Как работал первый транзистор

Даже его изобретатели не до конца поняли суть точечного транзистора.

На рекламной фотографии AT&T 1955 года изображены [на ладони слева] фототранзистор, переходной транзистор и точечный транзистор.

Ламповый триод не исполнилось и 20 лет, когда физики начали пытаться создать его преемника, и ставки были огромны. Триод не только сделал возможной дальнюю телефонную связь и звук в кино, но и стал движущей силой всего предприятия коммерческого радио, отрасли стоимостью более миллиарда долларов в 1929 году. Но электронные лампы были энергоемкими и хрупкими. Если бы можно было найти более прочную, надежную и эффективную альтернативу триоду, награда была бы огромной.

Целью было создание трехконтактного устройства из полупроводников, которое могло бы принимать слаботочный сигнал на входной терминал и использовать его для управления потоком большего тока, протекающего между двумя другими терминалами, тем самым усиливая исходный сигнал. В основе такого устройства лежит так называемый эффект поля — способность электрических полей модулировать электропроводность полупроводниковых материалов. Эффект поля уже был хорошо известен в те времена благодаря диодам и связанным с ними исследованиям полупроводников.

Эта статья является частью нашего специального репортажа, посвященного 75-летию изобретения транзистора.

Но создание такого устройства оказалось непреодолимой задачей для некоторых ведущих физиков мира на протяжении более двух десятилетий. Патенты на транзистороподобные устройства подавались начиная с 1925 года, но первым зарегистрированным экземпляром работающего транзистора было легендарное точечное контактное устройство, созданное в AT&T Bell Telephone Laboratories осенью 1947 года.

Хотя точечный транзистор был самым важным изобретением 20-го века, к удивлению, не существует четкого, полного и авторитетного описания того, как он на самом деле работал. Современные, более надежные переходные и планарные транзисторы полагаются на физику внутри полупроводника, а не на поверхностные эффекты, использованные в первом транзисторе. И этому пробелу в науке уделялось сравнительно мало внимания.

На фотографии точки-контакта в разрезе видны два тонких проводника; они подключаются к точкам, соприкасающимся с крошечной пластинкой германия. Одна из этих точек является эмиттером, а другая — коллектором. Третий контакт, база, прикреплен к обратной стороне германия. АРХИВ И ИСТОРИЧЕСКИЙ ЦЕНТР AT&T.

Это была неуклюжая на вид сборка германия, пластика и золотой фольги, увенчанная волнистой пружиной. Его изобретателями были тихий теоретик со Среднего Запада Джон Бардин и словоохотливый и «несколько непостоянный» экспериментатор Уолтер Брэттейн. Оба работали под руководством Уильяма Шокли, и эти отношения позже оказались спорными. В ноябре 1947 года Бардин и Брэттейн оказались в тупике из-за простой проблемы. В германиевом полупроводнике, который они использовали, поверхностный слой электронов, казалось, блокировал приложенное электрическое поле, не позволяя ему проникнуть в полупроводник и модулировать поток тока. Никакой модуляции, никакого усиления сигнала.

Где-то в конце 1947 года они нашли решение. Он представлял собой два куска едва разделенной золотой фольги, аккуратно вставленные волнистой пружиной в поверхность небольшой пластинки германия.

Как учебники, так и популярные публикации склонны игнорировать механизм точечного транзистора в пользу объяснения того, как работают его более поздние потомки. Действительно, в нынешнем издании библии студентов-электриков «Искусство электроники» Горовица и Хилла вообще не упоминается транзистор с точечным контактом, приукрашивая его существование, ошибочно утверждая, что переходной транзистор был «лауреатом Нобелевской премии». изобретение, выигравшее в 1947 году». Но транзистор, изобретенный в 1947 году, был точечным; Переходной транзистор был изобретен Шокли в 1948 году.