2.8. Полупроводники

Самое удивительное в будущем – это мысль о том, что наше время будут называть старыми добрыми временами.

Джон Стейнбек

Открытие полупроводников и создание полупроводниковых приборов по праву считается одной из важнейших инноваций ушедшего века. Именно это открытие вызвало лавину новых технических изобретений, стало причиной нового витка научно-технической революции, привело к появлению компьютеров, интернета, сотовых телефонов и качественно изменило нас. Теперь человека можно называть не «человек разумный», а «человек информационный».

Датой рождения полупроводниковой электроники можно считать 1833 год, когда Майкл Фарадей обнаружил, что электропроводность сульфидов серебра с ростом температуры не уменьшается, как это характерно для металлов, а наоборот, увеличивается.

Немного отвлечёмся от полупроводниковой темы и ещё раз удивимся тому, как Фарадей, подобно талантливому футболисту-нападающему, оказывается в нужном месте и в нужное время. Только футболист за один матч может иметь несколько таких моментов, а моментов появления новых технических направлений развития Цивилизации всего несколько за всю историю Человечества. И во главе двух из них оказался Майкл Фарадей!

Так что отдадим должное Фарадею, не будем требовать от него невозможного – естественно, что объяснения этому явлению он не дал, а лишь описал его, открыв тем самым эру полупроводников.

Следующая дата, связанная с историей полупроводников – 1874 год. В статье журнала Analen der Phusik und Chemie немецкий учёный Фердинанд Браун описывает интересные свойства некоторых «серных металлов» проводить электрический ток только в одну сторону. Интересное свойство контакта металла и полупроводника проводить ток в одном направлении противоречит закону Ома. Казалось бы, надо всесторонне исследовать это явление, но современники просто не заметили этого факта, как и весьма неуклюжих попыток Брауна дать этому какие-то объяснения.

С высоты сегодняшнего дня, времени сотовых телефонов и компьютеров, мы, конечно, можем обвинить учёных того времени в недальновидности, но это будет несправедливо. Сложно, а порой и невозможно рассмотреть в рядовой статье зародыш будущей технологии. Тем более, что таких зародышей направлений развития техники, взаимоисключающих друг друга, может быть много. В бескомпромиссной конкурентной борьбе технической эволюции победитель определяется по факту через десятки, а то и через сотни лет. Легко предсказывать события и давать им объяснения после того, как они произошли!

Сегодня выходят тысячи и десятки тысяч статей научно-технического содержания. Можно сказать определённо, что среди них обязательно есть и те, которые неузнаваемо изменят мир будущего. Найдите эти статьи, займитесь описываемой в них проблематикой и возможно, что вы станете лауреатом Нобелевской премии. Если же вы начнёте делать на этом бизнес, то непременно станете миллиардером!

Но вернёмся к истории развития полупроводников, которая преподнесёт нам ещё много весьма поучительных примеров.

В 1906 году американец Гринлиф Виттер Пикард получает патент на кристаллический детектор, получивший название «Кошачий ус». Название связывается с внешним видом этого детектора: тонкая металлическая проволока, осуществляющая точечный контакт с поверхностью полупроводника, действительно сильно напоминает кошачий ус. Этот экстравагантный по внешнему виду прибор позволяет выпрямлять и демодулировать высокочастотный переменный ток. Проблема заключается в том, что для удовлетворительной работы устройства необходимо найти наиболее подходящие точки на поверхности полупроводника. Но поиск таких точек стал бессмысленным с появлением вакуумных ламп, которые сразу и надолго решили проблемы выпрямления тока. «Кошачий ус» не без оснований тут же отнесли к бесперспективной ветви технической эволюции и отправили умирать в архивы и технические музеи. Наступил период царствования вакуумных ламп.

Но развитие полупроводников не прекратилось. Подобно тому, как млекопитающие прятались до поры до времени в тени царствующих динозавров, подбирая крошки с их стола, полупроводники медленно, но верно продолжали под звуки ламповых радиоприёмников своё пока незаметное шествие к мировому господству.

Следующая страница этой истории связана с удивительным человеком, нашим соотечественником – Олегом Владимировичем Лосевым, широко известным за рубежом, но незаслуженно забытым у себя на родине.

Свою карьеру Лосев начинает в 1920 году, тогда ему исполнилось 17 лет. Сбывается мечта его жизни – его берут посыльным в Московский институт связи, где по вечерам ему разрешено работать в лаборатории. Молодому посыльному дают самый бесперспективный участок – разработку кристаллического детектора. Так как все трудились в области «новейших технологий», связанных с лампами, никто не хотел заниматься тупиковой темой полупроводников. Именно поэтому посыльный Лосев имеет возможность работать в одиночку и полностью самостоятельно.

Специалистам того времени было хорошо известно, что в полупроводниковом детекторе нельзя создать высокочастотные колебания и получить усиление в принципе. Но вчерашний школьник этого не знает… Он скрупулезно и трудолюбиво экспериментирует, фиксирует и находит точку в кристалле, позволяющую генерировать в нём высокочастотные сигналы!

Свои результаты Лосев представляет в скромной статье журнала «Телеграфия и телефония без проводов» в 1922 году. То, чего не может быть, Лосевым объясняется довольно путано и странно. Сегодня, анализируя эту статью, становится понятно, что молодой сотрудник Московского института связи пытался объяснить квантовые эффекты задолго до появления квантовой механики. Он создал туннельный диод, за «переоткрытие» которого японский физики Лео Исаки получил Нобелевскую премию в 1977 году.

В 1923 году Лосев получил патент на детекторный приёмник-гетеродин, а в 1924 году выпускает брошюру под названием «Кристадин». Миллионы радиолюбителей Советского Союза используют изобретение Лосева. Статьи Лосева публикуются в ведущих отечественных и иностранных технических журналах. Начинается активное обсуждение работ двадцатилетнего изобретателя. Его изобретение иначе как сенсационным и не называют. Автор одной из американских статей Хьго Генсбек не только восторженно отзывается о изобретении, но предусмотрительно и меркантильно регистрирует торговую марку «Кристадин».

Далее Лосев работает в Ленинградском физико-техническом институте. Позже было найдено письмо Лосева, датированное 12 июля 1939 года. В нём он чётко указывает на возможность построения полупроводниковой системы, выполняющей функции вакуумного триода, и высказывает намерение напечатать по этому поводу ряд статей. Если бы это произошло, то наш соотечественник стал бы изобретателем транзистора и, можно сказать, официально бы «разрезал ленточку», открывающую эпоху транзисторной научно-технической революции. Но в 1935 году по причине очередной реорганизации Лосев остаётся без работы. Может быть, это послужило косвенной причиной того, что эти статьи так и не были опубликованы. С трудом всемирно известный изобретатель устраивается ассистентом в Первый медицинский институт, где пытается продолжать свои исследования в мало подходящих для этого условиях. Олег Владимирович Лосев умер от голода в блокадном Ленинграде 22 января 1942 года. Ему было всего 38 лет. Вместе с Лосевым исчез первый шанс СССР вовремя войти в новый технологический уклад.

Основоположниками и первооткрывателями транзистора стали американцы Уильям Шокли, Джон Бардин и Уоттер Браттейн, которые работали в научно-конструкторском центре корпорации American Telepone and Telegraph. Именно они и создали точечный германиевый триод (первый полупроводниковый транзистор). Известна точная дата рождения транзистора – 19 декабря 1947 года. В этот день уставший от длительной и неудачной работы Браттейн случайно сдвинул иголки, определяющие зону управления транзистором, очень близко и, кроме того, ещё и перепутал их полярность. Экран осциллографа равнодушно высветил картинку, к которой они безуспешно стремились несколько лет – было видно значительное усиление сигнала.

30 июня 1948 года в Нью-Йорке прошла открытая презентация транзистора. Она, к удивлению изобретателей, не вызвала интереса общественности. Заметка об этом эпохальном открытии была опубликована на 46 странице «Нью-Йорк Таймс» в рубрике «Новости радио» и осталась совершенно незамеченной. Но к ещё большему удивлению и разочарованию изобретателей и корпорации результат никак не заинтересовал военных, на выгодные контракты с которыми сильно рассчитывали. Специалисты Пентагона, внимательно изучающие любые технические новинки через призму начавшейся с СССР гонки вооружений, не увидели перспектив показанного им изобретения. Это, как ни странно покажется на первый взгляд, для научно-технического прогресса оказалось даже полезным. Работы не засекретили, а чтобы получить хоть какую-то прибыль, корпорация начала продавать лицензии на изготовление транзисторов и даже организовала учебные центры и школы. И это был еще один хороший шанс для Советского Союза заполучить транзистор, но и он был не использован. Логика вполне понятна, если американские военные не заинтересовались изобретением, то с чего бы нашим военным тратить на это деньги?

Всего на полгода позже был изобретён и европейский транзистор, авторами которого были немцы, работавшие во Франции, Герберт Матаре и Генрих Велкер. Но лавры первооткрывателей им, понятное дело, не достались. Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн были удостоены Нобелевской премии 1956 года по физике «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта». На церемонии вручения Э.Г. Рудберг, член Шведской королевской академии наук, назвал их достижение «образцом предвидения, остроумия и настойчивости в достижении цели».

Вскоре все радиоприёмники стали содержать транзисторы, их даже начали так и называть – «транзисторы». Компоненты ракет, радиолокационных станций, систем управления нельзя представить без транзисторов. Начался очередной виток научно-технической революции, определяющий значение и вес государств в мировой политике и экономике. Советский Союз неоднократно имел все шансы одним из первых включиться в эту гонку. Если бы Лосеву создали не то что благоприятные, а хотя бы элементарно сносные условия для работы, если бы была куплена лицензия на транзисторы, пока она была в свободной продаже…

Но история, как известно, не терпит сослагательного наклонения. Поэтому почти все последующие изобретения, связанные с полупроводниковой техникой, были сделаны в США. А наша отечественная техника, несмотря на свои многочисленные преимущества, надолго приобрела недостаток, связанный со слабой электроникой.

Итак, начинается стремительное развитие полупроводников. Постоянно улучшаются их рабочие характеристики, повышается надёжность. Для удовлетворения непрерывно возрастающих запросов на усложнение техники требуется всё большее количество транзисторов. Особенно важной становится задача уменьшения их размеров.

Гордон Мур, Шелдон Робертс, Евгений Клайнер, Роберт Нойс, Виктор Гринич, Джулиус Бланк, Джин Хоерни и Джей Ласт в 1957 году за собственные средства приступают к разработке технологии массового производства кремниевых транзисторов по методу двойной диффузии и химического травления. Эта технология позволяла одновременно получать на одной пластине сразу сотни транзисторов. Через полгода работы они смогли продать компании IBM 100 первых транзисторов по цене 150 долларов за штуку. Так появились интегральные схемы (чипы), которые в 1960-е годы сразу же стали использовать в производстве калькуляторов и компьютеров. Это позволило на порядок уменьшить размеры приборов и увеличить их производительность.

В 1970-х годах стали рождаться фирмы, являющиеся сегодня супергигантами мировой экономики. Так, в 1968 году Гордон Мур и Роберт Нойс основали Intel. Компания MOTOROLA, до этого специализировавшаяся на производстве автомобильных радиоприемников, в 1974 году активно включается в техническую гонку и выпускает на рынок микроконтроллер MC6800, который на долгие годы становится востребованным в автомобильной и бытовой электронике.

Рынок электронных компонентов стал для промышленности своего рода «клондайком», где поворотливые компании сколачивали миллионы и миллиарды. Небывалыми темпами строились заводы по производству микросхем, старые компании очень быстро разорялись или перепрофилировались. Производство ламп свёрнуто ударными темпами, зато постоянно расширяется номенклатура выпускаемых полупроводников: аналоговые и цифровые микросхемы, диоды, ВЧ транзисторы и тиристоры. Никогда до этого промежуток времени между открытием и промышленным внедрением не был таким коротким. Но и этого уже было недостаточно. Быстрота развития и изменения интегральных схем привела к принципиально новому принципу создания технических устройств. В 70-е годы в университете Беркли США была разработана программа SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis), которая предназначалась для моделирования интегральных схем на электрическом уровне и позволяла проверять правильность работы схемы на уровне виртуальной компьютерной модели. Теперь уже стало не надо создавать физический прототип, чтобы выявить принципиальные ошибки проектирования схемы – это можно было быстро сделать на модели.

К сожалению, СССР с его плановой экономикой не мог угнаться за Западом. Нельзя сказать, что ничего не делалось: в 1963 году был создан Центр микроэлектроники в г. Зеленограде; Ф.А.Щиголь разработал планарные транзисторы 2Т312 и 2Т319, ставшие основным активным элементом гибридных схем; в 1964 году созданы первые интегральные схемы ИС-»Тропа» с 20 элементами на кристалле; в 1966 году начат выпуск логических и линейных интегральных схем; в 1968 НИИ «Пульсар» выпустил партию первых гибридных тонкопленочных итегральных схем с планарными бескорпусными транзисторами, предназначенных для телевидения, радиовещания и связи; в 1969 году Жорес Иванович Алферов сформулировал и практически реализовал свои идеи управления электронными и световыми потоками в полупроводниках. В 2000 году за исследования в области информационных и коммуникационных технологий он был удостоен Нобелевской премии.

Но всё же отечественная промышленность неудержимо отставала от мировой. К середине 1990-х годов российская электроника имела годовые объемы вложений 150 млн. долларов, а мировой рынок оценивается в 210 млрд. долларов. Результаты этого отставания сегодня мы воочию можем увидеть в магазине: в продаже нет ни отечественных телефонов, ни компьютеров, ни другой многочисленной техники со сложной электроникой.

Сегодня развитие техники, связанное с уменьшением размеров полупроводниковых приборов, с увеличением их быстродействия, продолжается уже на наноуровне. В 2006 году в США создан транзистор из одиночной молекулы углерода, ученым из IBM удалось впервые в мире создать полнофункциональную интегральную микросхему на основе углеродной нанотрубки, способную работать на терагерцевых частотах. Такой второй качественный скачок, позволит, как это случилось в 1960-е годы, создать совершенно новую элементную базу, отличающуюся высокой компактностью, низким энергопотреблением и невиданным ранее быстродействием.

Первый полупроводниковый скачок позволил создать совершенно новый тип техники, не имевший ранее аналогов – компьютер. Это вызвало к жизни новые виды досуга, например, такие как компьютерные игры, появилась всемирная сеть Интернет, мощный рывок сделала медицина, создание человеко-машины – киборга стало вполне реальной перспективой самого ближайшего будущего. И причина всех этих изменений – изобретение какого-то неприметного полупроводникового транзистора.

Что будет создано на новом витке полупроводниковой революции? И какое место займёт на новом рынке российское производство? Ждать осталось недолго.

Темы для докладов и рефератов

Принцип действия, устройство и технология изготовления полупроводникового транзистора.

Жизнь и изобретения Олега Владимировича Лосева.

История развития компании «Intel».

Экономические и социальные последствия полупроводниковой «революции».

Нанотранзисторы будущего.

Дискуссии

Как обеспечить развитие технических инноваций в России?

Литература

1. Гуреева, Ольга. Транзисторная история / О. Гуреева. Компоненты и технологии. №9. 2006.

2. Официальный сайт журнала «Наука и жизнь». – www.nkj.ru.