Історія транзисторів. Буревісники кремнієвої революції
ВОЛОДИМИР ГАКІВ,журналіст, письменник-фантаст, лектор. Закінчив фізфак МДУ. Працював у НДІ. З 1984 року на творчій роботі. У 1990-1991 рр. . - Associate Professor, Central Michigan University.З 2003 року викладає в Академії народного господарства. Автор 8 книг та понад 1000 публікацій
Історія транзисторів
Буревісники кремнієвої революції
Безглузда помилка призвела до відкриття, яке принесло його авторам Нобелівську премію
Понад шістдесят років тому, 23 грудня 1947 року, три американські фізики, Вільям Шоклі, Джон Бардін, Уолтер Браттейн, продемонстрували колегам новий прилад – напівпровідниковий підсилювач, або транзистор. Він був мініатюрнішим, дешевшим, міцнішим і довговічнішим за радіолампи, а крім того, споживав набагато менше енергії. Словом, відкриття стало справжнім різдвяним подарунком трьох «санта-клаусів» людству – саме з цього основного елемента інтегральних схем розпочалася Велика кремнієва революція, яка призвела до появи загальноприйнятих сьогодні «персоналок».
Усі троє отримали заслужену Нобелівську премію, а Бардін згодом примудрився отримати і другу – 1972-го, за створення мікроскопічної теорії надпровідності (разом із Леоном Купером та Джоном Шриффером – нічим нижче). Доля Вільяма Шоклі взагалі склалася дуже цікаво.
Підсилювач технічного прогресу
Історія винаходу напівпровідникових підсилювачів – транзисторів – вийшла драматичною, незважаючи на її швидкоплинність. Вся вона вмістилася в два повоєнні десятиліття, але чого в ній тільки не було! Тут і разючі «прольоти» конкурентів щасливої трійки: перебуваючи в буквальному сенсі в сантиметрах від відкриття, вони не розглянули його і пройшли повз, у тому числі й повз Нобелівську премію, що їм світила. Учні настільки добре засвоїли ідеї вчителя, що мало не залишили його самого без зазначеної «нобелівки», так що роздратованому шефу довелося за тиждень зробити неможливе, щоб наздогнати свою надто жваву команду. Та й сам транзистор з'явився на світ, як це часто траплялося, через безглузду помилку одного з героїв цієї історії, змученого затяжною смугою невдач. Ну і, нарешті, не менш вражаюча «сліпота» мас-медіа, які повідомили про один із головних технологічних переворотів ХХ століття… дрібним шрифтом на останніх шпальтах!
Драматична доля двох учасників історичної події. Втративши інтерес до відкритої ними золотої жили, обидва перейшли на інші напрямки. Але Бардін, як уже говорилося, отримав другу «нобелівку» (їх взагалі в цій історії вистачало), а Шоклі – громадське обурення та ігнорування всього наукового співтовариства. До цього він ще встиг розгубити і найкращих співробітників. Втікши з його фірми та створивши власну, вони розбагатіли і прославилися як творці перших інтегральних схем.
Тут не статтю - цікавий роман писати вчасно!
Але все гаразд. Отже, до середини минулого століття на порядок денний постало питання про заміну громіздких, примхливих, енергоємних та недовговічних електровакуумних ламп на щось більш мініатюрне та ефективне. До вирішення цього завдання одночасно підбиралися кілька вчених та цілі дослідні групи.
Хоча все почалося ще раніше - в 1833 році, коли англієць Майкл Фарадей виявив, що електропровідність срібла сульфіду збільшується при нагріванні. Через майже століття, 1926-го, співвітчизник Фарадея Джуліус Едгар Лілієнфілд отримав патент під назвою «Метод і прилад для управління електричними струмами», фактично передбачивши, але так і не побудувавши транзистор. А після закінчення Другої світової війни вивченням електропровідних властивостей напівпровідникових матеріалів зайнялися фахівці дослідницької фірми Bell Telephone Laboratories, чия штаб-квартира розташовувалася в Маррі-Хіллз (штат Нью-Джерсі).
Саме там під керівництвом видатного теоретика Вільяма Шоклі було створено один із перших «мозкових центрів» в історії американської науки. Шоклі ще до війни намагався вирішити завдання підвищення провідності напівпровідників за допомогою зовнішнього електричного поля. Ескіз приладу в робочому журналі вченого за 1939 рік вельми нагадував нинішній польовий транзистор, проте випробування закінчилися невдачею.
До кінця війни в напівпровідники встигли повірити багато колег Шоклі і, що найголовніше, потенційні замовники та інвестори – великий бізнес і «оборонка». На них справили враження створені під час війни радари, в основі яких лежали напівпровідникові детектори.
Насамперед Шоклі запросив у Маррі-Хіллз колишнього однокашника – теоретика Джона Бардіна, переманивши його з університету простим способом: запропонував удвічі більший оклад. Крім них двох, до складу групи входила ще п'ятірка фахівців: теоретик, два експериментатори, фізико-хімік та інженер-електронник. Капітан цієї команди вчених поставив перед ними те саме завдання, над яким бився до війни.
Однак і друга спроба призвела до негативного результату: змінити електропровідність напівпровідникових кремнієвих пластин не змогли навіть сильні зовнішні поля. Щоправда, цього разу Бардін, який працював у зв'язці з експериментатором Уолтером Браттейном, з яким встиг потоваришувати ще в коледжі (де їх об'єднала не лише робота, а й спільне захоплення – гольф), зміг хоча б пояснити причину невдачі.
Якщо не вдаватися в технічні деталі, то зі створеної ним теорії про поверхневих станів випливало, що керуючі металеві пластини, за допомогою яких вчені впливали на напівпровідниковий зразок, і не могли дати бажаного ефекту. Для отримання позитивного результату їх слід замінити загостреними (гольчастими) електродами.
Друзі-колеги так і вчинили, і знов нічого. Здавалося, справа зайшла в глухий кут, але тут закінчений трудоголік Браттейн, про якого говорили, що він може крутити ручки осцилографа по 25 годин на добу («аби було з ким побалакати»), несподівано зірвався і зробив непробачну для професіонала помилку. Що він там замкнув не так і які полюси переплутав, в змозі зрозуміти і гідно оцінити лише фахівець-фізик, для решти людства важливий результат тієї прикрий помилки, що стала воістину золотою. Підключивши електрод не туди, куди треба, Браттейн із подивом зафіксував різке посилення вхідного сигналу: напівпровідник запрацював!
Провалена прем'єра
Першим, хто відразу ж оцінив всю красу досконалої помилки, був Бардін. Разом з Браттейном він продовжив рух у «неправильному» напрямку, почавши експериментувати з кристалом германію, який мав більший, ніж укремнія, опір. І 16 грудня 1947 року друзі продемонстрували решті учасників групи перший напівпровідниковий підсилювач, названий пізніше точковим транзистором.
Це був потворний на вигляд германієвий брусок з закрученими вусиками-електродами, що стирчали з нього. Як саме він діє, на той час розумів, очевидно, один тільки Бардін: висунута ним по гарячих слідах гіпотеза обінжекції (випускання) зарядів одним електродом (емітером) та їх збирання іншим електродом (колектором) була вислухана колегами в дивовижному мовчанні. Фахівців можна було зрозуміти – підтвердження теоретичної правоти Бардіна довелося чекати на роки.
Офіційна презентація нового приладу відбулася через тиждень, у вівторок 23 грудня, і ця дата увійшла в історію як день відкриття транзисторного ефекту. Був весь топ-менеджмент Bell Telephone Laboratories, який відразу оцінив, які золоті гори обіцяє компанії новий винахід – особливо в радіозв'язку та телефонії.
У похмурому настрої перебував лише з'їданий ревнощами керівник групи. Шоклі вважав себе автором ідеї транзистора, він першим викладав своїм щасливим учням основи квантової теорії напівпровідників – проте його безпосереднього внеску створення першого робочого транзистора ніяке патентне бюро за всього бажання не розглянуло б і лупу.
Подвійно несправедливо було й те, що Шоклі раніше за інших оцінив цілком фантастичні перспективи, які обіцяв транзистор в іншій галузі – стрімко прогресуючій обчислювальній техніці. Тут уже виразно світила «нобелівка», і Шоклі, який мав честолюбство і хворобливе самолюбство, здійснив фантастичний ривок, щоб встигнути на поїзд, що йде. Буквально протягом тижня вчений створив теорію інжекції і більш ґрунтовну, ніж бардинська, теорію транзистора – так звану теорію p-n-переходів. А в новорічну ніч, коли колеги досліджували в основному пляшки з-під шампанського, що залишилися з різдвяних гулянь, придумав ще один тип транзистора – площинний (його ще називають «бутербродний»).
Героїчні зусилля честолюбного Шоклі не пропали даремно – через вісім років він разом із Бардіним та Браттейном розділив заповітну Нобелівську премію. На урочистостях у Стокгольмі, до речі, вся трійка востаннє зібралася разом і більше ніколи у повному складі не зустрічалася.
За півроку після вдалої прем'єри транзистора в нью-йоркському офісі фірми відбулася презентація для преси нового підсилювача. Проте реакція ЗМІ всупереч очікуванням виявилася більш ніж млявою. На одній із останніх шпальт (46-ї) газети The New York Times від 1 липня 1948 року в розділі «Новини радіо» з'явилася коротка нотатка – і все. Повідомлення явно не тягнуло на світову сенсацію – з кінця червня усі американські та світові ЗМІ були зайняті обговоренням іншої новини – радянської блокади Західного Берліна, розпочатої за тиждень до презентації транзистора. Винахід трьох учених померк на тлі репортажів про «повітряний міст», за допомогою якого американці доставляли в блокований сектор Берліна продукти харчування та інші предмети першої необхідності.
Спочатку фірмі Bell Telephone Laboratories довелося роздавати ліцензії на транзистори всім охочим, не торгуючись. Попит був невеликий – тоді інвестори за інерцією ще вкладали величезні гроші у звичайні радіолампи, виробництво яких переживало бум. Проте знайшлися одинаки, які швидко розпізнали можливості нових напівпровідникових підсилювачів, насамперед у несподіваній області – слухових апаратів.
Мікроелектроніка та макроєвгеніка
Серед інших на нью-йоркській презентації був ще один майбутній нобелівський лауреат – на той час інженер невеликої фірми Centralab Джек Сент-Клер Кілбі. Надихнувшись побаченим, він налагодив у своїй фірмі виробництво перших у світі мініатюрних слухових апаратів на транзисторах. А в травні 1958 року Кілбі перебрався в Даллас і вступив на роботу в компанію Texas Instruments, яка виробляла транзистори, конденсатори, резистори та інші «кубики», з яких збираються електросхеми.
Коли влітку більшість співробітників вирушили у відпустки, Кілбі «на новенького» залишили пітніти в офісі. Окрім іншого, йому довелося займатися рутинною роботою, пов'язаною швидше з бізнесом, ніж фізикою. Саме за аналізом ціноутворення напівпровідникового виробництва вченого відвідала геніальна ідея, в основі своєї суто економічна. Виходило, що з виведення виробництва напівпровідників до рівня рентабельності підприємства слід обмежитися випуском їх одних. А всі інші активні елементи схеми виготовлятимуть на основі того ж напівпровідника, причому вже з'єднаними в єдину компактну конструкцію на кшталт дитячої гри Lego! Кілбі якраз і вигадав, як це зробити.
Керівництво компанії захопилося ідеєю співробітника і тут же «навантажило» його терміновим завданням: побудувати дослідну модель схеми, цілком зробленої з напівпровідника. 28 серпня 1958 року Кілбі продемонстрував макет тригера, що працював, після чого приступив до виготовлення першої монолітної інтегральної мікросхеми (генератора з фазовим зсувом) на кристалі германію.
Перший в історії найпростіший мікрочіп розміром із скріпку для паперів запрацював 12 вересня, і цей день також увійшов до історії. Однак Нобелівської премії Джеку Кілбі довелося чекати майже півстоліття – вчений отримав її останній рік ХХ століття, розділивши премію із співвітчизником, вихідцем із Німеччини Гербертом Кремером та російським колегою Жоресом Алфьоровим.
Щодо особистих та професійних доль трьох батьків транзистора, то вони склалися по-різному. Бардін, якого ревнивий до параної Шоклі почав відверто «затирати», в 1951 році залишив Bell Telephone Laboratories і перейшов на роботу в Університет штату Іллінойс в Урбані. Додатковим стимулом послужив рідкісний на той час річний оклад $10 тис. Через п'ять років професор Бардін, який уже забув про напівпровідників і переключився на квантові системи, почув по радіо про присудження йому Нобелівської премії. А 1972-го, як уже говорилося, за створену разом із співробітниками Леоном Купером та Джоном Шриффером мікроскопічну теорію надпровідності отримав і другу. Помер єдиний в історії двічі лауреат Нобелівської премії (в одній і тій самій номінації!) 1991 року у віці 82 років.
Для Уолтера Браттейна, який помер за чотири роки до того, точковий транзистор так і залишився піком наукової кар'єри.
Натомість їхній керівник Вільям Шоклі і після отриманої премії активно працював у різних галузях, хоча транзистори незабаром закинув. Цікаво, що з технологічної та комерційної точок зору його площинний транзистор виявився більш перспективним, ніж точковий Бардіна та Браттейна: останній протримався на ринку лише до кінця 1950-х, тоді як площинні випускаються й досі. І саме на їх основі було створено перші мікросхеми.
Але найбільше Шоклі прославився у сфері, дуже далекої від фізики. А на думку багатьох, і від науки загалом. У середині 1960-х років він несподівано захопився євгенікою, що викликає у багатьох неприємні асоціації з арійськими надлюдиною, нижчими расами тощо «привітами» з недавнього минулого. Шоклі розробив власну модифікацію євгеніки – дисгеніку. Ця теорія говорить про неминучу розумову деградацію людства, в якому з часом вимивається інтелектуальна еліта (люди з високим IQ), які місце займають ті, хто має недолік інтелекту скомпенсований надлишком репродуктивної функції. Іншими словами - більш плідними і дурнішими.
З ідеєю загального оглушення людства тверезомислячому людині можна було б погодитися – у принципі. Однак Шоклі додав у свої міркування расовий момент, записавши до числа більш плідних і дурніших представників чорної і жовтої рас, які, на його думку, від народження мають нижчий IQ, ніж білі. На тому американський фізик не зупинився і в дусі пам'ятних нацистських рецептів запропонував своє остаточне рішення - тільки не єврейського, а негритянського питання. Щоб бурхливо розмножуються і розумово нерозвинені «чорні» (а також «жовті» і недоумкуваті «білі») остаточно не витіснили на узбіччя історії високоінтелектуальну білу еліту, останньої слід спонукати перших до добровільної стерилізації.
План Шоклі, який він неодноразово представляв до американської Академії наук та урядових установ, передбачав матеріальне стимулювання людей з низьким IQ, які погодилися на добровільну стерилізацію.
Можна собі уявити реакцію колег Шоклі на такі одкровення. У 1960-ті роки про тотальну політкоректність в Америці говорити не доводилося, але й відвертий расизм був уже не в моді. А коли подібні ідеї викладав професор та нобелівський лауреат, результатом могли бути лише шок та обурення. Повна обструкція з боку інтелектуальної еліти супроводжувала Шоклі до останніх днів (він помер від раку 1989 року).
Вундеркінди Кремнієвої долини
Тим часом історія винаходу транзистора у тому не закінчилася. Кола від історичної події, що сталася в грудні 1947 року, розходилися ще довго, часом призводячи до абсолютно непередбачуваних результатів.
По справедливості до згаданої трійки нобелівських лауреатів 2000 року – Кілбі, Кремера та Алфьорова – мав би приєднатися і американець Роберт Нойс, який створив першу мікросхему одночасно з Кілбі. І найголовніше – незалежно від нього. Однак Нойс не довелося дожити до кінця століття, а посмертно цю премію, як відомо, не присуджують.
Але цікаво, що перший поштовх наукової кар'єрі Нойса дав той самий Шоклі - ще до того, як остаточно зрушив на расовому грунті. У 1955 році майбутній нобелівський лауреат залишив компанію Bell Telephone Laboratories та заснував власну фірму Shockley Semiconductor Laboratories у південному передмісті Сан-Франциско – Пало-Альто, де пройшло його дитинство. Так було закладено перший камінь у основу легендарної Кремнієвої (або Силіконової) долини.
Співробітників Шоклі набрав з молодих, та ранніх, не подумавши ні про їхні амбіції, ні про межі їхнього терпіння – характер у нього був огидний, та й керівником він показав себе ніяким. Не минуло й двох років, як психологічний клімат у фірмі став загрожує вибухом, і вісім найкращих співробітників на чолі з Нойсом та Гордоном Муром втекли з неї, щоб заснувати власну компанію.
Геніальних ідей у «вісімки зрадників» (як затаврував їх Шоклі) було хоч греблю гати – чого не скажеш про стартові капітали. Друзі-компаньйони ще не народженої компанії почали ходіння банками та інвесторами у пошуках грошей. І після кількох відмов щасливо натрапили на такого ж молодого та амбітного фінансиста Артура Рока, чиїм ковзаном було якраз залучення інвестицій. Що саме «наспівали» інженери-технарі бізнесмену, історії невідомо, але, як би там не було, він відіграв справді доленосну роль у їхньому майбутньому бізнесі. А також у долі інших фірм Кремнієвої долини, у засновників яких на старті не було жодного гроша за душею – одні геніальні ідеї та проекти.
За допомогою Року місцева компанія Fairchild Camera & Instrument погодилася інвестувати в нову справу $1,5 млн, але з однією умовою: у неї залишиться право в майбутньому викупити компанію «вісімки» за вдвічі більшу суму – якщо ті справи підуть у гору. Так було створено компанію Fairchild Semiconductor, назва якої буквально перекладається як «Напівпровідник диво-дитини» (у німецькому варіанті – вундеркінда). І вундеркінди з Пало-Альто незабаром заявили про себе.
Нойс сам себе вважав чудовим ледарем. І головний винахід життя зробив, за його словами, також з лінощів. Йому набридло спостерігати, як при виготовленні мікромодулів пластини кремнію спочатку розрізали окремі транзистори, а потім знову з'єднували один з одним в єдину схему. Процес був трудомістким (всі сполуки паялися вручну під мікроскопом) та дорогим. І в 1958 році Нойс нарешті зрозумів, як ізолювати один від одного окремі транзистори в кристалі. Так народилися всім знайомі мікросхеми – платівки з графічним лабіринтом «доріжок» із алюмінієвих напилень, відокремлених один від одного ізолюючим матеріалом.
Спочатку мікросхеми насилу пробивали собі дорогу на ринок. Але на початку 1970-х все різко змінилося: після того, як у 1969 році Fairchild Superconductor продала певний тип мікрочіпів (передбачених Бардіним ще під час роботи в Bell Telephone Laboratories) на $15 млн. Через два роки обсяг продажів тієї ж продукції підскочив до $100 млн. .
Однак успіхи «вундеркіндів» затьмарили звичайні в таких випадках пріоритетні чвари. Справа в тому, що Джек Кілбі подав заявку на патент мікросхеми в лютому 1959 року, а Нойс зробив це лише через п'ять місяців. Проте він отримав патент першим – у квітні 1961-го, а Кілбі – лише за три роки. Після цього між конкурентами розв'язалася десятирічна «пріоритетна війна», що закінчилася мировою угодою: Апеляційний суд США підтвердив претензії Нойса на першість у технології, але водночас ухвалив вважати Кілбі творцем першої працюючої мікросхеми.
Роберт Нойс не дожив до належної йому по праву Нобелівської премії 2000 року десять років – у 63-річному віці він помер у своєму робочому кабінеті від серцевого нападу.
Але до цього він заснував разом із Муром ще одну знамениту компанію. Кинувши в 1968 році налагоджений бізнес у Fairchild Semiconductor, друзі вирішили назвати своє нове дітище просто: Moore Noyce. Однак англійською це звучало більш ніж двозначно – майже як more noise («більше шуму»), і компаньйони зупинилися на більш офіційній, проте змістовній назві: Integrated Electronics. Потім їх компанія неодноразово змінювала ім'я, і сьогодні кожен користувач "персоналок" щодня бачить її логотип з нинішньою назвою, короткою і гучною - Intel. Який "всередині".
Так через два десятиліття після відкриття Бардіна, Браттейна та Шоклі завершилася Велика кремнієва революція.
додаток
Порушник конвенції
У випадку з Джоном Бардіним члени Шведської академії вперше і поки що єдиний раз у більш ніж віковій історії Нобелівських премій пішли на порушення її статуту. Один із його пунктів забороняє присуджувати премії двічі водної номінації. Однак відзначити успіх співробітників Бардіна (очевидний для членів комітету і всієї світової наукової спільноти) і при цьому проігнорувати головного винуватця урочистості було б просто непристойно, і американському фізику зробили виняток.
На сенсацію явно не тягнуло.
«Вчора Bell Telephone Laboratories вперше продемонструвала винайдений нею прилад під назвою «транзистор», який у ряді випадків можна використовувати в галузі радіотехніки замість електронних ламп. Прилад був застосований у схемі радіо, що не містить звичайних ламп, а також у телефонній системі та телевізійному пристрої. У всіх випадках прилад працював як підсилювач, хоча фірма заявляє, що він може застосовуватися і як генератор, здатний створювати та передавати радіохвилі. Транзистор, що має форму маленького металевого циліндра довжиною близько 13 міліметрів, зовсім не схожий на звичайні лампи, в ньому немає порожнини, з якої відкачано повітря, ні сітки, ні анода, ні скляного корпусу. Транзистор включається практично миттєво, не вимагаючи розігріву, оскільки в ньому відсутня нитка напруження. Робочими елементами приладу є лише дві тонкі тяганини, підведені шматку напівпровідника завбільшки з шпилькову головку, припаяному до металевої основи. Напівпровідник посилює струм, що підводиться до нього по одному дроту, а інший відводить посилений струм».
Вконтакте