Юлиус Лилиенфельд – пионер полупроводниковых транзисторов

Радиолампа-триод известна с 1906 г., но электронный транзистор – её “полупроводниковый аналог”, преобразивший электронику, – создан в конце 1920-х профессором Лейпцигского университета Лилиенфельдом, имя которого сейчас мало кто помнит.

Юлиус Лилиенфельд (1881—1963). Материалы Виртуального Компьютерного Музея.

Юлиус Лилиенфельд (1881—1963)

Юлиус Эдгар Лилиенфельд родился в 1882 г. во Львове, столице тогдашней австрийской Галиции, в семье доктора права адвоката Сигизмунда Лилиенфельда.

Среднюю школу он окончил во Львове в 1899 г. и поступил в Берлинское Высшее техническое училище (университет) в Шарлоттенбурге на инженерное отделение, но в 1900 г. перевёлся в Университет им. Фридриха Вильгельма (с 1946 г. – Берлинский университет им. Гумбольдта), где изучал новейшие разделы экспериментальной физики и электроники у Макса Планка, президента Германского физического общества Эмиля Варбурга и др.

В 1902 г. опубликовал свою первую работу, “О более строгой формулировке математического понятия вероятности”, а 18 февраля 1905 г. получил учёную степень за диссертацию: “Об обобщённом сверхчувствительном методе спектрального качественного элементарного анализа газовых смесей”.

С 1905 г. работал на кафедре физики Лейпцигского университета, занимаясь мощными ртутными лампами низкого давления и технологиями сжиженных газов. В 1910 г. получил степень доктора за диссертацию: “Электропроводность в глубоком вакууме” и занялся исследованием рентгеновских трубок, вскоре получив патент на рентгеновскую трубку с нагреваемым катодом (термоэлектронной эмиссией) также известной как “Трубка Кулиджа” и с новой вольфрамовой нитью накала. Лилиенфельд не бросил эту работу даже после того, как в 1914 г. студентов отправили на войну, лекции свернули, а его патенты на изобретения, полученные в Англии, стали недоступны и доходы значительно уменьшились.

Впрочем, заявки на патенты принимали занимавшие нейтральную позицию США, а в 1916 г. саксонское правительство, в знак признания научных заслуг, в виде исключения открыло Лилиенфельду личную ставку профессора. Материальное положение начало улучшаться, однако, летом 1917 г. США вступили в войну, и его американские патенты приобрели статус “конфискованного имущества противника”.

В 1919-м он впервые описал видимое глазом слабое “серовато-голубовато-беловатое” свечение у анода рентгеновских трубок при подаче напряжения в 5 кэВ, названное “излучением Лилиенфельда” /“Lilienfeldstrallung” (явление электродинамики одной из форм переходного излучения). В 1946 г. его детально исследовали советские физики – Нобелевский лауреат академик В.Л. Гинзбург и академик И.М. Франк, сформулировавшие так называемую “теорию переходного излучения”, объясняющую открытие Лилиенфельда как эффект прохождения заряженных частиц через пограничные слои между веществами с различными диэлектрическими постоянными.

В 1921 г. Лилиенфельд поехал в Нью-Йорк читать лекции в университете и отстаивать права на свои патенты, похищенные в 1919-м Томасом В. Миллером (Thomas W. Miller) куратором по имуществу противника (бывшим членом Палаты представителей от Делавэра) за крупную взятку от генерального прокурора США Гарри Догерти.

Г.М. Догерти / Harry M. Daugherty (1860-1941). Материалы Виртуального Компьютерного Музея.

Г.М. Догерти / Harry M. Daugherty (1860-1941). (генеральный прокурор в 1921-24 гг.; назначен президентом Уорреном Гардингом за помощь в предвыборной компании. Вместе с членами 'банды Огайо'(политической) неоднократно обвинялся в коррупции и протекционизме. Его имя связывалось с нарушениями в деятельности бюро ветеранов, махинациях с чужой собственностью, “откатами” и другими “любопытными делами” – едва избежал преследования. Сам президент У. Гардинг убит 03.08.1923; случай не раскрыт, одна из версий – связь с незаконными спекуляциями нефтеносными участками побережья).

 В 1927-м Т. Миллера судили за мошенничество, особенно за продажу германских патентов “по бросовым ценам”.

В Нью-Йорке Лилиенфельд познакомился с американкой Беатрис Гинзбург на которой женился 2 мая 1926 г. В 1927 оставил свою должность в Лейпциге: в Европе начались наступление фашизма и рост антисемитских настроений.

В 1927 г. он получил статус эмигранта и с 1928-го заведовал Ergon Research Lab (радиоэлектроника) в г. Малден (шт. Массачусетс), занимаясь оксидными алюминиевыми плёнками и их применением в электролитических конденсаторах, что способствовало и разработке транзистора. Сейчас “годовая прибыль мирового бизнеса с конденсаторами” исчисляется миллиардами долларов.

Ещё в 1922 г. Лилиенфельд подал заявку на “…устройство, испускающее электроны только за счёт электромагнитного поля” (автоэлектронный эффект). Автоэлектронное устройство с контактом покрытым очищенным веществом, который испускает поток электронов и очищается бомбардировкой электронами, в 1926 г. получило патент США № 1578045.

В 1923 г. Лилиенфельд получил информацию о исследованиях немецкого физика Вальтера Шоттки по холодным и горячим электронным разрядам.

Вальтер Герман Шоттки (1886—1976). Материалы Виртуального Компьютерного Музея.

Вальтер Герман Шоттки (1886—1976). (Walter Hermann Schottky) Работая в исследовательской лаборатории Siemens & Halske изобрёл электронную лампу с экранирующей сеткой (в 1915 г.) и тетрод (в 1919 г.)

Узнав об этих разработках Лилиенфельд описал низковольтный полупроводниковый выпрямитель: “…выпрямитель с током в 3А применим для зарядки аккумуляторов и других целей” – и в 1926-м запатентовал выпрямитель переменного тока – первое из его твёрдотельных устройств.

Собственно конструкцию полевого транзистора Лилиенфельд описал ещё в 1925 г., хотя требуемых для его практического создания полупроводников ещё не было.

Подключение экранирующей сетки. Материалы Виртуального Компьютерного Музея.

Подключение экранирующей сетки

Затем получил патенты на модуляцию проводимости твёрдого вещества поперечным электромагнитным полем. Он установил, что подача напряжения на слабопроводящий материал изменяет его проводимость, вызывая усиление электрических колебаний.

Его первый патент на транзистор заявлен в 1926 г. (№ 1745175 от 1928 г.), это был полевой транзистор — комбинация металла и полупроводника.

Второй патент следует из первого, заявлен в 1928-м (№ 1900018 от 1933 г.): полевой транзистор, работающий в режиме обеднения.

В 1928 г. заявлено устройство с полевой эмиссией, названное им “электронным триодом”, который можно использовать как генератор рентгеновских лучей или переменного тока (№ 1979275, выдан в 1934 г.).

Ещё один патент — усилитель электрического тока (№ 1877140 от 1932 г.) – описывает транзистор на металлической основе (полупроводниковый транзистор “полупроводник/металл”) и транзистор Шоттки с p-n-коллектором. Это первый известный патент на транзистор с металлической базой.

К сожалению, Лилиенфельд страдал аллергией на полевые культуры. В 1934 г. он получил американское гражданство, и в 1935-м супруги построили дом в г. Шарлотта-Амалия на острове Сент-Томас (американские Виргинские острова в Карибском море);

Роберт Вихард Поль. Материалы Виртуального Компьютерного Музея. Роберт Вихард Поль. Материалы Виртуального Компьютерного Музея.

г. Шарлотта-Амалия – живописное место с хорошим климатом.

Там он поддерживал научные связи с Альбертом Эйнштейном и другими учёными, экспериментировал в домашней лаборатории и ездил “на континент” проверять результаты на практике и патентовать их.

С полевым транзистором Лилиенфельд “поторопился” лет на пятнадцать: материалов для изготовления надёжного экземпляра ещё не было, но прогресс электроники доказал его научную прозорливость.

В 1938 г. его сокурсник по университету – немецкий физик Роберт Вихард Поль и Рудольф Хильш разработали в Гёттингене первый в мире действующий “твёрдотельный” полупроводниковый транзистор с солью – бромидом калия в качестве полупроводника.

Роберт Вихард Поль (1884 – 1976). Материалы Виртуального Компьютерного Музея.

Роберт Вихард Поль (1884 – 1976). Роберт Поль изучал оптические и электрические свойства, фотопроводимость монокристаллов галогенидов щелочных металлов, одновременно служивших модельными материалами для исследования процессов проводимости в других кристаллах. В 1938 показал возможность управления электронными токами в кристалле, по сути дав описание принципиального устройства полупроводникового триода. Ввёл понятие F-центра. (Википедия)

Визуализация n- и p-проводимости в кристалле KI. Материалы Виртуального Компьютерного Музея.

Визуализация n- и p-проводимости в кристалле KI (йодистый Каллий): слева (зелёный) n- проводимость -электронная; справа (коричневый) p-проводимость -дырочная. Катод (слева) и анод (справа) – платиновые контакты вплавленные в кристалл. R.W. Pohl, Elektrizitätslehre, von der 10. Aufl. (1944). . (Википедия)

Профессора Гёттингенского университета физики (слева направо) Макс Райх, Макс Борн, Джеймс Франк и Роберт Поль. Материалы Виртуального Компьютерного Музея.

Профессора Гёттингенского университета физики (слева направо) Макс Райх, Макс Борн, Джеймс Франк и Роберт Поль. 1923 (Википедия)

В 1945-1947 гг. в США по заказу Лаборатории Белла (Bell Laboratories) исследователи У. Шокли, Дж. Бардин и У. Браттейн создали полупроводниковое устройство с относительно устойчивым транзисторным эффектом.

В США объявили о создании первого в мире транзистора, но... неожиданно Шокли потребовал для себя монопольные права на изобретение. Формально он руководил работой, основанной на его же патенте.

Коллеги протестовали; началось разбирательство в ходе которого патентные эксперты из лаборатории Белла выяснили, что патент Шокли практически повторяет патенты Лилиенфельда, поэтому никаких привилегий на полевой транзистор этой группе учёных не было выдано вообще. Фирме Белл пришлось рассекретить изобретение и его объявили... “непригодным для практического использования”.

О самом Лилиенфельде, работавшем “неподалёку”, никто и не вспомнил.

В 1956 г. их наградили Нобелевской премией, но уже за планарный транзистор, а добросовестный Дж. Бэрдин отметил в своей Нобелевской лекции, что они основывались на опыте Лилиенфельда и Поля, на теории Шоттки о проводимости в полупроводниках и на разработках советских учёных А. Иоффе и И. Френкеля в Ленинграде и В. Давыдова в Киеве.

Джон Барди́н. Материалы Виртуального Компьютерного Музея.

Джон Барди́н (John Bardeen; 1908 – 1991) единственный в истории, лауреат двух Нобелевских премий по физике: в 1956 г. за транзистор (с У.Б. Шокли и У. Браттейном) и в 1972 г. за основополагающую теорию обычных сверхпроводников.

В 1949 г. 23-летняя студентка Московского химико-технологического института им. Менделеева Сусанна Мадоян за время своей дипломной практики в Зеленоградском институте электроники (закрытом; результаты работы не подлежали публикации) под руководством А.В. Красилова сама сделала -первый в СССР- работающий транзистор. По её собственным словам “главным теоретическим материалом” у неё был учебник физики Кикоина.

Сусанна Мадоян (1948 г.). Материалы Виртуального Компьютерного Музея.

Сусанна Гукасовна Мадоян (род. 1925 г.) – Московская дипломница независимо и самостоятельно повторившая, в 1949 г., достижения Нобелевских лауреатов

А в начале 1950-х Вадим Лашкарев в Киеве создал собственные транзисторы на основе явлений в p-n-переходе, открытом им ещё в 1939 г.

Юлиус Лилиенфельд скончался 28 августа 1963 г. в США, в г. Шарлотта-Амалия в возрасте 81 года.

Теоретических публикаций у Лилиенфельда мало – лишь принципиальные вопросы, но фундаментальная теория и области её применения, представленные им Электрохимическому обществу в докладе от 1930 г. и в двух статьях, от 1932 и 1935 гг., актуальны и сегодня.

На его имя выдано 15 германских и 60 американских патентов; права на некоторые он отстаивал до последнего дня.

(Ещё Никола Тесла сетовал на некоторых американских “экспертов” патентных бюро, делавших небольшие изменения в новых заявках и регистрировавших их “задним числом” на имя “тех, кто заплатил”, а официальному заявителю бумаги возвращались с рекомендацией “доработать”, поскольку “практически идентичный патент уже был зарегистрирован ранее, другим лицом.

В 1988 г. по завещанию Беатрис Лилиенфельд Американское физическое общество учредило премию имени Юлиуса Эдгара Лилиенфельда “В знак признания выдающихся заслуг в физике учёного-лектора, способного раскрыть тему для слушателей самого разного уровня».

Примечания

Премия Юлиуса Эдгара Лилиенфельда (Julius Edgar Lilienfeld Prize) - ежегодная награда за особый вклад в развитие физики.

Учреждена в 1988 г. Американским физическим обществом в честь физика Юлиуса Лилиенфельда, по завещанию супруги учёного, Беатрис Лилиенфельд.

Приз включает в себя денежную сумму в размере 10 000 долларов США, сертификат с записью о научном вкладе лауреата, а также предоставляет право на чтение трёх лекций на собрании Американского физического общества и в исследовательских институтах перед студентами.

(https://en.wikipedia.org/wiki/Lilienfeld_Prize )

Некоторые патенты Юлиуса Лилиенфельда (по материалам Википедии):

  • Patent CA272437: Electric Current Control Mechanism. Registered 22.10.1925, published 19.07.1927 (Canadian intellectual property office); Author: Julius Edgar Lilienfeld.‌

  • Patent US1745175: Method and Apparatus For Controlling Electric Currents. Reg. 28.01. 1930: Auth.: Julius Edgar Lilienfeld.‌

  • Patent US1900018: Device for controlling electric current. Reg. 28.03.1928, Auth.: Julius Edgar Lilienfeld (Dünnfilm-MOSFET).‌

  • Patent US1877140: Amplifier for electric currents. Reg. 8.12.1928, Auth.: Julius Edgar Lilienfeld (Halbleiterversion der Vakuumröhre).‌

  • Patent US2013564: Electrolytic condenser. Reg. 29.08.1931, Auth.: Julius Edgar Lilienfeld.


Статья публиковалась в еженедельнике itWeek 11.10.2011. Переработана для Виртуального Компьютерного Музея.
Помещена в музей с разрешения автора 16 июня 2020