Сказка о ефрейторе диоде и сержанте триоде, командующих токами

 

Электрические токи текут по контурам из металлических проводов, многократно разветвляются и снова сливаются, выполняя самые различные функции в электромеханических и электронных устройствах. Командовать беспокойной толпой электронов, которые суматошно толкутся в электрических сетях и электронных схемах, помогают инженерам два исключительно полезных устройства – диод и триод.

Диод – это такой строгий командир, который сидит на конкретном проводе и пропускает ток только в одном направлении и не позволяет ему течь в другом.

– Но ведь есть сети переменного тока, которые разработал Тесла. Как же он там работает – этот «ефрейтор Диод»? – удивился Андрей.

– Диод работает как раз там, где нужно из переменного тока получить постоянный или близкий к нему ток. Диод пропускает по цепи только ток одного направления – и получается, что ток в цепи с диодом всегда течёт в одну сторону и меняет только свою силу по величине. Для многих устройств, работающих на постоянном токе, этого уже достаточно, чтобы функционировать. Если для каких‑то нежных устройств нужен ток, постоянный не только по направлению, но и по силе, то к току применяют дополнительные меры по его выглаживанию.

Триод имеет более сложную задачу – он разрешает слабому току управлять сильными токами. Это очень полезная функция для многих электрических устройств, например радиоприёмников. Летит в пространстве слабенькая электромагнитная волна, попадает на радиоантенну и порождает в ней очень слабый электрический ток. Этот ничтожный ток, переданный на управляющий провод триода, командует течением сильного тока, который колеблет мембрану динамика. В результате действия триода мы слышим человеческую речь или музыку, полученные по радиоволне. Триод‑командира можно сравнить со слабым человеком, который открывает и закрывает заслонку на плотине, регулируя сильный поток воды.

Теперь, узнав, насколько эти устройства полезны, давайте узнаем – как они были созданы.

 

Самым первым диодом стала нагреваемая вакуумная лампа – фактически катодная трубка, в которую входит два провода: катод, который греется специальной электрической спиралькой, и холодный анод. Если электрическое поле направлено так, что катод заряжается отрицательно, а анод – положительно, то такая вакуумная лампа проводит электрический ток: приложенное электрическое поле ускоряет электроны, вылетающие из горячего отрицательного катода, и направляет их к положительному аноду. Если направление поля или тока в цепи переворачивается – анод становится отрицательным, а катод положительным, – то такая вакуумная лампа‑диод перестаёт проводить ток: ведь холодный анод практически не выпускает электроны, а электроны, которые выпрыгивают из горячего катода, заворачивают обратно из‑за того, что положительный катод их снова притягивает. Катод мог бы излучать положительные ионы металла, из которого он состоит, но те слишком прочно связаны друг с другом и не хотят никого отпускать из своего коллектива.

 

Принцип действия вакуумной лампы‑диода был открыт британским учёным Фредериком Гутри в 1873 году. Но уже в следующем году немецкий физик Карл Браун понял, что в качестве диода можно использовать кристаллы твёрдого тела. Как мы знаем, в таблице Менделеева есть химические элементы – щелочные металлы, – которые с охотой отдают свой единственный электрон на внешней электронной оболочке. Зато другие элементы – как фтор и хлор, – у которых не хватает одного электрона для заполнения внешней электронной оболочки, готовы в любой момент сорвать электрон с верхней одежды, то есть орбиты прохожего атома.

Если взять кристалл кремния, в котором есть примесь химических элементов, любителей воровать чужие электроны, – то в нём всегда будет какое‑то избыточное количество электронов. А если кристалл кремния снабдить примесью из элементов, которые легко расстаются со своими электронами, то в нём всегда будет какое‑то количество положительно заряженных ионов – или атомов, лишённых электрона. Такие атомы называют «дыркой».

– Конечно, ведь у них дырявые карманы, из которых вываливаются электроны! – развеселилась Галатея.

– Что получится, если вставить в электрическую цепь два соединённых кристалла кремния, которые различаются свойствами своих примесей? Пусть слева будет кристалл с избытком электронов, а справа – кристалл с «дырками». При направлении тока, когда левый электрод заряжен отрицательно, электроны будут двигаться слева направо – к положительному правому электроду, а «дырки» – справа налево, от положительного электрода к отрицательному.

– Постой, мама, – удивилась Галатея. – Как же будут двигаться положительно заряженные атомы? Ведь они встроены в кристаллическую решётку!

– Отличный вопрос! – похвалила Дзинтара дочь. – Тут двигаются не сами атомы, а их признак. Представим себе кинозал, заполненный людьми, в котором есть только несколько пустых мест, которые и будем считать «дырками». Пусть с одного края зала возникла какая‑то зона притяжения – например в зал вошёл известный актер. Тогда люди, стараясь быть поближе к зоне притяжения, будут пересаживаться на свободные места. В результате люди будут двигаться в одну сторону, а свободные места начнут смещаться в противоположный конец зала.

– Точно! – восхитилась Галатея. – Значит, люди – это электроны, которые притягиваются положительным зарядом в виде знаменитого актера, а «дырки», наоборот, ведут себя так, словно они отталкиваются этим зарядом, словно они не пустые дырки, а что‑то заряженное положительно.

– Молодец! – мать похвалила дочь. – Если направление тока задаёт встречное движение электронов и «дырок» в соединённых кристаллах, то электроны и «дырки» встречаются на границе – и аннигилируют!

– Анни… чего они делают? – переспросила Галатея.

– Аннигилируют, то есть взаимоуничтожаются. Ведь электрон садится в «дырку», в результате исчезает и она, и избыточный электрон. Так как новые электроны и новые «дырки» всё время возникают возле электродов, то взаимное движение электронов и «дырок» не останавливается, и через соединённые кристаллы идет ток, то есть движение заряженных частиц. Зато, если направление тока повернуть, то электроны устремятся к положительному электроду, а «дырки» – к отрицательному. В результате зона соединения кристаллов кремния опустеет, там исчезнут все носители заряда – как электроны, так и «дырки». Значит, тока в данном направлении не будет. А именно эта командирская функция и требуется от диода.

 

 

Самые первые радиоприёмники строились обычно на основе вакуумных ламп, но уже около 1900 года американским инженером Г. Пикардом был создан первый радиоприёмник на основе кристаллического диода. Кстати, термин «диод» предложил в 1919 году инженер Вильям Иксл.

Триод был создан и запатентован американским инженером Ли де Форестом в 1906 году. Триод Фореста представлял собой вакуумную лампу – внутри неё, между катодом и анодом, располагалась дополнительная, так называемая управляющая, сетка, к которой шёл отдельный провод. Если на управляющую сетку подавался отрицательный потенциал, то сетка отталкивала отрицательные заряды, заворачивала назад летящие в вакуумной лампе катодные электроны, и триод переставал проводить ток.

Транзисторы, или полупроводниковые триоды, были предложены в 1925 году австро‑венгерским физиком Ю. Лилиенфелдом. В 1934 году аналогичную идею запатентовал немецкий физик О. Хейл, который работал вместе со своей женой, русским физиком Агнессой Арсеньевой (которая в 30‑е годы, как и П. Капица, не смогла выехать из России). Но эти предложения и патенты были слишком преждевременными, до их практической реализации было ещё далеко.

Необходимость в создании полупроводниковых транзисторов стала очевидной во время Второй мировой войны: хрупкие вакуумные ламповые диоды и триоды плохо показали себя во время боевых действий. Например, рации часто выходили из строя из‑за неизбежной тряски и ударов.

После окончания войны, в 1945 году, в лаборатории Белл была создана группа, которая всерьёз занялась разработкой полупроводникового триода. Нужно отметить, что в конце 1940‑х годов лаборатория Белл представляла собой гигантскую научную организацию: в ней работали 5700 человек. Такая мощная лаборатория могла легко сформировать группу в тридцать человек – и бросить её на развитие какой‑то важной темы.

Команду по разработке полупроводникового триода возглавил Уильям Шокли. Он предлагал создать такое устройство, взяв диод или два соединённых кристалла полупроводника – и приложив к ним внешнее электрическое поле. Многочисленные опыты показали, что ничего из этой идеи не выходит. К группе присоединился блестящий теоретик Джон Бардин, который организовал с экспериментатором Уолтером Браттейном очень работоспособный союз. Бардин и Браттейн отклонились от плана Шокли – и добились успеха в создании одного из типов транзисторов, о чём лаборатория Белл объявила в 1947 году. Термин «транзистор» в ходе объявленного внутри лаборатории Белл конкурса предложил инженер Джон Пирс.

– А что, транзисторов может быть не один тип? – удивилась Галатея.

– Конечно, – сказала Дзинтара. – Сейчас уже известно множество типов транзисторов, которые управляются промежуточным контактом. Электрическое напряжение на управляющем контакте тем или иным способом меняет процесс движения электронов и дырок по кристаллу, то разрешая прохождение тока по кристаллу, то запирая его.

 

Шокли был очень самолюбивым человеком: он рассердился, что его обогнали, – и стал секретно разрабатывать свою версию транзистора, одновременно начав придираться к слишком самостоятельным Бардину и Браттейну. В результате они ушли из группы Шокли, причем Бардин сосредоточился на теории сверхпроводимости, за которую впоследствии получил Нобелевскую премию.

Шокли, терзаемый демоном самолюбия, решил перейти в бизнес и в 1955 году тоже покинул лабораторию фирмы Белл. В начале 1956 года он основал в калифорнийском городке Пало‑Альто, где жила его мать, частную компанию по производству полупроводниковых транзисторов, в которую набрал три десятка молодых талантливых специалистов. В конце 1956 года Шокли, Бардину и Браттейну присудили Нобелевскую премию по физике за создание транзистора. Это событие только подстегнуло авторитарный стиль руководства Шокли.

В результате в 1957 году группа из восьми ведущих специалистов уволилась из лаборатории Шокли и при поддержке финансиста Шермана Файрчайлда организовала новую компанию, которая за несколько лет стала крупнейшим производителем полупроводников, лидером новой области промышленности. Здание этой компании является сейчас историческим памятником.

В группе физиков и инженеров, покинувших лабораторию Шокли, были: Джулиус Бланк, Виктор Гринич, Джин Кляйнер, Джей Ласт, Гордон Мур, Роберт Нойс, Шелдон Робертс и Жан Эрни. Эта восьмёрка вошла в историю как «вероломная восьмёрка» или «восьмёрка предателей» – явно в соответствии с точкой зрения рассерженного Шокли. Именно они и стали катализатором новой индустрии полупроводников.

– Опять бунтари добиваются успеха, – пробормотала Галатея.

– Новая компания быстро разбогатела, после чего Файрчайлд воспользовался своим правом и выкупил у «восьмёрки» их акции, переведя инженеров из партнёров в наёмные сотрудники. Это было плохим решением: члены восьмёрки стали уходить из компании Файрчайлда и организовывать свои, не менее успешные электронные компании. Например, Мур и Нойс в 1968 году стали основателями ныне всемирно известной компании «Интел» по производству компьютерных процессоров. В 2015 году в «Интел» работали более ста тысяч сотрудников, и эта компания обладала капиталом более чем в 100 миллиардов долларов.

В результате распада лаборатории Шокли и ухода из неё «вероломной восьмёрки», вокруг Пало‑Альто возникла так называемая «Кремниевая долина». Лаборатория Шокли не смогла оправиться от ухода талантливой молодежи – и через несколько лет тихо прекратила своё существование.

 

«Кремниевая долина» стала символом нового времени и местом, где выросли мощные заводы по производству электроники и крупнейшие состояния века. Полупроводниковые диоды и транзисторы позволили перейти от электронных устройств на основе громоздких и ненадёжных вакуумных ламп к современным компактным устройствам – мобильным телефонам и компьютерам, радиоприёмникам и телевизорам.

Спутники связи несут на своём борту миллионы микроскопических полупроводниковых деталей, оставаясь небольшими и лёгкими – что очень важно для запуска этих спутников. Процесс миниатюризации зашёл очень далеко – возникли даже космические нано– и пикоспутники весом в килограммы и сотни граммов. Инженеры надеются создать электронное устройство из многих миллиардов транзисторов, которое будет сопоставимо по мощности с человеческим мозгом.

– Неужели у меня такой мощный мозг? – удивилась Галатея и потрогала голову руками.

 

Примечания для любопытных

 

Фредерик Гутри (1833–1886) – видный британский учёный, который в 1873 году открыл принцип действия вакуумного диода.

Вильям Генри Иксл (1875–1966) – видный британский физик, который ввёл в обиход термин «диод».

Гринлиф Пикард (1877–1956) – видный американский инженер, один из пионеров радио. Создал около 1900 года первый радиоприёмник на основе кристаллического диода.

Ли де Форест (1873–1961) – видный американский инженер, создавший в 1906 году ламповый триод. Считается одним из отцов «века электроники».

Юлиус Лилиенфелд (1882–1963) – немецко‑американский инженер, родившийся во Львове (Австро‑Венгрия). Предложил и запатентовал в 1925 году полупроводниковый триод.

Оскар Хейл (1908–1994) – немецкий физик и изобретатель. Запатентовал полевой транзистор в 1934 году.

Агнесса Николаевна Арсеньева (1901–1991) – советский физик, работавшая со своим мужем О. Хейлом в Кавендишской лаборатории. В 1934 году, как и П. Капице, ей был запрещён выезд за границу из СССР.

Уильям Шокли (1910–1989) – видный американский физик и изобретатель. Возглавлял группу, создавшую современный полупроводниковый транзистор. Получил Нобелевскую премию по физике в 1956 году.

Уолтер Браттейн (1902–1927) – видный физик, сотрудник лаборатории Белл, создатель современного транзистора. Получил Нобелевскую премию по физике в 1956 году.

Джон Пирс (1910–2002) – американский инженер, сотрудник лаборатории Белл, предложивший термин «транзистор». Лауреат премии Маркони.

Гордон Мур (р. 1929) – выдающийся американский инженер и предприниматель, представитель «вероломной восьмёрки», основатель полупроводниковой компании Файрчайлд и компании «Интел». Состояние на 2015 год – около 7 миллиардов долларов. Вывел закон Мура о том, что количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 2 года.

Роберт Нойс (1927–1990) – выдающийся американский инженер и предприниматель, представитель «вероломной восьмёрки», основатель полупроводниковой компании Файрчайлда и компании «Интел». Один из создателей интегральной электронной схемы.