Історія відкриття p-n-переходу, або з чого почався транзистор | Історія ІТ в Україні

Історія відкриття p-n-переходу, або з чого почався транзистор

В основі роботи практично всієї сучасної техніки лежить один винахід - транзистор, принцип дії якого відкрили більш ніж півстоліття тому. За 50 років у транзисторів не з’явилося вагомих конкурентів. Хто ж був першовідкривачем фізичного явища, використаного у транзисторі? Щоб відповісти на це питання, заповнимо ще одну прогалину в історії інформаційних технологій: розповімо про діяльність видатного українського фізика Вадима Євгеновича Лашкарьова.

EVM_PN perehod

Біографії:

Lashkarev
Лашкарьов Вадим Євгенович

1956 рік. У концертній залі  в Стокгольмі троє американських вчених: Джон Бардин, Вільям Шоклі та Волтер Братейн отримують Нобелівську премію «За дослідження напівпровідників та відкриття транзисторного ефекту» – це було справжнє досягнення у фізиці. З того часу імена відкривачів назавжди вписані до історії світової науки. Однак більш ніж за 15 років перед тим, на початку 1941 року, молодий науковець Вадим Лашкарьов експериментально виявив і описав у своїй статті фізичне явище: обидві сторони “бар’єрного шару”, що лежить паралельно кордону поділу мідь/закис міді, мають протилежні знаки носіїв струму. Згодом це відкриття, що дістало назву p-n-перехід (p – positive, додатній, n – negative, від’ємний), ляже в основу відзначеного Нобелівською премією наукового досягнення. Також у своїй статті він витлумачив механізм інжекції - надзвичайно важливого явища, на основі якого працюють напівпровідникові діоди і транзистори.

Офіційна історія транзистора така: перше друковане повідомлення про появу транзистора опубліковано в американській пресі у липні 1948 року. Його винахідники – американці Бардин та Братейн.  Вони пішли шляхом створення т. зв. точкового транзистора на базі кристалу ґерманію n-типу. Перший обнадійливий результат вони отримали наприкінці 1947 року. Проте прилад поводився нестабільно, його характеристики були непередбачуваними, і тому точковий транзистор не мав практичного застосування.

Ривок відбувся у 1951 році, коли Вільям Шоклі створив свій більш надійний площинний транзистор n-p-n, що складався з трьох шарів германію n, p та n типів загальною площею 1 см. Вже за кілька років винахід американських вчених отримав загальне визнання, і їх відзначили Нобелівською премією.

Значно раніше, ще перед початком Великої Вітчизняної війни у 1941 р., Лашкарьов проводить низку успішних експериментів і відкриває р-n-перехід електронно-діркової дифузії, завдяки чому під його керівництвом на початку 50-х рр. створено перші в УРСР напівпровідникові тріоди – транзитори.

Якщо висловлюватися мовою науки, p-n-перехід (p – від positive, n – negative) – це ділянка простору на з’єднанні двох напівпровідників p- та n-типу, де відбувається перехід від одного типу провідності до іншого. Електрична провідність матеріалу залежить від того, як міцно ядра його атомів затримують електрони. Наприклад, більшість металів є гарними провідниками, оскільки мають величезну кількість електронів, слабко зв’язаних із атомним ядром, що їх легко притягують додатні заряди і відштовхують від’ємні. Електрони, що рухаються, є носіями електричного струму. Водночас ізолятори не пропускають струму, оскільки в них електрони міцно пов’язані з атомами і не реагують на дію зовнішнього електричного поля.

Напівпровідники поводяться інакше. Атоми в кристалах напівпровідників утворюють ґратки, в котрих зовнішні електрони пов’язані силами хімічних чинників. У чистому вигляді напівпровідники подібні до ізоляторів: вони погано проводять струм або не проводять узагалі, проте, якщо до кристалічної ґратки додати  невелику кількість атомів певних елементів (домішок), їхня поведінка кардинально змінюється.

Деколи атоми домішок сполучаються з атомами напівпровідника, утворюючи зайві електрони; надлишок вільних електронів надає напівпровідникові від’ємного заряду. Також атоми домішок можуть утворювати т. зв. дірки, здатні «поглинати» електрони. Через це виникає нестача електронів, і напівпровідник  стає позитивно зарядженим. За відповідних умов напівпровідники можуть проводити електричний струм, однак, на відміну від металів, вони проводять його подвійним способом. Від’ємно заряджений напівпровідник намагається позбутися зайвих електронів – це є провідністю n-типу. Носіями заряду в напівпровідниках цього типу є електрони. Натомість додатньо заряджені напівпровідники притягують електрони, заповнюючи «дірки». Однак коли заповнюється одна дірка, поряд виникає інша – та, що залишилася без електрона. Таким чином, дірки утворюють потік додатного заряду, що прямує у бік, протилежний напрямку руху електронів. Це є провідністю р-типу. В напівпровідниках обох типів так звані не основні носії заряду (електрони у напівпровідниках р-типу та дірки у напівпровідниках n-типу) скеровують струм у напрямку, протилежному рухові головних носіїв заряду.

Додавання домішок до кристалів ґерманію або кремнію дає змогу створити напівпровідникові матеріали з потрібними електричними властивостями. Наприклад, додавання незначної кількості фосфору утворює вільні електрони, і напівпровідник набуває провідності n-типу. Додавання атомів бору, навпаки, утворює дірки, і матеріал стає напівпровідником  р-типу.

Відтак виявилося, що напівпровідник із домішками має властивість пропускати електричний струм, тобто відзначається провідністю, величина якої за певних дій може змінюватися у широких межах.

Коли у США винайшли спосіб для виконання такої дії електричним шляхом, з’явився транзистор (початкова назва трансрезистор). У 1941 році Лашкарьов оприлюднив результати своїх дослідів у статтях «Дослідження бар’єрних шарів методом термозонду» та «Вплив домішок на вентильний фотоефект у закису міді» («Исследование запирающих слоев методом термозонда» и «Влияние примесей на вентильный фотоэффект в закиси меди») (у співавторстві зі своєю колегою К. М. Косоноговою), однак почалася війна, і дослідження науковця пройшли повз увагу світової наукової спільноти. Можливо, «холодна війна» та «залізна завіса», що спустилася на Радянський Союз,  стали причиною того, що Лашкарьов так і не став Нобелівським лауреатом.  До речі, Лашкарьов розробив під час війни купроксні діоди, які застосовувалися в армійських радіостанціях і домігся їх промислового випуску.

Окрім згаданих двох статей, Лашкарьов у співавторстві з В. І. Ляшенком опублікував 1950 року статтю «Електронні стани на поверхні напівпровідника» («Электронные состояния на поверхности полупроводника»), де були оприлюднені результати досліджень поверхневих явищ у напівпровідниках, які стали підґрунтям для інтегральних схем на базі польових транзисторів.

У 50-і рр. Лашкарьов також спромігся розв’язати проблему масового відбракування монокристалів германію. Він по-новому сформулював вимоги до цього елемента, оскільки попередні були невиправдано високі. Ретельні дослідження, здійснені Лашкарьовим та Миселюком в Інституті фізики АН УРСР у Києві, засвідчили, що досягнений рівень технології монокристалів германію, був достатнім для створення точкових діодів та тріодів з потрібними характеристиками. Це дало змогу прискорити промисловий випуск перших у Радянському Союзі германієвих діодів та транзисторів.

Таким чином, під керівництвом Лашкарьова на початку 50-х рр. в СРСР було запущено виробництво перших точкових транзисторів. Сформована В. Є. Лашкарьовим наукова школа в галузі фізики напівпровідників стає однією з провідних в СРСР. Створення в 1960 р. Інституту напівпровідників АН УРСР, який очолив В. Є. Лашкарьов, засвідчило визнання його доробку.

«Прийде час, коли на цьому кристалику, що нам показав Вадим Євгенович, можна буде розмістити цілу ЕОМ!», – пророкував академік Сергій Лебедєв, котрий створив перший у континентальній Європі комп’ютер – “МЭСМ” (малу електронну лічильну машину). Так і сталося – проте аж за 20 із гаком років, коли з’явилися великі інтегральні схеми (ВІС), що містили на кристалі десятки й сотні тисяч транзисторів, а пізніше – надвеликі інтегральні схеми (НВІС) з мільйонами компонентів на кристалі. Саме ці здобутки розпочали інформаційну еру.


#photodescription2-1

#photodescription2-2

#photodescription2-3

#photodescription2-4

#photodescription2-5