Кремний. Наша планета состоит из него примерно на 29% по массе, что делает его вторым по распространенности элементом земной коры после кислорода. Мы встречаем его повсеместно в нашей жизни — песок на берегу, стекло в посуде и окнах — и каждый день носим его в карманах. Полупроводниковые приборы — цифровые и аналоговые интегральные микросхемы, отдельные транзисторы и диоды — основа нашего современного быта. Интернет, мощнейшие ЭВМ, музыкальные системы, дроны для красивых пейзажных пролетов у всяких блохеров-путешественников и наводки артиллерии, космические станции — все это было бы совершенно иное, если бы вообще существовало без полупроводниковой технологии. И эта самая технология движется семимильными шагами (или не семимильными, или не движется) по всему миру — огромные корпорации и даже целые государства держатся исключительно на этой молодой отрасли народного хозяйства. Почему молодой? Потому что первый в мире транзистор в декабре этого года отмечает свой 75 день рождения. У меня бабушка старше.
От зарождения в одном из подразделений Bell Labs первого транзистора до первой серийной партии биполярных транзисторов прошло чуть меньше 10 лет. И эта разработка не появилась из ниоткуда: ей предшествовала долгая и кропотливая теоретическая и практическая работа кучи народа, полная драмы и споров. И после того, как «восьмерка» кинула Шокли на бабло, накал драмы в индустрии только возрос, и растет по сей день.
А что творилось по эту сторону «Железного занавеса»… Как вы смотрите на алмазы в качестве радиаторов силовых диодов? Почему Великий Нефритовый Стержень Товарищ Xi Лидер Сильный Китай и Плешивый Бидон слабый глупый бургер США сцепились за Тайвань? В чем разница диода Шоттки и диода Шокли? И почему Intel и AMD — братья на век? Как генсеки КПСС строили и ломали полупроводниковую индустрию СССР? Почему первый транзистор был из германия, а микрочипы мы делаем из кремния? Когда уже видеокарты будут стоить внятных деняк? Почему и как Голандия может сделать «соски в тиски» всему миру? И казалось бы, причем тут ядерная бомба?
Вообще, человечество знало кремний еще до появления цивилизации как концепции. Огнива, скребки, палки с острыми кусками кремния. Потом появилась цивилизация, имущественное расслоение, вот эта вся тема. Имеющим бабло и власть захотелось себя отделить от плебса, который пашет на полях задницей кверху, и придумала элитка для этого цеплять на себя всякие красивые побрякушки, в том числе кристаллы кварца (SiO2) — аметисты, горный хрусталь, и прочие его разновидности. Потом еще до стекла доперли — тот же SiO2, только не кристаллический, а аморфный. Дальше были ружья с кремниевыми замками, ну а потом пришел ЕГО ВЕЛИЧЕСТВО научный метод. И почалось.
Так как кремния реально много, экспериментировали с ним много, часто и со вкусом. Сначала плодами работы учёных всякие кварцевые линзы для подзорных труб, микроскопов и т.д. А потом придумали атомную теорию вещества и кристаллографию. На их стыке появилась кристаллофизика и кристаллохимия, потом на основе кристаллофизики появилась физика твердого тела. Потому что твердые тела бывают не только кристаллическими, а изучать все это надо. Зачем? Очевидно — по приколу.
А еще параллельно развивалась металлургия и прочее материаловедение. Придумали там концепцию легирования — то бишь добавления примеси одного материала в другой для того, чтобы подтянуть те или иные его свойства.
А еще люди поняли что гроза это не гнев Божий, а плазменный разряд, вызванный разницей электрического потенциала между атмосферой и поверхностью Земли. И начали придумывать всякие законы Ома, силы Ампера и правила Кирхгофа. Первыми "промышленными" электрическими приборами стали различные лампы, конденсаторы, проводники, аккумуляторы, электродвигатели и т. д.
И вот тут бы человечеству остановиться и порадоваться за то, что они уже имеют — станки крутятся, лавеха мутится! Прибавочный продукт есть, плодитесь и размножайтесь, хуле вам еще надо?
А нет, рыночек решает. Всякие Уважаемые Господа (далее по тексту — УГ) вроде Эдисона, Бэлла, Сименса и иные подобные начинают бешено башлять бабло на оптимизацию производственных процессов. Много так, и со вкусом. И, во-первых, появляется примерно миллиард вариантов электровакуумных ламп (ага, и первые телевизоры тоже), а во-вторых, различные вумники начинают говорить про твердотельную электронику.
В 1906 году Гринлиф Пикард патентует кремниевый кристаллический детектор — очень полезная для радио штука. Если приделать к нему антенну, получится радио. Можно еще всякой обвязки накрутить, и атмосфера станет вообще по кайфу.
Потом товарищ Лосев (про него мы еще поговорим) в 1922 году на основе кремниевого детектора изобретает кристадин, который стал первым твердотельным триодом, то бишь усилителем, так как при правильном использовании мог генерировать или усиливать сигнал. Однако кристадины Лосева были значительно менее технологичней электровакуумных триодов, так как требовали для своего производства цинкита — кристаллического оксида цинка, достаточно редкого материала.
В то же время (22-27 годы ХХ века) некий Гейгер придумал в кооперации с Грёндалем купрокс и селеновый выпрямитель — первые полупроводниковые диоды. И в этот момент все всё поняли. Если есть твердотельный аналог диодной лампы, то надо думать над твердотельным аналогом вакуумного триода. Зачем? А на Западе про кристадины не очень то знали. Эти русские там только лапти сняли и войну гражданскую закончили, какие им полупроводники?
И начали думать физики, химики, инженеры и различного рода околонаучные клоуны в двух направлениях:
1) Нужен технологичный твердотельный диод. Купроксы и селеновые выпрямители это конечно круто, но все-таки слишком сложно для масспродакшена. Диоды пользуют в электронике, чтобы в одну сторону ток (это может быть как сигнал, так и ток питания) шел, а в обратную сторону не шел. Но он все равно идет куда не надо, но не очень много, так что жить в общем можно.
2) Нужен твердотельный триод. Триод вообще штука полезная. Сигналы усиливать в радиоприемниках например. Или коммутировать что нибудь, для этого использовались электромеханические реле, штука большая и не очень эффективная.
Почему бы просто не продолжить пользоваться лампами? Ответ можно разделить на несколько частей:
1) Лампы электроВАКУУМНЫЕ. То есть по ходу производства в них нужно создать ВАКУУМ. В 20 годы ХХ века — дело не самое простое. Да и сегодня этот процесс не очень любят, хотя это стало сильно проще.
2) В электроВАКУУМНЫХ лампах этот самый ВАКУУМ надо поддерживать. А когда у вас ВАКУУМ в СТЕКЛЯННОЙ колбе, это сложно, иногда очень сложно, особенно в окопах Первой и Второй Великих Мясорубкок. Да и просто Земля идиотами полнится. А если лампа треснет и в нее попадет воздух, то электроды ламп окислятся. Ну и как бы на этом все, лампа больше не пашет.
3) Лампы большие. Иногда очень.
4) Лампы не очень эффективные в плане энергоэффективности. Ага, даже современные энергосберегающие лампы на самом деле не лампы, а набор твердотельных светодиодов. Отака хуйня, малята. (Вообще-то здесь есть исключения, но они лишь подтверждают правило)
А о первом и втором человеке и полупроводниковом приборе, твердотельных диодах и электромеханических реле, и причем тут еще не появившаяся на свет Кремниевая долина, мы поговорим в следующей серии.