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

Транзистор
В Bell Labs Шокли со своей новой командой вернулся к оставленной им пять лет назад
теории, которая должна была позволить заменить электронные лампы твердотельным
устройством. Если источник сильного электрического поля, рассуждал он, разместить в
непосредственной близости от пластины из полупроводникового материала, поле
«вытащит» некоторое количество электронов на поверхность и позволит пропустить
электрический импульс через пластину. В принципе это могло бы позволить
использовать полупроводник, чтобы с помощью очень маленького сигнала
контролировать сигнал гораздо большей мощности. Очень слабый ток, поданный на вход,
будет регулировать (или включать и выключать) на выходе существенно более сильный
ток. Таким образом, полупроводник, точно так же как и электронную лампу, можно
использовать как усилитель или переключатель.
Была только одна небольшая неувязка: этот «полевой эффект» по какой-то причине не
работал. Когда Шокли проверил свою теорию (на пластинку, помещенную на расстоянии
порядка миллиметра от проводника, подали напряжение около тысячи вольт), ничего не
произошло. «Никаких видимых изменений тока», — записал Шокли в лабораторном
журнале. Как он сказал позднее, это было «абсолютно непостижимо».
Разобравшись, почему теория оказалась неправильной, можно отыскать путь к новой,
лучшей теории. Поэтому Шокли попросил Бардина объяснить, в чем причина неудачи.
Вместе они часами обсуждали так называемые «поверхностные состояния» —
электронные свойства и квантово-механическое описание ближайших к поверхности
образца слоев атомов. Через пять месяцев Бардин понял, что происходит. Он подошел к
доске в кабинете, который делил с Браттейном, и начал писать.
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».
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.
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». Он наполнил термос водой, что обеспечивало простой
способ избавления от конденсата. Семнадцатого ноября они с Бардиным провели
испытания. Все работало великолепно.
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». 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.
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».
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».
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». 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. 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».
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. Запись Бардина была еще более сухой: «Получено
усиление напряжения путем использования двух золотых электродов на специально
подготовленной поверхности германия».

---