Брат кристадина и транзитрона

Полупроводниковый усилитель электрических сигналов, известный всем как транзистор, справедливо считают одним из величайших достижений научно-технической мысли XX столетия. Ведь его появление стало революционным началом новой полупроводниковой эры, которая сегодня уже гордится интегральными микросхемами (или, на иностранный лад, чипами).

Роботы здесь не ходят

Революционность транзистора можно проиллюстрировать на примерах из творчества таких популярных в нашей стране писателей-фантастов, как Станислав Лем и Айзек Азимов. У первого космический звездолет Непобедимый, имевший стрелявшее антиматерией супероружие, испытывал затруднения с оперативной связью из-за долгого времени прогревания электронных ламп. А человекоподобные роботы Азимова, массовое распространение которых великий фантаст прочил к 2000 году, весили по несколько тонн из-за наличия в них тысяч тех же самых ламп-триодов и диодов.

В те времена функцию транзистора выполняли как раз тяжелые и громоздкие радиолампы, хорошо знакомые людям второй половины XX века в связи с регулярной необходимостью вызова мастера для их замены. Поэтому появление миниатюрного электронного компонента действительно кардинально изменило жизнь человечества.

Датой появления на свет транзистора считается 23 декабря 1947 года, когда состоялось официальное представление изобретения. А впервые отцы-создатели биполярного транзистора Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн, работавшие в конструкторском центре Bell Laboratories, продемонстрировали его действующий образец неделей раньше — 16 декабря.

В 1956 году все они были удостоены Нобелевской премии в области физики. Кстати, Джон Бардин стал единственным за всю историю дважды лауреатом в области физики. Вторая премия была присуждена ему в 1972 году за создание теории сверхпроводимости.

Эксперимент длиною в век

Между тем три американца просто оказались в нужном месте и при достаточном количестве денег, позволившем довести до конца дело, начатое почти за сто лет до них.

Прадедушкой транзистора можно назвать знаменитого английского ученого Майкла Фарадея, в 1833 году обнаружившего физические явления полупроводимости, которые в течение целого столетия оставались непредсказуемыми, невоспроизводимыми и необъяснимыми. Правда, чисто эмпирически К. Браун в 1874 году доказал, что с помощью полупроводников можно выпрямлять переменный ток, а с начала XX века стали изготавливать диоды, пригодные для детектирования радиосигналов.

Но лишь после разработки А. Вильсоном в 1931 году квантовой теории полупроводников начались подлинно научные исследования в этой области. Было обнаружено, что переносчиками электричества в них являются не только электроны, но и подобные им положительно заряженные дырки; установили, что незначительные загрязнения кардинально изменяют свойства полупроводников; научились выплавлять достаточно совершенные и чистые полупроводниковые кристаллы.

А пока теоретической базы не было, экспериментировали в основном методом тыка. Так, еще в 1922 году в Нижегородской радиолаборатории 18-летний радиофизик Олег Лосев, экспериментируя с детекторами, обнаружил, что в некоторых точках кристалла игольчатый контакт проявлял не только детектирующее, но и усиливающее воздействие на радиосигнал. Прибор Лосева вошел в историю полупроводниковой электроники как кристадин. Однако по причине того, что он был двухэлектродным устройством, на роль предшественника классического транзистора он все же не годится.

За пределами СССР дела шли немного лучше. В первой половине 30-х годов контактные трехэлектродные полупроводниковые усилители изобрели и собрали, по крайней мере, двое радиолюбителей — канадец Лэрри Кайзер и тринадцатилетний новозеландский школьник Роберт Адамс. Достоверно известно, что несколькими годами позже непрактичный, но все-таки действующий кристаллический усилитель построили немцы Роберт Поль, чья книга Механика, акустика и учение о теплоте переведена на русский язык, и Рудольф Хилш. Чуть позднее немец Юлиус Лилиенфельд запатентовал полупроводниковый усилитель, который можно считать дедушкой современных полевых транзисторов.

Ближе всех к современному транзистору приблизились немцы Герберт Матаре и Генрих Велкер, после войны жившие во Франции, где параллельно с американцами успешно работали над прибором под названием транзитрон. В парижском филиале компании Westinghouse был организован небольшой цех, где изготавливали эти приборы. Причем за счет более тщательной сборки они работали лучше и дольше американского аналога. Их даже покупало министерство почты для установки на новых телефонных линиях. Однако французские власти вскоре потеряли интерес к субсидированию проекта, и инициативу перехватили американцы.

В 1925 г. корпорация American Telephone & Telegraph открыла научный и опытно-конструкторский центр Bell Laboratories. Во второй половине 30-х годов его директор Мервин Келли задумал серию исследований, направленных на замену ламповых усилителей полупроводниковыми. Эту работу возглавил Бекер, который привлек к ней теоретика Шокли и блестящего экспериментатора Браттейна. Исследования продвигались успешно, и в 1938 году Шокли четко изложил идею замены лампового триода полупроводниковым элементом, в котором электроны должны протекать по тонкому нитевидному полупроводнику, а не пролетать в вакууме между катодом, как это происходит в радиолампе. Однако война заставила ученых направить свои силы на решение других задач.

Когда же боевые действия закончились, они вернулись к прежним исследованиям. Денег начальство белловских лабораторий не жалело, и 16 декабря 1947 года заработал твердотельный усилитель, который и считают первым в мире транзистором. Устроен он был очень просто — металлическая подложка-электрод и лежащая на ней пластинка германия с двумя тончайшими золотыми контактами, отстоящими друг от друга на расстояние не шире волоска.

Таким образом, история создания самого значимого полупроводника напоминает гриммовскую сказку о трех братьях, только наоборот: наиболее успешным оказался не бедняк с котом, а богатенький владелец мельницы. Во всех случаях ученые, разрабатывавшие новую технологию, имели в запасе одинаковое наследство в виде теоретических и практических изысканий. Но в силу различных обстоятельств распорядились они им по-разному. Деньги, как это часто случается в жизни, и здесь сыграли решающую роль.

По закону Мура

Современное название транзистор придумал Джон Пирс, коллега Шокли, Бардина и Браттейна. В мае 1948 года он победил во внутреннем конкурсе, организованном среди сотрудников Bell Labs, на самое удачное название изобретения, которому на тот момент исполнилось всего несколько месяцев. Слово transistor образовано путем соединения двух терминов: transconductance (активная межэлектродная проводимость) и variable resistor или varistor (переменное сопротивление, варистор).

Первыми потребителями транзисторов стали радиолюбители, использовавшие их для усиления сигнала. Именно поэтому появившиеся в 50-е годы портативные беспроводные радиоприемники назывались транзисторными, или даже просто транзисторами. Однако со временем эти элементарные приборы стали использоваться в основном как элементы интегральных микросхем, что обеспечило им важнейшую роль в технических достижениях человечества на протяжении последних 40 лет.

В 1958 году Джек Килби из компании Texas Instruments и Роберт Нойс из компании Fairchild Semiconductor, ставший впоследствии одним из основателей корпорации Intel, изобрели способ объединения большого числа полупроводниковых транзисторов в одну интегральную схему, или микросхему. Это был гигантский шаг вперед — ведь прежде отдельные компоненты электрической схемы приходилось соединять вручную.

У микросхем было два преимущества: более низкая стоимость и более высокая производительность. Оба преимущества явились следствием миниатюризации, которая обеспечивала экспоненциальное сокращение размеров устройств и необычайную динамичность производственного процесса.

Гордон Мур, который в 1968 году вместе с Нойсом основал процессорный гигант Intel, в одной из журнальных статей 1965 года сформулировал прогноз, получивший название закон Мура. Согласно этому закону, число транзисторов в микросхеме должно было удваиваться каждые полтора-два года, что, в свою очередь, обеспечивало бы повышение вычислительной мощности и снижение конечной стоимости продукта при его массовом производстве. Возможность размещения множества компактных элементов на поверхности малого размера оказалась решающим фактором для успешного продвижения микросхем.

Производителям микросхем удается поддерживать этот темп роста плотности размещения транзисторов в микросхеме уже на протяжении десятков лет. Первый компьютерный микропроцессор корпорации Intel 4004, выпущенный в 1971 году, содержал 2.300 транзисторов. В 1989 году в процессоре Intel 486 их было уже 1.200.000, а в 2000 году процессор Intel Pentium 4 преодолел рубеж 42 миллиона. Новый четырехъядерный процессор Intel Core 2 Extreme, созданный на базе 45-нанометровой производственной технологии, содержит 820 миллионов транзисторов.

Нет у революции конца?

Закону Мура постоянно предсказывают кончину, поскольку бесконечный экспоненциальный рост невозможен по определению. Но производителям процессоров до сих пор удается обходить это ограничение. В сентябре прошлого года Гордон Мур заявил, что у закона его имени есть все шансы оставаться в силе еще как минимум 10-15 лет, прежде чем технологи столкнутся с новыми фундаментальными барьерами.

Уже сегодня битва за миниатюризацию исчерпала возможности одного из наиболее критических компонентов конструкции: прослойки из диоксида кремния, служившей изолирующим слоем между затвором транзистора и его каналом, по которому течет ток, когда транзистор включен. С каждым новым поколением процессоров этот изолирующий слой становился все более тонким — пока два поколения назад его толщина не достигла значения 1,2 нм (нанометр — миллиардная доля метра), или 5 атомов.

В январе 2007 года корпорация Intel объявила, что впервые за сорок лет изолирующий слой будет состоять не из оксида кремния, а из материала на основе гафния, превосходящего кремний по электрическим свойствам и позволяющего снизить ток утечки в десять раз. Гордон Мур назвал это достижение самым важным изменением транзисторных технологий с конца 60-х годов.

Однако данный прорыв решал проблему лишь наполовину. Новый материал оказался несовместимым с важным компонентом транзистора — затвором. Еще хуже то, что транзисторы с новым изолирующим материалом работали менее эффективно, чем со старым. Тогда было предложено заменить и материал затвора.

И корпорация Intel открыла уникальное сочетание металлов, состав которого держится в строгом секрете. 12 ноября этого года публике было представлено поколение процессоров на основе этих материалов и 45-нанометровой производственной технологии. Новым транзисторам требуется на 30% меньше энергии для включения и выключения.

Газета Белорусы и рынок, Владимир БАРАНИЧ