Транзисторная история

или о вкладе советских и российских учёных в разработку полупроводниковых транзисторов

Александр Нитусов

Открывая осенний форум Intel для разработчиков (IDF) в Сан-Франциско (www.pcweek.ru/themes/detail.php?ID=102444), старший вице-президент и генеральный менеджер подразделения Digital Enterprise Group корпорации Патрик Гелсингер отметил, что 2007-й стал юбилейным не только для Intel (отметившей десятилетие IDF), но и для всей полупроводниковой отрасли: как признано международным сообществом, 60 лет назад американцы У. Шокли, В. Браттейн и Дж. Бардин изобрели первый транзистор.

Тем не менее, подобные изобретения не делаются на пустом месте «из ничего»; научные достижения советских исследователей и инженеров, равно как и разработки немецких ученых, в 1920—1930-е годы создали теоретические и экспериментальные основы и во многом предопределили появление этого прибора.

Когда и где именно начался «путь к транзистору» , сказать не просто. Его конкретному созданию предшествовал длительный и весьма насыщенный период исследований в области электроники, научных экспериментов и разработок во многих странах. Разумеется, СССР не был исключением. Началом отечественных разработок в этом направлении можно считать труды физика А. Г. Столетова по исследованию фотоэффекта и А. С. Попова по созданию радиопередающих устройств ещё в конце XIX в. Развитие электроники в советское время стимулировалось бурным прогрессом радиотехники в двадцатые годы, немалую роль в котором играли разработки сверхмощных (для того времени) радиоламп, ламповых триггеров и других элементов, выполненные М. А. Бонч-Бруевичем. Одним из факторов, определивших бурное развитие данного направления, стал общий подъём науки и образования в стране.

Историки науки знают, что уровень советских исследований и разработок по всему диапазону вопросов электроники часто превосходил мировой и никогда не опускался ниже него. Это обуславливалось как «взрывным» характером научного прогресса в СССР так и тем, что на развитии науки во многих западных странах весьма негативно сказались период послевоенной (1914—1918 гг.) депрессии, а позже и жестокий экономический кризис 1929—1934 гг.

Одной из первых заинтересовавших экспериментаторов проблем стала односторонняя проводимость в точке соприкосновения металлической пружины и кристаллов полупроводника: требовалось понять причины этого явления.

О. В. Лосев

Советский инженер-радиофизик О. В. Лосев, родившийся в 1903 в Твери, школьником провёл много времени на местной радиостанции, где работали радиоконструкторы В.М. Бонч-Бруевич, В.М. Лещинский и В.К. Лебединскй. В 1920 г. он окончил Тверское реальное училище и начал работу в Нижегородской радиолаборатории (соданной по указу В.И. Ленина в 1918), где Бонч-Бруевич и создавал новые радиолампы. Получив должность лаборанта в отделе В.К. Лебединского, Лосев занялся иследованием кристаллических детекторов. Экспериментируя со слаботочной техникой (работающей при напряжениях до 4В), Лосев исследовал вольт-амперные характеристики детектора из цинкита и угольного волоска (из старой лампы). 13 января 1922 он открыл явление возникновения электромагнитных колебаний и эффект их усиления в полупроводниковом кристаллическом детекторе. Он обнаружил у кристалла падающий участок вольт-амперной характеристики и первым построил генерирующий детектор, т. е. детекторный приемник, способный принимать и усиливать электромагнитные колебания. Свой прибор Лосев и основал на контактной паре металлического острия и кристалла цинкита (оксида цинка), на которую подавалось небольшое напряжение. Прибор Лосева – приемник с генерирующим диодом, вошёл в историю полупроводниковой электроники как «кристадин» (кристаллический гетеродин). Это открытие не оформлялось никакими патентами, но было широко обнародовано и в СССР и за рубежом. Лосев приобрел всемирную известность, а сами кристадины работали (на волне 24 м ) на нескольких радиостанциях Министерства связи (Наркомпочтеля), что принесло автору две премии министерства – в 1922 и 1925 гг. Кристадины производились до начала 1930-х гг., а потом были сменены усовершенствованными радиолампами. Примечательно, что продолжение исследований в этом направлении привело к созданию в 1958 г. туннельных диодов, нашедших применение в вычислительной технике 60-х годов ХХ века. Лосев первым открыл и новое явление — свечение кристаллов карборунда при прохождении тока через точечный контакт. Учёный объяснил это явление существованием в детектирующем контакте некоторого «активного слоя» (впоследствии названного p - n -переходом, от p — positive, n — negative) (статья О. Лосева в журнале «Телеграфия и Телефония без проводов» 1927 г.). В 1929 г. Лосев получил патент СССР (№ 12191) на изобретение светового реле. Само явление свечения мировая печать1920-х гг. называла «светом Лосева» (Lossew Licht, Losev light, etc.), а открывателю (так и не получившему специального образования) по инициативе академика А.Ф. Иоффе в 1938 г. была присуждена степень кандидата физико-математических наук.

В 1926 г. советский физик Я. И. Френкель выдвинул гипотезу о дефектах кристаллической структуры полупроводников, названных «пустыми местами» , или, более привычно, «дырками» , которые могли перемещаться по кристаллу. В 1930-е годы академик А. Ф. Иоффе начал эксперименты с полупроводниками в Ленинградском институте инженерной физики, а в 1932 Иоффе и Френкель разработали теорию выпрямления тока контактном слое металл-полупроводник в которой рассматривался и туннельный эффект.

Параллельно с открытиями советских исследователей достигли успехов и немецкие ученые. Так 1928 Юлиус Эдгар Лилиенфельд запатентовал принципы работы полевого транзистора , хотя конечно, говорить о стабильности его характеристик или их техническом совершенстве в то время было ещё рано. В 1936-38 гг. знаменитый физик Роберт Вихард Поль (основоположник современной физики твёрдого тела), совместно с Р. Хильшем, создали реально работавший прототип транзистора – полупроводниковый усилитель, основанный на кристаллах бромида галлия (опубликовано в Zeitschrift Physik, III (1938)).

Сам факт научного общения в Европе (и не только) вряд ли может вызвать сомнения. В 1920-е и до второй половины 1930-х гг. научная литература и периодика европейских стран, включая СССР, были достижимы почти для каждого ученого и личные контакты также были относительно свободыми. Так например, Роберт Поль посещал СССР в 1928 г., участвуя, вместе с Полем Дираком, Петером Прингсхаймом, Максом Борном, Абрамом Йоффе, Рудольфом Ладенбургом и др. в VI съезде физиков, в Казани. Советские ученые также выезжали в другие страны и поддерживали международные научные контакты. Правда, не всегда это приносило вещественные результаты. Так О. Лосев пытался обсудить физические основы своих открытий в фотолюменисценции с А. Эйнштейном, однако ответа на своё обращение не получил.

Тем не менее, определить степень взаимного влияния результатов конкретных разработок в области электроники и указать насколько независимым было то или иное открытие того периода, не так просто.

В том же 1938 г. украинский академик Б.И. Давыдов и его сотрудники предложили (первую) диффузионную теорию выпрямления переменного тока посредством кристаллических детекторов, в соответствии с которой оно имеет место на границе между двумя слоями проводников, обладающих p- и n- проводимостью. Эта диффузионная теория выпрямления в p - n - p переходе была опубликована Б.И. Давыдовым в 1938 в статье: «К теории движения электронов в газах и полупроводниках» (ЖЭТФ VII , вып. 9-10 стр. 1069-89, 1937, воспроизведено в «Успехах Физических наук» I. XIX вып.1, 1938), последовавшей за его статьей: «О распределении скоростей электронов движущихся в электрическом поле» (ЖЭТФ 6 (5), 463, 1936).

Далее, в СССР, эта теория была подтверждена и развита в исследованиях, работавшего до 1935 в группе А.Ф. Йоффе в Ленинграде, Вадима Евгеньевича Лашкарева, проведенных им в Киеве в 1939—1941 гг. Он установил, что по обе стороны «запорного слоя» , расположенного параллельно границе раздела медь – оксид меди, находятся носители тока противоположных знаков (явление p - n -перехода), а также, что введение в полупроводники примесей резко повышает их способность проводить электрический ток. Лашкарев открыл и механизм инжекции (переноса носителей тока) – явления, составляющего основу действия полупроводниковых диодов и транзисторов. Его работа была прервана начавшейся войной и окупацией, однако по её окончании Лашкарёв вернулся в Киев и в 1946 г. возобновил исследования.

Война прервала не только его работу. Так, Олег Лосев, начавший в 1941 исследования сплавов кремния, который он считал очень перспективным для электроники материалом, скончался от голода в 1942 г. в осажденном Ленинграде.

Так выглядел первый транзистор,
созданный группой специалистов Bell Labs, 1947 г.
(фотография с сайта www.wikipedia.org)

Ко второй половине 1940-х гг. успешные теоретические и эксперементальные довоенные исследования европейцев (включая СССР), а затем и начавшиеся американские разработки, создали благоприятную научную основу для создания более-менее удовлетворительно работавших транзисторов и их производства на промышленном уровне. Так теория p - n - p перехода предложенная Давыдовым в 1938 впоследствии была развита У. Шокли в США. В 1947 г. В. Браттейн и Дж. Бардин, работавшие под руководством Шокли, открыли транзисторный эффект в детекторах, основанных на кристаллах германия. Их эксперименты во многом продолжали довоенные опыты Роберта В. Поля и Р. Хильша с усилителем на базе монокристалла бромида галлия, а также разработки Юлиуса Лилиенфельда. В 1948 г. были опубликованы результаты исследований Шокли и изготовлены первые германиевые транзисторы с точечным контактом. Разумеется, они всё ещё были весьма далеки от совершенства, а их конструкция сохраняла черты лабораторной установки (что, впрочем, характерно для начального периода любого подобного изобретения). Характеристики первых транзисторов отличались неустойчивостью и непредсказуемостью, и поэтому их реальное практическое применение началось уже после 1951 г., когда Шокли создал более надёжный транзистор – планарный, состоявший из трёх слоёв германия типа n — p — n суммарной толщиной 1 см. За открытия в области полупроводников и изобретение транзистора Шокли, Бардин и Браттейн в 1956 г. разделили Нобелевскую премию по физике (примечательно, что Бардин – единственный физик, удостоенный Нобелевской премии дважды: второй раз – в 1972 г. за разработку теории сверхпроводимости).

К сожалению, эпохальное изобретение было омрачено последовавшей попыткой Шокли претендовать на монопольное владение патентом на выпущенный транзистор, однако патентоведы фирмы Белл отклонили претензии, указав, между прочем, что его собственный патент (на основании которого он руководил работой) оказался почти идентичным патенту Лилиенфельда.

Разумеется, создатели первого, достаточно устойчиво функционировавшего, транзистора не начинали «с нулевой отметки» , что попросту невозможно при современном уровне науки и технологий, а продолжали работу предшественников. Об этом говорил и Дж. Бэрдин в вводной части своей Нобелевской лекции (11.12.1956 г.). В частности, Бэрдин отметил, что: «…Основательный теоретический базис имелся уже в (Европейских) работах выполненных в 1930-е гг.:

• Квантовая механическая теория Вильсона, основанная на модели энергетической зоны, описывающая проводимость в терминах избыточных электронов и дырок. Это основа всего последующего развития. Теория показывает, как концентрация носителей зависит от температуры и наличия примесей.»
• «Теория Френкеля о явлении фотопроводимости (изменение потенциала в точке контакта при (изменении) освещённости и электрический эффект фотогенерирования). В них приводятся общие уравнения, описывающие протекание тока при наличии неравновесной концентрации дырок и проводящих электронов. Он открыл что ток (электронов) может происходить по причине диффузии в перепаде концентрации, равно как и за счёт электрического поля.»
• «Независимые, параллельные разработки по теории выпрямления в контактной зоне были выполнены Моттом, Шоттки и Давыдовым. Наиболее полная математическая теория была разработана Шоттки и его сотрудником Шпенке.»

В списке источников, помещенном в лекции, под номером 2 значится Я.И. Фрнекель ( Physik Z. Sowjetunion 8 (1935) 185), под ном. 4 – Б.И. Давыдов (J. Tech. Phys. U.S.S.R, 5(1938)87), под ном. 6 – R . Hilsch and R. W. Pohl, (Z. Physik, III (1938) 399), а под ном. 7 помещен комментарий о том что: «Усилители основанные на принципе полевого эффекта ранее уже приводились в патентной литературе (Р. Лилиенфельд и др.), но были несовершенны / not successful /» .).

Первые отечественные транзисторы П1А и П3А
(с радиатором), 1957 г.

Однако времена менялись и в 1950-е гг. развитие транзистора шло полным ходом. Полым ходом шла работа и в СССР. Начиная с 1946 г. В.Е. Лашкарёв успешно разворачивал научные исследования в разрушенном войной Киеве. Вскоре он открыл биполярную диффузию неравновесных носителей тока в полупроводниках, а в начале 1950-х изготовил первые точечные транзисторы в лабораторных условиях. То, что результаты их опытной эксплуатации были обнадёживающими, подтверждается следующим любопытным эпизодом.

Пионер советской вычислительной техники – академик С. А. Лебедев, создавший в Киеве первую советскую ЭВМ МЭСМ (1949—1951) и основавший там научную школу, приезжал в Киев в день своего 50-летия (2 ноября 1952 г.). Там он услышал о транзисторах Лашкарёва и, игнорируя подготовленные в его честь торжества (а Лебедев вообще не любил никакого официоза, справедливо полагая его пустой тратой времени), отправился прямиком в лабораторию при Институте физики АН Украинской ССР. Познакомившись с Лашкарёвым и его разработками, Лебедев предложил сопровождавшему его аспиранту А. Кондалеву начать проектирование ряда устройств ЭВМ на базе новых транзисторов и диодов, что тот и сделал после трехмесячной стажировки у Лашкарёва. (Об этом случае автору рассказал другой аспирант Лебедева – ныне академик НАН Украины Б.Н. Малиновский, также присутствовавший при встрече и впоследствии включившийся в упомянутую работу.) Правда, сведения о каком-либо промышленном развитии этого проекта, по крайней мере в гражданской области, отсутствуют, но это и понятно: массового производства транзисторов в те годы ещё не существовало.

Широкое применение транзисторов во всём мире началось позже. Тем не менее, научные заслуги Лашкарёва были оценены: он возглавил новый Институт полупроводников АН Украины, который был открыт в 1960 г.

В СССР работа по транзисторам велась почти в таком же темпе, что и за рубежом. Параллельно с киевской лабораторией Лашкарёва исследовательская группа московского инженера А. В. Красилова в 1948 г. создала германиевые диоды для радиолокационных станций. В феврале 1949-го Красилов и его помощница Сусанна Мадоян (Сусанна Гукасовна Мадоян – в то время студентка Московского химико-технологического института, выполнявшая дипломную работу по теме «Точечный транзистор» ) впервые наблюдали транзисторный эффект. Правда, первый лабораторный образец работал не более часа, а затем требовал новой настройки. Тогда же Красилов и Мадоян опубликовали первую в Советском Союзе статью о транзисторах, называвшуюся «Кристаллический триод» .

Приблизительно в то же время точечные транзисторы были разработаны и в других лабораториях страны. Так, в 1950 г. экспериментальные образцы германиевых транзисторов были созданы в Физическом институте Академии наук (Б.М. Вулом, А.В. Ржановым, В.С. Вавиловым и др.) и Ленинградском физико-техническом институте (В.М. Тучкевичем, Д.Н. Наследовым).

В 1953 г. был организован первый в СССР институт полупроводников (ныне — НИИ «Пульсар» ). Туда была переведена лаборатория Красилова, в которой Мадоян разработала первые сплавные германиевые транзисторы. Их развитие связано с расширением частотного предела и повышением КПД транзистора. Соответствующие работы проводились совместно с лабораторией профессора С. Г. Калашникова в ЦНИИ-108 (ныне ГосЦНИРТИ): начинался новый период, характеризуемый сотрудничеством различных организаций, специализировавшихся в полупроводниковой области. В конце же 1940-х одинаковые открытия часто делались независимо друг от друга, а их авторы не имели информации о достижениях своих коллег. Причиной такой «научной параллельности» была секретность исследований в области электроники, имевшей оборонное значение. Подобная картина наблюдалась и при создании первых электронных компьютеров будущих потребителей транзисторов.

Впрочем, секретность отнюдь не была некой «советской особенностью» : оборонные разработки засекречиваются во всем мире. Изобретение транзистора тоже было строго засекречено фирмой Bell (где в то время работал Шокли), и первое сообщение о нем появилось в печати только 1 июля 1948 г.: в небольшой заметке газеты The New York Times, где без лишних подробностей сообщалось о создании подразделением Bell Telephone Laboratories твердотельного электронного прибора, заменявшего электронную лампу.

С образованием сети специальных научно-исследовательских организаций развитие транзисторов постоянно ускорялось. В начале 1950-х в НИИ-160 Ф. А. Щиголь и Н. Н. Спиро ежедневно выпускали десятки промышленных экземпляров точечных транзисторов типа С1-С4, а М. М. Самохвалов разрабатывал в НИИ-35 новые решения по групповой технологии, технологии «вплавления – диффузии» для получения тонкой базы ВЧ-транзисторов. В 1953 г. на основе исследований термоэлектрических свойств полупроводников А. Ф. Иоффе создал серию термоэлектрогенераторов, а в НИИ-35 были изготовлены планарные транзисторы П1, П2, П3. Вскоре в лаборатории С. Г. Калашникова был получен германиевый транзистор для частот 1,0 — 1,5 МГц, а Ф. А. Щиголь сконструировал кремниевые сплавные транзисторы типа П501-П503.

В 1957 г. советская промышленность выпустила 2,7 млн. транзисторов. Начавшееся создание и развитие ракетной и космической техники, а затем и вычислительных машин, а так же потребности приборостроения и других отраслей экономики полностью удовлетворялись транзисторами и другими электронными компонентами отечественного производства.

Статья опубликована в журнале PCWeek/RE №41 (599) 2007
Печатается с разрешения автора.
Статья помещена в музей 6.01.2008