Ровно 75 лет назад американские физики сделали революционное и судьбоносное изобретение - транзистор. Этот электронный компонент и сегодня определяет нашу повседневную жизнь и наши технологии. Без транзистора не было бы ни персональных компьютеров, ни ноутбуков, ни мобильных телефонов, ни Интернета, ни другой электроники с микропроцессорами. Компьютеры с мощностью карманного калькулятора по-прежнему были бы размером с целую комнату. Но почему? Сегодня транзисторы в виде интегральных схем и микросхем есть в каждом электронном компоненте. Именно они генерируют нули и единицы, характерные для всей цифровой техники. В то же время эти маленькие полупроводниковые компоненты работают как усилители и берут на себя бесчисленное множество других основных функций современной электроники - например, в генерации радиосигналов, в громкоговорителях, микрофонах и экранах, или даже в преобразовании переменного напряжения в постоянное.
Предшественник: вакуумная трубка
До появления транзистора для этих задач использовались либо механические переключатели в виде реле, но они могли переходить из одного состояния в другое лишь сравнительно медленно. Либо использовались вакуумные трубки, изобретенные в 1904 году. Они состоят из продолговатого сосуда из стекла, стали или керамики, из которого удален воздух и в котором выступают три электрода. Электрическое поле, создаваемое третьим электродом, определяет, может ли ток протекать между двумя другими электродами.
Это делает вакуумные трубки электрически управляемым переключателем и усилителем. Такие вакуумные трубки использовались, в частности, в ранних радиоприемниках, в неуклюжих ламповых телевизорах, а также в самых первых компьютерах. Но компоненты были громоздкими, подверженными дефектам и не поддавались дальнейшей миниатюризации. Поэтому, особенно в 1930-х и 1940-х годах, ученые интенсивно искали способ заменить трубки на более компактные и надежные компоненты. Полупроводники как переключатели?
В ходе этого процесса все большее внимание уделялось полупроводникам. Такие материалы, включая кремний, германий или такие соединения, как арсенид галлия или сульфид меди, могут иногда проводить электричество, а иногда нет, в зависимости от температуры, энергоснабжения и ориентации. Полупроводники особенно интересны тем, что они также могут работать как переключатели и усилители. Если выборочно добавлять в материал определенные посторонние атомы, легируя его, можно создать слои с избытком отрицательно заряженных электронов или положительно заряженных "дырок".
Если теперь соединить между собой по-разному легированные полупроводниковые слои, то можно электрически управлять током, проходящим через этот кристалл, - тогда он превращается в транзистор. Как и в вакуумной трубке, ток на управляющем электроде регулирует, протекает ли ток между двумя другими и насколько он силен.
Проблема, однако, заключалась в том, что в 1940-х годах люди еще не знали, как должен быть устроен такой транзистор. Кроме того, многие ранние попытки не увенчались успехом, поскольку такие полупроводники, как германий и кремний, еще не могли быть получены с необходимой чистотой и легированием. В первых попытках регулирующее электрическое поле управляющего электрода не проникало достаточно далеко в полупроводник. В результате "шлюзовые ворота" для протекания тока не функционировали должным образом.
Первый транзистор
16 декабря 1947 года два физика из Bell Laboratories в Нью-Джерси наконец-то совершили прорыв: Джон Бардин и Уолтер Браттейн сконструировали первый функционирующий транзистор. Он состоял из металлической пластины в качестве основания, на которой лежал кристалл германия. Большая часть этого полупроводникового кристалла содержала избыток электронов - он был n-допирован. Только тонкий, p-допированный поверхностный слой имел избыток положительных зарядов.
Поверх этого слоя находился важнейший компонент: Браттейн и Бардин изготовили треугольный пластиковый клин, прикрепленный к пружине, которую они покрыли золотой фольгой. На кончике клина они надрезали проводящую золотую фольгу так, что образовались две близко расположенные контактные точки. Теперь их можно было использовать в качестве двух электродов, каждый из которых образовывал электрическую цепь с проводящим металлическим основанием и его электродом.
Когда два физика приложили ток к одной стороне золотого наконечника - эмиттеру - слабый ток потек от этого наконечника к металлическому основанию транзистора. В то же время, однако, ток во второй цепи менялся - и это зависело от того, какой ток они подавали на первый золотой электрод. Как и ожидалось, компонент действовал как управляемый переключатель, а также как усилитель, который усиливал входной сигнал в тысячи раз. От первого транзистора до компьютерной эры
Браттейн и Бардин добились своего: они создали первый функциональный и эффективно работающий транзистор. Наконец-то им удалось создать миниатюрный компонент на основе полупроводников, способный заменить старые громоздкие вакуумные трубки. 30 июня 1948 года два физика впервые представили свое изобретение - остронаправленный транзистор - общественности на пресс-конференции в Ball Labs.
Уже в 1951 году первые остроконечные транзисторы были запущены в массовое производство и встроены в телефонные коммутационные устройства, слуховые аппараты, генераторы и даже первые экспериментальные телевизионные приемники. До 1953 года эти компоненты оставались самыми быстрыми переключающими транзисторами. За это Браттейн и Бардин получили Нобелевскую премию по физике в 1956 году.
Однако с тех пор транзисторы получили значительное развитие. Новые конструкции, такие как биполярный транзистор и полевой транзистор, сделали их более мощными и способствовали их массовому производству, миниатюризации и интеграции в интегральные схемы. Вместо германия современные транзисторы изготавливаются из полупроводникового кремния. Но это развитие, а вместе с ним и вся компьютерная эра, началось с транзистора, который Бардин и Браттейн впервые испытали 75 лет назад.
