Niesamowity kurczliwy tranzystor

W Bell Telephone Laboratories 16 grudnia 1947 roku fizycy John Bardeen i Walter Brattain przymocowali trzy cienkie metalowe styki do cienkiego kawałka pierwiastka germanu, zastosowali sygnał elektryczny i odkryli, że sygnał wychodzący z ich urządzenia był prawie sto razy silniejszy. niż ten, który wszedł. Odsłonięty tydzień później dyrektorom Bell Labs, nowy wzmacniacz półprzewodnikowy – wkrótce nazwany tranzystorem – był wspaniałym prezentem gwiazdkowym, według słów lidera grupy badawczej Williama Shockleya, który zaledwie miesiąc później począł ulepszona wersja, która ostatecznie okazała się znacznie łatwiejsza w produkcji.

Pięćdziesiąt lat później tranzystory skurczyły się tak dramatycznie, że są teraz niewidoczne gołym okiem. Jednak jako kluczowe składniki każdego mikroczipa, działające jak mikroskopijne pompy i zawory regulujące przepływ prądu elektrycznego, te maleńkie urządzenia nadal mają ogromny wpływ na prawie każdy aspekt współczesnego życia.

Ta historia była częścią naszego wydania z listopada 1997 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Było wówczas oczywiste, że nieporęczne urządzenie Bardeena i Brattaina stanowiło przełom w elektronice. Ale jego wynalazcy pomyśleli o nim głównie jako o zamienniku lamp próżniowych, które były używane jako wzmacniacze i przełączniki w sprzęcie telefonicznym, radioodbiornikach i większości innych urządzeń elektronicznych. Shockley miał chyba najlepszą intuicję tego, co miało nadejść. Ostatnio wiele myśli poświęcono elektronicznym mózgom lub maszynom obliczeniowym, spekulował w grudniu 1949 roku. Wydaje mi się, że w tych mózgach robotów tranzystor jest idealną komórką nerwową.

Fizyczny proces, który odkryli Bardeen, Brattain i Shockley, leży w samym sercu przemysłu elektronicznego, który generuje światową sprzedaż przekraczającą bilion dolarów rocznie. Największą wartością tranzystora jest to, że można go tak drastycznie zminiaturyzować: jego podstawowe zasady działania pozostały zasadniczo niezmienione, ponieważ jego wymiary liniowe zmniejszyły się ponad 10 000 razy. Z kolei lampy próżniowe nie miały absolutnie żadnych perspektyw na zadziwiającą miniaturyzację, jaka miała miejsce w urządzeniach półprzewodnikowych. I inne problemy z lampami – były niezgrabne, przepalały się zbyt często, generowały zbyt dużo ciepła i zużywały zbyt dużo energii – okazały się całkowicie nie do pokonania.

Pierwsze tranzystory miały zazwyczaj centymetr długości; pod koniec lat pięćdziesiątych mierzono je w milimetrach. Wraz z wynalezieniem układu scalonego w 1958 r. przygotowano scenę dla nieustannej parady kolejnych innowacji, które ograniczyły rozmiar tranzystorów do poziomu submikronowego — mniej niż milionowej części metra. Dziś tranzystor to niewiele więcej niż abstrakcyjna zasada fizyczna, odciśnięta niezliczoną ilość razy na wąskich paskach krzemu — miliony mikroskopijnych zmarszczek na lśniącym kryształowym morzu. Jak zauważył niedawno współzałożyciel Intela Gordon Moore, każdego roku wytwarza się więcej tranzystorów niż kropli deszczu spadających na Kalifornię, a wyprodukowanie jednego kosztuje mniej niż wydrukowanie jednego znaku w gazecie.

Synergia między nowym komponentem a nową aplikacją spowodowała gwałtowny wzrost obu, zauważył długoletni partner Moore'a, Robert Noyce, zastanawiając się nad tym, jak tranzystor i komputer dorastały razem. Poczynił ten komentarz w 1977 roku, kilka lat przed tym, jak komputer osobisty zaczął stymulować kolejną komercyjną eksplozję opartą na półprzewodnikach. Bardziej niż jakikolwiek inny czynnik, fantastyczne kurczenie się tranzystora, zarówno pod względem rozmiaru, jak i kosztów, pozwoliło przeciętnej osobie posiadać i obsługiwać komputer, który jest znacznie potężniejszy niż wszystko, na co jeszcze kilkadziesiąt lat temu mogły sobie pozwolić służby zbrojne lub wielkie korporacje. Gdybyśmy zamiast tego musieli polegać na przykład na lampach próżniowych, moc obliczeniowa chipa Pentium wymagałaby maszyny tak dużej jak Pentagon.

I właśnie w tym ostatnim roku – który jest również setną rocznicą odkrycia elektronu – podjęto udane próby zbudowania tranzystorów tak małych, że wymagają one przesyłania tylko jednego elektronu przez kanał o długości mniejszej niż 10 nanometrów. Jeśli tę technologię kiedykolwiek uda się przenieść na linię produkcyjną, może pojawić się kolejna stukrotna redukcja rozmiaru tranzystorów.

Rzadkie kombinacje

Saga o wynalezieniu tranzystora w Bell Labs jest dość dobrze znaną opowieścią, często powtarzaną, gdy pojawiają się pytania o znaczenie badań podstawowych w procesie innowacji. Znacznie mniej znana jest historia rozwoju technologii, która nastąpiła. To właśnie ta rzadka kombinacja podstawowych badań i fundamentalnego rozwoju technologii umożliwiła powstanie nowoczesnych tranzystorów i mikroukładów. Niewiele, jeśli w ogóle, epizodów w historii innowacji można porównać.

Laboratoria łączyły pragmatyczną, zorientowaną na cel filozofię badań z tym, co Shockley nazwał szacunkiem dla naukowych aspektów praktycznych problemów. Badaniami kierował dalekosiężny cel polegający na ulepszeniu komponentów i usług systemu Bell — lepszych przełączników, czystszych sygnałów itp. Jednak w tym kontekście naukowcy mieli dużą swobodę w prowadzeniu podstawowych badań nad właściwościami materiałów. Czołowi fizycy teoretyczni pracowali ramię w ramię z pierwszorzędnymi eksperymentatorami i jednymi z najlepszych inżynierów zajmujących się opracowywaniem urządzeń w kraju. Wynalezienie i rozwój tranzystora ilustruje tę zależność między praktyką a nauką, która charakteryzowała Bell Labs w czasach jego świetności.

Kiedy na przykład oryginalne pomysły Shockleya dotyczące budowy wzmacniacza półprzewodnikowego zawiodły, Bardeen zaproponował zupełnie inną teorię zachowania półprzewodników, którą ostatecznie opublikował w „Physical Review”. Podejście efektu pola Shockleya obejmowało wykorzystanie zewnętrznych pól elektrycznych do indukowania nadmiaru elektronów w pobliżu powierzchni materiałów krystalicznych, takich jak krzem; gdy gromadzi się tam więcej elektronów, powinien płynąć większy prąd. A przynajmniej tak myślał. Aby wyjaśnić pozorny brak takiego efektu, Bardeen zaproponował swoją teorię stanów powierzchniowych, w których elektrony zostają uwięzione na powierzchni i blokują przenikanie pól elektrycznych. Był to zupełnie nowy punkt wyjścia, który przeorientował wysiłki badawcze grupy w kierunku zrozumienia tych kłopotliwych stanów. Porzuciliśmy próbę stworzenia urządzenia wzmacniającego, przypomnieliśmy sobie Shockleya i skoncentrowaliśmy się na nowych eksperymentach związanych ze stanami powierzchniowymi Bardeena.

Kiedy jednak Brattain natknął się na prymitywną metodę przezwyciężenia tej blokady w listopadzie 1947 roku, uwaga grupy niemal natychmiast wróciła do praktycznego celu, jakim było stworzenie wzmacniacza półprzewodnikowego. Miesiąc później wynaleźli pierwszy tranzystor, tranzystor punktowy, który miał dwa paski złotej folii przyklejone do boków plastikowego klina, który wciskał krawędzie folii w płytkę z germanu. Chociaż ten dziwny gadżet rozciągał się prawie o cal, nowy proces fizyczny odpowiedzialny za przyrost mocy zachodził w odległości zaledwie 2 milicali lub 50 mikronów, mniej więcej grubości arkusza papieru z germanu pomiędzy metalowymi punktami dotykającymi jego powierzchni. Dodatnio naładowane jednostki kwantowo-mechaniczne, znane jako dziury generowane pod jednym punktem, spływają wzdłuż warstwy powierzchniowej do drugiego punktu, zmniejszając opór materiału znajdującego się pod nim, a tym samym wzmacniając przepływający przez niego prąd.

Pod oświeconym kierownictwem Mervina Kelly'ego i Jacka Mortona Bell Labs wkrótce zaczął inwestować środki w rozwój technologii, aby tranzystory były opłacalne. Doprowadziła do perfekcji metody oczyszczania germanu i krzemu oraz hodowania dużych kryształów tych pierwiastków. W ciągu kilku lat technologie te pozwoliły Shockleyowi i współpracownikom zrealizować swój pomysł na tranzystor złączowy, który okazał się znacznie bardziej niezawodny niż dziwne urządzenie Bardeena i Brattaina i znacznie łatwiej nadawał się do masowej produkcji. W tego rodzaju tranzystorze tak zwane złącza p-n zastępują styki punktowe metal-półprzewodnik; węzły te powstają między dwiema odmiennymi warstwami materiału półprzewodnikowego impregnowanego różnymi zanieczyszczeniami w celu indukowania niewielkiego nadmiaru elektronów lub dziur. Podejście to okazało się kluczowe w produkcji tanich, niezawodnych tranzystorów, które w latach pięćdziesiątych zaczęły pojawiać się w urządzeniach elektrycznych, takich jak radia i aparaty słuchowe.

Co więcej, laboratoria udostępniły te i inne technologie firmom, które chciały wejść do branży półprzewodników. Łącząc je z kilkoma dodatkowymi innowacjami własnymi, Noyce i Jack Kilby wynaleźli układ scalony w firmach Fairchild Semiconductor i Texas Instruments pod koniec dekady. Obwody te, lepiej znane dziś jako mikroczipy, które zawierają miliony tranzystorów na jednym pasku krzemu, stanowią podstawę dzisiejszego przemysłu półprzewodników wartego 150 miliardów dolarów. Jak zauważył Morton: Czasami, gdy rozsmarujesz swój chleb na wodzie, wraca on jako ciasto anioła.

Dalsza ewolucja

Pięćdziesiąt lat nauki i inżynierii materiałowej zmniejszyło wymiary potrzebne do efektu tranzystora do poziomu submikronowego. German został zastąpiony krzemem, który znacznie lepiej zachowuje się w wysokich temperaturach. Dyfuzja mikronowych warstw atomów domieszek do krzemu i tworzenie na nich szklistej, ochronnej warstwy tlenku, fotolitografia do wytrawiania delikatnych rysów na powierzchni krzemu oraz osadzanie z fazy gazowej metalowych styków na wierzchu tej szklistej warstwy zaczęły umożliwiać masową produkcję układów scalonych zawierających wiele tranzystorów i innych elementów półprzewodnikowych.

Gdy w 1960 roku Bell Labs w końcu opanował stany powierzchniowe Bardeena, tworząc warstwę tlenku w starannie kontrolowanym środowisku, oryginalne podejście Shockleya do efektów polowych powróciło na pierwszy plan w postaci tranzystorów z półprzewodnikami metalowo-tlenkowymi (MOS), które dominują dziś w branży. Tutaj pole elektryczne jest przykładane przez izolującą warstwę tlenku, ładując maleńki pasek metalu osadzonego na jej powierzchni; pole to reguluje prąd płynący w krzemie tuż pod nim. Niewielkie zmiany ładunku elektrycznego na pasku mogą mieć ogromny wpływ na ten prąd – czasami nawet całkowicie go blokując.

W 1965 Moore zaobserwował, że liczba poszczególnych elementów w układach scalonych podwaja się każdego roku. Ekstrapolował ten wykładniczy wzrost przez kolejną dekadę i przedstawił zdumiewającą prognozę: obwody z 1975 roku będą zawierać około 65 000 urządzeń. Jego przepowiednia, obecnie uznana za prawo Moore'a, jest aktualna przez ponad trzy dekady, chociaż okres podwojenia wzrósł do około 18 miesięcy. Najbardziej zaawansowane obecnie chipy zawierają miliony tranzystorów — każdy o typowych wymiarach poniżej pół mikrona. A techniki fotolitograficzne oparte na świetle ultrafioletowym obiecują dalsze zmniejszenie rozmiaru do prawie jednej dziesiątej mikrona, czyli 100 nanometrów. Chipy z miliardami komponentów półprzewodnikowych mogą wkrótce stać się rzeczywistością.

Innowacje dzisiaj

Najważniejszą lekcją, jaką można wyciągnąć z epizodu tranzystorowego, jest to, że podstawowe badania w ramach firmy nastawionej na zysk doprowadziły do ​​zupełnie nowego i fenomenalnie wartościowego punktu wyjścia dla elektroniki. Ścisła zależność między tym, co praktyczne i naukowe, doprowadziła do odkrycia i szybkiego rozwoju fizycznego procesu działania tranzystora, który można tak drastycznie zminiaturyzować.

Ale powojenne Laboratoria Bell były wyjątkową instytucją, która byłaby dziś bardzo trudna, jeśli nie niemożliwa do odtworzenia. To, co Kelly określił jako instytut kreatywnych technologii, skoncentrował energię intelektualną pół tuzina ewentualnych laureatów Nagrody Nobla pod dachem jednego laboratorium przemysłowego w New Jersey. Jednak jej firma macierzysta, AT&T, znajdowała się w bardzo szczególnej sytuacji: miała monopol na usługi telefoniczne w całych Stanach Zjednoczonych. Dlatego za każdym razem, gdy ktoś dzwonił na odległość, w rzeczywistości płaciła podstawowy podatek na badania i rozwój technologii, aby wesprzeć trwające projekty w laboratoriach. W zamian wielu naukowców i inżynierów tam pracujących uważało się za część zasobu narodowego, który miał obowiązek służyć interesom narodowym.

W dzisiejszym wysoce konkurencyjnym klimacie biznesowym większość firm nie może sobie pozwolić na wydatki na badania i rozwój, które prawdopodobnie nie poprawią ich rentowności przez lata. Kierując się presją zysku i 18-miesięcznymi cyklami produkcyjnymi, niewiele korporacji może sobie pozwolić na zebranie multidyscyplinarnych zespołów i umożliwienie im szerokiego zakresu badań, jaki Bell Labs zrobił ze swoją grupą półprzewodnikową w latach powojennych. A udostępnianie ich nowych technologii tak swobodnie jest absolutnie nie do pomyślenia.

Rząd federalny stara się wypełnić lukę między nauką a przemysłem, promując transfer technologii i programy zaawansowanych technologii. Są to jednak propozycje trudne, obarczone poważnymi problemami i nieporozumieniami politycznymi. W dzisiejszym rozdrobnionym środowisku badawczo-rozwojowym fizycy z uniwersytetów badawczych i krajowych laboratoriów kontynuują poszukiwanie wyimaginowanych superstrun i leptokwarków, które nie mają żadnych możliwych zastosowań praktycznych; tymczasem inżynierowie w firmach zajmujących się półprzewodnikami koncentrują się na opracowywaniu sposobów wytrawiania coraz drobniejszych elementów na krzemie.

Częściowo z powodu tej niefortunnej dychotomii, innowacje mają trudności z dotarciem do produkcji. Niedawne przełomy, takie jak nanostruktury fulerenów i nadprzewodniki wysokotemperaturowe, pozostają laboratoryjnymi ciekawostkami; w porównaniu z tranzystorem, który zaczął pojawiać się w aparatach słuchowych zaledwie pięć lat po jego wynalezieniu, innowacje te zmierzają ku komercjalizacji. Możliwe rozwiązanie może leżeć w konsorcjach branżowych, takich jak Austin’s Sematech, których głównym celem jest rozwijanie głębokich zasobów nowych technologii, których firmy uczestniczące w projekcie potrzebują do ulepszania linii produktów. Do takich konsorcjów, które są dobrze finansowane, mogą zostać włączone podstawowe grupy badawcze. W ten sposób działaliby w pragmatycznym środowisku, które mogłoby również promować fundamentalny rozwój, zwykle potrzebny do przekształcenia odkryć naukowych w użyteczne produkty.

Innym obiecującym trendem jest to, że duże firmy, takie jak Microsoft, które mają wygodny udział lub wirtualny monopol na swoim konkretnym rynku, znów zaczynają dostrzegać sensowność inwestowania w badania. To właśnie wydarzyło się w Palo Alto Research Center firmy Xerox w latach 70. i doprowadziło do rozwoju tak niezwykle przydatnych technologii informacyjnych, jak Ethernet, mysz i graficzny interfejs użytkownika. Pod przywództwem Billa Gatesa i Nathana Myhrvolda Microsoft dokonał ostatnio podobnego obrotu, poświęcając setki milionów na podstawowe projekty badawczo-rozwojowe w dziedzinie informatyki. Ale zastanawiam się, na ile firma będzie dzielić się swoimi odkryciami z innymi firmami.

W każdym razie ważne jest, aby rozpoznać prawdziwe partnerstwo, które musi istnieć między nauką a technologią. To nie nauka staje się technologią, która staje się produktami, twierdzi Moore, atakując liniowy model rozwoju przemysłowego Bell Labs. To technologia sprawia, że ​​nauka się za nią kryje. Ale nauka, do której się odnosi, jest nauką wąsko stosowaną, uprawianą w większości dzisiejszego przemysłu – z której wyłoni się niewiele, jeśli w ogóle, radykalnie nowe innowacje i punkty wyjścia. Nauka i technologia są jak dwa splecione łańcuchy polipeptydowe w cząsteczce DNA. Każda z nich wpływa na drugą w skomplikowanym, symbiotycznym związku, który byłby znacznie zmniejszony, gdyby jedno z nich zostało służebnicą drugiego.

Moim głównym punktem jest to, że musimy przezwyciężyć fragmentaryczny charakter dzisiejszego przedsiębiorstwa badawczo-rozwojowego. To, co charakteryzowało powojenne laboratoria Bell i doprowadziło do wynalezienia i rozwoju tranzystora, polegało na tym, że pod jednym dachem można było znaleźć pełen wachlarz talentów niezbędnych do rewolucyjnych innowacji, ściśle współpracując ze sobą jako dobrze naoliwiona jednostka pod oświeconym kierownictwem, które rozumie jak takie multidyscyplinarne zespoły opracowały radar i bombę atomową podczas II wojny światowej. Mam nadzieję, że nie będzie nam potrzebny kolejny taki kataklizm, aby jeszcze raz przypomnieć nam o wartości współpracy badawczo-rozwojowej.

ukryć