Николай Симонов - Несостоявшаяся информационная революция. Условия и тенденции развития в СССР электронной промышленности и средств массовой коммуникации. Часть I. 1940–1960 годы

Важными событиями 1946-1947 гг. было изобретение операционного усилителя постоянного тока на вакуумной лампе (Джордж Филбрик) и электронно-лучевой трубки для хранения данных (Фредерик Уильямс). По мнению специалистов, данные устройства проложили путь в эру электронно-вычислительной техники.

Первый полнофункциональный цифровой компьютер заработал весной 1945 г. в Школе электрической техники Moore (при университете в Пенсильвании). Это – знаменитый ENIAC, разработанный Джоном Мочли (John Mauchly) и Дж. Преспером Эккертом (J. Presper Eckert) по заказу атомной лаборатории в Лос-Аламосе. В качестве запоминающего устройства в нем применялись ультразвуковые ртутные линии задержки, заимствованные у разработчиков радиолокационной аппаратуры.

В 1951 г. профессор Массачусетского технологического института Джей Форрестер (Jay Forrester) разработал и запатентовал RAM-память на магнитных сердечниках (англ. ferrite memory) – маленьких (около 1 мм в диаметре) магнитных колец, которые поляризовались в двух направлениях, представляя, таким образом, бит данных.

В первых компьютерах использовались тысячи электровакуумных приборов, которые размещались в металлических шкафах и занимали много места. Чтобы подвести фидеры и кабели ко всем элементам аппаратуры, приходилось делать сложную электрическую разводку. Мощные вентиляторы предохраняли аппаратуру от перегрева. Весили первые ЭВМ соответственно – тонны, и стоили немалых средств, порядка $1 млн. Приняв средний срок службы радиолампы-триода за 500 часов, при количестве ламп в одном устройстве 5000 шт., в среднем каждые 10 минут следовало ожидать отказ, по крайней мере, одной радиолампы.

Вакуумной радиолампе требовалась более компактная, экономичная и надежная замена. И она в 1948 г., наконец, нашлась в виде транзистора (от англ. transfer resistor – трансформатор сопротивлений) – полупроводникового электронного прибора, управляющего током в электрической цепи за счёт изменения входного напряжения.

Транзистор – материальная основа и элементная база второй «электронной революции».

В конструкции радиоприемника транзистор способен выполнять ту же функцию, что и радиолампа-триод (или пентод). В других электронных устройствах, например ЭВМ, несколько транзисторов, соединенных по определенной схеме, выполняют функцию переключательных (логические вентили) и запоминающих (триггеры) устройств.

Транзисторы, изготовленные из прозрачного полупроводникового материала, это – светодиоды , способные заменить лампы накаливания. Светодиоды механически прочны и исключительно надежны, срок их службы может достигать 100 тыс. часов, что почти в 100 раз больше, чем у обычной электрической лампочки.

Транзистор, имеющий два устойчивых состояния: низкой проводимости и высокой проводимости, – это – тиристор – преобразователь переменного тока, способный заменить ртутные выпрямители (игнитроны).

Экспериментально во всех полупроводниках (и интерметаллических соединениях), при условии внедрения в них некоторых примесей, например, мышьяка или сурьмы, обнаруживается присутствие двух электрических токов. Первый обусловлен вытолкнутыми из атомов свободными электронами и называется электронным (n-тип, от англ. negative – отрицательный). Второй объясняется движением электронов, связанных с атомами. Он называется дырочным (p-тип, от англ. positive – положительный). На границе раздела областей с различными типами электропроводимости образуется запирающий слой (англ. barrier layer). Благодаря этому слою, для одних токов транзистор ведет себя как проводник, а для других – как изолятор. Простейший биполярный транзистор имеет в своей структуре два взаимодействующих p-n-перехода и три внешних вывода: эмиттер, базу и коллектор. Эмиттеру, базе и коллектору соответствуют катод, сетка и анод трехэлектродной радиолампы – триода.

Соединение разнородных по химическому составу или фазовому состоянию транзисторов позволяет создавать сложные гетероструктурные p-n переходы , посредством которых, например, функционируют полупроводниковые лазеры в современных проигрывателях компакт-дисков.

Изобретателями транзистора считаются сотрудники Bell Labs Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Бреттейн, в 1956 г. удостоенные Нобелевской премии по физике «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта».

Дата рождения транзистора 16 декабря 1947 г. В этот день в одной из лабораторий Bell Labs заработал твердотельный усилитель, который и считают первым в мире точечно-контактным транзистором. Устроен он был очень просто – на металлической подложке-электроде лежала пластинка поликристаллического германия (Ge), в которую упирались два близко расположенных (10-15 мкм) контакта. Авторы изобретения – Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Бреттейн.

Согласно легенде, открытию помог его величество случай: 16 января 1947 г. У. Браттейн, нечаянно, почти вплотную сблизил два игольчатых электрода на поверхности кристалла германия, да еще перепутал полярность напряжений питания, и вдруг заметил на экране осциллографа влияние тока одного электрода на ток другого. На самом деле, еще в 1936 г. руководство AT&T поставило перед своим исследовательским центром Bell Labs конкретную задачу – заменить механические переключающие устройства автоматических телефонных станций (АТС) электронными ключами, не являющимися радиолампами, и выделило для исследования электрофизических свойств германия и кремния необходимые средства. После окончания II мировой войны AT&T возобновила проект, с учетом потребностей радиолокации в замене ненадежных электровакуумных триодов более долговечными и стабильными устройствами для выпрямления тока.

Понимая важность открытия Бреттейна, руководство Bell Labs , усилило отдел Шокли специалистами, и на некоторое время засекретило проект. В июне 1948 г., разобравшись в пока еще смутной теории p-n переходов, и, проведя серию экспериментов, компания продемонстрировала публике первый в мире «безламповый» радиоприемник, объяснив, на каких принципах работают его приемно-усилительные элементы. Незадолго до этого события в Совете директоров Bell Labs состоялось тайное голосование по выбору имени нового электронного прибора. Отбросив слишком длинное «полупроводниковый триод» (semiconductor triode) , и непонятное «йотатрон» (iotatron) , утвердили «транзистор».

По запоздалым воспоминаниям, «поведение точечного контакта» на поверхности кристаллов германия наблюдали первые разработчики СВЧ-детекторов – приборов для выпрямления тока в аппаратуре радаров. У советских же специалистов, как вспоминают ветераны советского электропрома, до середины 1948 г. для изучения транзисторного эффекта вообще не было ни грамма германия (элемент этот достаточно редкий, дорогой, предметов ширпотреба из него не делают). [5] Николай Алексеевич Пеннин/К истории ФИАН. Серия «Портреты». Выпуск 4. М.: Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН, 2007. С. 9.