24 декабря 1947 года сотрудник Bell Labs Уолтер Браттейн, работавший вместе с физиком-теоретиком Джоном Бардином и другими в отделе по исследованию твердого тела под руководством Уильяма Шокли, продемонстрировал первый транзисторный генератор. Руководство компании осознало важность изобретения и засекретило разработку вплоть до 1948 года, когда ее публично представили в Нью-Йорке. Так началась совершенно новая эра человечества — эра транзисторов, сделавших возможными практически все современные электронные устройства. Но непосредственному воплощению идеи предшествовали десятилетия изысканий в попытках объяснить наблюдаемые, но не поддающиеся описанию в рамках существовавших теорий явления.
Проводники ведут себя странно
В 1833 году Майкл Фарадей экспериментировал с сульфидом серебра. Физик заметил, что его проводимость увеличивается с возрастанием температуры. Это шло вразрез с поведением металлических проводников, но объяснить явление Фарадей не смог. Спустя двадцать лет работавший в университете Мюнстера физик и химик Иоганн Вильгельм Гитторф количественно измерил зависимость проводимости сульфидов от температуры, попытавшись объяснить явление с точки зрения электрохимии.
Прошло еще два десятилетия, и в 1874 году физик из Лейпцига Фердинанд Браун публикует свою первую работу «О прохождении электрических токов через сульфиды металлов», которая только прибавила научных загадок. Браун собрал установку, которая пружинным механизмом прижимала металлический провод к кристаллу сульфида. Физик обнаружил, что проводимость последнего зависела от направления тока: в одну сторону он тек свободно, а в другую — резко падал. Таким образом сульфиды демонстрировали свойства как изолятора, так и проводника (позже такие материалы, занимающие промежуточное положение, назовут полупроводниками). Позднее явление стали называть выпрямлением — за способность «выпрямлять», то есть превращать переменный ток в постоянный. Со временем выяснилось, что сульфиды — не единственные вещества с подобными свойствами. Облучение светом порождало такую же способность у селена, который получали из некоторых сульфидных руд.
Хотя физики по-прежнему не могли теоретически объяснить наблюдаемые явления, они стали думать о том, как бы применить их на практике. Перебравшись в конце 1890-х в Страсбургский университет Фердинанд Браун с энтузиазмом нырнул в водоворот изучения радиоволн. Ученый сосредоточился на создании нового, более надежного типа радиоприемника. Тут-то и пригодилась старая экспериментальная установка. Браун использовал эффект выпрямления, который преобразовывал порождаемый радиоволнами переменный ток в постоянный, питавший динамик. Новый приемник, представлявший собой тонкий проводок, касавшийся верхней части кристалла полупроводника, назвали «кошачий ус».
«Кошачий ус» стал первым практическим применением полупроводников, но век его оказался недолог. Довольно скоро его заменили электронные лампы с триодными усилителями.
Однако полупроводники не канули в Лету. Американский физик Ларс Грондал открыл полупроводниковые свойства оксида меди. В 1926 году Горндал создал прибор, состоящий из дисков, сделанных из меди и ее оксида. Это устройство было значительно совершеннее выпрямителя Брауна и имело широкий коммерческий успех. Оно привлекло внимание сотрудников Bell Labs Джозефа Беккера и Уолтера Браттейна. Они усовершенствовали процесс производства медных выпрямителей, назвали устройство варистором (от variable resistor, то есть «вариативное сопротивление») и стали активно их использовать в своих конструкциях.
Параллельно с этим развивалась квантовая механика, которая позволила наконец объяснить, каким образом работают полупроводники. Работы Алана Уилсона, который создал теоретическую модель полупроводников, и Невилла Мотта, который ее уточнил, натолкнула исследователей Bell Labs на новые идеи. Впрочем, их воплощение пришлось отложить.
Завтра была война
Начавшаяся Вторая мировая войны остановила все гражданские разработки. Однако исследования полупроводников продолжились — теперь для использования в военных целях. Одной из важнейших технологий, которая могла обеспечить преимущество в ведении боевых действий, был радар. На тот момент радары работали преимущественно в метровом диапазоне, и для них требовались довольно большие антенны, а точность и дальность действия оставляли желать лучшего. Гораздо большие возможности обещали прибор микроволнового диапазона, но как его реализовать?
В 1940 году физики из Университета Бирмингема создали устройство для генерации мощного пучка микроволн — резонансный магнетрон. Однако возникла заминка с приемником сигнала — существовавшие электроламповые не подходили для получения микроволн. Сразу несколько исследовательских групп, включая и Bell Labs, выяснили, что устаревший «кошачий ус» сработается с резонансным магнетроном.
Впрочем, проблемы нестабильной работы детектора остались, так что перед инженерами все еще стояла задача найти более совершенный материал для приемника. Работавший в Bell Labs Джордж Саутворт нанял электрохимика Рассела Ола, который стал искать новый материал-полупроводник. Ол остановил выбор на кремнии, который, по его мнению, подходил лучше всего, но с одним условием: вещество должно быть высокой степени чистоты. Совершенствуя технологический процесс, материаловеды смогли получить материал с чистотой 99,999 %. Параллельно выяснилось, что альтернативой кремнию может стать германий, чья температура плавления почти на 500 градусов ниже.
Основываясь на теории
Война закончилась быстрее, чем был создан эффективный выпрямитель для радаров, но наработки по материалам остались. В Bell Labs собрали новую команду, в которую вошел и Джон Бардин, недавно защитивший диссертацию по исследованию, описывавшему энергетические уровни электронов натрия. Ему с коллегами и удалось совершить новую техническую революцию.
Для своей диссертации Бардин провел сложнейшие вычисления, а далее исследуя электроны, он теоретически объяснил, как полупроводники работают на квантовом уровне. Бардин ввел понятие поверхностных состояний — состояний электрона вблизи поверхности твердого тела. Поверхность ведет себя не так, как внутренняя часть полупроводника, — и этот эффект препятствует эффективности выпрямителя.
Прошло полтора года, прежде чем Уолтеру Браттейну удалось решить проблему поверхностных состояний. Прототип транзистора создали из германиевой пластины, по сути повторив схему «кошачьего уса», только усовершенствовав ее. Джон Пирс, работавший в группе Шокли, предложил для изобретенного устройства название «транзистор», образовав его от слов transfer — переход — и resist — сопротивление.
Первые транзисторы не получили какой-то заметной популярности — на одной точке контакта германиевого транзистора быстро накапливались примеси, приводившие к неработоспособности, на него влияли изменение температуры и влажности, наконец он стоил дороже привычных уже ламп.
Часть этих проблем удалось решить Шокли. Он предложил ставшую впоследствии рабочей схему «сэндвича», в котором полупроводник располагается слоями. Другой прорыв совершил химик Гордон Тил. Германий был слишком чувствителен к повышению температуры — при +77 он уже переставал быть полупроводником. Кремний в этом плане значительно стабильнее, но его сложнее получать из-за высокой температуры плавления. Однако Тилу удалось решить эту проблему с помощью сверхчистых образцов кремния. К 1955 году в Bell Labs освоили производство кремниевых транзисторов. Деньги на это снова дали военные. Они создавали сеть арктических радарных станций для раннего обнаружения бомбардировщиков, которые могли лететь из Советского Союза через Северный полюс. Для этого нужны были новые транзисторы — и министерство обороны готово было покрыть огромные затраты на внедрение новой производственной линии.
В 1956 году Уильям Шокли, Уолтер Браттейн и Джон Бардин получили Нобелевскую премию по физике за создание транзистора. И хотя на тот момент новые устройства еще не вошли в нашу жизнь так широко, как сегодня, их перспективность уже стала очевидна.