Historia odkrycia złącza pn, czyli jak powstał tranzystor. Streszczenie: Historia rozwoju tranzystorów

1956 W sztokholmskiej sali koncertowej trzej amerykańscy naukowcy John Bardeen, William Shockley i Walter Brattain odbierają Nagrodę Nobla „za badania nad półprzewodnikami i odkrycie efektu tranzystora” – prawdziwy przełom w dziedzinie fizyki. Odtąd ich imiona są wpisane na zawsze światowa nauka. Ale ponad 15 lat wcześniej, na początku 1941 roku, młody ukraiński naukowiec Wadim Laszkariew eksperymentalnie odkrył i opisał w swoim artykule zjawisko fizyczne, który, jak się później okazało, otrzymał imię i nazwisko przejście (p-dodatnie, n-ujemne). W swoim artykule ujawnił także mechanizm wtryskowy – najważniejsze zjawisko, na podstawie którego działają diody i tranzystory półprzewodnikowe.

Oficjalnie historia tranzystora wygląda następująco: pierwsza doniesienia prasowe o pojawieniu się półprzewodnikowego wzmacniacza tranzystorowego ukazała się w prasie amerykańskiej w lipcu 1948 roku. Jego wynalazcami są amerykańscy naukowcy Bardeen i Brattain.

Wybrali drogę stworzenia tak zwanego tranzystora punktowo-punktowego opartego na krysztale germanu typu n. Pierwszy zachęcający wynik otrzymali pod koniec 1947 roku. Jednak urządzenie zachowywało się niestabilnie, jego charakterystyka była nieprzewidywalna i dlatego tranzystor punktowo-punktowy nie znalazł praktycznego zastosowania. Przełom nastąpił w 1951 roku, kiedy William Shockley stworzył swój bardziej niezawodny tranzystor planarny typ n-p-n

, który składał się z trzech warstw germanu typu n, p i n, o łącznej grubości 1 cm. W ciągu kilku lat stało się oczywiste znaczenie wynalazku amerykańskich naukowców, którzy otrzymali Nagrodę Nobla. Na długo przed tym, nawet przed początkiem Wielkiego Wojna Ojczyźniana w 1941 r. Lashkarev przeprowadził serię udanych eksperymentów i odkrył skrzyżowanie р-n

Z naukowego punktu widzenia złącze pn to obszar przestrzeni na styku dwóch półprzewodników typu p i n, w którym następuje przejście z jednego rodzaju przewodnictwa na inny. Przewodność elektryczna materiału zależy od tego, jak mocno jądra jego atomów utrzymują elektrony. Zatem większość metali jest dobrymi przewodnikami, ponieważ mają ogromną liczbę elektronów słabo związanych z jądrem atomowym, które łatwo przyciągają ładunki dodatnie i odpychają ładunki ujemne. Poruszające się elektrony są nośnikami prądu elektrycznego. Z drugiej strony izolatory nie przepuszczają prądu, ponieważ znajdujące się w nich elektrony są ściśle związane z atomami i nie reagują na wpływ zewnętrznego pola elektrycznego.

Półprzewodniki zachowują się inaczej. Atomy w kryształach półprzewodników tworzą sieć, której zewnętrzne elektrony są powiązane siłami chemicznymi. W czystej postaci półprzewodniki są podobne do izolatorów: albo słabo przewodzą prąd, albo nie przewodzą wcale. Ale warto to dodać sieć krystaliczna niewielka liczba atomów niektórych pierwiastków (zanieczyszczeń), ponieważ ich zachowanie zmienia się radykalnie.

W niektórych przypadkach atomy zanieczyszczeń łączą się z atomami półprzewodnika, tworząc dodatkowe elektrony; nadmiar wolnych elektronów nadaje półprzewodnikowi ładunek ujemny. W innych przypadkach atomy zanieczyszczeń tworzą tak zwane „dziury”, które mogą „absorbować” elektrony. W ten sposób następuje niedobór elektronów i półprzewodnik staje się naładowany dodatnio. W odpowiednich warunkach półprzewodniki mogą przewodzić prąd elektryczny. Ale w przeciwieństwie do metali przewodzą go na dwa sposoby. Ujemnie naładowany półprzewodnik ma tendencję do usuwania nadmiaru elektronów; jest to przewodnictwo typu n (od ujemnego). Nośnikami ładunku w półprzewodnikach tego typu są elektrony. Z drugiej strony, dodatnio naładowane półprzewodniki przyciągają elektrony, wypełniając „dziury”. Kiedy jednak jedna „dziura” zostanie wypełniona, w pobliżu pojawia się kolejna – opuszczona przez elektron. W ten sposób „dziury” tworzą przepływ ładunku dodatniego, który jest skierowany w kierunku przeciwnym do ruchu elektronów. Jest to przewodność typu p (od dodatniego do dodatniego). W obu typach półprzewodników tzw. nośniki ładunku niewiększościowego (elektrony w półprzewodnikach typu p i „dziury” w półprzewodnikach typu n) podtrzymują prąd w kierunku przeciwnym do ruchu większościowych nośników ładunku.

Wprowadzając zanieczyszczenia do kryształów germanu lub krzemu, można stworzyć materiały półprzewodnikowe o pożądanych właściwościach elektrycznych. Na przykład wprowadzenie niewielkiej ilości fosforu generuje wolne elektrony, a półprzewodnik uzyskuje przewodność typu n. Z drugiej strony dodanie atomów boru tworzy dziury i materiał staje się półprzewodnikiem typu p.

Później okazało się, że półprzewodnik, do którego wprowadzane są zanieczyszczenia, nabywa właściwość przepuszczania prądu elektrycznego, tj. ma przewodność, której wartość może pod pewnym wpływem zmieniać się w szerokich granicach.

Kiedy w USA znaleziono metodę przeprowadzenia takiego efektu elektrycznie, pojawił się tranzystor (od oryginalna nazwa transrezystor). Fakt, że w 1941 roku Lashkarev opublikował wyniki swoich odkryć w artykułach „Badanie warstw barierowych metodą sondy termicznej” i „Wpływ zanieczyszczeń na efekt fotoelektryczny zaworu w tlenku miedzi” (współautorstwo z kolegą K.M. Kosonogovą ) nie powstał z powodu wojny, doszła do wiadomości świata naukowego. Prawdopodobnie, który zaczął się „ zimna wojna" i opadł na Związek Radziecki„Żelazna kurtyna” przyczyniła się do tego, że Laszkariew nigdy nie został laureatem Nagrody Nobla. Nawiasem mówiąc, Laszkariew podczas wojny na Syberii opracował diody miedziane, które były używane w wojskowych stacjach radiowych i osiągnęły produkcję przemysłową.

Oprócz dwóch pierwszych prac Lashkarev we współpracy z V.I. Lyashenko opublikował w 1950 r. artykuł „Stany elektroniczne na powierzchni półprzewodnika”, w którym opisano wyniki badań zjawisk powierzchniowych w półprzewodnikach, co stało się podstawą do opracowania działanie układów scalonych opartych na tranzystorach polowych.

W latach 50. Lashkarevowi udało się także rozwiązać problem masowego odrzucania monokryształów germanu. Sformułował w nowy sposób wymagania techniczne do tego elementu, ponieważ poprzednie były nieuzasadnione zawyżone. Dokładne badania przeprowadzone przez Lashkareva i Miseluka w Instytucie Fizyki Akademii Nauk Ukraińskiej SRR w Kijowie wykazały, że osiągnięty już poziom technologii monokrystalicznej germanu umożliwił stworzenie diod i triod punktowych o niezbędnych charakterystykach. Umożliwiło to przyspieszenie produkcji przemysłowej pierwszych diod i tranzystorów germanowych w byłym ZSRR.

Tak więc pod przewodnictwem Lashkareva na początku lat 50. zorganizowano w ZSRR produkcję pierwszych tranzystorów typu punkt-punkt.

Założony przez V.E. Szkoła naukowa Lashkareva w dziedzinie fizyki półprzewodników staje się jedną z wiodących w ZSRR. Uznaniem wybitnych wyników było utworzenie w 1960 roku Instytutu Półprzewodników Akademii Nauk Ukraińskiej SRR, na którego czele stał V.E. Laszkarew.

„Przyjdzie czas, kiedy na tym krysztale, który pokazał nam Wadim Jewgiejewicz, będzie można postawić cały komputer!” , - przewidywał akademik Siergiej Lebiediew, który stworzył pierwszy komputer w Europie kontynentalnej - MESM. I tak się stało. Stało się to jednak ponad dwadzieścia lat później, kiedy pojawiły się duże układy scalone LSI, zawierające dziesiątki i setki tysięcy tranzystorów w chipie, a później ultraduże układy scalone VLSI z wieloma milionami komponentów w chipie, co otworzyło drogę dla człowieka do ery informacji. Pierwszą znaną próbę stworzenia wzmacniacza kryształowego w Stanach Zjednoczonych podjął niemiecki fizyk Julius Lilienfeld, który opatentował go w latach 1930, 1932 i 1933. trzy opcje wzmacniacza oparte na siarczku miedzi. W 1935 roku niemiecki naukowiec Oskar Heil otrzymał brytyjski patent na wzmacniacz oparty na pięciotlenku wanadu. W 1938 roku niemiecki fizyk Pohl stworzył działający przykład wzmacniacza kryształowego opartego na ogrzanym krysztale bromku potasu. W latach przedwojennych wydano jeszcze kilka podobnych patentów w Niemczech i Anglii. Wzmacniacze te można uznać za prototyp nowoczesnych tranzystorów polowych. Nie udało się jednak zbudować stabilnie działających urządzeń, gdyż w tamtym czasie nie było jeszcze wystarczającej ilości czystych materiałów i technologii do ich przetwarzania. W pierwszej połowie lat trzydziestych triody punktowe wykonało dwóch radioamatorów – Kanadyjczyk Larry Kaiser i trzynastoletni nowozelandzki uczeń Robert Adams. W czerwcu 1948 roku (zanim odkryto tranzystor) niemieccy fizycy Robert Pohl i Rudolf Hilsch, którzy wówczas mieszkali we Francji, stworzyli własną wersję punktowej triody germanowej, którą nazwali tranzytem. Na początku 1949 roku zorganizowano produkcję tranzytów, które znalazły zastosowanie w sprzęcie telefonicznym i działały lepiej i dłużej niż tranzystory amerykańskie. W Rosji w latach 20 Niżny Nowogród O.V. Losev zaobserwował efekt tranzystora w układzie trzech do czterech styków na powierzchni krzemu i korborundu. W połowie 1939 roku napisał: „...przy pomocy półprzewodników można zbudować układ trójelektrodowy podobny do triody”, ale to, co odkrył, poniosło go i nie zrealizował tego pomysłu. Wiele dróg prowadziło do tranzystora.

PIERWSZY TRANZYSTOR

Powyższe przykłady projektów i próbki tranzystorów powstały w wyniku lokalnych wybuchów myśli ludzi utalentowanych lub szczęśliwców, nie popartych wystarczającym wsparciem ekonomicznym i organizacyjnym i nie odegrały poważnej roli w rozwoju elektroniki. W lepszych warunkach znaleźli się J. Bardeen, W. Brattain i W. Shockley. Pracowali nad jedynym na świecie celowym, długoterminowym (ponad 5 lat) programem, przy wystarczającym wsparciu finansowym i materialnym, w Bell Telephone Laboratories, wówczas jednym z najpotężniejszych i najbardziej wymagających wiedzy w USA. Ich prace rozpoczęły się w drugiej połowie lat trzydziestych, pracami kierował Joseph Becker, który przyciągnął do nich wysoko wykwalifikowanego teoretyka W. Shockleya i genialnego eksperymentatora W. Brattaina. W 1939 roku Shockley przedstawił pomysł zmiany przewodności cienkiej płytki półprzewodnika (tlenku miedzi) poprzez przyłożenie do niej zewnętrznego pola elektrycznego. Przypominało to zarówno patent Yu Lilienfelda, jak i tranzystor polowy, który później powstał i stał się powszechny. W 1940 roku Shockley i Brattain zgodzili się dobra decyzja ograniczyć jedynie badania proste elementy- german i krzem. Wszelkie próby zbudowania wzmacniacza półprzewodnikowego spełzły jednak na niczym i po Pearl Harbor (praktycznym początku II wojny światowej dla Stanów Zjednoczonych) zostały odłożone na półkę. Shockley i Brattain zostali wysłani do centrum badawczego pracującego nad radarem. W 1945 roku obaj wrócili do Bell Labs. Tam pod przewodnictwem Shockleya utworzono silny zespół fizyków, chemików i inżynierów do pracy nad urządzeniami półprzewodnikowymi. Byli wśród nich W. Brattain i fizyk teoretyczny J. Bardeen. Shockley ukierunkował grupę na realizację przedwojennego pomysłu. Ale urządzenie uparcie odmawiało działania, a Shockley, poinstruując Bardeena i Brattaina, jak doprowadzić je do skutku, sam praktycznie unikał tego tematu. Dwa lata ciężkiej pracy przyniosły same negatywne skutki. Bardeen zasugerował, że nadmiar elektronów był mocno osadzony w obszarach przypowierzchniowych i ekranował pole zewnętrzne. Hipoteza ta skłoniła do dalszych działań. Płaską elektrodę kontrolną zastąpiono końcówką, starając się lokalnie oddziaływać na cienką warstwę powierzchniową półprzewodnika.

Pewnego dnia Brattain przypadkowo zbliżył do siebie dwie elektrody w kształcie igieł na powierzchni germanu, a także pomieszał polaryzację napięć zasilających i nagle zauważył wpływ prądu jednej elektrody na prąd drugiej. Bardin natychmiast docenił błąd. A 16 grudnia 1947 r. Wprowadzili na rynek wzmacniacz półprzewodnikowy, uważany za pierwszy na świecie tranzystor. Zaprojektowano go bardzo prosto – płytka germanowa leżała na metalowym podłożu-elektodzie, o którą opierały się dwa blisko siebie (10-15 mikronów) styki. Pierwotnie te kontakty zostały nawiązane. Trójkątny plastikowy nóż owinięty złotą folią, przecięty na pół brzytwą na wierzchołku trójkąta. Trójkąt został dociśnięty do germanowej płytki za pomocą specjalnej sprężyny wykonanej z zakrzywionego materiału spinacz do papieru . Tydzień później, 23 grudnia 1947 roku, urządzenie zademonstrowano kierownictwu firmy, dzień ten uważa się za datę narodzin tranzystora. Wszyscy byli zadowoleni z wyniku, z wyjątkiem Shockleya: okazało się, że on, który jako pierwszy wymyślił wzmacniacz półprzewodnikowy, kierował grupą specjalistów i wykładał im kwantową teorię półprzewodników, nie brał udziału w jego tworzeniu. A tranzystor nie okazał się taki, jak zamierzał Shockley: bipolarny, a nie polowy. Nie mógł zatem powoływać się na współautorstwo patentu „gwiazdowego”. Urządzenie działało, ale tej pozornie niezręcznej konstrukcji nie można było pokazać opinii publicznej. Wykonaliśmy kilka tranzystorów w postaci metalowych cylindrów o średnicy około 13 mm. i zamontowałem na nich „tubeless” odbiornik radiowy. 30 czerwca 1948 roku w Nowym Jorku odbyła się oficjalna prezentacja nowego urządzenia - tranzystora (od angielskiego Transver Resistor - transformator oporowy). Ale eksperci nie od razu docenili jego możliwości. Eksperci z Pentagonu „skazali” tranzystor na stosowanie wyłącznie w aparatach słuchowych dla osób starszych. Tak więc krótkowzroczność wojska uchroniła tranzystor przed klasyfikacją. Prezentacja przeszła niemal niezauważona; jedynie kilka akapitów na temat tranzystora ukazało się w „New York Timesie” na stronie 46 w dziale „Wiadomości radiowe”. Tak oto ukazało się światu jedno z największych odkryć XX wieku. Nawet producenci lamp próżniowych, którzy zainwestowali w swoje fabryki wiele milionów, nie widzieli zagrożenia w wyglądzie tranzystora. Później, w lipcu 1948 roku, w czasopiśmie „The Physical Review” ukazała się informacja o tym wynalazku. Ale dopiero po pewnym czasie eksperci zdali sobie sprawę, że miało miejsce doniosłe wydarzenie, które zadecydowało o dalszym rozwoju postępu na świecie. Bell Labs natychmiast złożyło patent na ten rewolucyjny wynalazek, jednak było wiele problemów z technologią. Pierwsze tranzystory, które trafiły do sprzedaży w 1948 roku, nie napawały optymizmem – gdy tylko nimi potrząśnię, wzmocnienie zmieniało się kilkukrotnie, a po podgrzaniu w ogóle przestały działać. Ale nie mieli sobie równych pod względem miniaturowych rozmiarów. W oprawkach okularów można umieścić urządzenia dla osób z wadą słuchu! Zdając sobie sprawę, że samodzielnie nie jest w stanie uporać się ze wszystkimi problemami technologicznymi, Bell Labs zdecydowało się na nietypowy krok. Na początku 1952 roku ogłosiła, że udzieli całkowitej licencji na prawa do produkcji tranzystorów każdej firmie skłonnej zapłacić skromną sumę 25 000 dolarów zamiast zwykłych opłat patentowych, a także oferowała kursy szkoleniowe w zakresie technologii tranzystorowej, pomagając w rozpowszechnianiu tej technologii na całym świecie. świat. Znaczenie tego miniaturowego urządzenia stopniowo stawało się coraz wyraźniejsze. Tranzystor okazał się atrakcyjny z następujących powodów: był tani, miniaturowy, trwały, pobierał mało prądu i natychmiast się włączał (lampy długo się nagrzewały). W 1953 roku pojawił się na rynku pierwszy komercyjny produkt tranzystorowy – aparat słuchowy (pionierem w tej branży był John Kilby z Centralab, który kilka lat później wyprodukował pierwszy na świecie chip półprzewodnikowy), a w październiku 1954 roku pierwszy tranzystor radio Regency TR1 wykorzystywało tylko cztery tranzystory germanowe. Przemysł technologii komputerowej natychmiast zaczął opanowywać nowe urządzenia, z których pierwszym był IBM. Dostępność technologii zaowocowała – świat zaczął się szybko zmieniać.

Kto stworzył pierwszy tranzystor? To pytanie niepokoi wiele osób. Pierwszy patent na zasadę tranzystora polowego został złożony w Kanadzie 22 października 1925 r. przez austro-węgierskiego fizyka Juliusa Edgara Lilienfelda, ale Lilienfeld nie opublikował żadnych prac naukowych na temat swoich urządzeń, a jego prace zostały zignorowane przez przemysł. Tym samym pierwszy na świecie tranzystor zniknął w historii. W 1934 roku niemiecki fizyk dr Oskar Heil opatentował kolejny tranzystor polowy. Nie ma bezpośrednich dowodów na to, że te urządzenia zostały zbudowane, ale późniejsze prace przeprowadzone w latach 90. XX wieku wykazały, że jeden z projektów Lilienfelda działał zgodnie z opisem i przyniósł znaczące rezultaty. Obecnie jest znanym i powszechnie akceptowanym faktem, że William Shockley i jego asystent Gerald Pearson stworzyli działające wersje aparatu na podstawie patentów Lilienfelda, o czym oczywiście nigdy nie wspomniano w żadnej z ich późniejszych prac naukowych ani artykułów historycznych. Pierwsze komputery tranzystorowe powstały oczywiście znacznie później.

Laboratoria Bella

Laboratoria Bell Labs pracowały nad tranzystorem przeznaczonym do wytwarzania „kryształowych” diod miksujących z niezwykle czystego germanu, stosowanych w instalacjach radarowych jako element mieszacza częstotliwości. Równolegle do tego projektu było wiele innych, w tym tranzystor oparty na diodach germanowych. Wczesne obwody lampowe nie miały funkcji szybkiego przełączania i zespół Bell zamiast tego zastosował diody półprzewodnikowe. Pierwsze komputery tranzystorowe działały na podobnej zasadzie.

Dalsze badania Shockleya

Po wojnie Shockley postanowił spróbować zbudować urządzenie półprzewodnikowe przypominające triodę. Zapewnił fundusze i przestrzeń laboratoryjną, a następnie zaczął pracować nad problemem z Bardeenem i Brattenem. John Bardeen ostatecznie opracował nową gałąź mechaniki kwantowej, znaną jako fizyka powierzchni, aby wyjaśnić swoje wczesne niepowodzenia, a naukowcom ostatecznie udało się stworzyć działające urządzenie.

Kluczem do rozwoju tranzystora było dalsze zrozumienie procesu ruchliwości elektronów w półprzewodniku. Udowodniono, że gdyby istniał sposób kontrolowania przepływu elektronów z emitera do kolektora tej nowo odkrytej diody (odkryta w 1874 r., opatentowana w 1906 r.), można by zbudować wzmacniacz. Na przykład, jeśli umieścisz styki po obu stronach jednego rodzaju kryształu, nie będzie przez niego przepływał żaden prąd.

W rzeczywistości wykonanie tego okazało się bardzo trudne. Rozmiar kryształu musiałby być bardziej przeciętny, a liczba rzekomych elektronów (lub dziur), które należało „wstrzyknąć”, byłaby bardzo duża, co czyniłoby go mniej użytecznym niż wzmacniacz, ponieważ wymagałby dużego prądu wtrysku. Jednak cała idea diody kryształowej polegała na tym, że sam kryształ mógł utrzymać elektrony w bardzo małej odległości, będąc prawie na skraju wyczerpania. Najwyraźniej kluczem było trzymanie pinów wejściowych i wyjściowych bardzo blisko siebie na powierzchni chipa.

dzieła Brattena

Bratten rozpoczął pracę nad stworzeniem takiego urządzenia, a gdy zespół pracował nad problemem, nadal pojawiały się oznaki powodzenia. Wynalazek - trudna praca. Czasami system działa, ale potem pojawia się kolejna awaria. Czasami wyniki Brattena zaczęły nieoczekiwanie działać w wodzie, najwyraźniej ze względu na jej wysoką przewodność. Elektrony w dowolnej części kryształu migrują pod wpływem pobliskich ładunków. Elektrony w emiterach lub „dziurach” w kolektorach gromadziły się bezpośrednio na górze kryształu, gdzie otrzymywały przeciwny ładunek, „unosząc się” w powietrzu (lub wodzie). Można je jednak zepchnąć z powierzchni, przykładając niewielką ilość ładunku z dowolnego miejsca na krysztale. Zamiast wymagać dużej podaży wstrzykniętych elektronów, bardzo mała liczba w odpowiednim miejscu kryształu osiągnie ten sam cel.

Nowe doświadczenia badaczy w pewnym stopniu pomogły rozwiązać napotkany wcześniej problem małego obszaru kontrolnego. Zamiast konieczności stosowania dwóch oddzielnych półprzewodników połączonych wspólnym, ale niewielkim obszarem, wykorzystana zostanie jedna duża powierzchnia. Wyjścia emitera i kolektora znajdowałyby się na górze, a przewód sterujący u podstawy chipa. Kiedy prąd został przyłożony do zacisku „bazowego”, elektrony byłyby przepychane przez blok półprzewodnika i gromadzone na dalszej powierzchni. Dopóki emiter i kolektor znajdowały się bardzo blisko siebie, powinno to zapewnić wystarczającą liczbę elektronów lub dziur między nimi, aby rozpocząć przewodzenie.

Aneksja Bray

Pierwszym świadkiem tego zjawiska był Ralph Bray, młody student. Przyłączył się do prac nad tranzystorem germanowym na Uniwersytecie Purdue w listopadzie 1943 roku i otrzymał trudne zadanie pomiaru rezystancji upływu na styku metal-półprzewodnik. Bray odkrył wiele anomalii, takich jak wewnętrzne bariery o wysokiej odporności, w niektórych próbkach germanu. Najciekawszym zjawiskiem była wyjątkowo niska rezystancja zaobserwowana po przyłożeniu impulsów napięcia. Pierwsze radzieckie tranzystory zostały opracowane na podstawie tych amerykańskich osiągnięć.

Wyłom

16 grudnia 1947 r. za pomocą dwupunktowego kontaktu dokonano kontaktu z powierzchnią germanu anodowaną na dziewięćdziesiąt woltów, elektrolit przemyto H2O, a następnie spadło na niego kilka złotych plam. Złote styki dociśnięto do gołych powierzchni. Odległość między punktami wynosiła około 4 × 10 -3 cm. Jeden punkt wykorzystano jako siatkę, a drugi jako płytkę. Odchylenie (DC) w siatce musiało być dodatnie, aby uzyskać przyrost mocy napięciowej przy polaryzacji płyty wynoszący około piętnastu woltów.

Wynalezienie pierwszego tranzystora

Z historią tego cudownego mechanizmu wiąże się wiele pytań. Niektóre z nich są czytelnikowi znane. Na przykład: dlaczego pierwsze tranzystory w ZSRR były typu PNP? Odpowiedź na to pytanie kryje się w kontynuacji całej historii. Bratten i H.R. Moore zademonstrowali kilku kolegom i menedżerom w Bell Labs po południu 23 grudnia 1947 r. osiągnięte przez siebie wyniki, dlatego też ten dzień jest często wymieniany jako data narodzin tranzystora. Tranzystor germanowy ze stykiem PNP pracował jako wzmacniacz mowy o wzmocnieniu mocy 18. To jest odpowiedź na pytanie, dlaczego pierwsze tranzystory w ZSRR były typu PNP, ponieważ kupowano je od Amerykanów. W 1956 roku John Bardeen, Walter Hauser Bratten i William Bradford Shockley otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za badania nad półprzewodnikami i odkrycie efektu tranzystorowego.

Wspomniano, że w wynalezienie tranzystora w Bell Labs bezpośrednio zaangażowanych było dwanaście osób.

Pierwsze tranzystory w Europie

W tym samym czasie ideą wzmacniaczy półprzewodnikowych zainteresowali się niektórzy europejscy naukowcy. W sierpniu 1948 roku niemieccy fizycy Herbert F. Mathare i Heinrich Welker pracujący w Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse w Aulnay-sous-Bois we Francji złożyli wniosek o patent na wzmacniacz oparty na mniejszości, którą nazywali „tranzystorem”. Ponieważ Bell Labs opublikowało tranzystor dopiero w czerwcu 1948 roku, uznano, że tranzystor został opracowany niezależnie. Mataré po raz pierwszy zaobserwował efekty transkonduktancji podczas produkcji diod krzemowych do niemieckiego sprzętu radarowego podczas II wojny światowej. Tranzystory były produkowane komercyjnie dla francuskiej firmy telefonicznej i wojska, a w 1953 roku w stacji radiowej w Düsseldorfie zademonstrowano radio półprzewodnikowe z czterema tranzystorami.

Laboratoria Bell Telephone Laboratories potrzebowały nazwy dla nowego wynalazku: rozważano triodę półprzewodnikową, triodę stanów wypróbowanych, triodę kryształową, triodę stałą i jotatron, ale „tranzystor” wymyślony przez Johna R. Pierce’a był wyraźnym zwycięzcą wewnętrznego głosuj (częściowo dzięki bliskości inżynierów Bella z przyrostkiem „-histor”).

Pierwsza na świecie komercyjna linia do produkcji tranzystorów znajdowała się w fabryce Western Electric Union Boulevard w Allentown w Pensylwanii. Produkcja rozpoczęła się 1 października 1951 roku od punktowego tranzystora germanowego.

Dalsze użytkowanie

Do początku lat pięćdziesiątych XX wieku tranzystor ten był używany we wszystkich rodzajach produkcji, jednak nadal istniały poważne problemy uniemożliwiające jego szersze zastosowanie, takie jak wrażliwość na wilgoć i kruchość drutów przymocowanych do kryształów germanu.

Shockleya często oskarżano o plagiat ze względu na to, że jego dzieło było tak bliskie twórczości wielkiego, choć nierozpoznanego węgierskiego inżyniera. Jednak prawnicy Bell Labs szybko rozwiązali tę kwestię.

Shockley był jednak oburzony atakami krytyków i postanowił wykazać, kto był prawdziwym mózgiem całej wielkiej epopei dotyczącej wynalezienia tranzystora. Zaledwie kilka miesięcy później wynalazł zupełnie nowy typ tranzystora o bardzo charakterystycznej „strukturze kanapkowej”. Ta nowa forma była znacznie bardziej niezawodna niż kruchy układ styków punktowych i ostatecznie została zastosowana we wszystkich tranzystorach w latach sześćdziesiątych. Wkrótce rozwinął się w bipolarny aparat złączowy, który stał się podstawą pierwszego tranzystora bipolarnego.

Statyczne urządzenie indukcyjne, pierwsza koncepcja tranzystora wysokiej częstotliwości, zostało wynalezione przez japońskich inżynierów Jun-ichi Nishizawę i Y. Watanabe w 1950 r., a w 1975 r. udało mu się ostatecznie stworzyć eksperymentalne prototypy. Był to najszybszy tranzystor lat 80-tych XX wieku.

Dalsze udoskonalenia obejmowały rozszerzone złącza, barierę powierzchniową, urządzenia dyfuzyjne oraz urządzenia tetrodowe i pentodowe. „Tranzystor mesa” z krzemu dyfuzyjnego został opracowany w 1955 roku w firmie Bell i dostępny na rynku przez Fairchild Semiconductor w 1958 roku. Space był rodzajem tranzystora opracowanym w latach pięćdziesiątych XX wieku jako ulepszenie w stosunku do tranzystora punktowego i późniejszego tranzystora stopowego.

W 1953 roku Philco opracował pierwsze na świecie urządzenie do bariery powierzchniowej o wysokiej częstotliwości, które było jednocześnie pierwszym tranzystorem odpowiednim dla szybkich komputerów. Pierwsze na świecie tranzystorowe radio samochodowe, wyprodukowane przez firmę Philco w 1955 roku, wykorzystywało w swoich obwodach tranzystory z barierą powierzchniową.

Rozwiązywanie problemów i doskonalenie

Po rozwiązaniu problemów kruchości pozostał problem czystości. Doprowadzenie germanu do wymaganej czystości okazało się dużym wyzwaniem i ograniczyło liczbę tranzystorów, które faktycznie pracowały z danej partii materiału. Wrażliwość germanu na temperaturę również ogranicza jego użyteczność.

Naukowcy wysnuli teorię, że krzem byłby łatwiejszy do wytworzenia, ale niewielu zbadało taką możliwość. Morris Tanenbaum z Bell Laboratories jako pierwszy opracował działający tranzystor krzemowy 26 stycznia 1954 roku. Kilka miesięcy później Gordon Teal, pracujący niezależnie w Texas Instruments, opracował podobne urządzenie. Obydwa te urządzenia zostały wykonane poprzez kontrolowanie domieszkowania pojedynczych kryształów krzemu hodowanych ze stopionego krzemu. Metoda wyższego poziomu została opracowana przez Morrisa Tanenbauma i Calvina S. Fullera w Bell Laboratories na początku 1955 roku poprzez gazową dyfuzję zanieczyszczeń donorowych i akceptorowych do monokrystalicznych kryształów krzemu.

Tranzystory polowe

Tranzystor polowy został po raz pierwszy opatentowany przez Julisa Edgara Lilienfelda w 1926 r. i Oskara Heila w 1934 r., ale praktyczne urządzenia półprzewodnikowe (tranzystory polowe złączowe) opracowano później, po zaobserwowaniu i wyjaśnieniu efektu tranzystora przez zespół Williama Shockleya w Bell Labs w 1947 r. , bezpośrednio po upływie dwudziestoletniego okresu patentowego.

Pierwszym typem tranzystora JFET był statyczny tranzystor indukcyjny (SIT), wynaleziony przez japońskich inżynierów Jun-ichi Nishizawę i Y. Watanabe w 1950 roku. SIT to rodzaj JFET z krótką długością kanału. Półprzewodnikowy tranzystor polowy z tlenkiem metalu i półprzewodnikiem (MOSFET), który w dużej mierze wyparł JFET i miał ogromny wpływ na rozwój elektroniki elektronicznej, został wynaleziony przez Dauna Kahnga i Martina Atallę w 1959 roku.

Tranzystory polowe mogą być urządzeniami z większością ładunku, w których prąd jest przenoszony głównie przez nośniki większościowe, lub urządzeniami z nośnikami ładunku, w których prąd jest napędzany głównie przez przepływ nośników mniejszościowych. Urządzenie składa się z aktywnego kanału, przez który nośniki ładunku, elektrony lub dziury przepływają od źródła do drenu. Zaciski źródła i drenu są połączone z półprzewodnikiem za pomocą styków omowych. Przewodność kanału jest funkcją potencjału przyłożonego do zacisków bramki i źródła. Ta zasada działania dała początek pierwszym tranzystorom pełnofalowym.

Wszystkie tranzystory FET mają końcówki źródła, drenu i bramki, które w przybliżeniu odpowiadają emiterowi, kolektorowi i podstawie BJT. Większość tranzystorów FET ma czwarty zacisk zwany obudową, podstawą, uziemieniem lub podłożem. Czwarty zacisk służy do włączenia tranzystora. Rzadko zdarza się nietrywialne wykorzystanie końcówek pakietowych w obwodach, ale ich obecność jest ważna podczas konfigurowania fizycznego układu układu scalonego. Rozmiar bramy, długość L na schemacie, to odległość między źródłem a ujściem. Szerokość to rozszerzanie się tranzystora w kierunku prostopadłym do przekrój na schemacie (tj. do/z ekranu). Zazwyczaj szerokość jest znacznie większa niż długość bramy. Długość bramki 1 µm ogranicza górną częstotliwość do około 5 GHz, od 0,2 do 30 GHz.

Tranzystor wykonany jest na bazie półprzewodników. Przez długi czas nie były rozpoznawane, wykorzystywano je do tworzenia różne urządzenia tylko przewodniki i dielektryki. Takie urządzenia miały wiele wad: niską wydajność, wysokie zużycie energii i kruchość. Badanie właściwości półprzewodników było punktem zwrotnym w historii elektroniki.

Przewodnictwo elektronowe różnych substancji

Wszystkie substancje, zgodnie z ich zdolnością do przewodzenia prądu elektrycznego, są podzielone na trzy duże grupy: metale, dielektryki i półprzewodniki. Dielektryki zostały tak nazwane, ponieważ praktycznie nie są w stanie przewodzić prądu. Metale mają lepszą przewodność ze względu na obecność w nich wolnych elektronów, które poruszają się chaotycznie pomiędzy atomami. Po przyłożeniu zewnętrznego pola elektrycznego elektrony zaczną przemieszczać się w kierunku potencjału dodatniego. Przez metal przepłynie prąd.

Półprzewodniki są w stanie przewodzić prąd gorzej niż metale, ale lepiej niż dielektryki. W substancjach takich występują nośniki większościowe (elektrony) i mniejszościowe (dziury). ładunek elektryczny. Co ? Jest to brak jednego elektronu na zewnętrznym orbicie atomowym. Otwór może przechodzić przez materiał. Za pomocą specjalnych zanieczyszczeń, donora lub akceptora, można znacznie zwiększyć liczbę elektronów i dziur w materiale wyjściowym. Półprzewodnik N można utworzyć, tworząc nadmiar elektronów, a przewodnik p można utworzyć, wykorzystując nadmiar dziur.

Dioda i tranzystor

Dioda to urządzenie powstałe w wyniku połączenia półprzewodników n i p. Odegrał ogromną rolę w rozwoju radarów w latach 40. ubiegłego wieku. Zespół pracowników amerykańskiej firmy Bell pod przewodnictwem W.B. aktywnie badał jego możliwości. Shockleya. Ci ludzie w 1948 roku połączyli dwa kontakty z kryształem. Na końcach kryształu znajdowały się maleńkie miedziane punkty. Możliwości takiego urządzenia dokonały prawdziwej rewolucji w elektronice. Stwierdzono, że prąd płynący przez drugi styk można kontrolować (zwiększać lub osłabiać) za pomocą prądu wejściowego pierwszego styku. Było to możliwe pod warunkiem, że kryształ germanu był znacznie cieńszy niż miedziane końcówki.

Pierwsze tranzystory miały niedoskonałą konstrukcję i raczej słabą charakterystykę. Mimo to były znacznie lepsze od lamp próżniowych. Za ten wynalazek Shockley i jego zespół otrzymali Nagrodę Nobla. Już w 1955 roku pojawiły się tranzystory dyfuzyjne, których właściwości były kilkakrotnie lepsze od tranzystorów germanowych.

WŁADIMIR GAKOW, dziennikarz, pisarz science fiction, wykładowca. Absolwent wydziału fizyki Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego. Pracował w instytucie badawczym. Od 1984 roku w pracy twórczej. W latach 1990-1991 . – Profesor nadzwyczajny, Uniwersytet Środkowego Michigan. Od 2003 roku wykłada w Akademii Gospodarki Narodowej. Autor 8 książek i ponad 1000 publikacji

Historia tranzystorów
Petrels rewolucji krzemowej

Niedorzeczny błąd doprowadził do odkrycia, za które autorzy otrzymali Nagrodę Nobla.

Ponad sześćdziesiąt lat temu, 23 grudnia 1947 roku, trzech amerykańskich fizyków: William Shockley, John Bardeen, Walter Brattain zademonstrowało swoim kolegom nowe urządzenie - wzmacniacz półprzewodnikowy, czyli tranzystor. Była mniejsza, tańsza, mocniejsza i trwalsza od lamp radiowych, a w dodatku zużywała znacznie mniej energii. Jednym słowem odkrycie stało się prawdziwym prezentem świątecznym od trzech „Świętych Mikołajów” dla ludzkości – to właśnie od tego podstawowego elementu układów scalonych rozpoczęła się Wielka Rewolucja Krzemowa, która doprowadziła do pojawienia się „urządzeń osobistych”, które są powszechnie akceptowane dzisiaj.

Wszyscy trzej otrzymali zasłużoną Nagrodę Nobla, a Bardeenowi udało się później otrzymać drugą – w 1972 r., za stworzenie mikroskopowej teorii nadprzewodnictwa (wraz z Leonem Cooperem i Johnem Schriefferem – znacznie niższą). Losy Williama Shockleya były ogólnie bardzo ciekawe.

Wzmacniacz postępu technologicznego

Historia wynalezienia wzmacniaczy półprzewodnikowych – tranzystorów – była dramatyczna, mimo jej krótkotrwałości. Wszystko to mieściło się w dwóch powojennych dekadach, ale tak wiele w tym nie było! Oto niesamowite „loty” zawodników szczęśliwego trio: będąc dosłownie centymetry od odkrycia, nie zauważyli go i przeszli obok, łącznie z jaśniejącą nad nimi Nagrodą Nobla. Uczniowie tak dobrze opanowali pomysły nauczyciela, że omal nie zostawili go bez wspomnianej „Nagrody Nobla”, więc niezadowolony szef musiał w ciągu tygodnia dokonać niemożliwego, aby dogonić swój zbyt zwinny zespół. A sam tranzystor narodził się, jak to często bywa, w wyniku absurdalnej pomyłki jednego z bohaterów tej historii, wyczerpanego przedłużającą się passą niepowodzeń. I wreszcie nie mniej zdumiewająca „ślepota” środków masowego przekazu, które donosiły o jednej z głównych rewolucji technologicznych XX wieku… drobnym drukiem na ostatnich stronach!

Losy dwójki uczestników są dramatyczne wydarzenie historyczne. Straciwszy zainteresowanie odkrytą kopalnią złota, obaj skierowali się w inne kierunki. Ale Bardeen, jak już wspomniano, otrzymał drugą Nagrodę Nobla (a było ich w tej historii mnóstwo), a Shockley spotkał się z publicznym oburzeniem i ignorancją całej społeczności naukowej. Wcześniej stracił już swoich najlepszych pracowników. Po ucieczce z jego firmy i założeniu własnej, wzbogacili się i zasłynęli jako twórcy pierwszych układów scalonych.

To nie jest artykuł – czas napisać fascynującą powieść!

Ale wszystko jest w porządku. Tak więc w połowie ubiegłego wieku na porządku dziennym była kwestia zastąpienia nieporęcznych, kapryśnych, energochłonnych i krótkotrwałych lamp próżniowych czymś bardziej miniaturowym i wydajnym. Do rozwiązania tego problemu wybrano jednocześnie kilku naukowców i całe grupy badawcze.

Choć wszystko zaczęło się jeszcze wcześniej – w 1833 roku, kiedy Anglik Michael Faraday odkrył, że przewodność elektryczna siarczku srebra wzrasta po podgrzaniu. Prawie sto lat później, w 1926 roku, rodak Faradaya Julius Edgar Lilienfield otrzymał patent zatytułowany „Sposób i urządzenie do kontrolowania prądy elektryczne", właściwie przewidując, ale nigdy nie budując tranzystora. A po zakończeniu II wojny światowej specjaliści z firmy badawczej Bell Telephone Laboratories, której siedziba znajdowała się w Murray Hills (New Jersey), rozpoczęli badania właściwości przewodzących prąd materiałów półprzewodnikowych.

To tam, pod przewodnictwem wybitnego teoretyka Williama Shockleya, powstał jeden z pierwszych „think tanków” w historii amerykańskiej nauki. Jeszcze przed wojną Shockley próbował rozwiązać problem zwiększania przewodności półprzewodników za pomocą zewnętrznego pola elektrycznego. Szkic urządzenia w dzienniku pracy naukowca z 1939 r. bardzo przypominał obecny tranzystor polowy, ale testy zakończyły się niepowodzeniem.

Pod koniec wojny wielu kolegów Shockleya, a co najważniejsze, potencjalnych klientów i inwestorów – wielki biznes i przemysł obronny – uwierzyło w półprzewodniki. Byli pod wrażeniem opracowanych w czasie wojny radarów, które opierały się na detektorach półprzewodnikowych.

Przede wszystkim Shockley zaprosił swojego byłego kolegę z klasy, teoretyka Johna Bardeena, do Murray Hills, wabiąc go z uniwersytetu w prosty sposób: zaoferowano podwójną pensję. Oprócz nich dwóch w skład grupy wchodziło jeszcze pięciu specjalistów: teoretyk, dwóch eksperymentatorów, fizykochemik i inżynier elektronik. Kapitan tego zespołu naukowców postawił przed nimi ten sam problem, z którym borykał się przed wojną.

Jednak druga próba również zakończyła się wynikiem negatywnym: nawet silne pola zewnętrzne nie były w stanie zmienić przewodności elektrycznej półprzewodnikowych płytek krzemowych. Co prawda, tym razem Bardeen, który współpracował z eksperymentatorem Walterem Brattainem, z którym zaprzyjaźnił się na studiach (gdzie łączyła ich nie tylko praca, ale także wspólne hobby – golf), był w stanie przynajmniej wyjaśnić powód niepowodzenia.

Nie wchodząc w szczegóły techniczne, z teorii tzw. stanów powierzchniowych, którą stworzył, wynikało, że kontrolne płytki metalowe, za pomocą których naukowcy wpływali na próbkę półprzewodnika, nie mogły dać pożądanego efektu. Aby uzyskać wynik pozytywny, należy je wymienić na elektrody spiczaste (igłowe).

Przyjaciele i współpracownicy właśnie to zrobili i znowu nic. Wydawało się, że sprawa znalazła się w ślepym zaułku, ale wtedy zupełny pracoholik Brattain, o którym mówiono, że potrafi kręcić pokrętłami oscyloskopu 25 godzin na dobę („żeby mieć z kim pogadać”), niespodziewanie stracił panowanie nad sobą i popełnił niewybaczalny błąd jak na profesjonalistę. To, co tam źle połączył i jakie bieguny pomieszał, może zrozumieć i docenić tylko specjalista od fizyki; dla reszty ludzkości ważny jest wynik tego niefortunnego błędu, który stał się naprawdę złoty. Po podłączeniu elektrody w niewłaściwym miejscu Brattain ze zdziwieniem zauważył gwałtowny wzrost sygnału wejściowego: półprzewodnik zadziałał!

Nieudana premiera

Pierwszym, który od razu docenił piękno popełnionego błędu, był Bardin. Razem z Brattainem kontynuował podążanie w „złym” kierunku, rozpoczynając eksperymenty z kryształem germanu, który miał większy opór niż krzem. A 16 grudnia 1947 roku przyjaciele zademonstrowali reszcie grupy pierwszy wzmacniacz półprzewodnikowy, nazwany później tranzystorem punktowo-punktowym.

Był to paskudnie wyglądający pręt germanowy, z którego wystały zwinięte anteny-elektrody. Oczywiście w tamtym czasie tylko Bardeen rozumiał dokładnie, jak to działa: hipoteza, którą wysunął w pogoni za wstrzykiwaniem (emisją) ładunków przez jedną elektrodę (emiter) i ich gromadzeniem przez drugą elektrodę (kolektor), została wysłuchana przez jego koledzy w zdumionym milczeniu. Eksperci rozumieli, że na potwierdzenie teoretycznej poprawności Bardeena trzeba było czekać latami.

Oficjalna prezentacja nowego urządzenia odbyła się tydzień później, we wtorek przed Bożym Narodzeniem, 23 grudnia i data ta przeszła do historii jako dzień odkrycia efektu tranzystorowego. Obecne było całe najwyższe kierownictwo Bell Telephone Laboratories, które od razu doceniło góry złota, jakie obiecał firmie nowy wynalazek – zwłaszcza w dziedzinie radiokomunikacji i telefonii.

Tylko przywódca grupy, trawiony zazdrością, był w ponurym nastroju. Shockley uważał się za autora pomysłu na tranzystor; jako pierwszy nauczył swoich szczęśliwych uczniów podstaw kwantowej teorii półprzewodników – żaden urząd patentowy nie byłby jednak w stanie dostrzec jego bezpośredniego wkładu w powstanie pierwszy działający tranzystor nawet ze szkłem powiększającym.

Podwójnie niesprawiedliwe było to, że Shockley przed innymi docenił absolutnie fantastyczne perspektywy, jakie tranzystor obiecywał w innej dziedzinie – szybko postępujący technologia komputerowa. Nagroda Nobla z pewnością była na horyzoncie, a Shockley, obdarzony ambicjami i chorobliwą samooceną, fantastycznie pobiegł, by złapać odjeżdżający pociąg. Naukowiec w ciągu zaledwie tygodnia stworzył teorię wtrysku i dokładniejszą niż Bardin teorię tranzystora - tzw. teorię złącz p-n. i w Sylwester, kiedy koledzy badali głównie butelki szampana pozostałe po świętach Bożego Narodzenia, wymyślił inny typ tranzystora - planarny (zwany także „kanapkowym”).

Bohaterskie wysiłki ambitnego Shockleya nie poszły na marne – osiem lat później podzielił się z Bardeenem i Brattainem upragnioną Nagrodą Nobla. Swoją drogą na uroczystościach w Sztokholmie całe trio zebrało się po raz ostatni i już nigdy więcej nie spotkało się w pełnej mocy.

Sześć miesięcy po udanej premierze tranzystora w nowojorskim biurze firmy odbyła się prezentacja prasowa nowego wzmacniacza. Jednak reakcja mediów, wbrew oczekiwaniom, okazała się więcej niż powolna. Na jednej z ostatnich stron (46.) gazety „The New York Times” z 1 lipca 1948 r. w dziale „Wiadomości radiowe” ukazał się krótki artykuł – i tyle. Wiadomość najwyraźniej nie miała być globalną sensacją – od końca czerwca wszystkie amerykańskie i światowe media były zajęte kolejną wiadomością – sowiecką blokadą Berlina Zachodniego, która rozpoczęła się na tydzień przed prezentacją tranzystora. Wynalazek trójki naukowców przyćmił się na tle doniesień o „moście powietrznym”, którym Amerykanie dostarczali żywność i inne niezbędne artykuły do zablokowanego sektora Berlina.

Początkowo Bell Telephone Laboratories musiały rozdawać wszystkim licencje na tranzystory bez negocjacji. Popyt był niewielki – w tamtym czasie inwestorzy inercyjnie nadal inwestowali ogromne sumy pieniędzy w zwykłe lampy radiowe, których produkcja przeżywała boom. Znalazły się jednak osoby, które szybko dostrzegły możliwości nowych wzmacniaczy półprzewodnikowych, przede wszystkim w nieoczekiwanym obszarze – aparatach słuchowych.

Mikroelektronika i makroeugenika

Na prezentacji w Nowym Jorku obecny był między innymi inny przyszły laureat Nagrody Nobla – wówczas inżynier w małej firmie Centralab, Jack St. Clair Kilby. Zainspirowany tym, co zobaczył, uruchomił w swojej firmie produkcję pierwszych na świecie miniaturowych aparatów słuchowych wykorzystujących tranzystory. W maju 1958 roku Kilby przeprowadził się do Dallas i podjął pracę w firmie Texas Instruments, która produkowała tranzystory, kondensatory, rezystory i inne „kostki”, z których składane są obwody elektryczne.

Kiedy większość pracowników wyjeżdżała latem na wakacje, Kilby jako nowy musiał się pocić w biurze. Między innymi musiał wykonywać rutynowe prace, związane bardziej z biznesem niż z fizyką. To właśnie analizując ceny produkcji półprzewodników naukowiec wpadł na genialny pomysł, zasadniczo czysto ekonomiczny. Okazało się, że aby doprowadzić produkcję półprzewodników do poziomu rentowności, firma powinna ograniczyć się do samej produkcji półprzewodników. Wszystkie inne aktywne elementy obwodu są wykonane na bazie tego samego półprzewodnika i już połączone w jedną zwartą konstrukcję jak gra dla dzieci Lego! Kilby dokładnie wiedział, jak to zrobić.

Kierownictwo firmy było zachwycone pomysłem pracownika i od razu „obciążyło” go pilnym zadaniem: zbudowaniem pilotażowego modelu obwodu wykonanego w całości z półprzewodników. 28 sierpnia 1958 roku Kilby zademonstrował działający prototyp wyzwalacza, po czym rozpoczął produkcję pierwszego monolitycznego układu scalonego (oscylator z przesunięciem fazowym) na krysztale germanu.

Pierwszy w historii prosty mikroczip wielkości spinacza zaczął działać 12 września i ten dzień również przeszedł do historii. Jednak na Nagrodę Nobla Jack Kilby musiał czekać prawie pół wieku - naukowiec otrzymał ją w ostatnim roku XX wieku, dzieląc się nią ze swoim rodakiem, rodem z Niemiec, Herbertem Kremerem i jego rosyjskim kolegą Zhoresem Alferowem.

Jeśli chodzi o losy osobiste i zawodowe trzech ojców tranzystora, potoczyły się inaczej. Bardeen, którego zazdrosny aż do paranoi Shockley zaczął otwarcie „nadpisywać”, opuścił Bell Telephone Laboratories w 1951 roku i rozpoczął pracę na Uniwersytecie Illinois w Urbana. Dodatkową zachętą była rzadka w tamtych czasach roczna pensja w wysokości 10 000 dolarów. Pięć lat później profesor Bardeen, który zapomniał już o półprzewodnikach i przeszedł na układy kwantowe, usłyszał w radiu, że otrzymał Nagrodę Nobla. Natomiast w 1972 roku, jak już wspomniano, otrzymał drugą za mikroskopową teorię nadprzewodnictwa, którą stworzył wraz ze swoimi współpracownikami Leonem Cooperem i Johnem Schriefferem. Jedyna w historii dwukrotna laureatka Nagrody Nobla (w tej samej kategorii!) zmarła w 1991 roku w wieku 82 lat.

Dla zmarłego cztery lata wcześniej Waltera Brattaina tranzystor punktowo-punktowy pozostał szczytem jego kariery naukowej.

Ale ich lider, William Shockley, nawet po otrzymaniu nagrody aktywnie działał na różnych polach, choć wkrótce porzucił tranzystory. Ciekawe, że z technologicznego i komercyjnego punktu widzenia jego tranzystor planarny okazał się bardziej obiecujący niż tranzystor punktowy Bardeena i Brattaina: ten ostatni przetrwał na rynku tylko do końca lat pięćdziesiątych XX wieku, podczas gdy tranzystory planarne są nadal wyprodukowany dzisiaj. I to na ich podstawie powstały pierwsze mikroukłady.

Ale przede wszystkim Shockley zasłynął w dziedzinie bardzo odległej od fizyki. I według wielu, z nauki w ogóle. W połowie lat 60. niespodziewanie zainteresował się eugeniką, co budzi wiele nieprzyjemnych skojarzeń z aryjskimi nadludźmi, rasami niższymi i podobnymi „pozdrowieniami” z niedawnej przeszłości. Shockley opracował własną modyfikację eugeniki - dysgenikę. Teoria ta mówi o nieuniknionej degradacji psychicznej ludzkości, w której z biegiem czasu elita intelektualna (ludzie o wysokim IQ) ulega wypłukiwaniu, a na jej miejsce pojawiają się ci, których brak inteligencji rekompensowany jest nadmiarem funkcji rozrodczych. Innymi słowy, im bardziej płodny, tym najgłupszy.

Osoba trzeźwo myśląca mogłaby w dalszym ciągu zgodzić się z koncepcją ogólnej głupoty ludzkości – w zasadzie. Jednak Shockley dodał do swojego rozumowania element rasowy, włączając wśród bardziej płodnych i głupszych przedstawicieli rasy czarnej i żółtej, którzy jego zdaniem urodzili się z niższym IQ niż biali. Amerykański fizyk nie poprzestał na tym i w duchu zapadających w pamięć nazistowskich receptur zaproponował swoje ostateczne rozwiązanie – nie tylko w kwestii żydowskiej, ale w kwestii murzyńskiej. Aby szybko mnożący się i słabo rozwinięci umysłowo „czarni” (a także „żółci” i słabo myślący „biali”) ostatecznie zepchnęli wysoce inteligentną białą elitę na margines historii, ta ostatnia powinna zachęcać tych pierwszych do dobrowolnej sterylizacji .

Plan Shockleya, który wielokrotnie przedstawiał Amerykańskiej Akademii Nauk i agencjom rządowym, przewidywał zachęty finansowe dla osób z niskim IQ, które zgodziły się na dobrowolną sterylizację.

Można sobie wyobrazić reakcję kolegów Shockleya na takie rewelacje. W latach 60. w Ameryce nie trzeba było mówić o całkowitej poprawności politycznej, ale jawny rasizm nie był już w modzie. A gdy takie pomysły prezentował profesor i laureat Nagrody Nobla, efektem mógł być jedynie szok i oburzenie. Shockley aż do ostatnich dni był całkowicie blokowany przez elitę intelektualną (zmarł na raka w 1989 r.).

Geekowie z Doliny Krzemowej

Tymczasem na tym historia wynalezienia tranzystora się nie zakończyła. Kręgi historycznego wydarzenia, które rozegrało się w grudniu 1947 roku, rozeszły się na długi czas, prowadząc czasem do zupełnie nieprzewidywalnych rezultatów.

Gwoli ścisłości, do wspomnianego tria laureatów Nagrody Nobla z 2000 roku – Kilby, Kremer i Alferov – powinien dołączyć Amerykanin Robert Noyce, który w tym samym czasie co Kilby stworzył pierwszy mikroukład. A co najważniejsze - niezależnie od niego. Noyce nie dożył jednak końca stulecia i jak wiadomo nagroda ta nie jest przyznawana pośmiertnie.

Co ciekawe, pierwszy impuls do kariery naukowej Noyce’a dał ten sam Shockley – jeszcze zanim w końcu „przeniósł się” ze względów rasowych. W 1955 roku przyszły laureat Nagrody Nobla opuścił Bell Telephone Laboratories i założył firmę własna firma Shockley Semiconductor Laboratories na południowych przedmieściach San Francisco – Palo Alto, gdzie spędził dzieciństwo. W ten sposób położono pierwszy kamień pod fundamenty legendarnej Doliny Krzemowej (lub Krzemowej).

Shockley rekrutował młodych i początkujących pracowników, nie myśląc o ich ambicjach i granicach cierpliwości – miał obrzydliwy charakter i nie dał się poznać jako lider. Niecałe dwa lata później klimat psychologiczny w firmie uległ eksplozji i ośmiu najlepszych pracowników pod przewodnictwem Noyce'a i Gordona Moore'a uciekło od niej, aby założyć własną firmę.

„Ośmiu zdrajców” (jak ich określił Shockley) miało aż nadto genialnych pomysłów – czego nie można powiedzieć o kapitale początkowym. Przyjaciele i partnerzy nienarodzonej jeszcze firmy zaczęli odwiedzać banki i inwestorów w poszukiwaniu pieniędzy. I po kilku odmowach szczęśliwie natknęliśmy się na tego samego młodego i ambitnego finansistę Arthura Rocka, którego mocną stroną było właśnie przyciąganie inwestycji. To, co dokładnie inżynierowie techniczni „śpiewali” biznesmenowi, nie jest znane historii, ale tak czy inaczej, odegrał on naprawdę fatalną rolę w ich przyszłym biznesie. A także w losach innych firm z Doliny Krzemowej, których założyciele na początku nie mieli ani grosza przy sobie – sami genialne pomysły i projekty.

Z pomocą Rocka lokalna firma Fairchild Camera & Instrument zgodziła się zainwestować 1,5 miliona dolarów w nowy biznes, ale pod jednym warunkiem: zachowa w przyszłości prawo do wykupienia firmy G8 za dwukrotnie wyższą kwotę duża ilość- jeśli wszystko pójdzie dobrze dla nich. W ten sposób powstała firma Fairchild Semiconductor, której nazwę w dosłownym tłumaczeniu oznacza „Cudowne Dziecko Semiconductor” (w języku Wersja niemiecka– cudowne dziecko). A cuda z Palo Alto wkrótce dały się poznać.

Noyce uważał się za wybitnie leniwego człowieka. I według jego własnych słów, głównego wynalazku życia dokonał także z lenistwa. Miał dość patrzenia, jak przy produkcji mikromodułów płytki krzemowe są najpierw cięte na pojedyncze tranzystory, a następnie ponownie łączone ze sobą w jeden obwód. Proces był pracochłonny (wszystkie połączenia lutowano ręcznie pod mikroskopem) i kosztowny. W 1958 roku Noyce w końcu odkrył, jak odizolować od siebie poszczególne tranzystory w krysztale. Tak narodziły się znane mikroukłady – płytki z graficznym labiryntem „ścieżek” wykonanych z powłok aluminiowych, oddzielonych od siebie materiałem izolacyjnym.

Początkowo mikroukłady miały trudności z przedostaniem się na rynek. Jednak na początku lat 70. wszystko zmieniło się dramatycznie: po tym, jak firma Fairchild Superconductor sprzedała w 1969 r. pewien rodzaj mikrochipów (przewidywany przez Bardina podczas pracy w Bell Telephone Laboratories) za 15 milionów dolarów. Dwa lata później sprzedaż tych samych produktów wzrosła do 100 milionów dolarów.

Jednak sukcesy „cudownych geniuszy” zostały przyćmione przez zwykłe sprzeczki o priorytetach w takich przypadkach. Faktem jest, że Jack Kilby złożył wniosek o patent na chip w lutym 1959 r., a Noyce zrobił to dopiero pięć miesięcy później. Niemniej jednak patent otrzymał najpierw – w kwietniu 1961 r., a Kilby – dopiero trzy lata później. Następnie między konkurentami wybuchła dziesięcioletnia „wojna priorytetowa”, która zakończyła się ugodą: Sąd Apelacyjny Stanów Zjednoczonych potwierdził twierdzenia Noyce’a o prymacie technologicznym, ale jednocześnie orzekł, że Kilby’ego uznawano za twórcę pierwszy działający mikroukład.

Robert Noyce nie dożył swojej należnej mu Nagrody Nobla w 2000 roku dokładnie dziesięć lat – w wieku 63 lat zmarł w swoim biurze na zawał serca.

Ale wcześniej założył z Moore'em inną znaną firmę. Porzuciwszy w 1968 roku swoją dotychczasową działalność w Fairchild Semiconductor, przyjaciele postanowili bez żadnych problemów nazwać swoje nowe dzieło: Moore Noyce. Jednak w języku angielskim brzmiało to więcej niż dwuznacznie – prawie jak więcej hałasu („więcej hałasu”), a partnerzy zdecydowali się na bardziej oficjalną, ale znaczącą nazwę: Integrated Electronics. Potem ich firma kilkakrotnie zmieniała nazwę, a dziś każdy użytkownik komputerów osobistych na co dzień widzi jej logo pod obecną, krótką i dźwięczną nazwą – Intel. Które jest „wewnątrz”.

W ten sposób dwie dekady po odkryciu Bardeena, Brattaina i Shockleya zakończyła się Wielka Rewolucja Krzemowa.

Aplikacja

Łamacz konwencji

W przypadku Johna Bardeena członkowie Akademii Szwedzkiej po raz pierwszy i jak dotąd jedyny w ponad stuletniej historii Nagród Nobla naruszyli jej statut. Jedna z jego klauzul zabrania dwukrotnego przyznawania nagród w kategorii woda. Byłoby jednak zwyczajnie nieprzyzwoicie świętować sukces kolegów Bardeena (oczywisty dla członków komisji i całej światowej społeczności naukowej) i jednocześnie ignorować głównego bohatera tej okazji, a amerykański fizyk stał się wyjątkiem .

Wyraźnie nie było pragnienia sensacji...

„Wczoraj laboratoria Bell Telephone Laboratories po raz pierwszy zademonstrowały wymyślone przez siebie urządzenie zwane tranzystorem, które w niektórych przypadkach można zastosować w radiotechnice zamiast lamp próżniowych. Urządzenie zastosowano w obwodzie odbiornika radiowego, który nie zawierał konwencjonalnych lamp, a także w system telefoniczny i urządzenie telewizyjne. We wszystkich przypadkach urządzenie sprawdziło się jako wzmacniacz, choć firma twierdzi, że może pełnić także funkcję generatora zdolnego do wytwarzania i przesyłania fal radiowych. Tranzystor, który ma kształt małego metalowego cylindra o długości około 13 milimetrów, w niczym nie przypomina zwykłych lamp; nie ma wnęki, z której wypompowuje się powietrze, nie ma siatki, anody ani szklanej obudowy. Tranzystor włącza się niemal natychmiast, bez konieczności podgrzewania, ponieważ nie ma żarnika. Elementami roboczymi urządzenia są jedynie dwa cienkie druty połączone z kawałkiem półprzewodnika wielkości główki szpilki, przylutowanym do metalowa podstawa. Półprzewodnik wzmacnia prąd dostarczany do niego jednym przewodem, a drugi usuwa wzmocniony prąd.

Być może zainteresują Cię poniższe materiały