До появления транзистора вся электронная техника основывалась на вакуумных лампах и электромеханических реле. Вакуумные лампы, изобретенные в начале двадцатого века, позволяли усиливать и переключать электрические сигналы, но обладали существенными недостатками: они были громоздкими, хрупкими, потребляли большое количество энергии, выделяли много тепла и быстро выходили из строя. Например, в самолете Б-29 вакуумные лампы отвечали за все электрооборудование, включая систему наведения, но отличались низкой надежностью и требовали постоянного обслуживания. Для передачи голоса через Атлантический океан в 1915 году инженерам пришлось соединить пятьсот вакуумных ламп, чтобы создать достаточную мощность передачи.
Еще в 1920-х годах физики пытались создать твердотельный усилитель, который мог бы заменить вакуумные лампы. Австро-венгерский физик Юлиус Эдгар Лилиенфельд в 1925 году подал патентную заявку на «устройство для управления током между двумя клеммами электропроводящего твердого тела с помощью третьего потенциала». Он предложил принцип, близкий к современному полевому транзистору, но технологические ограничения того времени не позволили реализовать эту идею. В Советском Союзе Олег Лосев в 1922 году обнаружил усилительные свойства кристаллических детекторов, но его работы не получили широкого признания в научном сообществе.
Прорыв в лабораториях Белла
16 декабря 1947 года физики Уолтер Браттейн и Джон Бардин из лаборатории Bell Telephone Laboratories провели решающий эксперимент. Они собрали первый работоспособный точечный транзистор. Интересно, что открытие произошло почти случайно: Браттейн ошибся с полярностью подаваемого на кристалл напряжения и неожиданно получил устойчивое усиление сигнала. Устройство состояло из германиевого кристалла с двумя золотыми контактами, расположенными на расстоянии всего пятидесяти микрометров друг от друга.
Первый транзистор совершенно не напоминал современные компактные компоненты. Он представлял собой не герметичную конструкцию, собранную на металлическом основании и залитую парафином для стабилизации работы. Его размеры были сравнимы с ладонью человека, а для функционирования требовалась точная настройка. Тем не менее, устройство демонстрировало коэффициент усиления по мощности до ста раз.
23 декабря 1947 года устройство было официально продемонстрировано руководству лабораторий Белла. Любопытно, что почти одновременно с американскими исследователями немецкие физики Герберт Матаре и Генрих Велькер разработали во Франции аналогичный точечный транзистор, названный «транзистроном». Однако приоритет в изобретении остался за Бардином и Браттейном.
Технологические сложности и ранние усовершенствования
Первый точечный транзистор был крайне нестабильным устройством. Его параметры сильно зависели от температуры, влажности и вибраций. Германий, использовавшийся в качестве полупроводникового материала, был чувствителен к примесям и требовал особой очистки. Процесс изготовления напоминал скорее искусство, чем науку: оператор с помощью микроскопа и тонких манипуляторов устанавливал металлические контакты на кристалл, пытаясь найти «активную точку» для работы устройства.
Уильям Шокли, теоретик исследовательской группы, был недоволен точечным транзистором. Он считал его ненадежным и трудным для воспроизводства. Всего через месяц после демонстрации, в январе 1948 года, Шокли разработал теорию плоскостного транзистора, который должен был быть стабильнее и технологичнее. Однако изготовление такого транзистора оказалось значительно сложнее.
Первый плоскостной транзистор был создан только 12 апреля 1950 года методом выращивания из расплава. В нем использовались три четко определенные области полупроводника — эмиттер, база и коллектор, — что делало его более предсказуемым и надежным. К 1951 году лаборатории Белла начали лицензировать технологию производства транзисторов другим компаниям, что способствовало быстрому распространению инновации.
Почему именно полупроводники?
Фундаментальное понимание физики полупроводников стало ключом к созданию транзистора. Еще в 1939 году исследователи лабораторий Белла обнаружили, что типом проводимости полупроводника можно управлять с помощью легирования — добавления небольшого количества примесей. Например, добавление фосфора (пятивалентного элемента) в кремний (четырехвалентный) создает избыток электронов, образуя полупроводник n-типа. Добавление бора (трехвалентного элемента) создает «дырки» — отсутствие электронов, образуя полупроводник p-типа.
Когда материалы p- и n-типов соединяются, на их границе формируется p-n-переход — область с особыми свойствами. Он пропускает ток только в одном направлении, что легло в основу не только транзисторов, но и полупроводниковых диодов. В биполярном транзисторе два таких перехода образуют структуру p-n-p или n-p-n, позволяя управлять током через базу.
Революционные последствия изобретения
Появление транзистора кардинально изменило ландшафт электроники. Уже в 1954 году компания Texas Instruments выпустила первый коммерческий транзисторный радиоприемник Regency TR-1, который был портативным и потреблял значительно меньше энергии, чем ламповые аналоги. Военные также быстро оценили потенциал нового устройства: транзисторы сделали возможным создание компактных систем связи и управления ракетами.
К 1960-м годам транзисторы начали вытеснять вакуумные лампы из большинства электронных устройств. Они были миниатюрнее, надежнее, потребляли меньше энергии и не требовали времени на прогрев. Это позволило создавать сложные вычислительные машины, которые ранее занимали целые комнаты. Например, IBM 7090 — один из первых полностью транзисторных компьютеров — мог выполнять 229 тысяч операций в секунду, что было немыслимо для ламповых машин.
Первый точечный транзистор оказался тупиковой ветвью развития — ему на смену пришли более совершенные плоскостные транзисторы. В 1954 году Гордон Тил из Texas Instruments разработал первый кремниевый транзистор, который мог работать при более высоких температурах, чем германиевый. Кремний постепенно стал основным материалом для полупроводниковой промышленности благодаря своей стабильности и распространенности в природе.
Важнейшим прорывом стало создание планарной технологии Жаном Эрни в 1959 году. Она позволяла создавать транзисторы и соединения между ними на одной кремниевой подложке, что сделало возможным появление интегральных схем. К 1960-м годам один кристалл кремния мог содержать уже десятки транзисторов, а к концу двадцатого века — миллиарды.
Изобретение транзистора стало одним из ключевых событий двадцатого века, заложив основу информационной эпохи. За это достижение Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн получили Нобелевскую премию по физике в 1956 году.
Интересно, что Бардин позже стал единственным человеком в истории, получившим две Нобелевские премии по физике — вторую в 1972 году за теорию сверхпроводимости. Шокли, несмотря на свои заслуги, оказался в центре скандалов из-за спорных взглядов на евгенику, но основанная им компания Shockley Semiconductor стала кузницей кадров для Кремниевой долины.
Первый транзистор сегодня выглядит примитивным артефактом, но именно он открыл путь к современным микропроцессорам, смартфонам и интернету вещей. Без этого изобретения наш мир был бы совершенно иным — более громоздким, менее связанным и гораздо менее эффективным. Транзистор не только изменил технологический ландшафт, но и стал катализатором социальных и экономических преобразований, определивших облик современной цивилизации.
Поставим лайк за транзистор?