Сегодня мы с вами узнаем, действительно ли подорожала память — 64ГБ могли бы стоить сегодня 500 млрд долларов, что общего между огненным сердцем солнца и флэшкой, как тёмные чувства помогли получить нобелевскую прмеию почему то, что позволяет нам существовать, мешает современной микроэлектронике, а ещё как мы научились поджигать каплю олова в полёте и рисовать излучаемыми ею фотонами элементы размером в десятки-сотни атомов.
Уильям Шокли были разъярён и раздосадован. Его теория не сработала! Придуманная им архитектура транзистора была нежизнеспособна. И сначала его подчинённые доказали, что это невозможно, а потом, пока он предавался страданиям от провала, они же сделали реальный рабочий транзистор.
А он остался не удел — локомотив идеи полупроводниковых усилителей пошёл не на тот путь.
Шокли понимал, что это прорыв, что это лавры открывателей, что это, вероятно, нобелевка. И это всё недоучками Бардину и Браттейну. А ему что?
В декабре 1947-го года эта парочка изобрела точечный транзистор, показавший впервые в мире усиление сигнала на полупроводнике.
Но как мы уже знаем, нобелевку дали всем троим. Как?
Раздосадованный и злой Шокли помог провести презентации для руководства и.. Ушёл думать. Всё же он был гениальный физиком.
И уже через месяц он создал теорию переходного транзистора. Это был значительно более совершенный, воспроизводимый и теоретически объяснимый переходный транзистор.
И засчёт этого вернулся на рельсы, ведущие к нобелевке.
Шокли сначала создал теорию переходного биполярного транзистора, а потом переходного полевого.
Что вообще? Какие поля? Какая биполярка?
Сегодня будет много физики, дорогие подписчики, мне очень жаль, но будет сложно. Возможно, вам стоит сейчас нажать на паузу и уже не возвращаться.
Но прежде чем разбираться с физикой, нам надо немного уйти в химию.
Чем атомы германия и кремния отличаются от других, что заслуживают быть выделенными в отдельный класс полупроводников?
Их фишка — это особая кристаллическая структура, то, как атомы удерживаются рядом друг с другом и роль электронов в этом всём деле.
В металлах электроны — это как бы клей, который склеивает между собой отдельные кирпичики. Говорят об электронном облаке или электронном море. Весь кристалл металла удерживается вместе за счёт огромного количества свободных электронов общих для всех атомов куска металла.
Эти электроны ни к чему не привязаны и просто плавают между ионами.
И как только к металлу прикладывается напряжение, эти дружочки начинают все вместе перемещаться в направлении к плюсу, то есть создают ток.
Им не замену приходят новые электроны из батарейки.

Вот так металлы проводят электричество. Электронов много, они удерживюат кристалл цельным как клей, но при этом общие для всего кристалла и довольно свободны в своих перемещениях по нему.
Им это энергетически выгодно. Потому что на внешних орбиталях мало электронов и атомы их легко отпускают. У меди 29 электронов на 4 уровнях и только один на внешнем. То есть у каждого атома есть один электрон не при деле.

Другая история в полупроводниках. Там электронов на внешней орбите много, просто так атомы их не отпускают, и они ищут, куда бы себя приладить. Так им энергетически выгодно присосаться к другим атомам.
У кремния 14 электронов на 4 уровнях и 4 из них на внешнем.
Атомы кремния склеиваются в кристалл засчёт того, что они соединяются с четырьмя соседними своими парами электронов. Вот прям как рукопожатие с четырьмя людьми одновременно. Только рук у вас 4. И разъединить вы их не можете. И стоите вы такие несколько миллиардов человек и рук у вас свободных нет.

А как вы помните — ток проводят свободные электроны, которые могут просто летать между атомами.
И вот в таких кристаллах проводить ток просто нечему – все электроны при деле.
Но если кристалл хорошенько подогреть, то электроны начинают болтаться сильнее, и какие-то, очень редко, могут вырваться из уз своих атомов и вылететь в свободное плавание. И тогда кремний начинает кое-как с огромным сопротивлением проводить ток. Потому что один свободный электрон приходится на миллиарды атомов.
Всё меняется, когда мы добавляем примесь. Контролируемо.
Если мы добавим всего лишь один атом фосфора на 10 млн атомов кремния, то мы тем самым увеличим его проводимость в тысячу раз.
Дело в том, что у фосфора 5 электронов на внешнем уровне. И когда он встраивается в кристаллическую решётку кремния, то 4 электрона у него заняты под эти самые ковалентные связи с атомами кремния, а один болтается сам по себе. А потому он легко отрывается и становится свободным
И в итоге на тот же миллиард атомов кремния теперь приходится не один случайно свободный электрон, а тысяча один.
Такое подмешивание примеси называется легированием.
То же самое с бором: в нём только три электрона на внешних орбиталях. И если в кристалл встроить его, то электронов уже будет не хватать. И получится.. Дырка. Не смейтесь, это самый настоящий термин.
Дырка — это виртуальная положительно заряженная частица. И когда электрон вырывается, на его месте образуется дырка — её стремится занять другой электрон, а дырка перемещается на новое место. И так — когда электроны летят по кристаллу в одну сторону, дырки как бы летят в другу — и по сути тоже переносят заряд, текут, образуют ток.
Настоящие электроны и виртуальные дырки — равноправные носители тока.
Так вот если мы составим рядышком два таких кусочка — в одном где мало электронов, а в другом много, то получим диод — он будет пропускать ток только в одну сторону.
В одну сторону напряжение помогает электрончикам двигаться к плюсу, а дырочкам к минусу, а в другом наоборот — мешает. Потому что на границе между кусочками есть запирающий слой, который открывается только если по нему пустить ток в правильном направлении
Как было в ламповом диоде — помните из предыдущего выпуска? Катод испускает электроны и они притягиваются анодом. Это ток. А в другую сторону тока нет.
Кусочек полупроводника с электронами называется n-зоной - negative, кусочек с дырками - p — positive.
И помните, когда мы в лампу добавили третий электрод — сетку, мы научились управлять током через лампу: придавать току нужную форму. И тем самым как бы усиливать слабый сигнал.
---
Так вот Бардин и Браттейн нашли практический способ, как к полупроводнику приставить две иголки очень близко друг у другу, и через одну впрыскивать электроны так, чтобы через вторую начинал течь ток — гораздо большей мощности.
И получили практическое свидетельство возможности полупроводников усиливать сигнал!
Но это всё было почти случайным процессом и зависело от многих факторов. А Шокли эта кустарщина не нравилась. Ему нужно было что-то воспроизводимое и масштабируемое. Хотя больше ему, конечно, не нравилось то, что это сделал не он.
И вот он думал-думал и придумал, как это всё делать по науке и обеспечивать всегда качественную работу.
Он знал про p- и n-зоны и их хитрые свойства. И предложил собрать p-n-p бутерброд.

По сути три контакта, как в ламповом триоде: они называются эмиттер, база и коллектор.
Эмиттер впрыскивает электроны, база управляет тем, сколько этих электронов может пройти в коллектор, а высокое напряжение между базой и коллектором даёт высокую выходную мощность. А форма сигнала будет зависеть от того, какой ток был на базе.
То есть небольшой ток базы управляет значительно большим током коллектора.
Воаля — усилитель.
Шокли Красавец. Достоин премии!
Так впоследствии лампы заменили на транзисторные усилители телефонного сигнала. Научились усиливать не только низкочастотный голос, но и радио на сотнях мегагерц.
Появились переносные редиоприёмники, рации, даже телевизоры. Радары такого размера и потребления, что их можно помещать в самолёт. Усилители для микрофонов, колонок, наушников. Слуховые аппараты. Медицинское оборудование — ЭКГ, ЭЭГ, пулсьсоксиметры.
Всё это использует транзисторы, именно как усилители.
Но вот что важно. Усиление сигнала — это только одно применение транзисторов.
Но оказалось, что есть и другое — как ключ в логических элементах микросхем.
Ему не нужны вот эти вот аналоговые изменения по чуть-чуть. В этой новой роли у транзистора два состояния: вкл и выкл. Или точнее пропускает ток много или не пропускает его совсем.
То есть 0 или 1.
Тут мы возвращаемся к эпизоду про Шеннона. Этот человек в качестве своей магистерской диссертации защитил работу A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits, которая говорила, что логические операции булевой алгербы: и, или, не можно реализовать с помощью реле и переключателей.
А транзистор — это считай то же самое, только работает быстро, управляет легко, не изнашивается, потребляет на порядки меньше энергии.
Это сложно понять сходу, но операции и, или, не позволяют реализовать всё — от простого сложения до генеративных нейросетей, которые рисуют обложки для подкастов. От часов на вашей тумбочки, до персеверенса, бороздящего марс.
Поэтому если первые вычислитедбьные машины были аналоговыми с ремнями и шестернями, следующие за ними компьютеры уже на реле и переключателях, а потом выходили поколения на лампах, то все последующие были уже на транзисторных микросхемах.
Эти те, самые транзисторы, которые нафантазировал и изобрёл Билл Шокли — полевые. Тут есть два контакта, между которыми текут электроны — от истока к стоку. А между ними — третий — затвор, он или запирает ток электронов или отпирает. 0 или 1.
И никакого усиления — не в том задача.
Для того, чтобы сделать простейший калькулятор нужны сотни транзисторов, сопротивлений, конденасторов, которые вместе превращаются в схему подключения. И эта схема собирается на печатной плате — такой, как стоит в компьютере — зелёная.
Для того, чтобы собрать самый простой процессор — нужны их тысячи. Когда транзистор размером с муху, уже сложно представить себе эту плату. Хотя ещё возможно.
И дальше началась миниатюризация. Сначала уменьшали сами размеры транзисторов. Потом В Texas Instruments догадались, что всю схему можно буквально рисовать на цельном кристалле кремния, а не вырезать из него отдельные куски, превращать их легированием в транзисторы, а потом садить на печатные платы.
То есть брали кусок кремния и легировали отдельные его области так, как нужно. А как нужно — говорили литографические трафареты. А сам процесс называется литографией, потому что литос – это камень, а графо — пишу. Как есть — пишу или рисую на камне.
Такие схемы стали называться интегральными, потому что элементы в них были интегрированы, то есть объединены в единой целое.
И когда в 1958-м научились их создавать, технологический мир после этого улетел по экспоненте. И в скорости развития и в миниатюризации транзисторов и схем.
Центральный чип Ipone 15, например — это кристалл размером примерно 10х10 мм, содержащий 19млрд транзисторов. 19 млрд! просто вдумайтесь. На квадратном миллиметре, то есть на песчинке сахара, их разместилось бы 190 млн штук. Мы умеем сегодня оооочень точно рисовать.
И размер отдельных компонентов получается в несколько десятков нанометров, а некоторые важные области — вообще единицы нанометров — например — затвор транзистора. Запомните это. Нам ещё понадобится.
А вот, чтобы получить такой точный рисунок нам сегодня приходится очень сильно изгаляться: плавить на лету каплю олова, превращать её в плазму, высекать из неё жёсткий ультрафиолет и отправлять его в конкретную наноскопическую область кристалла.
Как и зачем — разберём в отдельном эпизоде, посвящённом нанометрам, фотолитографии, одной небольшой фабрике в Нидерландах и огромным заводам в Китае.
Что важно: работают транзисторы в нём ровно по тем же самым принципам, что и 60 лет назад: затвор запирает или отпирает ток межу истоком и стоком.
И вот на масштабах в единицы-десятки нанометров начинаются серьёзные проблемы.
В дело вступает бессердечная квантовая механика.
Посмотрите в пасмурный день на солнце. Даже через облака пробивается его свет, который летит до нас 8 минут. И почти вся энергия, которую мы имеем: от ископаемых до фотосинтеза — это энергия Солнца. Даже животные белки, которые дают нам энергию — это продукт животных, которые поели траву, чтобы получить энергию, а та росла под действием фотосинтеза.
И так на протяжении 4 миллиардов лет. 4 млрд лет солнце горит и щедро испускает во все стороны свою энергию.
Но что значит горит? Это как? Не костром же.
Солнце — это в основном водород и гелий. Но изначально водород — простейший элемент во Вселенной.
Когда несколько атомов водорода сливаются друг с другом, образуется гелий. И масса нового атома чуть-чуть меньше, чем у двух изначальных, потому что два протона превратились в два нейтрона. И при этом испускают фотоны и нейтрино.
Так работает реакция ядерного синтеза.
И вот эта микроскопическая разница в массе и превращается в колоссальную энергию по великой формуле е=мц2.
В виде фотонов эта энергия 8 минут летит до Земли и греет её.
Но!
Это всё возможно только потому, что протоны могут исчезать в одном месте и появляться в другом.
Это свойство элементарных частиц. Если помните из курса школьной физики иллюстрацию, где электроны вращаются по орбитам вокруг ядра, как планеты вокруг солнца, то вот это всё ложь. А на самом деле электроны — это некое облачко вероятностей — то есть с какой вероятностью электрон окажется тут или там.
Так вот с некоторой небольшой долей вероятности электрон может оказаться в другом конце комнаты или вселенной. Теоретически .. и практически. Это называется туннельный эффект.
И протон как элементарная квантовая частица точно так же. Он внезапно может оказаться в другом месте.
Почему это важно? Потому что вообще-то протоны друг от друга отталкиваются, потому что заряжены одинаково положительно. А одинаковые заряды отталкиваются
И отталкиваются они будь здоров. Нельзя просто так их приблизить, чтобы они слились в ядре гелия.
Чтобы это произошло, нужна температура в 10 миллиардов градусов. 10 Миллиардов!
А в сердце солнца всего лишь 15 млн. Даже близко недостаточно, чтобы преодолеть электромагнитное отталкивание.
Так вот реакция синтеза в солнце возможна только благодаря тому, что с ооооочень низкой вероятностью иногда протоны перескакивают близко друг к другу.
Вероятность крайне низкая, но она есть. Условно случайный протон в среднем ждёт слияния миллиард лет. Но в солнце их огромное число с 57 нулями, поэтому из практически невероятного события такой синтез превращается в ежесекундный факт.
Именно из-за невероятности этого события для среднестатистического протона, солнце горит миллиарды лет, а не вспыхивает за миллионы, или чахнет от холода.
Лаааадно
И какое всё это имеет отношение к нам?
А самое прямое. Размер транзистора — десятки нанометров, но размер затвора в нём — единицы, и вот именно это квантовое туннелирование тут и случается.
Когда затвор транзистора закрыт, электроны не должны пролетать через него, то есть ток не должен течь.
Но в наномире электрончик может просто очень-очень захотеть оказаться в другом месте, и оказывается — по ту сторону затворва. Просто по теории вероятностей. И получается, что ток есть тогда, когда его не должно и не может быть. И вместо нолика мы имеем единичку.
И это фундаментальное ограничение нашей Вселенной — невозможно бесконечно уменьшать размеры транзистора — начинают играть значение квантовые эффекты.
Для решения этой проблемы переходят к трёхмерным структурам, подбирают подходящие формы элементов транзистора, чтобы препятствовать этому эффекту, но это уже совсем другая история.
А туннельный эффект, паразитный в транзисторах на самом деле используется во благо.. Во флэшках. В самых обычных USB-флэшках и в SSD-дисках запись и чтение происходит благодаря туннельному эффекту. И именно из-за него же они имеют ограниченный срок жизни, или количество циклов перезаписи. Но и это уже другая история.

Итак, транзисторы сегодня повсюду. Без них мир совершенно немыслим — он стоит наряду с электричеством, огнём и письменностью.
Что же до наших героев — Шокли, Бардина и Браттейна, то их пути разошлись через несколько лет после открытия.
Браттейн ещё долго работал в белл лабс, занимаясь поверхностными эффектами на полупроводниках — с чего и начались первые неудачи с полевыми транзисторами
Бардин в 51-м покинул Белл Лабс и перешёл в университет иллиноиса, где в 1957 объяснил явление сверхпроводимости, а в 1972-м году получил за это вторую нобелевку по физике, став единственным человеком за всю историю. И одним из четверых, кто вообще получал нобелевку дважды, встав в один ряд с Мари Кюри, получавшей премию по физике и химии.
Но, наверно самая интересная и уж точно самая неоднозначная судьба у Уильяма Шокли.
Для начала стоит сказать, что он основал Кремниевую долину. Да, ту самую цитадель современного хайтека.
Возможно, основал — слишком громко — всё же там уже был HP и стенфордский университет — но уж точно стал катализатором.
В середине 50-х стало понятно, что транзисторы вытеснят вакуумные лампы, а значит для них открывается гигантский рынок. Амбиции Шокли давно переросли и руководителя подразделения, должность которую ему не дали, и вообще работу на зарплате. Он решил основать свою компанию.
И в то же время тяжело заболела его мать, жившая в Пало-Альто. Поэтому он собрался и переехал туда — на западное побережье, где и Создал Шокли Семикондактор лаборатори.
Вокруг своего имени он собрал блестящих физиков и инженеров, которые создали… ничего. Они не сделали буквально никакого продукта.
Шокли был ужасным руководителем: он метался от одной идеи к другой, постоянно и хаотично меняя цели и приоритеты.
Но хуже того, он страдал болезненной подозрительностью, вплоть до того, что проверял своих сотрудников на детекторе лжи, он контролировал каждый их шаг, а ещё публично их унижал.
И иронично, что главное достижение Shockley Semiconductor Laboratory в том, что она распалась через несколько лет. А её выходцы основали Intel, AMD и дестяки более маленьких компаний, специализацией которых стало создание техники, основанной на кремниевых транзисторах. И это феномен кремниевой долины — предатели, покидающие родную компанию, основывают свои собственные компании, из которых выходят новые предприниматели и создают свои. Такой лавинный эффект.
Shockley Semiconductor Laboratory распалась, успеха, который был практически гарантирован Уильяму Шокли — изобретателю новой индустрии — не случилось. Хуже того, он внезапно подался в генетику и психологию, начал пропогнадировать мягко говоря неоднозначные идеи евгеники, которые дошли до утверждений, что чёрные американцы генетически уступают белым по интеллекту и предложений поощрять добровольную стерилизацию людей с низким IQ.
Это довольно быстро разрушило его репутацию, его дети прекратили общения с ним, коллеги стали избегать его, университеты отказались приглашать его с лекциями.
Печальная, но наглядная исллюстрация того, что гениальный ум не означает здравомыслие и рассудительность.
А сейчас просто задумайтесь, что этот подкаст сейчас играет в плеере вашего телефона, который набит под крышечку транзисторами, передаёт на ваши bluetooth наушники радиосгнал, который в нужно принять, усилить очистить, улучшить, с помощью тех же транзисторов и проиграть вам в ухо в лучшем из возможных качеств, а сам файл летит к вам десятки или даже сотни километров через каналы связи и телекоммуникационное оборудование, работающее на транзисторах, с удалённого сервера в котором процессор, оперативная память, жёсткие диски и даже блоки питания содержат миллиарды транзисторов.
И они до нас дошли из середины 20-го века.