История автоматических вычислителей: вычислители на транзисторах - часть 2

Лекция курса "Языки и методы программирования"
История автоматических вычислителей: вычислители на транзисторах - часть 2 (изобретение транзистора)
- Как работает транзистор
- Электрический ток в кристалле, дырочная проводимость, кристаллические проводники «n-типа» и «p-типа» переход «n-p»
- n-p-переход, диод n-p
- Транзистор n-p-n: твердотельный кристаллический переключатель, использующий эффект n-p-перехода
- Середина 20-го века: квантовая теория, 2-я Мировая Война, радары, высокие частоты
- Выпрямитель из оксида меди
- Квантовая революция
- Белл Лабз, предварительно
- Радары
- Высокие частоты
- Радары, игроки: Rad Lab, коммерческие компании
- Твердотельные усилители, игроки, гонка к транзистору
- Университет Пердью (США)
- Генрих Велкер и Герберт Матаре (Германия — Франция)
- Белл Лабз, Мюррей-Хилл (США)
- Уильям Брэдфорд Шокли
- Джон Бардин
- Уолтер Хаузер Браттейн
- 30 июня 1948: пресс-конференция с объявлением об изобретении транзистора (точечный транзистор)
- Плоскостной транзистор
- Снова Белл Лабз: Гордон Тил, Джон Литл, Морган Спаркс, n-p-n-сэндвич прямо в расплаве (готовый транзистор на монокристалле)
- General Electric: производство n-p-n транзисторов по технологии сплавления
- Texas Instruments: переход с германия на кремний
- Легирование кремния
- Интегральные схемы, фотолитография
- Гонка нанометров
- Вычислители на транзисторах
- Поколения электронных вычислителей
- Современная индустрия
- Итого: транзистор — новый универсальный строительный элемент

11 мая 2023 (ранние версии: весна 2022)

Transcript

1. Вычислители на транзисторах (твердотельные кристаллические электронные реле) часть-2: изобретение транзистора
2. • История реле, Крис Макдоналд, февраль 2022 dmkpress.com/catalog/ computer/hardware/97 8-5-97060-993-4/
3. Материалы • Transistors, How do they work? www.youtube.com/watch?v=7ukDKVHnac4 • How Does a Transistor Work? www.youtube.com/watch?v=IcrBqCFLHIY • Биполярный транзистор (Информационно- образовательный портал Hadros) www.youtube.com/watch?v=LgsdYwxSA_k
4. Материалы • Ютюб • Википедия • Хабр • Прочий Интернет
5. Как работает транзистор (финал)
6. Электрический ток в кристалле, дырочная проводимость, кристаллические проводники «n-типа» и «p-типа» переход «n-p»
7. • Электрический ток в металле: свободные электроны летят между атомов так, как им вздумается • Электрический ток в кристалле: свободные электроны просто так не летят
8. Кристалл кремния (Si) • Каждый атом — 4 валентных электрона • Каждый атом цепляет валентными электронами 4 других атома • Получается кристаллическая решетка, где все электроны между атомами при деле • Электрический ток НЕ ТЕЧЕТ • (аналогичная история с германием)
12. Кремний с примесью (n) • Фосфор (P): валентность 5 • Внедряется в кристалл кремния • Получаем «лишние» свободные электроны • Кристалл с такой примесью, дающей лишние электроны, — проводник n-типа
14. Кремний с примесью (p) • Бор (B): валентность 3 • Внедряется в кристалл кремния • Получаем структуру, в которой не хватает электронов • Места для недостающих электронов — дырки • Кристалл с такой примесью, дающей дырки на местах электронов, — проводник p-типа
18. n-p-переход • Свободные электроны из проводника n-типа перескакивают на вакантные места (заполняют дырки) проводника p-типа • Проводники должны находиться достаточно близко • (в идеале: являться одним кристаллом с двумя типами примесей)
22. Диод n-p
33. Транзистор n-p-n (твердотельный кристаллический переключатель, использующий эффект n-p-перехода)
50. Еще раз: • Тонкий слой p-типа между слоями n-типа — как тонкая заслонка внутри толстой трубы • Подача напряжения на слой p забирает из него отрицательные заряды (электроны) (заслонка открывается) — это даёт ход течению электронов между слоями n • Чем больше напряжение, тем больше электронов уходит со слоя p, тем сильнее открыта заслонка, тем сильнее течет основной ток • НО: эффект прохода через слой p происходит не только благодаря «открытию заслонки», но и благодаря тому, что электроны из первого слоя n разогнаны управляющим источником в тот момент, когда попадают в слой p
52. • В общем случае — плавное усиление • Можно свести к двум состояниям: вкл, выкл • Транзисторы определенного номинала можно объединять в цепочки так, что выходной сигнал одного будет контролировать состояние другого • Можно строить транзисторные цепочки, вычисляющие логические выражения, на логике — арифметику и т. п. (теорема Шэннона, полная аналогия с реле)
53. • Это был биполярный транзистор • Есть и другие виды электронных кристаллических транзисторов (например, полевые) • Принцип действия может отличаться, но смысл такой же: один электронный сигнал включает или выключает другой электронный сигнал • Физический механизм: тот или иной способ преодолеть n-p-переход
54. Итак (начало-середина 20-го века)
55. • Лампы: промышленное массовое производство • Кристаллы: любители, экспериментаторы, любители- экспериментаторы • Основная сфера применения — радио, широкое вещание • Кристаллы показывают явный потенциал, но имеют серьезные недостатки • С лампами всё работает ок и так • Потенциальный выигрыш в области широкого вещания, судя по всему, не достаточен для того, чтобы бросить ресурсы на разработку теории кристаллов в надежде исправить их недостатки
56. Середина 20-го века: квантовая теория, 2-я Мировая Война, радары, высокие частоты
57. Выпрямитель из оксида меди • 1920-е, Ларс Грондал • Открыл: если соединить диск из меди с диском из оксида меди, то в одну сторону ток потечет, в другую — не потечет • Это диод-выпрямитель в чистом виде • Но на этот раз — твердотельный • Простой, дешевый, надежный, в отличие от ламповых диодов • Надежный, предсказуемый, не требует ручной подстройки — в отличие от кристаллических диодов «кошачий ус» • Коммерческий хит, наладили производство
58. Квантовая революция
59. • 1890-е: Макс Планк — начало истории • 1920-е: Шрёдингер, Гейзенберг, Бор и ко — квантовая механика (обобщенная математическая платформа)
60. • 1930: Алан Уилсон — общая модель и принцип работы полупроводников: - энергетические зоны проводников, энергетические уровни электронов, влияние примесей на свойства проводимости, лишние электроны и дырки и т. п. - в т.ч. прыжок электрона через тонкий электрический барьер в материале - в целом, довольно правдоподобно, хотя были проблемы с описанием выпрямителя на оксиде меди • 1938: Невилл Мотт — объяснил принцип работы выпрямителя на оксиде меди
61. Белл Лабз, предварительно
62. • Диодом на оксиде меди заинтересовались в Bell System (в т.ч. телефония): • наладили производство (назвали варистором), • запустили процесс замены диодов на лампах на варисторы по всей системе (довольно быстро) • Следующий шаг — получить твердотельный переключатель и усилитель на замену электромеханическим реле (в коммутаторах) и лампам (телефоны, радио, радары и т. п.)
63. • 1936-й: исследовательский отдел в Белл Лабз, руководитель — Марвин Келли • Приоритет: целенаправленный поиск твердотельного усилителя • Приглашенный сотрудник (среди прочих): Уильям Шокли • Изучил работу Мотта (про диод на оксиде меди) • Захотел сделать усилитель по схеме: медь — сетка из оксида меди — оксид меди (по аналогии с электронными лампами) • Абсолютно безуспешно (еще ранее этот же эксперимент безуспешно пробовали другие сотрудники Белл Лабз)
64. • Далее война, работу по исследовательской программе заморозили • Марвин Келли возглавил рабочую группу по радарам
65. Радары
66. • Принцип действия: отражения радиосигнала от объекта • Появление — 1920-е годы (исследование природы) • На войне: обнаружение ночных налетов, наведение ПВО на суше и орудий на море, обнаружение подводных лодок, миниатюрные радары для снарядов и т. п. • Важная особенность: чтобы обнаруживать мелкие объекты (перископ подлодки), длина волны должна быть с ними соизмерима (сантиметры — микроволны) • (для радио и ранних версий радаров было достаточно длинных метровых волн)
67. Высокие частоты
71. Высокие частоты • Требуется новая аппаратура для работы с микроволнами (высокочастотные устройства): генератор и детектор • Генератор (магнетрон) — 1940, британские учёные (физики, Бирмингемский университет) • Детектор: не всё так просто
72. Высокие частоты • Детектор на лампах не годится — из-за особенностей физики (термоэлектронная эмиссия) не может переключаться достаточно быстро • Требуется найти новый переключатель с подходящими характеристиками на новом физическом принципе
73. Радары, игроки • Rad Lab — проект, лаборатория, в США, основана в 1940 в MIT • Работало множество ученых, выделяли значительные ресурсы • В 1940-м году британцы привезли в США и отдали все свои разработки в области полупроводников и радаров (в т.ч. магнетрон и кристаллические детекторы) • До конца войны так и не построили твердотельный усилитель • Но продвинулись в исследованиях и технологиях, • Результаты опубликовали
74. Радары, игроки • Коммерческие игроки — собственные программы: Bell, Westinghouse, Du Pont, Sylvania
75. Твердотельные усилители, игроки, гонка к транзистору
76. Университет Пердью (США) • Карл Ларк-Хоровиц — физик австрийского происхождения, руководитель группы • Начали работать с Rad Lab, после войны продолжили исследования • Фокус исследований — германий (по свойствам похож на кремний, но проще в работе) • 1947: Сеймур Бензер обнаружил высокочастотные колебания в кристалле германия • Ральф Брэй — изучал «объемное сопротивление»: импульс высокого напряжение уменьшает сопротивление кристалла в контактной точке выпрямления
77. • Оба явления (вероятно, аналогичной природы) — высокочастотные колебания и отрицательное сопротивление, — наблюдал Олег Лосев в кристалле цинкита (оксид цинка) • Природа отрицательного сопротивления (по Макдоналду): высоковольтный разряд выбивает в структуре германия электронные дырки, через которые может проходить дополнительный ток • Бензер и Брэй подошли близко к изобретению германиевого транзистора, но в тот момент еще не поняли этого • Их цель была в большей степени исследование свойств материала, а не постройка конечного устройства
78. Генрих Велкер и Герберт Матаре (Германия — Франция) • Во время войны работали на фашистскую Германию над выпрямителями на основе кремния и германия • После войны попали в руки американцев • В 1946-м году продолжили работу в Париже по контракту с французским телефонным управлением по созданию твердотельного выпрямителя • Июнь 1948: на основе опытов с «двойным кошачьим усом» и технологии выращивания чистых кристаллов германия построили работающий усилитель
80. • Матаре считал, что принцип работы — дырочная проводимость в районе 2-го контакта • Велкер считал, что дело в некотором полевом эффекте • Не успели довести до ума ни устройство, ни теорию, т. к. узнали, что американцы построили германиевый усилитель с двумя точечными контактами на 6 месяцев раньше...
81. Белл Лабз, Мюррей-Хилл (США) • После войны: Мервин Келли реформировал исследовательскую группу по полупроводникам • Поставил во главе Уильяма Шокли • Шокли посетил другую рабочую группу Белл Лабз в Холмделе (Джордж Саутворт и Рассел Ол) • Группа занималась работой над усилителем еще до войны • Рассел Ол вспомнил про кристаллические усилители и «кошачий ус», сумел построить на основе «кошачьего уса» и аккумулятора грубый усилитель («дезистер»), но эффект был ненадежный • Тем не менее, эффект убедил Шокли в перспективности исследования кремния и германия, отказавшись от оксида меди
82. Уильям Брэдфорд Шокли (1910 — 1989) • ru.wikipedia.org/wiki/Шокли,_Уильям_Брэдфорд • Американский физик
84. Джон Бардин (1908 — 1991) • ru.wikipedia.org/wiki/Бардин,_Джон • Американский физик
86. Уолтер Хаузер Браттейн (1902 — 1987) • ru.wikipedia.org/wiki/Браттейн,_Уолтер_Хаузер • Американский физик
88. • Новая рабочая группа под руководством Шокли: • Уолтер Браттейн (работал в группе Келли с Шокли до войны, помогал Шокли в первых попытках построить транзистор) • Джон Бардин — молодой физик, новый сотрудник • 1947: первые успехи с кремнием и ионизированной жидкостью (электролит), помещенной между металлической пластиной и полупроводником (эффект слабый) • После ряда экспериментов перешли на германий (кристаллы по технологии Пердью), получили сильный эффект усиления • (хотя и не в том виде, в каком ожидали — ток потек в противоположном направлении, но потек)
89. • Доработали конструкцию, отказались от жидкости (не пригодилась) • Получили работающий усилитель с сильным эффектом (напряжение — в 100 раз) с двойным точечным контактом (двойной кошачий ус) • Джон Пирс (еще один сотрудник) придумал название новому устройству — транзистор • (в основе названия — предыдущий выпрямитель «варистор») • 6 месяцев держали в секрете • 30 июня 1948: объявили об изобретении на пресс- конференции
97. Здесь (по Макдоналду) • Треугольный кусок пластика обмотан золотой фольгой с разрезом на остром конце • Конец с разрезом прижат пружиной к кристаллу германия — это двойной контакт • Расстояние между краями разреза — 0.05 мм
98. • По результатам пресс-конференции Шокли (как руководитель группы) получил дозу славы наравне с Браттейном и Бардиным • Но (по ряду причин) он захотел большего — чтобы патент оформили полностью на него • Но (по ряду причин) достиг обратного: Белл Лабз решила включить в патент только Браттейна и Бардина • В результате конфликта Браттейн и Бардин ушли из Белл Лабз • Позднее оттуда ушел и Шокли • Далее Шокли пытался заниматься бизнесом в области полупроводников, но к успеху не пришел
99. • 1956 г.: Нобелевская премия «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта» — Шокли, Браттейн, Бардин • «Транзистор во многом превосходит радиолампы», – отметил Е.Г. Рудберг, член Шведской королевской академии наук, при презентации лауреатов. Указав, что транзисторы значительно меньше электронных ламп и в отличие от последних не нуждаются в электрическом токе для накала нити, Рудберг добавил, что «для акустических приборов, вычислительных машин, телефонных станций и многого другого требуется именно такое устройство». www.nobeliat.ru/laureat.php?id=543
100. Это получился точечный транзистор • Давал стабильный усиливающий эффект • Подготовили и наладили серийное производство • Производили и использовали несколько лет • Конструкция мягко говоря довольно громоздкая • С теоретическим обоснованием получше, чем в начале века, но полной ясности всё еще нет • Как и в случае с кристадином (осциллирующими кристаллами) Лосева, полная теория точечных транзисторов не была разработана (todo: фактчек, утверждение из википедии)
101. Итак (середина 20-го века) • В очередной раз изобрели твердотельный кристаллический усилитель • Успех (в очередной раз) зафиксировали в прессе • Есть серийное производство • Конструкция всё еще далека от идеала (чем-то напоминает «кошачий» ус) • Еще на этапе разработки и исследований работа шла над другим типом усилителя — плоскостным (биполярным) транзистором
102. Плоскостной транзистор
103. Снова Белл Лабз • Еще одна команда: Гордон Тил, Джон Литл, Морган Спаркс • 1949: Разработали технологию контролируемого выращивания кристаллов германия очень высокого качества — с непрерывной кристаллической решеткой • Добавляя в расплав примеси, стали получать германий p-типа и n-типа • Научились выращивать n-p-n-сэндвич прямо в расплаве (т. е. получать готовый транзистор на монокристалле) • (транизстор как n-p-n-сэндвич описал в записках Шокли, когда ушел из Белл Лабз, не очень ясно, было ли известно этой группе о них — TODO) • 1951: новый пресс-релиз Белл Лабз
105. General Electric • 1952: производство n-p-n транзисторов по технологии сплавления • Результат дешевле и лучше по ряду характеристик, • в моменте оказался более успешен • Но исторически (по сравнению с монокристаллом) — шаг назад
107. Texas Instruments • 1953: Гордон Тил перешел из Белл Лабз в TI и принес с собой технологии (монокристаллы?) • (TI ранее производила оборудования для добычи нефти, но во время войны открыла подразделение электроники) • Перешли с германия на кремний • (т. к. германий теряет свойства при 77 градусах С) • (кремниевые транзисторы работали в кипящем масле)
108. Легирование кремния • 1955: Белл Лабз • Раньше добавки: шарики в расплав • С новой техникой: газообразные добавки в твердую поверхность (термодиффузия) • Серийное производство: легировали большую плиту кремния, потом резали на отдельные транзисторы • Транзистор здесь — отдельное (дискретное) устройство: кристалл внутри корпуса с контактными ножками
111. Интегральные схемы
112. • 1959: Фотолитография — управление расположением примесей • Планарная технология — химическое осаждение металлических пленок: возможность рисовать контактные дорожки • Fairchild Semiconductor, Texas Instruments • Легирование + фотолитография + планарная технология — возможность рисовать множество транзисторов, соединенных в цепь, на одном кристалле • «Рисовать» нужно не только транзисторы, но и, к примеру, сопротивления • 1960: транзисторы на полевом эффекте, Белл Лабз
113. Гонка нанометров • «Закон» Мура • Пункт назначения — современная индустрия • Белл Лабз ушла со сцены • IBM осталась • Новые игроки тоже появились • Но с каждым годом всё меньше (монополизация в действии)
117. Вычислители на транзисторах
118. • 1950: А. Брук (СССР) принял решение использовать твердотельные диоды (не транзисторы) на оксиде меди вместо ламп для отдельных элементов логики проекта вычислителя «М-1» • Один конструкционных блоков (разряд) содержал 22 радиолампы, из них 16 — диоды (их можно заменить), еще 6 остаются лампы • Такая замена позволила существенно сократить размеры машины, её надежность и т. п. • По результатам успешных испытаний Брук заявил: «Это прорыв, триумф! Это первый шаг, который откроет путь для каждого инженера иметь цифровую вычислительную машину на своём рабочем месте!..»
119. • 1954: TRADIC, Белл Лабз построил для ВВС США • 1956: TX-0, MIT — в рамках проекта ПВО • 1959: компьютер на транзисторах от IBM • ...
120. Поколения электронных вычислителей • Электронные лампы • Дискретные транзисторы • Интегральные схемы — множество транзисторов на одном кристалле
121. Современная индустрия • Основные игроки: пересчитать по пальцам, на каждой итерации всё меньше • Маски ASML (голландцы, без них ни один завод не сделает) • Миниатюризация дошла до предела, маркетологи выкручиваются, как могут • Разделение труда: производство vs проектирование (фаблесс- компании) • Языки описания аппаратного обеспечения (HDL: Верилог, VHDL) • и т.п.
122. Итого
123. • Практическое применение кристаллов для нужд электроники долгие годы (десятки лет) не имело теоретического фундамента • Люди наблюдали эффекты, проводили более или менее подробные эмпирические исследования, пытались строить устройства на них • Но не могли их объяснить с позиций науки конца 19-го — начала (и первой половины) 20-го века
124. • Это уже являлось серьезным препятствием к развитию приборов, которые пытались строить на этих эффектах • То, что получалось сделать «наощупь», работало крайне капризно и ненадежно • А делать целенаправленные осмысленные шаги по улучшению прибора без теоретического фундамента уже совсем нелегко
125. • Общественно-экономический запрос на появление твердотельной электроники был и довольно сильный (военные — радары, гражданка — радио, телефон и т. п.) • Появление теоретического фундамента (квантовая теория электрического поля, электрон — квант электрического поля и т. п.) и большие вливания в исследования и технологии изготовления материалов полупроводников открыли дорогу для развития этого направления
126. • Но даже с научным фундаментом и ресурсами государств и крупнейших корпораций исследователи годами шли к результату • Так или иначе, после ряда ключевых открытий и накопления критической массы знаний и технологий, развитие пошло «семимильными шагами» • Экономика обеспечила ресурсы для роста вширь (разнообразие) и вглубь (миниатюризация — «закон» Мура)
127. • Транзистор теперь — новый универсальный строительный элемент • (на этот раз, действительно, по всем фронтам объективно лучше, чем электромеханические реле и электронные лампы) • Благодаря режиму вкл/выкл и возможности сделать так, чтобы один транзистор включал-выключал другой, — новая основа («мозговая клетка») для вычислительной техники
128. • Механика, реле — любители, инженеры, одиночки в полудомашних условиях • Лампы — инженеры с подготовкой, техническое оснащение для производства, материальная база • Кристаллы на ранних этапах — доступны любителям и индивидуальным экспериментаторам • Транзисторы — ученые со специальным образованием, ресурсы — крупнейшие корпорации и лаборатории с подсосом от государства • Современная полупроводниковая промышленность — могут позволить единичные государства