Уильям Шокли — отец транзисторной электроники

Уильям Шокли — отец транзисторной электроники

Опубликовано в номере:
PDF версия
Расскажем об основных открытиях и изобретениях в области полупроводников гениального современного физика со сложным и противоречивым характером. Статья посвящена 110-летию со дня рождения Уильяма Шокли.
Александр Микеров, д. т. н., проф. каф. систем автоматического управления СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

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

Уильям Шокли (William Shockley, рис. 1) родился в Лондоне в семье американского горного инженера [1, 2]. Вскоре его семья вернулась в Америку и поселилась в калифорнийском городке Пало-Альто.

Уильям Шокли (1910–1989)

Рис. 1. Уильям Шокли (1910–1989)

Уильям был буйным и трудным ребенком, поэтому начальное образование получил дома. Обучался в двух калифорнийских университетах, а затем защитил в 1936 г. в Массачусетском технологическом институте докторскую диссертацию по физике твердого тела. После чего был приглашен в нью-йоркскую лабораторию Bell Labs директором по исследованиям Мервином Келли (Mervin Kelly) [3]. Эта лаборатория компании AT&T была образована в 1925 г. для объединения ученых разных специальностей. Однако Келли считал, что для успеха такого коллектива необходим лидер — гений в своей области. И именно такого человека он увидел в молодом Шокли. Телефония к тому времени уже использовала электронные лампы, и Келли, руководивший отделом этих ламп, как никто другой видел их недостатки. Поэтому перед Шокли и физиком-экспериментатором Уолтером Браттейном (Walter Brattain) была поставлена задача замены ламп на нечто без стекла и вакуума. Выбор был сделан в пользу полупроводников: первым из них стал купроксный выпрямитель, в который Шокли в 1939 г. попробовал (правда, безуспешно) ввести, подобно Роберту Полю (Robert Pohl), управляющую сетку [4, 5].

Исследования были прерваны войной, во время которой Шокли совершенствовал применение глубинных бомб и радаров и впервые предложил использовать ртутные трубки в линии задержки [3]. После войны поиски твердотельного электронного прибора расширились и в группу Шокли вошло уже семь физиков [2, 3]. В этот раз он решил воздействовать на новый материал — германий (Г) — на подложке (П) электростатическим полем сетки (С), влияющим, по мнению Шокли, на поток электронов от катода (К) к аноду (А) (рис. 2) [5, 6, 7]. Однако все макеты Браттейна оказались неработоспособными, и объяснил это физик-теоретик Джон Бардин (John Bardeen), создав теорию поверхностного состояния [5]. После этого Шокли, охладев к своей идее, оставил Браттейна и Бардина самостоятельно искать пути управления электронами, и в результате в декабре 1947 г. они изобрели точечный транзистор [5, 6, 7, 8].

Опыт Шокли

Рис. 2. Опыт Шокли

Это неожиданное открытие коллег было для Шокли большим разочарованием. С одной стороны, он прекрасно понимал, что изобретенное устройство не имело прямого отношения к продвигаемому им полевому эффекту. С другой стороны, получалось, что его восьмилетние усилия в этом направлении не привели к его личному триумфу [2, 3].

Отдалившись от группы, он в течение месяца, названного им волшебным, упорно искал объяснение случившемуся и наконец понял, что работоспособность точечного транзистора вызвана вовсе не взаимодействием электронов с поверхностью германия, а наличием p-n-переходов, вызывающих транзисторный эффект. Позже он подробно опишет все это в своей единственной знаменитой книге 1950 г. «Электроны и дырки в полупроводнике», ставшей библией для всех электронщиков. А тогда, в 1948 г., он сразу нашел практическое приложение своему озарению, создав плоскостной, или биполярный транзистор, быстро вытеснивший точечный и широко применяющийся до сих пор в усилительно-преобразовательной технике (рис. 3) [3, 6, 8].

Структура (слева) и обозначение (справа) биполярного n-p-n-транзистора

Рис. 3. Структура (слева) и обозначение (справа) биполярного n-p-n-транзистора

Биполярный транзистор имеет два полупроводниковых слоя n-типа с избыточным количеством электронов e, подключенных к эмиттеру (E) и коллектору (C) соответственно, которые, в свою очередь, разделены слоем полупроводника p-типа с избыточным количеством дырок (т. е. ионов атома, лишенных одного электрона), с выводом базы (B) [4]. На границах слоев разного типа образуется тонкая зона (зачернена), называемая p-n-переходом, или обедненным слоем, лишенным заряда, поскольку свободные электроны из слоя n-типа свободно переходят в слой p-типа, закрывая имеющиеся там дырки. Эти переходы, служащие изолятором, препятствуют прохождению электрического тока между эмиттером и коллектором. Однако приложение положительного относительно эмиттера базового напряжения вытягивает часть электронов p-n-переходов, открывая путь потоку электронов от эмиттера к коллектору. При этом коллекторный ток пропорционален базовому, т. е., в отличие от электронных ламп, биполярный транзистор управляется не напряжением, а током.

Патент на такой транзистор был оформлен Шокли в 1948 г., однако опубликован лишь после создания в 1950 г. его сотрудником Морганом Спарксом (Morgan Sparks) действующего образца [6]. Это изобретение уравняло Шокли в правах с Бардином и Браттейном, поэтому присвоение всем им в 1956 г. Нобелевской премии было вполне справедливым. Правда, Bell Labs всегда утверждала, что Шокли является полноправным соавтором и открытия точечного транзистора, хотя Шокли болезненно реагировал на попытки поставить его третьим в списке изобретателей этого устройства [2, 3, 5]. Академик Ю. В. Гуляев, председатель Российской секции IEEE, вспоминает, как, встречая Шокли, прибывшего на конференцию в Москву в середине 1950-х гг., он обратился к почетному гостю со словами «Я горд тем, что буду сопровождать Вас, одного из трех изобретателей транзистора…», но был резко прерван профессором: «Каких трех? Изобрел только Я, Бардин и Браттейн — это точечный транзистор, который тут же и умер. А мой живет» [8].

Все случившееся привело к личной неприязни и уходу Бардина и Браттейна. К тому же многие отмечали отрицательные качества Шокли как руководителя: неуважение ко мнению коллег, несдержанность, подозрительность, стремление везде быть первым, что особенно проявилось при управлении собственной компанией в Пало-Альто и на заключительном этапе его жизни [2, 3, 6, 9].

Биполярный транзистор был не единственным значимым электронным элементом, изобретенным Шокли. В 1952 г. он патентовал конструкцию полевого транзистора с управляющим p-n-переходом (JFET) (рис. 4) [1, 9].

Полевой транзистор Шокли

Рис. 4. Полевой транзистор Шокли

Он имеет полупроводниковый канал n-типа (1) с двумя электродами — исток (2) и сток (3), подключенными к батарее (БС), а также управляющий электрод, затвор в виде двух пластин p-типа (4) и (5), образующих два p-n-перехода (6) с источником управляющего напряжения (БУ). При отсутствии БУ в канале идет ток, вызванный потоком свободных электронов полупроводника n-типа. При отрицательном управляющем напряжении p-n-переходы включены в обратном направлении. При этом свободные электроны канала переходят в исток, имеющий положительный относительно затвора потенциал, создавая тем самым обедненные слои (6), которые расширяются по мере роста управляющего напряжения [4]. Это означает, что сопротивление канала увеличивается и ток падает. Однако практическая реализация полевого транзистора стала возможной лишь в 1959 г., когда Мохамед Аталла (Mohamed Atalla, выходец из Египта) и Дэвон Канг (Dawon Kahng, родом из Южной Кореи) разработали в Bell Labs технологию покрытия кремния слоем окиси кремния (SiO2, кварц), что позволило парировать эффект поверхностного состояния Бардина. Так был создан MOSFET-транзистор, являющийся в настоящее время основным компонентом цифровых интегральных микросхем [9].

Не менее важным изобретением Шокли был динистор (диод Шокли), задуманный для реализации замысла Келли по замене электромеханических телефонных коммутаторов. Разработка такого электронного переключателя и была основным занятием компании Шокли в Пало-Альто в конце 1950-х гг. (рис. 5) [1, 2, 3, 10].

Структура (слева) и схема (справа) динистора

Рис. 5. Структура (слева) и схема (справа) динистора

Динистор имеет четырехслойную структуру в виде двух p-n-p и n-p-n биполярных транзисторов, соединенных с анодом (А) и катодом (К). Поскольку в них, как отмечалось выше, коллекторный ток определяется базовым током, то динистор не пропускает ток вплоть до напряжения пробоя, создающего коллекторный ток через верхний транзистор и являющегося базовым для нижнего транзистора, что приводит к насыщению обоих транзисторов и максимальному току открытого динистора, не разрушающему, однако, p-n-переходы. Для выключения динистора нужно существенное уменьшение анодного напряжения. Преимуществом динистора является его высокое быстродействие и чрезвычайно низкое сопротивление при включении, что позволяет реализовать переключатели и генераторы на десятки кВ и сотни кА. По сути, динистор — это прообраз интегральных схем, предложенных вскоре Джеком Килби (Jack Kilby) и Робертом Нойсом (Robert Noyce) [3, 6].

Следует отметить, что еще в 1950 г. Шокли высказал идею кремниевого управляемого прибора, названного тиристором, однако ее реализацией занялись другие сотрудники Bell Labs, а опытные образцы были созданы компанией General Electric лишь в 1956 г. [11].

Менее известен вклад Шокли в робототехнику. Еще в 1948 г., опираясь на свой военный опыт, он получил патент на оптическую головку самонаведения авиабомбы, в которой цель обнаруживалась сравнением ее изображения с фотографиями предварительной аэрофотосъемки [12]. Четыре года спустя он нашел гражданское применение этой идее, запатентовав «оптический глаз» робота (рис. 6).

 Глаз робота

Рис. 6. Глаз робота

Такой «глаз» содержит два фотоэлемента (1) и (2), на которые через систему линз (3, 4, 5) направляется изображение объекта, прошедшее через прокручиваемую пленку (6) с его фотографиями, полученными посредством предварительной аэрофотосъемки. Однако реализация машинного зрения началась только в 1980-х гг.

Под впечатлением книги Норберта Винера «Кибернетика» Шокли предложил Келли создать в Bell Labs отделение обучаемых роботов, однако получил отказ. Это послужило одной из причин его увольнения и основания в 1956 г. в Пало-Альто собственной компании Shockley Semiconductor Laboratory для коммерческой реализации своих идей. В этом ему помог один из пионеров автоматизации, химик и бизнесмен доктор Арнольд Бекман (Arnold Beckman), который, как и Шокли, обучался в Калифорнийском университете и работал в Bell Labs [2, 3, 12]. Его привлекло обещание Шокли массового автоматизированного производства кремниевых транзисторов. Не преуспев в привлечении свои бывших коллег по Bell Labs, хорошо знавших недостатки Шокли как администратора, Шокли разыскал во всей Америке и нанял таких будущих знаменитостей, как Нойс, Гордон Мур (Gordon Moore), Жан Ерни (Jean Hoerni) и др. Однако вместо отработки технологии транзисторов Шокли все больше склонялся к научно-исследовательской работе по полевому транзистору и динистору, отчего компания не приносила никакой прибыли.

Недовольные таким положением, а также стилем руководства, восемь сотрудников компании во главе с Нойсом и Муром (позже ставшие известными как «вероломная восьмерка») вышли из нее, образовав в 1957 г. компанию Fairchild Semiconductors для отработки технологии массового производства диффузионных кремниевых транзисторов, которая вскоре стала весьма прибыльной [3]. Позднее Нойс создал здесь первую интегральную микросхему. Компания прославилась еще и тем, что многие ее ведущие специалисты впоследствии основали поблизости свои собственные электронные компании, что и породило Кремниевую долину. Все они разбогатели, кроме самого Шокли [2]. В частности, Нойс и Мур в 1968 г. создали знаменитую компанию Intel, ставшую вскоре ведущим производителем микропроцессоров. Таким образом, несомненно, что именно Шокли является прародителем, или «отцом» Кремниевой долины.

В 1961 г., после тяжелой автомобильной аварии, в которой они с женой и сыном чудом выжили, Шокли перешел работать профессором в Стэнфордский университет и углубился в евгенику, которая объясняет все качества и свойства человека его наследственностью [2]. В частности, профессор того же университета Льюис Термен (Lewis Terman) был убежден в том, что способность к научно-технической деятельности определяется коэффициентом интеллекта IQ: тестируя студентов, он пытался выявить научных гениев и будущих нобелевских лауреатов. В последних он ошибся только дважды — с Шокли и с Луисом Альваресом (Luis Alvarez). Несмотря на это, сам Шокли широко использовал такой коэффициент при наборе сотрудников. Впоследствии он пошел еще дальше, уверовав, что у афроамериканцев IQ статистически ниже, и поэтому призывал ограничить их рождаемость, чтобы не понижать средний IQ всего населения. В разгар кампании 1960-х гг. за права чернокожих в Америке эти теории Шокли вызвали резкое неприятие друзей и коллег, которые все больше отворачивались от него, и даже собственные дети узнали о его смерти из газет [2].

Тем не менее заслуги Шокли перед физикой и электроникой несомненны. Он автор более 90 патентов. Редко какое открытие физики так разительно меняет нашу повседневную жизнь, как это сделал транзистор. Шокли был разносторонней личностью, в частности, в разгар атомного проекта предложил разновидность атомного реактора, который был запатентован и засекречен [2, 6]. Помимо Нобелевской премии, он удостоен и других престижных наград по физике и медали почета IEEE.

Морган Спаркс, работавший бок о бок с изобретателями транзистора, отмечал: «Все они были блестящими физиками, но они были обыкновенными. Шокли был необыкновенным» [6].


Творческую жизнь великого ученого и изобретателя Шокли можно разделить на три периода:

  • Первый период. Время, когда американские физики из Bell Labs под его руководством создали первый действующий полупроводниковый усилитель — точечный транзистор, однако фактическими изобретателями были признаны Бардин и Браттейн.
  • Второй период. Вершина творчества Шокли, когда он, испытав удар по самолюбию, создал теорию p-n-перехода, изобрел современный биполярный транзистор, полевой транзистор, диод Шотки, выдвинул идеи тиристора и глаза робота. Этот этап завершился переездом в Калифорнию и основанием собственной компании.
  • Последний период. После автомобильной аварии 1961 г. Шокли увлекся евгеникой, чем создал себе множество противников и недоброжелателей.
Литература
  1. Shockley W. B. Complete dictionary of scientific biography. Detroit: Charles Scribner’s Sons. 2008. V.24.
  2. Shurkin J. Broken Genius: The Rise and Fall of William Shockley, Creator of the Electronic Age. London: Macmillan. 2006.
  3. Isaacson W. The Innovators: How a Group of Hackers, Geniuses, and Geeks Created the Digital Revolution. New York: Simon & Schuster. 2014.
  4. Микеров А. Первые полупроводниковые приборы // Control Engineering Россия. № 5 (89).
  5. Микеров А. Рождение точечного транзистора // Control Engineering Россия. № 6 (90).
  6. Lojek B. History of Semiconductor Engineering. New York: Springer-Verlag Berlin Heidelberg. 2007.
  7. Łukasiak L., Jakubowski A. History of Semiconductors // Journal of Telecommunications and information Technology. № 1.
  8. Носов Ю. Транзистор – наше все. К истории великого открытия // Электроника НТБ. 2008. № 2.
  9. История транзистора, часть 3: многократное переизобретение.
  10. allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt-7/shockley-diode.
  11. Arsov G. L., Slobodan Mirсevski S. The Sixth Decade of the Thyristor // Е June 2010.V. 14, № 1.
  12. Brock D. C. How William Shockley’s Robot Dream Helped Launch Silicon Valley // IEEE Spectrum. Nov. 29. 2013.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.