Журнал «Компьютерра» №45 от 01 декабря 2005 года

ИСТОРИЯ: Транзистор - дитя многих родителей

Трехэлектродный полупроводниковый усилитель электрических сигналов, ныне известный всему миру как транзистор, справедливо считают одним из величайших достижений научно-технической мысли двадцатого столетия. Оно было отмечено Нобелевской премией по физике, которую в 1956 г. получили Джон Бардин (John Bardeen), Уолтер Браттейн (Walter Brattain) и Уильям Шокли (William Shockley). Практически все источники связывают создание транзистора с именами этих и только этих американских ученых.

Однако на самом деле все гораздо запутаннее и интереснее. У американской тройки в разных странах были предшественники, наблюдавшие твердотельное усиление электрического тока и конструировавшие приборы, основанные на этом эффекте. Имелись также и современники-европейцы, которые не только независимо изобрели транзистор, но и организовали его промышленный выпуск. Давайте перелистаем страницы этой полузабытой летописи.

Каноническая версия истории изобретения транзистора выглядит так. В 1925 г. гигантская корпорация American Telephone amp; Telegraph открыла научный и опытно-конструкторский центр Bell Laboratories. Во второй половине тридцатых годов его директор Мервин Келли (Mervin Kelly) задумал серию исследований, направленных на замену ламповых усилителей полупроводниковыми. Эту работу возглавил Джозеф Бекер (Joseph Becker), который привлек к ней Шокли и Браттейна (первый был теоретиком, а второй - блестящим экспериментатором). Однако все попытки построить твердотельный усилитель ни к чему не привели и после Пирл-Харбора были положены в долгий ящик. В военные годы Браттейн принимал участие в разработке сонаров, а Шокли занимался противолодочным вооружением и планированием рейдов стратегической авиации. В 1945 г. оба возвратились в Белловские лаборатории. В это время Келли решил создать под руководством Шокли сильную команду из физиков, химиков и инженеров для работы над твердотельными приборами. В нее вошли Браттейн и физик-теоретик Джон Бардин, который в военные годы тоже занимался оборонными исследованиями.

К тому времени было хорошо известно, что электрическое поле может влиять на проводимость полупроводников. Шокли придумал (не исключено, что не вполне самостоятельно) схему полупроводникового усилителя, основанного на этом эффекте. Но поскольку устройство упорно отказывалось действовать, он поручил Бардину и Браттейну довести его до ума, а сам практически устранился от этой темы. Пару лет дело не двигалось, однако в конце 1947 г. ученым наконец-то улыбнулась удача. 16 декабря в лаборатории Браттейна заработал твердотельный усилитель, который и считают первым в мире транзистором. Устроен он был очень просто - металлическая подложка-электрод и лежащая на ней пластинка германия с двумя тончайшими золотыми контактами, отстоящими друг от друга на расстояние не шире волоска. Начальство Белловских лабораторий придержало информацию об этом изобретении и обнародовало ее в специальном пресс-релизе лишь 1 июля 1948 г.

Поначалу сотрудники лаборатории именовали новый прибор германиевым триодом, но для широкой публики требовалось название попроще и покрасивее. Бардин с Браттейном хотели найти слово, заканчивающееся на «тор», по аналогии с резистором и варистором, но не смогли ничего придумать. Тогда Браттейн обратился за помощью к инженеру-электронщику Джону Пирсу (John Pierce), который отлично владел языком и позднее приобрел известность как популяризатор науки и писатель-фантаст. Пирс вспомнил, что одним из параметров вакуумного триода служит крутизна характеристики, по-английски transconductance. Он предложил назвать аналогичный параметр полупроводникового усилителя transresistance, и тут его озарило: transistor!

Транзисторы, изобретенные Бардином и Браттейном, сейчас именуют точечными. В середине января 1948 г. Шокли предложил принципиальную схему более эффективного твердотельного усилителя со слоеной структурой - биполярного транзистора. «В железе» эту идею воплотили сотрудники Белловских лабораторий Гордон Тил (Gordon Teal) и Морган Спаркс (Morgan Sparks), причем лишь в 1950 г. Так что свою часть Нобелевской премии Шокли заработал честно, пусть в создании «самого первого» транзистора он практически не участвовал.

Читателям «Компьютерры» вряд ли нужно рассказывать, как работают твердотельные приборы. Для полноты картины стоит напомнить, что в полупроводниках электрический ток переносят не только электроны проводимости, но и дырки, специфические квазичастицы, которые во внешнем электрическом поле движутся противоположно электронам и, следовательно, ведут себя как объекты с положительным зарядом. В идеальных кристаллах концентрация электронов проводимости строго равна концентрации дырок. Правда, отсюда не следует, что они вносят равный вклад в электропроводность, поскольку их подвижность может оказаться различной (к примеру, у чистого германия основная проводимость - электронная).

В реальных полупроводниках это равенство всегда нарушается из-за дефектов кристаллической решетки и наличия примесных атомов. Примеси донорного типа отдают кристаллу избыточные электроны и этим увеличивают электронную проводимость. Примеси-акцепторы, напротив, захватывают валентные электроны кристалла-хозяина и повышают концентрацию дырок и дырочную проводимость. Прицельное легирование различных участков полупроводника донорными и акцепторными примесями создает области как с электронной, так и, соответственно, с дырочной проводимостью.

Внешние электрические поля и токи могут изменять плотность носителей обоих типов и оказывать влияние на электропроводность полупроводника. Этот эффект объясняет действие транзистора: управляющие электрические импульсы снижают сопротивление кристалла в области прохождения основного тока и потому увеличивают силу этого тока. В частности, собранный Браттейном и Бардином прибор усиливал ток из-за того, что на поверхности германиевой пластинки возникал слой с дырочной проводимостью. В этот слой через управляющий электрод опять-таки закачивались дырки, что и приводило к росту электропроводности кристалла.

Транзистор Браттейна и Бардина - чрезвычайно простое устройство. Его единственным полупроводниковым компонентом был кусочек чистого германия, добыть который не составляло труда. А вот техника легирования полупроводников в конце сороковых годов еще находилась во младенчестве, в Белловских лабораториях владели ею не слишком хорошо, и поэтому изготовление транзистора «по Шокли» заняло столь долгое время. Напрашивается вопрос: неужели до декабря 1947 г. точечный транзистор никогда не выходил из чьих-нибудь рук, хотя бы и случайно?

Оказывается, все так и было. В начале XX века были популярны детекторные приемники, в которых для выпрямления тока использовался полупроводниковый кристалл с прижатой к нему металлической иглой. Порой кое-кто из любопытства «тыкал» в зону контакта вторым электродом и, случалось, наблюдал усиление тока! Историк радиотехники Лоуренс Пиззелла (Lawrence Pizzella) отмечает, что особенно этим делом увлекались корабельные радисты. Есть сведения, что в первой половине тридцатых годов контактные трехэлектродные полупроводниковые усилители изобрели и собрали по крайней мере двое радиолюбителей - канадец Ларри Кайзер (Larry Kayser) и тринадцатилетний новозеландский школьник Роберт Адамс (Robert Adams). Достоверно известно, что несколькими годами позже непрактичный, но все-таки действующий кристаллический усилитель построили немцы Роберт Поль (Robert Pohl), чья книга «Механика, акустика и учение о теплоте» переведена на русский язык, и Рудольф Хилш (Rudolf Hilsch). Подчеркнем, что изобретенный в 1922 г. лаборантом Нижегородской радиолаборатории Олегом Лосевым знаменитый кристадин был двухэлектродным устройством, и потому на роль предшественника контактного транзистора он не годится. Чуть позднее немец Юлиус Лилиенфельд (Julius Lilienfeld) запатентовал полупроводниковый усилитель, который можно считать дедушкой современных полевых транзисторов. Однако построить работающий прибор Лилиенфельд не сумел, ибо не располагал достаточно чистыми образцами полупроводников. В довоенные годы в Германии и Англии было выдано еще несколько аналогичных патентов. Короче говоря, к транзистору, как и в Рим, вело множество дорог.

Но самое интересное в другом. Недавно бельгийский историк Арманд Ван Дормел (Armand Van Dormael) и профессор Стэнфордского университета Майкл Риордан (Michael Riordan) обнаружили, что в конце сороковых годов в Европе был изобретен и даже запущен в серию родной брат транзистора Бардина-Браттейна. Собственно говоря, секретной эта история никогда и не была, просто память о ней давно стерлась.

Европейских изобретателей точечного транзистора звали Герберт Франц Матаре (Herbert Franz Matare) и Генрих Иоганн Велкер (Heinrich Johann Welker). Первый посвятил себя экспериментальной физике, второй же был универсалом - и теоретиком, и экспериментатором. Оба были немцами, причем ровесниками - Матаре родился 22 сентября, а Велкер 9 сентября 1912 г. В 1939-46 гг. Матаре работал в фирме Telefunken, где занимался микроволновой электроникой и участвовал в разработке радиолокаторов. Велкер, ученик знаменитого физика-теоретика Арнольда Зоммерфельда (Arnold Sommerfeld), во второй половине тридцатых годов был доцентом Мюнхенского университета, а в военные годы трудился в лаборатории Люфтваффе. После войны и Матаре, и Велкер перебрались в Париж в недавно открытый филиал американской корпорации Westinghouse. В тамошней полупроводниковой лаборатории и началось их сотрудничество.

Толчком к работе, завершившейся изобретением транзистора, послужило наблюдение, которое Матаре сделал еще в Германии. В школьные годы он был страстным радиолюбителем и не раз собирал детекторные приемники. Давний опыт пригодился ему в Telefunken, где он работал над полупроводниковыми выпрямителями для радаров. В 1944 г. Матаре сконструировал прибор, который назвал дуодиодом. Это была пара работающих в параллель точечных выпрямителей, использующих одну и ту же пластинку германия. При правильном подборе параметров устройство подавляло шумы в приемном блоке локатора. Вот тогда-то Матаре обнаружил, что колебания напряжения на одном электроде могут обернуться изменением силы тока, проходящего через второй электрод. Вообще-то описание подобного эффекта содержалось еще в патенте Лилиенфельда, и не исключено, что Матаре знал об этом. Как бы то ни было, он всерьез заинтересовался этим явлением и задумался над его причинами. Однако в январе 1945 г. советские войска подошли к Бреслау, вблизи которого после перевода из Берлина располагалась лаборатория Telefunken. Рабочие записи сотрудников сожгли, а их самих эвакуировали в Тюрингию, где уже было не до исследований.

Велкер пришел к идее транзистора иным путем. В тридцатые годы он занимался квантовой физикой металлов и хорошо разбирался в зонной теории твердого тела, которая впервые позволила понять особенности прохождения тока по полупроводникам. В самом начале 1945 г. Велкер пришел к схеме твердотельного усилителя, очень похожего на прибор Шокли. В марте он даже успел его собрать и испытать, но ему повезло не больше, чем американцам. Тогда на этом все и закончилось.

В Париже Матаре и Велкеру была поручена организация промышленного изготовления полупроводниковых выпрямителей для французской телефонной сети. В конце 1947 г. эти устройства пошли в серию, и у коллег появилось время для возобновления исследований. Матаре вернулся к своим опытам с дуодиодом, на сей раз заручившись помощью Велкера. Вдвоем они смогли изготовить пластинки из гораздо более чистого германия, нежели тот, с которым работал Матаре, получили стабильный эффект усиления и в начале июня 1948 г. создали надежно работающий точечный транзистор. Он появился на свет примерно на полгода позже прибора Браттейна и Бардина, но абсолютно независимо от него. О работе американцев Матаре с Велкером, разумеется, и слыхом не слыхивали - напомним, что она была опубликована лишь 1 июля.

После того как из США пришло сообщение об успехах Белловских лабораторий, Матаре и Велкер решили перейти к активным действиям. Они пригласили в свою лабораторию министра почт Эжена Тома (Eugene Thomas) и продемонстрировали ему полупроводниковый усилитель в действии. Тот посоветовал ученым срочно подготовить патентную заявку на изобретение, что они и сделали уже в августе (французское Бюро патентов изучало эти документы очень долго и утвердило лишь в марте 1952 г.). Начальственный гость порекомендовал изобретателям назвать свой прибор не так, как американские конкуренты, и сам же предложил для него имя - транзитрон. В мае 1949 г. Тома созвал пресс-конференцию и лично рассказал журналистам о работе Матаре и Велкера, назвав ее «блестящим достижением французской науки» (то, что оба ученых были немцами, министра отнюдь не смутило). Репортеры не захотели отставать и громко провозгласили их «отцами транзитрона».

Когда транзитрон показывали прессе, он уже не был чисто лабораторным изделием. К тому времени в парижском филиале Westinghouse был организован небольшой цех, где изготавливали эти приборы. Любопытно, что они работали лучше и дольше американского аналога - за счет более тщательной сборки. Покупало их все то же Министерство почт для установки на новых телефонных линиях.

Однако популярность транзитрона оказалась недолгой. Французские власти вскоре потеряли интерес к субсидированию твердотельной электроники и решили сосредоточить наличные (и тогда не очень богатые) ресурсы на ядерной физике. Лаборатория Матаре и Велкера захирела, и в начале пятидесятых годов друзья вернулись на родину, где уже начиналось возрождение науки и высокотехнологичной индустрии. Велкер перешел в лабораторию концерна Siemens в Эрлангене, которую со временем возглавил. Матаре перебрался в Дюссельдорф, где стал президентом небольшой фирмы Intermetall, выпускавшей полупроводниковые приборы. В 1953 г. под его руководством был сконструирован и изготовлен опытный образец первого в мире транзисторного приемника, который вскоре был показан на радиовыставке в Дюссельдорфе. Однако в том же году компанию перекупил американский концерн, срезавший все ассигнования на исследовательскую работу. Матаре не захотел с этим мириться и эмигрировал в Америку.

Один из создателей европейского транзистора жив по сей день. Герберт Матаре по приезде в США работал в нескольких электронных корпорациях, а потом предпочел карьеру независимого технического эксперта. Даже сейчас, в свои 93 года, он продолжает консультировать калифорнийскую фирму Pyron, которая специализируется на солнечной энергетике.

Генрих Велкер более четверти века провел в Эрлангене, став одним из первых разработчиков полупроводниковых приборов на гетеропереходах. В 1977 г. он вышел в отставку и через четыре года скончался. В 1976 г. Корпорация Siemens учредила золотую медаль его имени, которую присуждают за исследования интерметаллических полупроводников (в списке награжденных - Жорес Алферов).