Ознакомительная версия.
В ноябре 1941 года, оставляя штаб-квартиру Bell Labs на Манхэттене из-за перехода на военную службу, Браттейн сделал последнюю запись номер 18 194 в своем рабочем журнале. Через почти четыре года он продолжил тот же журнал, но уже в новой лаборатории в Мюррей-Хилле, написав: “Война окончена”. Келли определил его и Шокли в исследовательскую группу, задуманную для “поиска единого подхода к теоретическим и экспериментальным работам в области физики твердого тела”. Цель была той же, что и до войны: на базе полупроводников создать замену электронным лампам12.
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”13.
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”14. 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.
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 Бардин15. 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”16.
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 Браттейн17. Они продолжали общаться и после работы, часто играли вместе в гольф, ходили пить пиво, устраивали вместе с женами соревнования по бриджу.
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”18.
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 ток19.
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”20. Он наполнил термос водой, что обеспечивало простой способ избавления от конденсата. Семнадцатого ноября они с Бардиным провели испытания. Все работало великолепно.
Ознакомительная версия.
