1952 году фирм-производителей стало восемь, к 1953 - пятнадцать, а к 1956 году было, по крайней мере, двадцать шесть компаний, производящих германиевые транзисторы, с доходом более 14 миллионов долларов в год. При этом американские военные были основным потребителем транзисторов. В 1952 году производители полупроводников из Bell Labs подписали военных контрактов на сумму свыше 5 миллионов долларов . Доля финансирования исследований (R&D, Research and Development) со стороны военных с 1953 по 1955 гг выросла до 50% .

При всём этом, будущее полупроводников для военных оставалось неясным, т.к. транзистор был «шумным», по сравнению с лампами, он выдерживал меньшие нагрузки, мог быть повреждён от внезапных скачков напряжений, его характеристики были нестабильны в температурном диапазоне, а частотный диапазон был относительно узок. Усугублял ситуацию большой разброс параметров между двумя транзисторами. Цена транзисторов также была высока: первые образцы стоили $20, к 1953 году они подешевели до $8, в то время как лампы стоили около $1 . Кремниевые меза-транзисторы компании Fairchild Semiconductor были проданы IBM в количестве 100 штук по цене $150 (каждый) в 1958 году - в то время как германиевые транзисторы стоили тогда менее $5 . В середине 1960-х эти же транзисторы стали стоить менее 10 центов за штуку .

А что со слуховыми аппаратами? Они действительно появились в США в 1952-1953 годах , , и это стало первым невоенным использованием транзистора. AT&T выдала бесплатные лицензии на использование в слуховых аппаратах в память о работе Александра Белла с глухими .

К сожалению, у этой истории есть малоизвестное печальное продолжение, которое касается уже Советского Союза. Профессор Я.А. Федотов (автор одной из первых монографий по транзисторам 1955 года ) в 1994 году в статье «Электроника шлёт SOS!» упоминает «убийственный» приговор, который вынесли на одном из заседаний Совмина СССР в 1956 году: «Транзистор никогда не войдёт в серьёзную аппаратуру. Единственно перспективная для него область применения - это аппараты для тугоухих...». Знакомые выражения, не правда ли? Федотов пишет: «Это недоверие к транзистору и тяга к старой ламповой технике объяснялись непониманием новой ситуации в электронике». И это за год до запуска первого спутника! Таким образом, всё то, чего избегали и успешно избежали американские «транзисторостроители», навалилось на отечественных: секретность, отсутствие централизации, непонимание перспектив высшим политическим руководством СССР. Очевидно, в таких условиях у транзисторов было мало шансов попасть на борт.

Если не транзистор, то что?

Была ли альтернатива транзисторам? Ведь, повторимся, «на борт» можно поставить не любой прибор, а только с требуемыми характеристиками по надёжности. Альтернатива появилась в конце 1940-х годов, т.е. практически одновременно с транзисторами, в виде стержневых радиоламп. Ввиду секретности темы, отследить историю изобретения и развития этого типа радиоламп довольно сложно, и часто приходится довольствоваться информацией с интернет-форумов .

Июнь 1946 года. Совмин СССР поручает Заводу 617 (в скором будущем - Союзному научно-исследовательский институт № 617 (НИИ-617) с опытным заводом Госкомитета Совета Министров СССР по радиоэлектронике) в Новосибирске разработку сверхминиатюрных и особопрочных ламп для бортовых вычислительных комплексов авиационной техники. Руководить работами назначили В.Н. Авдеева.

Рис. 10 Валентин Николаевич Авдеев

Валентин Николаевич Авдеев родился 16 мая 1915 года в г. Котельниче Вятской губернии. После получения начального образования работал на заводе «Светлана» (ныне ПАО «Светлана») в Ленинграде. Окончил заводской техникум, затем учился во Всесоюзном заочном институте технического образования в 1934-1938 гг. В 1941 году на полгода был отправлен на стажировку в США (на заводы Radio Corporation of America, RCA) для изучения производства радиоламп. Когда началась Великая Отечественная война, вместе с коллективом завода был эвакуирован в Новосибирск. Там работал сначала мастером участка, с 1942 года - главным инженером завода, с 1943 - заместителем начальника лаборатории. Сверхминиатюрные радиолампы были разработаны ОКБ завода 617 к 1947 году, а с 1948 года началось секретное производство. С 1949 года открыта работа «Молекула» по созданию сверхминиатюрных ламп повышенной виброустойчивости. На базе лаборатории № 1 создаётся НИИ-617, директором которого назначается Авдеев.

Стержневые радиолампы были практически свободны от недостатков, присущих «обычным» радиолампам и, в отличие от транзисторов того времени, могли работать в полном температурном диапазоне. Создана серия радиоламп: 1Ж17Б, 1Ж18Б, 1Ж24Б, 1Ж29Б и 1П24Б. В 1960 году в журнале «Радио» опубликована статья , посвящённая принципам работы стержневых радиоламп, в которой отмечены преимущества этого типа, а также заявлена граничная частота - более 200 МГц, что более чем соответствовало требованиям по частоте приёма радиосигналов с первого искусственного спутника Земли (см. ).

Рис. 11 Сравнение «обычных» и стержневых радиоламп из статьи в журнале «Радио»

За создание стержневых радиоламп В.Н. Авдеев был избран членом-корреспондентом АН СССР в 1958 году (в тот же год, когда С.П. Королёва избрали действительным членом). Это при том, что В.Н. Авдеев никогда не защищал диссертаций - ни кандидатской, ни тем более докторской.

Авторы статьи в журнале «Радио» сетуют: «Несколько лет назад, когда появились полупроводниковые приборы, некоторые радиоспециалисты склонны были сразу же «похоронить» электронную лампу. У лампы, которая на протяжении десятков лет приносила радиоэлектронике один триумф за другим, вдруг обнаружилось множество недостатков… Электронная лампа по сравнению с полупроводниковым триодом несомненно имеет ряд недостатков, но ведь общеизвестны и замечательные достоинства лампы...». И добавляют: «К сожалению, приходится отметить, что вопрос о масштабах применения, а следовательно, и производства стержневых ламп решается недостаточно оперативно, несмотря на то, что эти лампы существуют уже много лет и получили высокую оценку». В этих словах - явное недоверие к «новомодным» транзисторам.

Стержневые радиолампы использовались не только в космосе и авиации - на их основе созданы радиостанции для спецназа ГРУ и КГБ СССР (Р-353 «Протон»), переносная УКВ-радиостанция Р-126, комплекс радиостанций «МАРС» для МВД и др. .

Транзисторы в первых спутниках

Soviet Army"s RED STAR:
Uncle Sam thought of launching a Sputnik into the sky.
He announced it to the whole world, not two days but two years in advance.
The boastful and rich uncle called his Sputnik Vanguard.
The name was beautiful and quite chic,
But it turned out to be pshik.

Из подборки журнала Time о реакции мировых СМИ на неудачный запуск американского спутника «Авангард» 16 декабря 1957 года. VANGUARD"S AFTERMATH: JEERS AND TEARS Monday, Dec. 16, 1957

Наша страна запустила не просто первый искусственный спутник Земли (а потом и вывела первого человека в космос), но после первого спутника в течение 7 месяцев были запущены 2 полноценных космических лаборатории - Спутник-2 с Лайкой и Спутник-3, с помощью аппаратуры которого, в частности, были открыты естественные радиационные пояса Замли . Американский первый спутник Explorer 1 на 3 месяца опередил Спутник-3, однако по своим «функциональным» характеристикам был ближе к Спутнику-1, а по весу был меньше его почти в 4 раза. Запуск Спутника-1 вызвал заслуженное уважение учёных, недоумение и даже страх обывателей на Западе, всеобщую радость и торжество в СССР и бурю эмоций политиков. Приведу лишь два характерных высказывания советских и американских политиков (цитирую по ). Первый секретарь ЦК КПСС Н.С. Хрущёв: «Кажется, название „Авангард“ отражало уверенность американцев в том, что именно их спутник будет первым в мире. Но… наш советский спутник стал первым, именно он оказался в авангарде...». Сенатор и будущий президент США Линдон Джонсон: «Я не верю, что это поколение американцев желает примириться с положением, когда каждую ночь приходится засыпать при свете коммунистической луны». Неудивительно, что космическая гонка стала ожесточённой.

Для наглядности, в таблице ниже представлены даты запуска и основные массо-габаритные характеристики первых искусственных спутников Земли.

Дата запуска	Название	Страна	Габариты	Масса, кг
04.10.1957	Спутник-1	СССР	~58 см (без антенн)	83,6
03.11.1957	Спутник-2	СССР	2 м х 4 м	508
01.02.1958	Explorer 1	США	около 1 м в длину	21,5
17.03.1958	Vanguard-I	США	16,3 см (без антенн)	1,474
26.03.1958	Explorer 3	США	около 2 м в длину	13,97
15.05.1958	Спутник-3	СССР	1,73 м х 3,57 м	1327

Отголоски ожесточённости гонки слышны и сейчас. Так, в 2015 году (№138) журнал National Geographic Россия напечатал короткую, но весьма примечательную своей непрофессиональной ангажированностью заметку «Спутник „Авангард-1“: всё ещё в авангарде». Привожу её полностью: «Размером с дыню и весом около килограмма, „Авангард-1“ стал первым спутником на солнечных батареях и важным шагом США в космической гонке. Пытаясь догнать Советский Союз, запустивший в 1957 году „Спутник-1“ и „Спутник-2“, США отправили на орбиту „Авангард-1“ 17 марта 1958 года. Хрущев уничижительно называл его „грейпфрутом“. Однако более крупные „Спутники“ сошли с орбиты и сгорели при вхождении в атмосферу в 1958 году, а „Авангард-1“ летает до сих пор. Он прекратил передачу данных в 1964 году, когда отказали последние фотоэлементы. Но устройство удерживает титул старейшего искусственного спутника на орбите и, по прогнозам, продержится там еще около 240 лет» (конец цитаты) . При всём уважении к National Geographic и американским разработчикам «Авангарда-I», думаю, что здесь комментарии излишни.

Вернёмся к транзисторам. Как мы уже отмечали, некоторые авторы утверждали, что транзисторы появились уже на Спутнике-1, причём приводили даже тип транзистора - П401 , . Сайт тоже приводит это утверждение, хотя и делает оговорку, что более вероятно применение стержневых радиоламп. Долгое время на разных форумах разные энтузиасты пытались понять, что к чему, но разобраться было практически невозможно вплоть до появления публикации ОАО «Российские космические системы» (ранее НИИ-885) отчёта по Спутнику-1. Текста этой публикации у меня нет, но её цитируют в журнале «Радио» (№ 4, 2013) , там же приводят схему передатчика первого искусственного спутника Земли:

Рис. 12 Схема основного передатчика «Спутника-1» на 20 МГц

На схеме нет ни одного транзистора, зато есть стержневые радиолампы 2П19Б. Получается, правы те, кто считает, что первые транзисторы появились только в американском Explorer 1?

Рис. 13 Уильям Пикеринг, Джеймс Ван Аллен и Вернер фон Браун демонстрируют полномасштабную модель спутника Explorer 1 на пресс-конференции в Вашингтоне после подтверждения вывода спутника на орбиту

Рис. 14 Джордж Людвиг с резервной копией Explorer 1

Этот вопрос напрямую задали Джорджу Людвигу, разработчику систем Explorer 1 . Он ответил, что раньше действительно так считал, но затем исследовал этот вопрос подробнее и выяснил, что хотя Советы не использовали транзисторов в Спутнике-1, они использовали их в одном из приборов Спутника-2, запущенного в ноябре 1957 года. Людвиг сетует: «Конечно, у них (у Советов) была намного больше вместимость и их носители могли выводить вакуумные лампы и нужные им батареи». При этом он подчёркивает, что Explorer 1 стал первым спутником, аппаратура которого была полностью на транзисторах (напомним, что устройств типа стержневых радиоламп в США в то время не было). Куратор интервью даёт ссылку на публикацию 2001 года , где утверждается следующее: „Спутник-2 был настоящей научной платформой, содержавшей различные электронные компоненты. В дополнение к радиопередатчику и кабине для Лайки, в нём были детекторы солнечного ультрафиолета и рентгеновских лучей, а на корпусе ракеты были смонтированы приборы для исследования космических лучей“. И далее: „Два идентичных детектора в эксперименте с космическими лучами работали как регистраторы сцинтилляций, обусловленных заряженными частицами. Импульсы подсчитывались полупроводниковой (на основе триодов) схемой...“. К сожалению, в статье нет ссылки на источник этой информации. Увы, в зарубежной литературе, случается, путают Спутник-2 и Спутник-3 (например, это произошло в , хотя в более ранней статье одного из соавторов путаницы нет ).

Так в каком же советском аппарате впервые использовали транзисторы? Достоверно известно только о Спутнике-3 . Спутник-2 запущен всего лишь через месяц после Спутника-1 - какова вероятность попадания на борт транзисторов, в любом качестве? Честно говоря, мала, учитывая не только отношение к транзисторам в руководстве СССР, но и другие соображения. Как уже отмечалось ранее, германиевые транзисторы (а именно их в основном выпускала советская промышленность и о них было известно достаточно, чтобы судить о надёжности) нестабильны в диапазоне температур, и там, где нужна температуры выше +85 o C, их не применяли. С другой стороны, американские германиевые транзисторы страдали от тех же болезней , но их в Explorer 1, по свидетельству Людвига, применяли наряду с кремниевыми, поскольку германиевые имели меньшее напряжение база-эмиттер (0,2 В против 0,5 В у кремниевых), поэтому в ряде схем с напряжением питания 2,8 В применяли именно их .

Первые транзисторные радиоприёмники

Позвольте, но откуда тогда упоминание транзистора П401 рядом со Спутником? На самом деле, учитывая рекомендованную частоту Спутника 40 МГц и тот факт, что граничная частота П401 составляла 30 МГц, трудно себе представить этот транзистор в качестве кандидата для установки на борт. Причина, по которой этот транзистор упоминается в контексте Спутника, может быть комичной. Помните ремарку о том, что в быту путают транзистор и транзисторный радиоприёмник? Так вот, в 1957 году на Воронежском радиозаводе стали выпускать радиоприёмник «Спутник», схема которого представлена ниже .

Рис. 15 Схема радиоприёмника «Спутник» (1957 г.)

В схеме без труда можно найти и П401, и П402, и другие транзисторы. Первые образцы были произведены в апреле 1957 года, за 5 месяцев до запуска Спутника-1. Корпус был выполнен из высушенной сосны, пропитанной спиртовым раствором целлюлозы, и обтянут декоративным пластиком.

Рис. 16 Транзисторный радиоприёмник «Спутник»

Габариты - 185х125х49 мм, вес с аккумуляторами - 950 г. На верхней грани корпуса находилась солнечная батарея! Стоимость аппарата составляла 514 рублей - это была примерно средняя зарплата рабочего в то время.

Так из-за недостатка данных по Спутникам произошла путаница со «Спутниками».

И что из этого следует?

В следующем 2017 году мы (Россия и весь мир) будем отмечать 60-летие запуска Первого и Второго искусственных спутников Земли. Хотелось бы обратиться к руководству АО «Российские Космические Системы» с предложением опубликовать к этому времени отчёт о системах «Спутника-2» и «Спутника-3», поскольку очевидно, что это имеет огромное историческое значение не только для космической отрасли, но и для электронной промышленности России, которая жива, несмотря ни на что.

Превосходство советской космической техники над американской невольно сыграло против развития отечественных транзисторов, поскольку были подходящие радиолампы, позволяющие решать имеющиеся задачи, не заботясь об экономии габаритов и массы так, как это приходилось делать американцам. В результате, оглядываясь назад, мы видим, насколько ушли вперёд автоматические космические системы НАСА, в настоящее время активно занимающиеся исследованием Солнечной системы (Марс, Юпитер, Сатурн, Плутон...). Не отстаёт и Европейское космическое агентство ЕКА, активно занимающееся малогабаритными спутниками (микро- и наноспутниками). Едва ли человек в ближайшие десятилетия освоит Солнечную систему, но это сможет сделать человеческий разум «руками» автоматических аппаратов, обладающих необходимым «интеллектом». После упадка 1990-2000 годов, несмотря на определённые успехи отечественных разработчиков, России остро не хватает собственных микросхем, способных решать вычислительные задачи современного уровня или даже уровня завтрашнего дня (ведь космические проекты планируются несколько лет) и обладающих при этом необходимой радиационной стойкостью и сбоеустойчивостью. И проблема здесь не столько в имеющемся технологическом отставании, сколько в отсутствии единого понимания облика таких вычислительных систем и, следовательно, в недостатке не только электронной компонентной базы, но и надёжного и эффективного программного обеспечения. Нельзя повторять ошибок прошлого - нужно учиться на них.

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.

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.

Одним из значительных изобретений XX века по праву считается изобретение транзистора , пришедшего на замену электронным лампам.

Долгое время лампы были единственным активным компонентом всех радиоэлектронных устройств, хотя и имели множество недостатков. Прежде всего, это большая потребляемая мощность, большие габариты, малый срок службы и малая механическая прочность. Эти недостатки все острее ощущались по мере усовершенствования и усложнения электронной аппаратуры.

Революционный переворот в радиотехнике произошел, когда на смену устаревшим лампам пришли полупроводниковые усилительные приборы - транзисторы, лишенные всех упомянутых недостатков.

Первый работоспособный транзистор появился на свет в 1947 году, благодаря стараниям сотрудников американской фирмы Bell Telephone Laboratories. Их имена теперь известны всему миру. Это ученые - физики У. Шокли, Д. Бардин и У. Брайтен. Уже в 1956 году за это изобретение все трое были удостоены нобелевской премии по физике.

Но, как и многие великие изобретения, транзистор был замечен не сразу. Лишь в одной из американских газет было упомянуто, что фирма Bell Telephone Laboratories продемонстрировала созданный ею прибор под названием транзистор. Там же было сказано, что его можно использовать в некоторых областях электротехники вместо электронных ламп.

Показанный транзистор имел форму маленького металлического цилиндрика длиной 13 мм и демонстрировался в приемнике, не имевшем электронных ламп. Ко всему прочему, фирма уверяла, что прибор может использоваться не только для усиления, но и для генерации или преобразования электрического сигнала.

Рис. 1. Первый транзистор

Рис. 2. Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Браттейн. За сотрудничество в разработке первого в мире действующего транзистора в 1948 году они разделили Нобелевскую премию 1956 года.

Но возможности транзистора, как, впрочем, и многих других великих открытий, были поняты и оценены не сразу. Чтобы вызвать интерес к новому прибору, фирма Bell усиленно рекламировала его на семинарах и в статьях, и предоставляла всем желающим лицензии на его производство.

Производители электронных ламп не видели в транзисторе серьезного конкурента, ведь нельзя было так сразу, одним махом, сбросить со счетов тридцатилетнюю историю производства ламп нескольких сотен конструкций, и многомиллионные денежные вложения в их развитие и производство. Поэтому транзистор вошел в электронику не так быстро, поскольку эпоха электронных ламп еще продолжалась.

Рис. 3. Транзистор и электронная лампа

Первые шаги к полупроводникам

С давних времен в электротехнике использовались в основном два вида материалов - проводники и диэлектрики (изоляторы). Способностью проводить ток обладают металлы, растворы солей, некоторые газы. Эта способность обусловлена наличием в проводниках свободных носителей заряда - электронов. В проводниках электроны достаточно легко отрываются от атома, но для передачи электрической энергии наиболее пригодны те металлы, которые обладают низким сопротивлением (медь, алюминий, серебро, золото).

К изоляторам относятся вещества с высоким сопротивлением, у них электроны очень крепко связаны с атомом. Это фарфор, стекло, резина, керамика, пластик. Поэтому свободных зарядов в этих веществах нет, а значит нет и электрического тока.

Здесь уместно вспомнить формулировку из учебников физики, что электрический ток это есть направленное движение электрически заряженных частиц под действием электрического поля. В изоляторах двигаться под действием электрического поля просто нечему.

Однако, в процессе исследования электрических явлений в различных материалах некоторым исследователям удавалось «нащупать» полупроводниковые эффекты. Например, первый кристаллический детектор (диод) создал в 1874 году немецкий физик Карл Фердинанд Браун на основе контакта свинца и пирита. (Пирит - железный колчедан, при ударе о кресало высекается искра, отчего и получил название от греческого «пир» - огонь). Позднее этот детектор с успехом заменил когерер в первых приемниках, что значительно повысило их чувствительность.

В 1907 году Беддекер, исследуя проводимость йодистой меди обнаружил, что ее проводимость возрастает в 24 раза при наличии примеси йода, хотя сам йод проводником не является. Но все это были случайные открытия, которым не могли дать научного обоснования. Систематическое изучение полупроводников началось лишь в 1920 - 1930 годы.

На заре производства транзисторов основным полупроводником являлся германий (Ge). В плане энергозатрат он весьма экономичен, напряжение отпирания его pn - перехода составляет всего 0,1…0,3В, но вот многие параметры нестабильны, поэтому на замену ему пришел кремний (Si).

Температура, при которой работоспособны германиевые транзисторы не более 60 градусов, в то время, как кремниевые транзисторы могут продолжать работать при 150. Кремний, как полупроводник, превосходит германий и по другим свойствам, прежде всего по частотным.

Кроме того, запасы кремния (обычный песок на пляже) в природе безграничны, а технология его очистки и обработки проще и дешевле, нежели редкого в природе элемента германия. Первый кремниевый транзистор появился вскоре после первого германиевого - в 1954 году. Это событие даже повлекло за собой новое название «кремниевый век», не надо путать с каменным!

Рис. 4. Эволюция транзисторов

Микропроцессоры и полупроводники. Закат «кремниевого века»

Вы никогда не задумывались над тем, почему в последнее время практически все компьютеры стали многоядерными? Термины двухъядерный или четырехъядерный у всех на слуху. Дело в том, что увеличение производительности микропроцессоров методом повышения тактовой частоты, и увеличения количества транзисторов в одном корпусе, для кремниевых структур практически приблизилось к пределу.

Увеличение количества полупроводников в одном корпусе достигается за счет уменьшения их физических размеров. В 2011 году фирма INTEL уже разработала 32 нм техпроцесс, при котором длина канала транзистора всего 20 нм. Однако, такое уменьшение не приносит ощутимого прироста тактовой частоты, как это было вплоть до 90 нм технологий. Совершенно очевидно, что пора переходить на что-то принципиально новое.

Напечатать