Транзистор, «дрессированные» муравьи и показатель интеллекта

Вильям Брэдфорд Шокли (William Bradford Shockley), 1910–1989
Джон Бадин (John Bardeen), 1908–1991
Уолтер Хаузер Брэттен (Walter Houser Brattain), 1902–1987

 

В 1956 американские физики Вильям Брэдфорд Шокли, Джон Бадин и Уолтер Брэттен были совместно удостоены Нобелевской премии в области физики за изобретение транзистора.

 

Слово «транзистор» возникло из сокращения двух английских слов: «transfer» – перемещать, переносить и «resistor» – резистор, сопротивление.

В.Б. Шокли

Д. Бадин

У.Х. Брэттен

 

Транзистор произвел революцию в технологии радио. Он дал начало новому направлению – микроэлектронике и, в конечном итоге, привел к созданию микросхем, микропроцессоров, компьютеров и многих других устройств без которых мы в настоящее время не мыслим свою жизнь. Это был выход из «первобытного» века в век электронный, космический и компьютерный.

Первый точечный транзистор Брэттена и Бадина,
1947.

 

«Пластмассовая пластинка треугольной формы, обернутая золотой фольгой и охватывающая небольшой кусочек германия, который имеет электрический контакт в основании».

 

Это было примитивное устройство, но оно оказалось намного более эффективным по сравнению с электронной лампой. Оно позволяло пропускать и не пропускать ток и, кроме того, усиливать его.

 

Еще в 1939 Шокли предложил прообраз полевого транзистора, в котором использовались проводники, вставленные в оксид меди. Его устройство не было практически реализовано (изобретено в начале 60-х другими учеными), но полевой эффект стал основой будущих интегральных схем. Тогда же Шокли высказал предположение, что приборы, работающие на «полевом» принципе, смогут заменить механические и ламповые коммутаторы в телефонных станциях.

 

После окончания войны (1945) в «Bell Labs» была сформирована исследовательская группа по изучению физических свойств полупроводниковых материалов. Группу возглавили Шокли и химик Стэнли Морган (Stanley Morgan). Шокли занялся подбором кадров. Своим энтузиазмом ему удалось собрать весьма компетентных исследователей: Джона Бадина, Уолтера Брэттена, Джеральда Пирсона (Gerald Pearson), Моргана Спаркса (Morgan Sparks) и других специалистов.

 

Казалось, что где-то очень близко скрыта реальная возможность использования полупроводников в электронике. Теоретические открытия в области квантовой физики в 1930-х годах позволили существенно расширить понимание полупроводниковых свойств веществ. Опыт успешного использования германиевых и кремниевых точечных диодов в радиолокационных системах, приостановка экспериментов в военное время, щедрое финансирование – все было готово для решения задачи.

Шокли, Бадин и Брэттен в лаборатории, 1948.

 

Хотя некоторые члены группы были приглашены только на исследовательские работы, целью Шокли с самого начала было создание усилителя на полупроводниковых приборах как замену электронной лампы.

 

Это произошло в канун Рождества 1947 года. Уолтер Брэттен и Джон Бадин продемонстрировали руководству «Bell Labs» точечный транзистор. Изобретение стало только началом. Исследования полупроводников продолжались.

 

Открытие Брэттена и Бадина без участия Шокли подстегнуло его к лихорадочной деятельности. Результаты не замедлили сказаться. Через несколько месяцев упорных экспериментов Шокли изобрел плоскостной транзистор, устройство, которое положило начало транзисторной электронике. 30 июня в нью-йоркском офисе «Bell Labs» изобретение было впервые продемонстрировано руководству компании.

 

Шокли провел всесторонний анализ поведения полупроводников и изложил это в своей книге, опубликованной в 1950. Монография «Электроны и дырки в полупроводниках» («Electrons and Holes in Semiconductors») стала настольной книгой для поколений исследователей и ученых.

 

Но оказалось, что создать практически пригодный плоскостной транзистор гораздо труднее, чем точечный. Впервые это удалось только в 1951.

 

Работы по изучению проводимости и выпрямительных свойств полупроводников велись в Англии, Германии и СССР, но в этих странах оставался ряд нерешенных проблем на пути к созданию действующих экземпляров транзисторов.

 

Решения Шокли физических и математических проблем были одновременно нетрадиционны, быстры и, как правило, корректны. Он легко воплощал идеи, которые занимали других исследователей многие годы. Он организовывал еженедельные собрания для подведения итогов, которых всегда было так много, что не хватало времени. Это был период волнений и достижений и Шокли был центром процесса. Он вдохновлял своим примером. Он был дерзок и как специалист, и как личность. Он сообщал об успехах без ожидания результатов экспериментального подтверждения – и обычно оказывался прав.

 

Он увлекался альпинизмом. Кафетерий возле лаборатории имел каменный фасад. В обеденный перерыв он демонстрировал способности к скалолазанию, покоряя стену на кончиках пальцев. Его любовь к быстрой езде приводила в трепет пассажиров.

 

Шокли играл. Он играл в игру, выигрышем в которой было понимание фундаментальных основ полупроводников. Его главным козырем в этой игре было умение разбивать сложную проблему на составляющие и находить изящное решение для каждой.

 

Однажды он бросил вызов протоколу собрания Американского Физического Общества. В щегольском образе фокусника-любителя он закончил речь «магическим» появлением букета роз.

 

К сожалению, его достоинства как ученого были уравновешены его недостатками в понимании человеческих отношений. Это вело к разладу в группе. И, в конечном итоге, Шокли выбрал тот путь, которого должен был избежать. Он перестал принимать тех, чей интеллект, по его мнению, был ниже.

Вильям Брэдфорд Шокли

 

Шокли покинул «Bell Labs» и в 1955 организовал компанию «Shockley Semiconductor Laboratories» в Стэнфордской промышленной зоне. Это была первая «полупроводниковая» компания в том месте, что теперь зовется «Кремниевой Долиной» («Silicon Valley»). Он намеревался вести исследования, разработку и производство полупроводниковых кремниевых коммутаторов. Шокли был хорошим ученым, но никудышным бизнесменом и менеджером. Шокли не хватило деловой хватки и рыночной смекалки, которыми обладали некоторые из его служащих. Боб Нойс (Bob Noyce), Гордон Мур (Gordon Moore) и группа из шести других служащих покинули Шокли, чтобы основать компанию «Fairchild Semiconductor» в 1957. Компания «Clevite Transistor» скупила бизнес Шокли в 1960. Он стал консультантом в новой фирме. В конечном итоге компания закрылась в 1969.

 

Интересные штрихи к портрету ученого приведены в биографии Шокли, составленной Джоном Молом (John L. Moll):

 

…Он (Шокли) имел довольно странное хобби… Он любил помещать колонии муравьев в большие стеклянные контейнеры. Частью опытов, которые он проводил, было «обучение» муравьев выбирать пути поиска провизии и их возвращение в домик.

 

Для реализации «муравьиных» задач Шокли сооружал изящные конструкции в виде соломенных качелей, которые наклонялись под весом муравья. Для выхода из домика, муравей должен был подняться по опущенному концу соломинки. При пересечении точки равновесия соломинка под тяжестью муравья наклонялась в другую сторону так, чтобы муравей мог попасть к пище. Как только муравей сползал с соломинки «перекидной мостик» возвращался в первоначальное положение. Для того чтобы попасть обратно муравей должен был искать обходной путь. При возвращении ему предлагалось еще несколько таких препятствий. Шокли мог часами наблюдать поведение муравьев.

 

В 1973 с Шокли произошли разительные перемены. Он занялся евгеникой в части выявления зависимости между расой и уровнем интеллекта. Он заявлял, что люди с черной кожей проигрывают белым не менее 10–20 пунктов при тестах на показатель интеллекта (IQ). Критики начали яростную атаку на Шокли. Вначале они высказали мнение, что IQ тесты «интеллектуально перегружены». Затем, что даже в «неинтеллектуальных» тестах более низкие результаты чернокожих объясняются средой их проживания. И, наконец, что распространение подобных выводов дает повод фанатикам.

 

Шокли пошел дальше научных результатов. Он предложил практические шаги. В частности он высказал мнение, что необходимо стерилизовать категорию людей с низким интеллектом.

 

Его подход к этой теме был более серьезным, чем предыдущие исследования, но при детальном изучении в них также был заметен недостаток научного подхода. Его методы и выводы были очень спорны. Тема имела политическую и расовую подоплеку. Часть данных была подтасована или получена субъективным путем, чтобы подтвердить предвзятое мнение.

 

В Стэнфорде портреты Шокли были сожжены, его «Линкольн» вымазан краской, его классы разгромлены демонстрантами, укутанными в простыни. В течение семи лет Национальная Академия наук отказывалась представить на рассмотрение его заявления о слушаниях, оказывая тем самым медвежью услугу – они «поощряли» его издавать результаты исследований в научных журналах. Никто не смог опровергнуть его «науку».

 

В конце 1980-х декан инженерного факультета одного из Южноафриканских университетов пригласил Шокли посетить ЮАР, чтобы сделать доклад в честь юбилея изобретения транзистора. Памятуя о довольно спорном увлечении Шокли евгеникой, декан подчеркнул, что любые обсуждения таких вопросов будут не уместными, потому что правительство ЮАР пытается найти выход из «болота апартеида». Увы, когда Шокли прибыл на лекцию, он сосредоточился не столько на транзисторе, сколько на своих личных взглядах относительно достоинств и недостатков различных этнических групп, поставив в неловкую ситуацию декана и аудиторию. Большую часть времени, проведенную в ЮАР, Шокли потратил на изучение повадок тамошних муравьев и их «обучению»…

 

Шокли умер в 1989 в возрасте семидесяти девяти лет. Он разделил жизнь между наукой и расовым «крестовым походом». Он посвятил последние пятнадцать лет жизни почти исключительно евгенике. Этот этап жизни ученого только усилил окружающие его противоречия. Тема этнической сортировки осталась спорной. Шокли не приложил никаких усилий, чтобы «успокоить воду».

 

Развитие человеческой цивилизации уже давно сделало свои выводы – показатель интеллекта далеко не полная характеристика индивидуума. Есть и другие мерки: культура, творческий потенциал, мастерство, гуманизм. У всех людей кровь красная. А электроны бесцветны…

 

Пройдет десяток лет. Ученые научатся размещать на одном кристалле как транзисторы, так и другие элементы. Они назовут это микросхемой.

 

А еще через 40 лет на пластинке, размером с первый транзистор, будут помещаться миллионы элементов и, что удивительно, изготавливаться они будут из кремния – обычного материала в избытке встречающегося в земной коре.