У начала века информатики

К 55-летию открытия транзисторного эффекта

Ю. Носов

В конце 1945 года американская фирма БЕЛЛ Телефон Лабораториз начала фундаментальные исследования в области полупроводников, нацеленные на создание принципиально новых аналогов электровакуумной лампы и электромеханического реле. Мировая война наглядно продемонстрировала ущербность этих изделий: они громоздки, капризны в экстремальных условиях эксплуатации и обладают малым сроком службы. Чувствовалось: не появится что-то новое – тупик. Чувствовалось и другое: новое найти можно, уж очень впечатляющим был прогресс полупроводниковых детекторов для радаров. Для работы над проектом сформировали небольшую комплексную группу исследователей: два физика-теоретика, два опытных экспериментатора, физхимик, электронщик. Руководителем назначили Билла Шокли, одного из этих теоретиков, – он ещё в 1939 году пытался создать полупроводниковый заменитель электронной лампы. Идея состояла в том, чтобы изменять проводимость тонкой пластины полупроводника, воздействуя на неё внешним электрическим полем. Простенький эскиз устройства в рабочем журнале Шокли отчасти напоминал теперешний полевой транзистор. Однако экспериментальная проверка завершилась тогда полным провалом, а вскоре началась война и стало не до того.

Но об "эффекте поля" Шокли, конечно, не забыл, и новая группа была сориентирована на ту же идею. Особенно успешно работали "в связке" теоретик Джон Бардин и экспериментатор Уолтер Браттейн, крепко сдружившиеся, несмотря на разницу воспитания, темпераментов и жизненных устоев.

Однако, как и прежде, два года упорного труда принесли лишь отрицательные результаты: даже очень сильные электрические поля почти не изменяли проводимость образцов. Но теперь Бардин сумел объяснить неудачу – согласно его теории, избыточные электроны прочно оседали в приповерхностных областях и экранировали внешнее поле. Эта теория поверхностных состояний явилась крупным вкладом в физику полупроводников вообще, а в данной ситуации она подсказала, что делать. Управляющую металлическую пластину заменили остриём, пытаясь локально воздействовать на тонкий приповерхностный инверсионный слой полупроводника. Фактически Бардин предложил "безистоковый" МОП-транзистор, и дело вроде бы сдвинулось с мёртвой точки, но усиления так и не получили (при используемых в то время методах обработки поверхности полупроводников МОП-транзистор и не должен был получиться). Однажды потерявший терпение Браттейн чуть ли не закоротил управляющий игольчатый электрод с другим (которым задавался ток через образец), да ещё по недосмотру перепутал полярности приложенных потенциалов и вдруг... обнаружил существенное усиление входного сигнала. Бардин оценил "ошибку" почти мгновенно. Теперь они взяли более высокоомный кристалл германия, разместили на его поверхности близко друг от друга два острия и 16 декабря 1947 года продемонстрировали группе полупроводниковый усилитель, названный позже точечным транзистором. Бардин выдвинул и гипотезу о принципе действия устройства – инжекция зарядов одним электродом (эмиттером) и их собирание другим (коллектором), – которая явилась неожиданностью для всех, но впоследствии подтвердилась. Официальная "премьера" с приглашением топ-менеджеров фирмы состоялась через неделю в предрождественский вторник 23 декабря – эта дата обычно и считается днём открытия транзисторного эффекта. Сырой зимний сумрак не повлиял на радостное возбуждение присутствующих, лишь Шокли едва скрывал разочарование. Он намного раньше других задумался о транзисторе, он возглавлял всю группу, читал им лекции по квантовой теории полупроводников, но его прямого вклада в сделанное открытие не было, и он не попадал в соавторы "звёздного" патента. (Кстати говоря, и значимость изобретения он оценил полнее и дальновиднее других: пока они судили-рядили лишь о приемно-усилительной радиоаппаратуре да о телефонии, он уже предчувствовал фантастические перспективы транзистора в зарождающейся компьютерной технике.) Это было крушением надежд.

Однако не станем гадать, что именно чувствовал человек с бешеным честолюбием и болезненно завышенной самооценкой, отметим, что проявилось это в вулканическом всплеске его творческой энергии. Позднее Шокли говорил о своей "страстной неделе", в течение которой он создал теорию инжекции и транзистора с p-n-переходами вместо экзотических иголочек, а в новогоднюю ночь изобрёл плоскостной транзистор. (Крах обернулся победой – в 1956 году У. Шокли, Дж Бардин и У Браттейн были удостоены Нобелевской премии "за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта".)

Через полгода, 30 июня 1948 года, в Нью-йоркской штаб-квартире на Вест-стрит фирма БЕЛЛ провела открытую презентацию транзистора. Сообщение о том, что "кристалл германия с двумя иголочками усиливает электрические сигналы и в некоторых случаях может использоваться вместо электронных ламп", вызвало не более чем дежурный интерес. Репортёры изнемогали от нестерпимой жары, а их газетные боссы – от резких заморозков "холодной войны": За неделю до этого началась советская блокада Западного Берлина, и СМИ зациклились на проблеме воздушного коридора. Всё же пара абзацев о транзисторе появилась в "Нью-Йорк Таймс" на 46 странице в разделе "Новости радио" после пространной заметки о возобновлении программы "нашей несравненной мисс Брукс". Таким был последний акт пьесы, явившей миру одно из величайших открытий XX века, а может и всей истории человечества.

В 1948-49 гг. появились основополагающие статьи о транзисторах, и мир принялся "догонять Америку". В СССР точечный транзистор был воспроизведён уже в мае 1949 года, и это своя детективная история (укажем лишь, что её главным персонажем стали академик А. И. Берг, будущий министр электроники А. И. Шокин, нач. отдела фрязинского НИИ А. Б. Красилов и дипломница С. Г. Мадоян).

Точечные транзисторы продержались в промышленности около десяти лет; плоскостные биполярные транзисторы Шокли выпускаются и поныне; в 1958 году на их основе были созданы первые микросхемы, а с середины 1960-х годов подавляющее большинство микрочипов изготавливается на основе МОП-транзисторов, почти предсказанных некогда Бардином. Транзисторы стали материальной основой нарождающегося информационного общества.

Истории великих открытий не только интригующе увлекательны, но и поучительны. В нашей истории прежде всего обращают на себя внимание четкость и значимость формулировки цели. "Потом" выяснилось, что в тот же период многие исследовали поведение точечного контакта на поверхности германия и, по некоторым запоздалым воспоминаниям, даже наблюдали транзисторный эффект, но... прошли мимо. В группе Шокли по ходу дела было открыто немало интересного и важного (например, упомянутая теория поверхностных состояний), и легко было "застрять" на чем-нибудь, но поставленная цель требовала только одного – "вперед"!

Характерно, что вся постановочная часть программы, начиная с ее цели, осуществлялась руководителями высшего звена, которые не будучи специалистами в конкретных технических вопросах, обладали необходимой эрудицией и интуицией, а главное, способностью к принятию решений. Счастливы фирмы и страны, где такие руководители есть.

Существенным для успеха явился и тот факт, что группа состояла из специалистов различных профессий, а ее мозговым центром были теоретики высочайшего уровня. Так, Шокли до и после 1947 года опубликовал множество статей по физике полупроводников, некоторые из которых, как, например, по теории рекомбинации, стали классикой; отметим еще, что уже в своем первом патенте по плоскостному транзистору он сумел заявить и о транзисторе на основе гетероструктур, мало кому известных в то время. Бардин, оставив фирму БЕЛЛ и полупроводники в 1951 году, увлекся проблемами сверхпроводимости и явился главным творцом БКШ-теории, удостоенной в 1972 году Нобелевской премии (Бардин – единственный, кто получил Нобелевскую премию по физике дважды). Представляется, что время узких специалистов одновременно является и безвременьем для фундаментальных открытий.

Интересна оценка возможностей нового прибора, сделанная уже при первой демонстрации. Кто-то заметил: "транзистор интересен не тем, что может заменить электронную лампу, а прежде всего тем, что может дать то, на что не способна она". Такой подход (а не сопоставление с предшественником или аналогом) следует признать единственно верным при создании принципиально новых изделий.

В заключение заметим, что в "саге о транзисторе" очень рельефно проявились такие качества выдающихся исследователей, как исключительная увлеченность (о Браттейне говорили, что "он может 25 часов в сутки крутить ручки осциллографа, лишь бы было при этом с кем поболтать"); самокритичность, то есть способность без комплексов перешагивать через собственные заблуждения, сохраняя при этом упорство, но не упрямство; честолюбие и последовательность в отстаивании своего приоритета; наконец, везение – без "его величества случая" не обошлось ни одно великое открытие.

Статья опубликована в журнале Chip News №10, 2002 г., стр. 42.
Перепечатывается с разрешения редакции.