... иногда, при чтении американской ретроспективной научной статьи нередко ловишь себя на мысли, что повествование начинается с середины.

Предисловие

Часто прорывное изобретение появляется не на пустом месте: ему предшествует долгая работа учёных, которые закладывают теоретическую и экспериментальную базу. Но лавры и слава нередко достаются тем, кто сделал последний шаг — воплотил идею в работающее устройство или технологию. Одним из таких ярких примеров является изобретение транзистора.

В русскоязычном сегменте интернета дискуссия вокруг изобретения транзистора сводиться к упрощенному противопоставлению капиталистической и социалистической систем, а также с оценкой успехов и неудач СССР в технологической гонке времён холодной войны. При этом за рамками обсуждения нередко остается существенный вклад советских ученых в формирование научной базы, сделавшей вообще возможным создание транзистора.

Прежде чем, говорить о высоких материях, необходимо пояснить, некоторые важные определения:

Научное открытие — это выявление того, что уже существует в природе, но ранее не было известно. Открытие не создается человеком, а распознается. Оно может быть случайным или результатом целенаправленных поисков, которые требуют подтверждения и проверки.

Исследование — это процесс научного изучения какого‑либо объекта, явления или проблемы с целью получения новых знаний. Исследования бывают фундаментальными (поиск новых знаний) или прикладными (решение конкретных задач), которые могут приводить к открытиям, формулировкам гипотез, разработке методик. Исследования всегда ведутся для дальнейших разработок и практического применения знаний.

Изобретения — это целенаправленный процесс воплощения в материальной форме полученные знания. При этом знания не обязательно имеют истинную природу, но могут быть выполнены как на ложных представлениях, так и на результатах исследований.

Исходя из вышеописанного, изобретение транзистора стало итогом открытий и многолетних научных исследований полупроводниковых свойств материалов. Роль трех американских изобретателей — важна, но представляет собой лишь завершающий этап в длинной цепочке открытий, заложивших научную и технологическую основу для этого прорыва.

Эта статья не имеет цели приуменьшить достижения одних и/или преувеличить других. Как раз в данной статье я намерен предоставить хронологию событий именно в том виде, в каком она складывалась исторически, — без ретроспективной оценки и учёта последующих открытий, которые сегодня могут исказить восприятие изначального контекста.

Начнем по порядку…

Открытия

Термин «полупроводник» впервые ввёл Иван Алексеевич Двигубский — русский учёный, профессор физики Московского университета. Он использовал это понятие в своём учебнике «Начальные основания опытной физики» в 1826 году. В книге было написано:

«Тела, кои в рассуждении способности проводить электричество, занимающие как бы среднее место между проводниками и непроводниками, обыкновенно называются полупроводниками».

При этом само явление необычных свойств некоторых веществ (например, сульфида серебра), которые проводили ток лучше при нагревании в отличие от металлов, было открыто позже — в 1833 году. Его описал английский физик Майкл Фарадей в работе «Экспериментальные исследования по электричеству». К 1838 году он обнаружил ещё пять веществ с подобными свойствами. Однако термин «полупроводники» для их обозначения стал использоваться позже.

Позже Александр Эдмон Беккерель в 1851 году открыл фотогальванический эффект на границе электролит‑полупроводник — это стало предвестником будущих фотоэлементов.

Карл Фердинанд Браун в 1874 году обнаружил выпрямляющие свойства некоторых контактов (способность пропускать ток преимущественно в одном направлении).

В 1874 году Артур Шустер века исследовал медные контакты и влияние окисла меди на проводимость, в результате чего случайно обнаружил, что окисленная часть вела себя как полупроводник.

Были и другие значимые открытия, связанные с полупроводниками, но наш главный герой, с которого всё началось — был ещё не открыт!

В 1869 году Менделеев завершил первый вариант Периодической системы химических элементов. В таблице были пробелы, и учёный не просто оставлял пустые клетки, а пытался заранее описать свойства элементов, которые должны были их заполнить: атомную массу, плотность и характер соединений.

Для элемента, который находился под кремнием (в современной таблице — элемент № 32), Менделеев ввёл рабочее название «экасилиций» (от санскритского «эка» — «один», то есть «на один шаг ниже» кремния в группе). Он предположил, что это будет металл с определёнными физико‑химическими свойствами, и рассчитал его атомную массу и плотность.

В 1885 году в Саксонии обнаружили новый серебросодержащий минерал — аргиродит (Ag8GeS6). При его анализе выяснилось, что химический состав не сходится по массе: около нескольких процентов вещества оставались «невидимыми». Это означало, что в минерале скрывается неизвестный элемент.

Разбираться в составе поручили немецкому химику Клеменсу Винклеру. Почти пять месяцев он потратил на расчёты и попытки выявить элемент, сталкиваясь с похожими по поведению мышьяком и сурьмой. В итоге 6 февраля 1886 года Винклер выделил новый элемент и назвал его «германием» — в честь своей страны. Винклер вступил в переписку с Менделеевым. В письме он писал:

«Едва ли можно найти иное более поразительное доказательство справедливости учения о периодичности, как во вновь открытом элементе. Это не просто подтверждение смелой теории, здесь мы видим очевидное расширение химического кругозора, мощный шаг в области познания».

После этого открытия германий навсегда занял своё место в Периодической системе элементов под номером 32 и химическим символом Ge.

Исследования

Ну, как обычно бывает в то время, открыли очередной редкий металл, ну и забыли, че тут такого странного, но в 1929 году советский учёный Пётр Леонидович Капица опубликовал статью, где он утверждает, что германий не является металлом, а полупроводником.

И тут нужно не много притормозить, и объяснить масштаб сего события!

В то время считалось, что полупроводниками являются исключительно химические соединения, такие как сульфид серебра (Ag2S), закись меди (Cu2O), сульфид свинца (PbS), карбид кремния (SiC), дисульфид железа (FeS2) и другие. Открытие полупроводниковых свойств у химических соединений сыграло злую шутку с дальнейшими исследованиями в этой области. Возникал закономерный вопрос: почему именно эти соединения обладают полупроводниковыми свойствами, а другие, родственные им, нет. Например, сульфид свинца (PbS) является полупроводником, тогда как оксид свинца (PbO) — диэлектриком. В тоже время оксид олова (SnO2) — полупроводник. Из‑за подобных противоречий многие физики считали изучение полупроводниковых свойств не слишком перспективным занятием. Более того, в научной среде того времени полагали, что объяснить наличия полупроводниковых свойств у определенных химических соединений должны учёные‑химики.

И тут — как гром среди ясного неба — выходит научная статья, с утверждениями, что отдельный химический элемент обладает полупроводниковыми свойствами.

Ну, не некоторые читатели скажут: «да что ты, чёрт побери, такое несешь?»

Есть же селен на тот момент хорошо известным фотогальваническим эффектом, фактически уже использовался в соответствующих устройствах. Но это мы сейчас знаем, что он является полупроводником, а в то время из‑за недостаточных знаний и смешение понятии фотоэффекта и фотогальванического эффекта селен не признавали полупроводником. Только с развитием физики твёрдого тела в XX веке, включая создание зонной теории и более глубокое понимание электронных процессов в кристаллах, селен был однозначно признан полупроводником. К этому времени его уже активно использовали в электронике, но теоретическое обоснование его свойств появилось позже.

Хорошо, а как же американский изобретатель Гринлиф Уиттиер Пикард со своим патентом кремниевым кристаллическим детектором для радиоприёмников (1906)? Ведь кремний как бы тоже полупроводник. Ну, только в своем патенте Пикард описал другое, а именно, что выпрямление сигнала (демодуляция радиоволн) происходит за счёт электротермического эффекта — теплового воздействия высокочастотного сигнала на контакт металл‑кремний. Пикард полагал, что тепло, выделяемое в кристалле при прохождении высокочастотного сигнала, создаёт условия для односторонней проводимости. Однако это объяснение не получило признания в научной среде. В то время понимание полупроводниковых процессов было ограниченным, а теория термоэлектрического эффекта не могла полностью объяснить наблюдаемые явления. Экспериментальные данные не подтверждали прямую связь между выделением тепла и односторонней проводимостью. Например, в 1907–1909 годах Джордж Вашингтон Пирс из Гарварда, используя осциллограф, доказал, что между напряжением и током в детекторе нет фазовой задержки, что исключало тепловые механизмы. Увы, на то время кремний не считали полупроводником.

Разобравшись с исторической ситуацией, обратимся к статье П.Л. Капицы. Работа молодого советского учёного существенно поколебала устоявшиеся представления того времени. Было доказано, что полупроводниковые свойства не обусловлены исключительно особенностями химического соединения или входящего в него элементов. Эта работа заложила основу для принципиально новых подходов к исследованию полупроводников: оно не только упростило дальнейшие изыскания в данной области, но и ускорило понимание фундаментальной природы полупроводниковых свойств, сместив акцент с химии соединений на физические механизмы их проявления.

Однако не стоит полагать, что открытие сразу вызвало волну активного изучения полупроводников. Первоначально мировая научная общественность отнеслась к публикации с определенной сдержанностью — в том числе из‑за геополитического контекста: новые научные работы из России вызывали сдержанное доверие.

Ситуация начала меняться в 1931 году, когда зарубежные издания стала перепечатывать статью академика A.Ф. Иоффе из журнала «Социалистическая реконструкция и наука» с пророческим названием «Полупроводники — новые материалы электроники». Эта работа сыграла важную роль в привлечение внимания к теме и способствовала переоценке потенциала полупроводниковых материалов в мировой науке. Известно, что в 1930-х годах исследования велись в Великобритании и Германии. Однако из‑за фрагментарности информации о проводимых работах сложно объективно оценить реальный уровень и масштаб научных достижений в данной области.

В этом же году советский физик Я.Н. Френкель опубликовал свою работу о теории возбуждения в полупроводниках парных носителей зарядов (электронов и дырок), которая помогла понять механизм проводимости в полупроводниках.

Параллельно с этим английский физик Алан Херрис Уилсон создал зонную теорию проводимости, которая постулировала, что в твёрдом теле энергетическое состояние электронов может быть представлено в виде периодической последовательности зон разрешённых и запрещённых энергий. К разрешённым зонам относятся зона проводимости и валентная зона. Переход электронов, возбуждённых различными способами (разогрев, электрический пробой, освещение), на более высокие энергетические уровни уменьшает сопротивление полупроводника.

В 1932 году советские учёные В.П. Жузе и Б.В. Курчатов в работе «К вопросу об электропроводности закиси меди» показали, что величина и тип электрической проводимости определяются концентрацией и природой примеси. Позже было установлено, что примеси, введённые в кристаллическую решётку полупроводника, могут создавать электронную или дырочную проводимость, изменяя величину и знак электропроводности.

В 1932–1933 годах О.В. Лосев подробно исследовал фоторезистивный эффект во многих полупроводниковых материалах.

Далее я представлю значимые исследовательские работы по годам.

1933 год

В этот год области исследований полупроводников вышли две значимые работы:

1. Книга А. Ф. Иоффе «Электронные полупроводники». Это фундаментальное издание было опубликовано в серии «Проблемы новейшей физики». В книге подробно рассмотрены:

  • электронная модель полупроводника;

  • классификация полупроводников;

  • электронное равновесие в полупроводнике;

  • темновая проводимость полупроводников;

  • фотопроводимость;

  • диффузия электронов в полупроводнике;

  • явления в пограничных слоях полупроводников;

  • внешний фотоэффект.

Работа стала важным вкладом в развитие теории полупроводников и использовалась как учебное пособие.

2. Открытие фотомагнитоэлектрического эффекта (эффекта Кикоина–Носкова). Советские физики Исаак Константинович Кикоин и Михаил Михайлович Носков обнаружили, что в полупроводнике, помещённом в магнитное поле и освещённом сильно поглощаемым светом, возникает электрическое поле. Это явление связано с образованием высокой концентрации электронов и дырок в поверхностном слое при поглощении света. Градиент их концентрации приводит к диффузионному потоку носителей заряда, а магнитное поле отклоняет электроны и дырки в разные стороны, вызывая пространственное разделение зарядов.

Открытие имело большое значение для изучения электронных процессов в полупроводниках и позже легло в основу докторской диссертации И. К. Кикоина. Эффект используется в современных методах определения времени жизни, диффузионной длины, скорости поверхностной рекомбинации неравновесных носителей заряда, а также в детекторах излучения и магнитометрах.

1934 год

Вышла работа Л. И. Русинова (ЛФТИ), посвящённая измерению электропроводности карборунда по токам Фуко. Учёный показал, что низкая электропроводность этого материала связана с наличием переходных сопротивлений между зёрнами. Истинная же электропроводность карборунда значительно выше и достигает порядка 1 см−1. Эта работа подчёркивала важность учёта переходных сопротивлений в полупроводниках, особенно при низких температурах, которые связаны с контактными потенциалами. Такие сопротивления характерны для многих полупроводников и влияют на их электрические свойства.

1935 год

Вышла работа немецкого физика-экспериментатора Бернхарда Фридриха Адольфа Гуддена «Электропроводность электронных полупроводников». Статья была опубликована в журнале «Успехи физических наук» (УФН). В работе рассматриваются различные аспекты электропроводности полупроводников, включая:

  • электронную и ионную проводимости;

  • закон Ома и определение удельной электропроводности;

  • температурную зависимость удельной электропроводности и её значение;

  • фотоэлектрическую проводимость в полупроводниках;

  • связь химического строения и электронной проводимости;

  • теорию электронных полупроводников.

Интересно, что в этой работе Гудден высказывал мнение, что «полупроводников в кенигсбергеровом смысле не существует», и относил такие материалы, как графит и кремний, к металлам, а не к электронным полупроводникам.

Вышла статья С. Ю. Лукьянова и А. А. Равделя «Фотоэлектрические приборы», опубликованная в УФН. В ней авторы рассматривают фотоэлектрические приборы, основанные на внешнем, внутреннем фотоэффекте и фотоэффекте запирающего слоя. Они отмечают, что приборы, использующие внутренний фотоэффект и фотоэффект запирающего слоя, мало применяются в технике из-за недостаточного изучения этих явлений и технических ограничений (инерция при высоких частотах, низкое внутреннее сопротивление, затрудняющее усиление фототоков). Эти работы способствовали развитию теории и практики в области полупроводников, углубляя понимание их электрических и фотоэлектрических свойств.

1936 год

Вышла работа Я. И. Френкеля, в которой он показал неприменимость вильсоновской схемы электронных уровней в полупроводниках к описанию нормальных и отчасти возбуждённых состояний диэлектрических кристаллов. Это исследование способствовало развитию теории полупроводников и углублению понимания их электронных свойств.

1937 год

Вышли несколько значимых работ, в том числе в СССР. Среди них:

«Электронные полупроводники в сильных электрических полях» — статья А. В. Иоффе и А. Ф. Иоффе, опубликованная в «Докладах Академии наук СССР». В работе изучались свойства запорного слоя твёрдых выпрямителей и влияние сильных электрических полей на электронные полупроводники.

«О фотоэлектродвижущей силе в полупроводниках» — работа Б. И. Давыдова, опубликованная в «Журнале технической физики». В статье исследовалась фотоэлектродвижущая сила (фотоэдс) в полупроводниках, то есть электродвижущая сила, возникающая при поглощении электромагнитного излучения.

«К теории движения электронов в газах и полупроводниках» — работа Б. И. Давыдова, опубликованная в «Журнале экспериментальной и теоретической физики». В исследовании развивалась теория движения электронов в газах и полупроводниках в сильном электрическом и магнитном полях, что позволило рассчитать коэффициенты диффузии и электропроводности электронного газа с учётом упругих столкновений.

Также в 1937 году А. Ф. Иоффе выдвинул новое объяснение выпрямления на границе дырочного и электронного полупроводников.

1938 год

Вышло несколько значимых работ:

«О выпрямляющем действии полупроводников» — книга Б. И. Давыдова, опубликованная в 1938 году. Работа основана на статье, которая вышла в журнале «Журнал технической физики». В ней Давыдов рассматривал прохождение тока в диодных структурах полупроводников, в том числе с разным типом проводимости (n‑ и p‑полупроводников), которые позднее назвали n‑p-переходами. В развитой им теории учтён переход неравновесных носителей через возникающий барьер — инжекция неосновных носителей с последующей их рекомбинацией в базовых областях структуры.

«К теории электрического пробоя в диэлектриках и электронных полупроводниках» — работа Я. И. Френкеля, опубликованная в 1938 году в журнале «Журнал экспериментальной и теоретической физики». В этой работе Френкель предложил теорию, которая сейчас известна как эффект Пула‑Френкеля. Х. Х. Пул (Horace Hewitt Poole) ранее сообщил об экспериментальных результатах по проводимости в изоляторах и обнаружил эмпирическую взаимосвязь между проводимостью и электрическим полем. Френкель разработал микроскопическую модель, аналогичную эффекту Шоттки, чтобы более точно объяснить результаты Пула.

«О выпрямлении тока на границе между двумя полупроводниками» — статья Б. Давыдова, опубликованная 1 августа 1938 года в «Докладах Академии Наук СССР». Эти работы внесли вклад в развитие теории полупроводников, изучение их электрических свойств и явлений, связанных с выпрямлением тока и электрическим пробоем.

Одновременно и независимо друг от друга английский ученый Невилла Ф.Мотта и немецкий ученый Вальтер Шоттки сформировали теорию выпрямляющего действия контакта металл‑полупроводник.

1939 год

Вышла значимая работа Б. И. Давыдова — первая диффузионная теория выпрямляющего p‑n-гетероперехода. Эта теория легла в основу теории p‑n-перехода, разработанной позже Уильямом Шокли, одним из создателей транзистора.

В работе Давыдова было дано теоретическое обоснование p‑n — перехода и введено понятие инжекции. Теория объяснила образование запорного слоя — области с повышенным сопротивлением на границе двух полупроводников с разным типом проводимости. Это стало ключевым для понимания работы диодов и других полупроводниковых приборов.

1940 год

Вышла значимая работа Б. И. Давыдова и И. М. Шмушкевича – обзор «Теория электронных полупроводников. I», опубликованный в журнале «Успехи физических наук».

В первой части обзора, помимо введения и теплового равновесия электронов в решётке, рассматриваются:

  • электропроводность в слабом поле;

  • термоэлектрические, термо- и гальваномагнитные эффекты в полупроводниках с атомной и ионной решёткой;

  • электропроводность полупроводников в сильных полях.

Во второй части планировались к разбору диффузионные явления и связанные с ними эффекты выпрямления, фото-ЭДС, а также контактные сопротивления.

Разделы первой части, посвящённые полупроводникам с ионной решёткой, а также вся вторая часть являются изложением работ, выполненных в течение нескольких лет до 1940 года. Эта работа внесла вклад в развитие теоретической базы полупроводниковой электроники, которая к 1940-м годам уже приближалась к созданию транзистора.

1941 год

Одна из ключевых работ по исследованиям полупроводников была опубликована советским физиком В. Е. Лашкаревым. Он экспериментально установил контакт полупроводников разного типа в меднозакисном выпрямителе и открыл явление, которое позже получило название p‑n-переход. Лашкарёв опубликовал две статьи, посвящённые этим исследованиям:

«Исследование запирающих слоёв методом термозонда»;

«Влияние примесей на вентильный фотоэффект в закиси меди» (в соавторстве с К. М. Косоноговой).

В своих работах учёный показал, что в меднозакисном выпрямителе (структура «окисел меди»‑«закись меди»‑«купросы») выпрямление тока определяется гетероконтактом полупроводников n‑ и p‑типов проводимости. Он применил термозонд (нагретый стержень, приводимый в соприкосновение с полупроводником) и установил, что по обе стороны от слоя с повышенным сопротивлением (запорного слоя), расположенного параллельно границе раздела медь — закись меди, знаки носителей тока различны. Это открытие стало важным шагом в понимании механизмов работы полупроводниковых приборов. Также Лашкарёв раскрыл механизм инжекции — переноса носителей тока, который лежит в основе действия полупроводниковых диодов и транзисторов. Его работы заложили основы для дальнейших исследований в области полупроводниковой электроники, хотя в то время развитие технологий не позволило сразу использовать эти открытия для создания практических устройств.

Возможно, у читателя сложиться впечатление, что я перечисляю только работы советских ученых. Это не случайность: довоенный период в изучении полупроводников по праву можно считать «советским» — именно советские исследователи внесли определяющий вклад в систематизацию знаний и развитие методологии в области полупрооводников.

Как видно из представленного списка, в нём отсутствуют исследовательские работы американских физиков довоенного периода. Возникает закономерный вопрос: чем занимались американские физики в тот период, если впоследствии именно они стали первооткрывателями транзистора?

В 1930-х годах научно‑исследовательская деятельность в американских университетах существенно сократилась, что было связано с масштабным экономическим кризисом — Великой депрессией. В условиях массовой безработицы, голода и социальных потрясений наука и исследования отошли на второй план. Государственные вложения в образование и науку стали крайне не стабильными. Зачастую единственной возможностью для ученых продолжить исследования оставалась лаборатории крупных корпораций. Однако здесь научная работа подчинена коммерческим интересам: основное внимание уделялось развития вакуумной техники — совершенствование конструкции электронных ламп и технологического оборудования.

Таким образом, в то время как советские учёные активно вели фундаментальные исследования в области полупроводников, накапливая знания и приближая человечество к новому технологическому витку, американские исследователи сосредоточились на прикладных задачах, обеспечивавших непосредственную экономическую выгоду для корпораций.

Вторая мировая война спутала все планы. Научные исследования, не имевшие прямого военного значения, были отложены. Университеты и лаборатории переориентировались на задачи обороны: совершенствование радиосвязи, разработка радаров, улучшение вооружений. Фундаментальная наука уступила место прикладным решениям, способным дать результат здесь и сейчас.

Не сказать, что исследования полупроводников остановились, правильнее сказать, что они изменились в более практическое русло.

Например, советский физик и изобретатель Олег Владимирович Лосев продолжал в блокадном Ленинграде усовершенствовать свой «кристодин», параллельно с этим он разработал электростимулятор сердечной деятельности, устройство системы противопожарной сигнализации и изобрел портативный прибор для обнаружения металлических осколков в ранах. Добровольно отказавшись от эвакуации, 22 января 1942 года умер от физического истощения, вызванного голодом, в госпитале Первого ленинградского медицинского института.

С другой стороны многие физики стали заниматься прикладными военными задачами.

Например, в 1942 году Шокли прервал работу в Bell Labs, и в мае 1942 года занял должность директора исследований в Антиподводной оперативной группе Колумбийского университета. В это время он занимался вопросами противолодочной обороны и оптимизацией применения глубинных бомб.

Что особенно примечательное А.Ф. Иоффе во время войны также занимался широким спектром оборонных задач: размагничиванием кораблей (защита от магнитных бомб), противолодочной обороной (оптимизация применения глубинных бомб и методов обнаружения подлодок), бронезащитой (улучшение защитных свойств брони), радиолокацией, ну конечно же, атомным проектом.

Изобретение

Научная деятельность в США в довоенный период в значительной степени регулировались принципами коммерческой конфиденциальности, и исследовательские организации стремились защитить свои разработки от конкурентов, ограничивая доступ к результатам исследований. Созданная, в июне 1941 года Управление научных исследований и разработок (OSRD) под руководством Вэнивара Буша, усугубила ситуацию. Открытость сведений об научных исследований и работах — была «убита» на корню.

Примечательно, что в то же время в СССР, не смотря на высокий уровень секретности, всё же можно было получить общее представление о том, какие научные проблемы исследуются в том или ином институте — пусть и без раскрытия технических деталей. Вообще, в СССР пропаганда «человека ученого» была на высоте!

В США же закрытость данных приобрела системный характер не только конкретные результаты, но и сами направления исследований зачастую оставались неизвестными широкой публике и даже значительной части научного сообщества.

Закрытость научных данных привела к существенному сокращению обмена знаниями между исследователями, что, в свою очередь, ограничивало возможности коллективного прогресса в науке. Вместо стихийного обмена информацией, характерного для мирного времени, сложилась система централизованного управления научными коммуникациями.

Именно эту задачу решало Управление научных исследований и разработок (OSRD): оно взяло на себя координацию обмена научной информацией между исследовательскими группами, корпорациями и военными ведомствами. Таким образом, государство не просто ограничивало доступ к данным — оно структурировало и направляло поток информации, обеспечивая его эффективность в рамках военных приоритетов.

Отчасти подобная курьезная ситуация была обыграна в сериале «Теория Большого взрыва», когда Леонард Хофстедтер и Шелдон Купер узнают, что работают в одном институте. Мда, не мудрено, что социальные сети появились именно в США.

Лишь изобретение транзистора, заставило американцев раскрыть хоть какую‑то информацию о своей научной деятельности в области полупроводников. Благодаря публикациям конца 1940‑х годов (в том числе в Bell System Technical Journal и Physical Review) стали известны отдельные её фрагменты. Однако даже эти обрывочные сведения позволяют сделать важные выводы:

  • в США не существовало единой, целенаправленной программы изучения полупроводников до начала военных исследований;

  • систематическая работа в этой области началась позже, чем в ряде других стран;

  • прогресс в области полупроводниковой техники во многом был стимулирован военными нуждами (развитие радиолокации, связи и так  далее), а не академическим интересом.

Таким образом, многие детали остаются неизвестными или реконструируются лишь косвенно — на основе поздних публикаций, отчётов, воспоминаний участников и косвенных свидетельств.

Следует с осторожностью относиться к ссылкам на научные открытия американских учёных, датируемые тем периодом. Анализ доступных источников показывает, что:

  • большинство упоминаний о подобных открытиях появляются в публикациях, выпущенных уже после войны;

  • отсутствуют первичные научные статьи или отчёты, опубликованные в предполагаемый период совершения открытия;

  • многие сведения реконструируются ретроспективно на основе воспоминаний, поздних интервью или обобщающих работ.

В результате достоверность таких утверждений не может считаться подтверждённой, а их историческая ценность остаётся под вопросом. Например, в 1954 году Моррис Таненбаум изготовил первый кремниевый транзистор в Bell Labs. А знаете, откуда мы знаем это сегодня? «Утраченная история транзистора», IEEE Spectrum, май 2004. Это чуть‑ли не единственный источник данного факта.

Но а теперь о самих событиях...

Нападение на Перл‑Харбор стало катализатором масштабной программы развития радиолокационной технологии в США. В условиях военного времени возникла чрезвычайная необходимость развития радиолокационных систем.

Существующие решения на основе вакуумных ламп имели серьёзные ограничения: они отличались громоздкостью, высоким энергопотреблением, значительным тепловыделением и не обеспечивали эффективного детектирования сверхвысокочастотных (СВЧ) сигналов, критически важных для работы радаров.

Чтобы обойти ограничения вакуумных ламп в радиолокации, американским учёным было поставлена задача — преодолеть эти ограничения, и их вниманию привлекли полупроводники. Так в 1942 году на стол директора лаборатории Bell Labs Мервин Келли «лёг» доклад о необходимости изучения полупроводников для использования их в радиолокации. Основания были существенными, так как ранее американцы уже удачно применили примитивный полупроводниковый диод «кошачий ус» в качестве СВЧ‑ детектора. Таким образом, в условиях секретности в лаборатории Bell Labs была собрана группа физиков, которым была поставлена задача усовершенствовать уже существующие полупроводниковые устройства. Складывается такое ощущение, что им определили «где копать», а вот направление «куда копать» — оставалось размытым и не вполне ясным.

Постоянные неудачи привели, к тому, что в июне 1945 года, Келли вновь создал группу по исследованию твёрдого тела во главе с Шокли и Стэнли Морганом. В группу вошли Уолтер Браттейн, Джон Бардин и другие физики, химики и инженеры. Ознакомившись с работами военного времени (особенно ценными оказались исследования германия, проведённые в американском Университете Пердью), Шокли сузил выбор полупроводников до германия и кремния. С этого момента дела у американцев пошли по бодрее.

26 февраля 1948 года Бардин и Браттейн подали патентную заявку, где дали объяснение работы транзистора, предположив существование в объёме полупроводника барьера, подобного барьеру Шоттки на границе полупроводника и металла. Однако это объяснение не учитывало такие ключевые понятия, как неосновные носители заряда и инжекция заряда, без которых невозможно полноценно описать работу транзистора.

Из‑за конфликта с Шокли заявка была отозвана, но через два с половиной месяца — 17 июня 1948 года Бардин и Браттейн уже подали повторную патентную заявку на изобретение трехэлектродного элемента на полупроводниках (будущий патент № 2524035 от 3 октября 1950 года). Документ закрепил принцип работы первого транзистора, созданного в Bell Labs.

26 июня 1948 года Шокли подал свою патентную заявку на изобретение плоскостного биполярного транзистора (будущий патент США № 2569347 от 25 сентября 1951 года). Вот в ней уже есть описание прибор с двумя параллельными p‑n-переходами — это описание напоминает плоскостной биполярный транзистор. В этой работе впервые появились утверждения о необходимости прямого смещения эмиттерного p‑n-перехода и обратного смещения коллекторного перехода.

Кордебалет с патентами указывает на то, что на момент подачи патента изобретение не было еще хорошо изучено.

В популярной версии истории изобретения транзистора Уильям Шокли часто изображается как деспотичный начальник, а Джон Бардин и Уолтер Браттейн — как смелые новаторы, обошедшие его в гонке за открытием. Но если взглянуть на факты, картина становится сложнее.

Достаточно сравнить два ключевых патента:

US2524035A — изобретение Бардина и Браттейна (точечный транзистор);

US2569347A — изобретение Шокли (плоскостной биполярный транзистор).

Устройство Бардина и Браттейна было создано быстро: они собрали работающий прототип точечного транзистора и оперативно оформили патент. Шокли же пошёл другим путём — он разработал теорию плоскостного биполярного транзистора, что потребовало:

  • глубокого анализа физических процессов;

  • математического моделирования;

  • тщательной экспериментальной проверки.

На это ушёл почти год, но результат оказался более значимым для развития электроники: плоскостной транзистор стал основой для массового производства полупроводниковых устройств.

30 июня 1948 года в Нью‑Йорке прошла публичная презентация первого в мире транзистора. Мероприятие состоялось в штаб‑квартире Bell Telephone Laboratories (American Telephone and Telegraph). Презентация была приурочена к выходу статей об изобретении в журнале Physical Review. К этому моменту патентные формальности были улажены.

На демонстрации показали, как транзисторы применены в схеме радиоприёмника без электронных ламп, а также в телефонной системе и телевизионном устройстве. Во всех случаях прибор работал в качестве усилителя. Представители Bell Labs заявили, что транзистор может использоваться и как генератор, способный создавать и передавать радиоволны.

В газете The New York Times от 1 июля 1948 года появилась заметка о событии:

«Вчера Bell Telephone Laboratories впервые продемонстрировала изобретённый ею прибор под названием „транзистор“, который в ряде случаев можно использовать в области радиотехники вместо электронных ламп. Прибор был применён в схеме радиоприёмника, не содержащего обычных ламп, а также в телефонной системе и телевизионном устройстве. Во всех случаях прибор работал в качестве усилителя, хотя фирма заявляет, что он может применяться и как генератор, способный создавать и передавать радиоволны.»

Транзистор, имеющий форму маленького металлического цилиндра длиной около 13 миллиметров, совсем не похож на обычные лампы, в нём нет ни полости, из которой откачан воздух, ни сетки, ни анода, ни стеклянного корпуса. Транзистор включается практически мгновенно, не требуя разогрева, поскольку в нём отсутствует нить накала. Рабочими элементами прибора являются лишь две тонкие проволочки, подведённые к куску полупроводника величиной с булавочную головку, припаянному к металлическому основанию. Полупроводник усиливает ток, подводимый к нему по одной проволочке, а другая отводит усиленный ток«.»

В сентябре 1948 года на обложке журнала Electronics (издательства McGraw‑Hill) были опубликованы фотографии учёных Bell Labs — Джона Бардина, Уолтера Браттейна и Уильяма Шокли с подписью, что именно они создали транзистор.

Через год, 1 июля 1949 года в журнале Bell System Technical Journal. Работа называлась «The Theory of p‑n Junctions in Semiconductors and p‑n Junction Transistors». В этой статье Шокли изложил теорию p‑n-переходов в полупроводниках и плоскостного транзистора (junction transistor). Он описал прибор с двумя параллельными p‑n-переходами, объяснив необходимость прямого смещения эмиттерного p‑n-перехода и обратного смещения коллекторного перехода. Теория была основана на его исследованиях и экспериментальных данных, подтвердивших работоспособность концепции. Согласно свидетельствам самого Уильяма Шокли, на проверку и детализации его теории о плоскостного биполярного транзисторе ушёл целый год.

Поэтому есть предположение, что Уильям Шокли в течение года мог править патентную заявку — вычистить его от ошибок, неточностей (закон США это позволяет), отсюда не нужно воспринимать, что текст в патенте — это «мгновенный снимок» первоначальной идеи, а как результат поэтапной научной и юридической проработки.

Приблизительно так выглядит американская история изобретения транзистора.

Но у публики в комментариях возникнут резонные вопросы — а как же немецкие изобретатели транзистора?

Если подходить чисто юридически, то в американском патенте работа точечного транзистора указана не полно, в отличие от патента немцев, хотя технически речь идет об одном и том же устройстве. Юридически это два разных устройства, а так как немцы описали полный принцип работы транзистора, то это дает право утверждать, что немцы сделали первыми. Это понимали с обеих сторон.

В 1950 году Герберт Матаре и Генрих Велкер совершили глупость — пригласили Шокли и Браттейну во Францию для демонстрации работы своего транзисторных усилителей на телефонной линии Франция — Алжир. Американцев очень сильно впечатлились, что спустя какое‑то время французское правительство вдруг вспомнило о принадлежности их к определенной политической организации времен войны и расторгло с ними любое сотрудничество, а также потребовало покинуть территорию страны.

История создания первого транзистора в Советском Союзе звучит еще куда чуднее.

Когда стало известно, что в США создали новый тип полупроводникового устройства — транзистор, то в СССР его создание поручили не какому‑нибудь научному коллективу, а возложили эту сложную задачу студентке Московского химико‑технического институту (МХТИ) — Сусанне Гукасовне Мадоян — разработать макет транзистора в рамках своей дипломной работы «Исследование материалов для кристаллического триода».

В декабре 1948 года она была направлена на преддипломную практику в НИИ-160 (ныне «Исток», г. Фрязино) под руководством А.В. Красилова, а в феврале 1949 года — она уже демонстрировала усилительный эффект на макете кристаллического триода (транзистора). Вот так 22- летняя студентка Сусанна Гукасовна Мадоян, само того не подозревая вошла в историю, как первый разработчик транзистора в СССР.

Вы только представьте, какой запредельный уровень троллинга американской науки: «рандомно» взяли студентку, сказали ей: «надо сделать» и она сделала. Хотя, что тут удивляться, таким был уровень советского образования!

Отмечу, для невнимательных, что на момент создания советского макета транзистора еще не были опубликованы патенты или теория о плоскостном транзисторе Шокли, то есть детали работы и конструкция американского транзистора не были известны.

Думаете, на этом история транзистора закончилась? Отнюдь.

Производство

Не смотря на то, что промышленное освоение транзисторов в разных странах происходило независимо, проблемы были схожими.

В интернете можно найти чуть ли не по дням, что делали Джон Бардин и Уолтер Браттейн накануне своего исторического изобретения, однако процесс производственного освоения транзистора остается практически неизвестным.

В октябре 1948 года в лаборатории Bell Labs, являющая научно‑исследовательским подразделением компании AT&T, буквально через четыре месяца после первой публичной демонстрации транзистора, была собрана специальная группа из технологов и инженеров под руководством Джона Пфанна. Перед ними была поставленная чёткая задача: довести экспериментальный макет транзистора до уровня промышленного образца. Для этого в лаборатории смонтировали опытную производственную линию, взяв за основу уже отработанную технологию сборки контактных детекторов СВЧ‑излучения.

Производственная компания Western Electric, дочернее предприятие AT&T, получила задание наладить производство первых транзисторов. Для этого задействовали недавно построенный завод в Аллентауне (штат Пенсельвания). Выбор места был не случаен: сельскохозяйственный штат очень сильно пострадал в период Великой депрессии и остро нуждался в новых рабочих местах. Для естественной монополии низкая стоимость земли, безработица и низкая зарплата — это топливо как для машины, без которого невозможно извлекать прибыль.

Очень быстро выясняется, что первый американский макет точечного транзистора имел крайне неудачную конструкцию, непригодную для производственного масштабирования. Одно дело — взять пластину германия, выбрать контактные зоны с максимальным эффектом усиления, прикрепить к ним электроды и впечатлить руководство. Другое дело — повторить тоже самый фокус, только уж с большим количеством пластин.

Здесь требуется небольшое пояснение. Несмотря на то, что первые конструкции корпуса точечных транзисторов менялись, контактная часть с кристаллом была одинаковой. Американцы давно использовали иглы в качестве контактов в полупроводниковых диодах, и, казалось бы, не должно возникнуть сложностей с добавлением третьей иглы. Однако сложность заключалась, в том третья игла должна находиться в относительной близости от другой — в пределах 50–100 мкм. При слишком близком расположении возможно слияние двух зон проводимости, как следствие, короткое замыкание, а при удаленном размещении — снижение усилительного эффекта вплоть до его полного исчезновения.

«В самом начале работы транзисторов их характеристики могли измениться, если кто‑то хлопнул дверью», — цитировали Джек А. Мортона в статье 1953 года в Fortune.

Весь 1949 и 1950 год команда исследователей Bell Labs пыталась найти решение, которое позволило закрепить иглы и удерживать их там, где надо. Под руководством Мортона на опытной промышленной линии было создана сотни транзисторов в разных корпусах, но в серию пойдет транзистор корпус «тип А». Не самая удачная конструкция, но из‑за самых высоких частотных характеристик, его будут выпускать около 10 лет.

Завод в Аллентауне до запуска линии по производству транзисторов выпускал разнообразную продукцию, включая вакуумные лампы различных типов и размеров. В 1950 году было завезено оборудование для производства транзисторов, но оно простаивало. В это время на заводе проводили экскурсии, рассказывали, что вот‑вот скоро здесь запустят производство транзисторов. Местная газета The morning call активно приглашала всем желающим посетить это завод.

1 октября 1951 года компания AT&T начала собирать первые в мире серийные транзисторы — германиевые точечные приборы «типа А». Запуск производства происходил в спешки и большим давлением со стороны руководства компании AT&T. В апреле 1952 года завод должен был выйти на производство один миллион транзисторов в месяц, но вместо этого достиг всего 8400 штук.

В конце 1952 года на заводе начали выпускать плоскостные биполярные транзисторы (по патенту Шокли), но из‑за широкой базы их частотные характеристики были значительно хуже, чем у транзисторов «типа А».

После получения патента на точечный транзистор в 1950 году, из‑за невнятной лицензионной политики, повышенной секретности и задержки запуска собственного производства Министерство юстиции США в 1951 году потребовало, чтобы AT&T предоставило лицензии на свои технологии всем заинтересованным американским компаниям без взимания роялти.

Отдельно нужно отметить, что в 1913 году между компанией AT&T и антимонопольным комитетом США было достигнуто соглашению Кингсбери (Kingsdbuty Commitment), которое закрепляет за компанией статус естественной монополии на рынке телефонных услуг. Этот статус для компании создавал определенные ограничения в патентном праве; в частности, любое изобретение компании не должно было усиливать её монопольное право.

Изобретение транзистора и получение на него патента создавали для компании потенциально рискованную ситуацию. В AT&T отчётливо осознавали, что оформление патента на это революционное изобретение приведёт к усилению контроля со стороны антимонопольного комитета США. Ситуация осложнялась тем, что на тот момент компания уже находилась в процессе антимонопольного разбирательства в сфере телефонных услуг, что повышало вероятность ужесточения регуляторных мер.

Компания AT&T начала потихоньку сдавать позиции, согласилась на смягчения секретности и в 1951 году в лаборатории Bell Labs провела симпозиум для правительственных и военных чиновников, на которых раскрыла информацию о транзисторе.

В 1951 году компания CBS‑Hytron, получил лицензию на производство точечных транзисторов, запустила их в серию, но через год прекратила его выпуск. Тоже самое произошло и с Hughes Aircraft которая безуспешно пыталась делать транзисторы из отдельных зёрен поликристаллического германия, но в итоге отказалась от проекта.

В 1952 году лаборатория Bell Labs провела второй симпозиум для коммерческих компаний, которые должны внести 25 тысяч долларов в качестве «аванса за лицензию». К лету 1952 года лицензию (так называемую «книгу за 25 тысяч долларов») приобрели 26 американских и 14 иностранных компаний, но многие из них попытки воспроизвести точечный транзистор не имели успеха.

Моё личное предположение: ключевой мотивацией руководства AT&T и лаборатории Bell Labs при выборе позиции в споре вокруг изобретения транзистора стал страх принудительного дробления компании на более мелкие структуры. Этот фактор, вероятно, предопределил поддержку Джоном Бардином и Уолтером Браттейном, а также их разработки — несовершенного точечного транзистора. Такой выбор позволял избежать обвинений в монополизации перспективных технологий и снижал риски ужесточения антимонопольного регулирования.

Несмотря на то, что AT&T ранее активно защищала свои патенты (например, на вакуумную лампу), в случае с транзистором компания решила либерализовать лицензирование технологии. Компания находилась просто в полшаге от принудительного раздробления, и руководство мудро посчитала, что каким бы ценным не был патент на изобретения — он не стоит того, что бы компания просто исчезла.

Либеральное лицензирование позволило таким аутсайдерам, как Motorola, Texas Instruments и Fairchild, получить доступ к технологии. С помощью государственных контрактов они усовершенствовали технологию переключения транзисторов и увеличили её надёжность, а также разработали методы массового производства.

Но не лицензии и не конкуренты превратили компании AT&T в аутсайдера в области полупроводников. Не редко так бывает, что люди, которые ведут компанию к успеху, потом становятся её могильщиками. Джек А. Мортан, который в свое время сделал всё, чтобы экспериментальный транзистор превратился в промышленный образец, поймал «звезду». Он очень долго правильно угадывал направления ветра в отрасли и поверил в свою непогрешимость. Именно он стал главным противником перехода на кремний в лаборатории Bell Labs, что побудило Шокли покинуть её, но это уже другая история. А когда пришла миниатюризация, то он с сектантской уверенностью отстаивал, что уменьшение размеров транзисторов может привести только к росту брака.

Ну и в заключении про американский транзистор…

Клео Ф. Крейг, президент AT&T, в 1953 году на собрании 1200 акционеров показал транзистор и сказал: «Вот что‑то, что нас очень воодушевляет», — говорится в статье в Electronicle. В редакционной статье Evening Chronicle (бывшего вечернего издания Morning Call) 1955 года говорилось, что с такими устройствами, как транзистор, «мы живем в эпоху чудес».

В СССР была более спокойная обстановка: разработчиков не загоняли в сроки, на НИИ никаких антимонопольных исков не возбуждали, руководство воспринимала все производственные трудности, как решаемые.

Первыми транзисторами, выпущенными отечественной промышленностью в НИИ «ИСТОК» (НИИ-160) были точечные триоды КС1, КС2, КС3, КС4, КС5, КС5, КС6, КС7, и КС8. Первые шесть типов предназначались для использования в усилительных схемах на частотах не выше 5 МГц два последних типа были предназначены для генерирования колебаний до 1,5 МГц (КС7) и до 5 МГц (КС8). Ну, да частота 5 МГц — это в два раза хуже транзистора «типа А», но ради справедливости нужно отметить что среди американских он единственный отличался из всей когорты первых транзисторов, на тот момент все остальные транзисторы были значительно хуже него.

Вскоре триоды типа КС были сняты с производства и заменены новой модификацией более высокочастотных (до 10 МГц) точечных триодов С1 (усилительные триоды) и С2 (генераторные триоды) и их варианты в герметичных корпусах С3 и С4.

Серийное производство точечных транзисторов (ТС1 — ТС7) началось в 1953 г., плоскостных (П1) — в 1955.

В 1953 году был организован первый в СССР институт полупроводников (НИИ-35, ныне — НПП «Пульсар»). В нём лаборатория Красилова разработала первые сплавные германиевые транзисторы. В том же году были выпущены первые транзисторы по проектам «Точка» и «Плоскость».

Нобелевская премия

Нобелевская премия по физике 1956 года (The Nobel Prize in Physics 1956) была присуждена совместно Уильяму Шокли, Джону Бардину и Уолтеру Хаузеру Браттейну «за их исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта» (for their researches on semiconductors and their discovery of the transistor effect).

В Советском Союзе признавалась определённая роль трёх американских учёных в изобретении транзистора. Однако решение Нобелевского комитета присудить им премию «за исследования полупроводников» воспринималось как политически мотивированное и содержало неявный вызов Советскому Союзу. Основанием для такой оценки служило то, что до совершения открытия ни один из лауреатов не публиковал научных работ в области полупроводниковой физики — за исключением Уильяма Шокли, чьи теоретические наработки имели отношение к изобретению. Примечательно, что в данном случае не научная деятельность предшествовала открытию, а само открытие стимулировало последующую теоретическую разработку вопроса. В советской научной и публицистической традиции этот эпизод долгое время интерпретировался как иллюстрация склонности капиталистического мира присваивать чужие достижения и выдавать их за собственные.

Для американцев микроэлектроника — предмет национальной гордости, своего рода аналог нашего отношения к космическим достижениям. Мы, в свою очередь, признаём вклад разных стран в освоение космоса — и это выглядит вполне естественно. Но парадокс в том, что даже спустя десятилетия после распада Советского Союза в США сохраняется некоторая настороженность или даже пренебрежение по отношению к его научным и техническим успехам. Иногда, при чтении американской ретроспективной научной статьи нередко ловишь себя на мысли, что повествование начинается с середины.

Эпилог

В следующей статье я намерен проанализировать причины технологического отставания СССР в сфере микроэлектроники, а также факторы, обуславливающие сохранение этого отставания в современных условиях. Предложенный анализ будет отличаться от распространённых трактовок, сформировавшихся в либеральный период постсоветской России, и предложит более взвешенный взгляд на проблему с учётом комплекса исторических, экономических и институциональных факторов.