Ток бежит по проводам: как Уолтер Браттейн создал первый транзистор

Сегодня транзисторы установлены в каждом устройстве и могут быть размером не больше атома. Это стало возможно благодаря физику Уолтеру Браттейну — именно он открыл p-n-переход и сконструировал устройство таким образом, чтобы оно начало проводить ток.

Лишь бы не быть фермером: первые шаги в учебе

Уолтер Браттейн родился в Китае, в портовом городе Амой. Его отец, Росс Браттейн, преподавал в частном Институте Тин-Вэнь, а мать, Оттиль Хаузер, была одаренным математиком. Мужчина и женщина родились в Вашингтоне и были потомками американцев, которые в XIX веке осваивали Дикий Запад. В 1903 году они с годовалым сыном вновь вернулись в США.

До 1911 года Браттейны проживали в Спокане, пока Росс не приобрел ранчо недалеко от Тонаскета. Вся семья занималась разведением крупного рогатого скота, земледелием и мукомольем. С 14 лет Уолтер всегда помогал отцу — отправлялся вместе с ним на охоту или пас скот в горах.

По окончании старших классов будущий изобретатель поступил в Уитменский колледж, где изучал физику и математику. Именно в эти годы Уолтер познакомился с коллегами «по цеху» Уолтором Бликни, Владимиром Роянским и Джоном Воркманом.

В 1926 году Браттейн получил степень магистра в Орегонском университете, а в 1929 году — докторскую степень в Университете Миннесоты. Он изучал квантовую механику вместе с американским физиком Джоном Хазбруком Ван Флеком, а также слушал лекции Эрвина Шредингера и Арнольда Зоммерфельда. Одно было ясно точно: к жизни фермера он возвращаться не хотел.

Минус на плюс: как Уолтер Браттейн открыл электронно-дырочный переход

С 1927 года Уолтер Браттейн работал в Национальном бюро стандартов в Вашингтоне и занимался изучением пьезоэлектричества. Сразу после он стал одним из сотрудников Лабораторий Белла. В 1936 году директор компании Мервин Келли решил создать новую технологию переключателей, которые использовались на телефонной станции. Браттейн вошел в его исследовательскую группу.

На тот момент на АТС работали электромеханические реле. Они были большими и медленными: один проводник должен был коснуться другого, чтобы ток начал идти по диоду. Келли поручил изобрести твердотельный полупроводник физику Уильяму Шокли. Однако теоретик столкнулся с проблемой: третье устройство все равно не могло заставить диод работать автоматически.

Одновременно над полупроводниками работали и другие ученые. Так, химик Рассел Ол создал детектор из кремния с чистотой 99,8% — он проводил ток из металлического кристалла в контакт и наоборот. Правда, в 1939 году на «операционный стол» попал необычный материал. Он реагировал на свет, тепло и уровень влажности в помещении.

Рассел Ол поделился находкой с Браттейном. И тогда Уолтер выдвинул предположение, которое изменило весь ход истории: между двумя слоями кремния существовал какой-то невидимый барьер, выпрямляющий переменный ток. Это открытие получило название p-n-перехода, или электронно-дырочного перехода. Однако в дальнейшие исследования вмешался Мервин Келли и потребовал засекретить их до конца войны. О проводящихся опытах не знал даже Уильям Шокли.

Простое решение сложной проблемы

Попытки построить транзистор осуществлялись в Германии и Великобритании, и Мервин Келли следил, чтобы их открытие не вышло за пределы компании. Последующие несколько лет Лаборатории Белла делились образцами кремния с коллегами из Гёттингенского университета, правда, отправляли они только кремний р-типа. В июне 1945 года Уильям Шокли, Уолтер Браттейн, а также Джон Бардин вновь приступили к работе над полупроводником. Выдвинутая еще в 1939 году теория не сразу подтверждалась на практике.

Дело было в том, что на границе полупроводника и металла образовывался заряд, который нейтрализовал действие тока. В течение всего 1947 года физики пытались устранить этот заряд. Поначалу они использовали вместо полупроводника пластину германия, которая могла усилить напряжение до 10кГц. Всего ученые представили пять различных конструкций, но все они не работали нужным образом.

Только к середине декабря 1947 года Браттейн нашел интересное решение: он сконструировал контактный узел и наклеил на него маленький кусочек золотой фольги. Между ними было небольшое расстояние, — всего 50 микрон! — которое помогало усиливать звуковые частоты в 15 раз.

Уже 24 декабря Уолтер Браттейн продемонстрировал первый точечный транзистор. Однако общественность узнала о достижении только в 1948 году на презентации в Нью-Йорке. Мервин Келли запустил небольшое производство устройств — долгое время их собирали вручную.

В 1956 году Уолтер Браттейн получил Нобелевскую премию по физике за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта. Награды также были удостоены его коллеги Уильям Шокли и Джон Бардин. Позже они создали компанию Fairchild Semiconductor и положили начало Кремниевой долине.

А вот Браттейн продолжил работу в Лабораториях Белла. Он перешел в другой отдел, однако по-прежнему занимался сборкой транзисторов. В 1958 году он женился во второй раз на Эмми Миллер, с которой воспитал троих детей. К концу жизни Уолтер Браттейн переехал с семьей в Сиэтл, где умер в 1987 году.