Инноваторы. Как несколько гениев, хакеров и гиков совершили цифровую революцию

Айзексон Уолтер

Бардин сообразил, что, если полупроводник заряжен, электроны захватываются его поверхностью. Двигаться свободно они не могут. Электроны образуют запирающий слой, и электрическое поле, даже если на расстоянии в один миллиметр от поверхности оно сильное, не может преодолеть этот барьер. «Добавочные электроны оказались заперты в поверхностных состояниях, они неподвижны, — заметил Шокли. — В сущности, поверхностные состояния экранируют внутренность полупроводника от воздействия положительно заряженной управляющей пластины» ^[275] .

275

Shockley, The Path to the Conception of the Junction Transistor; Michael Riordan, The Lost History of the Transistor, IEEE Spectrum, май 2004 г.

Теперь у команды была новая задача: понять, как можно прорваться через барьер на поверхности полупроводника. «Мы сосредоточились на новых

экспериментах, связанных с поверхностными состояниями Бардина», — объяснял Шокли. Они должны были пробить брешь в этом барьере, чтобы заставить полупроводник регулировать, переключать и усиливать ток ^[276] .

Весь следующий год команда продвигались вперед медленно, но в ноябре 1947 года было сделано несколько открытий, и начался месяц, известный как «месяц чудес». Бардин разработал теорию так называемого «вентильного фотоэффекта», согласно которой освещение находящихся в контакте разнородных тел приводит к появлению электродвижущей силы. Он предположил, что в результате некоторые из электронов, образующих барьер, вытесняются. Браттейн, работавший бок о бок с Бардиным, ставил хитроумные эксперименты, пытаясь нащупать возможность сделать это. Им помогла счастливая случайность. Часть экспериментов Браттейн проводил в термосе, чтобы можно было варьировать температуру. Но конденсат на поверхности кремния раз за разом не позволял провести эксперимент чисто. Лучше всего было бы поместить все устройство в вакуум, но это требовало больших усилий. «Я на редкость ленивый физик, — признался Браттейн. — Поэтому я решил поместить мою систему в диэлектрическую жидкость» ^[277] . Он наполнил термос водой, что обеспечивало простой способ избавления от конденсата. Семнадцатого ноября они с Бардиным провели испытания. Все работало великолепно.

276

Riordan and Hoddeson, Crystal Fire, 121.

277

Устный рассказ Браттейна, AIP.

Это было в понедельник. Всю неделю они с переменным успехом проверяли всяческие теоретические предположения и экспериментировали. К пятнице Бардин придумал, как избавиться от необходимости погружать устройство в воду. Вместо этого, предложил он, можно просто капнуть воду или небольшое количество геля прямо в то место, где острый металлический наконечник утыкается в кремний. «Здорово, Джон, — обрадовался Браттейн. — Давай попробуем». Нельзя было допустить, чтобы металлический наконечник вступал в контакт с каплей воды. Но Браттейн был волшебником, умевшим импровизировать. С этой проблемой он справился с помощью сургуча. Браттейн нашел хорошую кремниевую пластинку, чуть-чуть капнул на нее водой, покрыл кусочек проволоки сургучом, чтобы изолировать ее от воды, и, пропустив проволоку через каплю воды, воткнул ее в кремний. Сработало. Его устройство давало возможность, правда немного, усилить ток. Из этой хитро придуманной конструкции «точечного контакта» родился транзистор.

На следующее утро Бардин зашел к себе в кабинет, чтобы зафиксировать полученный результат в своих записях: «Эти опыты определенно указывают на то, что электрод или решетку можно использовать для контроля тока в полупроводнике» ^[278] . Он даже появился на работе в воскресенье, хотя обычно этот день он оставлял для гольфа. Кроме того, они с Браттейном решили, что настало время пообщаться с Шокли, который уже несколько месяцев был погружен в другие дела. В течение следующих двух недель он часто спускался к ним на этаж вниз со своими предложениями, но в основном давал возможность этой энергичной паре самостоятельно продвигаться вперед.

278

Riordan and Hoddeson, Crystal Fire, 131.

Сидя в лаборатории Браттейна прямо рядом с его рабочим местом, Бардин спокойно выдвигал идеи, а тот лихорадочно проверял их. Иногда, когда шли эксперименты, их результаты в журнал Браттейна записывал Бардин. День благодарения прошел незамеченным. Они тестировали различные устройства, используя германий вместо кремния, проверяли, что лучше, лак или сургуч, и подходит ли золото для наконечников электродов.

Обычно эксперименты Браттейна следовали за теориями Бардина, но иногда случалось и обратное: неожиданные результаты экспериментов становились стимулом для рождения новых теорий. В одном из экспериментов с германием ток, по-видимому, тек в направлении, обратном тому, которое они ожидали. Но коэффициент усиления по току был больше трехсот, что значительно превосходило все их предыдущие достижения. Из-за этого Браттейну и Бардину пришлось сыграть в старую шутливую игру физиков: они знали, что на практике этот подход работает, но могут ли они заставить его работать в теории? Вскоре Бардин придумал, как это можно сделать. Он понял, что отрицательная разность потенциалов уносит электроны, приводя к увеличению числа «электронных дырок». Дырка образуется там, где мог бы существовать электрон, но его там нет. Существование таких дырок вызывает поток электронов.

Была одна сложность: новый метод не позволял усиливать высокие частоты, включая частоты слышимого звука. И это делало его бесполезным для телефонов. Бардин предположил, что дело в капле воды или электролита. Поэтому он сразу предложил несколько других устройств. В

одном из них место присоединения проводящей проволоки к германию находилось на крошечном расстоянии от золотой пластины, создающей поле. Напряжение повысить удалось, по крайней мере немного, и устройство работало на более высоких частотах. И опять у Бардина была наготове теория для этих, полученных с помощью шестого чувства, результатов: «Эксперимент подсказывает, что дырки перетекают на поверхность германия из пятнышка золота» ^[279] .

279

Bardeen, Semiconductor Research Leading to the Point Contact Transistor, нобелевская лекция.

Бардин и Браттейн неуклонно продолжали творческий поиск. Они сообразили, что лучший способ увеличить коэффициент усиления — внедрить в германий два точечных контакта, расположенных по-настоящему близко друг к другу. Бардин рассчитал, что расстояние между ними должно быть меньше одной десятой миллиметра. Это была сложная задача даже для Браттейна. Но он придумал остроумный прием: наклеил кусочек золотой фольги на небольшой пластиковый клин, напоминавший наконечник стрелы, а затем лезвием бритвы сделал тонкий разрез в фольге вблизи вершины клина. Так получилось два точечных контакта из золота, расположенных достаточно близко друг от друга. «Только это я и сделал, — вспоминал Браттейн. — Я осторожно вел бритву до тех пор, пока не появился круговой разрез, положил его на пружинку и опустил на тот же кусок германия» ^[280] .

280

Устный рассказ Браттейна, AIP.

Когда Браттейн и Бардин испробовали это хитроумное устройство 16 декабря 1947 года, свершилось чудо: устройство работало. «Я обнаружил, что, если вогнать клинышек правильно, — вспоминал Браттейн, — получается усилитель, усиливающий примерно в сто раз и работающий вплоть до звукового диапазона» ^[281] . Вечером по пути домой разговорчивый Браттейн подробно излагал своим спутникам, которых развозили по домам в служебном автомобиле, что только что он «сделал наиважнейший из всех проведенных им в жизни экспериментов». Затем он взял с них обещание никому ничего не рассказывать ^[282] . Бардин, по своему обыкновению, был менее разговорчив. Но, придя домой, он сделал нечто необычное: он заговорил с женой о том, что происходило на работе. Бардин произнес всего одно предложение. Его жена была на кухне. Она чистила морковку возле раковины, когда он тихо пробормотал: «Сегодня мы открыли нечто важное» ^[283] .

281

Устный рассказ Браттейна, AIP.

282

Shurkin, Broken Genius, 1876.

283

Riordan and Hoddeson, Crystal Fire, 4, 137.

В самом деле, транзистор стал одним из самых важных открытий ХХ века. Он появился в результате сотрудничества теоретиков и экспериментаторов, работавших бок о бок в тесном контакте, обменивавшихся в реальном времени теориями и результатами экспериментов. Он появился и благодаря обстановке, в которой они работали. Они бродили по длинным коридорам, сталкиваясь со специалистами, знавшими, как обращаться с примесями в германии, или участвовали в семинарах, где были люди, умевшие объяснить наличие поверхностных состояний на языке квантовой механики. В кафетерии за одним столиком с ними были инженеры, до тонкости изучившие все возможности передачи сигналов по телефону на большие расстояния.

На следующий четверг, 23 декабря, Шокли созвал остальных членов своей полупроводниковой группы и некоторых руководителей Bell Labs, чтобы продемонстрировать новое устройство. Эксперты надели наушники и по очереди говорили в микрофон, так что они сами слышали, как простое твердотельное устройство усиливает человеческий голос. Сказанное тогда вполне могло стать не менее известно, чем первые слова, которые Александр Белл прокричал в телефон, но никто не мог вспомнить, что было произнесено в тот знаменательный день. Это событие сохранилось для истории благодаря сдержанным записям в лабораторном журнале. «Включая и выключая устройство, можно было слышать явное улучшение уровня чувствительности микрофона», — записал Браттейн ^[284] . Запись Бардина была еще более сухой: «Получено усиление напряжения путем использования двух золотых электродов на специально подготовленной поверхности германия» ^[285] .

284

Riordan and Hoddeson, Crystal Fire, 139.

285

Shurkin, Broken Genius, 1934.