Георгий Члиянц (UY5XE)

Все началось в 1873 г., когда американский ученый Мэй заметил, что при освещении селен изменяет свою электропроводность (т.н. "внутренний фотоэффект"), о чем он сообщил Уиолби Смиту и тот опубликовал это сообщение. В 1874 г. немецкий физик Карл Фердинанд Браун [1850-1918] обнаружил у кристаллов сульфида свинца униполярную проводимость, что привело к созданию кристаллических детекторов.

Первый такой детектор был сконструирован в 1906 г. Пикаром. Он состоял из кремниевого кристалла и спиральной контактной пружины с острием ("усиком"). Приблизительно в это же время американский военный инженер Данвуди разработал детектор, в котором использовался кристалл карборунда (карбида кремния), зажатый между двумя латунными держателями. История сохранила сведения и об изготовлении детекторов на базе галенита (сульфида свинца).

Примечание: Приемник, с применением таких детекторов, сначала настраивался на передающую станцию и затем поверхность кристалла детектора "зондировалась" острием ("усиком") контактной спиральной пружины до установления "чувствительной точки". После этого снова следовала настройка, "зондирование" и т.д. Контактная спиральная пружина изготавливалась из тонкой проволоки твердого металла (например, из сурьмы). При наличии хорошей наружной антенны (как правило, состоящей из нескольких прямых проводов - т.н. "метелка") расстояние, на котором приём вещательной станции был удовлетворительным, составляло от 10 до 80 км.

 

Следует отметить, что еще А.С. Попов использовал детектор-выпрямитель в его

приемнике с телефонами (конструкция 1899 г.). Хотя конструкция детектора была

очень похожа на когерер Бранли (стеклянная трубка с платиновыми выводами,

заполненная мелкими стальными зернами), он не требовал встряхивания, а

несимметричная проводимость получалась из-за слоя окисла на стали. А.С. Попов

предлагал также комбинации стальных зерен и угольных электродов, а также

детекторы, где контактами служили стальные, бронзовые и другие пружинки от

часовых механизмов.

 

Диодный детектор использовался в качестве несколько нестабильного

"своенравного" детектора радиочастотных сигналов, генерировавшихся в то время

передатчиками с искровым разрядным промежутком. Созданные, примерно в тоже

время, вакуумные ламповые диоды и триоды были гораздо более надежными. Свойства кристаллических детекторов подробно исследовались Пирсом, Икклзом, У. Ториката и др. в 1907-10 гг. Были перепробованы сотни детектирующих пар, а

конструкция детектора в штепсельной вилке с регулируемой пружинкой (Cat

whisker) просуществовала без существенных изменений до конца 1940-х годов.

 

В 1922 г. молодой сотрудник Hижегородской лаборатории Олег Владимирович

Лосев изобрел т.н. “кристадин”.

 

Примерно в тоже время, попыткой создания кристаллического усилителя в США

занимался и немецкий физик Юлиус Е. Лилиенфельд - о чем отмечала научная пресса

в 1925 г.

 

В 1935 г. в Англии был выдан патент на т.н. "полевой" триод немецкому

изобретателю Оскару Хейлю, который не мог объяснить теоретических основ его

работы и, видимо, по этой причине его изобретение долгое время оставалось

только "на бумаге".

 

В 1947 г. американские физики Уильям Брэдфорд Шокли [1910-?], Джон Бардин и

Уолтер Х. Брайтен из фирмы "Bell Telephone Laboratories" (BT) разработали

"точечный" транзистор - первый полупроводниковый усилитель (за что в 1956 г.

все трое получили Нобелевскую премию по физике). А происходило это так: ученые

проводили исследования кристаллического детектора, чтобы изучить закон

растекания носителей заряда от точечного контакта, на поверхность кристалла в

непосредственной близости (десятки микрон) надо было поместить средство

исследования - зонд, представляющий собой тоже точечный контакт. Они обнаружили,

что с помощью тока через один из точечных контактов можно управлять током,

проходящим через второй контакт.

 

Первый твердотельный транзистор

 

Когда фирма BT объявила об этом изобретении широкая пресса, практически,

проигнорировала это событие. Кроме газеты "Нью-Йорк таймс, которая 1 июля

1948 г. поместила на предпоследней странице в колонке "Новости радио" следующее

сообщение: "Вчера фирма "Bell Telephone Laboratories" (Уэст-стрит, 463) впервые

продемонстрировала изобретенный ею прибор под названием "транзистор", который в

некоторых случаях можно использовать в области электротехники вместо

электронных ламп.

 

Прибор был продемонстрирован в схеме радиоприемника, не содержавшей обычных

ламп. Было также показано его применение в телефонной системе и в телевизионном

устройстве, управляемом с помощью приемника, расположенного на нижнем этаже. В

каждом из этих случаев транзистор использовался в качестве усилителя, хотя

фирма заявляет, что он может использоваться и в качестве генератора, способного

создавать и передавать радиоволны.

 

Транзистор, имеющий форму маленького металлического цилиндра длиной около 13

мм, не содержит полости, из которой откачан воздух, сетки, анода или

стеклянного корпуса, предохраняющего от попадания в прибор воздуха. Он начинает

работу мгновенно, без задержки на разогрев, так как в отличии от радиоламп в

нем нет накала.

 

Рабочие элементы прибора состоят всего из двух проволочек, подходящих к

кусочку твердого полупроводникового материала величиной с булавочную головку,

приплавленному к металлическому основанию. Вещество, помещенное на

металлическом основании, усиливает ток, подводимый к нему по одной проволочке,

а другая проволочка отводит усиленный ток".

 

В первом "точечном" транзисторе два близкорасположенных контакта (эмиттер и

коллектор) были размещены на поверхности германиевого брусочка (база).

V-образный предмет - пластмассовый треугольник, вокруг которого была обернута

золотая фольга, которую затем разрезали бритвой у вершины треугольника.

Треугольник прижимался к пластине пружиной.

 

Технические журналы не сразу оценили возможности транзистора. Для того, чтобы

вызвать больший энтузиазм по отношению к прибору фирма BT предоставляла

лицензии на него всем желающим и усиленно рекламировала его на семинарах и в

статьях.

 

В появлении транзистора изготовители эл. ламп, вложившие миллионы в свои заводы

по их выпуску, особой угрозы не видели. "В конце концов, говорили они, 30 лет

разработки и совершенствования ламп сотен специальных конструкций едва ли

можно сбросить со счетов в одну ночь.", - писал научный обозреватель Лоренс

Лессинг в статье "Эра электроники" июльского номера журнала "Fortune" за

1951 г.

 

Hо, к этому времени,  потребность в полупроводниковых элементах была на самом

деле исключительно велика - особенно с появлением первых ЭВМ, низкой

надежности электронных ламп и высокими их энергопотреблением и массогабаритными показателями. Особенно остро эти проблемы проявились в многоламповой аппаратуре. Достаточно сказать, что ЭВМ "ЭНИАК", созданная в 1945 г., насчитывала 18000 ламп, занимала площадь 140 кв.м, весила 30 т и  потребляла

150 кВт электроэнергии. Надежность ее работы от отказа до отказа определялась

всего 3 часами. Понятно, что в этот период поиски малогабаритного и

высоконадежного элемента, способного заменить эл. лампу, велись во всех

возможных направлениях. Не было целенаправленного поиска только в области

полупроводников. А именно тут и наткнулись на необходимый эффект.

 

Первые, т.н. "точечные" транзисторы встретили весьма холодный прием со стороны разработчиков аппаратуры, однако им на смену вскоре появились т.н. "плоскостные" транзисторы, свободные от недостатков "точечных". В сравнительно короткий срок удалось перейти с германия, не обеспечивающего применение транзисторной техники в условиях высоких температур, на более устойчивый к температурным воздействиям кремний. Появление планарной техники позволило повысить характеристики транзисторов и перейти к групповым методам проведения технологических процессов. Самым важным следствием появления планарной технологии явилась идея изготовления на одном кристалле не одиночного транзистора, а нескольких транзисторов, диодов и других элементов, объединенных уже в интегральную микросхему (ИМС). Таким образом, рождение транзистора обусловило появление и бурное развитие микроэлектротехники, ставшей, в свою очередь, базой для развития вычислительной техники и многих направлений электроники.

 

Интересны и такие цифры: в электронике 80-х годов ушедшего столетия, по

сравнению с ламповой эпохой (до 1948 г.), используется в 50000 раз больше

активных элементов, а средняя стоимость активного элемента (за этот период)

снизилась в 10000 раз.

 

Энергопотребление одной ИМС составляет примерно столько же, сколько потребляет

одна электронная лампа - и здесь мы имеем выигрыш в десятки тысяч раз.

Значительный выигрыш был получен и по надежности. По опубликованным в печати

данным для микро-ЭВМ, достигнуто 0,05% отказов на 1000 часов, что соответствует

одному отказу за 210 лет непрерывной работы!

 

Существенный выигрыш и по быстродействию вычислительных средств: только за 20

лет (1962-82 гг.) быстродействие выросло на 6 порядков, а стоимость вычислений

упала в десятки миллионов раз, т.е. более чем на семь порядков.

 

В СВЧ электронике на арсениде галия удается создавать малошумящие транзисторы

для приемной аппаратуры, обеспечивающие коэффициент шумов порядка 1,5-4 дБ.

 Если отмечать фактор, который сыграл наибольшую роль в рождении транзистора,

то это, конечно, интеллектуальная любознательность его создателей. Транзистор в

большей степени, чем какой-либо другой электронный прибор, обязан своим

происхождением научным теориям, а не технологическим разработкам.

Недаром писатель Марк Твен назвал самым выдающимся изобретателем - СЛУЧАЙ.

 

В заключение, приведем основные их них:

- 1900 г.- постулат немецкого физика-теоретика Макса (полностью Макс Карл Эрнст Людвиг) Планка [1858-1947] по термодинамике (в частности квантовая гипотеза);

- 1895-1905 гг. - работы немецких физиков Альберта Эйнштейна [1879-1955] по

фотоэлектрическому эффекту Бекереля; Вильгельма Конрада Рентгена [1845-1923] по

пьезо- и пироэлектрическим свойствам кристаллов;

- 1926 г. - опубликование австрийским физиком Эрвином Шредингером [1887-1961]

своего знаменитого квантово-механического уравнения;

- конец 30-х годов - теоретические работы физиков Невила Ф. Мотта (Англия),

Александра Сергеевича Давыдова и Якова Ильича Френкеля [1894-1952] из СССР,

Вальтера Шоттки (Германия) по теории полупроводников, изучению эффекта

выпрямления электрического тока в системах металл-полупроводник; практические

работы американских металлургов Дж.Х. Скаффа и Х.С. Тойерера по получению слитков сравнительно чистого кремния, а в последствии и германия, и др.

 

 

Литератураиисточники:

1. Smith W. "Effect of light on selenium during the passage of an electric

current" (Amer. J. Sci. a. Arts; 1873, ser. 3, p. 301).

2. Braun F. "Uber die Stromleitung durch Schwefelmetalle" (Ann. Phis. u.

Chem.; 1874, Bd. 229 , s. 556-563).

3. Попов  А.С. "Описание приемника депеш, посылаемых с помощью электромагнитных

волн". Привилегия #6066 от 30 сентября 1901 г., заявлено 14 июля 1899 г. (Свод

привилегий, выданных в России; СПб, 1901).

4. Dunwoody H.H.C. "Wireless-telegraphy system" (US pat. 837616, filed 23.3.1906).

5. Pierce G.W. "Crystal rectifiers for electric current and electric oscillations" (Phis. Rev.; 1907, vol. 25, #1).

6. Лосев О.В. "Детектор - генератор; детектор - усилитель" ("Телеграфия и

телефония без проводов"; 1922, #14).

7. проф. Б. Остроумов, инж. И. Шляхтер. "Изобретатель ккристадинна О.В. Лосев".

("Радио" #5/1952, c.18-20).

8. "Очерки истории радиотехники" (Изд. АН СССР; М., 1960).

9. "Труды Института радиоинженеров - ТИРИ" (Proceedings of the IRE) (М.: "ИЛ",

1962, две части, 1517 c.).

10. "Электроника: прошлое, настоящее, будущее" (Пер. с анг. под ред. чл.-кор.

АН СССР В.И. Сифорова (М.: "Мир", 1980, 296 с.).

11. БСЭ (третье издание). (М.: "СЭ", т. 4, с. 10, т. 19, с. 631-632, т. 22, с.14-15, т. 28, с. 89, т. 29, с. 450, 458-459, 475-476, 578-579).

12. Георгий Члиянц (UY5XE). "Как "родились" "полупроводники" ("Радиолюбитель";

2001: #2, c. 35; #3, c.35; #4, c. 38).

13. Георгий Члиянц (UY5XE). "История создания полупроводниковых приборов"

("Ралиолюбитель"; 2001: #2? c. 35; #3, c. 30).