Знание-сила, 2008 № 12 (978)

Страсти по транзистору Оратория в трех частях с прологом и эпилогом

Окончание. Начало — в № 11 за 2008 год.

После того как Шокли окончательно оставил свой пентагоновский офис и вернулся в «Белл», он тотчас же погрузился в проблему транзистора. Теперь все не так, как до войны, не смутные мечтания Келли и не любительские эскизы молодого специалиста, теперь это — «транзисторный проект» (хотя самого термина еще нет): создать твердотельный усилитель электрических сигналов, чтобы заменить радиолампу. Шокли — директор проекта, «под него» создается комплексная группа, включающая двух физиков - экспериментаторов, химфизика, радиста, материаловеда (все это не считая техников) и — вот она, пока незаметная заноза — еще один физик- теоретик.

Взгляд со стороны. В любом научнотехническом проекте закоперщиком выступает теоретик. Иногда это теоретик в общепринятом смысле слова, человек, из формул и расчетов которого вытекает возможность создания нового изделия, иногда это человек, в воображении которого будущее изделие прорисовано интуицией, и он тоже в каком-то смысле выступает как теоретик, указывающий исполнителям проекта, что и в какой последовательности делать.

Так или иначе, но этот человек находится далеко впереди всех в части видения будущего изделия и чаще всего именно он становится руководителем проекта, а если нет, то первым советчиком руководителя, эдаким «евреем при губернаторе». Два теоретика в группе из семи человек — не два ли медведя в одной берлоге?

Характерно, что новый теоретик появился по инициативе самого Шокли, им оказался Джон Бардин, защитивший свою PhD-диссертацию в Принстоне в 1936 году и впоследствии работавший в нескольких университетах над квантовой теорией металлов, с перерывом на четыре военных года.

Квантовый компьютер: «дырки» заменяют электроны

Типичный университетчик по стилю работы и складу характера, он тем не менее принял предложение о переходе в «Белл» — семья росла, и профессорского оклада в 3200 долларов годовых (как же изменился доллар за 60 лет!) не очень-то хватало, а здесь ему предложили сразу 6600. Да и сам проект фирмы показался Джону более чем привлекательным. Блистательный физик-теоретик, уже получивший известность в научных кругах США, он без труда разобрался в специфике полупроводников и тотчас включился в работу. Счастливая случайность помогла ему адаптироваться.

Еще учась в Принстоне, он, увлеченный боулингом и бриджем, сошелся со студентом Р Браттейном, который в один из уикэндов пригласил его в свою семью и познакомил со старшим братом Уолтером, научным сотрудником фирмы «Белл». А сейчас У. Браттейн в качестве ведущего физика-экспериментатора входил в группу Шокли. Бардину выделили место в той же комнате, третьим был Дж.Пирсон, тоже экспериментатор, все трое — любители бриджа. Браттейн мог крутить ручки осциллографа хоть 25 часов в сутки, лишь бы была чашка кофе и кто-то рядом, готовый слушать его болтовню. Молчун Бардин подходил для этого как нельзя лучше, тем более, что разговоры экспериментаторов совсем не мешали его мыслям. Естественно, что образовалась неформальная, но прочная связка Браттейн — Бардин. А Шокли с его твердым, порой неуживчивым характером, язвительными репликами, внутренней убежденностью в исключительности и превосходстве всегда держался отстраненно, как бы «над» — может, отсюда и его пристрастие к альпинизму. Окружающие это чувствовали.

Группа Шокли продолжила раскрутку его предвоенного проекта, других идей не было, да и само по себе это предложение каких-либо возражений не вызывало. Однако, как и в 1940 году, полупроводник упрямо не желал реагировать на команды «сетки», если не считать того, что при очень высоких управляющих напряжениях возникали прожоги, а то и микровзрывы. В чем же дело?

Провал с закисью меди был еще ранее вполне логично объяснен, но теперь ситуация в полупроводниках изменилась кардинально. Радиолокационный бум военных лет потребовал существенного усовершенствования полупроводниковых детекторов, известных еще со времен Александра Степановича Попова. Проблему решили, перейдя на использование новых полупроводников — кремния, а потом и германия, в получении которых сотрудники «Белл» оказались впереди всех.

Ремарка историка. Уже к началу войны авиация стала настолько грозной силой, что одна могла решать судьбы сражений, а то и целых кампаний, как это случилось в Норвегии. Ранним утром 9 апреля 1940 года воздушный и морской десанты немцев высадились в Осло, Бергене, Ставангере, и уже через десять дней юг страны капитулировал. А в июле та же воздушная армада немцев в количестве 1300 самолетов начала массированные бомбардировки Англии, готовя вторжение с моря. Английская авиация могла бы выступить почти на равных, но агрессор всегда имеет преимущество в неожиданности времени и места нанесения удара. Вот тогда-то и вспомнили о радиолокаторах (радарах — по-английски), известных еще в 1930-е годы, но развивавшихся ни шатко ни валко. Английские ученые совершили подвиг, оперативно вооружив радарами своих летчиков, — теперь даже ночью они «видели» врага на подлете. «Битва за Британию» была выиграна — 15 сентября 1940 года немцы отменили задуманное было вторжение. Англия вздохнула с облегчением. «Никогда... такое множество людей не было обязано столь многим — столь малому числу людей»; так поздравил У.Черчилль летчиков и ученых.

Итак, группа Шокли получила в свое распоряжение помощников-металловедов, которые могли поставлять кристаллы кремния и германия с любыми заданными свойствами. И тем не менее ни один эксперимент не породил даже надежду на успех. Вот теперь под сомнение попала сама структура, изобретенная Шокли, — не слишком ли она примитивна? Это был его принцип — начинать с простейшего, именно в этом случае неудача должна лишь возбуждать творческую энергию поиска, а не мысль об окончательном провале. С закисью меди разобрались, значит, разберемся и с германием, причем именно в нем, ведь все остальное — аксиоматически ясно.

Ремарка историка. Шокли вообще увлекали философия науки, психология творчества, ему было интересно перебрасывать мостик от физических уравнений к природе человека и человеческой деятельности. Он постоянно искал в истории науки подтверждение своей, в общем-то, здравой концепции возбуждения особенной творческой активности при столкновении с неудачами на пути к цели («creative failure methodology», CFM). Важно лишь, чтобы направление движения было определенно верно, вот здесь-то и полезны прозрачно-простые проекты. Пожалуй, будь он знаком с нашей литературой, ему непременно приглянулась бы «Энергия заблуждения» Б.Шкловского.

Концепция CFM блестяще сработала, но... выбор судьбы пал не на Шокли. Бардин высказал гипотезу, в дальнейшем подтвержденную экспериментально, о том, что значительная часть электронов кремниевого брусочка оседает в неких «ловушках» под поверхностью полупроводника, их заряд экранирует электрическое поле «сетки», не впуская его внутрь кристалла.

В 1947 году Бардин опубликовал статью по «поверхностным состояниям», которая прочно закрепилась в теории полупроводников; тогда же он предсказал, что для экспериментов группы лучше сосредоточиться на германии, пока отставив кремний.

А Шокли тем временем продолжал рутинную деятельность по каждодневному руководству группой и читал лекции своим сотрудникам по физике полупроводников, многое при этом уясняя и самому себе. (Это позволило ему в 1950 году издать толстенную монографию «Электроны и дырки», которая на десятилетие стала настольной книгой исследователей полупроводников всего мира.)

Итак, неудачи объяснились, стало понятно, куда двигаться дальше. Металлическую пластину «сетки» заменили проволочкой, рядом разместили другую, вспомогательную, надеясь с ее помощью «очистить» ловушки от электронов хотя бы в небольшой зоне поблизости и тем самым снять экранировку поля управляющей иглы. И вечером 15 декабря 1947 года У.Браттейн наконец-то получил долгожданное усиление электрического сигнала в несколько раз. Ура, победа. Но... казалось бы, какое еще может быть «но», если получилось. Может, и существенное. Усиление наблюдалось при потенциалах на игле противоположных (по знаку) тем, которые «следовало» подавать — Браттейн на всякий случай перепробовал все возможные варианты включения. Разумеется, рядом с недоумевающим экспериментатором оказался Бардин, его мозговой штурм был столь стремителен, что уже 16-го все встало на свои места. Вернувшись в тот день домой и пройдя мимо жены, которая чистила морковь к ужину, Бардин буднично обронил: «Сегодня мы открыли кое-что важное», и она в тон ему отреагировала: «это великолепно», но инстинктивно почувствовала, что произошло что-то действительно значительное. От его коллег она не раз слышала: «Бардин не слишком часто открывает рот, чтобы сказать что-нибудь, но уж если откроет, — СЛУШАЙТЕ!»

Срабатывал отнюдь не механизм «эффекта поля», Бардин высказал гениальную догадку, и она подтвердилась, что основными «действующими лицами» в германии выступают не электроны, о которых исследователи все время пеклись, а так называемые «дырки» — положительно заряженные аналоги электронов, которых в кристалле неизмеримо меньше, чем электронов, иногда и в миллионы раз, и ролью которых, казалось бы, естественно пренебречь. Их так и называли «неосновными носителями заряда», а электроны — «основными», но вдруг оказалось, что в механизме усиления их роли обратны этим определениям. Одна из иголочек впрыскивает, инжектирует дырки в кристалл, они перемещаются в сторону другой иглы и ею улавливаются, коллектируются; при большом различии напряжений на иглах реализуется усиление — малая мощность одной иглы контролирует большую мощность другой. Приповерхностные ловушки, с которыми полтора года боролись, никакой роли в процессе не играют, вообще все электроны лишь молчаливо при сем присутствуют, подобно океану, в котором резвился да вдруг был пойман косяк трески.

Ремарка автора. Спрессовав двухлетнюю работу группы в полутора страницах текста, неизбежно многое теряешь, хорошо, если не все. Были бесчисленные эксперименты по обработке поверхности кремния и германия, поначалу не было никаких иголочек, они появились позднее, да и в инжекции участвовали посложнее, чем сказано, отдельно следовало бы поговорить о вкладе каждого члена группы. Это — всего лишь повествование для любознательного ученика, но надо ли лезть вглубь?

К открытию шли долгих два года, а свершилось оно почти мгновенно, и авторами его в глазах окружающих однозначно предстали Браттейн и Бардин. Им и будущий патент в руки. Собственно говоря, так оно и было, ведь от первоначального замысла Шокли осталась только оболочка, а ее наполнение — процессы внутри германиевого кристалла — было принципиально иным, не шоклиевским. Правда, в те же дни Пирсон обрадовал Шокли, что эффектом поля удалось на 30% изменить сопротивление германия, и «это наш моральный успех». Трудно даже вообразить, как разочаровали его эти крохи на фоне феерического достижения Бардина и Браттейна.

Смотрины для начальства фирмы запланировали через неделю, надо было причесать экспериментальную установочку, повторить опыты в разных комбинациях игл, кристаллов германия и тому подобное («хотя бы» 1000 серий, так было принято в «Белл»), написать краткий меморандум. А отодвигать дальше некуда — приближалось Рождество.

Вторник 23 декабря 1947 года — день демонстрации открытия на фирме — выдался пасмурным, моросил дождь вперемежку со снегом, но это не помешало всеобщему ликованию и тостам «за транзистор».

Ремарка историка. Автора опять занесло: термин «транзистор» был «изобретен» инженером-радиотехником Дж. Пирсом и формально узаконен в мае 1948 года. Было дано вполне научное обоснование этому словообразованию, оно давно забылось, но звонкость, таинственность и устремленность в будущее этого слова остались навсегда. Подобную судьбу через десять лет повторил и «лазер». Ах, как это важно — дать звонкое имя изобретению, ведь, как ни крути, а «вначале было слово».

Радовались все, за исключением... руководителя группы. Он не мог и, пожалуй, даже не стремился скрыть разочарования: открытие, к которому он устремился еще десять лет тому назад, сделали другие.

Последующую неделю Шокли прожил в неистовом возбуждении. Чисто внешне он проделывал все, что положено типичному американцу исполнять в рождественскую неделю: сходил с семьей в ресторан, посетил друзей в Чикаго, обзвонил с поздравлениями знакомых. Но при этом ни на миг не прекращал самоистязания. Крайне амбициозный индивидуалист, абсолютно и не без оснований уверенный в своем превосходстве и нередко грешащий завышенной самооценкой, человек, лучше всех в мире познавший полупроводники, он проиграл «мягкому интеллектуалу» и уступил «свою» жар-птицу. Однако... Шокли не был бы собой, если бы не сумел, в конце концов, направить свое возбуждение в русло CFM. Вулканический всплеск его творческой энергии за одну неделю — позднее в мемуарах эту рождественскую для всех неделю он назвал своей «страстной неделей» — создал теорию р-п-перехода, а в ночь на Новый год — увидел во сне плоскостной транзистор c р-п-переходами, увидел почти буквально, без кавычек.

Ремарка историка. Американцы считают, что р-п-переход — границу между двумя областями полупроводника с разной проводимостью — впервые в 1940 году заметил Р.Оль, занимавшийся выращиванием слитков кремния. У нас эта честь приписывается киевлянину В.Е.Лашкареву, обнаружившему ту же резкую границу в образцах закиси меди и также в 1940 году. Но намного раньше их обоих р-п-переход непосредственно увидел О.В.Лосев при опытах со свечением карбида кремния, которые он проводил в ленинградском НИИ-9. Пожалуй, бессмысленно искать первооткрывателя, существование такой границы между двумя частями кристалла, в одной из которых преобладают электроны (n-тип), а в другой — дырки (р-тип), самоочевидно, а вот что происходит на этой границе, действительно, интересно. Шокли впервые услышал о jhn-переходе в 1945 году, и эта новость заинтриговала его, он интуитивно почувствовал, что здесь может быть скрыто немало чудес (как и вообще вблизи всяческих границ), но тогда он мучился загадками однородного кремния, это было время фатальных неудач с «эффектом поля».

Позднее, в 1946 — 1947 годах, у него появлялись «окна» и для теоретизирования с р-^переходом, он построил его квантовомеханическую модель, не хватало лишь изюминки. Она нашлась после открытия Бардина — Браттейна: р-^переход может быть идеальным инжектором дырок, несравненно более эффективным, чем острие иглы. Дальнейшее — дело техники.

В поисках «своего» транзистора Шокли вдохновлялся тем, что детище Браттейна — Бардина было откровенно убогим (ох уж эти подрагивающие иголочки!) — блистательная новая полупроводниковая физика явилась на свет в нищенском рубище. Надо было исправлять ситуацию.

Его новая концепция окончательно сформировалась к концу января 1948 года, а патентные заявки на два типа транзистора были поданы почти одновременно: 17.06.48 — на точечный транзистор с иголочками (Дж.Бардин, У.Браттейн) и 26.06.48 — на плоскостной транзистор с р-п-переходами (У. Шокли).

На общественной презентации 30 июня 1948 года, описанной в начале статьи, был представлен только точечный транзистор. Чтобы изготовить первые образцы плоскостных германиевых транзисторов, фирме «Белл» потребовалось более двух лет, а их презентацию провели 4 июля 1951 года. Это был личный триумф Шокли, он блистательно преодолел синдром неудачника и обрел еще большую уверенность в себе. Вскоре транзисторы побывали на Корейской войне (1950 — 1953 годы) и неплохо себя показали, военные стали к ним относиться более чем благосклонно. А после того как германий заменили на кремний, отчего транзисторы стали работать и при температурах выше 100^оС, неизмеримо возросла их надежность и понизилась стоимость, началось триумфальное вхождение транзисторов в радиоэлектронику и повсеместное вытеснение радиоламп. При этом точечный транзистор, на доведение которого до производства было затрачено немало средств, все более себя дискредитировал и к середине 1950-х годов окончательно сошел со сцены. Остался только плоскостной транзистор Шокли, теперь его называли просто «транзистор», других не было.

Первый точечный транзистор, 1947 год

Первый плоскостной транзистор

Из воспоминаний академика Ю.В.Гуляева. «В 1960 году меня, аспиранта МФТИ, прикрепили к приехавшему в Москву на конференцию Шокли в качестве гида и переводчика. Придя к нему в «Националь», я с порога пафосно начал с домашней заготовки, что «горд сопровождать Вас, одного из трех изобретателей транзистора...» Но был резко оборван мэтром: «Каких трех?! Изобрел только Я, Бардин и Браттейн — это точечный транзистор, который тут же и умер. А мой — живет и будет жить».

На волне успеха и всеобщего признания Шокли снова вернулся к своему первоначальному проекту. Ему надо было доказать окружающим, что прежний провал был временным, а сама идея — ЕГО идея, — несомненно, была верной. Теперь, имея в своем распоряжении совершенные полупроводники и такой мощный «инструмент» как р-^переход, он изобрел транзистор, использующий эффект поля, который так и назвали — полевым. В модернизированном виде эта идея вошла в так называемый МОП- транзистор (его изобрели в 1960 году два других американца), ставший основой всей современной микроэлектроники, ее сверхбольших интегральных схем.

Имидж великого человека формировали и внешние силы, прежде всего руководство «Белл» (Шокли, напомним, был «любимчиком Келли»), федеральные власти и военные, наконец — СМИ. Когда 1 ноября 1956 года пришло известие о присуждении Нобелевской премии троим главным героям транзисторной эпопеи, в «Нью-Йорк таймс» тотчас же назвали Шокли «капитаном команды лауреатов», мотив «командного» успеха повторил потом и председатель шведского наградного комитета. А еще раньше все американские СМИ обошла фотография вроде как периода открытия транзисторного эффекта, на которой Шокли уверенно склонился к микроскопу, а Бардин — Браттейн почтительно стоят сзади в позе учеников (Бардин острил, что фоторепортер, выстраивая композицию, просто перепутал Браттейна с Шокли, не знал их в лицо). На церемонии вручения Нобелевских наград Шокли, вопреки алфавиту, шел первым, да и формулировка самого их достижения была вполне политкорректной: «за исследование полупроводников и открытие транзисторного эффекта». Ни слова об изобретении транзистора, а потому и никаких выяснений, кто и в чем был первым.

Ремарка историка. Без сомнения, именно Шокли внес определяющий вклад в современную электронику, дав миру плоскостной транзистор. Но первый, скажем так, «божественный толчок» пошел не от него. Историки, пожалуй, что и сама История, оказываются в непростом положении. Продолжать во всех деталях описывать, «как было», или спрессовать факты и хронологию все более уходящего прошлого? Общественность хочет знать имя творца победы.

Увлекшись изобретением новых разновидностей транзисторов, их устройством, методами создания и углублением теоретических представлений, Шокли не заметил, что все это уже прошлое, а впереди — эра микроэлектроники. И подготовлена она исключительно «его» транзистором, казалось бы, обопрись на это, поднимись над текучкой — и быть бы Шокли еще и «отцом микроэлектроники». Не сложилось.

Должно быть, в одном океане одному человеку невозможно дважды выловить «большую рыбу», это не удалось даже Эйнштейну, сколько ни бился он над единой теорией поля. Надо забыть первый успех и перебраться в другой океан...

Бардин так и поступил: уже с весны 1950 года он переключился на исследование сверхпроводимости, в 1951-м, оставив «Белл», перебрался в Иллинойсский университет, к 1957 — 1958 годам совместно с двумя своими аспирантами создал теорию этого сложнейшего явления и в 1972 году в компании с ними же был удостоен Нобелевской премии, став, таким образом, единственным за всю историю дважды лауреатом по физике. Вот так, без взлетов-падений и кипения страстей, все — в одной фразе.

Разумеется, у Шокли все складывалось позаковыристей. Оставив «Белл» в 1955 году, он отправился на Запад и в родном Пало-Альто учредил собственную транзисторную фирму, разместив ее в наспех переоборудованном сарае для хранения абрикосов. Кредиты под его имя дали, теперь надо было зарабатывать, и он был уверен, что сможет — идей полно, характер есть, а постигнуть законы бизнеса вряд ли сложнее, чем изобрести транзистор. В следующем году к нему со всей Америки слетелось десятка полтора высокопрофессиональных амбициозных ученых и инженеров, самым «старым» среди которых оказался 29-летний Р.Нойс, недавний аспирант Шокли. Для них Шокли был «полупроводниковым Богом», на это, собственно, и западали молодые, забыв, что «трудно быть богом» и еще труднее быть рядом с «Богом».

Трудности начались сразу — при приеме он устроил им всем «психологическую проверку», включающую IQ-контроль, что было почти унизительно, но — промолчали. Существеннее оказалось то, что у молодых было свое видение перспективы: не топтаться на месте, клонируя многочисленные прежние транзисторные задумки мэтра, а разрабатывать принципиально новую технологию, развивать производство кремниевых транзисторов.

Нарастающую напряженность в отношениях «отцов» («отца») и «детей» ослабила весть о присуждении Шокли Нобелевской премии — на любительском фото, сделанном на следующий день во время ланча в лаборатории, на всех лицах неподдельная радость, на столе пара откупоренных бутылок вина, в торце стола сидит улыбающийся лауреат. Однако блеск мишуры прошлых заслуг мог ослепить Шокли, но не его сотрудников. Бунт на корабле начался уже в январе 1957 года, чашу терпения недовольных переполнило решение профессора (как всегда, единоличное) взять долгосрочный контракт на разработку тиристора. Направление было, очевидно, невыигрышное, «Акела промахнулся», констатировала стая.., и молодые волчата покинули шефа.

Уже в марте они, возглавляемые РНойсом и Г Муром (впоследствии — автором знаменитого «закона Мура», описывающего стремительный динамизм микроэлектроники), образовали собственную фирму «Фэйерчайлд» и ринулись в бой (вольный перевод их брэнда — «белокурая Бестия»). Удача любит решительных. После запуска первого советского спутника (04.10.1957) в США началась истерия: как посмела администрация президента Эйзенхауэра пропустить СССР вперед в космосе? Миллиардные заказы посыпались на ракетный комплекс и сопутствующую электронику, перепало и «Фэйерчайлду». Р. Нойс возглавил масштабную работу, которая завершилась созданием планарной технологии, ставшей с 1959 года основой всей будущей микроэлектроники. Через несколько лет она сменила вывеску на «Интел», и кто сегодня в мире не наслышан об этой фирме, микропроцессоры которой характеризуют последовательные ступени прогресса информационной технологии.

А что же Шокли? Он остался в одиночестве, посылая проклятия «восьмерке предателей» из опустевшего абрикосового сарая. Пойти на компромисс, оказаться вместе с волчатами на «Фэйерчайлде», благодаря своему авторитету в обществе суметь «оседлать» микроэлектронику и стать ее «отцом» — он не смог. И впрямь, «Акела промахнулся». К 1964 году его фирма окончательно обанкротилась, и он перебрался профессорствовать в Стэнфорд, второе восшествие на олимп не состоялось. При нем остались: психологический кризис среднего возраста; увлечение проблемой выведения совершенной породы людей, в котором он вышел за пределы дозволенной политкорректности, намекнув на интеллектуальную ограниченность чернокожих американцев, за что был подвергнут остракизму; мемуары об истории создания транзистора, в которых он увлеченно цитировал и превозносил себя, не забывая пускать язвительные стрелы во все стороны и «забывая» о тех, кто был рядом или впереди ... Один из биографов Эйнштейна как-то заметил, что если бы этот великий человек после 1925 — 1929 годов занялся исключительно туризмом, то физика от этого ничего бы не потеряла.

Не будем о грустном, ныне транзистору 60, подошла пора мудрой зрелости и. оформления пенсии, но замены этому удивительному труженику информационного мира не предвидится. Слава транзистору и его создателям!

Елена Съянова