РЕВОЛЮЦИЯ ТРАНЗИСТОРОВ:
от механических машин к суперкомпьютерам будущего
Изобретение транзистора в 1947 году изменило ход истории.
Если бы не транзисторы, чехлы под наши планшеты и ноутбуки были бы грузовиками, а сами девайсы весили бы по несколько тонн. А уж о законе Мура про удвоение скорости микропроцессоров каждые два года приходилось бы только мечтать.
В общем, без транзисторов мы бы до сих пор наслаждались исключительно тёплым ламповым звуком и чертыхались бы из-за горячих и ненадёжных ламповых компьютеров.
Всё просто:
микропроцессор — да и любая микросхема — это набор огромного количества крошечных транзисторов без шляпок и ножек.
Эй, постойте, но транзистор — он же такой, со шляпкой и тремя-четырьмя ножками,
а микропроцессор быстрый, мощный и компактный —
как они вообще связаны?!
Так что транзисторы сегодня можно встретить буквально везде — в наушниках, зарядке от телефона, в самом телефоне, датчике протечки воды, холодильнике, умном чайнике, читалке и любых других девайсах хотя бы с минимальными «мозгами».
В этом спецпроекте мы расскажем, какой была радиоаппаратура до изобретения транзисторов, как и кем был изобретён транзистор, как устроены и как работают транзисторы.
Глава 1.
Как вычисляет компьютер
Для начала разберёмся, как компьютер проводит вычисления, — это поможет лучше понять, для чего были нужны транзисторы и их предшественники и как они использовались в производстве ЭВМ.
А как же вычитание, деление и умножение? Тут всё просто: вычитание представляется как прибавление отрицательного числа, умножение — как серия прибавлений числа к самому себе, а деление — как последовательное вычитание делителя из делимого (если вы тоже своего рода программист, то наверняка теперь понимаете, откуда берётся целочисленное деление).
Чтобы посмотреть схему логической операции, наведите курсор на её заголовок.
Вообще, любая картинка, музыка или нейросеть фактически держится только на операциях сложения. То есть достаточно научить компьютер складывать числа, чтобы он мог сделать всё что угодно :)
Раз у нас есть база — сложение, то давайте посмотрим, как оно работает. Тут используются логические операции AND (логическое И), XOR (исключающее ИЛИ) и OR (логическое ИЛИ), а также куча других вариантов. Некоторые из них мы разберём подробнее.
Чтобы посмотреть схему логической операции, нажмите на её заголовок.
XOR капризничает и выдаёт ноль не только когда на входе два ноля, но и когда там две единички. На то он и исключающее ИЛИ. XOR как бы ставит нас перед жёстким выбором — либо единичка там, либо единичка сям. В противном случае — фигушки.
Исключающее ИЛИ (XOR)
Если на вход элемента, который отвечает за логическое ИЛИ, подать два ноля, то результатом будет тоже ноль (или false). Во всех остальных случаях — единичка (или true). Запомнить это тоже просто: чтобы получить единичку, на входе должна быть хотя бы одна единичка.
Логическое ИЛИ (OR)
Логическое И (AND)
Если на вход элемента, который отвечает за логическое И, подать две единички, то результатом будет единичка (или true). Во всех остальных случаях результатом будет ноль (или false).
Итак, у нас есть двоичная система счисления, где 1 + 1 = 10. Теперь следите за руками. У нас есть простые единички, а есть разряды — то есть 2 в какой-либо степени. Чтобы сложить обычные единички, нам нужно исключающее ИЛИ (XOR) — этот оператор из двух нолей сделает ноль, из одной единички и ноля — единичку. Именно это нам и нужно — пропустить через него исключительно эти варианты. 1 + 1 в XOR тоже даст 0 — но в этом случае тот самый ноль, который обозначает дополнительный разряд числа.

А теперь фокус-покус — данные мы подаём одновременно на элемент XOR и элемент AND. XOR сложит 1 и 1 и выдаст 0, а AND, получив на вход те же 1 и 1, выдаст 1 — и эта единичка встанет слева. То, что мы получили, называется «полусумматор». Вот как выглядит его схема.
Как же складывать числа
Но полусумматор умеет складывать лишь маленькие числа. Как же нам теперь сложить, например, 10 и 11 (2 и 3 в десятичной системе счисления)?
Поясним, почему мы использовали OR. Дело в том, что оба последних элемента AND отвечают за третий разряд чисел. А значит, нам надо добавить третью единичку слева в трёх случаях: если оба AND выдают единички и если один из них выдаёт единичку, а другой — ноль (таких комбинаций может быть две). XOR, как мы помним, не сможет выдать единичку, если на вход ему поступят две единички.
Тут нам не обойтись без сумматора и дополнительного элемента — OR. Объяснять текстом подробно уже не будем — тут всё аналогично первой схеме, только побольше элементов.
Теперь вы знаете, как работает компьютер, и сможете лучше понять историю изобретения и применения транзисторов.
Глава 2.
Механические вычислители, диоды и радиолампы
Первые «калькуляторы» появились задолго до транзисторов, компьютеров и вообще открытия электричества. Вначале они были исключительно механическими, потом к ним добавились паровые и электродвигатели (но сами вычисления так и продолжали проводиться механически — с помощью каких-нибудь специальных пластин или шестерёнок.
У всех этих решений было два серьёзных недостатка: они были большими, а скорость вычислений — очень низкой. Даже в появившихся позднее реле для переключения состояния один проводник должен был физически коснуться другого. Что уж говорить о различных пластинах, штырьках и прочих физических элементах. Представьте: чтобы передать значение, вам надо механически переключить какой-то набор контактов. Дело небыстрое, а миниатюризации механические части почти не поддаются. В масштабах современных микропроцессоров даже крошечная блоха из «Левши» покажется Годзиллой или, скорее, «Звездой смерти».
Вот так мог бы выглядеть супердевайс своего времени — разностная машина Чарльза Бэббиджа.
Её воссоздали современные учёные по оригинальным чертежам. Причём детали изготавливали с той же точностью, на которую были способны ремесленники того времени. В итоге машина заработала — пусть и с несколькими конструктивными изменениями (они были непринципиальными, и сам Бэббидж легко бы их исправил в процессе отладки).
Главные лица дотранзисторной эпохи
Умею почти всё! Квадратные
корни только вот не дались...
А ещё её можно было программировать. И хотя в ней были электропривод и всякие лампочки, сами вычисления проводились механически.
Немецкий инженер. В 1948 году разработал первый язык программирования высокого уровня — Планкалкюль. А ещё спроектировал несколько крутых по меркам того времени компьютеров — например, механический Z1 и электромеханический Z3. Механическая машина Z1 принимала данные с клавиатуры — десятичные числа с плавающей точкой.
Конрад Цузе
Была пара багов,
но доработали «на проде»
Английский математик. Создал механическую машину для вычисления значений функций, писал статьи о теории функций и экономике. Больше всего известен как создатель проекта разностной машины, фактически первой современной ЭВМ, а также принтера к ней для вывода информации. Сделал он это к 1833 году, но при жизни свою машину так до конца и не построил. Однако современные инженеры собрали машину по его чертежам — и в ней оказалась пара багов. И это вполне нормально, учитывая, что такие сложные механизмы всегда приходилось дорабатывать и исправлять «на проде».

Чарльз Бэббидж
Билл Гейтс писал калькулятор
Windows с меня!
Немецкий математик. Разработал дифференциальное и интегральное исчисление, создал комбинаторику, двоичную систему счисления (привет битам), заложил основы математической логики. В 1672 году Лейбниц создал один из первых механических «компьютеров» — арифмометр, который умел умножать, делить, складывать и вычитать. И всё это без транзисторов :)

ГОТФРИД ЛЕЙБНИЦ
Овнам предстоит
романтическое знакомство
Как-то в 1900 году греческий водолаз обнаружил останки древнего корабля, а в нём — интересный механизм из 30 бронзовых шестерёнок с надписями и цифрами. С его помощью можно было вычислять разные астрономические события. А настроен он был для долготы и широты Сиракуз или Родоса.

неизвестный древний грек
Помог своему бате
В 1642 году создал суммирующую машину — что-то вроде цифрового калькулятора. В то время Паскалю было всего 19 лет, а его изобретение работало на благо налоговой службы Франции (там работал его отец) :) Складывать на этой машине можно было легко, а вот умножать и вычитать — уже сложновато, хотя тоже реально.
Французский «универсальный солдат». Оставил значительный след в математике, физике, механике, литературе, теологии. Один из основателей матанализа, теории вероятностей и проективной геометрии. Открыл закон Паскаля, но не называл его так :)

БЛЕЗ ПАСКАЛЬ
Сектор «приз» на барабане!
Австрийский инженер. В 1949 году выпустил карманный арифмометр Curta, который умел проводить операции сложения, вычитания, умножения, деления. В общем, это был дедушка наших смартфонов :)
Курт Херцштарк
А ещё она ввела такие фундаментальные для программирования понятия, как «цикл» и «рабочая ячейка».
Писала программы без компилятора
Ада известна не тем, что она дочка знаменитого поэта Байрона. В отличие от отца-гуманитария она стала математиком — да ещё каким! Для машины Чарльза Бэббиджа Ада создала с нуля язык программирования, а также написала несколько первых программ и даже допустила несколько багов — современные инженеры проверили это, написав компилятор для её языка :)
АДА ЛАвлейс
Считаю ваши деньги
Экономист из Новой Зеландии. Автор кривой «имени самого себя», которая показывает зависимость между инфляцией и безработицей. В 1949 году он создал аналоговый компьютер MONIAC, который мог моделировать финансовые процессы Великобритании. Название — отсылка к первой ЭВМ ENIAC и слову money, «деньги».


УИЛЬЯМ ФИЛЛИПС
Внутри MONIAC была вода разных цветов и сложная система из поплавков, электродов и насосов. С помощью машины можно было показывать, как деньги из разных банков попадают в казну и уходят из неё дальше.
Диоды
Первыми предшественниками транзисторов стали диоды. Первые диоды независимо друг от друга запатентовали Джон Флеминг (в 1904 году) и Гринлиф Пиккард (в 1906 году). Причём их диоды были разными.
Флеминг баловался с термоэлектронной эмиссией — это когда некое твёрдое тело испускает электроны в вакуум или почти вакуум. Соответственно, он запатентовал диод с термоэлектронной эмиссией. А Пиккард сразу запатентовал кремниевый диод.
А теперь посмотрим, как устроен диод, — это поможет быстрее понять строение транзистора. Так что запоминайте :)
Итак, у нас есть полупроводник — тот же кремний. Одну его половину мы искусственно насыщаем «дырками», то есть положительным зарядом (p  positive, анод), а другую — электронами, то есть отрицательным зарядом (n  negative, катод). Посередине у нас образуется так называемая зона p-n-перехода.
А теперь очередной фокус. Подключим к диоду источник питания — на катод подадим минус, а на анод — плюс. Что у нас получится?
Минусовой заряд будет как бы выталкивать электроны из катода в сторону анода, а плюсовой заряд с анода как бы притягивать эти электроны. В итоге по диоду беспрепятственно пойдёт ток.
Если бы наши электроны были шарами, дырки — отверстиями под шары, а провода — трубками, то такой же эффект возник бы, если бы мы стали сильно дуть в трубку со стороны катода. Шарики бы покатились к дыркам.
А теперь подключим элемент питания наоборот: на катод подадим плюс, а на анод — минус.
Через диод не пойдёт ток! И вот почему. Теперь электроны с катода будут притягиваться к плюсовому полюсу нашей батарейки, а дырки анода — к минусовому. В итоге зона p-n-перехода увеличится и не будет пропускать ток. Такая вот физика.
Фишка диодов в том, что они могут выпрямлять переменное напряжение. Дело в том, что переменное напряжение — это когда в розетке постоянно меняется полярность: в один миг минус справа, а плюс слева, в другой — наоборот. Диод же пропускает ток всегда только в одном направлении, а значит, половину попыток розетки отфильтрует. В итоге у нас получится постоянный ток.
P. S. Конечно, мы описали работу современного диода — во время его изобретения ещё ничего не было известно о p-n-переходе и вместо этого перехода просто использовался вакуум между анодом и катодом.
Изобретатели диода
бесят эти нити в лампочке
Американский изобретатель и предприниматель. Фактически он запустил систему, при которой героями-изобретателями стали корпорации и университеты, а не отдельные люди. В 1880 году «переоткрыл» термоэлектронную эмиссию и по сложившейся у него привычке бомбанул на это дело патент. До самой термоэлектронной эмиссии ему не было дела — его больше интересовало, как продлить срок службы лампочек (в них часто выгорала нить).
Томас Эдисон

Берегитесь, кожаные мешки!
Английский учёный. Предложил ввести правило правой руки, запатентовал первый диод, а кроме того, был христианским проповедником, занимался альпинизмом, писал акварели и очень круто фотографировал.
Когда-то работал у Эдисона, а потом консультировал компанию Marconi по вопросам электротехники и радиотехники.
Джон Амброз Флеминг
Его диод, запатентованный в 1904 году, фактически был первой электронной лампой и открыл век современной электроники.
тут тоже что-то бесит
Немецкий физик и лауреат Нобелевки. Изобрёл кинескоп (привет телевизорам). В 1874 году открыл выпрямляющие свойства (ещё помните, что это такое?) кристаллических диодов, а в 1899-м запатентовал полноценный кристаллический выпрямитель (прародитель кремниевых диодов и транзисторов).
Карл Браун
Чтобы вы не скучали в пробках
Американский радиоинженер. Стал одним из изобретателей кристаллического детектора и создал первый радиоприёмник на этом самом кристаллическом детекторе.
Гринлиф Пиккард
Я диод. Практикую принятие
Бенгальский учёный-энциклопедист и даже писатель-фантаст. Видимо, один из первых индийцев в IT :) Отметился и в физике, и в биологии, и в куче других наук. Доработал выпрямитель Брауна и научил его принимать радиоволны.

Джагдиш Чандра Бос
Один из нобелевских лауреатов 1977 года утверждал, что в исследованиях радиоволн Бос опередил своё время на 60 лет и даже предвидел существование проводников p- и n-типа.
Фредерик Гатри
на кой здесь колесо?
Британский (снова!) физик и химик. Был наставником Джона Флеминга, открыл явление термоэлектронной эмиссии и фактически изобрёл термоэмиссионный диод (в 1873 году). Важно понимать, что изобретатель  тот, кто получил патент. Кстати, это было одним из факторов, почему патент Флеминга в итоге признали недействительным.
Радиолампы
Первые радиолампы появились практически в то же время, что и диоды. Нас будут интересовать те из них, в конструкцию которых добавили сетку. Сейчас поясним, о чём тут речь.
Итак, сама по себе лампа во многом похожа на диод (а первые диоды фактически и были лампами) — у неё тоже есть катод и анод. Но ещё у некоторых ламп появились сетки — специальные решётки или спиральки, которые помогают управлять током в лампах.
Рассмотрим, как устроена электронная лампа с сеткой и для чего эта сетка нужна (потому что без сетки лампа — диод диодом).
Фактически сетка создаёт преграду для тока внутри лампы. Мы помним, что в аноде у нас — «положительно заряженные» дырки, а на катоде — переизбыток электронов. И если на сетку подать отрицательное напряжение, то анод будет дружить именно с ней, а не с катодом — электроны катода анод интересовать не будут.
Конечно, какая-то часть электронов с катода будет пробиваться через сетку, однако даже эта небольшая часть может быть сведена практически к нулю, если увеличить отрицательное напряжение на сетке.
Когда на сетке нулевое напряжение, между ней и катодом может возникнуть «химия», а электроны будут ускоряться и бежать от катода к сетке. Но в этом случае та самая «химия» между ними будет чуть меньше, чем просто между анодом и катодом.
Если же на сетку подать плюс, то всё становится шикарно: поле между катодом и сеткой превращается в настоящий автобан для электронов и в итоге ток на аноде увеличивается.
А теперь соединим лампы и логические элементы, которые мы рассматривали в самом начале статьи. Для примера возьмём вентиль XOR.
Для этого нам надо будет познакомиться с ещё одним логическим вентилем — NAND (НЕ-И). Сразу посмотрим, какие значения он выдаёт в разных случаях:
А теперь посмотрим, как этот NAND реализовать на электронных лампах.
NOR (НЕ-ИЛИ, то есть ИЛИ наоборот). Когда на одной из сеток ламп-триодов появляется сигнал, через лампу протекает ток. Соответственно, на выходе лампы напряжение, благодаря резистору, падает и получается 0.
Когда ток через обе сетки не течёт, то на выходе высокое напряжение, так как входное напряжение нагрузки (за лампами) высокое. В итоге выходное напряжение на лампах высокое и получается 1.
Итак, он делает то же самое, что AND, только каждый раз инвертирует результат.
NAND (И-НЕ, то есть И наоборот). Здесь уже используется пентод, то есть лампа с пятью электродами: анод, катод и три сетки. Ток протекает через лампу только тогда, когда на всех сетках высокий сигнал.
Как мы видим, на средней сетке напряжение есть всегда (V3). Если на две другие сетки приходит 1 (то есть высокий сигнал), срабатывает схема И. На выходе, как и в предыдущем случае, при протекании тока через лампу выходной сигнал низкий (то есть 0), а значит, происходит инверсия сигнала (НЕ).
Фактически сетка создаёт преграду для тока внутри лампы. Мы помним, что в аноде у нас — «положительно заряженные» дырки, а на катоде — переизбыток электронов. И если на сетку подать отрицательное напряжение, то анод будет дружить именно с ней, а не с катодом — электроны катода анод интересовать не будут.
Итак, мы знаем, как сделать элементы NAND. Теперь соберём из них вентиль XOR — остальные вентили делаются по аналогии, главное — понимать сам принцип.
Давайте проследим, как это работает. Допустим, на вход a у нас подаётся единичка, а на вход b — ноль. Что мы получим?
Теперь рассмотрим другой случай, когда на входы a и b подаются две единички.
  1. На вход вентиля №1 поступят 1 и 1 — и он выдаст результат 0.
  2. На вход вентиля №2 поступит 1 (вход a) и ещё 0 (с выхода вентиля №1). В результате они дадут 1.
  3. На вход вентиля №3 придут 1 (со входа b) и 0 (с выхода вентиля №1). Результатом станет 1.
  4. На вход вентиля №4 придут 1 (с вентиля №2) и 1 (с вентиля №3). Результатом будет 0. Это верно — операция XOR с 1 и 1 (входы a и b) должна давать 0.
Теперь вы примерно представляете, как работали компьютеры на радиолампах. Конечно, из этих вентилей строятся такие сложные комбинации, что про них можно написать несколько книг.
Теперь вы примерно представляете, как работали компьютеры на радиолампах. Конечно, из этих вентилей строятся такие сложные комбинации, что про них можно написать несколько книг :)
Сейчас радиолампы используют любители качественного аудио, а также иногда разработчики военных технологий. Они устойчивы к помехам и могут управлять очень большими токами — например, работать в качестве переключателей или выпрямителей с напряжением до миллионов вольт.
Но у ламп есть существенный недостаток — они большие, сделать их миниатюрными никак не получится. И конечно же, учёные ринулись изобретать «твердотельные лампы», которые могли бы сделать компьютеры более компактными и лёгкими — а то ноутбуки весом в несколько тонн и размером с комнату таскать домой и на работу было бы не очень удобно.
  1. На вход вентиля №1 поступят 1 и 0 — и он выдаст результат 1 (это же НЕ-И, любые входные данные, кроме двух единичек, дадут на выходе 1).
  2. На вход вентиля №2 поступит 1 (вход a) и ещё 1 (с выхода левого вентиля). В результате они дадут 0.
  3. На вход вентиля №3 придут 0 (со входа b) и единичка (с выхода вентиля №1). Результатом станет 1.
  4. На вход вентиля №4 придут 0 (с вентиля №2) и 1 (с вентиля №3). Результатом будет 1. Это верно: операция XOR с 1 и 0 (входы a и b) должна давать 1.
Самые известные ЭВМ дотранзисторной эпохи
Первый электронный компьютер (да и фактически первый компьютер). Был разработан в 1939-м, а создан в 1942 году. Компьютер был непрограммируемым, работал не очень надёжно. Он мог бы стать лучше, но Атанасова призвали на войну и работа над девайсом закончилась.
Colossus
Компьютер Атанасова — Берри
Первый программируемый компьютер, создан в Британии в 1943 году. Правда, умел он решать только задачи, связанные с криптоанализом, — расшифровывал немецкие радиосообщения.
ЭНИАК
Первый программируемый компьютер общего назначения. В отличие от британского «Колосса», мог решать широкий круг задач. Был создан в 1946 году.
Манчестерская малая экспериментальная машина
Первый компьютер, у которого и программа, и данные хранились в памяти, — то есть первый компьютер, реализовавший архитектуру фон Неймана, на основе которой работают практически все современные компьютеры. Создан в 1948 году.
IAS-машина
Компьютер, собранный под руководством фон Неймана, — он стал классическим примером реализации одноимённой архитектуры и образцом для подражания на долгие годы. Собран в 1952 году.
БЭСМ
Легендарная серия советских ЭВМ, построенных на четырёх тысячах электронных ламп и пяти тысячах полупроводниковых диодов. Работала с двоичными числами. Первая машина серии была собрана в 1952 году.
Том Килберн с современным компьютерным чипом на пальце. На заднем плане — Малая экспериментальная машина, созданная Килберном в 1948 году
Джулиус Роберт Оппенгеймер и Джон фон Нейман перед машиной IAS
Техник готовит машину к решению математической задачи, 1955 год
Глава 3.
Транзисторы
В погоне за транзисторами
Итак, учёным понравились возможности электронных ламп, но им было нужно что-то более компактное и удобное в производстве. С другой стороны, в 1906 году уже был запатентован кристаллический детектор — то есть, грубо говоря, твердотельный диод.
Естественно, учёные и инженеры видели прямую аналогию между кристаллическим детектором и вакуумным диодом. Всё это говорило о том, что в твердотельный диод надо всего лишь как-то добавить управляющий контакт — аналог сетки в вакуумных лампах.
Однако дело шло небыстро. Лишь в 1925 году немецкий физик Юлий Лилиенфельд подал заявку на твердотельный усилитель. Да и то сумел описать только его принцип — даже макет собрать не получилось, потому что фундаментальная наука того времени не могла нормально описать процессы, происходящие в таком устройстве.
В 1935 году немец Оскар Хайль уже запатентовал идею полевого транзистора — однако сделать его тоже не сумел. Спустя три года ещё двое немцев всё-таки собрали твердотельный усилитель, правда, работал он очень медленно и только при очень высоких температурах, так что какого-то практического применения не получил.
Итак, учёные подступились максимально близко к транзистору, но пока не могли его создать — и тут грянула война. А война — это всегда увеличение бюджетов на научные исследования в перспективных для военных областях. Благодаря этим бюджетам учёные всего мира сумели довольно неплохо изучить полупроводники и разработать методы их серийного производства. Это стало фундаментом будущей транзисторной революции.
Оскар Хайль
Юлий Лилиенфельд
Юлий Лилиенфельд — австро-венгерский физик, изобретатель транзистора
Оскар Хайль — немецкий инженер-электрик и изобретатель
p-n-переход
Американский физик Уильям Шокли работал в Bell Labs — он, как и все, пытался создать какую-нибудь твердотельную штуку, которая бы заменила реле в телефонных станциях. Изучив работы предшественников, он решил, что внедрить в твердотельный диод третий проводник, чтобы управлять током, не получится. И в итоге в 1939 году тоже сформулировал принцип работы полевого транзистора.
Раз внедрить проводник непосредственно в диод не выходит, значит, можно добавить в конструкцию некий внешний проводник, который будет влиять на работу диода с помощью слабого электромагнитного поля (тоже внешнего). Если сравнивать с принципом действия лампы, то это как если бы сетку вынесли за пределы самой лампы и она влияла бы на все процессы, находясь снаружи. Конечно, сравнение это очень грубое и примерное.
Вот так мог выглядеть полевой
транзистор, если бы его
собрал Лилиенфельд.
Эксперименты Шокли не удались, а потом его перебросили на другие военные задачи — и дело заглохло. Однако параллельно с ним радиолюбитель и электрохимик Рассел Ол изучал кремниевые детекторы (те самые, которые как будто твердотельные диоды). Они работали нестабильно, и Ол хотел это исправить. Он выдвинул гипотезу: если кремний очистить, всё будет отлично. Поэтому он сосредоточился на очистке и методах плавки кремния.
И вдруг Олу с командой попался странный детектор — он реагировал на свет, температуру и влажность. Он пришёл к своему коллеге Уолтеру Браттейну, и тот выдвинул свою гипотезу:
В итоге его детекторы показывали стабильную работу. Однако и тут возникла проблема — невозможно было заранее определить, какой вывод будет анодом, а какой катодом, всё это решалось только опытным путём — то есть проверкой контактов после изготовления детекторов.
видимо, между анодом и катодом есть какой-то дополнительный невидимый барьер, который и выпрямляет ток.
Ол ничтоже сумняшеся стал травить этот образец азотной кислотой, один за другим снимая микрослои, — и обнаружил, что полярность зависит не от чистоты кремния (как он думал), а, наоборот, от наличия конкретных примесей.
Тут в дело вмешался директор по исследованиям Bell Labs Мервин Келли и приказал засекретить открытие p-n-перехода (то есть той самой области, в которой соприкасаются кремний p-типа и n-типа). Причём секретность была такой высокой, что даже его бывший подчинённый Шокли не знал об открытии.
Уильям Шокли
Рассел Ол
Уильям Шокли — американский физик, исследователь полупроводников, лауреат Нобелевской премии по физике
Рассел Ол — американский инженер, известный своими исследованиями полупроводников
Первый биполярный транзистор
Летом 1945 года Келли снова создал группу для работы над будущим транзистором. Возглавил её уже знакомый нам Уильям Шокли. Среди его подчинённых были Джон Бардин и Уолтер Браттейн. Группа всё дальше и дальше уходила от концепции полевого транзистора — и в ноябре 1947 года поняла, что можно создать управляющий электрод.
В этот момент работы резко ускорились: за месяц с небольшим команда испытала пять типов конструкции «твердотельного триода», а уже 16 и 23 декабря исследователи выдали две удачные конструкции: точечного транзистора и усилителя радиочастот. Публике транзистор показали только через полгода.
А вот так выглядел первый транзистор (оригинал не сохранился, это созданная позднее копия)
Хотя изначально Шокли пытался сделать полевой транзистор, это ему не удалось — и получился транзистор биполярный. Вот так был устроен первый транзистор.
В том же 1948 году, буквально за несколько дней до презентации команды Шокли, двое немецких учёных — Велкер и Матаре — тоже сделали стабильно работающий точечный транзистор, который они называли «дуодиод». Кстати, Велкер и Матаре работали во Франции — британская и французская разведки ещё в годы войны узнали об их экспериментах и после победы над гитлеровской Германией разыскали исследователей и предоставили всё необходимое для продолжения экспериментов.
Конечно же, такое открытие сразу захотели выпустить в серию — однако долгое время транзисторы были нестабильными, а массовое производство скорее было колдунством сродни поисковой выдаче какого-нибудь «Яндекса». В итоге стоили транзисторы дорого, работали в очень ограниченных условиях. Такие радиодетали Пентагон не интересовали, и производство медленно задыхалось без крупных заказов и вливаний.
Тут есть примечательная деталь — создатели первого транзистора даже толком не понимали, как он работает. Они опубликовали научную статью, в которой описали принцип его действия, однако выводы их были неверными. Лишь спустя пару лет руководитель команды исследователей Уильям Шокли подробно и научно описал теорию p-n-перехода.
Первый биполярный транзистор
Теперь рассмотрим, как же на самом деле работает транзистор. Во-первых, у транзисторов есть три контакта: база, коллектор и эмиттер. База — это тонкий полупроводник. Во-вторых, транзисторы бывают двух типов: pnp и npn — в зависимости от того, какой заряд у коллектора с эмиттером и базы (база — посередине).
На коллектор подаётся большой ток, а от базы к эмиттеру протекает слабый ток.
База — это, грубо говоря, аналог сетки в радиолампах. Она помогает управлять током, который идёт между коллектором и эмиттером.
В транзисторе есть два перехода: эмиттер — база и коллектор — база. И если мы немного увеличим ток между базой и эмиттером (как бы немного повернём рукоятку крана с водой), то сразу широко откроем канал между эмиттером и коллектором — и ток между ними увеличится очень значительно.
То есть небольшие колебания тока на переходе эмиттер — база позволяют серьёзно менять ток между коллектором и эмиттером. Глубоко в физику этого явления погружаться не будем — нам важен сам принцип.
Как с помощью транзисторов собирать логические вентили
Мы уже собирали вентиль NAND на электронных лампах и увидели, что с его помощью можно собрать любой другой вентиль, а значит — реализовать любую операцию.
Теперь посмотрим, как тот же самый NAND собрать на транзисторах. Сама схема будет выглядеть вот так.
В схеме два n-p-n-транзистора. Причём VT1 — многоэмиттерный. Когда на обоих эмиттерах высокий сигнал — 1, управляющий ток в цепи база — эмиттер VT1 не протекает, следовательно, отсутствует и ток в цепи коллектор — эмиттер (то есть транзистор VT1 закрыт).
На базе VT2 сигнал высокий. По цепи база — эмиттер VT2 протекает управляющий ток, который, соответственно, управляет током в цепи коллектор — эмиттер, и он тоже становится высоким (то есть транзистор VT2 открыт). Соответственно, на резисторе R2 происходит большое падение напряжения и на выходе VT2 — низкое напряжение, то есть 0.
Когда хотя бы на одном эмиттере низкий сигнал — 0, протекает высокий управляющий ток в цепи база — эмиттер VT1, следовательно, течёт и ток в цепи коллектор — эмиттер (то есть транзистор VT1 открыт). На базе VT2 сигнал низкий. По цепи база — эмиттер VT2 не протекает управляющий ток, а значит, нет тока и в цепи коллектор — эмиттер (то есть транзистор VT2 закрыт). В результате на резисторе R2 падение напряжения небольшое и на выходе VT2 — высокое напряжение, то есть 1.
Вот так устроена логика на транзисторах. Конечно, это упрощённое представление — на деле есть куча разных схем подключения и могут использоваться разные дополнительные радиодетали.
Полевые vs биполярные транзисторы
Мы так много говорили про биполярные транзисторы, что забыли про полевые — а между тем это очень популярный тип деталей. Благодаря тому, что они работают с электромагнитным полем, такие транзисторы потребляют гораздо меньше энергии и широко используются во всех схемах и задачах, где нужна энергоэффективность. Наручные электронные часы, пульт от телевизора, датчики — всё это часто собирается на «полевиках».