🥇Transistorens historie, del 3: Genopfundne multipler

Andre artikler i serien:

I over hundrede år har den analoge hund logret med sin digitale hale. Forsøg på at udvide vores sanser - syn, hørelse og endda i en vis forstand berøring - fik ingeniører og videnskabsmænd til at søge efter bedre komponenter til telegrafer, telefoner, radioer og radarer. Det var kun ved rent held, at denne søgning opdagede vejen til skabelsen af nye typer digitale maskiner. Og jeg besluttede at fortælle historien om denne konstant eksaptation, hvor telekommunikationsingeniører leverede råmaterialerne til de første digitale computere, og nogle gange selv designede og byggede disse computere.

Men i 1960'erne sluttede dette frugtbare samarbejde, og med det min historie. Producenter af digitalt udstyr behøvede ikke længere at se til telegraf-, telefon- og radioverdenen efter nye, forbedrede kontakter, da transistoren i sig selv var en uudtømmelig kilde til forbedringer. År efter år gravede de dybere og dybere og fandt altid måder at eksponentielt øge hastigheden og reducere omkostningerne.

Intet af dette ville dog være sket, hvis opfindelsen af transistoren var stoppet kl arbejde af Bardeen og Brattain.

langsom start

Der var ringe entusiasme i den populære presse for Bell Labs' annoncering af opfindelsen af transistoren. Den 1. juli 1948 viede The New York Times tre afsnit til begivenheden i bunden af sin Radio News-rapport. Desuden dukkede denne nyhed op efter andre, som åbenbart blev betragtet som vigtigere: for eksempel det timelange radioprogram "Waltz Time", som skulle vises på NBC. Set i bakspejlet vil vi måske grine, eller endda skælde de ukendte forfattere ud – hvordan kunne de undlade at genkende den begivenhed, der vendte op og ned på verden?

Men bagklogskab forvrænger opfattelsen og forstærker signaler, hvis betydning vi ved gik tabt i et hav af støj på det tidspunkt. Transistoren fra 1948 var meget forskellig fra transistorerne på de computere, som du læser denne artikel på (medmindre du besluttede at printe den ud). De adskilte sig så meget, at de på trods af det samme navn og den ubrudte arvelinje, der forbinder dem, burde betragtes som forskellige arter, hvis ikke forskellige slægter. De har forskellige sammensætninger, forskellige strukturer, forskellige driftsprincipper, for ikke at nævne den enorme forskel i størrelse. Det var kun gennem konstant genopfindelse, at den klodsede enhed konstrueret af Bardeen og Brattain kunne transformere verden og vores liv.

Faktisk fortjente enkeltpunkts germaniumtransistoren ikke mere opmærksomhed, end den modtog. Det havde flere defekter, der var arvet fra vakuumrøret. Den var selvfølgelig meget mindre end de mest kompakte lamper. Fraværet af en varm filament betød, at den producerede mindre varme, forbrugte mindre energi, brændte ikke ud og ikke krævede opvarmning før brug.

Imidlertid førte akkumulering af snavs på kontaktfladen til fejl og ophævede potentialet for længere levetid; det gav et mere støjende signal; arbejdede kun ved lave kræfter og i et snævert frekvensområde; mislykkedes i nærvær af varme, kulde eller fugt; og det kunne ikke fremstilles ensartet. Flere transistorer skabt på samme måde af de samme mennesker ville have meget forskellige elektriske egenskaber. Og alt dette kostede otte gange så meget som en standardlampe.

Det var først i 1952, at Bell Labs (og andre patenthavere) havde løst produktionsproblemerne nok til, at enkeltpunktstransistorer kunne blive praktiske enheder, og selv dengang spredte de sig ikke meget ud over høreapparatmarkedet, hvor prisfølsomheden var relativt lav. og fordelene med hensyn til batterilevetid opvejede ulemperne.

Men da var de første forsøg allerede begyndt at gøre transistoren til noget bedre og mere brugbart. De begyndte faktisk meget tidligere end det øjeblik, hvor offentligheden hørte om dens eksistens.

Shockleys ambitioner

Mod slutningen af 1947 tog Bill Shockley en tur til Chicago i stor spænding. Han havde vage ideer om, hvordan han skulle slå Bardeen og Brattains nyligt opfundne transistor, men havde endnu ikke haft en chance for at udvikle dem. Så i stedet for at nyde en pause mellem arbejdets stadier tilbragte han jul og nytår på hotellet og fyldte omkring 20 sider af en notesbog med sine ideer. Blandt dem var et forslag til en ny transistor bestående af en halvledersandwich - en skive p-type germanium mellem to stykker af n-type.

Opmuntret af dette es i ærmet gjorde Shockley krav på Bardeen og Brattain for deres tilbagevenden til Murray Hill og hævdede al æren for at have opfundet transistoren. Var det ikke hans idé om felteffekten, der fik Bardeen og Brattain ind i laboratoriet? Burde dette ikke gøre det nødvendigt at overføre alle rettigheder til patentet til ham? Shockleys trick gav dog bagslag: Bell Labs patentadvokater fandt ud af, at den ukendte opfinder, Julius Edgar Lilienfeld, patenterede en halvlederfelteffektforstærker næsten 20 år tidligere, i 1930. Lilienfeld implementerede naturligvis aldrig sin idé, givet materialernes tilstand på det tidspunkt, men risikoen for overlapning var for stor - det var bedre helt at undgå at nævne felteffekten i patent.

Så selvom Bell Labs gav Shockley en generøs andel af opfinderens kredit, navngav de kun Bardeen og Brattain i patentet. Det, der er blevet gjort, kan dog ikke fortrydes: Shockleys ambitioner ødelagde hans forhold til to underordnede. Bardeen holdt op med at arbejde på transistoren og koncentrerede sig om superledning. Han forlod laboratorierne i 1951. Brattain blev der, men nægtede at arbejde sammen med Shockley igen og insisterede på at blive overført til en anden gruppe.

På grund af hans manglende evne til at arbejde med andre mennesker, gjorde Shockley aldrig fremskridt i laboratorierne, så han tog også derfra. I 1956 vendte han hjem til Palo Alto for at starte sit eget transistorfirma, Shockley Semiconductor. Før han rejste, skilte han sig fra sin kone Jean, mens hun var ved at komme sig fra livmoderkræft, og blev involveret med Emmy Lanning, som han snart giftede sig med. Men af de to halvdele af hans californiske drøm - et nyt firma og en ny kone - gik kun den ene i opfyldelse. I 1957 forlod hans bedste ingeniører, vred over hans ledelsesstil og den retning, han tog virksomheden i, ham for at stifte et nyt firma, Fairchild Semiconductor.

Shockley i 1956

Så Shockley forlod den tomme skal i sit firma og tog et job i den elektriske ingeniørafdeling i Stanford. Der fortsatte han med at fremmedgøre sine kolleger (og sin ældste ven, fysikeren Fred Seitz) teorier om racedegeneration, der interesserede ham og racehygiejne – emner, der har været upopulære i USA siden slutningen af sidste krig, især i akademiske kredse. Han glædede sig over at sætte gang i kontroverser, piske medierne op og fremkalde protester. Han døde i 1989, fremmedgjort fra sine børn og kolleger, og kun besøgt af sin evigt hengivne anden kone, Emmy.

Selvom hans svage forsøg på iværksætteri mislykkedes, havde Shockley plantet et frø i frugtbar jord. San Francisco Bay Area producerede mange små elektronikfirmaer, som blev skyllet med finansiering fra den føderale regering under krigen. Fairchild Semiconductor, Shockleys tilfældige afkom, affødte snesevis af nye virksomheder, hvoraf et par stadig er kendt i dag: Intel og Advanced Micro Devices (AMD). I begyndelsen af 1970'erne havde området fået det hånlige kaldenavn "Silicon Valley". Men vent et øjeblik - Bardeen og Brattain skabte germanium-transistoren. Hvor kom silicium fra?

Sådan så det forladte Mountain View-sted, der tidligere husede Shockley Semiconductor, ud i 2009. I dag er bygningen revet ned.

Mod Silicon Crossroads

Skæbnen for en ny type transistor, opfundet af Shockley på et hotel i Chicago, var meget lykkeligere end dens opfinders. Det er alt sammen takket være én mands ønske om at dyrke enkelte, rene halvlederkrystaller. Gordon Teal, en fysisk kemiker fra Texas, der havde studeret det dengang ubrugelige germanium til sin doktorgrad, tog et job på Bell Labs i 30'erne. Efter at have lært om transistoren blev han overbevist om, at dens pålidelighed og kraft kunne forbedres væsentligt ved at skabe den fra en ren enkeltkrystal i stedet for fra de polykrystallinske blandinger, der dengang blev brugt. Shockley afviste hans indsats som spild af ressourcer.

Teal blev dog ved og opnåede succes, med hjælp fra maskiningeniør John Little, og skabte en enhed, der udvinder et lille krystalfrø fra smeltet germanium. Da germanium afkølede omkring kernen, udvidede det sin krystalstruktur og skabte et kontinuerligt og næsten rent halvledende gitter. I foråret 1949 kunne Teal og Little skabe krystaller på bestilling, og test viste, at de var langt bagefter deres polykrystallinske konkurrenter. Især mindre transportører tilføjet til dem kunne overleve inde i hundrede mikrosekunder eller endda længere (mod ikke mere end ti mikrosekunder i andre krystalprøver).

Nu havde Teal råd til flere ressourcer og rekrutterede flere mennesker til sit hold, blandt hvilke en anden fysisk kemiker kom til Bell Labs fra Texas - Morgan Sparks. De begyndte at ændre smelten til at lave p-type eller n-type germanium ved at tilføje perler af passende urenheder. Inden for et år havde de forbedret teknologien i en sådan grad, at de kunne dyrke en germanium npn sandwich direkte i smelten. Og det fungerede nøjagtigt som Shockley forudsagde: et elektrisk signal fra p-type-materialet modulerede den elektriske strøm mellem to ledere forbundet til n-type-stykkerne, der omgav det.

Morgan Sparks og Gordon Teal ved et arbejdsbord på Bell Labs

Denne voksende overgangstransistor udkonkurrerer sin enkeltpunktskontaktforfader på næsten alle måder. Især var den mere pålidelig og forudsigelig, producerede meget mindre støj (og var derfor mere følsom) og var ekstremt energieffektiv - forbrugte en million gange mindre energi end et typisk vakuumrør. I juli 1951 holdt Bell Labs endnu en pressekonference for at annoncere den nye opfindelse. Allerede før den første transistor nåede at nå markedet, var den allerede blevet i det væsentlige irrelevant.

Og alligevel var dette kun begyndelsen. I 1952 annoncerede General Electric (GE) udviklingen af en ny proces til fremstilling af junction-transistorer, fusionsmetoden. I dens ramme blev to kugler af indium (p-type donor) smeltet sammen på begge sider af en tynd skive n-type germanium. Denne proces var enklere og billigere end at dyrke junctions i en legering; sådan en transistor gav mindre modstand og understøttede højere frekvenser.

Voksede og sammensmeltede transistorer

Året efter besluttede Gordon Teal at vende tilbage til sin hjemstat og tog et job hos Texas Instruments (TI) i Dallas. Virksomheden blev grundlagt som Geophysical Services, Inc., og producerede oprindeligt udstyr til olieefterforskning, TI havde åbnet en elektronikafdeling under krigen, og gik nu ind på transistormarkedet under licens fra Western Electric (produktionsafdelingen af Bell Labs).

Teal bragte nye færdigheder lært i laboratorierne: evnen til at vokse og legering silicium monokrystaller. Den mest åbenlyse svaghed ved germanium var dets følsomhed over for temperatur. Når de udsættes for varme, afgiver germanium-atomerne i krystallen hurtigt frie elektroner, og det blev i stigende grad til en leder. Ved en temperatur på 77 °C holdt den helt op med at fungere som en transistor. Hovedmålet for transistorsalg var militæret - en potentiel forbruger med lav prisfølsomhed og et stort behov for stabile, pålidelige og kompakte elektroniske komponenter. Temperaturfølsomt germanium ville dog ikke være nyttigt i mange militære applikationer, især inden for rumfartsområdet.

Silicium var meget mere stabilt, men kom på bekostning af et meget højere smeltepunkt, sammenligneligt med stål. Dette medførte enorme vanskeligheder, da meget rene krystaller var nødvendige for at skabe transistorer af høj kvalitet. Varmt smeltet silicium ville absorbere forurenende stoffer fra hvilken digel det var i. Teel og hans team hos TI var i stand til at overvinde disse udfordringer ved hjælp af ultra-rene siliciumprøver fra DuPont. I maj 1954, på en Institute of Radio Engineering-konference i Dayton, Ohio, demonstrerede Teal, at nye siliciumenheder produceret i hans laboratorium fortsatte med at fungere, selv når de blev nedsænket i varm olie.

Succesfulde opkomlinge

Endelig, omkring syv år efter, at transistoren først blev opfundet, kunne den fremstilles af det materiale, som den var blevet synonym med. Og der vil gå omtrent lige så lang tid, før transistorer dukker op, der nogenlunde ligner den form, der bruges i vores mikroprocessorer og hukommelseschips.

I 1955 lærte Bell Labs-forskere med succes at lave siliciumtransistorer med en ny dopingteknologi - i stedet for at tilføje faste kugler af urenheder til en flydende smelte, introducerede de gasformige additiver i den faste overflade af halvlederen (termisk diffusion). Ved omhyggeligt at kontrollere temperaturen, trykket og varigheden af proceduren opnåede de præcis den nødvendige dybde og grad af doping. Større kontrol over fremstillingsprocessen har givet større kontrol over slutproduktets elektriske egenskaber. Endnu vigtigere var det, at termisk diffusion gjorde det muligt at producere produktet i batcher - man kunne dope en stor plade silicium og derefter skære den i transistorer. Militæret gav finansiering til Bell Laboratories, fordi etablering af produktion krævede høje forudgående omkostninger. De havde brug for et nyt produkt til en ultra-højfrekvent tidlig advarselsradarlink (“Dug linjer"), en kæde af arktiske radarstationer designet til at opdage sovjetiske bombefly, der flyver fra Nordpolen, og de var villige til at udskyde $100 per transistor (det var de dage, hvor en ny bil kunne købes for $2000).

Legering med fotolitografi, som kontrollerede placeringen af urenheder, åbnede muligheden for at ætse hele kredsløbet helt på ét halvledersubstrat - dette blev samtidig tænkt på af Fairchild Semiconductor og Texas Instruments i 1959. "Planar teknologi" fra Fairchild brugte kemisk aflejring af metalfilm, der forbinder transistorens elektriske kontakter. Det eliminerede behovet for at skabe manuelle ledninger, reducerede produktionsomkostninger og øget pålidelighed.

Til sidst, i 1960, implementerede to Bell Labs ingeniører (John Atalla og Davon Kahn) Shockleys originale koncept for en felteffekttransistor. Et tyndt lag oxid på overfladen af halvlederen var i stand til effektivt at undertrykke overfladetilstande, hvilket fik det elektriske felt fra aluminiumsporten til at trænge ind i siliciumet. Således blev MOSFET [metal-oxid-halvleder-felteffekttransistor] (eller MOS-struktur, fra metal-oxid-halvleder), som viste sig at være så let at miniaturisere, og som stadig bruges i næsten alle moderne computere (interessant nok) født , Atalla kommer fra Egypten, og Kang er fra Sydkorea, og praktisk talt kun disse to ingeniører fra hele vores historie har ikke europæiske rødder).

Endelig, tretten år efter opfindelsen af den første transistor, dukkede noget, der ligner transistoren i din computer. Den var lettere at fremstille og brugte mindre strøm end krydstransistoren, men var ret langsom til at reagere på signaler. Det var først med udbredelsen af storskala integrerede kredsløb, med hundreder eller tusinder af komponenter placeret på en enkelt chip, at fordelene ved felteffekttransistorer kom til syne.

Illustration fra felteffekttransistorpatentet

Felteffekten var Bell Labs' sidste store bidrag til udviklingen af transistoren. Store elektronikproducenter som Bell Laboratories (med deres Western Electric), General Electric, Sylvania og Westinghouse har akkumuleret en imponerende mængde halvlederforskning. Fra 1952 til 1965 registrerede Bell Laboratories alene mere end to hundrede patenter om dette emne. Alligevel faldt det kommercielle marked hurtigt i hænderne på nye spillere som Texas Instruments, Transitron og Fairchild.

Det tidlige transistormarked var for lille til at tiltrække de store aktørers opmærksomhed: omkring 18 millioner dollars om året i midten af 1950'erne sammenlignet med et samlet elektronikmarked på 2 milliarder dollars. Disse giganters forskningslaboratorier fungerede imidlertid som utilsigtede træningslejre hvor unge videnskabsmænd kunne absorbere halvlederviden, før de gik videre med at sælge deres tjenester til mindre virksomheder. Da markedet for rørelektronik begyndte at skrumpe for alvor i midten af 1960'erne, var det for sent for Bell Labs, Westinghouse og resten at konkurrere med opkomlingerne.

Overgangen af computere til transistorer

I 1950'erne invaderede transistorer elektronikverdenen i fire store områder. De to første var høreapparater og bærbare radioer, hvor lavt strømforbrug og deraf følgende lang batterilevetid tilsidesatte andre overvejelser. Den tredje var militær brug. Den amerikanske hær havde store forhåbninger til transistorer som pålidelige, kompakte komponenter, der kunne bruges i alt fra feltradioer til ballistiske missiler. Men i de tidlige dage virkede deres forbrug på transistorer mere som et væddemål på teknologiens fremtid end en bekræftelse af deres daværende værdi. Og endelig var der også digital computing.

På computerområdet var manglerne ved vakuumrørafbrydere velkendte, og nogle skeptikere mente før krigen endda, at en elektronisk computer ikke kunne gøres til en praktisk enhed. Når tusindvis af lamper blev samlet i én enhed, spiste de elektricitet og producerede enorme mængder varme, og med hensyn til pålidelighed kunne man kun stole på deres regelmæssige udbrændthed. Derfor blev den energisvage, seje og trådløse transistor computerproducenternes redning. Dens ulemper som forstærker (for eksempel mere støjende output) var ikke et sådant problem, når det blev brugt som en switch. Den eneste hindring var omkostningerne, og med tiden ville de begynde at falde kraftigt.

Alle de tidlige amerikanske eksperimenter med transistoriserede computere fandt sted i skæringspunktet mellem militærets ønske om at udforske potentialet i en lovende ny teknologi og ingeniørernes ønske om at flytte til forbedrede switches.

Bell Labs byggede TRADIC til det amerikanske luftvåben i 1954 for at se, om transistorer ville gøre det muligt at installere en digital computer om bord på et bombefly, der erstatter analog navigation og hjælper med at finde mål. MIT Lincoln Laboratory udviklede TX-0 computeren som en del af et omfattende luftforsvarsprojekt i 1956. Maskinen brugte en anden variant af overfladebarrieretransistoren, velegnet til højhastighedsdatabehandling. Philco byggede sin SOLO-computer under en kontrakt med flåden (men faktisk efter anmodning fra NSA), og færdiggjorde den i 1958 (ved at bruge en anden variant af overfladebarrieretransistoren).

I Vesteuropa, mindre udstyret med ressourcer under den kolde krig, var historien meget anderledes. Maskiner som Manchester Transistor Computer, Harwell KADET (et andet navn inspireret af ENIAC-projektet og stavet baglæns) og østrigsk Mailüfterl var sideprojekter, der brugte de ressourcer, deres skabere kunne skrabe sammen – inklusive førstegenerations enkeltpunktstransistorer.

Der er en masse kontroverser om titlen på den første computer, der bruger transistorer. Det hele handler selvfølgelig om at vælge de rigtige definitioner for ord som "først", "transistor" og "computer." Under alle omstændigheder ved vi, hvor historien ender. Kommercialiseringen af transistoriserede computere begyndte næsten øjeblikkeligt. År efter år blev computere til samme pris mere kraftfulde, og computere med samme kraft blev billigere, og denne proces virkede så ubønhørlig, at den blev ophøjet til lovens rang, ved siden af tyngdekraften og bevarelsen af energi. Behøver vi at skændes om, hvilken sten der var den første til at kollapse?

Hvor kommer Moores lov fra?

Når vi nærmer os slutningen af switchens historie, er det værd at spørge: hvad fik dette sammenbrud til at ske? Hvorfor eksisterer (eller eksisterede) Moores lov - det vil vi skændes om en anden gang? Der er ingen Moores lov for fly eller støvsugere, ligesom der ikke er nogen for vakuumrør eller relæer.

Svaret har to dele:

Logiske egenskaber for en switch som artefaktkategori.
Evnen til at bruge rent kemiske processer til at lave transistorer.

Først om essensen af switchen. Egenskaberne for de fleste artefakter skal opfylde en bred vifte af utilgivelige fysiske begrænsninger. Et passagerfly skal bære den samlede vægt af mange mennesker. En støvsuger skal kunne suge en vis mængde snavs på en bestemt tid fra et bestemt fysisk område. Fly og støvsugere ville være ubrugelige, hvis de blev reduceret til nanoskala.

En kontakt, en automatisk kontakt, der aldrig er blevet rørt af en menneskelig hånd, har langt færre fysiske begrænsninger. Den skal have to forskellige tilstande, og den skal kunne kommunikere til andre lignende switches, når deres tilstande ændres. Det vil sige, at det eneste, den skal kunne gøre, er at tænde og slukke. Hvad er så specielt ved transistorer? Hvorfor har andre typer digitale switches ikke oplevet sådanne eksponentielle forbedringer?

Her kommer vi til det andet faktum. Transistorer kan fremstilles ved hjælp af kemiske processer uden mekanisk indgreb. Helt fra begyndelsen var et nøgleelement i transistorproduktion brugen af kemiske urenheder. Så kom den plane proces, som eliminerede det sidste mekaniske trin fra produktionen - fastgørelse af ledningerne. Som et resultat slap han af med den sidste fysiske begrænsning på miniaturisering. Transistorer behøvede ikke længere at være store nok til menneskelige fingre - eller nogen mekanisk enhed. Det hele blev gjort ved simpel kemi, i en ufattelig lille skala: syre til at ætse, lys til at kontrollere, hvilke dele af overfladen der ville modstå ætsning, og damp til at indføre urenheder og metalfilm i de ætsede spor.

Hvorfor er miniaturisering overhovedet nødvendig? Reduktion af størrelsen gav en hel galakse af behagelige bivirkninger: øget skiftehastighed, reduceret energiforbrug og omkostningerne til individuelle kopier. Disse kraftfulde incitamenter har fået alle til at søge efter måder at reducere antallet af switches på. Og halvlederindustrien er gået fra at lave kontakter på størrelse med en fingernegl til at pakke titusinder af kontakter pr. kvadratmillimeter i en mands levetid. Fra at bede om otte dollars for én switch til at tilbyde tyve millioner switches for en dollar.

Intel 1103 hukommelseschip fra 1971. Individuelle transistorer, der kun er ti mikrometer store, er ikke længere synlige for øjet. Og siden er de faldet yderligere tusind gange.

Hvad skal man ellers læse:

Ernest Bruan og Stuart MacDonald, Revolution in Miniature (1978)
Michael Riordan og Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
Joel Shurkin, Broken Genius (1997)

Kilde: www.habr.com

Transistorens historie, del 3: Genopfundne multipler