1941 года ученые Уильям Шокли, Уолтер Браттейн и Джон Бардин объявили о создании транзистора , а 1947 года изобретение было официальное представлено публике. Именно эту дату принято считать днем изобретения транзистора . Но великий поход в «страну Полупроводников» начался еще в 1833, когда Майкл Фарадей обнаружил, что электропроводность сульфида серебра увеличивается при нагревании. И только через 125 лет в Америке на основе другого полупроводника, германия, была создана микросхема.

Новое изобретение

О первой демонстрации транзистора газета «New York Times» сообщила 1948 года на предпоследней странице: «Вчера Bell Telephone Laboratories впервые продемонстрировала изобретенный ею прибор под названием «транзистор» , его в некоторых случаях можно использовать в области радиотехники вместо электронных ламп. Было также показано его использование в телефонной системе и телевизионном устройстве. В каждом из этих случаев транзистор работал в качестве усилителя, хотя фирма заявляет, что он может применяться и как генератор, способный создавать и передавать радиоволны».

Новость, по мнению редактора, не походила на сенсацию. Публика не проявила поначалу интереса к новому прибору, и Bell пыталась продвинуть новинку, раздавая лицензии на использование транзистора всем желающим. А инвесторы между тем делали миллионные вложения в радиолампы, которые после тридцати лет развития переживали бум, – конец ему положит именно новое изобретение.

Потесненная лампа

До середины ХХ века казалось, что электронная лампа навсегда заняла место в радиоэлектронике. Она работала везде: в радиоприемниках и телевизорах, магнитофонах и радарах. Радиоэлектронная лампа сильно потеснила кристаллический детектор Брауна, оставив ему место только в детекторных приемниках. Удалось ей также составить конкуренцию и кристадину Лосева, – это был прообраз будущих полупроводниковых транзисторов .

Но у лампы был большой недостаток – ограниченный срок службы. Необходимость создания нового элемента с неограниченным временем действия становилась в радиоэлектронике все острее. Но, как не парадоксально, разработка полупроводниковых приборов тормозилась, кроме объективных причин, еще и субъективными – инерцией мышления самих ученых. Достаточно сказать, что лабораторию американской компании «Bell telefon», где проводились исследования со сверхчистым германием, коллеги пренебрежительно называли «хижиной ненужных материалов».

Давние конкуренты

Эксперты, впервые увидев пластинку германия с присоединенными к ней проводниками, заявили: «Такой примитив никогда не сможет заменить лампу». И все же, не обращая внимания на все преграды, 1948 года компания «Bell telefon» впервые публично продемонстрировала твердотельный усилитель – точечный транзистор . Его годом раньше разработали сотрудники Джон Бардин и Уолтер Браттейн под руководством Уильяма Шокли.

На вопрос журналиста: «Как вы этого достигли?», Уильям Шокли ответил: «Транзистор создан в результате соединения человеческих усилий, потребностей и обстоятельств».

Название «транзистор» происходит от английского слова TRANsferreSISTance, а окончание слова – «OR« соответствует раннее появившимся радиоэлементам – «термистор и варистор» и дал его Джон Пирс. В основе названия заложен тот факт, что прибором можно управлять путем изменения его сопротивления.

Бардин Шокли и Браттейн в лаборатории Bell, 1948 год

В 1956 году трем американским ученым за это открытие была присуждена Нобелевская премия в области физики. Интересно, что когда Джон Бардин опоздал на пресс-конференцию по поводу присуждения ему этой премии, то войдя в зал, в свое оправдание сказал: «Прошу извинить меня, но я не виноват, так как не мог попасть в гараж: отказал транзистор в электронном замке».

Транзисторы в музыке

Уильям Шокли не остановился на достигнутом и разработал еще несколько новых типов транзисторов . К этим трудам своего сотрудника эксперты компании проявили скепсис. Более дальновидными оказались специалисты японской фирмы «SONY», она приобрела лицензию на эти транзисторы .

Полностью вытеснить радиолампу транзистору пока еще не удалось. Можно, наверное, утверждать, что полупроводниковые приборы и электронные лампы будут сосуществовать еще долго, не заменяя друг друга, а дополняя, и занимать то место в радиоэлектронике, где они дают наибольший эффект.

Не составляет исключение и музыкальная индустрия, так как звучание транзисторов и ламп серьезно отличается друг от друга. Очевидно то, что и варианты применения техники, построенной на столь несхожих компонентах, должны отличаться. Видимо, в каких-то случаях предпочтительней лампа, а в каких-то – транзистор .

При современном развитии электроники существует возможность сделать звук транзисторного прибора теплым, а лампового – достоверным. Такая техника существует, но стоит очень дорого.

Все же есть надежда, что в будущем лампа и транзистор станут жить дружно, дополняя друг друга и радуя потребителей. Отзывы же о комбинированной аппаратуре на сегодня очень обнадеживающие.

Транзистор обновлено: Июль 6, 2015 автором: Елена

Б. М. Малашевич

Трудно найти такую отрасль науки и техники, которая так же стремительно развивалась и оказала такое–же огромное влияние на все стороны жизнедеятельности человека, каждого отдельного и общества в целом, как электроника.

Как самостоятельное направление науки и техники электроника сформировалась благодаря электронной лампе. Сначала появились радиосвязь, радиовещание, радиолокация, телевидение, затем электронные системы управления, вычислительная техника и т.п. Но электронная лампа имеет неустранимые недостатки: большие габариты, высокое энергопотребление, большое время вхождения в рабочий режим, низкую надежность. В результате через 2-3 десятка лет существования ламповая электроника во многих применениях подошла к пределу своих возможностей. Электронной лампе требовалась более компактная, экономичная и надежная замена. И она нашлась в виде полупроводникового транзистора. Его создание справедливо считают одним из величайших достижений научно-технической мысли двадцатого столетия, коренным образом изменившим мир. Оно было отмечено Нобелевской премией по физике, присужденной в 1956 г. американцам Джону Бардину, Уолтеру Браттейну и Уильяму Шокли. Но у нобелевской тройки в разных странах были предшественники.

И это понятно. Появление транзисторов – результат многолетней работы многих выдающихся ученых и специалистов, которые в течении предшествующих десятилетий развивали науку о полупроводниках. Советские ученые внесли в это общее дело огромный вклад. Очень много было сделано школой физики полупроводников академика А.Ф. Иоффе – пионера мировых исследований по физике полупроводников. Еще в 1931 году он опубликовал статью с пророческим названием: «Полупроводники – новые материалы электроники». Немалую заслугу в исследование полупроводников внесли Б.В. Курчатов и В.П. Жузе. В своей работе – «К вопросу об электропроводности закиси меди» в 1932 году они показали, что величина и тип электрической проводимости определяется концентрацией и природой примеси. Советский физик Я.Н. Френкель создал теорию возбуждения в полупроводниках парных носителей заряда: электронов и дырок. В 1931 г. англичанину Уилсону удалось создать т еоретическую модель полупроводника, сформулировав при этом основы «зонной теории полупроводников». В 1938 г. Мотт в Англии, Б.Давыдов в СССР, Вальтер Шоттки в Германии независимо друг от друга предложили теорию выпрямляющего действия контакта металл-полупроводник. В 1939 году Б.Давыдов опубликовал работу «Диффузионная теория выпрямления в полупроводниках». В 1941 г. В. Е. Лашкарев опубликовал статью «Исследование запирающих слоев методом термозонда» и в соавторстве с К. М. Косоноговой – статью «Влияние примесей на вентильный фотоэффект в закиси меди». Он описал физику «запорного слоя» на границе раздела «медь – закись меди», впоследствии названного «p-n » переходом. В 1946 г. В. Лошкарев открыл биполярную диффузию неравновесных носителей тока в полупроводниках. Им же был раскрыт механизм инжекции – важнейшего явления, на основе которого действуют полупроводниковые диоды и транзисторы. Большой вклад в исследование свойств полупроводников внесли И.В.Курчатов, Ю.М.Кушнир, Л.Д.Ландау, В.М.Тучкевича, Ж.И.Алферов и др. Таким образом, к концу сороковых годов двадцатого века основы теоретической базы для создания транзисторов были проработаны достаточно глубоко, чтобы приступать к практическим работам.

Рис. Транзитрон Г.Матаре и Г.Велкера

Первой известной попыткой создания кристаллического усилителя в США предпринял немецкий физик Юлиус Лилиенфельд, запатентовавший в 1930, 1932 и 1933 гг. три варианта усилителя на основе сульфида меди. В 1935 г. немецкий у ченый Оскар Хейл получил британский патент на усилитель на основе пятиокиси ванадия. В 1938 г. немецкий физик Поль создал действующий образец кристаллического усилителя на нагретом кристалле бромида калия. В довоенные годы в Германии и Англии было выдано еще несколько аналогичных патентов. Эти усилители можно считать прообразом современных полевых транзисторов. Однако построить устойчиво работающие приборы не удавалось, т.к. в то время еще не было достаточно чистых материалов и технологий их обработки. В первой половине тридцатых годов точечные триоды изготовили двое радиолюбителей – канадец Ларри Кайзер и тринадцатилетний новозеландский школьник Роберт Адамс. В июне 1948 г. (до обнародования транзистора) изготовили свой вариант точечного германиевого триода, названный ими транзитроном, жившие тогда во Франции немецкие физики Роберт Поль и Рудольф Хилш. В начале 1949 г. было организовано производство транзитронов, применялись они в телефонном оборудовании, причем работали лучше и дольше американских транзисторов. В России в 20-х годах в Нижнем Новгороде О.В.Лосев наблюдал транзисторный эффект в системе из трех – четырех контактов на поверхности кремния и корборунда. В середине 1939 г. он писал: «…с полупроводниками может быть построена трехэлектродная система, аналогичная триоду », но увлекся открытым им светодиодным эффектом и не реализовал эту идею. К транзистору вело множество дорог.

Первый транзистор

Слава направо: Уильям Шокли,
Джон Бардин (сидит), Уолтер Бреттейн.
Фото из http://gete.ru/page_140.html

Выше описанные примеры проектов и образцов транзисторов были результатами локальных всплесков мысли талантливых или удачливых людей, не подкрепленные достаточной экономической и организационной поддержкой и не сыгравшие серьезной роли в развитии электроники. Дж. Бардин, У. Браттейн и У. Шокли оказались в лучших условиях. Они работали по единственной в мире целенаправленной долговременной (более 5 лет) программе с достаточным финансовым и материальным обеспечением в фирме Bell Telephone Laboratories, тогда одной из самых мощных и наукоемких в США. Их работы были начаты еще во второй половине тридцатых годов, работу возглавил Джозеф Бекер, который привлек к ней высококлассного теоретика У. Шокли и блестящего экспериментатора У. Браттейна. В 1939 г. Шокли выдвинул идею изменять проводимость тонкой пластины полупроводника (оксида меди), воздействуя на нее внешним электрическим полем. Это было нечто, напоминающее и патент Ю. Лилиенфельда, и позже сделанный и ставший массовым полевой транзистор. В 1940 г. Шокли и Браттейн приняли удачное решение ограничить исследования только простыми элементами – германием и кремнием. Однако все попытки построить твердотельный усилитель ни к чему не привели, и после Пирл-Харбора (практическое начало Второй мировой войны для США) были положены в долгий ящик. Шоккли и Браттейн были направлены в исследовательский центр, работавший над созданием радаров. В 1945 г. оба возвратились в Bell Labs. Там под руководством Шокли была создана сильная команда из физиков, химиков и инженеров для работы над твердотельными приборами. В нее вошли У. Браттейн и физик-теоретик Дж. Бардин. Шокли сориентировал группу на реализацию своей довоенной идеи. Но устройство упорно отказывалось работать, и Шокли, поручив Бардину и Браттейну довести его до ума, сам практически устранился от этой темы.

Два года упорного труда принесли лишь отрицательные результаты. Бардин предположил, что избыточные электроны прочно оседали в приповерхностных областях и экранировали внешнее поле. Эта гипотеза подсказала дальнейшие действия. Плоский управляющий электрод заменили острием, пытаясь локально воздействовать на тонкий приповерхностный слой полупроводника.

Однажды Браттейн нечаянно почти вплотную сблизил два игольчатых электрода на поверхности германия, да еще перепутал полярность напряжений питания, и вдруг заметил влияние тока одного электрода на ток другого. Бардин мгновенно оценил ошибку. А 16 декабря 1947 г. у них заработал твердотельный усилитель, который и считают первым в мире транзистором. Устроен он был очень просто – на металлической подложке-электроде лежала пластинка германия, в которую упирались два близко расположенных (10-15 мкм) контакта. Оригинально были сделаны эти контакты. Треугольный пластмассовый нож, обернутый золотой фольгой, разрезанной надвое бритвой по вершине треугольника. Треугольник прижимался к германиевой пластинке специальной пружиной, изготовленной из изогнутой канцелярской скрепки. Через неделю, 23 декабря 1947 г. прибор был продемонстрирован руководству фирмы, этот день и считается датой рождения транзистора. Все были рады результатом, кроме Шокли: получилось, что он, раньше всех задумавший полупроводниковый усилитель, руководивший группой специалистов, читавший им лекции по квантовой теории полупроводников – не участвовал в его создании. Да и транзистор получился не такой, как Шокли задумывал: биполярный, а не полевой. Следовательно на соавторство в «звездном» патенте он претендовать не мог.

Прибор работал, но широкой публике эту внешне несуразную конструкцию показывать было нельзя. Изготовили несколько транзисторов в виде металлических цилиндриков диаметром около 13 мм. и собрали на них «безламповый» радиоприемник. 30 июня 1948 г. в Нью-Йорке состоялась официальная презентация нового прибора – транзистора (от англ. Tran sver Resistor – трансформатор сопротивлений). Но специалисты не сразу оценили его возможности. Эксперты из Пентагона «приговорили» транзистор к использованию лишь в слуховых аппаратах для старичков. Так близорукость военных спасла транзистор от засекречивания. Презентация осталась почти незамеченной, лишь пара абзацев о транзисторе появилась в «Нью-Йорк Тайме» на 46 странице в разделе «Новости радио». Таким было явление миру одного из величайших открытий XX века. Даже изготовители электронных ламп, вложившие многие миллионы в свои заводы, в появлении транзистора угрозы не увидели.

Позже, в июле 1948 года, информация об этом изобретении появилась в журнале «The Physical Review». Но т олько через некоторое в ремя специалисты поняли, что произошло грандиозное событие, определившее дальнейшее развитие прогресса в мире.

Bell Labs сразу оформила патент на это революционное изобретение, но с технологией было масса проблем. Первые транзисторы, поступившие в продажу в 1948 году, не внушали оптимизма – стоило их потрясти, и коэффициент усиления менялся в несколько раз, а при нагревании они и вовсе переставали работать. Но зато им не было равных в миниатюрности. Аппараты для людей с пониженным слухом можно было поместить в оправе очков! Поняв, что вряд ли она сама сможет справиться со всеми технологическими проблемами, Bell Labs решилась на необычный шаг. В начале 1952 года она объявила, что полностью передаст права на изготовление транзистора всем компаниям, готовым выложить довольно скромную сумму в 25 000 долларов вместо регулярных выплат за пользование патентом, и предложила обучающие курсы по транзисторной технологии, помогая распространению технологии по всему миру. Постепенно росла очевидность важности этого миниатюрного устройства. Транзистор оказался привлекательным по следующим причинам: был дешев, миниатюрен, прочен, потреблял мало мощности и мгновенно включался (лампы долго нагревались). В 1953 г. на рынке появилось первое коммерческое транзисторное изделие – слуховой аппарат (пионером в этом деле выступил Джон Килби из ф. Centralab , который через несколько лет сделает первую в мире полупроводниковую микросхему), а в октябре 1954 г. – первый транзисторный радиоприе мник Regency TR1, в нем использовалось всего четыре германиевых транзистора. Немедленно принялась осваивать новые приборы и индустрия вычислительной техники, первой была фирма IBM . Доступность технологии дала свои плоды – мир начал стремительно меняться.

Польза конструктивного честолюбия

У честолюбивого У.Шокли случившееся вызвало вулканический всплеск его творческой энергии. Хотя Дж. Бардин и У.Браттейн нечаянно получили не полевой транзистор, как планировал Шокли, а биполярный, он быстро разобрался в сделанном. Позднее Шокли вспоминал о своей «страстной неделе », в течение которой он создал теорию инжекции, а в новогоднюю ночь изобрел плоскостной биполярный транзистор без экзотических иголочек.

Что бы создать что-то новое, Шокли по-новому взглянул на давно известное – на точечный и плоскостный полупроводниковые диоды, на физику работы плоскостного «p - n » перехода, легко поддающуюся теоретическому анализу. Поскольку точечный транзистор представляет собой два очень сближенные диода, Шокли провел теоретическое исследования пары аналогично сближенных плоскостных диодов и создал основы теории плоскостного биполярного транзистора в кристалле полупроводника, со держащего два «p - n » перехода. Плоскостные транзисторы обладают рядом преимуществ перед точечными: они более доступны теоретическому анализу, обладают более низким уровнем шумов, обеспечивают большую мощность и, главное, более высокие повторяемость параметров и надежность. Но, пожалуй, главным их преимуществом была легко автоматизируемая технология, исключающая сложные операции изготовления, установки и позиционирования подпружиненных иголочек, а также обеспечивавшая дальнейшую миниатюризацию приборов.

30 июня 1948 г. в нью-йоркском офисе Bell Labs изобретение было впервые продемонстрировано руководству компании. Но оказалось, что создать серийноспособный плоскостной транзистор гораздо труднее, чем точечный. Транзистор Браттейна и Бардина – чрезвычайно простое устройство. Его единственным полупроводниковым компонентом был кусочек относительно чистого и вполне тогда доступного германия. А вот техника легирования полупроводников в конце сороковых годов, необходимая для изготовления плоскостного транзистора, еще находилась в младенчестве, поэтому изготовление серийноспособного транзистора «по Шокли» удалось только в 1951 г. В 1954 году Bell Labs разработала процессы окисления, фотолитографии, диффузии, которые на многие годы стали основой производства полупроводниковых приборов.

Точечный транзистор Бардина и Браттейна – безусловно огромный прогресс по сравнению с электронными лампами. Но не он стал основой микроэлектроники, век его оказался короток, около 10 лет. Шокли быстро понял сделанное коллегами и создал плоскостной вариант биполярного транзистора, который жив и сегодня и будет жить, пока существует микроэлектроника. Патент на него он получил в 1951 г. А в 1952 г. У. Шокли создал и поле вой транзистор, так же им запатентованный. Так что свое участие в Нобелевской премии он заработал честно.

Число производителей транзисторов росло как снежный ком. Bell Labs, Shockley Semiconductor, Fairchild Semiconductor, Western Electric, GSI (с декабря 1951 г. Texas Instruments), Motorola, Tokyo Cousin (С 1958 г. Sony), NEC и многие другие.

В 1950 г. фирма GSI разработала первый кремниевый транзистор, а с 1954 г., преобразившись в Texas Instruments , начала его серийное производство.

«Холодная война» и ее влияние на электронику

После окончания Второй мировой войны мир раскололся на два враждебных лагеря. В 1950-1953 гг. эта конфронтация вылилась в прямое военное столкновение – Корейскую войну. Фактически это была опосредованная война между США и СССР. В это же время США готовились к прямой войне с СССР. В 1949 г. в США был разработан опубликованный ныне план «Последний выстрел» (Operation Dropsho t ), фактически план Третье мировой войны, войны термоядерной. План предусматривал прямое нападение на СССР 1 января 1957 г. В течение месяца предполагалось сбросить на наши головы 300 50-килотонных атомных и 200 000 обычных бомб. Для этого план предусматривал разработку специальных баллистических ракет, подводных атомных лодок, авианосцев и многого другого. Так началась развязанная США беспрецедентная гонка вооружений, продолжавшаяся всю вторую половину прошлого века, продолжающаяся, не столь демонстративно, и сейчас.

В этих условиях перед нашей страной, выдержавшей беспрецедентную в моральном и экономическом отношении четырехлетнюю войну и добившейся победы ценой огромных усилий и жертв, возникли новые гигантские проблемы по обеспечению собственной и союзников безопасности. Пришлось срочно, отрывая ресурсы от измученного войной и голодного народа, создавать новейшие виды оружия, содержать в постоянной боеготовности огромную армию. Так были созданы атомные и водородные бомбы, межконтинентальные ракеты, система противоракетной обороны и многое другое. Наши успехи в области обеспечения обороноспособности страны и реальная возможность получения сокрушительного ответного удара вынудили США отказаться от реализации плана «Dropshot» и других ему подобных.

Одним из последствий «холодной войны» была почти полная экономическая и информационная изоляция противостоящих сторон. Экономические и научные связи были весьма слабы, а в области стратегически важных отраслей и новых технологий практически отсутствовали. Важные открытия, изобретения, новые разработки в любой области знаний, которые могли быть использованы в военной технике или способствовать экономическому развитию, засекречивались. Поставки прогрессивных технологий, оборудования, продукции запрещались. В результате советская полупроводниковая наука и промышленность, развивались в условиях почти полной изоляции, фактической блокады от всего того, что делалось в этой области в США, Западной Европе, а затем и Японии.

Следует также отметить, что советская наука и промышленность во многих направлениях тогда занимала лидирующее в мире положение. Наши истребители в корейской войне были лучше американских, наши ракеты были мощнее всех, в космосе в те годы мы были впереди планеты всей, первый в мире компьютер с производительностью выше 1 млн. оп/с был наш, водородную бомбу мы сделали раньше США, баллистическую ракету первой сбила наша система ПРО и т.п. Отстать в электронике означало потянуть назад все остальные отрасли науки и техники.

Значение полупроводниковой техники в СССР понимали прекрасно, но пути и методы ее развития были иными, чем в США. Руководство страны сознавало, что противостояние в холодной войне можно обеспечить путем развития оборонных систем, управляемых надежной, малогабаритной электроникой. В 1959 году были основаны такие заводы полупроводниковых приборов, как Александровский, Брянский, Воронежский, Рижский и др. В январе 1961 г. было принято Постановление ЦК КПСС и СМ СССР «О развитии полупроводниковой промышленности», в котором предусматривалось строительство заводов и НИИ в Киеве, Минске, Ереване, Нальчике и других городах. Причем базой для создания первых предприятий полупроводниковой промышленности стали совершенно не приспособленные для этих целей помещения (здания коммерческого техникума в Риге, Совпартшколы в Новгороде, макаронная фабрика в Брянске, швейная фабрика в Воронеже, ателье в Запорожье и т.д.). Но вернемся к истокам.

В годы, предшествующие изобретению транзистора, в СССР были достигнуты значительные успехи в создании германиевых и кремниевых детекторов. В этих работах использовалась оригинальная методика исследования приконтактной области путем введения в нее дополнительной иглы, вследствие чего создавалась конфигурация, в точности повторяющая точечный транзистор. Иногда при измерениях выявлялись и транзисторные характеристики (влияние одного «p — n » перехода на другой близко расположенный), но их отбрасывали как случайные и неинтересные аномалии. Мало в чем наши исследователи уступали американским специалистам, не было у них лишь одного — нацеленности на транзистор, и великое открытие выскользнуло из рук. Начиная с 1947 г. интенсивные работы в области полупроводниковых усилителей велись в ЦНИИ-108 (лаб. С. Г. Калашникова) и в НИИ-160 (НИИ «Исток», Фрязино, лаб. А. В. Красилова). В 1948 г., группа А. В. Красилова, разрабатывавшая германиевые диоды для радиолокационный станций, также получила транзисторный эффект и попыталась объяснить его. Об этом в журнале «Вестник информации» в декабре 1948 ими была опубликована статья «Кристаллический триод» — первая публикация в СССР о транзисторах. Напомним, что первая публикация о транзисторе в США в журнале «The Physical Review» состоялась в июле 1948 г., т.е. результаты работ группы Красилова были независимы и почти одновременны. Таким образом научная и экспериментальная база в СССР была подготовлена к созданию полупроводникового триода (термин «транзистор» был введен в русский язык в середине 60-х годов) и уже в 1949 г. лабораторией А. В. Красилова были разработаны и переданы в серийное производство первые советские точечные германиевые триоды С1 — С4. В 1950 г. образцы германиевых триодов были разработаны в ФИАНе (Б.М. Вул, А. В. Ржанов, В. С. Вавилов и др.), в ЛФТИ (В.М. Тучкевич, Д. Н. Наследов) и в ИРЭ АН СССР (С.Г. Калашников, Н. А. Пенин и др.).

Первый советские промышленные транзистор:
точечный С1Г (слева) и плоскостный П1А (справа)

В мае 1953 г. был образован специализированный НИИ (НИИ-35, позже – НИИ «Пульсар»), учрежден Межведомственный Совет по полупроводникам. В 1955 г. началось промышленное производство транзисторов на заводе «Светлана» в Ленинграде, а при заводе создано ОКБ по разработке полупроводниковых приборов. В 1956 г. московский НИИ-311 с опытным заводом переименован в НИИ «Сапфир» с заводом «Оптрон» и переориентирован на разработку полупроводниковых диодов и тиристоров.

На протяжении 50-х годов в стране были разработаны ряд новых технологий изготовления плоскостных транзисторов: сплавная, сплавно-диффузионная, меза-диффузионная.

Полупроводниковая промышленность СССР развивалась достаточно быстро: в 1955 г. было выпущено 96 тысяч, в 1957 г. – 2,7 млн, а в 1966 г. – более 11 млн. транзисторов. И это было только начало.

1956 год. В Стокгольмском концертом зале три американских ученых Джон Бардин, Вильям Шокли и Уолтер Браттейн получают Нобелевскую премию «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта» - настоящий прорыв в области физики. Отныне их имена навсегда вписаны в мировую науку. Но более чем за 15 лет до этого, в начале 1941 года молодой украинский ученый Вадим Лашкарев экспериментально обнаружил и описал в своей статье физическое явление, которое, как оказалось, впоследствии получило название p-n переход (p-positive, n-negative). Он же в своей статье раскрыл и механизм инжекции - важнейшего явления, на основе которого действуют полупроводниковые диоды и транзисторы.

Официально история транзистора звучит так: первое сообщение в печати о появлении полупроводникового усилителя-транзистора появилось в американской прессе в июле 1948 года. Его изобретатели – американские ученые Бардин и Браттейн. Они пошли по пути создания так называемого точечного транзистора на базе кристалла германия n-типа. Первый обнадеживающий результат они получили в конце 1947 г. Однако прибор вел себя неустойчиво, его характеристики отличались непредсказуемостью, и поэтому практического применения точечный транзистор не получил.

Прорыв произошел в 1951 году, когда Вильям Шокли создал свой более надежный плоскостной транзистор n-p-n типа, который состоял из трех слоев германия n, p и n типа, общей толщиной 1 см. Уже через несколько лет значимость изобретения американских ученых стала очевидной, и они были отмечены Нобелевской премией.

Задолго до этого, еще перед началом Великой Отечественной войны в 1941 году Лашкарев проводит серию успешных экспериментов и открывает р-n переход и раскрывает механизм электронно-дырочной диффузии, на основе которых под его руководством в начале 50-х годов, были созданы первые в Украине (тогда часть СССР) полупроводниковые триоды - транзисторы.

Говоря научным языком, p-n переход – это область пространства на стыке двух полупроводников p- и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому. Электрическая проводимость материала зависит от того, насколько прочно ядра его атомов удерживают электроны. Так, большинство металлов являются хорошими проводниками, поскольку имеют огромное количество слабосвязанных с атомным ядром электронов, которые легко притягиваются положительными зарядами и отталкиваются отрицательными. Движущиеся электроны и есть носители электрического тока. С другой стороны, изоляторы, не пропускают ток, так как электроны в них прочно связаны с атомами и не реагируют на воздействие внешнего электрического поля.

Полупроводники ведут себя иначе. Атомы в кристаллах полупроводников образуют решетку, внешние электроны которой связаны силами химической природы. В чистом виде полупроводники подобны изоляторам: они или плохо проводят ток, или не проводят вообще. Но стоит добавить в кристаллическую решетку небольшое количество атомов определенных элементов (примесей), как их поведение кардинально меняется.

В некоторых случаях атомы примеси связываются с атомами полупроводника, образуя лишние электроны, избыток свободных электронов придает полупроводнику отрицательный заряд. В других случаях атомы примеси создают так называемые "дырки", способные "поглощать" электроны. Таким образом возникает недостаток электронов и полупроводник становится положительно заряженным. При соответствующих условиях полупроводники могут проводить электрический ток. Но в отличие от металлов они проводят его двояким образом. Отрицательно заряженный полупроводник стремится избавиться от лишних электронов, это проводимость n-типа (от negative - отрицательный). Носителями заряда в полупроводниках такого типа являются электроны. С другой стороны, положительно заряженные полупроводники притягивают электроны, заполняя "дырки". Но, когда заполняется одна "дырка" рядом возникает другая - покинутая электроном. Таким образом, "дырки" создают поток положительного заряда, который направлен в сторону, противоположную движению электронов. Это проводимость р-типа (от positive - положительный). В полупроводниках обоих типов так называемые не основные носители заряда (электроны в полупроводниках р-типа и "дырки" в полупроводниках п-типа) поддерживают ток в направлении, обратном движению основных носителей заряда.

Внесение примесей в кристаллы германия или кремния позволяет создать полупроводниковые материалы с желаемыми электрическими свойствами. Например, введение незначительного количества фосфора порождает свободные электроны, и полупроводник приобретает проводимость n-типа. Добавление атомов бора, наоборот, создает дырки, и материал становится полупроводником р-типа.

В дальнейшем оказалось, что полупроводник, в который введены примеси, обретает свойство пропускать электрический ток, т.е. обладает проводимостью, величина которой может при определенном воздействии изменяется в широких пределах.

Когда в США был найден способ для осуществления такого воздействия электрическим путем, появился транзистор (от первоначального названия трансрезистор). Тот факт, что 1941 году Лашкарев опубликовал результаты своих открытий в статьях «Исследование запирающих слоев методом термозонда» и «Влияние примесей на вентильный фотоэффект в закиси меди» (в соавторстве со своей коллегой К.М. Косоноговой), в связи с военным временем не попал в поле зрения научного мира. Предположительно, начавшаяся «холодная война» и опустившийся на Советский Союз «железный занавес» сыграли свою роль в том, что Лашкарев так и не стал Нобелевским лауреатом. Кстати сказать, Лашкарев разработал, находясь в Сибири во время войны, купроксные диоды, которые применялись в армейских радиостанциях и добился их промышленного выпуска.

В дополнение к двум первым работам, Лашкарев в соавторстве с В.И.Ляшенко в 1950 году опубликовал статью «Электронные состояния на поверхности полупроводника», в которой были описаны результаты исследований поверхностных явлений в полупроводниках, ставшие основой работы интегральных схем на базе полевых транзисторов.

В 50-е годы Лашкареву также удалось решить проблему массовой выбраковки монокристаллов германия. Он по новому сформулировал технические требования к этому элементу, так как предыдущие были неоправданно завышены. Тщательные исследования, проведенные Лашкаревым и Миселюком в Институте физики АН УССР в Киеве, показали, что уже достигнутый уровень технологии монокристаллов германия позволял создать точечные диоды и триоды с необходимыми характеристиками. Это позволило ускорить промышленный выпуск первых в бывшем СССР германиевых диодов и транзисторов.

Так, именно под руководством Лашкарева в начале 50-х в СССР было организовано производство первых точечных транзисторов. Сформированная В.Е. Лашкаревым научная школа в области физики полупроводников становится одной из ведущих в СССР. Признанием выдающихся результатов стало создание в 1960 г. Института полупроводников АН УССР, который возглавил В.Е. Лашкарев.

“Настанет время, когда на этом кристаллике, что нам показал Вадим Евгеньевич, можно будет разместить всю ЭВМ!” , - напророчил академик Сергей Лебедев, создавший первый в континентальной Европе компьютер - МЭСМ. Так и случилось. Но это произошло через двадцать с лишним лет, когда появились большие интегральные схемы БИС, содержащие на кристалле десятки и сотни тысяч транзисторов, а позднее - сверхбольшие интегральные схемы СБИС со многими миллионами компонентов на кристалле, открывшие человеку путь в информационную эру.

Транзистор - предпосылка всей современной микроэлектроники. Если бы в обычном мобильном телефоне вместо транзисторов использовались катодно-лучевые трубки, устройство приобрело бы размеры Кёльнского собора.

Transfer resistor

Накануне Сочельника 1947 г. сотрудники компании «Белл Телефон Лабораториз» Уильям Шокли, Уолтер Браттейн и Джон Бардин продемонстрировали коллективу своей фирмы первый транзистор на основе полупроводникового материала германия. Примерно в это же время немецкие ученые Герберт Франц Матаре и Генрих Велькер разработали так называемый «французский транзистор» и в 1848 г. получили на него патент. В том же году Роберт Денк сконструировал первый транзисторный радиоприемник на основе электрода с оксидным покрытием. Денк не стал патентовать свое изобретение и даже уничтожил единственный экземпляр приемника, чтобы избежать злоупотреблений.

Победу обеспечил кремний

Однако ученым пришлось еще много потрудиться над подбором материала, пока полупроводниковые детали смогли удовлетворять техническим требованиям. С 1955 г. началось серийное производство кремниевых транзисторов, быстро вытеснивших вакуумные трубки из разнообразнейших устройств. Преимущество транзисторов в том, что они гораздо меньше и не так сильно нагреваются. Теперь стало возможным сооружение вычислительных машин, не занимающих целую комнату. Появившиеся в 1960-е гг. интегральные микросхемы потребовали разработки все более миниатюрных транзисторов, так что со временем они уменьшились в тысячу раз и стали тоньше волоса.

1925 г.: Юлиус Эдгар Лилиенфельд создал теоретическое обоснование транзисторов, но не сумел воплотить их в реальность.

1934 г.: Оскар Хейл изобрел полевой транзистор.

1953 г.: первые транзисторы в слуховых аппаратах.

1971 г.: первый микропроцессор - Интел 4004.

01 марта 2007, 18:34

История развития полупроводников

1947 год. В современном понимании полупроводниковая техника стала бурно развиваться в середине XX века. Многие выдающиеся ученые внесли свой вклад в данное направление, однако создателями первого транзистоа, в 1947 году, стали американцы Дж. Бардин, У. Бреттейн и У. Шокли. Их открытие стало началом полупроводниковой эры, родившей огромное количество типов диодов и транзисторов, а позднее - интегральных микросхем.

1948-1950 годы. Не только в США, но и в других странах шли научные исследования в области полупроводников. Так физик В.Е.Лошкарев еще в 1946 году открыл биполярную диффузию неравновесных носителей тока в полупроводниках.Разработка инженером А.В.Красиловым и его группой германиевых диодов для радиолокационных станций. Во Фрязино (Моск. обл.) в НИИ-160 (НИИ "Исток"). А.В.Красиловым и С.Г.Мадоян впервые наблюдался транзисторный эффект. Создатели отечественного транзистора А.В.Красилов и С.Г.Мадоян опубликовали первую в СССР статью о транзисторах под названием "Кристаллический триод". Лабораторные образцы германиевых транзисторов были разработаны Б.М.Вулом, А.В.Ржановым, В.С.Вавиловым и др. (ФИАН), В.М.Тучкевичем, Д.Н.Наследовым (ЛФТИ), С.Г.Калашниковым, Н.А.Пениным и др. (ИРЭ АН СССР).

1955 год. Изобретатель транзистора Уильям Шокли (William Shockley) основал в Санта–Кларе компанию Shockley Semiconductor Laboratories и привлек в нее 12 молодых ученых, занимавшихся в разных фирмах германиевыми и кремниевыми транзисторами. К сожалению коллектив просуществовал не долго, буквально через два года 8 ученых покинули компанию.

1956 год. Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн были удостоены Нобелевской премии по физике "за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта". На церемонии презентации Э.Г. Рудберг, член Шведской королевской академии наук, назвал их достижение "образцом предвидения, остроумия и настойчивости в достижении цели".

1957 год. Ученые, покинувшие компанию Shockley Semiconductor Laboratories, объединяют личные средства и приступают к разработке технологии массового производства кремниевых транзисторов по методу двойной диффузии и химического травления. Эта технология позволяла одновременно получать на одной пластине сразу сотни транзисторов. Имена большинства этих людей стали в дальнейшем знаковыми для электронной отрасли: Гордон Мур (Gordon E. Moore), Шелдон Робертс (C.Sheldon Roberts), Евгений Клайнер (Eugene Kleiner), Роберт Нойс (Robert N. Noyce), Виктор Гринич (Victor H. Grinich), Джулиус Бланк (Julius Blank), Джин Хоерни (Jean A. Hoerni) и Джей Ласт (Jay T. Last). Для серьезной работы собранных средств было совершенно недостаточно и тогда в качестве инвестора выступила компания Fairchild Camera and Instrument и 1 октября 1957 года была основана компания FAIRCHILD SEMICONDUCTOR. А уже через полгода FAIRCHILD SEMICONDUCTOR получила первую прибыль - компания IBM закупила 100 транзисторов по цене $150 за штуку.

1958 год. К тому времени разработками полупроводников независимо занимались несколько компаний. Ученых объединял один вопрос: "Как в минимум места вместить максимум компонентов?". Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor Corporation и Джек Килби, работающий в Texas Instruments изобрели практически идентичную модель интегральной схемы. Разница состояла в том, что Килби воспользовался германием, а Нойс предпочёл кремний.

1959 год. Роберт Нойс и Джек Килби отдельно друг от друга получили патенты на свои изобретения - началось противостояние двух компаний, которое закончилось мирным договором и созданием совместной лицензии на производство чипов.

60-е годы. Fairchild Semiconductor Corporation пустила чипы в свободную продажу, их сразу стали использовать в производстве калькуляторов и компьютеров вместо отдельных транзисторов, что позволило значительно уменьшить размер и увеличить производительность. Вообще, начало 60-х это сильный подъем в полупроводниковой отрасли. Многие инженеры и ученые, стоявшие у истоков создания полупроводников начинают основывать собственные фирмы. Так Джин Хоерни, Евгений Клайнер, Джей Ласт и Шелдон Робертс в 1961 году основали компанию Amelco, из которой в последствии «выросли» Intersil, Maxim и Ixys. В 1967 Чарли Спорк уходит в National Semiconductor. В 1968 году Гордон Мур и Роберт Нойс основали Intel. В том же году Виктор Гринич основывает собственную компанию Escort Memory Systems.
В СССР в 1963 году создан Центр микроэлектроники в г. Зеленограде. Инженер Ф.А.Щиголь разработал планарный транзистор 2Т312 и его бескорпусной аналог 2Т319, ставший основным активным элементом гибридных схем. В 1964 году на заводе "Ангстрем" при НИИ точной технологии созданы первые интегральные схемы ИС-"Тропа" с 20 элементами на кристалле, выполняющие функцию транзисторной логики с резистивными связями. В НИИМЭ в Зеленограде создана технология и начат выпуск первых планарных транзисторов "Плоскость". Под руководством Б.В.Малина в НИИ-35 (ныне НИИ "Пульсар") была создана первая серия кремниевых интегральных схем ТС-100 (степень интеграции - 37 элементов на кристалле). В 1966 году в НИИ "Пульсар" начал работать первый экспериментальный цех по производству планарных интегральных схем. В НИИМЭ под руководством доктора наук К.А.Валиева начат выпуск логических и линейных интегральных схем. В 1968 НИИ "Пульсар" выпустил партию первых гибридных тонкопленочных ИС с планарными бескорпусными транзисторами типов КД910, КД911, КТ318, предназначенных для телевидения, радиовещания и связи. В НИИ МЭ разработаны цифровые и линейные ИС массового применения (серия 155). В 1969 году физик Ж.И.Алферов сформулировал и практически реализовал свои идеи управления электронными и световыми потоками в классических гетероструктурах на основе системы арсенид галлия-арсенид алюминия.

70-е годы. Последующее десятилетие отметилось дальнейшим ростом рынка электронных компонентов. Строились заводы по производству микросхем, образовывались новые компании. Старые компании постепенно перепрофилировались в соответствии с новыми требованиями времени, переходя от производства ламп к производству полупроводников, номенклатура которых постоянно расширяется - это аналоговые и цифровые микросхемы, диоды, ВЧ транзисторы и тиристоры. Так например, кампания ANALOG DEVICES, начав в 1965 году со штатом в 45 человек, активно развиваясь, к 1974 году увеличила число сотрудников до 894, а в 1979 году стала публичной, выпустив на рынок свои акции. Компания MOTOROLA, начиная свой бизнес в 30-х годах с производство автомобильных радиоприемников, в 1974 году выпускает на рынок микроконтроллер MC6800, который на долгие годы становится №1 в автомобильной и бытовой электронике.
Что касается СССР, к сожалению не было развития в сторну массового производства, однако наука на месте не стояла и к началу 1970 года в стране насчитывалось 69 серий интегральных схем, из которых 7 серий – по МОП технологии, 32 серии – по биполярной технологии. В 1973 – созданы интегральные схемы для наручных часов со степенью интеграции 1500 транзисторов на кристалл размером 2x2 мм2. Под руководством Э.Е Иванова на заводе "Ангстрем" за пять месяцев был разработан и выпущен калькулятор на основе собственных БИС, а в 1974 году в научном центре на заводе "Ангстрем" под руководством В.Л. Дшхуняна созданы первые отечественные микропроцессоры. В 1975 году организован промышленный выпуск цифровых ИС серий 100 и 500 с быстродействием 2 нс для ЭВМ "Эльбрус-2", создана БИС ЗУ динамического типа емкостью 4 Кбит.К середине 70-х была достигнута степень интеграции 20 000 транзисторов на кристалл, а к концу десятилетия создана первая однокристальная микро-ЭВМ, эквивалентная мини-ЭВМ.
70-е годы были отмечены еще одним знаковым событием. К тому времени стало очевидно, что при постоянном росте сложности интегральных схем задача их промышленной разработки без создания средств компьютерной автоматизации будет попросту нереализуема. Появились инструменты автоматизации, которые сейчас объединены в рамках EDA (Electronic Design Automation). Поначалу они были представлены средствами CAE (Computer Aided Engineering) - для разработчика принципиальных схем и средствами CAD (Computer Aided Design) - для инженера-конструктора. Самой серьезной проблемой для разработчиков ранних ИС было отсутствие возможности создания физического прототипа разрабатываемого устройства. Ошибки, допущенные при проектировании принципиальной схемы устройства, обнаруживались только после изготовления интегральной схемы. При обнаружении ошибки нужно было менять проект, заново создавать комплект фотошаблонов и повторять весь производственный цикл. Для решения этой проблемы в 70-е годы в университете Беркли (Berkeley), который входил в число лидеров разработки средств компьютерного инжиниринга (CAE), была разработана программа SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis). Предназначалась она для моделирования ИС на электрическом уровне и позволяла проверять правильность работы схемы на уровне виртуальной компьютерной модели. Эта программа и по сей день используется для моделирования аналоговых схем. По мере распространения цифровых схем, для проверки правильности функционирования стали разрабатывать и использовать средства логического моделирования. Одной из первых таких программ была система Hi-Lo.

80 годы. Десятилетие 80-х, несмотря на спад в электронной промышленности США, также отмечены успехами в этой области. Под руководством Гордона Кэмпбелла создается первая 64k (8096х8) EEPROM с единственным напряжением питания +5 В. 80-е годы стали временем "второй волны" в мировой электронной промышленности. Именно тогда появились такие компании как Cypress, Seeq, Sierra, Maxim, Atmel, Xilinx, Linear Technology "вышедшие" в большинстве своем из компаний "первой волны" - NatSemi, Intel, Signetics, AMD.
В Советском Союзе в 1980 году заводом "Микрон" изготовлена 100 000 000 интегральная схема. В 1983 году в НИИМЭ организован промышленный выпуск базовых матричных кристаллов БМК И-200 и БМК И-300 для отечественных ЭВМ. В 1984 в НИИТТ был разработан первый персональный компьютер ДВК-1, а на заводе "Ангстрем" он стал выпускаться серийно. В 1985 году в НИИМЭ получены тестовые образцы кристаллов ИС с топологической нормой 0,5 мкм. с использованием электронно-лучевой литографии. Во второй половине 80-х годов создан первый 32-разрядный микропроцессор и налажен выпуск СБИС памяти емкостью 1 М.
Что каксается САПР, то в начале 80-х годов компании Daisy, Valid и Mentor Graphics разработали свои системы на базе рабочих станций (Sun, Apollo), в рамках которых объединялись ввод принципиальной схемы, система моделирования и средства конструкторского проектирования. Таким образом, произошло объединение средств САЕ и CAD. В 1985 году эти фирмы с большим успехом вышли на мировой рынок. Это и было рождением индустрии EDA.

90 годы. Это десятилетие характеризуется дальнейшим наращиванием объемов производства полупроводников, происходит все большая степень интеграции микросхем. Бурный рост персональной компьютерной техники приводит к разработкам сложных специализированных устройств. Крупные корпорации выводят свое производство в Китай и страны Юго-Восточной Азии. Совсем по-другому обстоят дела в нашей стране. Государственное финансирование снизилось до минимума. Ряд ведущих предприятий электроники - на грани закрытия, другие после акционирования утратили производственный профиль деятельности. Эффективно работающие предприятия составляют всего несколько процентов от общего количества. К середине 90-х годов российская электроника имела годовые объемы вложений 150 млн. долларов, а мировой рынок оценивается в 210 млрд. долларов. В России только на заводах "Ангстрем" и "Микрон" в Зеленограде можно производить СБИС с топологической нормой 1,2 мкм. В 1997 Правительством создана холдинговая компания "Российская электроника", в которую вошли 32 предприятия и научно-исследовательских институтов бывшей электронной промышленности. На заводе "Микрон" введена производственная линия по выпуску СБИС с проектными нормами 0,8 мкм. на пластинах 150 мм. В НИИМЭ разработана элементная база БиКМОП ИС на основе самосовмещенной технологии. В 1998 году на СП "Корона" начато промышленное производство СБИС на пластинах кремния диаметром 150 мм с топологическими нормами 0,8 мкм. И пожалуй самое замечательное событие произошло на порого нового тысячелетия. В 2000 году академик Ж.И.Алферов удостоен Нобелевской премии, за исследования начатые еще в 1970 году - за основополагающие работы в области информационных и коммуникационных технологий, в частности за открытие явления суперинжекции в гетероструктурах, открытие идеальных гетероструктур арсенид алюминия-арсенид галлия, создание полупроводниковых лазеров на двойных гетероструктурах, создание первых биполярных гетеротранзисторов, солнечных батарей на гетероструктурах.