Рождение точечного транзистора

Рождение точечного транзистора

Опубликовано в номере:
PDF версия
Эксперименты по созданию твердотельного усилителя c управляемой электронной проводимостью полупроводника привели к изобретению первого транзистора с совсем другой проводимостью — дырочной.
Александр Микеров, д. т. н., проф. каф. систем автоматического управления СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Александр Микеров,
д. т. н., проф. каф.
систем автоматического управления
СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

В 1930-х гг. повсюду господствовали электровакуумные приборы, недостатки которых, такие как громоздкость, нагрев, высокие потребление и время готовности, а также недолговечность, уже начали мешать развитию аппаратуры [1, 2, 3, 4]. Кристаллические диоды имели явные преимущества, поэтому идея создания твердотельных триодов была вполне оправданной.

Установка Пола и Хилша

Рис. 1. Установка Пола и Хилша

Первый трехэлектродный полупроводниковый прибор предложили профессор Гёттингенского университета Роберт Поль (Robert Pohl) и его ученик Рудольф Хилш (Rudolf Hilsch) в 1938 г. (рис. 1) [3, 5, 6, 7]. Это был кристалл бромида калия, имеющий два электрода, катод (К) и анод (А), подключенные к анодной батарее (БА), а также управляющий стержень (аналог сетки) (С) с батареей (БС). Эффект оценивался по гальванометрам (ГС) и (ГА), а также путем визуализации движения электронов в кристалле.

Для повышения электронной эмиссии катода кристалл сильно нагревался, при этом можно было достичь 100-кратного усиления сигнала. Однако рабочая частота не превышала 1 Гц, поскольку скорость движения электронов в проводнике составляла около 2 мм/с, что в миллиард раз меньше, чем в электронной лампе. Таким образом, установка прекрасно подходила для учебного процесса, но никак не могла конкурировать с ламповым триодом, тем более что профессор Поль не желал прилагать никаких усилий для ее патентования и внедрения.

Другой путь управления полупроводником — внешним электростатическим полем — запатентовали в 1930 г. профессор Лейпцигского университета Юлий Лилиенфелд (Julius Lilienfeld), родившийся во Львове, а в 1935 г. другой физик, Оскар Хейл (Oskar Heil), выпускник Гёттингенского университета (рис. 2).

Схема транзистора Хейла

Рис. 2. Транзистор Хейла

Они предложили, если использовать современную терминологию, полевой транзистор в виде полупроводниковой пластины (1) с электродами (2) и (3), соединенными с батареей (4) через гальванометр (5). Сопротивление пластины изменяется посредством напряжения на управляющем электроде (6), прижатом к ней через изолирующий слой [3, 4, 6, 8]. Однако неоднократные попытки построить действующий макет подобного устройства были неудачными.

Всеобщая телефонизация на электромеханических реле и электронных лампах в 1930-х гг. поглощала столь много электро­энергии, что ведущая американская телефонная компания AT&T поставила перед своей лабораторией Bell Labs задачу создания миниатюрных переключателей и усилителей [3, 4, 8, 9, 10]. В 1936 г. с этой целью был нанят физик-теоретик Уильям Шокли (William Shockley), только что защитивший докторскую диссертацию в Массачусетском технологическом институте (рис. 3).

Шокли, Браттейн и Бардин

Рис. 3. Шокли, Браттейн и Бардин

Вместе с ним работал умелый физик-экспериментатор Уолтер Браттейн (Walter Brattain), получивший докторскую степень в университете штата Миннесота [6, 8, 9]. Исследования, проводившиеся с наиболее известным тогда полупроводником — закисью меди, были прерваны войной, когда оба физика переключились на другие проекты. После войны исследователи перешли на германий, однако и он не позволил оживить полевой усилитель, поскольку влияние поля оказалось на три порядка слабее расчетного [3, 8, 9]. Для выяснения причин неудачи Шокли в 1945 г. привлек к исследованиям физика-теоретика Джона Бардина (John Bardeen), защитившего докторскую диссертацию по математической физике в Принстонском университете. Через шесть месяцев Бардин объяснил слабое влияние поля гипотезой поверхностного состояния полупроводника (рис. 4) [3, 6, 8, 9, 10, 11].

Шокли предполагал (рис. 4а), что в полупроводнике n-типа, с которым они работали, наряду с нейтральными атомами + есть еще и свободные электроны. Под действием электрического поля положительного потенциала на управляющем электроде (У) часть свободных электронов соберется вблизи границы полупровод­ника, образуя электронный канал (ЭК). Тогда приложение положительного потенциала к правому электроду, аналогу анода (А), относительно левого, аналога катода (К), вызовет движение электродов к аноду, т. е. создаст анодный ток. Однако Бардин утверждал, что на самом деле электроны собираются на поверхности материала, лишаются подвижности и создают экранирующий приложенное поле поверхностный заряд (ПЗ), предотвращая его проникновение внутрь материала (рис. 4б). Удовлетворенный таким научным объяснением, Шокли переключился на другие задачи, оставив своим сотрудникам самим искать какой-то выход. И Бардин с Браттейном продолжили упорно экспериментировать с германием [3, 4, 9, 10, 11].

Рис. 4. Гипотеза Бардина: теория и практика

Рис. 4. Гипотеза Бардина:
а) теория;
б) практика

Первый транзистор

Рис. 5. Первый транзистор

Изначально управляющий электрод был выполнен в виде острой иглы, «протыкающей» поверхностный заряд, который был нейтрализован вокруг иглы каплей электролита, и анод был сделан также в виде иглы, приближенной к управляющему электроду. 16 декабря 1947 г. полупроводниковый усилитель заработал безо всякого электролита после того, как иглы заменили листочками золотой фольги, анодное напряжение переключили с положительного на отрицательное, а поверхность германия анодировали. Был зафиксирован коэффициент усиления по напряжению 15, а по мощности 1,3 [9]. Бардин сразу понял, что здесь носителями электрического тока являются не электроны, а дырки (т. е. атомы, лишенные электрона), которые формируются в базе катодом, названным впоследствии эмиттером, и собираются анодом-коллектором [2]. Именно этот день и считается датой рождения первого трехэлектродного полупроводника — точечного транзистора, название которого в Bell Labs образовали от двух слов, transconductance (переходная проводимость) и varistor [3, 6].

До сих пор не существует теории, достаточно полно описывающей работу как испытанного устройства, так и точечного транзистора вообще, тем более сам макет утрачен и состав примесей германия базы тоже не сохранился [6, 8]. Однако качественно эксперимент может быть объяснен следующим образом (рис. 5, 6) [3, 7, 8, 9, 10, 11].

Пластина (1) германия n-типа на металлическом основании (2) базы была анодирована с образованием поверхностного слоя (3) p-типа, имеющего избыточное количество дырок, т. е. атомов, лишенных одного электрона [2]. К нему был поджат с помощью винта (4) и пружины (5) пластмассовый треугольник (6), оклеенный разрезанной бритвой золотой фольгой, образующей эмиттер (7) и коллектор (8), разделенные промежутком всего в 50 микрон.

На рис. 6 эмиттер (Э) соединен с базой (Б) через генератор входного сигнала (Г) и эмиттерную батарею (БЭ), а коллектор (К) запитан от коллекторной батареи (БК) через сопротивление нагрузки Rн. Эмиттер, имеющий положительный потенциал, вытягивает электроны базы, непрерывно создавая в поверхностном слое новые дырки. Говорят, что эмиттер «инжектирует» дырки в базу, часть которых рекомбинирует с электронами базы, создавая базовый ток, а часть мигрирует к коллектору, имеющему отрицательный потенциал, рекомбинируется с его электронами и образует коллекторный ток [8, 10]. Ток коллектора меньше тока эмиттера за счет тока базы. Следовательно, данная схема не усиливает ток, а усиление напряжения объясняется тем, что выбрано существенно большее сопротивление нагрузки Rн, чем сопротивление эмиттер-база. Это и подтверждается коэффициентами усиления, измеренными Бардином и Браттейном и указанными выше.

Схема включения

Рис. 6. Схема включения

В канун Рождества 1947 г. макет был продемонстрирован руководству Bell Labs в виде звукового усилителя с наушниками, после чего было принято решение его засекретить, срочно запатентовать и коммерчески использовать [3, 4, 8, 9, 10, 11]. Шокли настаивал на заявке усилителя с управляемым полем, однако патентоведы компании категорически возражали, опасаясь патента Лилиенфелда, и, кроме того, рекомендовали не включать в состав авторов самого Шокли, известного своими ранними публикациями по полупроводникам. С учетом и того, что Шокли не принимал активного участия в исследовании на решающем этапе, в патенте на точечный транзистор с приоритетом от 26 февраля 1948 г. были указаны только два автора — Бардин и Браттейн. Это, конечно, внесло разлад в группу Шокли, которая вскоре распалась. Противоречия были отчасти сглажены после того, как в 1956 г. Шокли, Бардину и Браттейну была присуждена Нобелевская премия за открытие транзисторного эффекта, что отражало ключевую роль Шокли в изобретении другого транзистора — биполярного, о чем будет подробнее рассказано в следующей статье. Бардин перешел в университет Иллинойса, начал заниматься сверхпроводимостью и стал первым физиком, получившим две Нобелевские премии [4].

Параллельно с Bell Labs точечный транзистор при поддержке французского правительства в парижском филиале компании Westinghouse создали немецкие физики Герберт Матаре (Herbert Mataré) и Генрих Велкер (Heinrich Welker) — под названием транзистрона (рис. 7), содержащего германиевый кристалл базы (Б) с контактами эмиттера (Э) и коллектора (К) в керамической трубке (1) с окном (2) [3, 4, 6].

Транзистрон

Рис. 7. Транзистрон

Патент на это устройство был оформлен на шесть месяцев позже Бардина и Браттейна, однако немецкие ученые работали вполне самостоятельно, поскольку все материалы Bell Labs были еще засекречены. Мелкосерийное производство транзистронов для телефонной связи началось в 1949 г. Точечные транзисторы были также независимо созданы в Праге в 1949 г. из немецких кристаллов германия [7].

В СССР полупроводниковые приборы начали развиваться после войны, прежде всего для нужд радиолокации, однако германий здесь не производился, и первый точечный транзистор был создан в 1949 г. в НИИ «Исток» из пластины германия от немецкого прибора. Работа проводилась под руководством Александра Викторовича Красилова в рамках дипломного проекта Сусанны Гукасовны Мадоян [3]. Оба они сыграли видную роль в становлении отечественной электроники.

 Первый серийный транзистор

Рис. 8. Первый серийный транзистор

Компания AT&T начала серийное производство точечных транзисторов типа А в 1951 г., однако для этого потребовалось разработать совсем другую конструкцию в корпусе диаметром 6 мм (рис. 8) с контактами из бронзы с присадками фосфора, поскольку макет Браттейна и Бардина не давал повторяемости характеристик [3, 4, 6, 9].

Учитывая малогабаритность, экономичность и надежность транзистора, компания рассчитывала на массовое военное применение и организовала в июне 1948 г. публичную демонстрацию нового элемента [3, 6, 8, 10]. Однако представители Пентагона не проявили никакого интереса к кристаллу с торчащими проволочками и порекомендовали применить его в слуховых аппаратах. Неожиданно это сыграло важную роль в коммерческом успехе транзистора, поскольку гриф секретности был снят, что позволило Bell Labs опубликовать описание транзистора в научных журналах и начать широкую рекламную кампанию. Однако по антимонопольному законодательству компанию обязали продавать лицензию на производство нового прибора любому предприятию без взимания платы (роялти) за патенты Bell Labs. Эту лицензию по цене $25 тыс. приобрели сорок ведущих американских и иностранных компаний [3, 9].

Точечные транзисторы в первую очередь стали применять в бытовой аппаратуре: в слуховых аппаратах и электронных наручных часах (1952 г.), медицинских приборах (1957 г.), а также в телефонии и, с начала 1960-х гг., в радиовзрывателях [3, 4, 10]. В 1954 г. компания Texas Instruments выпустила первый радиоприемник Regency на основе трех транзисторов. Однако годом раньше Валкер и Матаре разработали аналогичный приемник на транзистронах. В разразившейся тогда холодной войне транзисторные приемники сразу стали весьма популярны как средство предупреждения о возможной атомной бомбардировке [4]. Такие приемники также пользовались бешеным успехом у молодежи в связи с расцветом рок-н-ролла. В СССР производство транзисторов началось в 1953 г., и предназначались они только для военной аппаратуры [3].

Однако выпуск точечных транзисторов сопровождался большим браком и продолжался не более 10 лет. На смену им пришли биполярные транзисторы, изобретенные Шокли и имеющие гораздо более хорошие характеристики [9].

Транзисторы — основные элементы управления современной цивилизации. Уже к концу ХХ в., по оценке Гордона Мура, их ежегодно производилось больше, чем насчитывала вся популяция муравьев на планете [7]. Причем если первый точечный транзистор, продемонстрированный Bell Labs, был длиной около 2 см, то нынешний — 10 нм, что позволяет размещать 100 млн транзисторов на пластине в 1 кв. мм [12]. Однако это уже совсем другие транзисторы.


  • Первая попытка Поля и Хирша создать твердотельный триод в виде копии электронной лампы была безуспешной в связи с низкой скоростью движения электронов в полупроводнике.
  • Подход, предложенный Лилиенфелдом и Хейлом по управлению электронами внешним электрическим полем, был реализован лишь во второй половине ХХ в. в полевом транзисторе.
  • Многолетние усилия американских физиков во главе с Шокли привели к изобретению Бардином и Браттейном в 1948 г. точечного транзистора, действующего на другом принципе — дырочной проводимости в полупроводнике.
  • Аналогичный транзистор (транзистрон) был независимо от американцев создан немецкими физиками Велкером и Матаре, однако массовое производство и коммерческое внедрение развернулось прежде всего в США.
  • Выпуск и применение точечных транзисторов преимущественно для бытовой техники продолжались не более десяти лет в связи с появлением более совершенных биполярных транзисторов.
Литература
  1. Микеров А. Г. Появление электронных усилителей // Control Engineering Россия. 2020. № 1 (85).
  2. Микеров А. Г. Первые полупроводниковые приборы // Control Engineering Россия. 2020. № 5 (89).
  3. Быховский М. А. Развитие телекоммуникаций: на пути к информационному обществу. История развития электроники в XX столетии. М.: Либроком, 2012.
  4. Guarnieri M. Seventy years of getting transistorized // IEEE Industrial Electronics Magazine. Dec. 2017.
  5. Eckert M., Schubert H. Crystals, electrons, transistors. N.Y.: American Institute of Physics, 1990.
  6. Рождественские истории. День рождения транзистора.
  7. Lee T. H. The (Pre-) History of the Integrated Circuit: A Random Walk. IEEE Portal, Solid State Circuits Society, Spring 2007.
  8. Riordan M., Hoddeson L., Herring C. The invention of the transistor // Reviews of Modern Physics. V. 71. No 2. Centenary 1999.
  9. Lojek B. History of Semiconductor Engineering. N.Y.: Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2007.
  10. Носов Ю. Транзистор — наше все. К истории великого открытия // Электроника НТБ. 2008. №2.
  11. Łukasiak L., Jakubowski A. History of Semiconductors // Journal of Telecommunications and information Technology. 2010. No 1.
  12. https://spectrum.ieee.org/nanoclast/semiconductors/processors/intel-now-packs-100-million-transistors-in-each-square-millimeter.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.