Neticami sarūkošais tranzistors

1947. gada 16. decembrī Bell Telephone Laboratories fiziķi Džons Bārdīns un Valters Breteins piestiprināja trīs trauslus metāla kontaktus pie plānas germānijas šķembas, pielika elektrisku signālu un atklāja, ka signāls, kas izplūst no viņu ierīces, ir gandrīz simts reižu spēcīgāks. Nedēļu vēlāk tika atklāts Bell Labs vadītājiem, un jaunais cietvielu pastiprinātājs, kas drīz tika nosaukts par tranzistoru, bija lieliska Ziemassvētku dāvana, kā izteicās pētnieku grupas vadītājs Viljams Šoklijs, kurš tikai mēnesi vēlāk sāka ieņemt bērnu. uzlabota versija, kas galu galā izrādījās daudz vieglāk izgatavojama.

Pēc piecdesmit gadiem tranzistori ir tik krasi sarukuši, ka tagad tie ir neredzami ar neapbruņotu aci. Tomēr kā katras mikroshēmas galvenās sastāvdaļas, kas darbojas kā mikroskopiski sūkņi un vārsti, kas regulē elektriskās strāvas plūsmu, šīm mazajām ierīcēm joprojām ir milzīga ietekme uz gandrīz katru mūsdienu dzīves aspektu.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 1997. gada novembra numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Toreiz bija acīmredzams, ka Bārdīna un Breteina smagnējie mehānismi ir izrāviens elektronikā. Bet tā izgudrotāji to galvenokārt domāja kā vakuuma lampu aizstājēju, ko izmantoja kā pastiprinātājus un slēdžus tālruņu iekārtās, radio un lielākajā daļā citu elektronisko ierīču. Šoklijam, iespējams, bija vislabākā intuīcija par gaidāmo. Viņš 1949. gada decembrī domāja, ka pēdējā laikā daudz tiek domāts par elektroniskajām smadzenēm vai skaitļošanas iekārtām. Man šķiet, ka šajās robotu smadzenēs tranzistors ir ideālā nervu šūna.

Fiziskais process, ko Bārdīns, Breteins un Šoklijs atklāja, tagad atrodas elektronikas nozares pulsējošajā centrā, kas ik gadu visā pasaulē pārdod vairāk nekā 1 triljonu USD. Tranzistora lielākā vērtība ir tā, ka to var tik krasi miniaturizēt: tā darbības pamatprincipi būtībā ir palikuši nemainīgi, jo tā lineārie izmēri ir samazinājušies vairāk nekā 10 000 reižu. Turpretim vakuuma lampām nebija nekādu izredžu uz tādu pārsteidzošu miniaturizāciju, kāda ir notikusi cietvielu ierīcēs. Un citas cauruļu problēmas — tās bija nelīdzenas, pārāk bieži izdegās, radīja pārāk daudz siltuma un patērēja pārāk daudz enerģijas — izrādījās pilnīgi nepārvaramas.

Pirmie tranzistori parasti bija centimetru gari; līdz 1950. gadu beigām tos mēra milimetros. Līdz ar integrētās shēmas izgudrošanu 1958. gadā tika izveidots posms nepārtrauktai turpmāku inovāciju parādei, kas samazināja tranzistoru izmēru līdz submikronu līmenim, kas ir mazāks par vienu miljono daļu no metra. Mūsdienās tranzistors ir nedaudz vairāk kā abstrakts fizisks princips, kas neskaitāmas reizes iespiests šaurās silīcija skaidiņās — miljoniem mikroskopisku viļņu mirdzošā kristāla jūrā. Kā nesen atzīmēja Intel līdzdibinātājs Gordons Mūrs, katru gadu tiek izgatavots vairāk tranzistoru nekā lietus lāses, kas nokrīt Kalifornijā, un viena izgatavošana maksā lētāk nekā vienas rakstzīmes drukāšana laikrakstā.

Sinerģija starp jaunu komponentu un jaunu lietojumprogrammu radīja abu eksplozīvu izaugsmi, novēroja Mūra ilggadējais partneris Roberts Noiss, pārdomājot, kā tranzistors un dators uzauga kopā. Šo komentāru viņš izteica 1977. gadā, dažus gadus pirms personālais dators sāka stimulēt vēl vienu komerciālu sprādzienu, kura pamatā bija pusvadītāji. Vairāk nekā jebkurš cits faktors, fantastiskais tranzistora samazinājums gan izmēra, gan izmaksu ziņā ir tas, kas ļāvis vidusmēra cilvēkam iegūt un vadīt datoru, kas ir daudz jaudīgāks par visu, ko bruņotie dienesti vai lielās korporācijas varēja atļauties pirms dažām desmitgadēm. Piemēram, ja mums būtu jāpaļaujas uz vakuumlampām, Pentium mikroshēmas skaitļošanas jaudai būtu nepieciešama tikpat liela iekārta kā Pentagons.

Un tikai pagājušajā gadā, kas ir arī elektronu atklāšanas simtgade, ir bijuši veiksmīgi mēģinājumi izveidot tik mazus tranzistorus, ka tie ietver tikai viena elektrona pārraidi caur kanālu, kas ir mazāks par 10 nanometriem. Ja šo tehnoloģiju kādreiz varēs pārnest uz ražošanas līniju, iespējams, vēl viens simtkārtīgs tranzistoru izmēra samazinājums.

Retas kombinācijas

Tranzistora izgudrošanas sāga uzņēmumā Bell Labs ir diezgan plaši pazīstama pasaka, kas bieži tiek pārstāstīta, kad rodas jautājumi par fundamentālo pētījumu nozīmi inovācijas procesā. Daudz mazāk pazīstams ir stāsts par tehnoloģiju attīstību, kas sekoja. Tā bija šī retā fundamentālo pētījumu un fundamentālo tehnoloģiju attīstības kombinācija, kas padarīja iespējamus modernus tranzistorus un mikroshēmas. Var salīdzināt dažas inovāciju vēstures epizodes, ja tādas ir.

Laboratorijas apvienoja pragmatisku, uz mērķi orientētu pētniecības filozofiju ar to, ko Šoklijs sauca par cieņu pret praktisko problēmu zinātniskajiem aspektiem. Izpēti vadīja ilgtermiņa mērķis uzlabot Bell System komponentus un pakalpojumus — labākus slēdžus, skaidrākus signālus utt. Taču šajā kontekstā zinātniekiem bija plaša brīvība veikt materiālu īpašību pamatpētījumus. Vadošie teorētiskie fiziķi strādāja plecu pie pleca ar izciliem eksperimentētājiem un dažiem labākajiem iekārtu izstrādes inženieriem valstī. Tranzistora izgudrojums un izstrāde ilustrē šo mijiedarbību starp praktisko un zinātnisko, kas raksturoja Bell Labs tās ziedu laikos.

Piemēram, kad Shockley sākotnējās idejas par cietvielu pastiprinātāja izgatavošanu cieta neveiksmi, Bārdīns ierosināja pilnīgi atšķirīgu pusvadītāju uzvedības teoriju, ko viņš galu galā publicēja izdevumā Physical Review. Šoklija lauka efekta pieeja ietvēra ārējo elektrisko lauku izmantošanu, lai izraisītu pārmērīgu elektronu daudzumu kristālisku materiālu, piemēram, silīcija, virsmas tuvumā; ja tur pulcējas vairāk elektronu, vajadzētu plūst lielākai strāvai. Vai tā viņš domāja. Lai ņemtu vērā acīmredzamo šāda efekta trūkumu, Bārdīns ierosināja savu teoriju par virsmas stāvokļiem, kuros elektroni tiek iesprostoti uz virsmas un bloķē elektrisko lauku iespiešanos. Tas bija pavisam jauns sākumpunkts, kas pārorientēja grupas pētniecības centienus, lai izprastu šos traucējošos stāvokļus. Mēs atteicāmies no mēģinājuma izveidot pastiprināšanas ierīci, atgādināja Šokliju, un koncentrējāmies uz jauniem eksperimentiem, kas saistīti ar Bārdīna virsmas stāvokļiem.

Kad Breteins 1947. gada novembrī atklāja rupju veidu, kā pārvarēt šo aizsprostojumu, grupas uzmanība gandrīz nekavējoties atgriezās pie praktiskā mērķa – izveidot cietvielu pastiprinātāju. Mēnesi vēlāk viņi izgudroja pirmo tranzistoru, punktkontakta tranzistoru, kuram pie plastmasas ķīļa malām bija pielīmētas divas zelta folijas sloksnes, kas folijas malas iespieda germānija plāksnē. Lai gan šis dīvainais rīks izstiepās gandrīz collu, jaunais fiziskais process, kas ir atbildīgs par jaudas palielināšanu, notika tikai 2 jūdzes jeb 50 mikronos, aptuveni germānija papīra loksnes biezumā starp metāla punktiem, kas pieskārās tā virsmai. Pozitīvi lādētas kvantu mehāniskās vienības, kas pazīstamas kā caurumi, kas izveidoti zem viena punkta, noplūst pa virsmas slāni uz otru punktu, samazinot zem tā esošā materiāla pretestību un tādējādi uzlabojot caur to plūstošo strāvu.

Mervina Kellija un Džeka Mortona apgaismotā vadībā Bell Labs drīz sāka ieguldīt resursus tehnoloģiju izstrādei, lai padarītu tranzistorus komerciāli dzīvotspējīgus. Tas pilnveidoja germānija un silīcija attīrīšanas metodes un lielu šo elementu kristālu audzēšanu. Dažu gadu laikā šīs tehnoloģijas ļāva Šoklijam un kolēģiem realizēt viņa ideju par savienojuma tranzistoru, kas izrādījās daudz uzticamāks par Bārdīna un Breteina dīvaino ierīci un daudz vieglāk tika izmantots masveida ražošanā. Šāda veida tranzistoros tā sauktie p-n savienojumi aizstāj metāla-pusvadītāja punktu kontaktus; šie savienojumi ir izveidoti starp diviem atšķirīgiem pusvadītāju materiāla slāņiem, kas piesūcināti ar dažādiem piemaisījumiem, lai izraisītu nelielu elektronu vai caurumu pārpalikumu. Šī pieeja izrādījās izšķiroša lētu, uzticamu tranzistoru ražošanā, kas 1950. gados sāka parādīties elektriskās ierīcēs, piemēram, radioaparātos un dzirdes aparātos.

Turklāt laboratorijas padarīja šīs un citas tehnoloģijas viegli pieejamas uzņēmumiem, kas ļoti vēlējās iesaistīties pusvadītāju biznesā. Apvienojot tos ar dažiem papildu jauninājumiem, Noyce un Jack Kilby izgudroja integrēto shēmu Fairchild Semiconductor un Texas Instruments desmitgades beigās. Mūsdienās labāk pazīstamas kā mikroshēmas, kurās tagad ir iekļauti miljoniem tranzistoru uz vienas silīcija šķembas, šīs shēmas veido mūsdienu 150 miljardu dolāru vērtās pusvadītāju nozares pamatu. Kā novēroja Mortons, dažkārt, uzklājot maizi uz ūdens, tā atgriežas kā eņģeļa ēdiena kūka.

Tālākā evolūcija

Piecdesmit gadus ilgā materiālzinātne un inženierija ir sabrukusi tranzistora efektam nepieciešamos izmērus līdz submikronu līmenim. Germānija ir aizstāta ar silīciju, kas augstās temperatūrās uzvedas daudz labāk. Mikronu dziļu piemaisījumu atomu slāņu difūzija silīcijā un stiklveida, aizsargājoša oksīda slāņa veidošanās uz tā, fotolitogrāfija smalku īpašību kodināšanai uz silīcija virsmas un metāla kontaktu tvaiku nogulsnēšanās virs šī stiklveida slāņa sāka ļaut masveidā ražot. integrētās shēmas, kas satur daudzus tranzistorus un citus cietvielu komponentus.

Kad Bell Labs 1960. gadā beidzot kontrolēja Bardīna virsmas stāvokļus, veidojot oksīda slāni rūpīgi kontrolētā vidē, Shockley sākotnējā lauka efekta pieeja atgriezās priekšplānā metāla oksīda-pusvadītāju (MOS) tranzistoru veidā, kas. šodien dominē šajā nozarē. Šeit caur izolējošo oksīda slāni tiek pielietots elektriskais lauks, uzlādējot uz tā virsmas nogulsnētu sīku metāla sloksni; šis lauks regulē strāvu, kas plūst silīcijā tieši zem tā. Nelielas izmaiņas elektriskā lādiņā uz sloksnes var ļoti ietekmēt šo strāvu - dažreiz pat bloķējot to pilnībā.

1965. gadā Mūrs novēroja, ka atsevišķu komponentu skaits integrālajās shēmās katru gadu dubultojas. Viņš ekstrapolēja šo eksponenciālo pieaugumu vēl desmit gadus un nāca klajā ar pārsteidzošu prognozi: 1975. gada shēmās būs aptuveni 65 000 ierīču. Tagad viņa prognoze ir nostiprināta kā Mūra likums, un tā joprojām ir patiesa vairāk nekā trīs gadu desmitus, lai gan dubultošanās periods ir pieaudzis līdz aptuveni 18 mēnešiem. Mūsdienās vismodernākajās mikroshēmās ir miljoniem tranzistoru, un katrs ar tipiskiem izmēriem ir mazāks par pusmikronu. Un fotolitogrāfijas metodes, kuru pamatā ir ultravioletā gaisma, sola turpmāku izmēra samazinājumu līdz gandrīz desmitdaļai mikrona jeb 100 nanometriem. Mikroshēmas ar miljardiem cietvielu komponentu drīz var kļūt par realitāti.

Inovācijas šodien

Būtiskākā mācība, kas jāmācās no tranzistoru epizodes, ir tāda, ka fundamentālie pētījumi peļņas gūšanas uzņēmuma ietvaros radīja pilnīgi jaunu un fenomenāli vērtīgu sākumpunktu elektronikai. Ciešā mijiedarbība starp praktisko un zinātnisko noveda pie tranzistora darbības fiziskā procesa atklāšanas un straujas attīstības, ko varēja tik krasi miniaturizēt.

Bet pēckara Bell Labs bija unikāla iestāde, kuru mūsdienās būtu ļoti grūti vai pat neiespējami atkārtot. Tas, ko Kellijs aprakstīja kā radošo tehnoloģiju institūtu, koncentrēja pusduci iespējamo Nobela prēmijas laureātu intelektuālo enerģiju zem vienas rūpnieciskās laboratorijas jumta Ņūdžersijā. Tomēr tā mātesuzņēmums AT&T atradās ļoti īpašā situācijā: tam piederēja telefona pakalpojumu monopols visā ASV. Tāpēc katru reizi, kad kāds veica tālsarunu, viņa faktiski maksāja fundamentālo pētījumu un tehnoloģiju attīstības nodokli, lai atbalstītu laboratorijā iesāktos projektus. Savukārt daudzi tur strādājošie zinātnieki un inženieri uzskatīja sevi par daļu no valsts resursa, kura pienākums ir kalpot valsts interesēm.

Mūsdienu ļoti konkurētspējīgā biznesa vidē vairums uzņēmumu nevar atļauties pētniecības un attīstības izdevumus, kas, visticamāk, nepalielinās to rentabilitāti gadiem ilgi. Peļņas spiediena un 18 mēnešu produktu ciklu vadītas, tikai dažas korporācijas var atļauties izveidot daudznozaru komandas un nodrošināt tām plašu pētniecības iespēju, kādu Bell Labs veica ar savu cietvielu grupu pēckara gados. Un to jauno tehnoloģiju padarīšana tik brīvi pieejama ir absolūti neiedomājama.

Federālā valdība cenšas palīdzēt pārvarēt plaisu starp zinātni un rūpniecību, veicinot tehnoloģiju pārnesi un progresīvu tehnoloģiju programmas. Bet tie ir sarežģīti priekšlikumi, pilni ar nopietnām problēmām un politiskām nesaskaņām. Mūsdienu sadrumstalotajā pētniecības un attīstības vidē fiziķi pētniecības universitātēs un nacionālajās laboratorijās turpina meklēt iedomātas superstīgas un leptokvarkus, kuriem nav iedomājama praktiska pielietojuma; tikmēr pusvadītāju firmu inženieri koncentrējas uz veidu izstrādi, kā silīcijā iegravēt arvien smalkākas funkcijas.

Daļēji šīs neveiksmīgās dihotomijas dēļ inovācijām ir grūtības sasniegt ražošanu. Nesenie sasniegumi, piemēram, fullerēna nanostruktūras un augstas temperatūras supravadītāji, joprojām ir laboratorijas kuriozi; salīdzinot ar tranzistoru, kas sāka parādīties dzirdes aparātos gandrīz piecus gadus pēc tā izgudrošanas, šie jauninājumi klibo uz komercializāciju. Iespējamais risinājums varētu būt nozares konsorcijos, piemēram, Ostinas Sematech, kuru galvenais mērķis ir attīstīt dziļu jauno tehnoloģiju kopumu, kas to iesaistītajiem uzņēmumiem ir nepieciešams, lai uzlabotu produktu līnijas. Pamatpētījumu grupas varētu tikt iekļautas šādos labi finansētos konsorcijās. Tādā veidā tie darbotos pragmatiskas vides vidū, kas varētu arī veicināt fundamentālo attīstību, kas parasti nepieciešama, lai zinātniskos atklājumus pārvērstu noderīgos produktos.

Vēl viena cerīga tendence ir tāda, ka lielie uzņēmumi, piemēram, Microsoft, kuriem ir ērta daļa vai virtuāls monopols savā konkrētajā tirgū, atkal sāk redzēt gudrību ieguldīt pētniecībā. Tas notika Xerox Palo Alto pētniecības centrā 1970. gados, un rezultātā tika izstrādātas tādas ārkārtīgi noderīgas informācijas tehnoloģijas kā Ethernet, pele un grafiskā lietotāja saskarne. Bila Geitsa un Neitana Mairvolda vadībā Microsoft nesen uzņēmis līdzīgu pagriezienu, atvēlot simtiem miljonus fundamentālajiem pētījumiem un datorzinātņu izstrādes projektiem. Bet es domāju, cik daudz uzņēmums dalīsies savos atklājumos ar citiem uzņēmumiem.

Jebkurā gadījumā ir svarīgi apzināties patieso partnerību, kas pastāv starp zinātni un tehnoloģiju. Tā nav tā, ka zinātne kļūst par tehnoloģiju, kas kļūst par produktiem, apgalvo Mūrs, uzbrūkot Bell Labs lineārajam industriālās attīstības modelim. Tā ir tehnoloģija, kas liek zinātnei attīstīties aiz tā. Taču zinātne, uz kuru viņš atsaucas, ir šauri pielietota zinātne, kas tiek veikta lielākajā daļā mūsdienu nozares — no kuras radīsies daži radikāli jauni jauninājumi un izejas punkti, ja tādi vispār būs. Zinātne un tehnoloģija ir kā divas savstarpēji saistītas polipeptīdu ķēdes DNS molekulā. Katrs ietekmē otru sarežģītās, simbiotiskās attiecībās, kuras ievērojami samazinātos, ja kāds kļūtu par otra palīgu.

Mana galvenā doma ir tāda, ka mums ir jāpārvar mūsdienu pētniecības un attīstības uzņēmuma sadrumstalotais raksturs. Tas, kas raksturoja pēckara Bell Labs un noveda pie tranzistora izgudrošanas un izstrādes, bija tas, ka viss revolucionārajai inovācijai nepieciešamo talantu klāsts bija atrodams zem viena jumta, cieši sadarbojoties kā labi eļļota vienība, ko vada apgaismota vadība, kas saprata. kā šādas daudznozaru komandas Otrā pasaules kara laikā bija izstrādājušas radaru un atombumbu. Es ceru, ka mums nebūs vajadzīga vēl viena šāda kataklizmas, lai vēlreiz atgādinātu par kooperatīvās pētniecības un attīstības vērtību.

paslēpties