Более шестидесяти лет назад, 23 декабря 1947 года, три американских физика, Уильям Шокли, Джон Бардин, Уолтер Браттейн, продемонстрировали коллегам новый прибор – полупроводниковый усилитель, или транзистор. Он был миниатюрнее, дешевле, прочнее и долговечнее радиоламп, а кроме того, потреблял гораздо меньше энергии. Словом, открытие стало настоящим рождественским подарком для всего человечества – именно с этого основного элемента интегральных схем началась Великая кремниевая революция, приведшая к появлению общепринятых сегодня персональных компьютеров. Все трое, в последствии, заслужено получили свою Нобелевскую премию.

История изобретения полупроводниковых усилителей – транзисторов – вышла драматичной, несмотря на ее скоротечность. Вся она уместилась в два послевоенных десятилетия и была насыщена многими другими событиями, но обо всём по порядку.

В середине прошлого века на повестку дня встал вопрос о замене громоздких, капризных, энергоемких и недолговечных электровакуумных ламп на что-то более миниатюрное и эффективное. К решению этой задачи одновременно подбирались несколько ученых и целые исследовательские группы.

Хотя все началось еще раньше – в 1883 году, когда англичанин Майкл Фарадей обнаружил, что электропроводность сульфида серебра увеличивается при нагревании. Спустя пол-века, в 1926-м, соотечественник Фарадея Джулиус Эдгар Лилиенфилд получил патент под названием «Метод и прибор для управления электрическими токами», фактически предвосхитив, но так и не построив транзистор. А по окончании Второй мировой войны изучением электропроводных свойств полупроводниковых материалов занялись специалисты исследовательской фирмы Bell Telephone Laboratories, чья штаб-квартира располагалась в Марри-Хиллз (штат Нью-Джерси).

Именно там под руководством видного теоретика Уильяма Шокли был создан один из первых «мозговых центров» в истории американской науки. Шокли еще до войны пытался решить задачу повышения проводимости полупроводников с помощью внешнего электрического поля. Эскиз прибора в рабочем журнале ученого за 1939 год весьма напоминал нынешний полевой транзистор, однако испытания тогда закончились неудачей.

К концу войны в полупроводники успели поверить многие коллеги Шокли и, что самое главное, потенциальные заказчики и инвесторы – большой бизнес и «оборонная промышленность». На них произвели впечатление созданные во время войны радары, в основе которых лежали полупроводниковые детекторы.

Первым делом Шокли пригласил в Марри-Хеллз бывшего однокашника-теоретика Джона Бардина, переманив его из университета простым способом: предложил в два раза больший оклад. Кроме них двоих, в состав группы входила еще пятерка специалистов: теоретик, два экспериментатора, физико-химик и инженер-электронщик. Капитан этой команды ученых поставил перед ними ту же задачу, над которой бился до войны.

Однако и вторая попытка привела к отрицательному результату: изменить электропроводность полупроводниковых кремниевых пластин не смогли даже сильные внешние поля. Правда, на сей раз Бардин, работавший в связке с экспериментатором Уолтером Браттейном, с которым успел подружиться еще в колледже (где их объединила не только работа, но и совместное увлечение – гольф), смог хотя бы объяснить причину неудачи.

Если не вдаваться в технические детали, то из созданной им теориии так называемых поверхностных состояний следовало, что управляющие металлические пластины, с помощью которых ученые воздействовали на полупроводниковый образец, и не могли дать желаемого эффекта. Для получения положительного результата их следовало заменить заостренными (игольчатыми) электродами.

Друзья-коллеги так и поступили, и снова ничего не получилось. Казалось, дело зашло в тупик, но тут законченный трудоголик Браттейн, про которого говорили, что он может крутить ручки осциллографа по 25 часов в сутки («лишь бы было с кем поболтать»), неожиданно сорвался и совершил непростительную для профессионала ошибку. Что он там замкнул не так и какие полюса перепутал, в состоянии понять и оценить по достоинству только специалист-физик, для остального человечества важен результат той досадной ошибки, ставшей поистине золотой. Подсоединив электрод не туда, куда надо, Браттейн с удивлением зафиксировал резкое усиление входного сигнала: полупроводник заработал!

Первым, кто сразу же оценил всю прелесть совершенной ошибки, был Бардин. Вместе с Браттйном он продолжил движение в «неправильном» направлении, начав экспериментировать с кристаллом германия, обладавшим большим, чем у кремния, сопротивлением. И 16 декабря 1947 года друзья продемонстрировали остальным участникам группы первый полупроводниковый усилитель, названный позже транзистором.

Это был уродливый на вид германиевый брусок с торчащими из него закрученными усиками-электродами. Как именно он действует, в ту пору понимал, очевидно, один только Бардин: выдвинутая им по горячим следам гипотеза об инжекции (испускании) зарядов одним электродом (эмиттером) и их собрании другим электродом (коллектором) была выслушана коллегами в недоуменном молчании. Специалистов можно было понять – подтверждения теоретической правоты Бардина пришлось ждать годы.

Первый транзистор

Официальная презентация нового прибора состоялась через неделю, в предрождественский вторник 23 декабря, и эта дата вошла в историю как день открытия транзисторного эффекта. Присутствовал весь топменеджмент Bell Telephone Laboratories, сразу оценивший, какие золотые горы сулит компании новое изобретение – особенно в радиосвязи и телефонии.

В мрачном расположении духа пребывал лишь снедаемый ревностью руководитель группы. Шокли считал себя автором идеи транзистора, он первый преподал своим удачливым ученикам основы квантовой теории полупроводников – однако его непосредственного вклада в создание первого рабочего транзистора никакое патентное бюро при всем желании не разглядело бы и в лупу.

Вдвойне несправедливо было и то, что Шокли раньше других оценил совершенно фантастические перспективы, которые сулил транзистор в иной области – стремительно прогрессировавшей вычислительной технике. Тут уже определенно светила «нобелевка», и Шокли, обладавший честолюбием и болезненным самолюбием совершил фантастический рывок, чтобы успеть на уходящий поезд. Буквально за неделю ученый создал теорию инжекции и более основательную, чем Бардинская, теорию транзистора – так называемую теорию р-n-переходов. А в новогоднюю ночь, когда коллеги исследовали в основном оставшиеся с рождественских гуляний бутылки из-под шампанского, придумал еще один тип транзистора — плоскостной (его еще называют «бутербродный»).

Героические усилия честолюбивого Шокли не пропали даром – спустя восемь лет он вместе с Бардиным и Браттейном разделил заветную Нобелевскую премию. На торжествах в Стокгольме, кстати, вся тройка последний раз собралась вместе и больше никогда в полном составе не встречалась.

Через полгода после удачной премьеры транзистора в нью-йорском офисе фирмы состоялась презентация для прессы нового усилителя. Однако реакция СМИ вопреки ожиданиям оказалась более чем вялой. На одной из последних полос (46-й) газеты The New York Times от 1 июля 1948 года в разделе «Новости радио» появилась короткая заметка – и все. Сообщение явно не тянуло на мировую сенсацию – с конца июня все американские и мировые СМИ были заняты обсуждением другой новости – советской блокадой Западного Берлина, начатой за неделю до презентации транзистора. Изобретение троих ученых померкло на фоне репортажей о «воздушном мосте», с помощью которого американцы доставляли в блокированный сектор Берлина продукты питания и прочие предметы первой необходимости.

Один из видов современных транзисторов

Поначалу фирме Bell Telephone Laboratories пришлось раздавать лицензии на транзисторы всем желающим, не торгуясь. Спрос был невелик – в то время инвесторы по инерции еще вкладывали огромные деньги в обычные радиолампы, производство которых переживало бум. Однако нашлись одиночки, которые быстро распознали возможности новых полупроводниковых усилителей, прежде всего в неожиданной области – слуховых аппаратов.

Среди прочих на нью-йоркской презентации присутствовал еще один будущий нобелевский лауреат – в ту пору инженер небольшой фирмы Centralab Джек Сент-Клер Килби. Вдохновившись увиденным, он наладил в своей фирме производство первых в мире миниатюрных слуховых аппаратов на транзисторах. А в мае 1958 года Килби перебрался в Даллас и поступил на работу в компанию Texas Instruments, производившую транзисторы, конденсаторы, резисторы и прочие элементы, из которых собираются электронные схемы.

Когда летом большинство сотрудников отправились в отпуск, Килби «на новенького» остался потеть в офисе. Кроме всего прочего, ему пришлось заниматься рутиной работой, связанной скорее с бизнесом, чем с физикой. Именно за анализом ценообразования полупроводникового производства ученого посетила гениальная идея, в основе своей чисто экономическая. Получалось, что для вывода производства полупроводников на уровень рентабельности компании следовало ограничиться выпуском их одних. А все прочие активные элементы схемы производить на основе того же полупроводника, причем уже соединёнными в единую компактную конструкцию наподобие детского конструктора Lego! Килби как раз и придумал, как это сделать.

Руководство компании пришло в восторг от идеи сотрудника и тут же «нагрузило» его срочным заданием: построить опытную модель схемы, целиком сделанной из полупроводника. 28 августа 1958 года Килби продемонстрировал работавший макет триггера, после чего приступил к изготовлению первой монолитной интегральной микросхемы (генератора с фазовым сдвигом) на кристалле германия.

Первый в истории простейший микрочип размером со скрепку для бумаг заработал 12 сентября, и этот день также вошел в историю. Однако Нобелевской премии Килби пришлось ждать почти полвека – учёный получил его в последний год 20 столетия, разделив премию с соотечественником, выходцем из Германии Гербертом Кремером и российским коллегой Жоресом Алферовым.

Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли

Что касается личных и профессиональных судеб трех отцов транзистора, то они сложились по-разному. Бардин, которого ревнивый до паранойи Шокли начал откровенно «затирать», в 1951 году оставил Bell Telephone Laboratories и перешел в Университет в штата Иллинойс в Урбане. Дополнительным стимулом послужил редкий в те времена годовой оклад $10 тыс. Спустя пять лет профессор Бардин, уже забывший о полупроводниках и переключившийся на квантовые схемы, услышал по радио о присуждении ему Нобелевской премии. А в 1972-м, как уже говорилось, за созданную вместе с сотрудниками Леоном Купером и Джоном Шриффером микроскопическую теорию сверхпроводимости получил и вторую. Умер единственный в истории дважды лауреат Нобелевской премии (в одной и той же номинации) в 1991 году в возрасте 82 лет.

Для Уолтера Браттейна, скончавшегося за четыре года до того, точечный транзистор так и остался пиком научной карьеры. Зато их руководитель Уильям Шокли и после полученной премии активно работал в различных областях, хотя транзисторы вскоре забросил. Любопытно, что с технологической и коммерческой точек зрения его плоскостной транзистор оказался более перспективным, чем точечный Бардина и Браттейна: последний продержался на рынке лишь до конца 1950-х, в то время как плоскостные выпускаются и поныне. И именно на их основе были созданы первые микросхемы. Уильям Шокли умер от рака в 1989 году.

Между тем история изобретения транзистора на том не закончилась. Круги от исторического события, произошедшего в декабре 1947 года, расходились еще долго, порой приводя к совершенно непредсказуемым результатам.

По справедливости к упомянутой тройке нобелевских лауреатов 2000 года – Килби, Кремеру и Алферову – должен был присоединиться и американец Роберт Нойс, создавший первую микросхему одновременно с Килби. И самое главное – независимо от него. Однако Нойсу не довелось дожить до конца века, а посмертно эту премию, как известно, не присуждают.

Но занятно, что первый толчок научной карьере Нойса дал тот же Шокли. В 1955 году будущий нобелевский лауреат покинул компанию Bell Telephone Laboratories и основал собственную фирму Shockley Semiconductor Laboratories в южном пригороде Сан-Франциско – Пало-Альто, где прошло его детство. Так был заложен первый камень в основание легендарной Кремниевой (или Силиконовой) долины.

 

Сотрудников Шокли набрал из молодых, да ранних, не подумав ни об их амбициях, ни о пределах их терпения – характер у него был отвратительный, да и руководителем он себя показал никаким. Не прошло и двух лет, как психологический климат в фирме стал чреват взрывом, и восемь лучших сотрудников во главе с Нойсом и Гордоном Муром сбежали из неё, чтобы основать собственную компанию.

Гениальных идей у «восьмерки предателей» (как заклеймил их Шокли) было хоть отбавляй – чего не скажешь о стартовых капиталах. Друзья-компаньоны еще не рожденной компании начали хождение по банкам и инвесторам в поисках денег. И после нескольких отказов счастливо наткнулись на такого же молодого и амбициозного финансиста Артура Рока. Что именно «напели» инженеры-технари бизнесмену, истории неведомо, но, как бы то ни было, он сыграл поистине судьбоносную роль в их будущем бизнесе. А также в судьбе других фирм Кремниевой долины, у основателей которых на старте не было ни гроша за душой – одни гениальные идеи и проекты.

С помощью Рока местная компания Fairchild Camera & Instrument согласилась инвестировать в новое дело $1,5млн, но с одним условием: у нее останется право в будущем выкупить компанию «восьмёрки» за вдвое большую сумму – если у тех дела пойдут в гору. Так была создана компания Fairchild Semiconductor, название которой буквально переводится как «Полупроводник чудо-ребёнка» (в немецком варианте – вундеркинда). И эти вундеркинды из Пало-Альто скоро заявили о себе.

Нойс считал себя отменным лентяем. И по его собственным словам, главное изобретение жизни он сделал также из-за лени. Ему надоело наблюдать, как при изготовлении микромодулей пластины кремния сначала разрезали на отдельные транзисторы, а затем опять соединяли друг с другом в единую схему. Все соединения паялись вручную под микроскопом – исходя из чего, процесс был достаточно трудоёмким и дорогостоящим. И в 1958 году Нойс наконец сообразил, как изолировать друг от друга отдельные транзисторы в кристалле. Так появились всем знакомые микросхемы-пластинки с графическим лабиринтом в виде «дорожек» из алюминиевых напылений, отделённых друг от друга изолирующим материалом.

На первых порах микросхемы с трудом пробивали себе дорогу на рынок. Но вначале 1970-х все резко изменилось: после того как в 1969 году Fairchild Semiconductor продавала определенный тип микрочипов (предсказанных Бардиным еще во время работы в Bell Telephone Laboratories) на $15 млн. Спустя два года объем продаж той же продукции подскочил до $100 млн.

Однако успехи «вундеркиндов» омрачили обычные в таких случаях приоритетные дрязги. Дело в том, что Джек Килби подал заявку на патент микросхемы в феврале 1959 года, а Нойс сделал это только спустя пять месяцев. Тем не менее он получил патент первым – в апреле 1961-го, а Килби – только через три года. После этого между конкурентами развязалась десятилетняя «приоритетная война», закончившаяся мировым соглашением: Апелляционный суд США подтвердил претензии Нойса на первенство в технологии, но одновременно постановил считать Килби создателем первой работающей микросхемы.

Роберт Нойс не дожил до положенной ему по праву Нобелевской премии 2000 года ровно десять лет – в 63-летнем возрасте он скончался в своем рабочем кабинете от сердечного приступа. Но до этого он основал вместе с Муром еще одну знаменитую компанию. Бросив в 1968 году налаженный бизнес в Fairchild Semiconductor, друзья решили назвать свое новое детище без затей: Moore Noyce. Однако по-английски это звучало более чем двусмысленно – почти как more noise («больше шума»), и компаньоны остановились на более официальном, зато содержительном Integrated Electronics. Затем их компания неоднократно меняла имя, и сегодня каждый пользователь «персоналок» может наблюдать её логотип с нынешним названием, коротким и звучным – Intel.

Так спустя два десятилетия после открытия Бардина, Браттейна и Шокли завершилась Великая кремниевая революция.

Занимательные факты:

Первый портативный радиоприемник располагал всего четырьмя транзисторами, первый микропроцессор Intel содержал 2300 транзисторов, а в четырехъядерных процессорах Intel на базе 45-нанометровой производственной технологии, выпущенных на рынок в ноябре 2007 года, насчитывается до 820 миллионов транзисторов.

Размер 45-нанометрового транзистора в 2000 раз меньше диаметра человеческого волоса.

Более 30 миллионов 45-нанометровых транзисторов можно разместить на булавочной головке.

Первый транзистор, созданный сотрудниками научно-исследовательского центра Bell Labs в 1947 году, можно было взять в руки, тогда как сотни новейших 45-нанометровых транзисторов Intel способны разместиться на поверхности одной красной кровяной клетки человека.

Стоимость транзистора, интегрированного на кристалле новейшего процессора Intel, примерно в миллион раз ниже средней стоимости полупроводникового транзистора, ставшего основой интегральных микросхем в 1968 году. Если бы цены на автомобили снижались столь же стремительно, сегодня новый автомобиль стоил бы около 1 цента.