Николай Симонов - Несостоявшаяся информационная революция. Условия и тенденции развития в СССР электронной промышленности и средств массовой коммуникации. Часть I. 1940–1960 годы
Изобретателями транзистора считаются сотрудники Bell Labs Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Бреттейн, в 1956 г. удостоенные Нобелевской премии по физике «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта».
Дата рождения транзистора 16 декабря 1947 г. В этот день в одной из лабораторий Bell Labs заработал твердотельный усилитель, который и считают первым в мире точечно-контактным транзистором. Устроен он был очень просто – на металлической подложке-электроде лежала пластинка поликристаллического германия (Ge), в которую упирались два близко расположенных (10-15 мкм) контакта. Авторы изобретения – Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Бреттейн.
Согласно легенде, открытию помог его величество случай: 16 января 1947 г. У. Браттейн, нечаянно, почти вплотную сблизил два игольчатых электрода на поверхности кристалла германия, да еще перепутал полярность напряжений питания, и вдруг заметил на экране осциллографа влияние тока одного электрода на ток другого. На самом деле, еще в 1936 г. руководство AT&T поставило перед своим исследовательским центром Bell Labs конкретную задачу – заменить механические переключающие устройства автоматических телефонных станций (АТС) электронными ключами, не являющимися радиолампами, и выделило для исследования электрофизических свойств германия и кремния необходимые средства. После окончания II мировой войны AT&T возобновила проект, с учетом потребностей радиолокации в замене ненадежных электровакуумных триодов более долговечными и стабильными устройствами для выпрямления тока.
Понимая важность открытия Бреттейна, руководство Bell Labs, усилило отдел Шокли специалистами, и на некоторое время засекретило проект. В июне 1948 г., разобравшись в пока еще смутной теории p-n переходов, и, проведя серию экспериментов, компания продемонстрировала публике первый в мире «безламповый» радиоприемник, объяснив, на каких принципах работают его приемно-усилительные элементы. Незадолго до этого события в Совете директоров Bell Labs состоялось тайное голосование по выбору имени нового электронного прибора. Отбросив слишком длинное «полупроводниковый триод» (semiconductor triode), и непонятное «йотатрон» (iotatron), утвердили «транзистор».
По запоздалым воспоминаниям, «поведение точечного контакта» на поверхности кристаллов германия наблюдали первые разработчики СВЧ-детекторов – приборов для выпрямления тока в аппаратуре радаров. У советских же специалистов, как вспоминают ветераны советского электропрома, до середины 1948 г. для изучения транзисторного эффекта вообще не было ни грамма германия (элемент этот достаточно редкий, дорогой, предметов ширпотреба из него не делают).[5]
В 1950-е годы в СССР самым лучшим специалистом в области полупроводниковой электроники считался академик Абрам Федорович Иоффе (1880–1960), обыкновенно именуемый «отцом советской физики». Но в период самых выдающихся открытий ученых-экспериментаторов из Bell Labs (1948–1951 гг.) Иоффе был вынужден помогать Курчатову, а в 1952 г. попал под очередную волну сталинских репрессий («борьба с космополитизмом», «дело врачей»). Его отстранили от руководства Ленинградским физико-техническим институтом (ЛФТИ), закрыли или урезали финансирование ряда перспективных проектов, которые он инициировал.
Считается, что первые НИР по транзисторам («точечно-контактным триодам») в Советском Союзе в 1949 г. поставили:
• ФИ АН СССР (Б. М. Вул, А. В. Ржанов);
• ЦНИИ-108 (С. Г. Калашников, Н. А. Пенин, директор А. И. Берг);
• НИИ-160 (А. В. Красилов и С. Г. Мадоян).[6]
Bell Labs, – и это очень примечательно, – решилась на необычный маркетинговый ход. В сентябре 1951 г. ее руководство объявило, что полностью передаст права на изготовление биполярных транзисторов всем компаниям, готовым выложить довольно скромную сумму в 25 тыс. долларов вместо регулярных выплат за пользование патентом, и предложила обучающие курсы. Лицензию приобрели 26 компаний. Среди них были не только крупные фирмы (Motorola, IBM, General Electric), но и малоизвестные, например, Texas Instruments. Более ста представителей от каждого покупателя лицензии в апреле 1952 г. были приглашены на симпозиум по транзисторным технологиям. Восемь дней специалисты Bell Labs работали с посетителями с утра до вечера. Все материалы симпозиума на следующий год были опубликованы в книге «Транзисторная технология», которая впоследствии получила ласковое прозвище – Mother Bell’s Cookbook («Поваренная книга матушки Белла»).[7]
В 1954 г. Bell Labs по заказу американских военно-воздушных сил выпустила первую в мире полностью полупроводниковую ЭВМ под названием TRADIC (Ttransistorized Airborne Digital Computer). Данная машина (производительность 1 млн. логических операций в секунду) устанавливалась на борту стратегических бомбардировщиков для расчета оптимальных параметров навигации и бомбометания. В ее конструкции было использовано 700 транзисторов и 10 000 диодов, изготовленных из германия (Ge).
Первый специализированный институт полупроводниковых приборов в Советском Союзе был создан в июне 1953 г. по инициативе А. И. Берга, М. Г. Первухина, отчасти – А. Ф. Иоффе и Б. М. Вула. Серийное производство полупроводниковых приборов (точечные и плоскостные диоды), началось в 1955 г. на ленинградском заводе «Светлана».[8]
Первоначально технология изготовления полупроводниковых приборов была полукустарной. Выращенные кристаллы германия резали на маленькие пластинки, которые служили базой. Эмиттер и коллектор создавали, накладывали маленькие кусочки индия на пластинки германия, и быстро нагревали их до 600 градусов Цельсия. При этой температуре индий сплавлялся с находящимся под ним германием. При остывании насыщенные индием области приобретали проводимость p-типа. На завершающей операции кристалл помещали в корпус и присоединяли выводы.
Для массового производства такая технология не годилась, и скоро были придуманы средства комплексной механизации. Тонкие круглые германиевые пластинки диаметром до 2,5 мм, протравленные кислотой, загружались специальным виброустройством в многогнездный держатель. Индиевые шарики засыпались в так называемый «распределитель», который раскладывал их по одному шарику на каждую пластинку, и затем все устройство перемещалось через водородную печь. Водород требовался для очистки поверхности германия от окисла, чтобы индий хорошо ее «смачивал». Длительность обработки в печи и температуру подбирали так, чтобы толщина базы составляла примерно 0,025 мм. Далее поверхность германия стабилизировали легким протравливанием в щелочном растворе. Затем транзисторы высушивали в нагретом воздухе с контролируемой влажностью и герметизировали, помещая в каждый корпус по крупинке пористого стекла.
В апреле 1954 г. Гордон Тил (Gordon Teal), инженер американской компании Texas Instruments, разработал первый в мире образец кремниевого сплавного транзистора. Промышленное производство новых изделий началось менее чем через месяц. Рабочая температура транзисторов поднялась до 125–150 градусов Цельсия, и кроме того кремниевые приборы оказались значительно стабильнее и надежнее германиевых.
Сплавная технология имела ряд принципиальных недостатков, обусловленных трудностями управления процессом внедрения примесей. В 1955 г. в Bell Labs был создан диффузионный германиевый транзистор. Метод диффузии состоит в том, что пластинки полупроводника помещают в атмосферу газа, содержащего пары примеси (сурьмы), которая должна образовать эмиттер и коллектор, и нагревают до температуры, близкой к точке плавления. Атомы примесей при этом постепенно проникают в полупроводник. В результате применения данной технологии появилась практическая возможность создавать транзисторы с толщиной базы 0,2–0,3 мкм.
В 1957 г. General Electric Company выпустила первые промышленные образцы тиристоров – четырехслойных полупроводниковых диодов, которые заменили дорогостоящие и крупногабаритные ртутные выпрямители переменного тока. Достаточно сказать, что ртутный выпрямитель на 1000 ампер имел массу 300 кг, а тиристор на тот же ток вместе с охладителем – всего 5 кг. В дальнейшем тиристоры нашли применение в блоках питания, генераторах, инверторах и зарядных устройствах. В СССР тиристоры начали выпускаться с 1961 года.[9]
В 1958 г. во многих странах проводились работы по созданию диффузионных транзисторов с мезаструктурой (от исп. mesa – плато), при которой диффузия происходит равномерно по всей поверхности полупроводника. Важной особенностью данной технологии явилась возможность изготовления сотен транзисторов на одной пластине.
В 1959 г. Джин Хорни (Jean Hoerni), инженер американской компании Fairchild Semicondactor, запатентовал технологию производства кремниевых биполярных транзисторов, при которой диффузия локализуется, а для остальной части поверхности пластины создается маска из диоксида кремния. Ее (технологии) уникальность состояла в возможности создавать на поверхности кремниевой пластины методом фотолитографии топологические рисунки (шаблоны) различных областей с различным типом или величиной проводимости, а затем внедрять в заготовку различные примеси и выращивать изолирующие слои. В истории электроники эта технология также известна под названием планарной (англ. planar – плоскость).
