Невероятно, невозможно, бессмысленно даже и пытаться представить себе жизнь современного человека без электроники. Ну, если он только не упертый отшельник или индеец где-нибудь в джунглях Амазонки. Радио, телевизоры, компьютеры, гаджеты всех видов, станки, разного рода бытовые и измерительные приборы… список продолжайте сами, он будет очень большим. И, наверное, с изрядными шансами на ежедневное пополнение.

Без чего немыслимы все эти устройства? Понятно, что без электричества. Но, главное, их невозможно создать без микросхем, в основе которых лежат полупроводники. Именно эта технология без преувеличения сделала наш мир таким, каков он есть сегодня.

Бардин, Шокли и Браттейн в лаборатории компании Bell. 1964 г.

Вообще полупроводником называют вещество с особым свойством проводимости электричества, благодаря чему они и могут обмениваться электросигналами, модулировать, усиливать и направлять ток. Но для того чтобы начать использовать даже известные свойства каких-либо материалов, нужно не только открыть их, а еще понять, что и как сделать, разработать соответствующую приборную базу, в которой использовались бы эти самые свойства… Ну и понимать, где именно они применимы.

Для использования технологий на основе полупроводников пришлось разработать транзисторы. На первый взгляд для неискушенного в физике человека в них нет ничего сложного, на деле же это достаточно хитрое устройство, главным элементом которого является монокристалл, разделенный на две области с разным механизмом электропроводности (positive – negative, или, короче, p-n-переход). Использование разных транзисторов в одной микросхеме позволяет использовать обмен сигналами между ними для передачи информации и вычислений.

Полупроводниковые свойства обнаружены у многих элементов и сложных веществ, однако сегодня для этой цели используется преимущественно кремний, нередко обогащенный различными добавками, которые позволяют усиливать или как-то менять в нужную сторону свойства материала.

История открытия проводников по общеисторическим меркам коротка, хотя нам и может показаться, что случилось это давным-давно. Первым, кто обратил внимание на изменение свойств вещества при, например, нагревании, был знаменитый английский естествоиспытатель, физик и химик Майкл Фарадей (1791–1867). Еще в 1833 году он обнаружил повышение электропроводности сульфида серебра при нагревании, тогда как другие соли или чистые металлы, напротив, хуже проводили ток при нагревании. Другие соли и металлы реагируют обратным образом – чем выше температура, тем хуже через них проходит ток. Через много лет потомственный ученый, физик и инженер, нобелевский лауреат, один из открывателей радиоактивности Антуан Анри Беккерель (1852–1908) открыл способность некоторых материалов менять электропроводность под действием света.

Дальше, как говорится, больше. Карл Фердинанд Браун (1850–1918), будучи еще совсем молодым ученым, обнаружил в 1874 году, что электрическое сопротивление в ряде случаев может зависеть от направления, величины и продолжительности тока. Итогом его работы стало создание катодно-лучевой трубки и появление технологии «выпрямления», когда переменный ток преобразуется в постоянный. Не будет преувеличением сказать, что именно эта технология позволила создать всю радиотехнику, которой мы пользуемся до сих пор.

Четвертым краеугольным камнем в открытии полупроводников стало открытие Артуром Шустером (1851–1934) полупроводниковых свойств окисленной меди в контакте с чистым металлом.

Впрочем, как вы уже знаете, мало открыть какие-то уникальные свойства или явления, для их использования необходимо понять механизм, саму суть их. Применительно к полупроводникам сущность этих свойств оставалась для физиков XIX века загадкой – тогдашняя наука была не способна объяснить их. Решительный шаг в этом направлении наука смогла сделать только в конце первой трети XX века, когда была создана атомарная модель и начались соответствующие исследования.

Идея транзистора появилась еще в середине 1920-х годов, когда американский изобретатель польского происхождения Юлиус Лилиенфельд запатентовал концепцию полупроводникового транзистора на основе сульфида меди.

Однако окончательно технология транзисторов на основе p-n перехода была разработана только после Второй Мировой войны, в конце 1947 года. Она позволила наконец отказаться от использования неэкономичных, хрупких и больших ламповых устройств и перейти к созданию электротехники на новых принципах. Появились германиевые, а затем и кремниевые транзисторы. Собственно рабочий образец транзистора разработали американские инженеры во главе с Уильямом Шокли, Уолтером Браттейном и Джоном Бардином. В 1950 году технология была запатентована, а в 1956 году они получили Нобелевскую премию по физике.

Начала развиваться совершенно новая индустрия, продукция которой служила прежде всего интересам военных и НАСА. Появились новые модели транзисторов.

Переход на кремниевую базу позволил избавиться от перегрева и получить более универсальные и устойчивые к высоким температурам устройства. Заодно возникшая нужда в квалифицированных кадрах, которые могли бы работать в этом новом направлении, сильно повлияла на всю американскую науку. Если обратиться к ее истории, то окажется, что перед Второй Мировой войной и в первые годы после нее фундаментальная физика в США была, по сути, в загоне. Работавшим в ней ученым приходилось или зарабатывать средства для своих исследований самостоятельно, или искать спонсоров (которых в первую очередь, конечно, интересовала быстрая выгода), то вскоре американские власти поняли, что необходимо решать проблему отставания в этой области. Были созданы федеральные программы, ученых начали не только переманивать, но и готовить в стране, выделять средства на перспективные исследования. А поскольку с деньгами в США все обстояло весьма неплохо, вскоре появились и результаты. Немаловажную роль в развитии новых технологий сыграли и холодная война, и связанная с ней гонка вооружений.

Кремниевые транзисторы прекрасно подошли для использования в средствах связи, навигационном оборудовании, радарах…

Что ждет нас, куда двинется отрасль в будущем? Вариантов много, можно лишь предполагать, поскольку варианты использования полупроводниковых свойств материалов и веществ еще не используются в полной мере. В любом случае нашу жизнь без них сегодня представить уже очень трудно.