Краткая история цифровизации - Мартин Буркхардт

Почему транзистор – такая важная штука, и при чем тут кремний? Вспомните «линии коммуникации», о которых мы говорили в контексте открытия электричества в начале XVIII века: они реализовались в форме проводной телеграфной, телефонной и радиосвязи. Чем длиннее становились эти провода, тем сильнее затухал сигнал, растворяясь в шумах – ровно поэтому в 1912 году самая длинная телефонная линия на аме от Нью-Йор риканском континенте проходила лишь до Денвера. Решением проблемы затухания стали электронные лампы: устанавливаемые определенным образом вдоль телефонных линий, они усиливали сигнал и так обеспечивали наземную коммуникацию. Благодаря этому открытию уже к середине двадцатых годов мир опоясала огромная сеть телефонных линий, а усиленные электронными лампами радиоволны достигали самых отдаленных уголков страны.

Однако электронные лампы потребляют большое количество энергии и сравнительно недолговечны, поэтому ученые принялись искать им альтернативу. Их взгляд упал на кремний, открытый в 1807 году Хамфри Дэви и нашедший применение в радиотехнике в качестве приемника и усилителя сигналов. Усиление действительно работало, однако никто толком не понимал, как именно этому способствует загадочный химический элемент, не относившийся ни к проводникам, ни к изоляторам. Другое дело, что подобное промежуточное положение, судя по всему, было его главным преимуществом, ведь это позволяло создать переключатель, блокирующий или пропускающий ток в зависимости от внешних обстоятельств – иными словами, конструктивный элемент, способный принимать одно из двух логических состояний и тем самым заменяющий классические перфокарты. Для телефонных операторов такая автоматизация открывала большие перспективы, так как позволяла отказаться от телефонисток, вручную соединявших абонентов: сеть постоянно развивалась, с ней росло и количество сотрудниц, а расчеты показывали, что при неизменном росте популярности телефона на эту работу вскоре потребуется привлечь половину всех женщин Америки.

Именно поэтому компания AT amp;T, главный телефонный оператор США, создала Bell Labs, Лаборатории Белла – исследовательское учреждение, где самые светлые головы страны трудились над тем, чтобы заменить телефонисток чем-то более эффективным. И вот тут в игру снова вступает кремний, этот загадочный элемент между двух миров. Атом кремния можно представить себе в образе небольшого четырехрукого монаха, каждой руке которого соответствует по одному электрону.

Атом, конечно, не один в пространстве, а сцепляется с себе подобными, образуя своего рода решетку – как если бы эти монахи держали друг друга за руки.

Что происходит, если добавить в эту группу монахов инородное тело? Свойствами атомов кремния можно управлять, если легировать их, то есть ввести им дозу другого атома. Скажем, если добавить в эту группу пятивалентный атом (например, фосфор), то он окажется донорной примесью: один из его электронов будет отдан кристаллу, а сам атом окажется положительно заряженным. Если же добавить в группу атомов кремния трехвалентный атом (например, алюминий, мышьяк или бор), то образуется дырка, и это будет акцепторная примесь: попадая в дырку, свободный электрон будет изменять заряд атома примеси на отрицательный.

Примесная проводимость кристалла кремния

Таким образом мы как бы «меняем полюса местами» или, иными словами, управляем состоянием транзистора: «минус» или «плюс», 0 или 1[8].

Звучит просто, хотя это вполне себе квантовая механика. Уильям Шокли – признанный специалист в этой области, поэтому именно ему поручают подобрать исследователей в Лаборатории Белла. Тут впору вспомнить семь гномов: в одной команде нужно собрать металлургов, физиков, химиков и математиков. У Шокли прекрасное чутье на таланты, и он приглашает в лабораторию настоящих корифеев своей области – математика Джона Бардина и физика-экспериментатора Уолтера Браттена. Вначале работа спорится, но потом исследователи понимают, что предложенная Шокли концепция не работает.

Идея Шокли выглядит следующим образом: над кристаллом кремния (на следующей странице он изображен в виде ящика) находится тонкая пластина из алюминия, на которую от батареи подается напряжение. Теоретически находящиеся в пластине электроны должны в этот момент начать проникать в кремний, но этого не происходит. Желаемый эффект, позволяющий управлять зарядом атомов кремния, не наступает. Целый год Бардин и Браттен экспериментируют с самыми разными материалами, пока на поверхность полупроводника однажды случайно не падает капля воды. Тут они понимают, в чем была загвоздка: сама поверхность кристалла образует своего рода защитный слой, препятствовавший проникновению электронов внутрь, а вода его разрушает. Это прорыв в полном смысле этого слова: после того как Браттен соскабливает верхний слой и вводит внутрь кристалла золотой стержень, ученым удается перенести электроны внутрь кремния и добиться взаимодействия. Транзистор готов!

Идея Шокли

Обрадованные Бардин и Бриттен сообщают об успехе своему начальнику. Шокли вроде бы и рад, однако в то же время расстроен тому, что вместо его гениальной концепции сработало совершенно другое решение: совсем как злая королева, которой волшебное зеркальце сообщает, что красивее всех на свете не она, а ее неизвестная конкурентка за семью горами. Раздосадованный Шокли садится строить коварный план. Втайне от коллег он создает новую конструкцию транзистора – теперь он похож на знакомую вакуумную трубку, но уменьшен во много раз, – а Бардину и Бриттену запрещает работать над этой темой, ведь все лавры должны достаться только Шокли. Как и в сказке, этот трюк не остается безнаказанным. Его заявку на изобретение отклоняют, а патент записывается на имя его сотрудников, предложивших более удачное решение. Внешние наблюдатели рассматривают всех троих ученых как сплоченный коллектив (их совместно даже награждают Нобелевской премией), однако личные отношения Шокли с коллегами сильно подпорчены.

Транзистор, тем временем, начинает свою победную поступь по планете. Вместо того, чтобы сидеть дома у громоздкого лампового радиоприемника как у семейного алтаря, люди носят с собой маленькие транзисторные приемники. Всюду – и на пляже, и в пустыне – играет музыка, а музыканты начинают использовать транзисторы для звукоусиления (настоящий кошмар для Браттена, который до конца своих дней не смог простить себе, что благодаря его изобретению на свет появился рок-н-ролл).

В 1955 году Шокли – звезда мировой величины. Славы он уже добился, теперь дело за богатством: именно поэтому он переезжает в Пало-Альто и открывает здесь свою лабораторию. В его планы, конечно, не входит создание персонального компьютера; навязчивое стремление быть первым наводит его на мысль перевести на транзисторы весь американский военно-промышленный комплекс. Момент выбран крайне удачно: кремния вокруг – как песка на пляже, а транзистор уже заслужил репутацию устройства будущего. На этом же принципе основана схема работы солнечной батареи, и в 1959 году восхищенной публике представляют первый транзисторный радиоприемник, питающийся энергией солнца. Шокли помнит о том, как обжегся на патентных спорах, поэтому ищет для своей лаборатории только молодых и покладистых сотрудников. Тот факт, что она находится за семью горами на «Диком западе», вряд ли представляет собой проблему, скорее наоборот – земля дешевая, климат мягкий, солнце светит. Хэдхантерский талант Шокли здесь снова проявляется во всей красе.