Изобретяването на транзистора

Преди 69 години, на 16 декември 1947 г., трима американски физици – Уилям Шокли, Джон Бардийн и Уолтър Браттейн – демонстрирали на своите колеги ново полупроводниково устройство. Изобретението било по-евтино, по-малко и вероятно по-здраво от електронните лампи, а също така потребявал доста по-малко енергия. Можем да кажем, че това е бил коледният подарък на тези трима учени към човечеството – именно с този електронен елемент започнала Великата силициева революция, която довежда до повсеместното разпространение на персоналните компютри и други благинки на съвремието. За това изобрегение и тримата получили Нобелова награда, а Джон Бардийн е единственият в историята двоен носител на Нобелова награда в една и съща област – втората му е присъдена през 1972 г. за създаване на теорията за свръхпроводимост.

Изобретяването на транзистора не е уединен процес, а протекла драматично и заела практически двете десетилетия след Първата световна война. Именно нея ще проследим в тази статия.

Корените на транзистора като електронен елемент могат да се проследят до 1833 г., когато известният английски физик Майкъл Фарадей забелязал, че електропроводимостта на сребърна сулфид се увеличава при загряване. Около век след това, през 1926, сънародникът му Джулиъс Едгар Лилиънфелд получил патент за изобретение на име ,,Метод за управление на електрически ток“ (снимка от патента виждате на долната илюстрация), като с него той на практика предвидил, но все пак не изобретил транзистора. А след края на Втората световна война с изучаване на електропроводните свойства на различни полупроводникови материали се занимавали специалисти от изследователската фирма Bell Telephone Laboratories. именно там под ръководството на гореспоменатия Уилям Шокли бил създаден един от първите мозъчни тръстове в историята на американската наука. Още преди войната Шокли се опитвал да повиши проводимостта на полупроводниците чрез външно електрическо поле. Скица на прибора в работния дневник на учения от 1939 г. силно напомня днешния полеви транзистор, но изпитанията му завършили тогава с неуспех.

Първите опити на Бардийн, Шокли и още петима специалисти завършили също неудачно – даже силни външни полета не можели да изменят проводимостта на полупроводниковите силициеви пластини. Няма да се задълбочаваме много в технически подробности, само ще кажем, че от създадената от колектива теория за т.н. повърхностни състояния следвало, че управляващите метални пластини, с помощта на които учените се опитвали да въздействат на полупроводниковия образец, не могли да дадат желания ефект. За да се направи това, пластините трябвало да се заменят със заострени (игловидни) електроди. Експериментаторите постъпили точно така, но резултат отново нямало.

През цялата 1947 г. отделът на Шокли в Bell Laboratories се опитвал да намери решение на проблема с пространствения заряд, но с всяка стъпка се отдалечавал все повече и повече от концепцията за полевия транзистор. През 1972 г. Шокли пише, че ,,благодарение на Бардийн ние прекратихме работата над транзистора. Вместо това се върнахме към онзи принцип, който аз наричам ,,уважение към научната страна на практическата задача“ (Shockley, W. How we invented the transistor // New Scientist. — 1972. — Vol. 56. — P. 689—691).

Как протекли опитите по дни в най-напрегнатото време от лабораторната работа?

През ноември 1947 г. физикохимикът Робърт Джибни предложил да подават на един ,,полупроводников триод“ постоянно преднапрежение на решетката с помощта на точков управляващ електрод, отделен от масата на полупроводника чрез електролитен слой. Работата рязко се ускорила и през периода ноември-декември колективът изпитал цели пет конструкции на ,,триода“.

На 8 декември Бардийн, Браттейн и Шокли решили да заменят еднородния полупроводник с двуслойна структура – германиева пластина, на повърхността на която бил сформиран PN преход с високо пробивно напрежение. На 10 декември германиевият ,,електролитен триод“ от N-тип с инверсен слой P-тип действително демонстрирал някакво усилване по мощност, но то било неприемливо бавно дори за усилване на звукови честоти. На 12 декември Бардийн заменил електролита с тънък слой германиев окис, но работата през този ден завършила неуспешно, вероятно поради повреждане на филма при миене на германиевата пластина. На 15 декември инсталация с оксиден слой постигнала двукратно усилване по напрежение в честотния диапазон до 10 килохерца. След този опит Бардийн предложил да се използват два контактни електрода – управляващ (емитер) и управляем (колектор). Според предвижданията му, схемата би могла да постигне усилване мощност при междуелектродно разстояние не повече от пет микрона.

Точно тогава работохоликът Браттейн , за когото говорели, че ,,може да стои пред осцилограф 25 часа в денонощието“, допуснал непростима за професионалното си равнище грешка.

На 16 декември Браттейн сглобил контактен възел от триъгълна пластмасова призма със залепено на нея златно фолио. Разрязвайки внимателно фолиото с бръснач, ученият неочаквано установил луфт между колектора и емитера с ширина около 50 микрона. На следващия ден Браттейн прилепил този контактен възел към повърхността на германиева пластина. Така получил първия в света точков транзистор!

Първият, който оценил цялата прелест на тази грешка, бил Бардийн. По същото време с Браттейн той продължил движение в ,,неправилната“, посока, експериментирайки с германиев кристал, защото той имал по-голямо съпротивление от това на силиция. Както вече видяхме, в един момент грешката се оказала вярна и на официалната премиера на 23 декември 1947 г. за първи път бил показано онова, което тримата изобретатели нарекли точков транзистор.

Това бил неугледен германиев цилиндър със стърчащи от него издължени тели-електроди. Как действал той, в този момент разбирал единствено и само Бардийн, а ние ще Ви разкажем това подробно в друга статия. :) Първият транзистор всъщност представлявал транзисторен усилвател на звукови честоти с 15-кратно усилване по напрежение! На честота 10 мхц усилването било 20 децибела при изходна мощност 25 миливата. Присъстващите висши управители на Bell Laboratories веднага разбрали нуждата от запомнящо се и самобитно название на новото изобретение и бил обявен вътрешен конкурс. Част от предложенията били ,,полупроводников триод“ (semiconductor triode), ,,кристален триод“ (crystal triode), но транзисторът бил наречен transfer resistor, тъй като бил отнесен към резисторите, управлявани с напрежение. Авторът на това предложение бил  физикът Джон Пиърс. Транзисторът би могъл да се представи като резистор, регулируем чрез напрежението на един електрод – ток на базата.

На 24 декември пък бил демонстриран първият транзисторен генератор.

Разглеждайки историята, се оказва, че от неудачните опити да се създаде полеви транзистор започнало развитието на биполярния транзистор. Ръководството на Bell, разбирайки важността на откритието, навреме засекретило проекта. Широката публика узнала за изобретението едва на 30 юни 1948 г. на открито представяне в Ню Йорк, предшествано от подробна статия в известното научно списание Physical Review.

Само след десетина години масово произвежданият точков транзистор се оказал тясно място в развитието на микроелектрониката и след него на смяна дошли германиевите равнинни транзистори. След тях последвали сплавният транзистор, дифузният меза транзистор, силициевият меза транзистор и планарният такъв.. Изключително интересна за историка на техниката е и т.н. дуодиод – полупроводников изправител с два точкови контакта.

Но всичко това са други приказки и ще Ви ги разкажем друг път. :)