На този ден в технологиите: Преди 76 години е патентован транзисторът, който променя електрониката

На 3 октомври 1950 г. американското патентно ведомство издава патент №2,524,035 за „Three-Electrode Circuit Element Utilizing Semiconductive Materials“ – разработката на Джон Бардийн и Уолтър Братейн от Bell Telephone Laboratories, свързана с първия практически работещ точково-контактен транзистор. Самият патент посочва Бардийн и Братейн като изобретатели; Уилям Шокли има ключова роля в програмата на Bell Labs и впоследствие разработва различна, по-практична концепция за преходен транзистор.

На пръв поглед това е малък електронен компонент. В исторически план обаче транзисторът се превръща в една от технологиите, върху които е изградена съвременната електроника. Без развитието, което започва с тези ранни устройства, трудно бихме могли да си представим интегралните схеми, микропроцесорите, персоналните компютри и днешните смартфони.

Проблемът с електронните лампи

През първата половина на XX век електронните устройства разчитат основно на вакуумни лампи. Те могат да усилват и превключват електрически сигнали и позволяват създаването на радиоапарати, комуникационни системи и първите електронни компютри.

Но имат сериозни недостатъци.

Лампите са сравнително големи, отделят значително количество топлина, консумират много електроенергия и имат ограничена надеждност. Колкото по-сложна става една електронна система, толкова по-сериозен става проблемът.

В Bell Labs започват да търсят алтернатива на вакуумните лампи и електромеханичните превключватели, използвани в телефонните системи. Уилям Шокли организира изследователска група, която се насочва към възможностите на полупроводниците.

Целта е амбициозна: да се създаде твърдотелно устройство, което може да усилва или превключва електрически сигнал, без да се нуждае от нагрявана нишка и вакуумна колба.

Пробивът идва през 1947 г.

Решаващият момент настъпва през декември 1947 г.

Физиците Джон Бардийн и Уолтър Братейн експериментират с малко парче високочист германий. Върху повърхността му поставят два изключително близко разположени златни контакта.

На 16 декември 1947 г. експериментът показва успешно усилване на сигнал. На 23 декември устройството е демонстрирано пред ръководството на лабораторията.

Първият точково-контактен транзистор изглежда почти примитивно спрямо съвременните полупроводникови компоненти. Двата златни контакта са притиснати към германия чрез пластмасов клин.

Но устройството работи.

Малка промяна в тока през единия контакт позволява да се управлява значително по-голям ток през другия. Computer History Museum посочва, че първоначалният експеримент позволява усилване на входния сигнал до около 100 пъти.

Bell Labs представя публично новата технология на 30 юни 1948 г.

Тя получава и име – transistor.

Къде е Уилям Шокли?

Историята на транзистора обикновено се свързва с три имена – Джон Бардийн, Уолтър Братейн и Уилям Шокли. Но ролите им не са напълно еднакви.

Бардийн и Братейн създават работещия точково-контактен транзистор. Шокли ръководи групата, но не участва пряко в успешния експеримент от декември 1947 г.

След пробива той започва интензивна самостоятелна работа и през януари 1948 г. формулира принципа на преходния транзистор – junction transistor. Тази конструкция се оказва по-надеждна и значително по-подходяща за масово производство от деликатната точково-контактна конструкция.

Така тримата учени имат различен, но фундаментален принос към раждането на транзисторната ера.

Патентът от 3 октомври

Бардийн и Братейн подават патентната заявка за своята разработка на 17 юни 1948 г.

Малко повече от две години по-късно, на 3 октомври 1950 г., е издаден американски патент №2,524,035.

Още текстът на патента ясно показва какъв проблем се опитва да реши технологията. Една от целите е създаването на компактно и надеждно устройство за усилване на сигнали, което не изисква нагряван термоелектронен катод и съответно започва да работи веднага след включване.

Именно тук е една от фундаменталните разлики спрямо електронната лампа.

Транзисторът няма нужда от нагрявана нишка и вакуумна колба. Той може да бъде по-малък, да използва по-малко енергия и да бъде по-надежден.

Нобеловият комитет определя откриването на транзисторния ефект в края на 1947 г. като начало на съвременната полупроводникова ера.

От един транзистор до милиарди

Първоначално транзисторите са отделни електронни компоненти. Следващият голям пробив е възможността множество компоненти да бъдат поставени върху една полупроводникова основа.

Така се стига до интегралната схема – технологията, за която вече разказахме в рубриката във връзка с работата на Джак Килби.

Оттам развитието води към микропроцесора.

И точно тук мащабът на промяната става впечатляващ.

Първият транзистор на Бардийн и Братейн може буквално да бъде видян с просто око. Съвременните процесори съдържат милиарди транзистори, разположени върху площ от едва няколко квадратни сантиметра.

Те изпълняват ролята на миниатюрни електронни превключватели. Комбинирани в огромни логически структури, позволяват извършването на изчисленията, върху които работи практически всяко съвременно цифрово устройство.

Транзисторът в джоба ни

Именно затова връзката между експеримента от 1947 г. и технологиите около нас днес е толкова пряка.

Процесорът в смартфона, графичната карта в компютъра, паметта, модемът, Wi-Fi чипът, автомобилната електроника, сървърите в центровете за данни и ускорителите за изкуствен интелект разчитат на огромен брой транзистори.

Разбира се, съвременният транзистор е технологично изключително далеч от устройството на Бардийн и Братейн.

Материалите са различни. Производствените процеси са различни. Конструкцията е претърпяла множество поколения развитие.

Но основната идея остава – чрез малък електрически сигнал да бъде контролиран друг електрически сигнал.

Точно тази възможност превръща транзистора в основен градивен елемент на цифровата ера.

Нобеловата награда

Значението на откритието получава едно от най-високите научни признания през 1956 г.

Нобеловата награда за физика е присъдена съвместно на Уилям Шокли, Джон Бардийн и Уолтър Братейн за изследванията им върху полупроводниците и откриването на транзисторния ефект.

Историята на Бардийн продължава по необичаен начин. След напускането на Bell Labs той се насочва към други области на физиката и през 1972 г. получава втора Нобелова награда за физика, този път заедно с Леон Купър и Робърт Шрифър за теорията на свръхпроводимостта.

Така Бардийн остава единственият човек, получил два пъти Нобеловата награда за физика.

Компонентът, който направи цифровия свят възможен

Когато погледнем първия транзистор днес, устройството не изглежда особено впечатляващо. Парче германий, два златни контакта и конструкция, която няма почти нищо общо визуално със съвременния силициев чип.

Значението му обаче трудно може да бъде надценено.

Транзисторите позволяват електронните устройства да стават по-малки, по-надеждни и по-енергийно ефективни. След тях идват интегралните схеми, микропроцесорите и последвалата експлозия на персоналната електроника.

Затова 3 октомври 1950 г. е добра дата да си припомним не просто един американски патент.

Това е една от стъпките в прехода от електронната лампа към полупроводниковия свят – технологичен преход, чиито наследници днес се намират практически навсякъде около нас.