Duma, uprzedzenie i tranzystor

Do cholery! Tej chwały wystarczy dla wszystkich!
Walter Brattain

Latem 1948 roku w wielu amerykańskich gazetach znalazło się miejsce na wzmiankę o innowacyjnym urządzeniu, zaprezentowanym przez pracowników Laboratoriów Bella w New Jersey. Był to półprzewodnikowy element elektroniczny, służący do przełączania lub wzmacniania sygnałów elektrycznych. Brzmi niepozornie, ale tranzystor – jak go nazwano – rozpoczął techniczną rewolucję, bez której nie czytalibyście tych słów na ekranach swoich komputerów czy smartfonów.

Notkom prasowym opisującym prezentację pierwszego tranzystora, towarzyszyła fotografia, która przeszła do historii nauki.

Bardeen, Brattain i Shockley — Okładka (nieistniejącego już) czasopisma *Electronics* z września 1948 roku.

Scenka została wyreżyserowana podczas sesji zdjęciowej, zleconej przez ośrodek badawczy jako część starannie zaplanowanej akcji marketingowej.

Mężczyzna siedzący na krześle w centrum kadru to William Shockley. Pragnąc zostać uwieczniony jako “mózg” całego przedsięwzięcia, Shockley bez pytania usadowił się przy cudzym biurku, entuzjastycznie pozując ze sprzętem, na którym nigdy wcześniej nie pracował. W rzeczywistości warsztat należał do sterczących za nim Johna Bardeena i Waltera Brattaina, usiłujących robić dobrą minę do złej gry.

Drażliwy geniusz

Cofnijmy się o kilka lat. Jeszcze przed zakończeniem II wojny światowej, w Laboratoriach Bella zawiązano elitarną grupę badawczą, w skład której mieli wejść najlepsi dostępni fizycy, chemicy, matematycy oraz inżynierowie. Zadaniem zespołu było znalezienie tańszego i mniejszego zamiennika dla lampy próżniowej – powszechnego elementu ówczesnej elektroniki, wykorzystywanego do kontrolowania przepływu prądu.

Żeby zrozumieć, dlaczego świat potrzebował tego zastępstwa, wystarczy spojrzeć na gabaryty pierwszych komputerów. Dla przykładu najbardziej znany ENIAC zajmował salę o powierzchni 167 m² i ważył 27 ton. Cielsko maszyny tworzyły 42 blaszane szafy wypełnione 18 tysiącami energochłonnych lamp próżniowych. Wszystko tylko po to, aby uzyskać promil mocy obliczeniowej mikroczipu współczesnego iPhone’a.

Programistki konfigurujące tablice funkcji dla ENIAC-a. Komputer działał na Uniwersytecie Pensylwanii od 1945 roku, początkowo wykorzystywany do obliczeń balistycznych.

Misję zrewolucjonizowania elektroniki złożono w rękach utalentowanego, choć uchodzącego za ekscentrycznego i niespecjalnie sympatycznego Williama Shockleya.

O usposobieniu uczonego wiele mówiła jego obsesja na punkcie ilorazu inteligencji. Fizyk uwielbiał dyskutować o istocie intelektu, poddawać swoich podwładnych testom IQ i rzecz jasna przechwalać się ponadprzeciętnymi zdolnościami własnego umysłu. Niewykluczone, że był to objaw kompleksu wyniesionego z młodości. Jako brzdąc William został zaprowadzony przez rodziców przed oblicze psychologa Lewisa Termana z Uniwersytetu Stanforda. Terman testował inteligencję zdolnych dzieciaków, dążąc do wyselekcjonowania grupy potencjalnych geniuszy, aby przez kolejne lata monitorować ich rozwój i osiągnięcia. (Swoją drogą wnioski płynące z badania Genetic Studies of Genius zasługują na osobne omówienie).

Ostatecznie do eksperymentu zakwalifikowano 1528 chłopców i dziewczynek. Mały William wyróżniał się na tle większości rówieśników, jednak nie przekroczył bardzo wyśrubowanego progu, ustanowionego przez Termana. Chorobliwie ambitny Shockley chyba nigdy do końca się z tym wynikiem nie pogodził. Całkiem niepotrzebnie, bo jak pokazały późniejsze wydarzenia, Lewis Terman miał pod nosem dwóch przyszłych noblistów – i obu wykluczył. Jednym był fizyk jądrowy Luis Alvarez, a drugim… nasz bohater.

Chociaż odmówiono mu miana geniusza, Shockley postanowił zostać naukowcem. Bez trudu skończył fizykę na Caltechu, zrobił doktorat na MIT i w 1936 roku trafił do Bell Labs, gdzie szybko awansował. Oddano mu sporo władzy, ponieważ, pomijając specyficzny urok teoretyka, doskonale znał się na swoje dziedzinie i miał pomysł, jak wykorzystać najnowsze osiągnięcia fizyki półprzewodników do zastąpienia lamp próżniowych.

Dodatek: krótko o półprzewodnikach

Kiedy przyjrzymy się z bliska strukturze czystego krzemu, zauważymy, że jest ona bardzo uporządkowana. Każdy atom posiada cztery elektrony walencyjne i tworzy cztery wiązania z sąsiednimi atomami, tworząc stabilny i niechętny do przewodzenia elektryczności kryształ. Wystarczy jednak wnieść do układu nieco chaosu, przez wprowadzenie gdzieniegdzie obcych atomów, aby pojawiły się wolne ładunki, a materiał zyskał na przewodności. Do zanieczyszczenia krzemu można użyć np. domieszki fosforu z pięcioma elektronami walencyjnymi (dostaniemy dodatkowy swobodny ujemny ładunek) lub bor z trzema elektronami walencyjnymi (wtedy otrzymamy “dziurę elektronową”, działającą jak ładunek dodatni). W pierwszym przypadku mówimy o półprzewodniku typu N, w drugim o typie P. Kombinując umiejętnie z łączeniem warstw P i N możemy skonstruować diodę lub (jak się zaraz okaże) tranzystor.

Uczony sądził, że do zmianę właściwości półprzewodnika można osiągnąć, wykorzystując zewnętrzne pole elektryczne. Jego zdaniem wystarczyłoby postawić kawałek krzemu lub germanu blisko naładowanej płytki, aby część elektronów została przyciągnięta w kierunku powierzchni, pozwalając na przepływ prądu. Przykładanie niedużego impulsu do półprzewodnika tworzyłoby więc rodzaj sprytnego przełącznika lub wzmacniacza sygnału.

Pierwszy prototyp w postaci pokrytego krzemem małego cylindra z przystawioną blaszką, w ogóle jednak nie zadziałał. Co gorsza, Shockley nie miał zielonego pojęcia dlaczego.

Milczący John i Zręczny Walter

Kilka miesięcy później wyjaśnienie znalazł inny teoretyk, John Bardeen. Formalnie podlegał on Shockleyowi, ale bynajmniej nie był od niego mniej uzdolniony (ciekawostka: w przyszłości zostanie pierwszym i jedynym jak dotąd uczonym wyróżnionym dwiema Nagrodami Nobla w dziedzinie fizyki). Niestety często brakowało mu siły przebicia. Otrzymał od kolegów przydomek “Milczącego Johna”, co dobrze podkreślało kontrast względem wygadanego i nieznoszącego sprzeciwu przełożonego.

Bardeen zrozumiał, że ładunki wabione ku powierzchni półprzewodnika, zostają w tej powierzchni uwięzione, tworząc barierę dla zewnętrznego pola elektrycznego i tak naprawdę blokując przepływ prądu (oczywiście mówimy o szalenie złożonych zjawiskach kwantowych, z których wyewoluowała osobna teoria stanów powierzchniowych). Pragnąc stworzyć lepszą konstrukcję, Bardeen wszedł w komitywę z najbardziej doświadczonym fizykiem eksperymentalnym w zespole, Walterem Brattainem. Szybko znaleźli wspólny język, zawiązując wręcz modelową współpracę teoretyka z praktykiem, gdzie ten pierwszy podsuwał możliwe rozwiązania, a drugi znajdował błyskotliwe sposoby na ich testowanie.

Teoretyk John Bardeen i doświadczalnik Walter Brattain.

Po wielu wzlotach i upadkach 16 grudnia 1947 roku duet skonstruował wreszcie model, który zdawał się działać. Było to szkaradne urządzenie. Składało się z plastikowego klina, dociśniętego wierzchołkiem przy pomocy sprężyny do półprzewodnika, którego rolę odgrywał kawałek germanu. Na krawędzi klina przyklejono złotą folię, którą ostrożnie nacięto brzytwą. Precyzja była bardzo istotna. W czasie prac teoretycznych Berdeen obliczył, że jeśli uda się rozmieścić dwa złącza (tutaj w formie fragmentów złotej folii), tak żeby dotykały półprzewodnika i jednocześnie znajdowały się w odległości 5 setnych milimetra od siebie, powinno dojść do wzmocnienia przepływającego sygnału.

Pierwszy działający prototyp tranzystora, nazywany później tranzystorem punktowo-stykowym lub ostrzowym. Nie miał zbyt długiej kariery i w zasadzie po zakończeniu lat 50. nigdzie go nie stosowano. Niemniej wszystko zaczęło się od tego urządzenia.

Wreszcie osiągnięto pełny sukces. Po przepuszczeniu przez ustrojstwo sygnał wyjściowy uzyskiwał 15-procentowy wzrost napięcia. Brattain określił tę próbę “najważniejszym eksperymentem, jaki przeprowadził w swoim życiu”. Z kolei Milczący John, po powrocie do domu, wspomniał tylko gotującej obiad żonie, że chyba “odkryli coś ważnego”.

Schematyczne ujęcie działania tranzystora Bardeena i Brattaina. Na krawędzi umieszczona była złota folia, przecięta na samym wierzchołku klina.

Tydzień później, tuż przed Świętami Bożego Narodzenia, dumni odkrywcy zorganizowali wewnętrzną prezentację dla kierownictwa i personelu Laboratoriów Bella. Zademonstrowali jak ich półprzewodnikowy wzmacniacz (nazwa “tranzystor” jeszcze nie istniała) może posłużyć w komunikacji, do podkręcenia głośności w słuchawce telefonicznej. Wszyscy byli zachwyceni. No, prawie wszyscy.

Odrobina splendoru

Znamy szczegóły tamtych wydarzeń bardzo dobrze, ponieważ poza skrupulatnie prowadzonym dziennikiem laboratoryjnym, każdy z uczonych pozostawił po sobie spisane wspomnienia i multum wywiadów. William Shockley nawet nie ukrywał, że widząc sprawny wynalazek swoich pracowników, poczuł potężną frustrację. Pracował nad półprzewodnikami od wielu lat i nigdy nie dopuszczał do siebie myśli, że przełomu w tej dziedzinie ostatecznie dokona ktoś inny. Bardeena i Brattaina traktował niemal jak spiskowców, dając im odczuć, że zachowali się karygodnie, nie zasięgając jego opinii i nie raportując mu zawczasu o każdym postępie.

Pierwsza strona notatek Brattaina z grudnia 1947 roku.

Prawdziwe piekło rozpętało się w momencie składania wniosków patentowych. Shockley skontaktował się ze swoimi podwładnymi, przekonując ich (i samego siebie), że to jego prace teoretyczne stanowiły klucz do sukcesu. Nie tylko zażądał wymienienia swojego nazwiska wśród autorów wynalazku, ale wręcz sugerował, że powinno ono zostać wpisane na pierwszym miejscu. Doszło do otwartej kłótni. Brattainowi po raz pierwszy puściły nerwy i wrzasnął na kierownika: “Do cholery, Shockley! Tej chwały wystarczy dla wszystkich”!

Pamiętam jak zadzwonił do Bardeena i do mnie, krótko po naszym pokazie i powiedział nam, że czasami ludzie, którzy wykonują ważną pracę, nie otrzymują za nią uznania. Zasugerował wtedy, że mógłby złożyć wniosek patentowy, zaczynając od efektu polowego i jego znaczenia, dla całej tej cholernej sprawy.
Walter Brattain w wywiadzie z 1974 roku

Zarząd Bell Labs podjął próbę pogodzenia swoich naukowców, zezwalając na zgłoszenie dwóch wniosków. Bardeen i Brattain mieli zostać formalnie wynalazcami konstrukcji punktowo-stykowej, zaś Shockley twórcą efektu polowego, który mimo falstartu posiadał potencjał i mógłby zostać wykorzystany w tranzystorach kolejnych generacji.

Jednak pech nie opuszczał Shockleya. Po złożeniu dokumentów okazało się, że bliźniaczy pomysł półprzewodnikowego wzmacniacza polowego został zarejestrowany w Europie już przed wojną. Amerykanina wyprzedził nieznany mu profesor Uniwersytetu w Lipsku, urodzony we Lwowie Julius Lilienfeld.

Złącza zamiast styków

Obrażony na cały świat Shockley kompletnie odseparował się od zespołu. Czy mu się to podobało, czy nie, jego koledzy już przeszli do historii, a jeżeli chciał do nich dołączyć, musiał zaproponować coś równie innowacyjnego. I to szybko. Już w sylwestra rozpoczął intensywną, całkowicie samodzielną pracę nad nową wersją urządzenia. Podrażniona ambicja zrobiła swoje: w zaledwie trzy tygodnie teoretyk wymyślił nową, trójwarstwową konstrukcję półprzewodnikową, pod każdym względem lepszą od konfiguracji punktowo-stykowej.

Tym razem Shockley miał rację. Urządzenie Bardeena i Brattaina nadal stanowiło punkt zwrotny w dziejach nauki (wreszcie działało), ale z uwagi na swoją toporność miało ograniczone zastosowanie w przemyśle. Struktura z dwiema elektrodami wbitymi w półprzewodnik była trudna w miniaturyzacji, awaryjna i droga w masowej produkcji. Krótko mówiąc, nie stanowiła praktycznego skoku jakościowego względem lamp próżniowych.

Shockley zaproponował prostszy model, przypominający kanapkę. Składał się on z dwóch warstw germanu z domieszkami, zapewniającymi nadmiar elektronów, pomiędzy które wciśnięto węższy plaster germanu, tym razem domieszkowanego tak, aby zawierał dziury elektronowe. (Jeśli nie pominęliście zamieszczonej wcześniej ramki, wiecie już, że mamy do czynienia z układem trzech półprzewodników NPN). Fizyk zrozumiał, że przykładając niewielkie napięcie do środkowej warstwy (fachowo: obszaru bazy), będzie można manipulować prądem przepływającym przez urządzenie.

W tranzystorze NPN mamy dwie warstwy półprzewodnika o zwiększonej liczbie ładunków ujemnych (zielone) przedzielone węższą warstwą o nadmiarowej licznie ładunków dodatnich (czerwona). Na złączach warstw powstają obszary zubożone, o zmniejszonej liczbie nośników. Przykładając odpowiednie napięcie do środkowej warstwy i “wstrzykując” do niej nieco nośników, możemy zmieniać szerokość obszaru zubożonego i manipulować przepływem prądu.

Uczony początkowo nie zamierzał ujawniać swojego odkrycia od razu, woląc je porządnie dopracować. Nie mógł jednak czekać zbyt długo. Słuchając jednego z wystąpień Bardeena, zorientował się, że jego kolega podąża podobną ścieżką i wkrótce wpadnie na ten sam pomysł. Już w lutym Shockley wrócił do biura, oznajmiając zaskoczonym współpracownikom, że ma nowy projekt wzmacniacza złączowego. Tym razem to Bardeen i Brattain mieli pretensje o to, że kierownik w ogóle nie raczył ich poinformować o swoich postępach.

William Shockley — Shockley objaśnia budowę swojego wynalazku w czerwcu 1948 roku

Dla Shockleya to było jednak już nieważne. Otrzymał własny patent i potwierdzenie, że jednak ma w sobie coś z geniusza.

Trzy Noble

30 czerwca 1948 roku Laboratoria Bella zorganizowały konferencję prasową, oznajmiając mediom początek ery tranzystorów. Nazwę wynalazku wymyślił inny pracownik ośrodka – fizyk, ale też utalentowany muzyk i pisarz science fiction – John R. Pierce. Jak wspominał po latach, słowo “tranzystor” miało uwypuklać zjawisko transrezystancji (zmian w oporze elektrycznym) i współgrać z nazwami innych podzespołów elektronicznych, jak warystor czy termistor. Co najważniejsze dla dziennikarzy, termin ten był znacznie milszy dla ucha niż trioda półprzewodnikowa czy urządzenie stykowo-punktowe.

Niesamowicie proste urządzenie, zdolne do wydajnego wykonywania niemal wszystkich funkcji zwykłej lampy próżniowej, zaprezentowano wczoraj po raz pierwszy w Bell Labs, gdzie zostało wynalezione. Urządzenie znane jako tranzystor zostało oparte o zupełnie nowe zjawisko fizyczne, odkryte przez Laboratoria w trakcie badań podstawowych nad właściwościami elektrycznymi ciał stałych.
Początek informacji prasowej wystosowanej przez Bell Labs 1 lipca 1948 roku.

Archiwalny film dokumentalny na temat działania i przyszłości tranzystorów z 1953 roku.

Na miejsce oficjalnej sesji zdjęciowej wybrano pracownię Brattaina. Zapewne dlatego, że zagracony warsztat eksperymentatora bardziej przemawia do wyobraźni niż nudne gabinety teoretyków. Shockley rzadko odwiedzał to miejsce, ale bez zażenowania od razu zajął jedyne krzesło, pozując z mikroskopem, z którego nigdy wcześniej nie korzystał. Bardeen i Brattain mogli jedynie stanąć z boku i biernie przyglądać się, jak kierownik ściąga na siebie całą uwagę. “Walter nienawidził tego zdjęcia” – opowiadał później Bardeen – “To był jego sprzęt i nasz eksperyment, a Bill nie miał z tym nic wspólnego”.

Inne ujęcie pochodzące z pamiętnej sesji.

Niedługo później każdy z fizyków poszedł w swoją stronę. Walter Brattain pozostał w placówce, przenosząc się jednak do osobnej grupy badającej efekt tranzystorowy. John Bardeen przestał milczeć i otwarcie zakomunikował zarządowi, że praca z aroganckim Shockleyem jest nie do zniesienia. Trzy lata później przyjął stanowisko na Uniwersytecie Illinois, gdzie zmienił swoje zainteresowania z półprzewodników na nadprzewodniki. (Z wielkimi sukcesami. Wraz z Leonem Cooperem i Johnem Schriefferem sformułowali pierwszy kompleksowy opis nadprzewodnictwa, znany jako teoria BCS).

Sam Shockley odszedł niedługo później, próbując swoich sił na rynku komercyjnym. Spółka Shockley Semiconductor Laboratory uosabiała konfliktowy charakter swojego prezesa. Atmosfera była tak toksyczna, że po kilku latach grupka najzdolniejszych pracowników – nazwanych później “zdradziecką ósemką” – złożyła wypowiedzenia, zakładając własne firmy. Były wśród nich takie osoby jak wynalazca procesu planarnego Jean Hoerni, czy założyciele Intela Robert Noyce i Gordon Moore. W ten sposób Shockley sam sobie zbudował konkurencję, niechcący przyczyniając się do narodzin Doliny Krzemowej.

Tranzystor 2N696 — Pomysłowa instalacja artystyczna w pobliżu byłej siedziby *Shockley Semiconductor Laboratory*, uważanej czasem za miejsce powstania Doliny Krzemowej. Na pierwszym planie tranzystor typu 2N696.

Jego własna firma, inwestując w serię nietrafionych projektów, zbankrutowała w 1968 roku. Nie zniósł tego najlepiej. Niemal porzucił półprzewodniki, wracając do swojej obsesji na punkcie IQ. Z czasem poglądy Shockleya ewoluowały w bardzo mrocznym kierunku. Choć nigdy nie prowadził badań z zakresu biologii, zaangażował się w działania Fundacji Badań i Edukacji w Zakresie Eugeniki i Dysgeniki (FREED), promującej m.in. dobrowolną sterylizację czarnoskórych kobiet za pieniężną rekompensatę.

Bardeen, Brattain i Shockley spotkali się osobiście ponownie w 1956 roku na uroczystości w Sztokholmie, gdzie odebrali wspólną Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za wkład w badania nad półprzewodnikami i odkrycie efektu tranzystorowego.