Среда, 8 февраля, 2023

От германия к кремнию: история успеха транзистора

Время на чтение 5 мин.

В номере от 1 июля 1948 года в рубрике «Новости радио» газета The New York Times сообщала о двух радиопьесах на CBS — и это было главной новостью колонки. После рассказа о них шла небольшая заметка о том, что «вчера впервые был представлен прибор под названием транзистор, который имеет несколько применений в радио там, где обычно используется электронная лампа». По мнению Оксфордского словаря, в этой заметке слово «транзистор» впервые использовалось в печати. Но почему же прибор, без которого немыслима цифровая эпоха, произвел столь малое впечатление сразу после появления?

Точка контакта

В прошлом материале мы рассказывали о долгом (более чем столетнем!) пути, который прошли исследователи от открытия полупроводников до теоретического объяснения этого явления и создания на его основе транзистора. Однако первое устройство, построенное в Bell Labs группой под руководством Уильяма Шокли, не могло конкурировать с зарекомендовавшими себя к тому моменту электронными лампами.

Первый транзистор был сделан из германия. Этот элемент выиграл конкуренцию с кремнием из-за температуры плавления. Для транзистора нужна высокая степень чистоты. Кремний плавится при температуре почти полторы тысячи градусов, из-за этого в него неизбежно попадают частицы посуды, в которой происходит плавление. Для германия эта величина меньше почти на треть — и такая температура «по плечу» жаропрочным тиглям. Однако были у материала и недостатки: при температуре всего 77 градусов германий теряет полупроводниковые свойства.

Да и в целом конструкция первого транзистора не отличалась надежностью. Всего одна точка контакта быстро загрязнялась, отчего устройство переставало работать, его мощность и диапазон частот были ограничены, а стоил он в восемь раз дороже лампы. Неудивительно, что разработка Bell Labs воспринималась как что-то глубоко теоретическое, которое может быть когда-нибудь получится приспособить под нечто полезное.

Был у германиевой конструкции еще один важный недостаток: инженеры не смогли организовать массовое производство. Физики не могли добиться устойчивых одинаковых параметров каждого транзистора, и каждый раз получали устройства с разными характеристиками. Это делало их использование в электротехнике невозможным. Лишь спустя четыре года инженеры смогли решить эту проблему. Однако транзисторы получили распространение только на рынке… слуховых аппаратов. Здесь главную роль играло большое время работы от аккумулятора и маленькие габариты, а цена отходила на задний план.

Сэндвич

Первым за усовершенствование транзистора взялся руководитель группы разработчиков Уильям Шокли. Новый 1948 год он встречал в чикагском отеле, но не на праздничном балу или ужине, а устроив мозговой штурм, запершись в номере. Среди идей Шокли был новый тип транзистора.

Принцип работы полупроводников основан на формировании в кристаллической решетке ковалентных связей: это значит, что один электрон принадлежит нескольким атомам. При повышении температуры электроны получают энергию, чтобы оторваться от атома. Таким образом электроны формируют отрицательный заряд, а дырки — свободные места в электронной оболочке — условно считаются положительным. В зависимости от того, несут основной заряд электроны или дырки, полупроводники делятся на n-тип (negative, то есть отрицательный заряд) и p-тип (positive, то есть положительный).

Шокли предложил конструкцию транзистора в виде сэндвича, где между двумя полупроводниками n-типа располагается слой полупроводника p-типа.

Кремний. Восход

Химик и физик Гордон Тил для своей докторской диссертации изучал свойства германия. В 1930-х он начал работать в Bell Labs и предложил усовершенствовать транзистор, используя для него чистый монокристалл германия (то есть твердое тело, имеющее единую кристаллическую решетку во всем объеме). Группа Шокли использовала поликристаллы — по сути сплавленные между собой небольшие монокристаллы. Когда Тилу удалось реализовать свою концепцию, оказалось, что монокристаллы по характеристикам значительно превосходят поликристаллы. Далее химику удалось разработать технологию изготовления германиевого p-n-p сэндвича, который оставил не удел первый транзистор с одноточечным контактом. В частности, он потреблял в миллион раз меньше энергии, чем электролампа.

Далее Тил стал экспериментировать с другим элементам. Электроны германия с повышением температуры слишком легко отрываются от атомов — уже при +77 элемент ведет себя как обычный проводник. Тил начал эксперименты со сверхчистым кремнием — и сумел к 1954 году получить кремниевый транзистор, который работал даже при температуре окружающей среды в несколько сотен градусов.

В полевых условиях

Еще работая над первым транзистором, Уильям Шокли предложил схему, которую позже назовут полевой. Его идея заключалась в том, чтобы «вытянуть» электроны к поверхности кристалла электромагнитным полем, создавая таким образом «дорогу», по которой будет течь ток. Таким образом сигнал модулировал бы контур, проходящий по внешнему слою полупроводника. Такую же схему предложил за десяток лет до Шокли физик Юлий Лилиенфельд.

Однако на практике реализовать задумку не удалось ни Лилиенфельду, ни группе Шокли. Причину этого объяснил физик-теоретик Джон Бардин. Оказалось, что поверхность полупроводника на квантовом уровне отличается от его внутренних областей: электроны останавливали проникновение электромагнитного поля в вещество.

Решить эту проблему удалось нанесением тонкого слоя оксида на поверхность полупроводника. Он подавлял поверхностные состояния электронов, и электромагнитное поле беспрепятственно проникало внутрь кремния. Так появилась МОП-структура (металл-оксид-полупроводник), которая используется и сегодня.

Последним усовершенствованием перед тем, как транзисторы отправились покорять мир, стала планарная технология производства: все компоненты транзистора создаются отдельно, а затем объединяются в единую структуру. Так получаются те самые плоские устройства, которые сегодня где только не используются.

Хотя Нобелевскую премию за разработку транзистора разделили между собой трое, в действительности над технологией работали тысячи людей и сотни компаний, которые получили сотни патентов на свои изобретения. Так что дивный новый мир создавался коллективными усилиями множества людей из разных уголков мира. Разве может прогресс двигаться иначе?

Другие статьи

Оставьте ответ

Пожалуйста, введите свой комментарий!
Пожалуйста, введите ваше имя здесь

Enter Captcha Here : *

Reload Image