Neįtikėtinai besitraukiantis tranzistorius

1947 m. gruodžio 16 d. Bell Telephone Laboratories fizikai Johnas Bardeenas ir Walteris Brattainas prie plonos elemento germanio skeveldros pritvirtino tris plonus metalinius kontaktus, panaudojo elektrinį signalą ir atrado, kad iš jų prietaiso sklindantis signalas buvo beveik šimtą kartų stipresnis. Po savaitės pristatytas „Bell Labs“ vadovams, naujasis kietojo kūno stiprintuvas, netrukus pramintas tranzistoriumi, buvo puiki kalėdinė dovana, kaip sako tyrimų grupės vadovas Williamas Shockley, kuris tik po mėnesio pastojo. patobulinta versija, kuri galiausiai pasirodė daug lengviau pagaminama.

Po penkiasdešimties metų tranzistoriai sumažėjo taip smarkiai, kad dabar jų plika akimi nematyti. Tačiau kaip svarbiausios kiekvienos mikroschemos sudedamosios dalys, veikiančios kaip mikroskopiniai siurbliai ir vožtuvai, reguliuojantys elektros srovės srautą, šie smulkūs prietaisai ir toliau daro didžiulį poveikį beveik kiekvienam šiuolaikinio gyvenimo aspektui.

Ši istorija buvo mūsų 1997 m. lapkričio mėnesio numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Tuo metu buvo akivaizdu, kad nepatogi Bardeen ir Brattain gudrybė yra elektronikos proveržis. Tačiau jo išradėjai manė, kad tai daugiausia kaip pakaitalas vakuuminėms lempoms, kurios buvo naudojamos kaip stiprintuvai ir jungikliai telefono įrangoje, radijo imtuvuose ir daugelyje kitų elektroninių prietaisų. Shockley turėjo bene geriausią intuiciją apie tai, kas turėjo būti. 1949 m. gruodį jis spėliojo, kad pastaruoju metu daug galvojama apie elektronines smegenis ar skaičiavimo mašinas. Man atrodo, kad šių robotų smegenyse tranzistorius yra ideali nervinė ląstelė.

Fizinis procesas, kurį atrado Bardeenas, Brattainas ir Shockley, dabar yra elektronikos pramonės, kuri kasmet parduoda daugiau nei 1 trilijoną USD, širdyje. Didžiausia tranzistoriaus vertė yra ta, kad jis gali būti labai sumažintas: pagrindiniai jo veikimo principai iš esmės nepakito, nes jo linijiniai matmenys sumažėjo daugiau nei 10 000 kartų. Priešingai, vakuuminiai vamzdžiai neturėjo jokios stulbinančios miniatiūrizacijos perspektyvos, kuri įvyko kietojo kūno įrenginiuose. Ir kitos vamzdžių problemos – jie buvo niūrūs, per dažnai perdegė, gamino per daug šilumos ir sunaudojo per daug energijos – pasirodė visiškai neįveikiamos.

Pirmieji tranzistoriai paprastai buvo centimetro ilgio; iki šeštojo dešimtmečio pabaigos jie buvo matuojami milimetrais. 1958 m. išradus integrinį grandyną, buvo paruoštas etapas nuolatiniam tolesnių naujovių paradui, sumažinusiam tranzistorių dydį iki submikroninio lygio – mažiau nei milijonosios metro dalies. Šiandien tranzistorius yra šiek tiek daugiau nei abstraktus fizinis principas, daugybę kartų įspaustas siauruose silicio gabalėliuose – milijonuose mikroskopinių bangelių ant mirgančios krištolinės jūros. Kaip neseniai pastebėjo „Intel“ įkūrėjas Gordonas Moore'as, kiekvienais metais pagaminama daugiau tranzistorių, nei į Kaliforniją krenta lietaus lašai, o jų pagaminimas kainuoja pigiau nei vieno simbolio išspausdinimas laikraštyje.

Ilgametis Moore'o partneris Robertas Noyce'as, apmąstydamas, kaip tranzistorius ir kompiuteris užaugo kartu, pastebėjo, kad naujo komponento ir naujos programos sinergija lėmė staigų abiejų jų augimą. Šį komentarą jis išsakė 1977 m., likus keleriems metams iki asmeninio kompiuterio, kuris ėmė skatinti dar vieną puslaidininkių pagrindu sukurtą komercinį sprogimą. Labiau nei bet kuris kitas veiksnys, fantastiškas tranzistoriaus dydžio ir kainos susitraukimas yra tai, kas leido paprastam žmogui turėti ir valdyti kompiuterį, kuris yra daug galingesnis už bet ką ginkluotos tarnybos ar didžiosios korporacijos, kurias prieš kelis dešimtmečius galėjo sau leisti. Jei vietoj to turėtume pasikliauti, pavyzdžiui, vakuuminiais vamzdžiais, Pentium lusto skaičiavimo galiai reikėtų tokio dydžio mašinos kaip Pentagonas.

Ir kaip tik praėjusiais metais, kurie taip pat yra elektrono atradimo šimtmetis, buvo sėkmingų bandymų sukurti tokius mažus tranzistorius, kad juose per trumpesnį nei 10 nanometrų kanalą būtų perduodamas tik vienas elektronas. Jei šią technologiją kada nors bus galima perkelti į gamybos liniją, gali būti, kad tranzistorių dydis bus sumažintas dar šimtą kartų.

Reti deriniai

„Bell Labs“ tranzistoriaus išradimo saga yra gana gerai žinoma istorija, kuri dažnai perpasakoja, kai kyla klausimų apie fundamentinių tyrimų svarbą inovacijų procese. Daug mažiau žinoma yra technologijų plėtros istorija. Būtent šis retas pagrindinių tyrimų ir fundamentaliųjų technologijų plėtros derinys padarė šiuolaikinius tranzistorius ir mikroschemas. Galima palyginti nedaug, jei tokių yra, inovacijų istorijos epizodų.

Laboratorijos sujungė pragmatišką, į tikslą orientuotą tyrimo filosofiją su tuo, ką Shockley pavadino pagarba moksliniams praktinių problemų aspektams. Tyrimai buvo grindžiami ilgalaikiu tikslu tobulinti „Bell System“ komponentus ir paslaugas – geresnius jungiklius, aiškesnius signalus ir pan. Tačiau šiame kontekste mokslininkai turėjo pakankamai laisvės atlikti pagrindinius medžiagų savybių tyrimus. Žymiausi teoriniai fizikai dirbo petys į petį su aukščiausios klasės eksperimentatoriais ir kai kuriais geriausiais prietaisų kūrimo inžinieriais šalyje. Tranzistoriaus išradimas ir tobulinimas iliustruoja šią praktinio ir mokslo sąveiką, kuri apibūdino Bell Labs klestėjimo laikais.

Pavyzdžiui, kai žlugo originalios Shockley idėjos sukurti kietojo kūno stiprintuvą, Bardeenas pasiūlė visiškai kitokią puslaidininkių elgesio teoriją, kurią galiausiai paskelbė „Physical Review“. Shockley lauko efekto metodas apėmė išorinių elektrinių laukų naudojimą, siekiant sukelti elektronų perteklių šalia kristalinių medžiagų, tokių kaip silicis, paviršiaus; ten susikaupus daugiau elektronų, turėtų tekėti daugiau srovės. Arba taip jis manė. Siekdamas paaiškinti akivaizdų tokio efekto nebuvimą, Bardeenas pasiūlė savo paviršiaus būsenų teoriją, kai elektronai įstringa paviršiuje ir blokuoja elektrinių laukų prasiskverbimą. Tai buvo visiškai naujas atspirties taškas, perorientavęs grupės tyrimų pastangas į šių varginančių būsenų supratimą. Atsisakėme bandymo sukurti stiprinimo įrenginį, prisiminė Shockley, ir sutelkėme dėmesį į naujus eksperimentus, susijusius su Bardeeno paviršiaus būsenomis.

Kai 1947 m. lapkritį Brattainas suklupo neapdorotu būdu, kaip įveikti šią kliūtį, grupės dėmesys beveik iš karto grįžo prie praktinio tikslo – sukurti kietojo kūno stiprintuvą. Po mėnesio jie išrado pirmąjį tranzistorių, taškinį kontaktinį tranzistorių, kuris turėjo dvi aukso folijos juosteles, priklijuotas prie plastikinio pleišto, kuris folijos kraštus įspaudė į germanio plokštę, šonų. Nors šis keistas įtaisas ištempė beveik colį, naujas fizinis procesas, atsakingas už galios padidėjimą, įvyko vos 2 mil-50 mikronų, maždaug germanio popieriaus lapo storio tarp metalinių taškų, liečiančių jo paviršių. Teigiamai įkrauti kvantiniai-mechaniniai objektai, žinomi kaip skylės, sukurtos po vienu tašku, išilgai paviršiaus sluoksnio nutekėjo į kitą tašką, sumažindamos po juo esančios medžiagos atsparumą ir taip padidindamos per jį tekančią srovę.

Vadovaujant Mervinui Kelly ir Jackui Mortonui, „Bell Labs“ netrukus pradėjo skirti išteklių kurdama technologijas, kad tranzistoriai būtų komerciškai gyvybingi. Jis ištobulino germanio ir silicio valymo būdus ir išaugino didelius šių elementų kristalus. Per kelerius metus šios technologijos leido Shockley ir kolegoms įgyvendinti jo idėją apie jungties tranzistorių, kuris pasirodė esąs daug patikimesnis nei Bardeeno ir Brattaino keistas įrenginys ir buvo daug lengviau pritaikytas masinei gamybai. Tokio tipo tranzistoriuose vadinamosios p-n jungtys pakeičia metalo ir puslaidininkio taškinius kontaktus; šios jungtys susidaro tarp dviejų skirtingų puslaidininkinės medžiagos sluoksnių, impregnuotų skirtingomis priemaišomis, kad sukeltų nedidelį elektronų ar skylių perteklių. Šis metodas pasirodė esąs labai svarbus gaminant pigius, patikimus tranzistorius, kurie šeštajame dešimtmetyje buvo pradėti naudoti elektriniuose prietaisuose, tokiuose kaip radijas ir klausos aparatai.

Be to, laboratorijos padarė šias ir kitas technologijas lengvai prieinamas įmonėms, kurios troško įsitraukti į puslaidininkių verslą. Dešimtmečio pabaigoje Noyce'as ir Jackas Kilby, derindami jas su keliomis papildomomis naujovėmis, išrado integruotą grandinę Fairchild Semiconductor ir Texas Instruments. Šiandien geriau žinomos kaip mikroschemos, kuriose dabar yra milijonai tranzistorių viename silicio gabale, šios grandinės sudaro šiandieninės 150 milijardų dolerių vertės puslaidininkių pramonės pagrindą. Kaip pastebėjo Mortonas, kartais, kai tepate duoną ant vandens, ji grįžta kaip angelo maisto pyragas.

Tolesnė evoliucija

Penkiasdešimties metų medžiagų mokslas ir inžinerija sumažino tranzistoriaus efektui reikalingus matmenis iki submikroninio lygio. Germanis buvo pakeistas siliciu, kuris daug geriau elgiasi aukštoje temperatūroje. Mikronų gylio priemaišų atomų sluoksnių difuzija į silicį ir stiklinio apsauginio oksido sluoksnio susidarymas ant jo, fotolitografija, skirta subtiliems silicio paviršiaus bruožams išgraviruoti, ir metalinių kontaktų nusodinimas garais ant šio stiklinio sluoksnio pradėjo masinę gamybą. integrinių grandynų, turinčių daug tranzistorių ir kitų kietojo kūno komponentų.

Kai 1960 m. „Bell Labs“ pagaliau sukontroliavo Bardeen paviršiaus būsenas, kruopščiai kontroliuojamoje aplinkoje formuodamas oksido sluoksnį, originalus Shockley lauko efekto metodas vėl išryškėjo metalo oksido ir puslaidininkių (MOS) tranzistorių pavidalu. šiandien dominuoja pramonėje. Čia elektrinis laukas veikiamas per izoliacinį oksido sluoksnį, įkraunant mažytę metalo juostelę, nusodintą ant jo paviršiaus; šis laukas valdo srovę, tekančią žemiau esančiame silicyje. Nedideli elektros krūvio pokyčiai ant juostos gali turėti didžiulį poveikį šiai srovei – kartais net visiškai ją užblokuoti.

1965 m. Moore'as pastebėjo, kad atskirų komponentų skaičius integriniuose grandynuose kasmet padvigubėja. Jis ekstrapoliavo šį eksponentinį augimą dar dešimtmečiui ir pateikė stulbinančią prognozę: 1975 m. grandinėse bus apie 65 000 įrenginių. Dabar, kaip Moore'o įstatymas, jo prognozė galioja daugiau nei tris dešimtmečius, nors padvigubėjimo laikotarpis išaugo iki maždaug 18 mėnesių. Šiuolaikiškiausiuose lustuose yra milijonai tranzistorių, kurių kiekvieno tipiniai matmenys yra mažesni nei pusė mikrono. O fotolitografijos metodai, pagrįsti ultravioletine šviesa, žada dar labiau sumažinti dydį iki beveik dešimtosios mikrono arba 100 nanometrų. Lustai su milijardais kietojo kūno komponentų netrukus gali tapti realybe.

Inovacijos šiandien

Svarbiausia pamoka, kurią reikia išmokti iš tranzistoriaus epizodo, yra ta, kad pagrindiniai tyrimai pelno siekiančios įmonės ribose atvedė į visiškai naują ir fenomenaliai vertingą atspirties tašką elektronikai. Glaudus praktinio ir mokslo sąveika leido atrasti ir greitai išplėtoti fizinį tranzistoriaus veikimo procesą, kuris gali būti taip smarkiai sumažintas.

Tačiau pokario Bell Labs buvo unikali įstaiga, kurią šiandien būtų labai sunku, o gal net neįmanoma, pakartoti. Tai, ką Kelly apibūdino kaip kūrybinių technologijų institutą, sukoncentravo pusės tuzino galimų Nobelio premijos laureatų intelektinę energiją po vienos pramonės laboratorijos Naujajame Džersyje stogu. Tačiau jos patronuojanti įmonė AT&T atsidūrė labai ypatingoje padėtyje: ji turėjo telefono paslaugų monopolį visose JAV. Todėl kiekvieną kartą, kai kas nors skambindavo tolimojo susisiekimo telefonu, ji iš tikrųjų mokėdavo pagrindinių tyrimų ir technologijų plėtros mokestį, kad paremtų laboratorijoje vykdomus projektus. Savo ruožtu daugelis ten dirbančių mokslininkų ir inžinierių laikė save nacionalinio išteklių, atsakingų už nacionalinius interesus, dalimi.

Šiandieninėje itin konkurencingoje verslo aplinkoje dauguma įmonių negali sau leisti mokslinių tyrimų ir plėtros išlaidų, kurios vargu ar kelerius metus padidins jų pelningumą. Dėl pelno spaudimo ir 18 mėnesių gaminių ciklų nedaugelis korporacijų gali sau leisti suburti daugiadisciplinines komandas ir leisti joms plačią mokslinių tyrimų laisvę, kurią Bell Labs atliko su savo kietojo kūno grupe pokario metais. Ir visiškai neįsivaizduojama, kad jų naujosios technologijos būtų tokios laisvai prieinamos.

Federalinė vyriausybė stengiasi padėti įveikti atotrūkį tarp mokslo ir pramonės skatindama technologijų perdavimą ir pažangių technologijų programas. Tačiau tai sunkūs pasiūlymai, kupini rimtų problemų ir politinių nesutarimų. Šiandieninėje susiskaldžiusioje mokslinių tyrimų ir plėtros aplinkoje fizikai mokslinių tyrimų universitetuose ir nacionalinėse laboratorijose ir toliau ieško įsivaizduojamų superstygų ir leptokvarkų, kurie neturi įsivaizduojamo praktinio pritaikymo; tuo tarpu puslaidininkių firmų inžinieriai daugiausia dėmesio skiria būdų, kaip silicyje išgraviruoti vis smulkesnes savybes.

Iš dalies dėl šios apgailėtinos dichotomijos naujovės sunkiai pasiekia gamybą. Naujausi laimėjimai, tokie kaip fullereno nanostruktūros ir aukštos temperatūros superlaidininkai, tebėra laboratoriniai įdomūs dalykai; palyginti su tranzistoriumi, kuris klausos aparatuose pradėjo atsirasti praėjus vos penkeriems metams po jo išradimo, šios naujovės šlubuoja link komercializavimo. Galimas sprendimas gali slypėti pramonės konsorciumuose, tokiuose kaip Austin's Sematech, kurių pagrindinis tikslas yra sukurti gilų naujų technologijų telkinį, kurį dalyvaujančios įmonės turi tobulinti produktų linijas. Į tokius gerai finansuojamus konsorciumus gali būti įtrauktos pagrindinės tyrimų grupės. Tokiu būdu jie veiktų pragmatiškoje aplinkoje, kuri taip pat galėtų paskatinti esminį vystymąsi, kuris paprastai reikalingas, kad moksliniai atradimai virstų naudingais produktais.

Kita viltinga tendencija yra ta, kad didelės įmonės, tokios kaip „Microsoft“, kurios turi patogią dalį arba virtualų monopolį savo konkrečioje rinkoje, vėl pradeda įžvelgti išmintį investuoti į mokslinius tyrimus. Tai įvyko Xerox Palo Alto tyrimų centre aštuntajame dešimtmetyje ir paskatino tokias itin naudingas informacines technologijas kaip Ethernet, pelė ir grafinė vartotojo sąsaja. Vadovaujant Billui Gatesui ir Nathanui Myhrvoldui, „Microsoft“ pastaruoju metu pasuko panašiai, skirdama šimtus milijonų pagrindinių kompiuterių mokslo tyrimų ir plėtros projektams. Tačiau įdomu, kiek įmonė pasidalins savo išvadomis su kitomis įmonėmis.

Kad ir kaip būtų, svarbu pripažinti tikrąją mokslo ir technologijų partnerystę. Tai nėra mokslas, kad technologijos virstų produktais, tvirtina Moore'as, užsipuolęs linijinį pramonės plėtros modelį „Bell Labs“. Tai technologija, kuri skatina mokslą. Tačiau mokslas, apie kurį jis kalba, yra siaurai taikomas mokslas, vykdomas daugumoje šiandienos pramonės, iš kurio kada nors atsiras keletas radikaliai naujų naujovių ir išeities taškų, jei tokių iš viso atsiras. Mokslas ir technologijos yra tarsi dvi susipynusios polipeptidinės grandinės DNR molekulėje. Kiekvienas įtakoja kitą sudėtinguose, simbioziniuose santykiuose, kurie labai sumažėtų, jei kuris nors taptų kito tarnaite.

Svarbiausias dalykas, kurį noriu pasakyti, yra tai, kad turime įveikti šiandieninės mokslinių tyrimų ir plėtros įmonės susiskaidymo pobūdį. Pokario „Bell Labs“ buvo būdingas ir tranzistoriaus išradimas bei tobulinimas buvo tai, kad visas revoliucinėms naujovėms reikalingų talentų rinkinys buvo rastas po vienu stogu, glaudžiai bendradarbiaujant kaip gerai išdirbtas padalinys, vadovaujamas apšviestos vadovybės, kuri suprato. kaip tokios daugiadisciplinės komandos Antrojo pasaulinio karo metais sukūrė radarą ir atominę bombą. Tikiuosi, kad mums neprireiks dar vieno tokio kataklizmo, kuris dar kartą primintų kooperuotų tyrimų ir plėtros vertę.

paslėpti