Дорога к твердотельным переключателям была долгой и сложной. Она началась с открытия, что определённые материалы странно ведут себя в присутствии электричества – не так, как предсказывали существовавшие тогда теории. За этим последовала история о том, как в XX веке технология становилась всё более научной и институциональной дисциплиной. Дилетанты, новички и профессиональные изобретатели практически без всякого научного образования делали серьёзные вклады в становление телеграфа, телефонии и радио. Но, как мы увидим, почти все продвижения в истории твердотельной электроники случились благодаря учёным, учившимся в университетах (и обычно имеющим степень доктора наук по физике), и работавшим при университетах или корпоративных исследовательских лабораториях.
Любой человек с доступом к мастерской и с базовыми навыками работы с материалами может собрать реле из проводов, металла и дерева. Для создания электронных ламп требуются более специализированные инструменты, способные создать стеклянную колбу и откачать из неё воздух. Твердотельные же устройства исчезли в кроличьей норе, из которой цифровой переключатель так и не вернулся, и погружались всё глубже в миры, понятные только абстрактной математике и доступные только при помощи безумно дорогого оборудования.
Галенит
В 1874 году Фердинанд Браун, 24-летний физик из Школы св. Фомы в Лейпциге, опубликовал первую из множества важных научных работ в своей долгой карьере. Работу «О прохождении электрических токов через сульфиды металлов» приняли в журнале Pogendorff’s Annalen, престижном журнале, посвящённом физическим наукам. Несмотря на скучный заголовок, работа Брауна описывала несколько удивительных и загадочных экспериментальных результатов.
Фердинанд Браун
Брауна заинтриговали сульфиды – минеральные кристаллы, состоящие из соединений серы с металлами – благодаря работам Иоганна Вильгельма Гитторфа. Ещё в 1833 году Майкл Фарадей отметил, что проводимость сульфида серебра увеличивается с температурой, что полностью противоположно поведению металлических проводников. Гитторф составил тщательный количественный отчёт об измерениях данного эффекта в 1850-х, для сульфидов как серебра, так и меди. Теперь Браун, используя хитроумную экспериментальную установку, прижимавшую металлический провод к кристаллу сульфида пружиной, чтобы обеспечить хороший контакт, обнаружил нечто ещё более странное. Проводимость кристаллов зависела от направления – к примеру, ток мог хорошо течь в одном направлении, но при обращении полярности аккумулятора ток мог внезапно резко упасть. Кристаллы в одном направлении работали больше похоже на проводники (как нормальные металлы), а в другом – больше как изоляторы (как стекло или резина). Это свойство стало известно, как выпрямление, из-за способности выпрямлять «извилистый» переменный ток, превращая его в «плоский» постоянный.
Примерно в то же время исследователи обнаружили и другие странные свойства таких материалов, как, например, селен, который можно было выплавить из некоторых сульфидных руд металлов. Под воздействием света селен увеличивал проводимость и даже начинал генерировать электричество, а также его можно было использовать для выпрямления. Была ли тут какая-то связь с кристаллами сульфидов? Без теоретических моделей, способных объяснить происходящее, в этой области царило замешательство.
Однако отсутствие теории не останавливало попытки практического применения результатов. В конце 1890-х Браун стал профессором Страсбургского университета – недавно аннексированного у Франции в ходе Франко-Прусской войны и переименованного в Университет кайзера Вильгельма. Там его засосал захватывающий новый мир радиотелеграфии. Он ответил согласие на предложение группы предпринимателей о совместном создании беспроводной системы связи, основанной на передачу радиоволн сквозь воду. Однако они с подельниками вскоре отказались от первоначальной идее в пользу воздушной передачи сигналов, которую использовал Маркони и другие.
Среди аспектов радио, которые группа Брауна стремилась улучшить, был стандартный в то время приёмник, когерер. Он основывался на том факте, что радиоволны заставляли металлические опилки собираться в комочек, что позволяло току от батареи проходить к сигнальному устройству. Это сработало, но система отзывалась только на относительно сильные сигналы, а для разбивания комочка опилок требовалось постоянно ударять по устройству. Браун вспомнил свои старые эксперименты с кристаллами сульфида, и в 1899 году воссоздал свою старую экспериментальную установку с новой целью – служить детектором беспроводных сигналов. Эффект выпрямления он использовал для преобразования крохотного колеблющегося тока, порождаемого проходящими радиоволнами, в постоянный ток, который мог питать небольшой динамик, выдававший слышимые щелчки для каждой точки или тире. Это устройство позже стало известно под именем "детектор кошачий ус" из-за внешнего вида проводочка, который легко прикасался к верхней части кристалла. В Британской Индии (где сегодня находится Бангладеш) учёный и изобретатель Джагадиш Бозе построил сходное устройство, возможно даже в 1894 году. Остальные вскоре начали делать подобные детекторы на основе кремния и карборунда (карбида кремния).
Однако именно галенит, сульфид свинца, который плавили для получения свинца с древних времён, стал предпочтительным материалом для кристаллических детекторов. Они получались простыми в изготовлении и дешёвыми, и в результате стали безумно популярны среди раннего поколения радиолюбителей. Более того, в отличие от двоичного когерера (с опилками, которые либо сбивались в комочек, либо нет), кристаллический выпрямитель мог воспроизводить непрерывный сигнал. Поэтому он мог выдавать слышимые ухом передачи голоса и музыки, а не только азбуку Морзе с её точками и тире.
Детектор «кошачий ус» на основе галенита. Небольшой отрезок провода слева – это ус, а кусок серебристого материала снизу — кристалл галенита.
Однако, как вскоре установили раздосадованные радиолюбители, на поиск волшебной точки на поверхности кристалла, которая давала бы хорошее выпрямление, могли уйти минуты или даже часы. А сигналы без усиления были слабыми и имели металлический призвук. К 1920-м годам приёмники на электронных лампах с триодными усилителями практически вывели кристаллические детекторы из употребления почти везде. Их привлекательной чертой оставалось только дешевизна.
Это краткое появление на арене радиоприёмников, казалось, было пределом практического применения странных электрических свойств материала, открытых Брауном и другими.
Оксид меди
Затем в 1920-х другой физик по имени Ларс Грондал открыл нечто странное при помощи своей экспериментальной установки. Грондал, первый из цепочки умных и неугомонных мужей из истории американского Запада, был сыном инженера-строителя. Его отец, эмигрировавший из Норвегии в 1880-м несколько десятилетий работал на железных дорогах в Калифорнии, Орегоне и Вашингтоне. Сначала Грондал, казалось, решил оставить позади инженерный мир отца, и отправился в институт Джонса Хопкинса за получением докторской по физике, чтобы пойти по академическому пути. Но затем и он вовлёкся в железнодорожный бизнес и устроился на позицию директора по исследованиям компании Union Switch and Signal, подразделения промышленного гиганта Westinghouse, поставлявшего оборудование для ж/д индустрии.
В различных источниках указываются противоречивые причины, мотивировавшие Грондаля на его исследования, но как бы там ни было, он начал экспериментировать с медными дисками, разогретыми с одной стороны для создания окисленного слоя. Работая с ними, он обратил внимание на асимметричность тока – сопротивление в одну сторону было в три раза больше, чем в другую. Диск из меди и оксида меди выпрямлял ток, прямо как кристалл сульфида.
Схема выпрямителя из оксида меди
Следующие шесть лет Грондал разрабатывал на основе этого явления готовый к использованию коммерческий выпрямитель, заручившись помощью другого исследователя из США, Поля Гейгера, а потом отправил заявку на патент и объявил о своём открытии в Американском физическом обществе в 1926. Прибор сразу стал коммерческим хитом. Благодаря отсутствию хрупких нитей он был гораздо надёжнее выпрямителя на электронных лампах, основанного на клапанном принципе Флеминга, и был дёшев в производстве. В отличии от брауновских кристаллов-выпрямителей, он работал с первой попытки, а благодаря большей площади контакта металла и оксида, он работал с большим диапазоном токов и напряжений. Он мог заряжать аккумуляторы, обнаруживать сигналы в различных электрических системах, работать шунтом безопасности в мощных генераторах. При использовании в качестве фотоэлемента диски могли работать как измерители количества света, и были особенно полезны в фотографии. Другие исследователи примерно в то же время разработали выпрямители из селена, нашедшие сходные варианты применения.
Пачка выпрямителей на основе оксида меди. Сборка из нескольких дисков увеличивала обратное сопротивление, что позволяло использовать их с высоким напряжением.
Через несколько лет два физика из Лабораторий Белла, Джозеф Беккер и Уолтер Браттейн, решили изучить принцип работы медного выпрямителя – им было интересно узнать, как он работает, и как его можно использовать в компании Bell System.
Браттейн в пожилом возрасте – ок. 1950
Браттейн был родом из тех же мест, что и Грондал, с Тихоокеанского северо-запада, где он рос на ферме, расположенной в нескольких километрах от канадской границы. В старших классах его стала интересовать физика, он проявлял способности в этой области, и в итоге получил докторскую степень в Миннесотском университете в конце 1920-х, и устроился на работу в Лаборатории Белла в 1929. Среди прочего, в университете он изучал новейшую теоретическую физику, набиравшую в Европе популярность, и известную, как квантовая механика (его куратором был Джон Хазбрук Ван Флек, также наставлявший и Джона Атанасова).
Квантовая революция
Новая теоретическая платформа медленно развивалась в последние три десятилетия, и в своё время она сможет объяснить все странные явления, много лет наблюдавшиеся в таких материалах, как галенит, селен и оксид меди. Целая когорта преимущественно молодых физиков, в основном из Германии и соседних стран, вызвала квантовый переворот в физике. Везде, где ни посмотри, они обнаруживали не плавный и непрерывный мир, которому их учили, а странные дискретные комочки.
Всё началось в 1890-х. Макс Планк, известнейший профессор Берлинского университета, решил поработать с известной нерешённой задачей: каким образом "абсолютно чёрное тело" (идеальная субстанция, поглощающая всю энергию и не отражающая её) испускает излучение в электромагнитном спектре? Были испробованы различные модели, ни одна из которых не совпадала с экспериментальными результатами – они не справлялись либо в одном, либо в другом конце спектра. Планк обнаружил, что если предположить, что энергия испускается телом небольшими «пакетами» дискретной величины, то можно записать простой закон взаимоотношения частоты и энергии, идеально совпадающий с эмпирическими результатами.
Вскоре после этого Эйнштейн обнаружил, что то же выполняется и с поглощением света (первый намёк на фотоны), а Дж. Дж. Томсон показал, что электричество также переносится не непрерывной жидкостью или волной, а дискретными частицами – электронами. Затем Нильс Бор создал модель, объяснявшую, как возбуждённые атомы испускают излучение, назначив электронам отдельные орбиты в атоме, каждая из которых обладает своей энергией. Однако это название вводит в заблуждение, поскольку они ведут себя нисколько не похоже на орбиты планет – в модели Бора электроны мгновенно переходили с одной орбиты, или энергетического уровня, на другой, не проходя через промежуточное состояние. И, наконец, в 1920-х, Эрвин Шрёдингер, Вернер Гейзенберг, Макс Борн и другие создали обобщённую математическую платформу, известную, как квантовая механика, включившую в себя все особые квантовые модели, создававшиеся за предыдущие двадцать лет.
К этому времени физики уже были уверены в том, что такие материалы, как селен и галенит, демонстрирующие фотогальванические и выпрямляющие свойства, принадлежат к отдельному классу материалов, который они назвали полупроводниками. Классификация заняла столько времени по нескольким причинам. Во-первых, сами категории «проводники» и «изоляторы» были достаточно обширными. Т.н. «проводники» чрезвычайно сильно отличались по проводимости, то же (в меньшей степени) было свойственно и изоляторам, и не было очевидно, каким образом какой-то определённый проводник можно отнести к какому-либо из этих классов. Более того, до середины XX века было невозможно получить или создать очень чистые вещества, и любые странности в проводимости природных материалов всегда можно было отнести к загрязнению.
Теперь у физиков появились как математические инструменты квантовой механики, так и новый класс материалов, к которому можно было их применять. Британский теоретик Алан Уилсон первым собрал всё это вместе и построил общую модель полупроводников и принципа их работы в 1931.
Сначала Уилсон утверждал, что проводящие материалы отличаются от диэлектриков состоянием энергетических зон. Квантовая механика утверждает, что электроны могут существовать на ограниченном количестве энергетических уровней, присущих оболочкам, или орбиталям отдельных атомов. Если сжать эти атомы вместе в структуре какого-либо материала, то правильнее будет представлять себе непрерывные энергетические зоны, проходящие его насквозь. В проводниках в высоких энергетических зонах есть свободные места, и электрическое поле свободно может перемещать туда электроны. В изоляторах зоны заполнены, а до более высокой, проводящей зоны, по которой электричеству идти легче, карабкаться довольно далеко.
Это привело его к заключению, что примеси – чужие атомы в структуре материала – должны вносить вклад в его полупроводниковые свойства. Они могут либо поставлять лишние электроны, которые легко выходят в зону проводимости, или же дырки – отсутствие электронов по сравнению с остальным материалом – что создаёт пустые энергетические места, куда могут двигаться свободные электроны. Первый вариант позднее назвали полупроводниками n-типа (или электронными) – за излишний отрицательный заряд, а вторые – p-типа, или дырочными – за излишний положительный заряд.
Наконец, Уилсон предположил, что выпрямление тока полупроводниками можно объяснить в терминах квантового туннельного эффекта, внезапного прыжка электронов через тонкий электрический барьер в материале. Теория выглядела правдоподобной, однако предсказывала, что в выпрямителе ток должен течь от оксида к меди, хотя в реальности всё было наоборот.
Вот так, несмотря на все прорывы Уилсона, полупроводники оставались сложными для объяснения. Как постепенно становилось понятно, микроскопические изменения кристаллической структуры и концентрации примесей несоразмерно сильно влияли на их макроскопическое электрическое поведение. Не обращая внимания на отсутствие понимания – поскольку никто так и не мог объяснить экспериментальные наблюдения, сделанные Брауном за 60 лет до этого – Браттейн и Беккер разработали эффективный производственный процесс медно-оксидных выпрямителей для своего работодателя. Bell System быстро стала заменять выпрямители на электронных лампах по всей системе на новое устройство, которое их инженеры назвали варистором, поскольку его сопротивление менялось в зависимости от направления.
Золотая медаль
Мервин Келли, физик и бывший глава департамента электронных ламп Лабораторий Белла, очень заинтересовался этим достижением. За пару десятков лет электронные лампы сослужили Беллу бесценную службу, и могли выполнять функции, недоступные предыдущему поколению механических и электромеханических компонентов. Но они сильно грелись, регулярно перегревались, потребляли много энергии и были сложны в обслуживании. Келли собирался перестроить систему Белла заново на основе более надёжных и выносливых твердотельных электронных компонентов, таких, как варистор, которым не требовались ни герметичные корпуса, заполненные газом или пустые, ни раскалённые нити. В 1936 он стал главой исследовательского отдела Лабораторий Белла, и начал перенаправлять организацию на новый путь.
Получив твердотельный выпрямитель, следующим очевидным шагом было создать твердотельный усилитель. Естественно, что, как и ламповый усилитель, такое устройство могло бы работать и как цифровой переключатель. Это особенно интересовало фирму Белла, поскольку в телефонных коммутаторах до сих пор работало огромное количество электромеханических цифровых переключателей. Компания искала более надёжную, компактную, энергоэффективную и холодную замену электронной лампе в телефонных системах, радиоприёмниках, радарах и другом аналоговом оборудовании, где они использовались для усиления слабых сигналов до уровня, доступного человеческому уху.
В 1936 Лаборатории Белла, наконец, отменили запрет на найм персонала, введённый во время Великой Депрессии. Келли сразу же начал нанимать экспертов по квантовой механике, чтобы те помогли запустить его программу исследований в области твердотельных устройств, среди которых был и Уильям Шокли, ещё один выходец с Западного побережья, из Пало-Альто (Калифорния). Тема его недавно оформленной в MIT диссертации как нельзя лучше подходила к нуждам Келли: «Электронные зоны в хлориде натрия».
Браттейн и Беккер в это время продолжали свои исследования выпрямителя на оксиде меди, стремясь получить улучшенный твердотельный усилитель. Самым очевидным способом его изготовить было идти по аналогии с электронной лампой. Точно так же, как Ли де Форест взял ламповый усилитель и поместил электрическую сетку между катодом и анодом, так и Браттейн с Беккером представили, как можно вставит сетку в место соприкосновения меди и оксида меди, где, как предполагалось, происходит выпрямление. Однако из-за малой толщины слоя они посчитали невозможным это сделать, и не преуспели в этом.
Тем временем другие разработки показали, что Лаборатории Белла были не единственной компанией, интересующейся твердотельной электроникой. В 1938 Рудольф Хилш и Роберт Пол опубликовали результаты экспериментов, проводимых в Гёттингенском университете над работающим твердотельным усилителем, созданным через внедрение сетки в кристалл бромида калия. Практической ценности это лабораторное устройство не представляло – в основном, поскольку работало на частоте не более 1 Гц. И всё же это достижение не могло не обрадовать всех интересующихся твердотельной электроникой. В том же году Келли определил Шокли в новую независимую группу исследований твердотельных устройств и выдал ему с коллегами – Фостером Никсом и Дином Вулриджем – карт-бланш на изучение их возможностей.
По меньшей мере, ещё двое изобретателей сумели создать твердотельные усилители до Второй мировой. В 1922 году советский физик и изобретатель Олег Владимирович Лосев опубликовал результаты успешных опытов с цинкитовыми полупроводниками, но его работы остались незамеченными западным сообществом; в 1926 году американский изобретатель Джулиус Лиленфилд подал заявку на патент на твердотельный усилитель, однако нет никаких свидетельств работоспособности его изобретения.
Первое главное озарение у Шокли на новой должности случилось во время чтения работы британского физика Невилла Мота «Теория кристаллических выпрямителей» от 1938 года, где, наконец, объяснялся принцип работы выпрямителя Грондала на оксиде меди. Мотт использовал математику квантовой механики для описания формирования электрического поля на стыке проводящего металла и полупроводящего оксида, и того, как электроны «перепрыгивают» через этот электрический барьер, вместо того, чтобы туннелировать, как предлагал Уилсон. Ток течёт легче от металла к полупроводнику, чем наоборот, поскольку у металла имеется гораздо больше свободных электронов.
Это привело Шокли точно к такой же идее, какую рассмотрели и отвергли Браттейн и Беккер за много лет до этого – изготовить твердотельный усилитель, вставив сетку из оксида меди в промежуток между медью и оксидом меди. Он надеялся, что текущий по сетке ток увеличит барьер, ограничивающий ток, идущий от меди к оксиду, создав инвертированную, усиленную версию сигнала на сетке. Его первая грубая попытка полностью провалилась, поэтому он обратился к человеку, имевшему более отточенные лабораторные навыки, и хорошо знакомому с выпрямителями – Уолтеру Браттейну. И, хотя сомнений по поводу исхода у него не было, Браттейн согласился удовлетворить любопытство Шокли, и создал более сложную версию «сеточного» усилителя. Она также отказалась работать.
Затем вмешалась война, оставив новую исследовательскую программу Келли в беспорядке. Келли встал во главе рабочей группы по радарам в Лабораториях Белла, работавшей при поддержке главного радарного исследовательского центра США в MIT. Браттейн недолго поработал у него, а затем перешёл к исследованиям магнитного обнаружения подводных лодок по заказу военного флота. Вулридж работал над системами управления огнём, Никс – над диффузией газов для Манхэттенского проекта, а Шокли ушёл в операционные исследования, и сначала занимался борьбой с подлодками в Атлантике, а потом стратегическими бомбардировками в Тихом океане.
Но, несмотря на это вмешательство, война не остановила развитие твердотельной электроники. Наоборот, она организовала массивное вливание ресурсов в эту область, и привела к концентрации исследований на двух материалах: германии и кремнии.
Что ещё почитать
Ernest Bruan and Stuart MacDonald, Revolution in Miniature (1978)
Friedrich Kurylo and Charles Susskind, Ferdinand Braun (1981)
G. L. Pearson and W. H. Brattain, “History of Semiconductor Research,” Proceedings of the IRE (December 1955).
Michael Riordan and Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
Автор: SLY_G
