Всего лишь 1 атом на 10 миллионов меняет всё. Нет его — и перед вами бесполезный кусок плохого изолятора, несколько лишних — и это уже плохой проводник.

Кремний. Сам по себе — ни то ни сё, ни рыба ни мясо. Он не проводит ток, как медь, но и не изолирует, как резина.
Всего лишь один лишний атом на 10 миллионов. Один атом фосфора или один атом бора, превращают его в героя этого подкаста.
Мы говорим о транзисторе. На сегодняшний день их произведено.. Десять сикстиллионов штук. Это число с 22 нулями. На каждого живущего человека сегодня приходится 1 трилн транзисторов. Немыслимо. Это сравнимо с числом звёзд в наблюдаемой Вселенной.
Они в телефонах, в часах, в умных, да на самом деле в любых колонках, компьютерах, автомобилях, самолётах, ракетах, медицинском оборудовании, лифтах, брелках для авто, детских игрушках

Так в айфон15 их 19 млрд, в тойоте камри — 10, в Марсоход Curiosity - 10 млн, в блютуз наушниках — 500 млн.
Всё потому, что транзисторы умеют считать. Нолики, единички. И один транзистор — это ноль без единички, а несколько тысяч — уже компьютер.
Но началось всё больше ста лет назад с попытки усилить телефонный сигнал.
У инженеров того времени была очень практическая задача — усилить затухающий электрический сигнал.
Голос через провод передаётся в виде электромагнитной волны, которая повторят форму звуковой волны человеческого голоса. И это сильно отличается от телеграфа, где в линии либо есть сигнал, либо нет. Такая волна затухает на расстоянии нескольких десятков километров — и разобрать после этого слова уже невозможно.
Поэтому первые телефонные линии — это просто медная проволока между телефонами, находящимися на расстоянии нескольких киллометров.
Рекорд 80-х годов 19-го века — это 300км между Бостоном и НьюЙорком. Но качество было отвратительным.

Однако телефон был слишком хорош, чтобы ограничиться соседними городишками. AT&T тогда мечтала он трансконтинентальных линиях через всю Америку.

Первое, что можно было сделать - проложить кабель потолще. Сигнал затухает из-за сопротивления кабеля. А чем кабель толще, тем меньше сопротивление. Ну это как с водой — чем толще труба, тем легче течёт вода.
Потом были электромеханические усилители. Подобные уже исопльзовались в телеграфе. Тут их улучшили для телефона — поставили мембрану и насыпали угольного прошка. Ослабевший сигнал дёргал мембрану, он давила на порошок и меняла его плотность — то больше, то меньше. А у угольного порошка есть такое прикольное свойство — в зависимости от плотности меняется и его электрическое сопротивление. Поэтому если через него пропустить сильный ток, то на него будет накладываться движение порошка, то есть движение мембарны, то есть изнчальный сигнал, который эту мембрану и двигает.
Тут на самом деле сокрыт очень важный момент. Так работают вообще все усилители сигналов: с помощью слабого сигнала мы управляем сильным током и как бы делаем его похожим по форме на изначальный слабый сигнал. Это называется модуляция.
То есть мы слабым усилием создаём сильное влияние. Ну это как булыжник столкнуть с горы— мы приложили мало сил, а эффект — огого.
Так сигнал можно было передать на сотни километров.
Ну вот и всё? Хорошо же?!
Ну нет. Проблема с механикой в том, что во-первых, она стареет и изнашивается: соединения ломаются, порошок слёживался, мембраны теряли упругость.
Во-вторых, подмешивалось много шумов: вибрации, ход мембраны, шорох порошка. С каждой станцией звук становился намного хуже.
А в-третьих, механика не успевает за высокочастотным сигналом, потому что обладает инерцией. И в итоге высокие частоты голоса срезаются, потому что механика не успевает так часто вибирировать. а для распознания голоса это критически важно.
В общем, жизнь телефонистов была безбедная, но уж очень нервная.
До появления вакуумной лампы
Это вообще что? А это тот самый тёплый ламповый звук аудиофилов.
Вот только он не тёплый, он горячий, просто раскалённый. Это же по сути почти обычная лампа накаливания — вольфрамовая нить разогрета до нескольких сотен градусов.
Вакуумной она называется, потому что внутри лампы очень высокий вакуум — давление там в миллиард раз меньше, чем атмосферное, которое окружает нас.
И зачем?

А дело в том, что металл при значительном нагреве начинает испускать электроны. То есть нить накаливания разгоревает металлическую проволоку – элеткрод и затсавляет его атомы излучать электроны. Этот электрод называется катод. В лампе есть ещё один электрод— анод. И вот если на анод подать плюс, то электроны начинают лететь именно к нему — ток течёт, то есть очень много, целый поток электронов летит от катода к аноду. А вакуум нужен, чтобы элетроничики не сталкивались с атомами газам и не отскакивали.
И вдруг в 1906-м году американский изобретатель Ли де Форест задал себе вопрос — а что если добавить третий электрод - тонкую сетку и подать на неё слабый ток. Будет весело?
И вот если на сетке будет слабый плюс, то он усиливает испускание электронов, потому что дополнительно к аноду притягивает их. А если подать туда слабый минус, то он начинает отталкивать электроны и до анода долетает меньше.
Кайф.
А что если плавно менять напряжение на сетке?
Внезапно так же плавно будет изменяться электронный ток от катода к аноду.
Получается, что если на сетку завести слабый сигнал. То он будет создавать сильный ток точно такой же формы.
Только он будет намного сильнее
Воаля.
То же самое, что мы получали с помощью механического усилителя пару десятилетий назад. Только намного чище и надёжнее — в лампах нет движущихся частей и они значительно меньше подвержены вибрациям.
В 1915 году АТНТ запустила первую телефонную линию, соединившую побережья.
Александр Грэм Белл снял трубку в Нью-Йорке, а его помощник Уотсон в СанФранциско.
И Бел повторил ту же фразу, что он говорил 40 лет назад Уотсону.
«Mr. Watson — come here — I want to see you»
Тогда они находились в разных комнатах его лаборатории в Бостоне, а теперь на расстоянии 5000 км.
В этот раз Уотсон примчаться уже не смог.
«It would take me a week to get there now.»
40 лет АТНТ шла от первого рабочего телефона до первой трансконтинентальной рабочей телефонной линии.
Это было мечтой Белла и проектом Теодора Вейла — президента компании в тот период.
И это был своего рода проект Апполон начала 20-го века. В 1909м Вейл сказал, что трансконтинентальная линия должна быть готова к 1915-му к открытию Панамско-Тихоокеанской выставки в Сан-Франциско.
АТНТ нанимала лучших инженеров и скупала патенты.
Одним из них оказалась та самая вакуумная лампа Ли де Фроста, которую купили за 390 000 долларов.
В рнд-лабораториях атнт допилили сырой нестабильный тестовый продукт с очень слабым усилением сигнала до надёжного рабочего усилителя.
На линии ньюйорк-санфран Через каждые несколько сотен километров стояли станции с усилительными каскадами на этих самых электронных лампах. Это были не коробочки на столбах, а целые здания в крупных городах.
А в 1956 протянули даже трансатлантический кабель ТАТ-1 от Нью-Йорка до Лондона. Там каждые 70км в утолщениях кабеля стояли сверхнадёжные ламповые усилители, которые питались напряжением в 2000 воль.
И вот всё бы хорошо, да?
Есть рабочие усилители, научились их делать массово.
Но людям всё время чего-то не хватает.
Что не так-то?!
Наверняка среди слушающих этот эпизод ещё есть те, кто открывал крышку старого лампового приёмника и видел внутри тусклое красное свечение катодов ламп. Держал эти лампы в руках и задавался вопросом, что за серебряное напыление внутри.
Вакуумная лампа — это инженерное чудо. Она очень красива и вызывает трепет технарей.
Но она огромная. Даже самые маленькие лампы были размером с ноготь.
Она потребляет катастрофически много энергии — ведь вольфрамовую нить нужно разогреть до нескольких сотен градусов.
Соответственно они очень сильно греются и это тепло нужно отводить, особенно, если нужны системы на тысячи ламп.
Для создания такого глубокого вакуума нужна была специальная техника. Сначала насосами создавали слабый вакуум — около 1 паскаля. Потом при работающем насосе прокаливали электроды, потом помещали внутрь геттер - металлический состав на основе бария, запаивали лампу и сильно её нагревали. Геттер испарялся, впитывал оставшиеся атомы и конденсировался на стенках лампы в виде зеркального напыления.
А ещё они недолговечны — средний срок службы лампы — несколько тысяч часов. У самых крутых — десятки тысяч.
Но когда у вас система на сотни или тысячи ламп её отказ — это вопрос времени, а точнее недель и даже дней.
Поэтому все усилители нужно было обслуживать, меняя сгоревшие лампы.
То есть ещё раз: они большие, горячие, прожорливые, сложные в изготовлении и ломучие.
И ещё у них есть предел миниатюризации, потому что внутри всё же должны быть нить накаливания, анод, катод и сетка. А значит и от батареек сложно запитать и что-то сложное сделать не получится.
Поэтому в 40-е годы 20-го века руководство АТнТ поставило перед белл лабс задачу изобрести твердотельный усилитель. Хоть тушкой хоть чучелом, а надо!
Человечеству со времён изобретения электричества известны проводники и изоляторы. Первые — прекрасно проводят электричество, то есть имеют малое сопротивление. Вторые — наоборот, очень сильно сопротивляются току и не проводят его, изолируют. Вместе они позволяют создавать провода, например, или электрические схемы. Проводники проводят, изоляторы изолируют. Хороше же!
Но где-то между ними всё время были болтались неинтересные и бесполезные материалы, которые ни то ни сё: медная окись, кремний, германий, селен.
До начала 20-го века. Когда стало понятно, что эти чудики не совсем так просты, как кажется. Они обладают очень странным свойством — при определённых условиях они могут пропускать ток только в одном направлении. Туда — да, обратно — фиг. И в начале прошлого века это даже использовали в детекторных приёмниках. Это такие радиоприёмники, которые работают вообще без электричества — чудо по меркам того времени — динамик воспроизводил звук радио буквально из воздуха. Почему? Придётся вам разобраться самим, что такое АМ, несущая частота и огибающая.
Но это всё было буквально случайным процессом. Сначала по чистому везению это обнаружили, потом опытным путём находили подходящие камни. Потом буквально металлической пружинкой водили по поверхности камня, чтобы найти, где хорошо ловит, то есть где проявляется вот этот ассиметричный эффект проводимости только в одну сторону.
А потом забыли об этом, потому что физику не понимали, куда двигаться дальше непонятно, а рядом уже набирают обороты понятные и надёжные вакуумные лампы.
Но вот память об этой их чудоковатости сохранилась. Более того, оказывалось, что их сопротивление зависит от света, температуры, приложенного напряжения. То есть они в разных условиях то лучше, то хуже проводят электричество. Это кстати то, что легло в будущем в основу фотодиодов и солнечных батарей: под действием света некоторые материалы начинают лучше проводить ток.
Прошло 40 лет и в Белл Лабс решили вернуться к идее использования кристаллов. Мысль простая: ведь если можно обнаруживать радиосигнал — детектировать, то вдруг можно и управлять им? То есть усилить?

На проводимость куска германия можно влиять светом и температурой. Почему бы не попробовать влиять полем?

Тогда через такой кусок можно подавать большое напряжение, но на то, сколько реально пройдёт через него тока влиять специальным полем — сильное поле — много проходит. Слабое – мало. Или наборот. А поле это управляется сигналом. И вооооот онооооо
Но долгое время ничего из этого не получалось. Ничего! Потому что инженеры и учёные тут упёрлись в предел текущих знаний физики.
Поэтому они встали на знакомые рельсы познания: “теория → наблюдение → новая теория”
И на этом пути они поняли, почему куски германия или кремния работали вообще и почему они работали так нестабильно.
Химики и физики белл лабс работали над очисткой этих кристаллов и обнаружили, что совершенно чистый кристалл не проводит ток совсем. Загрязнённый примесями случайным образом — проводит его как попало и неуправляем.
И только когда в кристалл контролируемо подмешивают очень небольшое количество атомов других материалов случается чудо!

Один атом фосфора на несколько млн атомов германия или кремния — и мы получаем избыток электронов. Один атом бора — и получаем их недостаток.
На этом были построены первые усилительные транзисторы, на этом же построен весь современный цифровой мир.
Марвин Келли — фактический директор Bell Labs в 40-е сразу после войны переориентировал лаборатории на мирные задачи, а полупроводники сделал приоритетным направлением, которому дал зелёный свет во всём.
Он создал команду по изучению полупроводников, профинансировал её и дал ей время и ресурсы лаборатории.
Руководил группой Уильям Шокли — гениальный физиком с наисквернейшим характером.
В его подчинении были ещё два физика: Джон Бардин и Уолтер Браттейн.
Шокли был инициатором и паровозом этих исследований. Он предложил изящную теорию полевого транзистора: прикладываем поле с сигналом — управляем током через транзистор. Первые опыты были неудачными — поле не управляло током никак. Оно, словно не действовало на кристалл вообще.
Что с этим делать и как реализовать такую архитектуру он не знал — и поручил подчинённым разобраться.
Бардин — гениальный теоретик, понимающий физику на глубоком уровне, а Браттейн экспериментатор.

Идея сделать усилитель на основе поля принадлежала Шокли. Объяснение, почему это не работало, принадлежало Бардину.
Но группа не сдалась и продолжила поиски.
Они осознали, что поверхность кристалла отталкивает поле, они научились создавать сверхчистые кристаллы и правильно их легировать, то есть вшивать в них посторонние атомы. Поняли как это можно использовать. Проводили сотни экспериментов
И через несколько лет поисков нашли-таки решение в виде точечного транзистора.
16 декабря 1947 года они .. Увидели усиление. Им удалось создать неказистое огромное устройство, доказывающее принципиальную возможность его существования Это прорывной момент не только в истории этой группы, не только в истории Bell Labs, но в истории всей планеты и даже больше. Ведь на расстоянии 25 млллиардов километров от земли сейчас летит Вояджер-1, который управляется транзисторными интегральными схемами.
Ну, кстати, лампы на нём тоже есть. И именно они обеспечивают связь с землёй. Уже 46 лет. Могут, когда хотят.
23 декабря группа Шокли, Бардин и Браттейн показала транзистор руководству. И тут всё заверте..
Приоритет, патенты, презентации, симпозиумы, оптимизации.
Транзисторы ждал ещё длинный путь преобразований, открытий, оптимизаций и миниатюризаций. Кропотливая работа и научная, и инженерная, и даже ремесленная.
Но переворот уже случился.
В 1956-м году всем троим дали Нобелевскую премию по физике. Однако за кулисами этого эпизода остаётся не самая лицеприятная история, окружающая изобретение транзистора. Я раскрою её в отдельном выпуске.
Сразу после изобретения АТнТ начала применять транзистор там, где это возможно. А с этим, кстати, были сложности. Насколько инновационной и смелой была Белл Лабс, настолько же инертной была материнская АТнТ, потому что они должны были поддерживать работу всей уже построенной телефонной сети. А новые строящиеся должны быть такими же надёжными, как вся остальная сеть. Поэтому бросаться и менять все усилители и телефонные станции они не могли.
Зато могли .. по антимонопольному соглашению раздавать направо и налево всё, что они изобрели. Не то, чтобы прям очень сильно хотели, но если кто-то к ним приходил за лицензией на производство, им приходилось её давать.
И так в 1953 Году лицензию на изготовление транзисторов они продали никому неизвестной японской компании Tokyo Tsushin Kogyoсо словами «ничего у вас не получится, узкоглазые. Транзисторы предназначены для голоса, они не будут усиливать радиоволны. Можете производить слуховые аппараты». Холосо-холосо, ответил Масару Ибука, зажал лицензию под мышкой и вернулся в Токио, а в 1955-м зарегистрировали ТМ Сони, а в 1957-м выпустил транзисторное радио TR-63, работавшее от 9 вольтовой Кроны, а потому помещалось в карман рубашки, в отличии от всех предыдущих ламповых, которые можно было разве что на телеге перевозить. И тем самым Sony покорила мир, которым покорил мир.
Появление переносного радиоприёмника было настолько значимым событием, что в некоторых странах вместо радио на транзисторах его стали коротко называть просто транзистор — в СССР, Франции, Испании, Германии.
Причём транзистор может усиливать сигнал в любой среде: как в проводе, так и в радио.
Сигнал, пройдя десятки, сотни километров ослабевает в миллиарды раз. Миилиарды! Угасание зависит от квадрата расстояния. Его мощности для того, чтобы привести в движение мембрану динамика совершенно недостаточно. Хотя детекторные радиоприёмники, работающие без электричества с этим бы посопорили, однако всё же для нормальной многополосной работы и для того, чтобы слушать радио можно было не в наушниках, а через гррмкоговрители, нужно было несколько усилительных каскадов 2-3, иногда даже 5-6.
Это делали сначала на лампах, но, как я уже отметил, такой радиоприёмник занимал целый стол и питался от розетки 220. А TR-063 имел 5 каскадов
Вся магия в том, что на один контакт трназистора подаётся слабый сигнал, а через два других идёт ток высокой мощности, который проходя через транзистор принимает форму этого самого слабого сигнала.
Ну вот и вся история появления транзистора, вызвавшего, возможно, самую тихую революцию.
Так
А что такого-то вообще? Ну усилитель и усилитель? Откуда столько шума вокруг транзисторов?
А дело в том, что он может не только усиливать слабый сигнал, но и пропускать ток или блокировать в зависимости от внешних условий.
Но это уже совсем другая история. И я расскажу её в отдельном эпизоде. Там же мы узнаем о том, как зависть позволила Биллу Шокли стать нобелевским лауреатом, как дырки переносят электричество, почему нужен именно кристалл, как мы сегодня стреляем ионами мышьяка или индия в трёхмерные конструкции, чтобы попасть в конкретный атом, и как вообще получилось произвести их 10 секстилионов.