История перехода от вакуумных ламп к твердотельной электронике началась с конкретного материала. Лабораторный образец первого работоспособного транзистора, представленный в 1947 году исследователями Bell Telephone Laboratories, был изготовлен на основе германия. Этот выбор определил направление развития микроэлектроники на полтора десятилетия и был обусловлен комплексом научно-технических, производственных и исторических факторов.
Мысль о создании компактного твердотельного прибора, способного заменить энергоемкие и хрупкие электровакуумные лампы, обсуждалась в научной среде задолго до успеха группы Шокли. В первой половине XX века были известны эксперименты, демонстрировавшие принципиальную возможность усиления сигнала с помощью полупроводников. Советский ученый Олег Лосев еще в 1922 году, исследуя кристаллические детекторы, обнаружил эффект генерации высокочастотных колебаний, позднее названный кристадинным. Эти работы носили скорее характер наблюдаемых физических явлений и не переросли в создание практического прибора по причине неразвитости теории твердого тела и отсутствия технологий получения чистых материалов.
Значительным катализатором исследований в области полупроводников стала Вторая мировая война, создавшая острую потребность в новых средствах радиолокации и связи. Существовавшие вакуумные лампы плохо подходили для детектирования сверхвысокочастотных сигналов в радиолокационных станциях. Эту задачу успешно решали простые полупроводниковые диоды на основе селена и кремния.
Именно в рамках этих военных проектов были отработаны ключевые технологические процессы. Специалисты Bell Labs, такие как Рассел Ол, совершили значительный прорыв в методах очистки кремния. Параллельно в Университете Пердю под руководством ученых активно работали над выращиванием монокристаллов германия с заданными свойствами. Таким образом, к окончанию войны научное сообщество накопило важный практический опыт работы с полупроводниками, в основном в контексте диодных структур, что стало необходимым фундаментом для следующего шага.
Когда после войны научная группа Уильяма Шокли в Bell Labs приступила к целенаправленному поиску способа создания полупроводникового усилителя, их внимание сосредоточилось на германии. Этот выбор был продиктован рядом практических соображений, делавших германий более доступным для исследований по сравнению с кремнием.
Наиболее важным фактором являлась существенно более низкая температура плавления. Для перевода германия в расплавленное состояние требуется примерно 938 градусов Цельсия, тогда как кремний плавится при температуре около 1415 градусов. Разница почти в 500 градусов имела решающее значение для технологий середины 1940-х годов. Процесс глубокой очистки полупроводника часто включает в себя плавление исходного вещества. При экстремально высоких температурах, требуемых для кремния, материалы тиглей и инструментов начинали активно загрязнять расплав, что делало достижение высокой чистоты практически невозможным. Работа с германием позволяла минимизировать эту проблему.
Во-вторых, к моменту начала экспериментов методы очистки и выращивания монокристаллов германия были лучше изучены и отработаны. Опыт, полученный в университетских и отраслевых лабораториях во время войны, дал ученым понимание того, как управлять электропроводностью германия путем введения контролируемых примесей. Кроме того, физика электронных процессов в германии к тому времени была теоретически проработана несколько глубже, чем для кремния, что облегчало интерпретацию экспериментов.
Первоначальный замысел Уильяма Шокли был сосредоточен на конструкции полевого транзистора, но эксперименты показали, что поверхностные эффекты в полупроводнике блокируют управляющее электрическое поле. В процессе изучения этой проблемы Джон Бардин и Уолтер Браттейн нашли альтернативный путь.
23 декабря 1947 года был продемонстрирован работающий точечно-контактный транзистор. Его конструкция была удивительно проста: пластинка германия n-типа проводимости, к поверхности которой вплотную друг к другу (на расстоянии около 50 микрометров) прижимались два острых золотых контакта. Вся конструкция фиксировалась на пластиковой подложке. Один контакт получил название эмиттер, другой — коллектор. При подаче слабого тока на эмиттер в приповерхностном слое германия возникал избыток положительных зарядов, что резко меняло сопротивление на пути тока от коллектора и позволяло получить усиление сигнала. Этот день считается днем рождения транзистора.
Созданный прибор обладал серьезными недостатками: он был крайне нестабильным, его параметры сильно зависели от точного положения и давления контактов, а максимальная рабочая температура не превышала 70 градусов Цельсия из-за собственной проводимости германия. Но важнейший принцип был доказан: усиление электрического сигнала возможно с помощью твердотельного устройства без вакуума и накаливания.
Точечная технология быстро показала свою непрактичность для массового производства. Настоящее начало полупроводниковой эры связано с изобретением Уильямом Шокли в 1948 году плоскостного (биполярного) транзистора. Его теория предполагала использование не точечных контактов, а объемной трехслойной структуры, например, типа n-p-n, где средний слой (база) управляет током между двумя другими.
Первые такие транзисторы, изготовленные в 1950 году по методу сплавления индия в пластину германия, также были германиевыми. Они отличались значительно более предсказуемыми характеристиками, повышенной надежностью и способностью работать на более высоких мощностях по сравнению с точечными предшественниками. Именно германиевые плоскостные транзисторы стали сердцем первых коммерчески успешных изделий: транзисторных радиоприемников, компактных слуховых аппаратов и модулей для вычислительной техники.
Научные работы в области полупроводников в СССР велись параллельно с зарубежными исследованиями, хотя часто в условиях информационной закрытости. Школа физики полупроводников, основанная академиком Абрамом Иоффе в Ленинградском физико-техническом институте, имела солидный теоретический и экспериментальный задел. Важным открытием стал результат работы Владимира Лашкарева в Киеве, который в 1939 году исследовал свойства p-n-перехода и явление инжекции неосновных носителей тока — эффекты, лежащие в основе работы плоскостного транзистора.
Первый советский макет точечного транзистора на германии был собран в феврале 1949 года в НИИ-160 (г. Фрязино) Сусанной Мадоян под началом А. В. Красилова. Этот прибор, как и его американский аналог, был нестабильным. Существенным толчком для советской промышленности стала публикация в 1952 году в США специального сборника трудов, полностью посвященного транзисторной тематике. Полученная информация ускорила организацию работ.
В 1953 году в Москве был создан профильный НИИ-35 (ныне НПП «Пульсар»). Уже к концу того же года С. Г. Мадоян удалось создать первый отечественный образец плоскостного транзистора. Серийный выпуск начался с точечных транзисторов серии С1–С4, а к 1955 году промышленность освоила производство германиевых плоскостных транзисторов П1 и П2, выполненных по сплавной технологии. Интересно, что внедрение новых приборов встречало сопротивление. Существует историческая запись, где на совещании ведущих конструкторов в 1956 году был озвучен скептический вывод: «Транзистор никогда не войдет в серьезную аппаратуру. Перспективой применения транзисторов могут быть разве что слуховые аппараты». Но прогресс был очевиден: к 1957 году советские заводы выпустили 2.7 миллиона транзисторов, а германиевые приборы семейства П401 использовались в радиопередатчике первого искусственного спутника Земли.
Доминирование германия в электронике продолжалось недолго. Уже в начале 1950-х годов стали очевидны его фундаментальные физические ограничения, которые в перспективе перевешивали первоначальные технологические преимущества.
Основной проблемой являлась малая ширина запрещенной зоны. Эта энергетическая характеристика, определяющая минимальную энергию для перехода электрона в зону проводимости, у германия составляет лишь около 0.67 электрон-вольт. У кремния этот параметр равен 1.12 эВ. Вследствие этого у германиевых приборов наблюдались высокие обратные токи утечки, а их работа критически зависела от температуры окружающей среды. Уже при нагреве до 70–85 градусов Цельсия они могли полностью терять свои усилительные свойства, что делало их неприемлемыми для применения в условиях повышенного тепловыделения или в военной аппаратуре.
В 1954 году инженер Гордон Тил из компании Texas Instruments представил миру первый коммерческий кремниевый транзистор. Его ключевым преимуществом была способность стабильно работать при температурах до 150 градусов Цельсия и выше, что сразу привлекло внимание военных заказчиков. Кремний также оказался более технологичным материалом для массового производства, особенно после разработки планарной технологии и метода пассивации поверхности диоксидом кремния в конце 1950-х годов. Эти изобретения сделали возможным не только выпуск надежных дискретных транзисторов, но и создание интегральных схем.
К началу 1960-х годов кремний практически полностью занял место германия в качестве основного материала для производства электронных компонентов. Германиевые приборы сохранились лишь в некоторых специальных применениях, например, в датчиках инфракрасного излучения или в высокочастотной технике, где их высокая подвижность носителей заряда давала преимущество.
Таким образом, германий сыграл роль практического проводника в полупроводниковую революцию. Он был выбран не потому, что являлся идеальным материалом, а потому, что на конкретном историческом и технологическом этапе он представлялся наиболее удобным для исследований и создания первых рабочих прототипов. Германий позволил воплотить теоретические идеи в реальные устройства и открыть путь в новую эпоху. Его последующее замещение кремнием наглядно демонстрирует закономерность технологического прогресса, когда пионерское решение уступает место более совершенному, надежному и экономически эффективному.
Без изобретения транзистора мир остался бы в эпохе громоздких и малоэффективных электронных ламп. Вычислительные машины сохранили бы гигантские размеры, потребляя огромное количество энергии и будучи доступными лишь для крупных организаций. Не произошло бы миниатюризации устройств, а значит, не появилось бы ни персональных компьютеров, ни смартфонов, ни современной портативной электроники. Развитие цифровых технологий, интернета и глобальной коммуникации застопорилось бы или пошло по совершенно иному, гораздо более медленному пути. Вместо этого основные технологические усилия, вероятно, были бы сосредоточены на совершенствовании электромеханических и вакуумных систем.
Читайте также:
Поставим лайк всем транзисторам?