От точечного транзистора Шокли - к миллиардам переключателей на кончике пальца.
Декабрьская ночь, которая изменила всё
Шёл декабрь 1947 года. За окнами лаборатории Bell Labs в Мюррей-Хилле, штат Нью-Джерси, мело снегом. Уолтер Браттейн - невысокий, упрямый экспериментатор с привычкой говорить что думает - склонился над куском германия размером с горошину. Рядом стоял теоретик Джон Бардин, тихий и методичный, человек, умевший в уме видеть то, чего ещё не существовало в природе.
Браттейн нечаянно перепутал полярность приложенного напряжения - и схема вдруг начала усиливать сигнал. Не гасить, не пропускать как есть, а именно усиливать - в несколько раз. Пальцы замерли. Оба физика переглянулись.
Через неделю, 23 декабря 1947 года, они официально представили своё изобретение руководству компании. Начальство поначалу не вполне понимало, что именно лежит перед ними на столе. Зато потом - засекретило разработку почти на полгода. На всякий случай.
Этот маленький прибор из двух металлических игл и кристалла германия получил имя транзистор - от английского transfer («передавать») и resistor («сопротивление»). Сегодня он - самый массово производимый рукотворный объект в истории человечества. По некоторым оценкам, только за последние несколько лет их было изготовлено больше, чем за всё предшествующее время вместе взятое. Число транзисторов в мире давно перевалило за цифру с двадцатью нулями.
Чего хотела Bell Labs - и зачем это было нужно
История транзистора начинается не в декабре 1947-го, а значительно раньше - с простой и насущной проблемы телефонной компании.
В 1930–40-е годы телефонные сети Америки держались на электронных лампах - громоздких стеклянных цилиндрах, раскалявшихся докрасна и перегоравших с завидной регулярностью. Первый электронный компьютер ENIAC, запущенный в 1946 году, содержал около 18 000 таких ламп - и каждые несколько часов одна из них выходила из строя. Огромный зал, битком набитый техниками с запасными лампами в руках, - вот что такое вычисления первого поколения.
Компания AT&T, которой принадлежали Bell Labs, мечтала об усилителе принципиально иного рода: маленьком, надёжном, холодном, долговечном. Именно поэтому ещё в 1945 году директор лаборатории Мервин Келли собрал специальную группу по исследованию твёрдого тела. Возглавил её Уильям Шокли - блестящий теоретик с резким характером и неудержимым честолюбием.
Шокли был убеждён: будущее - за полупроводниками. И он оказался абсолютно прав.
Почему германий, а не железо
Прежде чем понять, как работает транзистор, необходимо вспомнить то, о чём мы говорили в предыдущей статье: не все вещества одинаково относятся к электрическому току. В металле - меди, железе, алюминии - электроны свободно блуждают по всему кристаллу, как горожане по незакрытым улицам. В изоляторе - стекле, резине - они намертво заперты в своих «квартирах»: запрещённая зона слишком широка, чтобы её можно было преодолеть при обычных условиях.
Полупроводник - германий, кремний, арсенид галлия - занимает срединное положение. Его запрещённая зона достаточно узка, чтобы небольшое число электронов всё же перебралось на верхний этаж при комнатной температуре. Проводит ток? Да, но плохо. Зато - это ключевое - проводимостью полупроводника можно управлять.
Именно это и нужно было Бардину, Браттейну и Шокли.
Примеси как инструмент: n- и p-тип
Представьте идеально чистый кристалл кремния. Каждый атом имеет четыре валентных электрона и делит их с четырьмя соседями - решётка замкнута и симметрична, свободных носителей почти нет. Ток течёт с трудом.
Теперь добавьте в этот кристалл ничтожную примесь - например, фосфор. У атома фосфора пять валентных электронов. Четыре он тратит на связи с соседями-кремниевыми атомами, а пятый - лишний, не нужный решётке - болтается почти свободно. Он легко перескакивает в зону проводимости, где может двигаться под действием электрического поля. Такой полупроводник называют n-типом (от латинского negative - отрицательный, по знаку носителя).
Теперь возьмём другую примесь - бор. У него три валентных электрона. Вступая в связь с кремниевой решёткой, он образует «дырку» - место, куда как будто недостаёт электрона. Эта дырка ведёт себя как положительный заряд: соседние электроны «прыгают» в неё, перемещая дырку в обратную сторону. Такой полупроводник - p-тип.
Именно из двух таких «домов» с разными правилами и собирается транзистор.
Сердце прибора: три слоя и два перехода
Классический биполярный транзистор - это «сэндвич» из трёх слоёв полупроводника. В транзисторе типа n-p-n тонкий слой p-типа (называемый базой) зажат между двумя слоями n-типа - эмиттером и коллектором.
На каждой границе n-p возникает уже знакомый нам p-n переход - барьер, через который носители тока не могут свободно перебраться. В состоянии покоя транзистор закрыт: коллекторный переход не пропускает ток. Электроны стоят перед барьером, как очередь перед закрытой дверью.
Но вот на базу подаётся небольшое управляющее напряжение. Эмиттерный переход открывается, и в базу вливается поток электронов из эмиттера. База тонкая - электроны не успевают с ней «договориться» и проскакивают насквозь, прямо в коллектор. Дверь открыта. Через транзистор течёт ток.
Главное чудо здесь - в соотношении: маленький ток базы управляет большим током коллектора. Изменяя сигнал на базе в сотни раз, можно управлять мощным током в цепи коллектора. Транзистор усиливает сигнал - или работает как ключ: открыт или закрыт, «1» или «0».
Это и есть фундаментальный принцип всей цифровой электроники.
Шокли, обида и рождение Кремниевой долины
История транзистора - это не только история физики, но и история человеческих амбиций.
Когда в декабре 1947 года первый транзистор заработал, его создателями официально стали Бардин и Браттейн. Уильям Шокли, их непосредственный руководитель, в тот момент находился в командировке. Он был взбешён: он - теоретик, вдохновитель всего направления - оказался в стороне от триумфа.
Шокли не простил этого ни себе, ни коллегам. В течение следующих нескольких недель, не выходя из гостиничного номера, он разработал собственную, принципиально иную конструкцию - биполярный плоскостной транзистор. Он оказался значительно технологичнее точечного прибора Бардина и Браттейна и именно в этой форме завоевал мир.
В 1956 году все трое получили Нобелевскую премию по физике «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта». Говорят, на церемонии они почти не разговаривали друг с другом.
Вскоре Шокли покинул Bell Labs и в 1956 году основал собственную компанию - Shockley Semiconductor Laboratory - в небольшом городке Маунтин-Вью, Калифорния. Он приглашал туда лучших молодых физиков и инженеров страны. Но его невыносимый характер сделал своё дело: восемь самых талантливых сотрудников ушли и основали собственную фирму - Fairchild Semiconductor. Впоследствии двое из них, Роберт Нойс и Гордон Мур, основали компанию под названием Intel.
Так личная обида одного учёного дала начало Кремниевой долине.
Закон Мура: гонка, которая длилась полвека
В 1965 году Гордон Мур опубликовал короткую статью в журнале Electronics, в которой заметил: количество транзисторов на интегральной микросхеме удваивается приблизительно каждые два года при примерно той же стоимости производства.
Это наблюдение стало пророчеством, известным сегодня как закон Мура. И электронная промышленность следовала ему с поразительной точностью на протяжении более пятидесяти лет.
В 1971 году Intel выпустила первый коммерческий микропроцессор 4004 - универсальный чип размером с ноготь, содержавший 2300 транзисторов. Он работал на частоте 740 кГц и по вычислительной мощности примерно равнялся первым ламповым компьютерам, занимавшим целые залы.
Сравните с сегодняшним днём. Современные процессоры содержат десятки миллиардов транзисторов. Размер одного транзистора - несколько нанометров, то есть в тысячи раз меньше бактерии. Если бы автомобильная промышленность развивалась такими же темпами, как микроэлектроника, современный автомобиль стоил бы несколько копеек и разгонялся до скорости света.
Полевой транзистор: другая философия управления
Параллельно с биполярным транзистором развивалась и другая ветвь - полевой транзистор (МОП-транзистор, или MOSFET). Его принцип принципиально иной.
Здесь управление током осуществляется не инжекцией носителей через базу, а электрическим полем через тончайший слой диэлектрика - оксида кремния. Напряжение на затворе создаёт или уничтожает проводящий канал между двумя электродами - стоком и истоком. Когда напряжение на затворе превышает пороговое значение, в канале формируется тонкий проводящий слой - и ток течёт. Убираем напряжение - канал исчезает, ток прекращается.
Полевой транзистор потребляет ничтожно мало энергии в статическом состоянии, легко уменьшается в размерах и идеально подходит для интегральных схем. Именно MOSFET сегодня составляет подавляющее большинство транзисторов в любом процессоре, смартфоне или микроконтроллере.
Кремний против германия: почему победил тот, кто не первый
Любопытная деталь: первые транзисторы Бардина и Браттейна были сделаны из германия, а не кремния. Германий легче очищать, он лучше проводит при низких температурах. Казалось бы, он и должен был стать «металлом» новой эпохи.
Но у кремния оказалось одно решающее преимущество: его оксид – SiO2 - это превосходный диэлектрик, который сам же вырастает на поверхности кремния при нагреве. Природа будто специально позаботилась: полупроводник и изолятор для него из одного материала. Именно это сделало возможным полевой транзистор и весь современный КМОП-процесс производства микросхем.
Кремний выиграл не потому, что он лучший полупроводник. Он выиграл потому, что у него лучший оксид.
Транзистор сегодня: предел достижим?
На протяжении десятилетий инженеры уменьшали транзисторы, следуя закону Мура, как будто природа специально подготовила бесконечный запас пространства для миниатюризации. Но сегодня размеры транзисторов приближаются к нескольким атомным диаметрам. Квантовые эффекты, которые когда-то были лишь теоретическими курьёзами, становятся инженерными проблемами: электроны начинают «просачиваться» сквозь барьеры путём квантового туннелирования - даже если ключ закрыт.
Индустрия отвечает на этот вызов по-разному. Трёхмерные архитектуры - транзисторы, поставленные «вертикально», один над другим. Новые материалы - нитрид галлия, арсенид индия. Квантовые компьютеры, где «транзистором» служит сам квантовый бит. Нейроморфные чипы, имитирующие не двоичную логику, а аналоговую работу нейронных сетей мозга.
Закон Мура в его классическом виде, возможно, подходит к концу. Но гонка не останавливается - она просто меняет правила.
Послесловие: горошина, изменившая мир
Браттейн так и не получил главного признания при жизни - его всегда затмевал харизматичный Шокли. Бардин после транзистора получил вторую Нобелевскую премию - за теорию сверхпроводимости, став единственным физиком с двумя нобелевскими наградами в одной области. Шокли в старости увлёкся евгеникой и закончил жизнь в полном одиночестве, отвергнутый даже собственными детьми.
А кусочек германия размером с горошину, собранный в декабрьскую ночь 1947 года, живёт теперь в каждом смартфоне, каждом автомобиле, каждом холодильнике с «умным» управлением, в серверах, хранящих все фотографии, все разговоры, всю память человечества о последних десятилетиях.
История транзистора - это история о том, как фундаментальная наука о поведении электронов в кристалле неожиданно для самих учёных оказалась самой практичной наукой в истории. О том, что теория запрещённых зон, рождённая в тиши университетских кабинетов, в конечном счёте изменила то, как мы разговариваем, думаем, работаем и помним.
Следующий раз, когда вы нажмёте кнопку на телефоне, вспомните: в это мгновение миллиарды крохотных кристаллических ключей одновременно открылись и закрылись. Каждый - за доли наносекунды. Каждый - чуть больше нескольких атомов в поперечнике. И каждый - прямой потомок той декабрьской горошины из Bell Labs.
Андрей Повный