В епоху розквіту радіолюбительства в першій половині минулого століття були популярні прості саморобні пристрої, за допомогою яких можна було слухати передачі найближчих радіостанцій.
Головним їхнім елементом був підключений до антени детектор зі шматочка галеніту - сульфіду свинцю. За допомогою металевої голки, під'єднаної одним кінцем до навушників, на поверхні галеніту можна було знайти вдалу точку контакту і слухати радіопередачі. Хлопці надходили ще простіше - брали свинець і вплавляли в нього сірчаний порошок, залишалося зробити простеньку антену, навушники - і готовий радіоприймач. Це було у своєму роді диво: пристрій працював, але ніхто, навіть найвидатніший фізик, не міг би пояснити, чому так відбувається. Знайти відповідь допомогла квантова механіка, і коли дивовижні властивості напівпровідників перестали бути загадкою, в історії сучасної цивілізації настала чергова технологічна революція, яка триває й донині.
Не займайтеся самолікуванням! У наших статтях ми збираємо останні наукові дані і думки авторитетних експертів у сфері здоров'я. Але пам'ятайте: поставити діагноз і призначити лікування може тільки лікар.
Перші ластівки
У звичайних умовах напівпровідникові матеріали цілком виправдовують свою назву. Вони проводять струм набагато гірше провідників, але помітно краще діелектриків. У всьому іншому їхню поведінку ніяк не назвеш «проміжною». Варто їх охолодити - і вони стають діелектриками, в той час як метали поводяться з точністю до навпаки. А при нагріванні напівпровідники, в протилежність металам, починають все краще і краще проводити електрику. Таку незвичайну поведінку сульфіду срібла спостерігав ще в середині позаминулого століття Майкл Фарадей.
На основі напівпровідників можна робити випрямлювачі - пристрої для перетворення змінного струму на постійний. Є у цих матеріалів і ще одна незвичайна властивість - світлочутливість - при освітленні вони починають краще проводити електричний струм. Вперше це помітили англійські інженери, які працювали з телеграфним кабелем. Ізоляцію кабелю робили з селену, але виявилося, навіть місячне світло здатне помітно змінювати її опір. Так елемент, який отримав свою назву на честь Місяця, через півстоліття дивним чином його виправдав.
До речі, відкриттям особливих властивостей селену не забарився скористатися німецький винахідник Вернер фон Сіменс, який у 1875 році створив перший напівпровідниковий фотометр. У звичайний електричний ланцюг Сіменс включив селеновий елемент, опір якого змінювався залежно від освітленості, відповідно збільшуючи або зменшуючи реєстрований гальванометром струм.
З винаходом радіо всі сили були кинуті на створення приладів для детектування і посилення радіосигналів. Звичайно, найбільш чутливі радіоприймачі в той час були ламповими, але не обійшлося і без напівпровідникових пристроїв, які не вимагали живлення і використовували енергію радіохвиль. Кожному радіоаматору тих часів був знайомий крістадін, придуманий 1922 року лаборантом Нижегородської радіолабораторії Олегом Володимировичем Лосєвим. На основі напівпровідникового матеріалу цинкіту (ZnO) Лосєв створив перші у світі напівпровідникові підсилювач і генератор електричних сигналів. Ці результати привернули загальну увагу, але тоді подібні прилади ніяк не могли скласти конкуренцію електронним лампам, оскільки параметри напівпровідників були не дуже надійні, а характеристики важкопередбачувані.
Йшли роки, і, незважаючи на постійні удосконалення, лампи не встигали за новими технічними вимогами до швидкодії та енергоспоживання, а економія розмірів при створенні складних схем і зовсім оберталася головним болем для схемотехніків. У 1940-ті роки на зміну громіздким і повільним лампам стали приходити германієві діоди та інші напівпровідникові елементи. Однак для повного щастя бракувало однієї важливої деталі - напівпровідникового підсилювача.
Розмір має значення
Майже одночасно з Лосєвим, 1925 року, американський дослідник Юліус Лілієнфельд запропонував просту ідею посилювального пристрою, засновану на так званому «ефекті поля». Вона полягала в наступному. Візьмемо плоский конденсатор, одна обкладка якого металева, а інша - з легованого напівпровідника, де є певна кількість надлишкових носіїв заряду, наприклад електронів. Якщо на металеву пластину подати негативний потенціал, поле буде витісняти електрони з приповерхнісного шару напівпровідника, там виникне нестача носіїв струму, і електричний опір напівпровідникової пластини збільшиться. При зміні полярності, навпаки, носіїв в цій області стане більше і опір зменшиться. Виходить, що за допомогою напруги, доданої між металом і напівпровідником, можна керувати опором напівпровідникової пластини. Що й потрібно було отримати! Однак у цієї привабливої ідеї був один недолік - всі спроби змусити подібний пристрій працювати закінчувалися невдачею.
І все ж галенітові детектори і селенові випрямники використовувалися в реальних приладах, була розроблена зонна теорія, що дозволяла багато пояснити, а значить, був привід для оптимізму. Вже влітку 1945 року в Bell Labs організували групу з вивчення напівпровідників. Завдання було сформульовано цілком чітко - знайти напівпровідникову заміну ламповим підсилювачам і електромеханічним реле. Вирішили слідувати ідеям про ефект поля і зосередити зусилля на вивченні кремнію і німеччина, як матеріалів найбільш стабільних і таких, що дають найбільшу ймовірність отримання високочистих кристалів.
Теоретик Джон Бардін і експериментатор Уолтер Браттейн працювали разом. Після безуспішних спроб відтворити ефект поля вони поступово перейшли до дослідів без діелектрика. Спочатку експериментували з кремнієм, потім з німеччиною, додаючи на його поверхню крапельки електроліту. Потім електроліт замінили тонким шаром золота. І ось з'явився перший, ще досить слабкий ефект, його вдалося спостерігати на схемі, де один контакт був приєднаний до напиленої плями золота, а другий являв собою вольфрамову голку. Ретельні обчислення показали, що для спостереження помітного посилення два контакти повинні знаходитися на відстані всього в 50 мікрон (діаметр людської волосини). Щоб отримати такі маленькі відстані, золоті смужки напилювали на кристал і розрізали бритвою.
І ось наприкінці 1947 року був виготовлений діючий транзистор - конструкція на основі напівпровідникового матеріалу, яка дозволяла посилювати електричний сигнал. Про результати доповіли начальству, але публічне оголошення про відкриття вирішили поки відкласти, оскільки вичерпного пояснення ефекту не було - схема принципово відрізнялася від тієї, що пропонував Лілієнфельд. У цей час один з керівників тієї ж лабораторії Вільям Шоклі зайнявся власними вишукуваннями і після декількох тижнів напруженої роботи знайшов пояснення. Він сформулював теорію p-n переходу, а крім того, придумав новий варіант пристрою - біполярний транзистор, набагато ефективніший, ніж перший точковий, реалізований Бардіном і Браттейном. У 1956 році, коли важливість цих відкриттів вже ні в кого не викликала сумніву, всім трьом була присуджена Нобелівська премія з фізики.
Біполярний транзистор представляє собою сендвіч, де між шарами напівпровідника одного типу розташований шар напівпровідника іншого, наприклад, p-типу. Тонкий прошарок виконує роль своєрідного затвору, як на греблі. «Опускаючи» або «піднімаючи» її, можна регулювати основний струм. Щоб ця конструкція працювала, прошарок повинен бути досить тонким. Чим вона тонша, тим більше коефіцієнт посилення і вища швидкодія транзистора.
Лабораторії Белла відразу оформили патент на цей революційний винахід, але, що стосується технологій, тут справи просувалися не так стрімко, як хотілося б. Перші транзистори, що надійшли в продаж в 1948 році, не вселяли оптимізму - варто було їх потрясти, і коефіцієнт посилення змінювався в кілька разів, а при нагріванні вони і зовсім переставали працювати. Але зате їм не було рівних у мініатюрності. Апарати для людей зі зниженим слухом можна було помістити в оправі окулярів! Зрозумівши, що навряд чи вона сама зможе впоратися з усіма технологічними проблемами, фірма зважилася на незвичайний крок: на початку 1952 року вона оголосила, що повністю передасть права на виготовлення транзистора всім компаніям, готовим викласти досить скромну суму в $25 тисяч замість регулярних виплат за користування патентом. Доступність технології дала свої плоди - світ почав стрімко змінюватися.
І все-таки він працює!
Незважаючи на тріумф біполярних транзисторів, найбільш наполегливі дослідники не залишали спроби зробити прилад на основі ефекту поля, що отримав назву «польовий транзистор». Першу працюючу конструкцію придумав все той же Шоклі. Замість металевого шару над основним напівпровідником він використовував сильно легований (з великою кількістю домішок) напівпровідник протилежного типу. Роль керуючого затвора виконував p-n перехід. А ще через кілька років вдалося-таки знайти відповідні матеріали, щоб в точності реалізувати ідею Лілієнфельда.
До великої радості технологів це виявилися... кремній і двоокис кремнію. Пристрої отримали назву відповідно до своєї конструкції: МДП-структури (метал-діелектрик-напівпровідник) або, щоб підкреслити, що роль діелектрика виконує окисел, - МОТ-структури (метал-окисел-напівпровідник). Головна перевага польових транзисторів - низьке енергоспоживання. Керує сигналом поле, тобто напруга, а струм у керуючому каналі практично не тече, і значить, ніяких втрат немає.
Отже, фізики виконали своє завдання, далі за справу взялися технологи. Їх основними цілями були маленькі розміри елементів, їх надійність і швидкодія. У липні 1958 року Джек Кілбі, який вступив незадовго до того на роботу в Texas Instruments, написав у своєму лабораторному журналі: «Можна домогтися надзвичайної мініатюризації безлічі електричних ланцюгів, розмістивши резистори, конденсатори, транзистори і діоди на одному шматку кремнію». А далі на п'яти сторінках детально пояснив, як це можна зробити.
Не менш важливим, ніж сама ідея «інтеграції» елементів, став винахід планарної технології, що дозволяє виготовляти всі контакти і шари транзистора на одному боці пластини кремнію. А коли Нойс, співробітник створеної Шоклі компанії Fairchild Semiconductor, придумав, як можна наносити струмопровідні з'єднання між окремими елементами, на світ з'явилася перша інтегральна схема (ІС).
Перша промислова ІС, випущена в 1961 році, містила шість елементів: чотири біполярні транзистори і два резистори, розміщені на пластині діаметром 1 см. Тепер нас цим не здивуєш - сучасна мікросхема приблизно такого ж розміру, наприклад у персональному комп'ютері, містить вже не одиниці, а мільйони транзисторів.