Транзистор

Транзистор

В Bell Labs Шокли со своей новой командой вернулся к оставленной им пять лет назад теории, которая должна была позволить заменить электронные лампы твердотельным устройством. Если источник сильного электрического поля, рассуждал он, разместить в непосредственной близости от пластины из полупроводникового материала, поле “вытащит” некоторое количество электронов на поверхность и позволит пропустить электрический импульс через пластину. В принципе это могло бы позволить использовать полупроводник, чтобы с помощью очень маленького сигнала контролировать сигнал гораздо большей мощности. Очень слабый ток, поданный на вход, будет регулировать (или включать и выключать) на выходе существенно более сильный ток. Таким образом, полупроводник, точно так же как и электронную лампу, можно использовать как усилитель или переключатель.

Была только одна небольшая неувязка: этот “полевой эффект” по какой-то причине не работал. Когда Шокли проверил свою теорию (на пластинку, помещенную на расстоянии порядка миллиметра от проводника, подали напряжение около тысячи вольт), ничего не произошло. “Никаких видимых изменений тока”, — записал Шокли в лабораторном журнале. Как он сказал позднее, это было “абсолютно непостижимо”.

Разобравшись, почему теория оказалась неправильной, можно отыскать путь к новой, лучшей теории. Поэтому Шокли попросил Бардина объяснить, в чем причина неудачи. Вместе они часами обсуждали так называемые “поверхностные состояния” — электронные свойства и квантово-механическое описание ближайших к поверхности образца слоев атомов. Через пять месяцев Бардин понял, что происходит. Он подошел к доске в кабинете, который делил с Браттейном, и начал писать.

Бардин сообразил, что, если полупроводник заряжен, электроны захватываются его поверхностью. Двигаться свободно они не могут. Электроны образуют запирающий слой, и электрическое поле, даже если на расстоянии в один миллиметр от поверхности оно сильное, не может преодолеть этот барьер. “Добавочные электроны оказались заперты в поверхностных состояниях, они неподвижны, — заметил Шокли. — В сущности, поверхностные состояния экранируют внутренность полупроводника от воздействия положительно заряженной управляющей пластины”¹⁸.

Теперь у команды была новая задача: понять, как можно прорваться через барьер на поверхности полупроводника. “Мы сосредоточились на новых экспериментах, связанных с поверхностными состояниями Бардина”, — объяснял Шокли. Они должны были пробить брешь в этом барьере, чтобы заставить полупроводник регулировать, переключать и усиливать ток¹⁹.

Весь следующий год команда продвигались вперед медленно, но в ноябре 1947 года было сделано несколько открытий, и начался месяц, известный как “месяц чудес”. Бардин разработал теорию так называемого “вентильного фотоэффекта”, согласно которой освещение находящихся в контакте разнородных тел приводит к появлению электродвижущей силы. Он предположил, что в результате некоторые из электронов, образующих барьер, вытесняются. Браттейн, работавший бок о бок с Бардиным, ставил хитроумные эксперименты, пытаясь нащупать возможность сделать это. Им помогла счастливая случайность. Часть экспериментов Браттейн проводил в термосе, чтобы можно было варьировать температуру. Но конденсат на поверхности кремния раз за разом не позволял провести эксперимент чисто. Лучше всего было бы поместить все устройство в вакуум, но это требовало больших усилий. “Я на редкость ленивый физик, — признался Браттейн. — Поэтому я решил поместить мою систему в диэлектрическую жидкость”²⁰. Он наполнил термос водой, что обеспечивало простой способ избавления от конденсата. Семнадцатого ноября они с Бардиным провели испытания. Все работало великолепно.

Это было в понедельник. Всю неделю они с переменным успехом проверяли всяческие теоретические предположения и экспериментировали. К пятнице Бардин придумал, как избавиться от необходимости погружать устройство в воду. Вместо этого, предложил он, можно просто капнуть воду или небольшое количество геля прямо в то место, где острый металлический наконечник утыкается в кремний. “Здорово, Джон, — обрадовался Браттейн. — Давай попробуем”. Нельзя было допустить, чтобы металлический наконечник вступал в контакт с каплей воды. Но Браттейн был волшебником, умевшим импровизировать. С этой проблемой он справился с помощью сургуча. Браттейн нашел хорошую кремниевую пластинку, чуть-чуть капнул на нее водой, покрыл кусочек проволоки сургучом, чтобы изолировать ее от воды, и, пропустив проволоку через каплю воды, воткнул ее в кремний. Сработало. Его устройство давало возможность, правда немного, усилить ток. Из этой хитро придуманной конструкции “точечного контакта” родился транзистор.

На следующее утро Бардин зашел к себе в кабинет, чтобы зафиксировать полученный результат в своих записях: “Эти опыты определенно указывают на то, что электрод или решетку можно использовать для контроля тока в полупроводнике”²¹. Он даже появился на работе в воскресенье, хотя обычно этот день он оставлял для гольфа. Кроме того, они с Браттейном решили, что настало время пообщаться с Шокли, который уже несколько месяцев был погружен в другие дела. В течение следующих двух недель он часто спускался к ним на этаж вниз со своими предложениями, но в основном давал возможность этой энергичной паре самостоятельно продвигаться вперед.

Сидя в лаборатории Браттейна прямо рядом с его рабочим местом, Бардин спокойно выдвигал идеи, а тот лихорадочно проверял их. Иногда, когда шли эксперименты, их результаты в журнал Браттейна записывал Бардин. День благодарения прошел незамеченным. Они тестировали различные устройства, используя германий вместо кремния, проверяли, что лучше, лак или сургуч, и подходит ли золото для наконечников электродов.

Обычно эксперименты Браттейна следовали за теориями Бардина, но иногда случалось и обратное: неожиданные результаты экспериментов становились стимулом для рождения новых теорий. В одном из экспериментов с германием ток, по-видимому, тек в направлении, обратном тому, которое они ожидали. Но коэффициент усиления по току был больше трехсот, что значительно превосходило все их предыдущие достижения. Из-за этого Браттейну и Бардину пришлось сыграть в старую шутливую игру физиков: они знали, что на практике этот подход работает, но могут ли они заставить его работать в теории? Вскоре Бардин придумал, как это можно сделать. Он понял, что отрицательная разность потенциалов уносит электроны, приводя к увеличению числа “электронных дырок”. Дырка образуется там, где мог бы существовать электрон, но его там нет. Существование таких дырок вызывает поток электронов.

Была одна сложность: новый метод не позволял усиливать высокие частоты, включая частоты слышимого звука. И это делало его бесполезным для телефонов. Бардин предположил, что дело в капле воды или электролита. Поэтому он сразу предложил несколько других устройств. В одном из них место присоединения проводящей проволоки к германию находилось на крошечном расстоянии от золотой пластины, создающей поле. Напряжение повысить удалось, по крайней мере немного, и устройство работало на более высоких частотах. И опять у Бардина была наготове теория для этих, полученных с помощью шестого чувства, результатов: “Эксперимент подсказывает, что дырки перетекают на поверхность германия из пятнышка золота”²².

Бардин и Браттейн неуклонно продолжали творческий поиск. Они сообразили, что лучший способ увеличить коэффициент усиления — внедрить в германий два точечных контакта, расположенных по-настоящему близко друг к другу. Бардин рассчитал, что расстояние между ними должно быть меньше одной десятой миллиметра. Это была сложная задача даже для Браттейна. Но он придумал остроумный прием: наклеил кусочек золотой фольги на небольшой пластиковый клин, напоминавший наконечник стрелы, а затем лезвием бритвы сделал тонкий разрез в фольге вблизи вершины клина. Так получилось два точечных контакта из золота, расположенных достаточно близко друг от друга. “Только это я и сделал, — вспоминал Браттейн. — Я осторожно вел бритву до тех пор, пока не появился круговой разрез, положил его на пружинку и опустил на тот же кусок германия”²³.

Когда Браттейн и Бардин испробовали это хитроумное устройство 16 декабря 1947 года, свершилось чудо: устройство работало. “Я обнаружил, что, если вогнать клинышек правильно, — вспоминал Браттейн, — получается усилитель, усиливающий примерно в сто раз и работающий вплоть до звукового диапазона”²⁴. Вечером по пути домой разговорчивый Браттейн подробно излагал своим спутникам, которых развозили по домам в служебном автомобиле, что только что он “сделал наиважнейший из всех проведенных им в жизни экспериментов”. Затем он взял с них обещание никому ничего не рассказывать²⁵. Бардин, по своему обыкновению, был менее разговорчив. Но, придя домой, он сделал нечто необычное: он заговорил с женой о том, что происходило на работе. Бардин произнес всего одно предложение. Его жена была на кухне. Она чистила морковку возле раковины, когда он тихо пробормотал: “Сегодня мы открыли нечто важное”²⁶.

В самом деле, транзистор стал одним из самых важных открытий ХХ века. Он появился в результате сотрудничества теоретиков и экспериментаторов, работавших бок о бок в тесном контакте, обменивавшихся в реальном времени теориями и результатами экспериментов. Он появился и благодаря обстановке, в которой они работали. Они бродили по длинным коридорам, сталкиваясь со специалистами, знавшими, как обращаться с примесями в германии, или участвовали в семинарах, где были люди, умевшие объяснить наличие поверхностных состояний на языке квантовой механики. В кафетерии за одним столиком с ними были инженеры, до тонкости изучившие все возможности передачи сигналов по телефону на большие расстояния.

На следующий четверг, 23 декабря, Шокли созвал остальных членов своей полупроводниковой группы и некоторых руководителей Bell Labs, чтобы продемонстрировать новое устройство. Эксперты надели наушники и по очереди говорили в микрофон, так что они сами слышали, как простое твердотельное устройство усиливает человеческий голос. Сказанное тогда вполне могло стать не менее известно, чем первые слова, которые Александр Белл прокричал в телефон, но никто не мог вспомнить, что было произнесено в тот знаменательный день. Это событие сохранилось для истории благодаря сдержанным записям в лабораторном журнале. “Включая и выключая устройство, можно было слышать явное улучшение уровня чувствительности микрофона”, — записал Браттейн²⁷. Запись Бардина была еще более сухой: “Получено усиление напряжения путем использования двух золотых электродов на специально подготовленной поверхности германия”²⁸.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.