Рождение советской ПРО. Кристадины, триоды и транзисторы ( 3 фото )

Детектор РОБТиТ и его применение – малая полевая радиостанция ПМВ. К сожалению, война оборвала исследования в Российской империи, хотя она же и привела к созданию Тверской приемной радиостанции, где собрался уникальный исследовательский коллектив во главе с профессором В. К. Лебединским и М. А. Бонч-Бруевичем. Именно там тогда еще 15-летний Олег Лосев познакомился с радио..

Приближая термозонд к игле детектора, Лашкарев фактически воспроизводил структуру точечного транзистора, еще бы шаг – и он опередил бы американцев на 6 лет, и открыл транзистор, но, увы, этот шаг так и не был сделан.

Мадоян

Наконец, еще один подход к транзистору (независимый от всех прочих по причине секретности) был сделан в 1943 году. Тогда по инициативе уже известного нам А. И. Берга было принято знаменитое постановление «О радиолокации», в специально организованных ЦНИИ-108 МО (С. Г. Калашников) и НИИ-160 (А. В. Красилов) начались разработки полупроводниковых детекторов. Из воспоминаний Н. А. Пенина (сотрудника Калашникова):

«Однажды в лабораторию вбежал возбужденный Берг с Journal of Applied Physics – вот статья о сварных детекторах для радаров, переписывай журнал на себя и действуй».

Обе группы добились успеха в наблюдении транзисторных эффектов. В лабораторных записях детекторной группы Калашникова за 1946–1947 годы есть свидетельства об этом, но подобные приборы «отбрасывались как брак», по воспоминаниям Пенина.

Параллельно в 1948 году группа Красилова, разрабатывавшая германиевые диоды для радиолокационный станций, получила транзисторный эффект и попыталась объяснить его в статье «Кристаллический триод» – первая публикация в СССР о транзисторах, независимая от статьи Шокли в «The Physical Review» и почти одновременная. Причем, собственно, в транзисторный эффект Красилова буквально ткнул носом тот же неугомонный Берг. Он обратил внимание на статью J. Bardeen and W. H. Brattain, The Transistor, A Semi-Conductor Triode (Phys. Rev. 74, 230 – Published 15 July 1948), дал знать во Фрязино. Красилов подключил к проблеме свою дипломницу С. Г. Мадоян (замечательную женщину, сыгравшую важную роль в производстве первых советских транзисторов, кстати, она дочь не министра АрССР Г. К. Мадояна, а скромного грузинского крестьянина Г. А. Мадояна). Александр Нитусов в статье «Сусанна Гукасовна Мадоян, создательница первого полупроводникового триода в СССР» описывает, как она пришла к этой теме (с ее слов):

«В 1948 в МХТИ на кафедре «Технология электровакуумных и газоразрядных приборов»… при распределении дипломных работ тема «Исследование материалов для кристаллического триода» досталась застенчивому студенту, стоявшему последним в списке группы. Испугавшись, что не справится, бедняга стал просить руководительницу группы дать ему что-нибудь другое. Та, вняв уговорам, подозвала оказавшуюся рядом девушку и сказала: «Сусанна, поменяйся с ним. Ты у нас девушка смелая, активная и с этим разберёшься». Так 22-летняя дипломница, сама того не ожидая, оказалась первым разработчиком транзисторов в СССР».

В итоге она получила направление в НИИ-160, в 1949 году эксперимент Браттейна был ею воспроизведен, но дальше этого дело снова не пошло. Значимость тех событий у нас традиционно переоценивают, возводя их в ранг создания первого отечественного транзистора. Однако транзистор весной 1949 года сделан не был, был лишь продемонстрирован транзисторный эффект на микроманипуляторе, да и германиевые кристаллы использовались не свои, а извлеченные из детекторов фирмы Philips. Годом позже образцы подобных устройств были разработаны в ФИАН, ЛФТИ и в ИРЭ АН СССР. В начале 50-х годов первые точечные транзисторы были также изготовлены Лашкаревым в лаборатории при Институте физики АН УССР.

К огромному сожалению для нас, уже 23 декабря 1947 года Уолтер Браттейн в AT&T Bell Telephone Laboratories провел презентацию изобретенного им прибора – действующего макета первого транзистора. В 1948 году состоялась презентация первого транзисторного радиоприемника AT&T, а в 1956 году Уильям Шокли, Уолтер Браттейн и Джон Бардин получили Нобелевскую премию за одно из величайших открытий за всю историю человечества. Так, советские ученые (подойдя буквально на расстояние миллиметра к аналогичному открытию раньше американцев и даже уже увидев его своими глазами, что особенно досадно!) проиграли транзисторную гонку.

Почему мы проиграли транзисторную гонку

В чем же была причина этого прискорбного события?

В 1920–1930 годы мы шли ноздря в ноздрю не только с американцами, но и, вообще, со всем миром, занимавшимся изучением полупроводников. Везде шли похожие работы, проводился плодотворный обмен опытом, писались статьи, проводились конференции. СССР подошел к созданию транзистора ближе всех, мы буквально держали в руках его прототипы, причем на 6 лет раньше янки. К сожалению, нам помешал, прежде всего, знаменитый эффективный менеджмент по-советски.

Во-первых, работы по полупроводникам производила куча независимых коллективов, одинаковые открытия делались независимо, авторы не имели информации о достижениях коллег. Причиной тому была уже упомянутая параноидальная советская секретность всех исследований в области оборонной электроники. Далее, главной проблемой советских инженеров стало то, что, в отличие от американцев, они изначально не искали замену вакуумному триоду специально – они разрабатывали диоды для РЛС (пытаясь скопировать трофейные германские, фирмы Phillips), а конечный результат получили практически случайно и не сразу осознали его потенциал.

В конце 1940-х годов в радиоэлектронике доминировала радарная проблематика, именно под радиолокацию в электровакуумном НИИ-160 разрабатывались магнетроны и клистроны, их создатели, естественно, были на первых ролях. Кремниевые детекторы тоже предназначались для радаров. Красилов был перегружен правительственными темами по лампам и диодам и не стал грузить себя еще больше, уходя в неизведанные области. Да и характеристики первых транзисторов были ой как далеки от чудовищных магнетронов мощных радаров, военные не видели в них пользы.

На самом деле для сверхмощных радаров действительно не придумано ничего лучше ламп, многие такие монстры холодной войны состоят на вооружении до сих пор и работают, обеспечивая непревзойденные параметры. Например, лампы бегущей волны с кольцевым стержнем (крупнейшие в мире, длиной более 3-х метров), разработанные Raytheon в начале 1970-х годов и производящиеся до сих пор компанией L3Harris Electron Devices, используются в системах AN/FPQ-16 PARCS (1972) и AN/FPS-108 COBRA DANE (1976), которые позже легли в основу знаменитой «Дон-2Н». Система PARCS отслеживает более половины всех объектов, находящихся на орбите Земли, и способна обнаружить объект размером с баскетбольный мяч на расстоянии в 3200 км. Ещё более высокочастотная лампа стоит в радаре Cobra Dane на удалённом острове Шемья в 1900 км от побережья Аляски, он отслеживает запуски ракет, не принадлежащих США, и собирает данные наблюдения за спутниками. Радарные лампы разрабатывают и сейчас, например, в России их выпускает АО НПП «Исток» им. Шокина (бывший тот самый НИИ-160).


AN/FPQ-16 PARCS и AN/FPS-108 COBRA DANE..


И их чудовищные трехметровые лампы (фото из статьи о необычных лампах)

Кроме того, группа Шокли опиралась на новейшие исследования в области квантовой механики, уже отбросив ранние тупиковые направления Ю. Э. Лилиенфельда, Р. Поля (Robert Wichard Pohl) и прочих предшественников 20–30-х годов. Bell Labs, как пылесос, высасывал для своего проекта лучшие мозги США, не жалея никаких денег. В штате компании было более 2000 дипломированных ученых, и группа транзистора стояла на самой вершине этой пирамиды интеллекта.

С квантовой механикой в СССР в те годы была беда. В конце 1940-х годов квантовая механика и теория относительности были подвержены критике по причине «буржуазной идеалистичности». Советские физики, такие как К. В. Никольский и Д. И. Блохинцев (см. маргинальную статью Д. И. Блохинцева «Критика идеалистического понимания квантовой теории», УФН, 1951 г.), упорно пытались разработать «марксистски верную» науку, подобно тому, как в нацистской Германии ученые пытались создать «расово верную» физику, также игнорируя работы еврея Эйнштейна. В конце 1948 года началась подготовка Всесоюзного совещания заведующих кафедрами физики с целью «исправления» имевших место «упущений» в физике, был выпущен сборник «Против идеализма в современной физике», в котором выдвигались предложения разгромить «эйнштейнианство».

Однако, когда Берия, курировавший работы по созданию атомной бомбы, спросил у И. В. Курчатова, правда ли, что нужно отказаться от квантовой механики и теории относительности, то услышал:

«Если от них отказаться, то придётся отказаться и от бомбы».

Погромы были отменены, однако квантовая механика и ТО не могли официально изучаться в СССР вплоть до середины 1950-х. Например, один из советских «марксистских ученых» еще в 1952 году в книге «Философские вопросы современной физики» (причем издательства АН СССР!) «доказывал», ошибочность E=mc² так, что современные шарлатаны обзавидуются:

«В данном случае происходит своеобразное и еще конкретно не раскрытое наукой перераспределение величины массы, при котором масса не исчезает и которое является результатом глубокого изменения реальных связей системы... Никакого превращения массы в энергию не происходит, но совершается сложный процесс материальных преобразований, в которых масса и энергия... претерпевают соответствующие изменения».

Ему вторил коллега, очередной «великий физик-марксист» А. К. Тимирязев в статье «Еще раз о волне идеализма в современной физике»:

«Статья подтверждает, во-первых, что насаждение эйнштейнианства и квантовой механики в нашей стране было тесно связано с вражеской антисоветской деятельностью, во-вторых, что оно происходило в особой форме оппортунизма – преклонением перед Западом, в-третьих, что уже в 1930-е была доказана идеалистическая сущность «новой физики» и «социальный заказ» на неё империалистической буржуазии».

И эти люди хотели получить транзистор?!

С физфака МГУ как «буржуазные идеалисты» были устранены ведущие ученые из АН СССР Леонтович, Тамм, Фок, Ландсберг, Хайкин и другие. Когда в 1951 году в связи с ликвидацией ФТФ МГУ на физфак перевели его студентов, которые учились у Петра Капицы и Льва Ландау, они были неподдельно удивлены низким уровнем преподавателей физфака. При этом до закручивания гаек со второй половины 1930-х об идеологических чистках в науке речи не шло, наоборот, был плодотворный обмен идеями с международным сообществом, например, Роберт Поль посещал СССР в 1928 году, участвуя вместе с отцами квантовой механики Полем Дираком (Paul Adrien Maurice Dirac), Максом Борном (Max Born) и другими в VI съезде физиков, в Казани, а упомянутый уже Лосев в то же время свободно писал письма по поводу фотоэффекта Эйнштейну. Дирак в 1932 году опубликовал статью в соавторстве с нашим квантовым физиком Владимиром Фоком. К сожалению, развитие квантовой механики в СССР остановилось в конце 1930-х и там и пребывало до середины 1950-х, когда после смерти Сталина идеологические гайки раскрутили и осудили лысенковщину и прочие ультрамаргинальные марксистские «научные прорывы».

Наконец, существовал еще и наш, чисто отечественный фактор, упомянутый уже антисемитизм, унаследованный еще от Российской империи. Он никуда не исчез и после революции, и в конце 1940-х снова стал подниматься «еврейский вопрос». По воспоминаниям разработчика ПЗС Ю. Р. Носова, заседавшего с Красиловым в одном диссертационном совете (изложено в «Электроника» №3/2008):

те, кто постарше и помудрее, знали, что в такой ситуации надо лечь на дно, временно исчезнуть. Года два Красилов редко бывал в НИИ-160. Говорили, что он внедряет детекторы на Томилинском заводе. Как раз тогда несколько заметных фрязинских СВЧ-истов во главе с С. А. Зусмановским не по своей воле загремели в Саратов поднимать поволжскую электронную целину. Затянувшаяся «командировка» Красилова не только притормозила наш транзисторный старт, но и породила в ученом – тогдашнем лидере и авторитете, подчеркнутую осторожность и осмотрительность, что позднее, возможно, задержало развитие кремниевых и арсенидгаллиевых транзисторов.

Сравним это с работой группы Bell Labs.

Корректная формулировка цели проекта, своевременность ее постановки, наличие колоссальных ресурсов. Директор разработок Марвин Келли (Marvin Kelly), специалист в области квантовой механики, собрал группу профессионалов высочайшего класса из Массачусетса, Принстона и Стэнфорда, выделил им практически неограниченные ресурсы (сотни миллионов долларов ежегодно). Уильям Шокли, как человек – был своеобразным аналогом Стива Джобса: безумно требовательный, скандальный, грубый с подчиненными, имел отвратительный характер (менеджером, в отличие от Джоббса, он, кстати, тоже был неважным), но при этом как технический руководитель группы – он имел высочайший профессионализм, широту кругозора и маниакальную амбициозность – ради достижения успеха он был готов работать по 24 часа в сутки. Естественно, не считая того, что он был превосходнейшим физиком-экспериментатором. Группа была сформирована по мультидисциплинарному принципу – каждый мастер своего дела.

Британцы

Справедливости ради, первый транзистор был радикально недооценен всем мировым сообществом, а не только в СССР, и в этом была и вина самого прибора. Точечные германиевые транзисторы были ужасны. Они имели малую мощность, изготавливались практически вручную, теряли параметры при нагреве и тряске, обеспечивали непрерывную работу в диапазоне от получаса до нескольких часов. Их единственными преимуществами перед лампами была колоссальная компактность и малая потребляемая мощность. А проблемы с государственным управлением разработками были не только в СССР. Британцы, например, по словам Ханса-Йоахима Квайссера (Hans-Joachim Queisser, сотрудник Shockley Transistor Corporation, эксперт в кремниевых кристаллах и вместе с Шокли – отец солнечных батарей), вообще, считали транзистор каким-то хитрым рекламным трюком Bell Laboratories.

Поразительно, но они умудрились прозевать и производство микросхем вслед за транзисторами, при том, что идею интеграции впервые предложил еще в 1952 году британец – радиотехник Джеффри Даммер (Geoffrey William Arnold Dummer, не путать с известным американцем Jeffrey Lionel Dahmer), впоследствии ставший знаменитым как «пророк интегральных схем». Долгое время он безуспешно пытался найти финансирование на родине, только в 1956 году он смог изготовить прототип собственной ИС методом выращивания из расплава, но опыт оказался неудачным. В 1957 году Министерство обороны Великобритании окончательно признало его работы бесперспективными, чиновники мотивировали отказ высокой себестоимостью и худшими, чем у дискретных приборов, параметрами (откуда они взяли значения параметров еще не созданных ИС – бюрократическая тайна).

Параллельно ИС пытались разработать частным порядком все 4 английские полупроводниковые компании: STC, Plessey, Ferranti и Marconi-Elliott Avionic Systems Ltd (образованная поглощением Elliott Brothers фирмой GEC-Marconi), но производство микросхем толком из них не наладила ни одна. Разобраться в хитросплетениях британских технологий довольно сложно, но помогла книга «A History of the World Semiconductor Industry (History and Management of Technology)», написанная в 1990 году.

Ее автор Питер Робинс (Peter Robin Morris) утверждает, что американцы были далеко не первыми в разработке микросхем. Plessey создала прототип ИС еще в 1957 году (раньше Килби!), хотя промышленное производство было отложено до 1965 года (!!), и момент был упущен. Алекс Крэнсвик (Alex Cranswick), бывший сотрудник Plessey, говорил, что они получили очень быстрые биполярные кремниевые транзисторы в 1968 году и производили на них два устройства ECL-логики, включая логарифмический усилитель (SL521), который использовался в ряде военных проектов, возможно, в компьютерах ICL.

Питер Суонн (Peter Swann) утверждает в «Corporate Vision and Rapid Technological Change», что Ferranti подготовила свои первые микросхемы серии MicroNOR I по заказу флота еще в 1964 году. Коллекционер первых микросхем Эндрю Уили (Andrew Wylie) уточнил эту информацию в переписке с бывшими сотрудниками Ferranti, и они подтвердили ее, хотя найти информацию об этом за пределами чрезвычайно узкоспециализированных британских книг практически невозможно (в сети общеизвестна лишь модификация MicroNOR II для Ferranti Argus 400 1966 года).

Насколько известно, STC не разрабатывала ИС для коммерческого производства, хотя они делали гибридные устройства. Marconi-Elliot делали коммерческие микросхемы, но чрезвычайно малым тиражом, и информации о них почти не сохранилось даже в британских источниках тех лет. В итоге все 4 британские компании полностью прозевали переход к машинам третьего поколения, активно начавшийся в США в середине 1960-х и даже в СССР примерно в это же время – тут британцы отстали даже от Советов.

Фактически упустив техническую революцию, они так же вынуждены были догонять США, причем в середине 1960-х Великобритания (в лице компании ICL) была отнюдь не против объединиться с СССР для производства новой единой линейки мэйнфреймов, но это уже совсем другая история.

В СССР же даже после прорывной публикации компании Bell Labs транзистор для Академии наук не стал приоритетом.

На VII Всесоюзном совещании по полупроводникам (1950 год), первом послевоенном, почти 40 % докладов были посвящены фотоэлектричеству и ни одного – германию и кремнию. А еще в высоких научных кругах очень щепетильно относились к терминологии, называя транзистор «кристаллическим триодом» и пытаясь заменить «дырки» на «отверстия». Книга Шокли при этом была у нас переведена сразу же после ее издания на Западе, но без ведома и разрешения западных издательств и самого Шокли. Более того, в отечественной версии был исключен параграф с изложением «идеалистических взглядов физика Бриджмена, с которым автор полностью солидарен», предисловие и примечания же были полны критики:

«Материал изложен недостаточно последовательно... Читатель… будет обманут в своих ожиданиях... Серьезным недостатком книги является замалчивание работ советских ученых».

Были даны многочисленные примечания, «которые должны помочь советскому читателю разобраться в ошибочных высказываниях автора». Спрашивается, зачем переводили такую дрянную вещь, не говоря уже о том, чтобы использовать ее как учебник по полупроводникам.

Переломный 1952

Перелом в понимании роли транзисторов в Союзе настал только в 1952 году, тогда вышел специальный номер радиотехнического журнала США «Труды института радиоинженеров» (сейчас IEEE), полностью посвященный транзисторам. В начале 1953 года несгибаемый Берг решил-таки дожать тему, начатую им 9 лет назад, и зашел с козырей, обратившись на самый верх. В тот момент он был уже замминистра обороны и подготовил письмо в ЦК КПСС о развитии аналогичных работ. На это событие наложилась сессия ВНТОРЭС, на которой коллега Лосева – Б. А. Остроумов выступил с большим докладом «Советский приоритет в деле создания кристаллических электронных реле по работам О. В. Лосева».

Кстати, он остался единственным, кто почтил вклад коллеги. До этого в 1947 году в нескольких выпусках журнала «Успехи физических наук» были опубликованы обзоры развития советской физики за тридцать лет – «Советские исследования по электронным полупроводникам», «Советская радиофизика за 30 лет», «Советская электроника за 30 лет», и о Лосеве и его исследованиях кристадина упоминается лишь в одном обзоре (Б. И. Давыдова), да и то вскользь.

К этому моменту на основе работ 1950-го года в ОКБ 498 были разработаны первые советские серийные диоды от ДГ-В1до ДГ-В8. Тема была настолько секретной, что с подробностей разработки гриф был снят аж в 2019 году.

В результате в 1953 году образуется единый специальный НИИ-35 (позже «Пульсар»), а в 1954 году организуется Институт полупроводников АН СССР, директором которого стал начальник Лосева, академик Иоффе. В НИИ-35 в год открытия Сусанна Мадоян создает первый образец плоскостного сплавного германиевого pnp-транзистора, и в 1955 году начинается их выпуск под марками КСВ-1 и КСВ-2 (в дальнейшем П1 и П2). Как вспоминает упомянутый Носов:

«Занятно, что быстрому становлению НИИ-35 поспособствовала казнь Берии в 1953 г. В то время в Москве находилось СКБ-627, в котором пытались создать магнитное антирадарное покрытие, шефство над предприятием взял Берия. После его ареста и казни дирекция СКБ благоразумно самораспустилась, не дожидаясь последствий, здание, кадры и инфраструктура – все досталось транзисторному проекту, к концу 1953 года здесь оказалась вся группа А. В. Красилова».

Миф это или нет – остается на совести автора цитаты, но, зная СССР, такое могло быть вполне.

В том же году на заводе «Светлана» в Ленинграде началось промышленное производство точечных транзисторов КС1-КС8 (независимый аналог Bell Type A). Через год московский НИИ-311 с опытным заводом переименован в НИИ «Сапфир» с заводом «Оптрон» и переориентирован на разработку полупроводниковых диодов и тиристоров.

На протяжении 50-х годов в СССР почти синхронно с США разрабатывали новые технологии изготовления плоскостных и биполярных транзисторов: сплавную, сплавно-диффузионную и меза-диффузионную. На замену серии КСВ в НИИ-160 Ф. А. Щиголем и Н. Н. Спиро был начат серийный выпуск точечных транзисторов С1Г-С4Г (корпус серии С был скопирован с Raytheon SK703-716), объем производства составлял несколько десятков штук в день.

Как же был совершен переход от этих десятков к строительству центра в Зеленограде и производству интегральных микросхем? Об этом мы поговорим в следующий раз.

Автор:Алексей Ерёменко