В первой половине XX века для решения этой задачи инженеры-электрики полагались на вакуумные лампы, но устройства были громоздкими, хрупкими и потребляли много энергии. Руководитель Бардина и Браттейна — Уильям Шокли — предположил, что можно разработать более совершенный усилитель, используя ранее не изученные электрические свойства полупроводников.
Прошлое: вакуумные лампы и транзисторы Лилиэнфельда
Напомним, что транзистор в электронном устройстве играет роль своего рода переключателя и усилителя. Простыми словами, его основная задача — контролировать поток электрического тока и управлять им. По сути он работает как кран, контролирующий поток воды.
До появления транзисторов в электронных устройствах в качестве таких «кранов» использовались вакуумные лампы и механические реле. Они имели существенные недостатки с точки зрения размеров, энергопотребления и надежности.
Самыми распространенными типами вакуумных ламп в те времена были триоды, тетроды и пентоды.
Предок вакуумных ламп — диод — был изобретен в 1904 году Джоном Амброузом Флемингом. Затем в 1906 году доктор Ли де Форест изобрел «аудион», название которого было составлено из слов «audio» и «ion». Он обнаружил, что сетка из тонкой проволоки, помещенная между нитью накала и металлической пластиной в вакуумной лампе, может управлять потоком электронов, идущих между нитью накала и пластиной.
слева диод Флеминга, справа аудион де Фореста
Название «аудион» намекало на то, что устройство обнаруживало радиосигналы, служило выпрямителем (устройством, преобразующим переменный ток в постоянный) и было первым исключительно электронным компонентом, позволяющим усиливать электромагнитные сигналы. Именно способность усиливать сигналы отличала изобретение де Фореста от диода Флеминга.
Созданная в 1911 году и официально ставшая дочерней компанией AT&T в 1925 году, Bell Labs добилась первого крупного успеха в 1912 году, усовершенствовав вакуумные лампы, первоначально изобретенные Ли де Форестом в 1906 году.
Тетроды и пентоды, разработанные позднее, содержали дополнительные элементы для устранения недостатков триодов (аудионов). Тетроды имели четыре электрода, а пентоды — пять, что повышало их эффективность в различных приложениях.
Вакуумные лампы использовались в первых телефонных усилителях и позволили провести первую телефонную линию между Нью-Йорком и Сан-Франциско. В 1915 году в Арлингтоне, штат Вирджиния, инженеры-телефонисты соединили 500 вакуумных ламп, чтобы сгенерировать достаточную мощность для передачи человеческого голоса через Атлантику.
Лампы использовались для создания телевизоров, радаров, радио и рентгеновских аппаратов.
В самолете Б-29 вакуумные лампы отвечали за полет самолета, его курс и использовались в компьютерной системе наведения. От ламп зависело все электрооборудование, они выступали в качестве выключателей и усилителей для обогревателей, инструментов, радиоаппаратуры и двигателей.
При этом вакуумные лампы были непрочными, потребляли энергию, выделяли тепло и быстро перегорали, требуя серьезного обслуживания. Все это могло привести к поломке того устройства, где они использовались. Также для разогрева вакуумных ламп требовалось много времени, что было критично, если лампы служили, например, усилителями в судовом оборудовании для предупреждения торпедного удара. Неудивительно, что активно велись поиски более надежной и быстродействующей альтернативы вакуумным лампам.
Заменой вакуумной лампе могло стать нечто твердое и прочное.
Несмотря на то, что авторство транзистров закреплено за Бардином, Браттейном и Шокли из Bell Telephone Laboratories, идея впервые была высказана еще в 1920-х годах физиком австро-венгерского происхождения Юлиусом Эдгаром Лилиенфельдом.
Хотя Лилиенфельд и запатентовал эту концепцию, практическая реализация при его жизни не состоялась. Его изобретение, известное как транзистор Лилиенфельда, использовало принцип полевого эффекта для управления протеканием тока между двумя электродами. Однако из-за технологических ограничений того времени транзисторы Лилиенфельда так и не были созданы в виде функциональных устройств — до производства высококачественных полупроводниковых материалов оставалось еще несколько десятилетий.
В первых патентных заявках от 1925 и 1926 годов Лилиенфельд заявлял, что его твердотельный усилитель «относится к методу и устройству для управления протеканием электрического тока между двумя клеммами электропроводящего твердого тела путем установления третьего потенциала между этими клеммами».
В новой заявке 1928 года он уже более четко сформулировал свои цели: «создание простого, компактного и надежного устройства, которое при этом должно быть недорогим в изготовлении». Лилиенфельд утверждал, что его новое устройство «[может] работать в условиях гораздо более низкого напряжения, чем раньше».
Но как было сказано, технологии его эпохи еще не были готовы реализовать весь потенциал новаторских идей, и патенты прошли незамеченными. Однако идеи Лилиенфельда воплотили в себе принципы работы современного полевого транзистора (FET).
Уже потом, в 1988 году, Джон Бардин, выступая в Американском институте физики, признает заслугу Лилиенфельда в его работах по созданию полупроводникового усилителя. По словам самого Бардина, «у Лилиенфельда была базовая концепция управления током в полупроводнике для создания усилительного устройства. Потребовалось много лет, чтобы воплотить его мечту в реальность».
Попытки создать твердотельный усилитель предпринимались и в СССР. В 1922 году Олег Лосев приблизился к изобретению транзистора — он разработал первый двухтерминальный полупроводниковый прибор. Однако дальнейших исследований это изобретение не повлекло — устройство было нестабильно, а сама физика явления не до конца понятна.
Исследования в Bell Labs
За несколько лет до Второй мировой войны в Bell Labs начали проводить исследования полупроводников. Ученые изучали поведение кристаллов германия в попытках найти замену вакуумным лампам.
Исходя из этого, директор по исследованиям Мервин Келли определил приоритетное направление для исследований: изучение потенциала полупроводников. При этом физика полупроводников в то время была зарождающейся областью. Несмотря на то, что полупроводники уже использовались в некоторых электронных устройствах — радио и радарах — их было трудно производить, а теоретические знания об их внутреннем функционировании были ограничены. Квантовая физика же позволяла понять поведение полупроводников, но на очень ограниченном типе — оксиде меди.
В 1936 году Келли решил нанять докторов физики, в частности будущего нобелевского лауреата Уильяма Шокли. В Bell Labs был организован семинар, на котором рассказывалось о квантовой физике. Среди ученых был и Уолтер Браттейн.
Группа исследователей провела первую серию экспериментов, в которых пыталась воссоздать структуру вакуумных ламп в полупроводнике. Первая попытка с оксидом меди в 1939 году оказалась неудачной.
При этом в 1939 году было сделано одно из самых важных открытий — что типом проводимости полупроводника можно управлять с помощью легирования, то есть добавления небольшого количества примесей. Именно тогда полупроводники из разряда «грязи и бардака», как назвал их Паули в 1931 году, перешли в разряд божественных электронных материалов.
Тем временем началась Вторая мировая война, и исследования были отложены до лучших времен. Однако Bell Labs оказалась вовлечена в проект, который окажет огромное влияние на область полупроводников: RADAR. Для радаров было нецелесообразно использовать вакуумные лампы из-за их размера и хрупкости, поэтому их заменяли на полупроводники — германиевые и кремниевые. Для этого в Bell Labs были разработаны новые полупроводниковые диоды для выпрямления входящих коротковолновых сигналов радара.
После войны исследования в области физики твердого тела продолжились. В апреле 1945 года вернувшиеся с военной службы Шокли и Браттейн снова экспериментируют с новой конструкцией, основанной на так называемом «эффекте поля». Эксперименты с треском проваливаются.
Мервин Келли тем временем решает создать междисциплинарную группу для изучения физики твердого тела, основываясь на опыте проекта RADAR. В группу под руководством Шокли вошли исследователи, теоретики, химики, электронщики и т. д. Цель была простой: разработать усилитель на полупроводниках для применения в телефонной сети AT&T. Исследования были сосредоточены на германии и кремнии, которые показали свой потенциал во время войны.
В октябре 1945 года к команде присоединился Джон Бардин, только что защитивший докторскую диссертацию по квантовой физике. Шокли попросил его проверить правильность своих расчетов, чтобы понять неудачу апрельских экспериментов с Браттейном.
Бардин подтвердил расчеты и предположил, что неудача может быть вызвана эффектом «поверхностных состояний», который «задерживает» электрон на поверхности материала.
В ноябре 1947 года Бардин и Браттейн подтверждают эффект поверхностных состояний и показывают, как преодолеть его с помощью электролита. Это, по мнению Шокли, знаменует начало «волшебного месяца», который и приведет в конечном итоге к изобретению транзистора.
Транзистор с точечным контактом Бардина и Браттейна, 1947 г.
В декабре после очередной серии экспериментов Бардин предлагает перейти от кремния к так называемому «германию с высоким обратным напряжением». Бардин и Браттейн продолжают свои испытания с различными конфигурациями вплоть до декабря 1947 года, когда им наконец удалось получить значительное усиление.
Так появился первый транзистор, названный «транзистором с точечным контактом».
Но разумеется, дело на этом не закончилось — устройство было лишь прототипом, далеким от рабочего транзистора. Далее работа пошла в двух направлениях.
Была создана группа «фундаментальных разработок» под руководством Джека Мортона для создания рабочего устройства на основе декабрьского эксперимента Бардина и Браттейна.
Шокли же, раздосадованный тем, что не стал одним из изобретателей нового устройства, решил продолжить исследования усиления в полупроводниках на базе другой конструкции.
В январе 1948 года он предлагает новую конструкцию: транзистор с n-p-n структурой. Это был первый действующий биполярный транзистор.
Исследуя работу транзистора с точечным контактом, Джон Шайв, член группы полупроводников, решил испытать конструкцию, в которой два контакта располагались бы не рядом друг с другом, а по обе стороны от полупроводника. К его большому удивлению, это сработало.
Это подтвердило идею Шокли о возможности создания транзистора с переходом, которую он до сих пор держал в секрете от остальных членов команды. Позже Шокли признался, что работа команды представляла собой «смесь сотрудничества и конкуренции». Он также признал, что скрывал некоторые свои наработки, пока эксперименты Шайва не вынудили его открыться.
Интересно, что когда Bell Labs подавало заявку на патент, то выяснилось, что патент 1930 года Джулиуса Лилиенфельда, о котором шла речь выше, практически полностью совпадал с оригинальной идеей Шокли. А вот транзистор Бардина и Браттейна имел другую конструкцию. По этой причине Bell Labs подали заявку именно на транзистор Бардина и Браттейна. Шокли был раздосадован, поскольку хотел, чтобы в качестве изобретателя транзистора указали только его. Все это усилило напряжение и в без того холодных отношениях Шокли с его коллегами.
Fairchild Semiconductor
В 1953 году Шокли покинул Bell Labs, поскольку чувствовал себя обделенным в вопросах продвижения по службе и признания. Он вернулся в Калифорнию, устроился в Калтех, заключил сделку с профессором Калтеха и предпринимателем в сфере высоких технологий Арнольдом Бекманом и в 1955 году основал собственную фирму — Shockley Transistor Laboratory.
Поначалу Шокли думал, что ему удастся переманить инженеров из Bell Labs, однако никто из его бывших коллег не захотел с ним работать. В итоге ему все же удалось собрать отличную команду молодых ученых и инженеров, заманив их солнечной калифорнийской погодой. Шокли пообещал новым сотрудникам, что они будут разрабатывать «Святой Грааль» — кремниевый транзистор.
Роберт Нойс, один из изобретателей интегральной схемы и будущий основатель Intel, вспоминал про Шокли: «Я думал, что разговариваю с Богом».
Транзистор с точечным контактом имел весьма ограниченное применение, в основном в военной сфере. А вот биполярный транзистор Шокли, напротив, становится основой электронной революции.
В декабре 1956 года Шокли получил Нобелевскую премию по физике за изобретение транзистора. А тем временем недовольство сотрудников его стилем руководства росло — Шокли считали авторитарным и параноидальным.
Кроме того, ключевые сотрудники считали, что компании следует заняться более насущными возможностями производства кремниевых транзисторов, а не сложным четырехслойным p-n-p-n диодом, который Шокли придумал еще в Bell Labs для применения в телефонной коммутации.
По своим каналам в Bell Labs Шокли узнал, что Western Electric, производственное подразделение Bell System, предварительно планировало использовать подобные диоды для коммутации, и это могло стать первым большим рынком для полупроводников.
8 декабря 1956 года группа сотрудников Шокли написала Бекману письмо с описанием невыносимых условий труда: «Пожалуйста, срочно помогите нам!». Письмо было подписано старшими членами технического персонала. Через два дня Бекман встретился с командой — их предложение заключалось в следующем:
сосредоточить разработки только на биполярном кремниевом транзисторе;
назначить нового руководителя;
Шокли должен занять должность в Стэнфорде, быть техническим консультантом компании, но больше не руководить ею.
Однако после обсуждений с Шокли Бекман решил ничего не менять — авторитет Нобелевского лауреата, возглавляющего компанию, был слишком велик.
В результате восемь ключевых сотрудников STL, ставшие затем известными как «Вероломная восьмерка», обратились к Шерману Фэйрчайлду, который руководил Fairchild Camera and Instrument. Его компания занималась исследованиями в области камер и спутников и тесно сотрудничала с военными и Министерством обороны США.
19 сентября 1957 года «Восьмерка» подписала соглашение о создании корпорации Fairchild Semiconductor (FSC) по адресу 844 South Charleston Road. Можно сказать, что в этот день родилась Кремниевая долина.
Вскоре в Fairchild Semiconductor перешли и другие сотрудники Шокли — от техников до докторов наук. В течение следующего десятилетия Fairchild превратилась в одну из самых важных и инновационных компаний в полупроводниковой промышленности, заложив технологические и культурные основы Кремниевой долины и выделив десятки новых высокотехнологичных стартапов, включая Advanced Micro Devices (AMD) и Intel.
Шокли тем временем продолжил работу над своим четырехслойным диодом, и хотя его фирма в итоге не стала прибыльной, он навсегда вошел в историю как человек, который «принес кремний в Долину».
Его компания SSL стала отличным стартом для будущих лидеров полупроводниковой промышленности — Fairchild Semiconductor.
В 1960 году Бекман продал SSL корпорации Clevite. Шокли стал профессором электротехники и прикладных наук в Стэнфордском университете.
Европа изобретает транзистор
Важно отметить, что транзистор, как и многие другие изобретения — это результат работы множества людей и продукт своей эпохи. Новаторские открытия многих поколений ученых привели в конечном счете к производству полупроводникового материала, а затем и транзистора.
В Bell Labs изобретению транзистора способствовали новые методы управления исследованиями, разработанные в рамках крупных проектов Второй мировой войны. И во многом это заслуга Мервина Келли, который создал междисциплинарную исследовательскую группы по полупроводникам под руководством Шокли.
Сам Шокли вспоминал:
«Ключевой стимул, побудивший меня задуматься о транзисторах, исходил от доктора Келли, который в то время был директором по исследованиям в BL. Эту должность он занимал до того, как стал президентом несколько лет спустя.
Доктор Келли посетил меня, чтобы подчеркнуть свою цель — внедрить электронную коммутацию в телефонную систему. Он сказал, что с нетерпением ждет, когда металлические контакты, которые использовались на телефонных станциях для установления соединений при наборе номеров, будут заменены электронными устройствами.
Его интерес к поставленным целям был очень велик. Он так ярко подчеркнул их важность, что это произвело на меня неизгладимое впечатление».
Основной теоретический вклад в квантовую механику и физику твердого тела, без которого транзистор не состоялся бы, был сделан в Европе. Кроме того, в начале Второй мировой войны британская секретная радарная программа была более продвинутой, чем американская, пока обе страны не начали сотрудничать. Но важной причиной изобретения транзистора именно в США в 1947 году было то, что Европа была разрушена войной.
При этом в Европе тоже заявляли на авторство транзистора.
В 1948 два физика из немецкой радарной программы, Герберт Матаре и Генрих Велькер, утверждали, что, работая в лаборатории французской компании F&S Westinghouse, расположенной в окрестностях Парижа, изобрели поразительно похожее полупроводниковое устройство, которое назвали транзистроном.
Поскольку французские инженеры не обладали знаниями в области физики твердого тела и радарных технологий, компания наняла двух немецких ученых, известных своим опытом работы в военное время.
Матаре и Велькер проводили эксперименты около трех лет. В 1946 году Westinghouse подписала контракт с Министерством почт, телеграфов и телефонов. Правительство намеревалось модернизировать свою телекоммуникационную систему и хотело получить национальные поставки полупроводниковых ретрансляторов, которые могли бы заменить вакуумные ламповые реле в телефонии. Военные нуждались в полупроводниковых диодах для использования в качестве выпрямителей в радарах.
В 1947 году Матаре начал исследовать странное явление под названием «интерференция», которое во время войны наблюдал в германиевых выпрямителях. Если два точечных контакта находились на достаточно близком расстоянии, в пределах 100 микрометров друг от друга, потенциал на одном из них мог влиять на ток, протекающий через другой. Похожую ситуацию наблюдали Бардин и Браттейн.
В 1948 году в результате дальнейших экспериментов Матаре добился спорадического усиления электрических сигналов. К июню этого года вместе с Велькером он получил устойчивые, воспроизводимые результаты, используя более чистые образцы германия. Но месяц спустя исследователи узнали удивительную новость — Bell Labs только что изобрела аналогичный полупроводниковый усилитель. Тогда компания Westinghouse поспешила запустить в производство свое устройство под названием «транзистрон», чтобы отличать его от американского аналога.
К середине 1949 года были выпущены тысячи таких устройств. Они использовались в качестве усилителей во французской телефонной системе. Спустя время громоздкие устройства с точечным контактом были вытеснены транзистором с переходом.
Матаре вернулся в Германию и в 1952 году стал одним из основателей компании Intermetall по производству диодов и транзисторов. Велькер перешел на работу в Siemens, став в итоге директором по исследованиям.
Матаре вспоминал, что в 1950 году его парижскую лабораторию посетил Уильям Шокли и увидел использование транзистрона. Был сделан телефонный звонок, в ходе которого транзисторные ретрансляторы по сети передали голосовой сигнал в Алжир.
«Я не хочу ничего отнимать у Bell Labs. Я был поражен их работой. Нобелевские лауреаты из Bell Labs — Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли — они были великолепны!» — признавал Матаре.
Эволюция производства и уменьшение размера
Первые транзисторы были длиной в сантиметр, а уже к концу 1950-х годов их размеры измерялись миллиметрами.
Изобретение интегральной схемы в 1958 году позволило уменьшить размер транзисторов до субмикронного уровня: менее миллионной доли метра.
Соучредитель компании Fairchild Роберт Нойс придумал использовать металлический алюминий, нанесенный поверх слоя Эрни, для избирательного соединения транзисторов, резисторов и других компонентов на кремниевой подложке — так была создана интегральная электронная схема (ИС). В марте 1961 года Fairchild представила свою первую ИС, или микрочип, — цифровую логическую функцию, состоящую всего из четырех транзисторов и пяти резисторов.
Компания также изобрела ряд дополнительных транзисторов, в том числе MOSFET или MOS-транзистор.
В середине 1950-х годов последовало несколько знаковых открытий и продуктов:
26 января 1954 года Bell Labs разработала первый рабочий кремниевый транзистор.
В конце 1954 года компания Texas Instruments создала первый коммерческий кремниевый транзистор.
В октябре 1954 года был выпущен первый транзисторный радиоприемник Regency TR-1.
В 1957 году был выпущен первый массовый транзисторный радиоприемник Sony TR-63. Он разошелся тиражом семь миллионов экземпляров, что привело к массовому распространению транзисторных радиоприемников на рынке в конце 1950-х и начале 1960-х годов.
К 1960-м годам транзисторная технология стала доминирующей технологической силой. Устаревшие вакуумные лампы были вытеснены.
В 1965 году Гордон Мур предсказал, что количество транзисторов в микрочипах будет удваиваться каждые два года. Закон Мура определяет линейную зависимость плотности транзисторов от времени. В 1970 году в микросхемах было около 2000 транзисторов. С 1971 года плотность транзисторов в логических схемах увеличилась более чем в 600 000 раз.
Венцом всех этих усилий стала возможность интегрировать миллионы и даже миллиарды транзисторов в одну из самых сложных систем на планете: процессоры.
Например, в процессорах современных смартфонов используется в среднем 10 миллиардов транзисторов — число, которое было бы немыслимо для Бардина, Браттейна и Шокли.
Интегральные схемы, разработанные в 1960-х годах, использовали традиционную планарную структуру для создания базовых цифровых схем
Однако в последующие десятилетия промышленность начала переходить на новую архитектуру: в 2011 году появились транзисторы FinFET (fin field effect), а с 2017 года началась разработка GAA (gate-all-around).
GAA — очень важная технология, поскольку позволяет транзисторам проводить больший ток при сохранении относительно небольшого размера: так, производительность повысится на 25%, а энергопотребление снизится на 50%. В случае с finFET оба показателя находятся в диапазоне от 15 до 20%.
Стремление уменьшить транзисторы связано с одним простым правилом — чем их больше, тем выше производительность микросхемы. В современных процессорах насчитывается больше 10 миллиардов транзисторов и это число постепенно увеличивается.
Planar FET
Планарный транзистор долгое время был основой — приблизительно до 2012 года. Структура достаточно простая — вокруг истока и стока находится область n-проводимости, сформированная внесением в кремний соответствующих примесей. Подложка изначально имеет p-проводимость. Затвор — это управляющий элемент. Подавая на него определенный потенциал, вы можете контролировать ток, протекающий от истока к стоку.
Представьте себе водопроводную трубу. Затвор — это своеобразный вентиль, которым вы можете регулировать ширину канала. По мере совершенствования оборудования транзисторы Planar FET уменьшались в размерах без каких-либо проблем. Однако дойдя до 22 нм, инженеры столкнулась с несколькими сложностями.
Уменьшение длины затвора приводило к тому, что канал становился слишком тонким. Как итог — самопроизвольное туннелирование электронов от истока к стоку. Проще говоря, даже при закрытом кране у вас все равно была утечка. Дополнительно из-за уменьшения площади затвора падала и эффективность управления каналом. Транзистор переставал быть контролируемым.
Фактически, известный закон Мура должен был умереть — уменьшать размеры дальше было просто невозможно. Обойти это ограничение сумели изменением архитектуры самого транзистора.
FinFET
Решение нашлось в переходе от 2D к 3D структуре. Проблемой планарных транзисторов был затвор, который неэффективно нависал над каналом. Инженеры решили вытянуть канал в своеобразный плавник («fin») и получить полноценную 3D структуру. Это позволило перейти на техпроцесс 22 нм и меньше. Компания Intel была первой, кто использовал технологию FinFET в 2012 на процессорах Ivy Bridge.
Что же дали на практике такие плавники? Во-первых, затвор теперь обтекает канал с трех сторон. После подачи напряжения на затвор, электроны вытягиваются из глубины к вершинам гребней, где и формируется канал. Вся активная зона располагается в верхушке плавников, поэтому утечка токов подложки минимальна.
Во-вторых, существенно повысилась эффективность управления, поскольку затвор «обволакивает» канал с трех сторон, а не с одной как это было у планарной технологии. Производители часто используют конструкции с 2–3 гребнями, что позволяет увеличить ток транзистора. Разрешение фотолитографического оборудования влияет непосредственно на шаг между гребнями.
Технология FinFET является преобладающей, первыми ее освоили три крупнейших игрока на рынке — Intel, Samsung и тайваньская TSMC. Позже — и китайская компания SMIC. Почти вся высокопроизводительная электроника использует процессоры с транзисторами FinFET.
Однако и это решение постепенно исчерпывает свой ресурс. Проблема в том, что с уменьшением затвора располагать плавники все ближе друг к другу становится проблематичным. Дополнительно приходится каждый раз все больше вытягивать гребни в высоту. Пока это удавалось делать, но технология уже исчерпывает себя на техпроцессах в 5–3 нм.
Именно поэтому ведущие игроки вроде TSMC и Samsung не только ведут исследования по масштабированию FinFET, но и работают над новой перспективной архитектурой.
В виду ограничения фотоматериалов
