🥇Історія транзистора, частина 3: багаторазове перевинахід

Інші статті циклу:

Більше сотні років аналоговий собака виляв цифровим хвостом. Спроби розширити можливості наших органів чуття – зору, слуху, і навіть, у певному сенсі, дотику, вели інженерів та вчених на пошуки кращих компонентів для телеграфу, телефону, радіо та радарів. Лише завдяки щасливому випадку ці пошуки виявили шлях до створення нових типів цифрових машин. І я вирішив розповісти історію цієї постійної екзаптації, Під час якої інженери електрозв'язку постачали вихідні матеріали для перших цифрових комп'ютерів, а іноді навіть самі проектували та створювали ці комп'ютери.

Але до 1960-х років ця плідна співпраця добігла кінця, а з ним і моя історія. Виробникам цифрового обладнання вже не потрібно було заглядати у світ телеграфу, телефону та радіо у пошуках нових, покращених перемикачів, оскільки сам транзистор забезпечив невичерпне джерело покращень. Рік за роком вони копали все глибше, завжди знаходячи способи експоненційно збільшувати швидкість роботи і зменшувати вартість.

Однак нічого цього не сталося б, якби винахід транзистора зупинився б на роботі Бардіна та Бреттейна.

повільний старт

У популярній пресі не спостерігалося активного ентузіазму у зв'язку з оголошенням лабораторій Белла про винахід транзистора. 1 липня 1948 року в The New York Times цій події відвели три абзаци внизу зведення «Новин радіо». Причому ця новина з'явилася після інших, які, очевидно, вважалися важливішими: наприклад, годинникове радіошоу «Час вальсу», яке мало з'явитися на NBC. Заднім розумом ми, можливо, захочемо посміятися, або навіть приборкати невідомих авторів – як же вони не змогли розпізнати подію, що перевернула світ?

Але погляд у минуле спотворює сприйняття, посилюючи ті сигнали, значимість яких нам відомо, хоча тоді вони губилися у морі шуму. Транзистор 1948 сильно відрізнявся від транзисторів комп'ютерів, на одному з яких ви читаєте цю статтю (якщо ви не вирішили її роздрукувати). Відрізнялися так сильно, що, незважаючи на однакову назву, і безперервну лінію спадкування, що пов'язує їх, їх треба вважати різними видами, якщо не різними пологами. Вони різні склади, різна структура, різний принцип функціонування, а про гігантському відмінності у розмірах. Тільки завдяки постійним повторним винаходам незграбний пристрій, споруджений Бардіном та Бреттейном, зміг перетворити мир і наше життя.

Насправді, германієвий транзистор з однією точкою контакту не заслуговував на увагу більшого, ніж отримав. Він мав кілька дефектів, успадкованих від електронної лампи. Він, звичайно, був набагато меншим за найкомпактніші лампи. Відсутність розжареної нитки означало, що вона видає менше тепла, споживає менше енергії, не перегорає і вимагає прогріву перед використанням.

Однак накопичення бруду на контактній поверхні призводило до відмов і зводило нанівець потенціал до більш тривалого терміну служби; він давав гучніший сигнал; працював лише за низьких потужностей і у вузькому діапазоні частот; відмовляв за наявності спеки, холоду чи вологості; і його не виходило виробляти однаково. Кілька транзисторів, створених тим самим способом одними й тими самими людьми, мали б зухвало різними електричними характеристиками. І все це супроводжувалося вартістю у вісім разів більшою, ніж у стандартної лампи.

Тільки до 1952 року лабораторії Белла (та інші власники патенту) вирішили проблеми виробництва достатньо для того, щоб транзистори з однією точкою контакту стали практичними пристроями, і навіть тоді вони не особливо поширилися далі за ринок слухових апаратів, на якому чутливість до цін була відносно низькою. а переваги, що стосуються часу роботи від акумулятора, перевищували недоліки.

Однак тоді вже почалися перші спроби перетворити транзистор на щось краще і корисніше. Вони взагалі почалися набагато раніше того моменту, коли громадськість дізналася про його існування.

Амбіції Шоклі

До кінця 1947 Білл Шоклі у великому збудженні зробив поїздку в Чикаго. У нього були невиразні ідеї з приводу того, як перевершити нещодавно винайдений Бардіним і Бреттейном транзистор, але йому поки не представилося шансу розробити їх. Тому замість того, щоб насолоджуватися перервою між етапами в роботі, він провів Різдво та Новий рік у готелі, заповнивши близько 20 сторінок блокноту своїми ідеями. Серед них була пропозиція нового транзистора, що складається з напівпровідникового сендвіча – скибочки з германію p-типу між двома шматочками n-типу.

Підбадьорюваний наявністю такого туза в рукаві, Шоклі пред'явив Бардіну і Бреттейну претензії щодо їх повернення до Мюррей-Хілл, вимагаючи всієї слави за винахід транзистора. Хіба не його ідея про польовий ефект змусила Бардін та Бреттейна засісти в лабораторії? Хіба не потрібно через це передати всі права на патент? Однак хитрість Шоклі вийшла йому боком: патентні юристи лабораторій Белла з'ясували, що невідомий винахідник Юлій Едгар Лілієнфельд, запатентував напівпровідниковий підсилювач на польовому ефекті майже за 20 років до цього, в 1930. Лілієнфельд, звичайно, так і не втілив свою ідею, враховуючи стан матеріалів на той час, але ризик перетину був занадто великий - краще було повністю уникнути згадки польового ефекту в патент.

Отже, хоча лабораторії Белла і видали Шоклі щедру частку слави винахідника, у патенті вони згадали лише Бардіна та Бреттейна. Однак, зробленого не повернеш: амбіції Шоклі знищили його взаємини із двома підлеглими. Бардін припинив роботу над транзистором і сконцентрувався на надпровідності. Він пішов з лабораторій у 1951 році. Бреттейн залишився там, але відмовився знову працювати з Шоклі, і наполіг на переведення в іншу групу.

Через нездатність працювати з іншими людьми, Шоклі так і не просунувся в лабораторіях, тому теж пішов звідти. У 1956 році він повернувся додому в Пало-Альто, щоб заснувати власну компанію з виробництва транзисторів, Shockley Semiconductor. Перед від'їздом він розлучився з дружиною Джин, коли вона відновлювалася від раку матки, і зійшовся з Еммі Леннінг, з якою незабаром одружився. Але з двох половин його каліфорнійської мрії – нова компанія та нова дружина – виповнилася лише одна. У 1957 найкращі його інженери, розгнівані його стилем управління та напрямком, у якому він вів компанію, пішли від нього, щоб заснувати нову фірму, Fairchild Semiconductor.

Шоклі у 1956

Тож Шоклі кинув порожню оболонку своєї компанії та влаштувався до департаменту електротехніки у Стенфорді. Там він продовжував відштовхувати від себе своїх колег (і свого найстаршого друга, фізика Фреда Зейтца) зацікавили його теоріями расового виродження та расової гігієни – темами, непопулярними США після закінчення останньої війни, особливо у академічних колах. Він знаходив задоволення в розв'язанні суперечок, збудженні ЗМІ та викликанні протестів. Він помер у 1989 році, віддалившись від дітей та колег, і відвідуваний тільки вічно відданою йому другою дружиною, Еммі.

Хоча його жалюгідні спроби на терені підприємництва провалилися, Шоклі впустив зерно в плідний ґрунт. Область затоки Сан-Франциско народила безліч невеликих фірм, які виробляють електроніку, які присмачував фінансуванням федеральний уряд під час війни. Fairchild Semiconductor, випадковий син Шоклі, породив десятки нових фірм, парочка яких відома і сьогодні: Intel та Advanced Micro Devices (AMD). На початку 1970-х ця область заслужила насмішкувате прізвисько «Кремнієва долина». Але стривайте-но - адже Бардін і Бреттейн створили германієвий транзистор. Звідки взявся кремній?

Так у 2009 році виглядало занедбане місце у Маунтін-В'ю, де раніше знаходилася Shockley Semiconductor. Сьогодні будівлю знесено.

До кремнієвого перехрестя

Доля нового типу транзистора, придуманого Шоклі в готелі Чикаго, була набагато щасливіша, ніж у його винахідника. Все завдяки прагненню однієї людини вирощувати єдині чисті напівпровідникові кристали. Гордон Тіл, фізичний хімік з Техасу, який вивчав марний тоді германій для своєї докторської, у 30-х роках влаштувався працювати в лабораторії Белла. Дізнавшись про транзистор, він упевнився в тому, що його надійність і потужність можна значно поліпшити, створивши його з чистого монокристалу, а не з полікристалічних сумішей, що використовувалися тоді. Шоклі відкинув його спроби, вважаючи їх марною витратою ресурсів.

Однак Тіл упирався і досяг успіху, за допомогою інженера-механіка Джона Літла створивши апарат, що дістає крихітний зародок кристала з розплавленого германію. Охолоджуючи навколо зародка, германій розширював його кристалічну структуру, створюючи безперервну і майже чисту решітку. Навесні 1949 року Тіл і Літл могли створювати кристали на замовлення, і випробування показали, що вони залишають далеко позаду своїх полікристалічних конкурентів. Зокрема, додані в них неосновні переносники могли виживати всередині сотню мікросекунд або навіть довше (проти не більш як десять мікросекунд в інших пробах кристалів).

Тепер Тіл міг дозволити собі більше ресурсів і набрав у свою команду більше людей, серед яких був ще один фізичний хімік, який прийшов у лабораторії Белла з Техасу - Морган Спаркс. Вони почали змінювати розплав виготовлення германію p-типу чи n-типу, додаючи кульки відповідних домішок. Ще за рік вони вдосконалили технологію настільки, що могли вирощувати германієвий npn сендвіч прямо в розплаві. І він працював саме так, як передбачав Шоклі: електричний сигнал матеріалу p-типу модулював електричний струм між двома провідниками, з'єднаними з оточуючими його шматочками n-типу.

Морган Спаркс та Гордон Тіл за верстатом у лабораторіях Белла

Цей транзистор з вирощеним переходом перевершив свого предка з одним точковим контактом майже за всіма статтями. Особливо він став більш надійним і передбачуваним, видавав набагато менше шуму (і, отже, був чутливішим), і надзвичайно енергоефективним – споживаючи в мільйон разів менше енергії, ніж типова електронна лампа. У липні 1951 року лабораторії Белла організували ще одну прес-конференцію, щоб оголосити про новий винахід. Ще до того, як перший транзистор зумів вийти на ринок, він по суті вже став несуттєвим.

І все-таки це був лише початок. У 1952 році General Electric (GE) оголосила про створення нового процесу створення транзисторів з переходом, сплавного методу. У його рамках дві кульки індію (донор p-типу) сплавлялися з двох сторін тонкої скибочки з германію n-типу. Цей процес був простішим і дешевшим, ніж вирощування переходів у сплаві, такий транзистор давав менше опору і підтримував великі частоти.

Вирощені та сплавні транзистори

Наступного року Гордон Тіл вирішив повернутися до свого рідного штату і влаштувався на роботу в Texas Instruments (TI) у Далласі. Компанія була заснована під ім'ям Geophysical Services, Inc. і спочатку виробляла обладнання для розвідування нафтових родовищ, TI відкрила підрозділ електроніки під час війни, і тепер виходила на ринок транзисторів за ліцензією від Western Electric (виробничого підрозділу лабораторій Белла).

Тіл приніс із собою нові навички, здобуті в лабораторіях: здатність вирощувати та легувати монокристали кремнію. Найбільш очевидною слабкістю германію була його чутливість до температури. Піддаючись впливу тепла, атоми германію в кристалі швидко скидали вільні електрони, і він усе більше перетворювався на провідник. При температурі 77 °C він взагалі переставав працювати, як транзистор. Головною метою продажу транзисторів були збройні сили – потенційний споживач із низькою ціновою чутливістю та величезною потребою у стабільних, надійних та компактних електронних компонентах. Однак чутливий до температури германій не став би в нагоді у багатьох випадках військового застосування, особливо в аерокосмічній області.

Кремній був набагато стабільнішим, проте розплачуватися доводилося набагато вищою точкою плавлення, порівнянною з точкою плавлення сталі. Це викликало величезні труднощі з огляду на те, що для створення високоякісних транзисторів були потрібні дуже чисті кристали. Гарячий розплавлений кремній вбирав би забруднення з будь-якого тигля, в якому знаходився б. Тіл із командою з TI зуміли подолати ці труднощі за допомогою надчистих зразків кремнію від DuPont. У травні 1954 року на конференції інституту радіоінженерів у Дайтоні (Огайо) Тіл продемонстрував, що нові кремнієві пристрої, вироблені в його лабораторії, продовжували працювати, навіть зануреними в гарячу олію.

Успішні вискочки

Нарешті, приблизно через сім років після першого винаходу транзистора його можна було виготовляти з матеріалу, з яким він став синонімом. І ще приблизно стільки ж часу пройде до появи транзисторів, що грубо нагадують ту форму, що використовується в мікропроцесорах і чіпах пам'яті.

У 1955 році вчені з лабораторій Белла успішно навчилися робити кремнієві транзистори з новою технологією легування - замість того, щоб додавати тверді кульки домішок у рідкий розплав, вони впроваджували газоподібні добавки в тверду поверхню напівпровідника.термодифузія). Ретельно контролюючи температуру, тиск та тривалість процедури, вони досягали точно необхідної глибини та ступеня легування. Посилення контролю за виробничим процесом дало посилення контролю за електричними властивостями кінцевого продукту. Ще важливо, термодифузія дала можливість виробляти продукт партіями – можна було легувати велику плиту кремнію, а потім нарізати її на транзистори. Військові забезпечили фінансування лабораторій Белла, оскільки на організацію виробництва були потрібні високі попередні витрати. Їм був потрібен новий продукт для ультрависокочастотної лінії раннього радіолокаційного виявлення («лінії Дью«), ланцюжку арктичних радарних станцій, призначених для виявлення радянських бомбардувальників, що летять з боку Північного полюса, і вони були готові викласти по $100 за транзистор (це були часи, коли новий автомобіль можна було купити за $2000).

Легування разом з фотолітографією, Що керувала розташуванням домішок, відкрили можливість витравлювати весь контур цілком на одній напівпровідниковій підкладці - до цього одночасно додумалися Fairchild Semiconductor і Texas Instruments в 1959.Планарна технологія»Fairchild використовувала хімічне осадження металевих плівок, що з'єднують електричні контакти транзистора. Вона позбавляла необхідності створення проводки вручну, зменшувала вартість виробництва та збільшувала надійність.

Нарешті, 1960-го два інженери з лабораторій Белла (Джон Аталла та Девон Кан) реалізували оригінальну концепцію Шоклі транзистора на польовому ефекті. Тонкий шар оксиду на поверхні напівпровідника зміг ефективно пригнічувати поверхневі стани, внаслідок чого електричне поле алюмінієвого затвора проникало всередину кремнію. Так народився MOSFET [metal-oxide semiconductor field-effect transistor] (або МОП-структура, від метал-оксид-напівпровідник), який виявилося так легко зменшити, і який досі використовується майже у всіх сучасних комп'ютерах (цікаво, що Аталла був родом з Єгипту, а Кан з Південної Кореї, і практично лише ці двоє інженерів з усієї нашої історії не мають європейського коріння).

Нарешті через тринадцять років після винаходу першого транзистора з'явилося щось, що нагадує транзистор вашого комп'ютера. Його було простіше виробляти, він використовував менше енергії, ніж площинний транзистор, проте досить повільно реагував на сигнали. Тільки після поширення великих інтегральних схем із сотнями чи тисячами компонентів, розташованими на єдиному чіпі, переваги польових транзисторів вийшли на перший план.

Ілюстрація патенту на польовий транзистор

Польовий ефект став останнім серйозним внеском лабораторій Белла у розробку транзистора. Великі виробники електроніки, такі, як лабораторії Белла (з їхньою Western Electric), General Electric, Sylvania і Westinghouse напрацювали вражаючий обсяг досліджень напівпровідників. З 1952 по 1965 лише лабораторії Белла зареєстрували понад дві сотні патентів на цю тему. І все ж комерційний ринок швидко перейшов до рук таких нових гравців, як Texas Instruments, Transitron та Fairchild.

Ранній ринок транзисторів був надто маленьким для того, щоб на нього звертали увагу великі гравці: близько $18 млн на рік у середині 1950-х, порівняно із загальним обсягом ринку електроніки в $2 млрд. Проте дослідні лабораторії цих гігантів служили ненавмисними тренувальними таборами, де молоді вчені могли вбирати знання, що стосуються напівпровідників, щоб потім переходити до продажу своїх послуг меншим фірмам. Коли ринок лампової електроніки в середині 1960-х почав серйозно тиснути, для лабораторій Белла, Westinghouse та інших було вже надто пізно змагатися з вискочками.

Перехід комп'ютерів на транзистори

У 1950-х транзистори вторглися у світ електроніки у чотирьох найбільш значних областях. Першими двома були слухові апарати та портативні радіоприймачі, в яких низьке енергоспоживання, і, як наслідок, тривала робота від батареї, пересиливали інші міркування. Третьою було військове застосування. Армія США покладала великі надії на транзистори, як на надійні та компактні компоненти, які можна використовувати скрізь, від польового радіо до балістичних ракет. Однак спочатку їх витрати на транзистори більше були схожі на ставку на майбутнє технології, ніж на підтвердження їх тодішньої цінності. І, нарешті, були цифрові обчислення.

У комп'ютерній області недоліки перемикачів на електронних лампах добре відомі, причому деякі скептики до війни навіть вважали, що електронний комп'ютер не вдасться зробити практичним пристроєм. Коли тисячі ламп збирали в одному пристрої, вони пожирали електроенергію, видаючи величезну кількість тепла, а щодо надійності можна було покластися тільки на їх регулярне вигоряння. Тому транзистор, що мало споживає, холодний і не має нитки, став рятівником комп'ютерних виробників. Його недоліки як підсилювача (наприклад, більш шумний вихідний сигнал) не становили такої вже проблеми при використанні його як перемикач. Єдиною перешкодою була вартість, і свого часу вона почне різко падати.

Усі ранні американські експерименти з транзисторними комп'ютерами відбувалися на перетині бажання військових вивчити потенціал багатообіцяючої нової технології та бажання інженерів перейти на покращені перемикачі.

У лабораторіях Белла в 1954 році побудували TRADIC для ВПС США, щоб подивитися, чи дадуть транзистори можливість встановити цифровий комп'ютер на борту бомбардувальника, замінивши їм аналогову навігацію та допомогу у пошуку цілей. Лабораторія Лінкольна з MIT розробила комп'ютер TX-0 в рамках великого проекту ППО в 1956 році. Машина використала ще один варіант транзистора, поверхнево-бар'єрний, що добре підходив для високошвидкісних обчислень. Philco побудувала свій комп'ютер SOLO за контрактом з ВМФ (проте реально - на запит АНБ), закінчивши його в 1958 (використовуючи ще один варіант поверхнево-бар'єрного транзистора).

У Західній Європі, не настільки забезпеченою ресурсами під час Холодної війни, історія була зовсім іншою. Такі машини, як Manchester Transistor Computer, Harwell CADET (ще одна назва, натхненна проектом ENIAC, і зашифрована написанням задом наперед), і австрійська Mailüfterl були побічними проектами, що використовували ресурси, які їх творці могли наскрести - включаючи транзистори з однією точкою контакту першого покоління.

Йде безліч суперечок з приводу титулу першого комп'ютера, який використовував транзистори. Все, звичайно, упирається у вибір правильних визначень таких слів, як "перший", "транзисторний" та "комп'ютер". У будь-якому разі відомо, де історія закінчується. Комерціалізація транзисторних комп'ютерів розпочалася майже одразу. Рік за роком комп'ютери за ту саму ціну ставали все більш потужними, а комп'ютери однієї потужності ставали дешевшими, і цей процес здавався настільки невблаганним, що його звели в ранг закону, поряд з гравітацією та збереженням енергії. Чи потрібно нам сперечатися про те, який камінчик став першим у обвалі?

Звідки взявся закон Мура?

Наближаючись до закінчення історії перемикача, варто запитати: що призвело до появи цього обвалу? Чому закон Мура існує (або існував – посперечаємося про це іншим разом)? Для літаків чи пилососів закону Мура немає, як немає його для електронних ламп чи реле.

Відповідь складається з двох частин:

Логічні характеристики перемикача як категорії артефакту.
Можливість використовувати суто хімічні процеси виготовлення транзисторів.

Спочатку про суть перемикача. Властивості більшості артефактів мають задовольняти широкому спектру невблаганних фізичних обмежень. Пасажирський літак повинен витримувати загальну вагу багатьох людей. Пилосос повинен вміти засмоктувати певну кількість бруду за певний час із певної фізичної площі. Літаки та пилососи будуть марними, якщо зменшити їх до наномасштабів.

У перемикача – автоматичного перемикача, якого ніколи не торкалася рука людини – фізичних обмежень набагато менше. У нього має бути два різні стани, і він повинен уміти повідомляти іншим таким же перемикачам зміну їх станів. Тобто все, що він повинен уміти, це включатися і вимикатися. Що ж такого особливого у транзисторах? Чому інші види цифрових перемикачів не зазнали таких експоненційних покращень?

Тут ми наближаємося до другого факту. Транзистори можна виготовляти з допомогою хімічних процесів без механічного втручання. З початку ключовим елементом виробництва транзисторів було застосування хімічних домішок. Потім з'явився планарний процес, який усунув останній механічний крок із виробництва – приєднання дротів. В результаті він позбувся останнього фізичного обмеження на мініатюризацію. Транзисторам не потрібно було бути досить великими для пальців людини – чи будь-якого механічного пристрою. Все робила проста хімія, на неймовірно невеликому масштабі: кислота для травлення, світло для управління тим, які частини поверхні протистоятимуть травленню, і пари для застосування домішок та металевих плівок на витрачені доріжки.

А навіщо взагалі потрібна мініатюризація? Зменшення розміру давало цілу плеяду приємних побічних ефектів: збільшення швидкості перемикання, зменшення споживання енергії та вартості окремих екземплярів. Ці потужні стимули спонукали всіх шукати способи подальшого зменшення перемикачів. І напівпровідникова індустрія за життя однієї людини перейшла від виготовлення перемикачів розміром з ніготь до упаковки десятків мільйонів перемикачів на квадратний міліметр. Від запиту вісім доларів за один перемикач до пропозиції двадцяти мільйонів перемикачів за долар.

Чіп пам'яті Intel 1103 від 1971 року. Окремі транзистори, розміром лише в десятки мікрометрів, уже невиразні оком. А з того часу вони зменшилися ще в тисячу разів.

Що ще почитати:

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

Джерело: habr.com

Історія транзистора, частина 3: багаторазове винахід