Изобретение транзистора – Как 3 октября 1950 года началась эра компьютеров

3 октября 1950 года трое учёных из Bell Labs получили патент на «трёхэлектродный схемный элемент», который положил начало эпохе транзисторов и эре современных вычислений.

Копия первого работающего транзистора. В конструкции использовались два тонких золотых элемента, спиральная пружина и пластина германия. С тех пор транзисторы прошли долгий путь развития, и толщина некоторых из самых маленьких транзисторов составляет всего один атом.

Это одно из самых важных изобретений XX века — транзистор (миниатюрный полупроводниковый прибор, способный усиливать и переключать электронные сигналы).

Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли подали заявку на патент «трёхэлектродного схемного элемента с использованием полупроводниковых материалов» двумя годами ранее, и потребовалось ещё несколько лет, чтобы вся значимость этой технологии стала очевидной.

Читайте: 32-бит, изменившие всё – Как чип Bellmac-32 определил будущее процессоров смартфонов

От вакуумных ламп к полупроводникам

Транзистор был изначально разработан, потому что компания AT&T хотела улучшить свою телефонную сеть.

Триодные электронные лампы первой половины XX века, показаны в хронологическом порядке слева (1918) направо (1949). Триоды были неотъемлемой частью телефонных сетей до изобретения транзистора, но они потребляли много энергии, перегревались и были ненадёжными, что побудило искать альтернативы.

В то время телефонные компании усиливали и передавали телефонные сигналы с помощью триодов (разновидность электровакуумных ламп). Эти устройства состояли из положительного и отрицательного электродов и проволочной сетки, заключённых в вакуумную колбу, что позволяло электронам течь, не сталкиваясь с молекулами воздуха.

Но триоды потребляли много энергии и часто перегревались, поэтому к 1930-м годам президент Bell Labs Мервин Келли начал искать альтернативы. Его заинтриговал потенциал полупроводников (материалов, электропроводность которых находится между проводниками и изоляторами).

В 1925 году Юлиус Лилиенфельд запатентовал полупроводниковый предшественник транзистора, но в нём использовался сульфид меди, который был ненадёжен, а лежащая в основе физика была плохо изучена.

В конце Второй мировой войны, когда лаборатория переключила своё внимание с военных технологий, Келли набрал команду под руководством Шокли, чтобы найти замену вакуумно-ламповым триодам.

Эта команда провела ряд экспериментов, включая погружение кремния в горячий термос, но с ограниченным успехом. Проблема заключалась в том, что они не получали достаточного усиления сигнала.

Прорыв: от точечного контакта к плоскостному транзистору

Затем, в 1947 году, Браттейн и Бардин переключились с кремния на германий и помогли прояснить физику процессов в полупроводнике.

Крупный план трёх миниатюрных транзисторов М-1 на фоне десятицентовой монеты. Эта фотография была сделана в 1956 году и наглядно демонстрирует, насколько сильно транзисторы развились за шесть лет после того, как Бардин, Браттейн и Шокли получили патент на первый транзистор

Их работа привела к созданию «точечно-контактного» транзистора, в котором маленькая пружина прижимала две тонкие полоски золотой фольги к германиевой пластине.

Примечательно, что для работы этого раннего транзистора требовалась определённая сноровка: Браттейну приходилось подбирать положение контактов «в самый раз», чтобы добиться впечатляющего 100-кратного усиления сигнала.

В 1948 году Шокли усовершенствовал эту конструкцию, создав то, что позже назовут плоскостным транзистором — предмет патента, который и лёг в основу большинства современных транзисторов.

Ключ к технологии заключается в том, что при подаче напряжения на полупроводник электроны перемещаются внутри материала, оставляя после себя положительно заряженные «дырки», как указано в патенте.

Таким образом, можно создавать полупроводники «N-типа» (с избытком отрицательных зарядов-электронов) или «P-типа» (с избытком положительных «дырок»).

В патенте отмечалось, что при контакте металлического электрода с полупроводником ток будет течь в одном направлении при контакте с материалом N-типа и в противоположном — с материалом P-типа.

Плоскостной транзистор использует это свойство с помощью полупроводника с тремя присоёдиненными электродами. Изменяя приложенное напряжение и свойства электродов и полупроводника, можно надёжно усиливать ток.

Это усиление вскоре оказалось бесценным в радиоприёмниках, телевизорах и телефонных сетях.

Наследие транзистора и будущее вычислений

Но не усиление сигнала положило начало эре современных вычислений.

Джон Бардин (слева), Уильям Шокли (в центре) и Уолтер Браттейн (справа) позируют в лаборатории в 1955 году. В 1956 году троица получила Нобелевскую премию за свою работу над транзисторами.

Скорее, плоскостной транзистор стал крошечным, надёжным, маломощным переключателем «вкл/выкл», который почти не нагревался. Вакуумные лампы были переключателями в первых компьютерах, и транзистор оказался просто гораздо лучшим переключателем.

Шокли был плохим начальником (а также евгенистом и расистом). Поэтому исследователи разошлись: Бардин перешёл в Иллинойсский университет, а Шокли помог основать современную полупроводниковую промышленность Кремниевой долины.

В 1956 году трио получило Нобелевскую премию по физике за работу над «транзисторным эффектом».

Несколько лет спустя физико-химик Моррис Таненбаум, недолго работавший под руководством Шокли в Bell Labs, изобрёл первый кремниевый транзистор.

В 1959 году Джек Килби из Texas Instruments подал патент на первую интегральную схему (микрочип, объединяющий множество транзисторов), которая легла в основу современного компьютерного чипа. И к началу 1960-х годов компьютер на вакуумных лампах функционально устарел.

В 1968 году Гордон Мур, основатель Intel, отметил в своём выступлении, что транзисторы миниатюризируются, а чипы становятся вдвое мощнее с предсказуемой скоростью, положив начало эре закона Мура (количество транзисторов на кристалле удваивается примерно каждые 2 года), которая продлилась ещё 4-десятилетия.

Но сегодня, когда закон Мура уже устарел, а искусственный интеллект требует всё более мощных вычислений, учёные делают ставку на квантовые компьютеры, которые могут кодировать множество квантовых состояний в кубите, или «квантовом бите» (наименьшем элементе информации в квантовом компьютере), и которые должны открыть следующую эру вычислений.

Хочу первым узнавать о ТЕХНОЛОГИЯХ – ПОДПИСАТЬСЯ на Telegram

Читать свежие обзоры гаджетов на нашем сайте – TehnObzor.RU