Как Жорес Алферов изобрел транзистор

В 1925 году немецкий физик Юлиус Лилиенфельд подал первую патентную заявку на твердотельный усилитель, состоящий из слоёв металла и полупроводника. В 1935 году другой немецкий физик, Оскар Хайл, запатентовал в Великобритании принцип действия полевого транзистора. В 1938 году сотрудники Гёттингенского университета Роберт Поль и Рудольф Хилш создали твердотельный «триод», способный усиливать медленно меняющийся входной сигнал. Наш любимый Лосев в 1939 году упоминал о работе над полупроводниковой «трёхэлектродной системой, аналогичной триоду», но эти неопубликованные работы были утрачены (или никогда не существовали). В реальности Лосев смог разработать только «кристадин» — то есть усилитель и генератор на кристаллическом диоде, использующий нелинейность его вольт-амперной характеристики (впоследствии удалось создать стабильный элемент с такими свойствами, называющийся «туннельный диод» — но это уже было после транзистора).

Впрочем, на самом деле еще в 1910 году Уильям Икклз обнаружил, что кристаллические детекторы в определённых условиях демонстрируют отрицательное дифференциальное сопротивление, и потому могут быть использованы для генерации колебаний и усиления сигналов. Но Лосев этого не знал, и повторил открытие Икклза самостоятельно.

В 1936 году директор по исследованиям Bell Labs Мервин Келли поручил Уильяму Шокли изучить возможность создания твердотельных переключателей, способных в перспективе заменить электромеханические реле телефонных станций. Шокли пришёл к выводу о невозможности внедрения управляющего электрода в массив полупроводника. Взамен 29 декабря 1939 года Шокли сформулировал принцип работы полевого транзистора: током в канале между двумя электродами должно управлять внешнее поле, создаваемое третьим (управляющим) электродом, размещённым вне канала. Шокли предложил строить полупроводниковый триод на изученной Давыдовым закиси меди, но первые опыты закончились неудачно, а затем персонал Bell Labs был мобилизован на решение военно-прикладных задач (в частности, на создание ВЧ-детекторов для радаров).

Справедливости ради следует заметить, что независимо от американских физиков, в 1941 году советский ученый В. Е. Лашкарёв представил теорию «запирающего слоя» и инжекции носителей заряда на границе раздела меди и закиси меди. Лашкарёв предположил, что два типа проводимости, обнаруженные термозондом в медно-закисном элементе, разделены гипотетическим переходным слоем, препятствующим электрическому току. Работы Лашкарёва и Косогоновой («Исследование запирающих слоёв методом термозонда» и «Влияние примесей на вентильный фотоэффект в закиси меди») были опубликованы в 1941 году. Практического выхлопа это не получило. В Педивикии написано, что, находясь в Сибири во время войны, Лашкарев разработал медекислые диоды, которые применялись в армейских радиостанциях, и добился их промышленного выпуска на заводе в Уфе. Этот факт смешно оспаривать, но на самом деле медно-закисные выпрямители впервые были созданы в США в 1927 году. Немного позже они стали выпускаться в Англии фирмой «Вестингауз», и получили название «вестектор» (акроним от «Вестингауз» и «детектор»). Там их конструкцию и попятили працувитые советские инженеры. Собственно, советский журнал «Радиофронт» в 1934 г. уже подробно описал «вестектор» и его применение в радиоприемниках, а также проговорился о том, что «вестекторы» успешно попячены в СССР и делаются в ЦРЛ в Ленинграде. А в 1936 г. этот же журнал уже описывал советский «вестектор», промышленно производящийся в Харькове, и приемники на его основе.

Но есть нюанс. Американцы и англичане производили выпрямители на закиси меди в промышленных масштабах, но не понимали, отчего вот эта хреновина выпрямляет ток:

Лашкарёв и Косогонова первыми поняли, что выпрямление происходит ВНУТРИ слоя закиси меди на некоем внутреннем граничном слое, и что на этот слой влияют примеси, внедряемые в закись меди с двух сторон. Они почти открыли p-n переход. Но увы — чуть-чуть не хватило.

И вот тут клятие пиндоси всех опередили, потому что начали плавить в гелиевой атмосфере поликристаллический кремний высокой очистки. Точечные детекторы, изготовленные из поликристаллического кремния, очищенного до 99,8 %, были достаточно стабильными. Однако оказалось, что часть из них проводила ток в одном направлении (из контакта в кристалл), часть — в другом (из кристалла в контакт), при этом полярность конкретного экземпляра можно было определить только опытным путём.

В октябре 1939 года среди заготовок для детекторов нашёлся странный образец, электрические параметры которого вели себя настолько беспорядочно, что дальнейшие измерения казались бессмысленными. Его отложили в сторону, и только в 1940 году наконец занялись его исследованием. Оказалось, что образец реагировал на свет! Браттейн догадался, что фотоэффект возникает на некоем невидимом барьере между двумя слоями кремния и что этот же барьер должен выпрямлять переменный ток. Так и оказалось. Вскоре Скафф и Ол буквально увидели этот барьер: травление азотной кислотой вскрыло видимую глазу границу между двумя слоями кремния. Скафф и Ол дали этим слоям новые названия: «кремний p-типа» (от англ. positive, положительный) и «кремний n-типа» (negative, отрицательный), в зависимости от направления тока в изготавливаемых из этих слоёв детекторах.

Барьерная зона получила название p-n-переход. И Келли немедленно засекретил ее существование. Bell Labs охотно делилась образцами кремния с американскими и британскими коллегами, но это был кремний исключительно p-типа, чтобы те ничего не поняли. Ол лично отвечал за то, чтобы кремний n-типа и pn-переходы не покидали стен компании.

Шокли высвободился из атомного проекта и узнал об открытии Ола только 24 марта 1945 года. И тут всё заверте… Шокли довольно быстро сократил число претендентов на «полупроводник» до двух материалов — кремния и германия.

Всякое дерьмище вроде закиси меди или селена было отброшено — и это дало эффект.

15 или 16 декабря 1947 года Браттейн сконструировал контактный узел из пластмассовой треугольной призмы с наклеенной на неё полоской золотой фольги. Аккуратно разрезав фольгу бритвой, Браттейн получил зазор между коллектором и эмиттером шириной около 50 микрон. 16 декабря Браттейн прижал контактный узел зазором к поверхности германиевой пластины, создав первый работоспособный точечный транзистор. 23 декабря 1947 года Браттейн продемонстрировал коллегам транзисторный усилитель звуковых частот с пятнадцатикратным усилением по напряжению. На частоте 10 МГц усиление составило 20 дБ при выходной мощности 25 мВт. Это была победа.

Руководство Bell Labs, понимая важность события, усилило отдел Шокли специалистами и на время засекретило весь проект. Публика узнала об изобретении транзистора 30 июня 1948 года на открытой презентации транзистора в Нью-Йорке, приуроченной к выходу статей в Physical Review. За месяц до этого события в Bell Labs состоялось тайное голосование по выбору имени нового прибора. Отбросив слишком длинное «полупроводниковый триод» (semiconductor triode), фактически неверное «триод на поверхностных состояниях» (surface states triode) и непонятное «йотатрон» (iotatron), Bell Labs утвердила «транзистор» (transistor) — от англ. transconductance (проводимость) или transfer (передача) и varistor (варистор, управляемое сопротивление).

Так появился транзистор.

Так что теперь мы знаем, что William Bradford Shockley переводится на знакокачественный русский как Жарэс Iванавiч Алфёраў.

PS. Правда, и тут дорогу перебежали проклятые фошизды. В 1938 году сотрудники Гёттингенского университета Роберт Поль и Рудольф Хилш создали вполне рабочий твердотельный «триод», способный усиливать медленно меняющийся входной сигнал. Он работал — но, к счастью, университетские ученые не захотели доводить технологию до промышленного применения.

Потом была война, и в 1944 году немецкий физик Герберт Матаре, работавший за стенами Любежского монастыря над снижением шумов СВЧ-детекторов для радаров, изобрёл «дуодиод» — полупроводниковый выпрямитель с двумя точечными контактами на одном кристалле. При подаче на эти контакты одинакового напряжения смещения и противофазных напряжений гетеродина «дуодиод» эффективно подавлял высокочастотные шумы гетеродина. Опыты на поликристаллическом германии Генриха Велкера и кремнии Карла Зайлера показали, что эффективное шумоподавление было возможно тогда, когда оба контакта замыкались на один и тот же кристаллик полупроводника. Если расстояние между контактами не превышало 100 микрон, изменение напряжения на одном из контактов приводило к изменению тока через второй контакт!

Таким образом, фошизды открыли транзистор и получили рабочие прототипы уже в 1944 году — и только разгром Германии позволил притормозить их технологию. Причем технология попала в руки как американцев с англичанами, так и русских — но тупые пиндосы ничего не поняли, а вот працувитые русские передиральщики быстро сообразили, что к чему — и после длительных мучений выродили по немецкой технологии так называемый «точечный транзистор» на германии, притыренном в Германии. Но это было уже сильно после успехов Белл Лабс. В 1949 году Элмар Франк и Ян Тауц выпустили в Чехии партию работоспособных транзисторов из трофейного немецкого германия, используя собственный (более совершенный, чем у американцев) метод формирования контактов. В Советском Союзе А. В. Красилов и С. Г. Мадоян создали первый точечный транзистор в 1949 году, а первые промышленные образцы пошли в серию (ТС1 — ТС7) в 1953 г. Ну как в серию — в месяц делали несколько десятков транзисторов, абсолютно вручную. Брак зашкаливал, повторяемости параметров не было никакой — каждый транзистор снабжался уникальным паспортом с уникальным набором параметров. Производство плоскостных транзисторов (П1) в СССР запустили в 1955 году.

Полезность немецкой разработки заметили и французы, прибрав к себе немецких специалистов. В июне 1948 года, до обнародования изобретения Бардина и Браттейна, усовершенствованный «дуодиод», а фактически — точечный транзистор Матаре продемонстрировал стабильное усиление. Министр связи Франции Эжен Тома дал новому прибору имя «транзистрон» (фр. transistron). В мае 1949 года Матаре и Велкер объявили о начале мелкосерийного выпуска транзистронов для дальней телефонной связи, а в 1950 году уже продемонстрировали Шокли и Браттейну работу транзисторных усилителей на телефонной линии Франция-Алжир.

Впрочем, было уже поздно. Массовое производство германиевых транзисторов на выращенных переходах — первых полноценных биполярных транзисторов «по Шокли» — началось в 1951 году на Western Electric. Самой сложной операцией была контактная сварка 50-микронной золотой проволоки с 25-микронным слоем базы — для этого использовались прецизионные микроманипуляторы и специальный сплав золота с галлием. Примесь галлия, внедрявшаяся в кремний при сварке, расширяла приповерхностный p-слой базы, препятствуя короткому замыканию коллектора и эмиттера. Это был качественный скачок — параметры получаемых транзисторов были настолько стабильными, что их можно было указывать в справочниках, и использовать их в схемах без последующей индивидуальной подстройки режимов.

Где-то тут, в этой технологии, наверняка тоже спрятался Жорес Алферов. Вначале из расплава он вытягивал низкоомную коллекторную область n-типа. Затем в расплав вбрасывал таблетку акцепторной примеси, растворявшуюся в тонком поверхностном слое расплава, — так формировался слой базы толщиной от 25 до 100 микрон. Сразу после создания базы Жорес вбрасывал в расплав таблетку донорной примеси для легирования эмиттера. Полученную трёхслойную NPN-структуру он вырезал из кристалла, распиливал на продольные столбики и протравливал в кислоте для устранения поверхностных дефектов. Да, наверняка всё так и было, а злодей Морган Спаркс украл технологию и приписал ее себе за 5 лет до того, как ее украли обратно в СССР и внедрили.

Да-да, так всё и было. Ведь Жорес Алферов изобрел транзистор, он сам об этом говорил. Он, правда, в это время еще учился в институте — но то такое.