ІСТОРІЯ Транзистор - дитина багатьох батьків
Трехелектродний напівпровідниковий підсилювач електричних сигналів, нині відомий усьому світу як транзистор, справедливо вважають одним із найбільших досягнень науково-технічної думки двадцятого століття. Воно було відзначено Нобелівською премією з фізики, яку в 1956 р. отримали Джон Бардін (John Bardeen), Волтер Браттейн (Walter Brattain) та Вільям Шоклі (William Shockley). Практично всі джерела пов'язують створення транзистора з іменами цих і лише цих американських учених.
Однак насправді все набагато заплутаніше і цікавіше. У американської трійки в різних країнах були попередники, які спостерігали твердотільне посилення електричного струму і прилади, що конструювали, засновані на цьому ефекті. Були також сучасники-європейці, які не лише незалежно винайшли транзистор, а й організували його промисловий випуск. Давайте перегортаємо сторінки цього напівзабутого літопису.
«ББШ» в історичній перспективі
Канонічна версія історії винаходу транзистора має такий вигляд. У 1925 р. гігантська корпорація American Telephone amp; Telegraph відкрила науковий та дослідно-конструкторський центр Bell Laboratories. У другій половині тридцятих років його директор Мервін Келлі задумав серію досліджень, спрямованих на заміну лампових підсилювачів напівпровідниковими. Цю роботу очолив Джозеф Бекер (Joseph Becker), який залучив до неї Шоклі та Браттейна (перший був теоретиком, а другий – блискучим експериментатором). Однак усі спроби побудувати твердотільний підсилювач ні до чого не привели і після Пірл-Харбор були покладені в довгий ящик. У воєнні роки Браттейн брав участь у розробці сонарів, а Шоклі займався протичовновим озброєнням іпланування рейдів стратегічної авіації. У 1945 р. обидва повернулися до Беллівської лабораторії. У цей час Келлі вирішив створити під керівництвом Шоклі сильну команду з фізиків, хіміків та інженерів для роботи над твердотілими приладами. До неї увійшли Браттейн та фізик-теоретик Джон Бардін, який у воєнні роки теж займався оборонними дослідженнями.
Спочатку співробітники лабораторії називали новий прилад німецьким тріодом, але для широкої публіки була потрібна назва простіше і красивіше. Бардін з Браттейном хотіли знайти слово, що закінчується на тор, за аналогією з резистором і варістором, але не змогли нічого придумати. Тоді Браттейн звернувся за допомогою до інженера-електронника Джона Пірса (John Pierce), який чудово володів мовою і пізніше набув популярності як популяризатор науки і письменник-фантаст. Пірс згадав, що одним із параметрів вакуумного тріода служить крутість характеристики, англійською transconductance. Він запропонував назвати аналогічний параметр напівпровідникового підсилювача transresistance, і тут його осяяло: transistor!
А що було раніше?
Читачам «Комп'ютерри» навряд чи треба розповідати, як працюють твердотільні прилади. Для повноти картини варто нагадати, що у напівпровідниках електричний струм переносять не тільки електрони провідності, а й дірки, специфічні квазічастинки, які у зовнішньому електричному полі рухаються протилежно до електронів і, отже, поводяться як об'єкти з позитивним зарядом. В ідеальних кристалах концентрація електронів провідності строго дорівнює концентрації дірок. Правда, звідси не випливає, що вони роблять рівний внесок у електропровідність, оскільки їх рухливість може виявитися різною (наприклад, у чистого германію основна провідність - електронна).
У реальних напівпровідниках ця рівність завжди порушується через дефекти кристалічної решітки та наявність домішкових атомів. Домішки донорного типу віддають кристалу надлишкові електрони, і цим збільшують електронну провідність. Домішки-акцептори, навпаки, захоплюють валентні електрони кристала-господаря і підвищують концентрацію дірок та діркову провідність. Прицільне легування різних ділянок напівпровідника донорними та акцепторними домішками створює області як з електронною, так і відповідно з дірковою провідністю.
Зовнішні електричні поля та струми можуть змінювати щільність носіїв обох типів та впливати на електропровідність напівпровідника. Цей ефект пояснює дію транзистора: електричні імпульси, що управляють, знижують опір кристала в області проходження основного струму і тому збільшують силу цього струму. Зокрема, зібраний Браттейном і Бардіном прилад посилював струм через те, що на поверхні плівки германієвої виникав шар з дірковою провідністю. У цей шар через електрод, що управляє, знову-таки закачувалися дірки, що і призводило до зростання електропровідності кристала.
Виявляється все так і було. На початку XX століття були популярні детекторні приймачі, в яких для випрямлення струму використовувався напівпровідниковий кристал із притиснутою до нього металевою голкою. Деколи дехто з цікавості «тикав» у зону контакту другим електродом і, траплялося, спостерігав посилення струму! Історик радіотехніки Лоуренс Піззелла (Lawrence Pizzella) зазначає, що особливо цією справою захоплювалися корабельні радисти. Є відомості, що в першій половині тридцятих років контактні триелектродні напівпровідникові підсилювачі винайшли та зібрали принаймні двоє радіоаматорів – канадець Ларрі Кайзер (Larry)Kayser) та тринадцятирічний новозеландський школяр Роберт Адамс (Robert Adams). Достеменно відомо, що декількома роками пізніше непрактичний, але все-таки діючий кристалічний підсилювач збудували німці Роберт Поль (Robert Pohl), чию книгу «Механіка, акустика та вчення про тепло» перекладено українською мовою, і Рудольф Хілш (Rudolf Hilsch). Підкреслимо, що винайдений 1922 р. лаборантом Нижегородської радіолабораторії Олегом Лосєвим знаменитий кристадин був двоелектродним пристроєм, і тому роль попередника контактного транзистора не годиться. Трохи пізніше німець Юліус Лілієнфельд (Julius Lilienfeld) запатентував напівпровідниковий підсилювач, який можна вважати дідусем сучасних польових транзисторів. Однак побудувати працюючий прилад Лілієнфельд не зумів, бо не мав достатньо чистих зразків напівпровідників. У довоєнні роки у Німеччині та Англії було видано ще кілька аналогічних патентів. Коротше кажучи, до транзистора, як і Рим, вело безліч доріг.
А що було тоді ж?
Але найцікавіше в іншому. Нещодавно бельгійський історик Арманд Ван Дормел (Armand Van Dormael) та професор Стенфордського університету Майкл Ріордан (Michael Riordan) виявили, що наприкінці сорокових років у Європі був винайдений і навіть запущений у серію рідний брат транзистора Бардіна-Браттейна. Власне, секретною ця історія ніколи і не була, просто пам'ять про неї давно стерлася.
Однак популярність транзитрону виявилася недовгою. Французька влада незабаром втратила інтерес до субсидування твердотільної електроніки і вирішила зосередити готівкові (і тоді не дуже багаті) ресурси на ядерній фізиці. Лабораторія Матаре та Велкера захиріла, і на початку п'ятдесятих років друзі повернулися на батьківщину, де вже починалосявідродження науки та високотехнологічної індустрії. Велкер перейшов до лабораторії концерну Siemens в Ерлангені, яку згодом очолив. Матаре перебрався до Дюсельдорфа, де став президентом невеликої фірми Intermetall, яка випускала напівпровідникові прилади. У 1953 р. під його керівництвом було сконструйовано та виготовлено дослідний зразок першого у світі транзисторного приймача, який незабаром був показаний на радіовиставці у Дюссельдорфі. Однак того ж року компанію перекупив американський концерн, який зрізав усі асигнування на дослідницьку роботу. Матаре не захотів з цим миритися та емігрував до Америки.
Що з ними стало
Один із творців європейського транзистора живий досі. Герберт Матаре після приїзду до США працював у кількох електронних корпораціях, а потім віддав перевагу кар'єрі незалежного технічного експерта. Навіть у свої 93 роки він продовжує консультувати каліфорнійську фірму Pyron, яка спеціалізується на сонячній енергетиці.
Генріх Велкер понад чверть століття провів у Ерлангені, ставши одним із перших розробників напівпровідникових приладів на гетеропереходах. У 1977 р. він вийшов у відставку і за чотири роки помер. У 1976 р. корпорація Siemens започаткувала золоту медаль його імені, яку присуджують за дослідження інтерметалевих напівпровідників (у списку нагороджених - Жорес Алфьоров).