Первый транзистор появился благодаря авиации и библии
Микросхемы (чипы) задают почти все направления научно-технического развития. Почему первый прорыв в разработке и производстве транзисторов сделали американцы, а не мы? Чем поучителен их опыт?
В 2019 году исполнилось ровно 60 лет с момента оформления четырех патентов, которые определили рождение новой сферы научной и промышленной деятельности, получившей название микроэлектроника (МЭ). Авторы этих изобретений – Джек Килби, Курт Леговец, Роберт Нойс и Жан Эрни – представляли американские фирмы, разрабатывавшие компоненты электронного оборудования. А их патенты содержали изящные технические решения, которые лежат в основе любого производства полупроводниковых микросхем (интегральных схем – ИС).
Физики Пентагона
Напомним, что в объеме полупроводникового кристалла кремния (Si) может быть сформировано множество активных и пассивных электронных компонентов. Они встраиваются через рабочую поверхность путем диффузии примесей через так называемые окна в слое окислов кремния.
Чтобы понять генезис МЭ, нужно воспроизвести особенности времени и обстоятельств рождения первых ИС. Все четыре упомянутых патента были заявлены в короткий интервал – с 6 февраля по 11 сентября 1959 года, что говорит об интенсивном развитии в США научно-исследовательских работ по физике и технологии изготовления твердотельных полупроводниковых структур. Как известно, вторая половина ХХ века характеризовалась противостоянием США и СССР, которое в военном аспекте опиралось на военные промышленные комплексы, сформированные той и другой стороной в ходе Второй мировой.
“ ЦРУ и Пентагон внимательно следили за развитием технологии, но отказывались приобретать аппаратуру на ненадежных приборах ”
В середине 50-х военная стратегия США (массированное возмездие) основывалась на огромном воздушном флоте тяжелых реактивных бомбардировщиков. В боевых частях стратегической авиации эксплуатировалось рекордное число таких самолетов (1854 единицы). Для них имелось почти шесть тысяч ядерных боеприпасов. Проведение массированных бомбовых ударов с различных удаленных аэродромов поддерживалось 1067 заправщиками. А также самолетами-разведчиками U-2, оснащенными специальными фотокамерами, аппаратурой для обнаружения советских радаров.
Первый массовый носитель атомных бомб В-29 был запущен на заводах США в серийное производство в 1943 году и с 1944-го использовался для боевого применения по густонаселенным территориям и военно-промышленным объектам милитаристской Японии, включая ядерные удары по Хиросиме и Нагасаки. Это был наукоемкий продукт. Одна из технических инноваций заключалась в оснащении бомбардировщика радаром AN/APQ-13, который мог применяться и для бомбометания, и для навигации. Это разработка исследовательских и производственных структур американского промышленного конгломерата AT&T, лаборатории Bell Telephone Массачусетского технологического института (MIT) и компании Western Electric. Помимо радара бортовая электроника использовалась в подсистемах навигации, бомбометания, радиообмена, стрелковых прицелов. Однако большая ее часть была выполнена на вакуумных лампах, число которых измерялось сотнями, а дискретных радиокомпонентов – десятками тысяч.
Увеличение функциональных возможностей электронных частей стратегических бомбардировщиков вскоре стало невозможным из-за огромных массогабаритных характеристик ламповой техники, энергозатрат на ее работу в штатном режиме и крайне низкую отказоустойчивость, вызванную гигантским количеством паяных соединений выводов электронных и радиоэлементов. Это подтвердилось во время войны в Корее (1950–1953), где советские истребители-перехватчики МиГ-15 уничтожили несколько десятков дорогостоящих «суперкрепостей».
Доработка электронных подсистем для авиации была проведена в два этапа. На первом решалась задача уменьшения габаритов и потребляемой мощности аппаратуры. Крупные американские корпорации (AT&T, IBM, RCA, General Electric) искали решение поставленной задачи в разработке дискретных компонентов с уникальными физическими свойствами, выполняющих функции электронных вакуумных приборов. Наиболее целенаправленными и практичными были разработки Уильяма Брэдфорда Шокли в фирме Bell Labs (исследовательский центр AT&T). Индивидуальность Шокли, сочетающая таланты разностороннего физика-теоретика и практика, имеющего опыт боевого применения бортовой электронной авиатехники, предопределила характер и направление разработок фирмы для ВВС США.
Шокли в 1936 году после окончания докторантуры MIT был принят на работу в лабораторию вакуумных ламп нью-йоркского исследовательского центр Bell Labs. От ее сотрудников требовались широкий кругозор и высокая квалификация. Шокли помимо радиоламп изучает возможности получения твердотельных аналогов электромеханических реле. В мае 1940-го руководство фирмы ставит перед ним задачу о возможности генерации ядерной энергии. Через два месяца сотрудники Bell Labs Шокли и Фиск доложили о возможностях урана служить источником промышленной энергии и быть основой атомной бомбы. Одновременно они подали патентную заявку на схему ядерного реактора. Состоявшаяся после войны экспертиза показала, что Шокли и Фиск – авторы первой работоспособной схемы реактора.
В начале 1945 года Шокли были составлены первые радиолокационные карты для бомбардировок Осаки и Нагои. Знания и боевой опыт ученого признают в Пентагоне и после бомбардировок Хиросимы и Нагасаки поручают оценить, насколько СССР отстает в разработке атомного оружия. Ответ Шокли был очень близок к истине: на три года. Испытание первой атомной бомбы СССР осуществил 29 августа 1949-го.
С этого момента и начинается работа Шокли над твердотельными приборами. Весной 1945-го он собирает рабочую группу в Bell Labs, которая являлась огромной по тем временам научной организацией с опытом разработок и изготовления серийных полупроводниковых германиевых и кремниевых диодных СВЧ-детекторов для радаров. Именно германий и кремний Шокли выбрал для получения прибора, в котором электростатическое поле управляет током в массиве полупроводника.
Однако первые эксперименты показали, что в реальных полупроводниках эффект поля на три порядка слабее предсказанного теорией. Около года группа Шокли пыталась найти объяснение таким результатам. В октябре 1945-го к работе присоединился физик-теоретик Джон Бардин, который с помощью теории поверхностных состояний раскрыл механизм экранирования действия внешнего поля на полупроводник. Впервые был получен эффект, на котором основана вся современная обработка информации. 23 декабря 1947 года Уолтер Браттейн продемонстрировал усилитель звуковых сигналов на твердотельном приборе, который получил в фирме Bell Labs наименование транзистор. 30 июня 1948-го изобретение, оформленное в виде патента Бардина и Браттейна, было открыто презентовано в Нью-Йорке.
Исследовательская интуиция Шокли подсказывала, что изобретенный точечный транзистор – начальное и несовершенное звено в твердотельных полупроводниковых усилителях. Транзисторы имели крайне нестабильные характеристики, их работа сильно зависела от параметров окружающей среды. Тем не менее в течение трех лет специалисты Bell Labs наладили их серийное производство, используя технологию контактных СВЧ-детекторов. В апреле 1952 года производство вышло на уровень 8400 транзисторов в месяц.
ЦРУ и Пентагон внимательно следили за развитием технологии, но отказывались приобретать аппаратуру на ненадежных приборах. Попытки других компаний США наладить выпуск провалились. Таким образом, критический анализ изобретения Бардина, Браттейна, выполненный Шокли в начале 1948 года, позволил ему перейти к созданию принципиально новых транзисторных структур, которые в дальнейшем стали базовым элементом ИС. Шокли предложил трехслойную полупроводниковую структуру с двумя p-n переходами (плоскостной транзистор).
В июне 1949-го Bell Labs публично обнародовала изобретение плоскостного транзистора по заявке на патент Шокли. При этом его заслуга как ученого состояла в том, что он создал физико-математическую модель многослойной полупроводниковой структуры. Результаты исследований изложены в книге «Теория электронных полупроводников: приложения к теории транзисторов» (1950). По мнению специалистов, это библия для целого поколения исследователей и преподавателей. Наш ученый и нобелевский лауреат Жорес Алферов, например, назвал ее настольной книгой по обе стороны Атлантического океана. Теоретические разработки Шокли легли в основу всех современных систем автоматизированного проектирования (САПР) полупроводниковых ИС.
Первый компьютер
Осенью 1951 года Пентагон объявил о начале программы транзисторизации, сулившей многократную экономию на массе и объеме бортовой аппаратуры. В этом же году правительство США потребовало, чтобы AT&T предоставил лицензии на свои технологии всем заинтересованным американским компаниям без взимания компенсации за использование авторских прав. В условиях ожидаемой конкуренции Bell Labs ответила запуском новой производственной программы, нацеленной на ежемесячный выпуск миллиона транзисторов. К этому времени транзистор Бардина – Браттейна морально устарел, однако из-за возможной работы на частотах в десятки мегагерц выпускался в течение десяти лет.
Новая производственная программа Bell Labs основывалась на выпуске плоскостных германиевых транзисторов со следующими усовершенствованиями: в качестве исходного материала использовался монокристаллический германий, сформированный по методу Чохральского, в производство транзисторов вводились групповые методы обработки, использующие диффузию примесей для образования p-n переходов. Работы Bell Labs в этом направлении отразились в заявке Шокли, Дейси, Ли на патент «Технология массового производства диффузионного транзистора» (март 1955 года). Она была освоена в производстве (Western Electric), но первые транзисторы (меза-транзисторы) по соображениям секретности не вышли на открытый рынок, а поступили военным заказчикам.
В 1954 году Bell Labs продемонстрировала ВВС США первый транзисторный бортовой компьютер для нового стратегического бомбардировщика В-52. Компьютер потреблял всего 100 ватт и был гораздо компактнее лампового предшественника.
Можно констатировать, что деятельность Шокли вывела Bell Labs в лидеры мировой транзисторной гонки. За огромные научные достижения Уильяму Брэдфорду Шокли, Джону Бардину и Уолтеру Браттейну решением от 1 октября 1956 года присуждена Нобелевская премия по физике.
После продажи фирмой Bell Labs лицензий на изготовление транзисторов несколько десятков фирм США смогли освоить эту тематику, совершенствуя изобретения Шокли. Среди них Texas Instruments (TI), которая специализировалась в производстве электроники связи для вооруженных сил США. Успешное развитие компании связано с деятельностью инженера-электрика Патрика Хаггерти, который в 1945-м возглавил отдел научной и производственной деятельности. Первая его инициатива была направлена на организацию производства радиолокационного военного оборудования, продажа которого обеспечила пятикратное увеличение доходов во время войны в Корее.
Руководство TI сразу же оценило перспективы транзистора для замены специализированным электровакуумным приборам. Уже в 1948 году TI получила от Bell Labs два экспериментальных образца первого транзистора.
Однако исследование их характеристик показало невозможность применения в изделиях фирмы. Внимательно наблюдая за результатами деятельности отдела Шокли, Хаггерти разработал стратегию деятельности TI по внедрению транзисторной техники: приобретение лицензии на транзисторы у Bell Labs, создание группы проектировщиков по разработке, производству и продаже полупроводниковых приборов, научная лаборатория по физике твердого тела. В ходе взаимодействия со специалистами Bell Labs удалось убедить ее ведущего технолога Тила перейти в TI и возглавить новую лабораторию физики полупроводников. С его помощью фирма воспроизвела экспериментальные образцы точечных транзисторов, а затем перешла к разработке собственных плоскостных, запустив их в серию в 1953 году. В 1954-м был создан первый полностью транзисторный радиоприемник, который имел громадный коммерческий успех.
В Далласе Тил, объединив свой довоенный опыт разработки кремниевых детекторов и практику формирования p-n-p структур на монокристаллических заготовках, сумел разработать первый кремниевый плоскостной транзистор. В мае 1954 года на конференции института радиоинженеров он продемонстрировал, что новые кремниевые устройства, произведенные в его лаборатории, продолжали работать, даже будучи погруженными в кипящее масло. В течение двух лет ТI был единственным поставщиком кремниевых транзисторов, которые использовались в новейших военных разработках США, включая ракетную технику. Но возникли неожиданные проблемы.
Разработка и производство микромодулей TI на кремниевых транзисторах для военной аппаратуры позволяли справиться с задачами снижения потребляемой мощности и габаритов электронных блоков, но не числа паяных контактов, а следовательно, не повышали надежность работы этих блоков. Более того, микроминиатюризация привела к трудностям заводского контроля контактных соединений и невозможности ремонта электронных блоков в случае неисправности.
СССР пошел другим путем, сделав ставку на развитие не авиации, а прежде всего ракетной техники.
Сергей Ротнов, кандидат технических наук
Газета "Военно-промышленный курьер", опубликовано в выпуске № 11 (824) за 24 марта 2020 года