Инноваторы. Как несколько гениев, хакеров и гиков совершили цифровую революцию

Когда Келли показал список тех, кто будет входить в группу твердотельщиков, Браттейн пришел в восторг: бездельников там не будет. Он вспоминает, что тогда сказал: «Тьфу-тьфу! Этих сукиных детей в группе не будет». Затем, задумавшись ненадолго, с беспокойством добавил: «Возможно, таким поганцем был именно я». Позднее он утверждал: «Вероятно, это была одна из самых замечательных когда-либо собранных исследовательских групп» ^[270] .

Главным теоретиком был Шокли, но поскольку он исполнял еще и обязанности главы группы, решили пригласить еще одного теоретика. Был выбран Джон Бардин, специалист по квантовой механике. Вундеркинд, в школе перепрыгнувший через три класса, Бардин написал докторскую диссертацию в Принстоне под руководством Юджина Вигнера. Во время войны он, проходя службу в Военно-морской артиллерийской лаборатории, обсуждал с Эйнштейном модели торпед. Он был одним из лучших в мире экспертов, который мог с помощью квантовой механики объяснить, как различные материалы проводят электрический ток. По словам коллег, он обладал «незаурядным даром легко взаимодействовать как с теоретиками, так и с экспериментаторами» ^[271] . Сначала у Бардина не было отдельного кабинета, поэтому он устроился в лаборатории Браттейна. Это был удачный ход, еще раз продемонстрировавший, что для генерации творческой энергии необходима физическая близость. Работая в одном помещении и общаясь, теоретики и экспериментаторы могут часами вести мозговой штурм новых идей.

270

Устный рассказ Браттейна, AIP.

271

Pines, John Bardeen.

В отличие от громкоголосого, разговорчивого Браттейна Бардин был тихоней, которого окрестили «шепчущим Джоном». Чтобы понять, что он бормочет, приходилось подаваться вперед, но все знали, что оно того стоит. Кроме того, в отличие от импульсивного, фонтанирующего новыми теориями и утверждениями Шокли, он был задумчив и осмотрителен.

Понимание приходило к ним при взаимодействии друг с другом. «Теоретики и экспериментаторы тесно сотрудничали на всех этапах работы, начиная с идеи постановки эксперимента и кончая анализом его результатов», — говорит Бардин ^[272] . Импровизированные семинары, которые обычно вел Шокли, проходили практически каждый день, что ясно показывало: друг друга они понимают с полуслова. «Мы не назначали встреч заранее, собирались, когда надо было обсудить нечто важное, — рассказывал Браттейн. — Многие идеи зародились во время этих дискуссий, чье-то замечание наталкивало на интересную мысль» ^[273] .

272

Bardeen, Walter Houser Brattain.

273

Устный рассказ Браттейна, AIP.

Эти встречи стали известны как «собрания у доски» или «разговоры с мелом», поскольку обычно Шокли стоял у доски с мелом в руках, записывая все предложения. Браттейн, как всегда нахальный, расхаживал в дальнем конце комнаты, выкрикивая возражения на некоторые из предложений Шокли и иногда споря на доллар, что работать они не будут. Проигрывать Шокли не любил. «Я понял, что это его раздражает, когда как-то он заплатил мне десятицентовыми монетами», — вспоминал Браттейн ^[274] . Они продолжали общаться и после работы, часто играли вместе в гольф, ходили пить пиво, устраивали вместе с женами соревнования по бриджу.

274

Riordan and Hoddeson, Crystal Fire, 126.

Транзистор

В Bell Labs Шокли со своей новой командой вернулся к оставленной им пять лет назад теории, которая должна была позволить заменить электронные лампы твердотельным устройством. Если источник сильного электрического поля, рассуждал он, разместить в непосредственной близости от пластины из полупроводникового материала, поле «вытащит» некоторое количество электронов на поверхность и позволит пропустить электрический импульс через пластину. В принципе это могло бы позволить использовать полупроводник, чтобы с помощью очень маленького сигнала контролировать сигнал гораздо большей мощности. Очень слабый ток, поданный на вход, будет регулировать (или включать и выключать) на выходе существенно более сильный ток. Таким образом, полупроводник, точно так же как и электронную лампу, можно использовать как усилитель или переключатель.

Была только одна небольшая неувязка: этот «полевой эффект» по какой-то причине не работал. Когда Шокли проверил свою теорию (на пластинку, помещенную на расстоянии порядка миллиметра от проводника, подали напряжение около тысячи вольт), ничего не произошло. «Никаких видимых изменений тока», — записал Шокли в лабораторном журнале. Как он сказал позднее, это было «абсолютно непостижимо».

Разобравшись, почему теория оказалась неправильной, можно отыскать путь к новой, лучшей теории. Поэтому Шокли попросил Бардина объяснить, в чем причина неудачи. Вместе они часами обсуждали так называемые «поверхностные состояния» — электронные свойства и квантово-механическое описание ближайших к поверхности образца слоев атомов. Через пять месяцев Бардин понял, что происходит. Он подошел к доске в кабинете, который делил с Браттейном, и начал писать.

Бардин сообразил, что, если полупроводник заряжен, электроны захватываются его поверхностью. Двигаться свободно они не могут. Электроны образуют запирающий слой, и электрическое поле, даже если на расстоянии в один миллиметр от поверхности оно сильное, не может преодолеть этот барьер. «Добавочные электроны оказались заперты в поверхностных состояниях, они неподвижны, — заметил Шокли. — В сущности, поверхностные состояния экранируют внутренность полупроводника от воздействия положительно заряженной управляющей пластины» ^[275] .

275

Shockley, The Path to the Conception of the Junction Transistor; Michael Riordan, The Lost History of the Transistor, IEEE Spectrum, май 2004 г.

Теперь у команды была новая задача: понять, как можно прорваться через барьер на поверхности полупроводника. «Мы сосредоточились на новых экспериментах, связанных с поверхностными состояниями Бардина», — объяснял Шокли. Они должны были пробить брешь в этом барьере, чтобы заставить полупроводник регулировать, переключать и усиливать ток ^[276] .

Весь следующий год команда продвигались вперед медленно, но в ноябре 1947 года было сделано несколько открытий, и начался месяц, известный как «месяц чудес». Бардин разработал теорию так называемого «вентильного фотоэффекта», согласно которой освещение находящихся в контакте разнородных тел приводит к появлению электродвижущей силы. Он предположил, что в результате некоторые из электронов, образующих барьер, вытесняются. Браттейн, работавший бок о бок с Бардиным, ставил хитроумные эксперименты, пытаясь нащупать возможность сделать это. Им помогла счастливая случайность. Часть экспериментов Браттейн проводил в термосе, чтобы можно было варьировать температуру. Но конденсат на поверхности кремния раз за разом не позволял провести эксперимент чисто. Лучше всего было бы поместить все устройство в вакуум, но это требовало больших усилий. «Я на редкость ленивый физик, — признался Браттейн. — Поэтому я решил поместить мою систему в диэлектрическую жидкость» ^[277] . Он наполнил термос водой, что обеспечивало простой способ избавления от конденсата. Семнадцатого ноября они с Бардиным провели испытания. Все работало великолепно.

276

Riordan and Hoddeson, Crystal Fire, 121.

277

Устный рассказ Браттейна, AIP.

Это было в понедельник. Всю неделю они с переменным успехом проверяли всяческие теоретические предположения и экспериментировали. К пятнице Бардин придумал, как избавиться от необходимости погружать устройство в воду. Вместо этого, предложил он, можно просто капнуть воду или небольшое количество геля прямо в то место, где острый металлический наконечник утыкается в кремний. «Здорово, Джон, — обрадовался Браттейн. — Давай попробуем». Нельзя было допустить, чтобы металлический наконечник вступал в контакт с каплей воды. Но Браттейн был волшебником, умевшим импровизировать. С этой проблемой он справился с помощью сургуча. Браттейн нашел хорошую кремниевую пластинку, чуть-чуть капнул на нее водой, покрыл кусочек проволоки сургучом, чтобы изолировать ее от воды, и, пропустив проволоку через каплю воды, воткнул ее в кремний. Сработало. Его устройство давало возможность, правда немного, усилить ток. Из этой хитро придуманной конструкции «точечного контакта» родился транзистор.

На следующее утро Бардин зашел к себе в кабинет, чтобы зафиксировать полученный результат в своих записях: «Эти опыты определенно указывают на то, что электрод или решетку можно использовать для контроля тока в полупроводнике» ^[278] . Он даже появился на работе в воскресенье, хотя обычно этот день он оставлял для гольфа. Кроме того, они с Браттейном решили, что настало время пообщаться с Шокли, который уже несколько месяцев был погружен в другие дела. В течение следующих двух недель он часто спускался к ним на этаж вниз со своими предложениями, но в основном давал возможность этой энергичной паре самостоятельно продвигаться вперед.

278

Riordan and Hoddeson, Crystal Fire, 131.

Сидя в лаборатории Браттейна прямо рядом с его рабочим местом, Бардин спокойно выдвигал идеи, а тот лихорадочно проверял их. Иногда, когда шли эксперименты, их результаты в журнал Браттейна записывал Бардин. День благодарения прошел незамеченным. Они тестировали различные устройства, используя германий вместо кремния, проверяли, что лучше, лак или сургуч, и подходит ли золото для наконечников электродов.

Обычно эксперименты Браттейна следовали за теориями Бардина, но иногда случалось и обратное: неожиданные результаты экспериментов становились стимулом для рождения новых теорий. В одном из экспериментов с германием ток, по-видимому, тек в направлении, обратном тому, которое они ожидали. Но коэффициент усиления по току был больше трехсот, что значительно превосходило все их предыдущие достижения. Из-за этого Браттейну и Бардину пришлось сыграть в старую шутливую игру физиков: они знали, что на практике этот подход работает, но могут ли они заставить его работать в теории? Вскоре Бардин придумал, как это можно сделать. Он понял, что отрицательная разность потенциалов уносит электроны, приводя к увеличению числа «электронных дырок». Дырка образуется там, где мог бы существовать электрон, но его там нет. Существование таких дырок вызывает поток электронов.

Была одна сложность: новый метод не позволял усиливать высокие частоты, включая частоты слышимого звука. И это делало его бесполезным для телефонов. Бардин предположил, что дело в капле воды или электролита. Поэтому он сразу предложил несколько других устройств. В одном из них место присоединения проводящей проволоки к германию находилось на крошечном расстоянии от золотой пластины, создающей поле. Напряжение повысить удалось, по крайней мере немного, и устройство работало на более высоких частотах. И опять у Бардина была наготове теория для этих, полученных с помощью шестого чувства, результатов: «Эксперимент подсказывает, что дырки перетекают на поверхность германия из пятнышка золота» ^[279] .

279

Bardeen, Semiconductor Research Leading to the Point Contact Transistor, нобелевская лекция.