Знание-сила, 2008 № 11 (977)

Страсти по транзистору Оратория в трех частях с прологом и эпилогом

Изобретение транзистора (1947—1948 годы) стало не только поворотным пунктом развития электроники, но и повлекло за собой переход человечества на новую, шестую по счету, цивилизационную ступень — в постиндустриальное информационное общество. Какой-то прорыв в информатике был исторически неизбежен, в этом смысле транзисторная электроника стала ожидаемой и желанной, ее утверждение в мире проходило триумфально.

В 1956 году главные герои великого открытия — американцы У.Шокли, Дж.Бардин, У.Браттейн — стали лауреатами Нобелевской премии по физике.

Чисто внешне история открытия выглядит благостно бесконфликтной — ни борьбы «школ», ни судебных дрязг по патентным приоритетам, ни более поздних расследований и опровержений, — но «за кадром» (нередко и в «кадре») неизменно присутствуют драматизм сюжетов, накал страстей, столкновение амбиций, колоссальные выплески творческой энергии. Все это — в конкретном человеке и науке в целом, в обществе и событиях, будораживших тогдашний мир.

В последний день июня 1948 года в Нью-Йорке прошла общественная презентация нового электронного прибора фирмы «Белл». Назавтра в «Нью-Йорк Таймс» после речей конгрессменов, тревожных новостей из Европы, биржевых котировок, обзора бейсбольных новостей на 46 странице в конце раздела «Новости радио», следом за пространной заметкой о возобновлении репортажей некой «несравненной мисс Брукс», четыре абзаца были посвящены и успеху «Белл». «Рабочие элементы прибора состоят всего лишь из двух тонких проволочек, прижатых к кусочку полупроводникового вещества... Вещество усиливает ток, подводимый к нему по одной проволочке, а другая проволочка отводит усиленный ток.» Так явился миру прибор под названием «транзистор».

Сообщение не взволновало широкую публику, поскольку никакого броского анонса не было вынесено на первую полосу. Разумеется, специалисты обратили на него пристальное внимание — птенец-то выпорхнул из гнезда «Белл», признанного премьера электроники, — однако многие еще долго «считали его какой-то умно придуманной рекламной штучкой фирмы». Настораживало, что презентация была открытой: раз военные разрешили показ, а их «цензура» была обязательна, значит, прибор для них неинтересен, и тогда у него заведомо немного шансов на просперити.

Уильям Шокли, научный руководитель транзисторного проекта (и, пожалуй что, главный солист нашей оратории) был раздражен. Он вообще не любил посещать штаб-квартиру «Белл», монотонное десятиэтажное здание почти кубической формы на Манхэттене, Вест-стрит, 463, а в сегодняшнюю жару, +101^о по Фаренгейту, это было особенно утомительно. Комфортно он чувствовал себя лишь в лабораториях, расположенных в Мюррей-Хилл, штат Нью-Джерси, где сама атмосфера «садового штата» и прогулки с работы домой через лесистые холмы настраивали на философский лад, и Шокли это ценил.

— Неужели «они» не понимают, что мы совершили решающий прорыв в физику твердого тела, в физику вообще, что это новая физика, а значит, последуют и другие изобретения? Неужели дрязги с русскими вокруг Западного Берлина, которые послезавтра все забудут, способны заслонить открытие, которое останется в веках? Или у «них» мозги и впрямь поплыли от нынешней жары? По-видимому, дело в том, что конструкция Браттейна-Бардина с этими дрожащими cat's whiskers (кошачьими усами) действительно не внушает доверия, слава создателю, я к ней непричастен.

— Впрочем, было бы еще хуже, — продолжал он свой внутренний монолог, — если бы публика нас «признала» и стала превозносить как изобретателей какого-нибудь нового бритвенного лезвия, а пошляки от электроники пустились бы в глубокомысленные рассуждения о децибелах и килогерцах и о том, когда на прилавках появятся слуховые аппараты размером в спичечный коробок. Ну, ничего, придет время, появится «мой» транзистор, и уж тогда-то мир ахнет.

В подобных размышлениях Шокли всегда с презрением отгораживался от «публики», от «них», нередко в ход шли язвительные сентенции Байрона или Шекспира — как-никак родился он в Англии и хотя прожил там три первых года, имел право хотя бы на толику британского снобизма и высокомерия.

Ремарка историка. Вряд ли справедливо было упрекать пришедших на презентацию в том, что они не разглядели ни новую физику, ни значимость транзистора. Сам Шокли с командой шли к этому пониманию два года, почему же посторонние должны воспринять все сразу, пусть даже и разжеванное? К тому же в пресс-релизе о транзисторе говорилось, что он «в некоторых случаях может использоваться вместо электронной лампы» — такое не очень- то зажигает. И все же нашелся посетитель, нет, не ученый, не инженер, а журналист, который в прогнозах оказался порадикальнее и самого Шокли, — «похоже, электронщики приготовили нам атомную бомбу величиной с горошину».

И совсем несправедлив был Шокли в осуждении газетчиков за их предпочтительный интерес к «дрязгам» вокруг Западного Берлина. Какие же это «дрязги»: 18 июня в Западной Германии была введена своя валюта, дойчмарки, а через неделю (и за 6 дней до презентации транзистора) в ответ «Советы» полностью блокировали Западный Берлин — именно эту дату, 24 июня 1948 года, историки позднее назвали «началом холодной войны». А вовсе не знаменитую фултоновскуюречь У.Черчилля (05.03.1946), замешанную более на желчи «постаревшего бульдога», уязвленного отставкой от большой политики, нежели на взвешенной оценке реальной ситуации в мире — «русские» все еще были в фаворе у Запада, и даже всесильный президент США Г.Трумэн пока не мог поддержать концепцию «железного занавеса». Так что сенсационность блокады Берлина была, конечно же, несопоставима с известием о транзисторе.

Презентация — итог, подведение черты; мысли Шокли невольно обратились к тому, как все начиналось...

Первый кремниевый транзистор. 1950 год

«Феликс» — основа вычислительной техники дотранзисторной эпохи

По возвращении из Англии семья Шокли поселилась в Пало-Альто, так что после колледжа он автоматически оказался в лос-анджелесском Калифорнийском университете, но, подразобравшись, что к чему, через год перешел в Калтех, Калифорнийский технологический институт, шедший в первых рядах американских вузов по преподаванию новейшей физики и электроники. Год окончания института, 1932-й, совпал с пиком Великой депрессии, работы для двадцатилетнего бакалавра не было, да он и сам мечтал лишь о продолжении образования, тем более, что выиграл одну из благотворительных стипендий. И вот вдвоем с приятелем Ф. Зейтцем (будущим знаменитым физиком-твердотельщиком) на подержанном «Форде» они пересекли гигантский Американский континент (начав с пустыни Нью-Мексико, где едва не стали добычей койотов) и оказались соответственно в Принстонском университете (Зейтц) и в МТИ, Массачусетсском технологическом институте (Шокли). Шел сентябрь 1932 года, борьба Ф.Д. Рузвельта с Г. Гувером за президентское кресло вышла на финишную прямую, взбудораженный электорат обсуждал лишь предстоящее голосование, но два юных путешественника были поглощены совсем другим.

Это были поворотные годы в истории американской «большой» науки. В ХХ век янки вошли как изобретатели лампы накаливания, телефона, фонографа, электронной лампы, европейские профессора отдавали должное «этим талантливым инженерам», но «высокую» физику считали исключительно своей вотчиной — за первую четверть века лишь однажды Нобелевскую премию отдали американцу А. Майкельсону, прославившемуся точным измерением скорости света, но, во-первых, свой интерферометр он соорудил, работая у Гельмгольца в Берлине, а, во-вторых, отметили его «за создание высокоточных оптических приборов», то есть все-таки за инженерию.

В 1920-е годы ситуация меняется, имена американцев все чаще звучат в среде физиков, но по-прежнему продолжает работать принцип «богу — богово», «кесарю — кесарево». Позднее один из журналистов, связав воедино Нобелевских лауреатов 1921-го, 1929-го и 1937 года, охарактеризовал это так: «Полумистическую германскую заумь Альберта Эйнштейна француз Луи де Бройль транспонировал во французскую двусмысленность «частица-волна», а прагматичный американец Клинтон Дэвиссон сделал их теоретические изыски зримо осязаемыми».

Слева направо: Уильям Шокли, Джон Бардин (сидит), Уолтер Браттейн

К середине 1930-х годов положение дел в американской физике изменяется в корне — антисемитская истерия Гитлера и Муссолини приводит к тому, что «Европа переезжает в Америку». Теперь студенты и аспиранты могут вживую видеть А. Зоммерфельда, В. Паули, Э. Ферми, Ю. Вигнера, Ф. Блоха, Р. Пайерлса, слушать их лекции, задавать вопросы, дискутировать. По Принстону запросто бродит Эйнштейн, конечно, уже наступила глубокая «осень патриарха», все в прошлом, но ведь — Эйнштейн! Неожиданно обнаруживается, что американские «мальчики» по способности восприятия тонкостей квантовой механики ничуть не уступают европейским профессорам. Но различие в подходе, причем принципиальное, остается: в то время как Эйнштейн, Бор, Шредингер, Гейзенберг погружаются в горячие споры о философских аспектах уравнений квантовой механики, американские физики используют эти уравнения как инструмент для расчета деталей поведения и свойств сложных атомов, молекул, кристаллов. Их цель — дойти до числа, до патентной заявки.

Взгляд со стороны. В авторской тональности слышится ирония по отношению к «европейским профессорам» — с этим не следует соглашаться. Разумеется, в решении конкретной задачи, пусть сложной и с неоднозначной концовкой, как в случае создания атомной бомбы, американская модель предпочтительнее, еще резче — единственно стоящая. Но прагматизм, возведенный в ранг господствующей парадигмы, означает конец фундаментальной науки, то есть конец науки как таковой.

В 1936 году Шокли завершает обучение в МТИ защитой докторской диссертации по квантовой механике кристаллов и поступает на фирму «Белл». Великая депрессия в прошлом, страна, вдохновляемая «новым курсом» президента Рузвельта, ставит перед собой все более и более престижные цели. Естественно, «Белл» на переднем крае. Именно тогда Мервин Келли, возглавивший отделение разработок электровакуумных приборов, задумывается о замене радиоламп и электромеханических реле (а их в телефонию идут миллионы!) твердотельными аналогами. Ясно, что без физиков не обойтись, но сотрудники «Белл», даже самые продвинутые, «имеют не более чем рудиментарное представление о квантовой механике». Келли обращает взор на выпускников МТИ, Калтеха, Принстона, но заполучить эксклюзивного специалиста не так-то просто. Дело в том, что в 1932 году англичанин Дж. Чедвик открыл нейтрон. А вместе с ним и широчайшее новое поле для перспективных исследований, на которое немедленно устремилась армия честолюбивых старателей. Подобно тому, как в период «золотой лихорадки» вполне вроде бы уравновешенные американцы вдруг, услышав «глас судьбы», бросали работу, продавали дома и устремлялись на Клондайк, подобно этому ученые бросали занятия твердым телом, гидродинамикой, биофизикой и устремлялись в нейтронную физику. Подобно гофмановскому крысолову, Нейтрон увлек за собой целое поколение одаренных молодых исследователей, и очень скоро они рухнули в пропасть секретных объектов Атомного проекта.

Первые советские промышленные транзисторы, точечный и плоскостной

Транзистор Браттейна

Взгляд со стороны. Это было повсеместным явлением. С исследования кристаллов начинали в ленинградском Физтехе у А.Ф.Иоффе и наши И.В.Курчатов, И.К.Кикоин, П.П.Кобеко, Г.Н.Флеров, К.Д.Синельников и другие — все они после 1932 года, кто раньше, кто позже, перебежали в ядерную физику.

Ремарка историка. «Виновата» не только нейтронная физика, была и объективная «внутренняя» причина оттока мозгов из физики твердого тела, в частности — из полупроводников. «Я оставил полупроводники, ибо понял, что там науки еще нет — кухня! Да притом без возможности попробовать суп до того, как он сварился» (Г.Н. Флеров). Объективно время полупроводников еще не настало, а от бесконечного теоретизирования и при невоспроизводимых результатах экспериментов большая наука закисает. К счастью, сам Иоффе полупроводники не покинул, он их выстрадал, в них верил, к тому же в новое — ядерную физику — на подходе к шестидесятилетию бросаться поздновато.

Итак, Шокли — научный сотрудник фирмы «Белл». Его супервайзером становится К. Дэвиссон, уже получивший мировую известность своими экспериментами по дифракции электронов в кристаллах, но сейчас он увлечен чисто техническими проблемами электронной оптики в приложении к фотоэлектронному умножителю. Шокли с ним не по пути, да и у Келли совсем другие планы на использование молодого физика, который сразу же стал его любимчиком. Начинаются поиски интересных для практики физических эффектов в термо- и сегнетоэлектриках, в магнитных материалах, не исключается и почти приветствуется экзотика (а вдруг?!), наконец мечущаяся стрелка компаса останавливается на полупроводниках. И 29 декабря 1939 года в рабочем журнале Шокли появляется первый набросок структуры, которая вроде бы должна работать по аналогии с электронной лампой. Она предельно проста, понятна и непосвященному. К тонкому протяженному брусочку полупроводника с контактами по торцам, это «катод» и «анод», вдоль одной из боковых граней приближена металлическая пластина, «сетка». В зависимости от знака приложенного к «сетке» напряжения, концентрация электронов в брусочке возрастает или уменьшается, соответственно этому изменяется сопротивление брусочка и ток через него. Изменение напряжения «сетки» управляет током «анод»-«катод», все как в радиолампе, только электроны не в вакууме летят, а движутся внутри полупроводника. Что и требовалось доказать.

Вроде бы и доказывать нечего, настолько все очевидно, однако «его величество эксперимент» обязателен. Начали пробовать и — мимо. Никакая «сетка» ни при каких потенциалах ничем не управляла, ток, протекавший вдоль полупроводникового образца, оставался неизменным. Жаль, что сразу не получилось, но вообще-то это почти ожидалось. Дело в том, что тогдашний «главный» полупроводник — закись меди — был настолько дефектен и загрязнен неизвестными примесями, что его и полупроводником-то можно было считать с большой натяжкой. Правда, на закиси меди делали выпрямительные диоды, весьма несовершенные, но для более тонких экспериментов она, очевидно, не годилась. Получалось так, что американцы отступили от собственной традиции — строить «высокую физику» на технологически совершенных материалах и точнейшем инструментарии. Шокли готов был перейти к «разбору полетов» и устранению дефектов, но... В тишину лаборатории ворвалась большая жизнь — грянула Вторая мировая война, научные проблемы как-то вмиг пожухли, Шокли поступил в распоряжение военных, занимался то радиолокационным оборудованием, то планированием операций против немецких и японских подводных лодок, и закончил войну консультантом при канцелярии военного министра.

Ремарка историка. Военным он понравился. Широко эрудированный профессионал-теоретик, он легко мог переключиться с одной проблемы на другую. И все же не это главное. Шокли был «истинным американцем», преданным традиционным американским ценностям, без каких-либо левацких заскоков, чем в ту пору грешили интеллектуалы. Позднее, в 1960-е годы, когда Шокли «выпал» из полупроводников, благосклонность военных оказалась ему очень кстати: его приглашали консультантом то в какой-нибудь комитет при президенте, то — в НАСА.

С весны 1945 года началось постепенное сокращение времени, уделяемого Шокли военным проблемам, а полностью война для него закончилась после капитуляции Японии в августе-сентябре 1945 года.

Окончание следует.

Ольга Балла