William Shockley: muž, který změnil tranzistor i jedno údolí

Než se křemíkové údolí stalo epicentrem firem zaměřených na elektroniku, musela přijít ta první. A ještě předtím musel přijít vynález tranzistoru. Obojí spojuje jediný muž.

V roce 1956 obdrželi tři špičkoví vědci z Bellových laboratoří Nobelovu cenu za vynález tranzistoru. Všichni tři, tedy William Shockley, John Bardeen a Walter Brattain, se o zrod této zásadní součástky moderní elektroniky zasloužili, nicméně my si dnes budeme povídat pouze o Shockleym. Ne snad, že by ti druzí dva byli méně významní, to ani omylem. John Bardeen je například jediným člověkem, který kdy získal Nobelovu cenu dvakrát za stejný obor. Ale právě Shockley měl největší vliv na oblast IT neboť, jak o něm konstatoval jeden z jeho obdivovatelů, přinesl křemík do budoucího Silicon Valley.

Klepněte pro větší obrázekWalter Houser Brattain, William Bradford Shockley a John Bardeen – vynálezci tranzistoru ve své laboratořiJak

Válečné radary navedly k polovodičům

Shockley se narodil americkým rodičům v předválečném Londýně roku 1910. Měl velmi vzdělané rodiče – jeho otec, důlní inženýr, mluvil osmi jazyky, zatímco matka Mary vystudovala Stanfordovu Univerzitu a patřila k prvním Američankám, kterým se něco takového podařilo. Shockley sám měl z hlediska vzdělání jasnou dráhu – Caltech dokončil v roce 1932 a na MIT si udělal doktorát o čtyři léta později. Již od svých studií patřil k nejvýznamnějším odborníkům v elektrotechnice, především co se týče vodivosti materiálů.

William Shockley

elektrotechnik, věděc, držitel Nobelovy ceny za vynález tranzistoru, zakladatel první laboratoře na elektronické součástky v dnešním Silicon Valley

  • narození: 13. února 1910
  • úmrtí: 12. srpna 1989
  • původ: Anglie, ale většinu života prožil v USA

Za války se dostal do Bellových laboratoří, kde spolupracoval na vývoji radaru, a později se stal šéfem „think tanku“ na Kolumbijské univerzitě, kde se rozvíjely metody používání radaru v boji s ponorkami a další podobné aktivity. Za svou práci byl oceněn medailí.

Z jeho aktivit během válečného období zaujme překvapivý fakt, že je autorem zprávy s odhady pravděpodobných ztrát při invazi do Japonska. Shockley v ní tvrdil, že přijde o život 5 až 10 milionů Japonců a až 800 000 Američanů. Právě na základě této zprávy bylo rozhodnuto o atomovém bombardování. V kontextu těchto čísel se jednalo o optimální variantu.

Poté, co válka skončila, se William Schockley vrátil do Bellových laboratoří, aby zde společně se Stanleyem Morganem vedl výzkum na poli polovodičových součástek. Válka a s ní spojený rozvoj radarů a bezdrátového spojení totiž jasně ukázala nutnost nové součástky, která by nahradila zastaralé elektronky.

Jak se zrodila trioda, předchůdce tranzistoru

Tvůrci tehdejších elektronických přístrojů bojovali s úkolem, jak zesílit velmi slabý signál, přicházející z antény. Cesta k řešení byla dlouhá a začala už u Edisona, který si povšiml, že pokud do baňky žárovky z rozžhaveným vláknem přivede další drátek, prochází mezi žhaveným vláknem a přiloženým vodičem proud. Edisonovi se tento pokus nesmírně zalíbil, nicméně nedokázal jít dál.

To se povedlo Johnu Amrose Flemingovi, který v roce 1904 vynalezl první elektronku – diodu. Pozor, ta nemá nic společného s naší dnešní diodou. Flemingova dioda, tedy elektronka o žhavené katodě a chladné anodě, měla sloužit k detekci rádiových vln.

Klepněte pro větší obrázek 
První prototyp Flemingovy elektronky z roku 1904 (zdroj: Wikipedia, volné dílo)

Jen o dva roky později napadlo nezávisle hned dva vědce – Rakušana Roberta von Liebena a především Lee de Forresta – že by se dioda dala ještě vylepšit. Právě de Forrest v roce 1905 vynalezl Audion, elektronku se zabudovanou mřížkou, kterou postupně zdokonaloval. V roce 1907 dospěl ke konečné verzi, kdy síťka byla umístěna mezi žhavené vlákno a anodu. Malou změnou napětí na síťce se dal regulovat proud elektronů mezi vláknem a anodou. Tak se zrodila trioda.

Audion měl původně sloužit k lepší detekci rádiových vln. K revolučnímu nápadu, že by by se dal použít i jako zesilovač, došlo až v roce 1912. 

Jakmile bylo možné pomocí triody rádiový signál zesilovat, začala se masově vyrábět rádia a bylo možné začít s rozhlasovým vysíláním. K tomu došlo ve dvacátých letech. Tehdejší přijímače se dělily na jednolampovky a dvoulampovky, podle počtu použitých triod. Zatímco s jednou to nebyla žádná velká hitparáda, jelikož zesílení bylo pouze malé, stejně jako ladící rozsah, se dvěma triodami už se dalo stvořit rádio na svou dobu neomezených možností. Jen bylo poněkud větší.

Rusko bylo o 10 let napřed, ale jen teoreticky

Triody byly docela velké a ještě ke všemu křehké – jednalo se o skleněnou baňku s vakuem uvnitř. A vzhledem k nutnosti žhavit jednu z elektrod byly i nehospodárné. Chtělo to něco víc, nějakou jednoduchou součástku pokud možno z pevné látky, která s minimem proudu dokáže to samé. A bude levná.

Právě do toho se pustil Shockley se svým kolektivem. Před válkou se v elektrotechnice používalo jen velice málo součástek založených na pevné látce. Kondenzátory byly většinou elektrolytické, o triodách jsme si povídali, no a jedinou „moderní“ součástkou tak byly odpory a selenové usměrňovače, předchůdci dnešních diod. Teorie, jak je v materiálech vlastně veden proud a proč jsou některé polovodiče takovým zvláštním mezistupněm, ta neexistovala, respektive byla plná dohadů.

Tranzistor

Polovodičová součástka, která je nezbytným základem logických obvodů. Kromě funkce řízeného spínače zastává i funkci proudového či napěťového zesilovače.

Jedním z problémů, proč se v meziválečném období nepřistoupilo ke studiu vedení proudu v polovodičích, byly používané materiály. Tehdy se jako polovodiče používaly oxidy mědi, sulfidy olova či kadmia, což vše byly látky s poměrně velkým podílem nečistot a tudíž dost nevyzpytatelným a teoreticky nevysvětlitelným chováním.

Stejnou problematiku studovali i jiní vědci. Už v roce 1938 přišel sovětský vědec Boris Davidov při zkoumání oxidu mědi na vlastnosti P-N přechodu. Vytvořil model a voltampérovou charakteristiku v zásadě shodnou s tím, co dokázal Shockley v roce 1949. Ačkoliv se například Shockleyho kolega John Bardeen s touto prací v roce 1947 seznámil, její důležitost pochopil až později. Davidovovy myšlenky se zkrátka neprosadily, protože působil kdesi v izolovaném socialistickém ráji... 

Vývoj tranzistoru

Shockley ve svém výzkumu vycházel z několika předpokladů. Jednak měl jasno, se kterým materiálem by se mělo experimentovat – s germaniem. To se velmi využívalo v době války pro přijímače tehdejších radarů, protože součástky založené na jeho krystalech dokázaly operovat až v gigahertzových frekvencích. Byly vyvinuty technologie pro vytváření velice čistých krystalů germania, kdy podle působení atomů bóru či fosforu vznikaly polovodiče typu N či P, zásadní pro budoucí tranzistory. Dokonce byl v Bellových laboratořích objeven P-N přechod, ovšem stále nebyla plně prozkoumána jeho funkcionalita.

Klepněte pro větší obrázek 
William Shockley je uprostřed mezi kolegy Johnem Bardeenem a Walterem Brattainem. Spolu vytvořili tranzistor a všichni tři dostaly za objev Nobelovu cenu (zdroj: Wikimedia, volné dílo)

Shockley vytvořil teorii, že vnější elektrické pole bude ovlivňovat vodivost polovodiče. Neměl nejmenší tušení o povrchových stavech na polovodiči. Když pokusy selhávaly, poprosil kolegu Waltera Bardeena, aby jeho výpočty překontroloval. Ten v květnu 1946 pochopil, kde je chyba. Pochopil, že chování elektronů na povrchu polovodiče je odlišné.

17. listopadu 1947 přišel Brattain se skvělým objevem. Zjistil, že pokud ponoří křemíkový polovodič do elektrolytu, dají se zmíněné povrchové stavy neutralizovat. Začátkem prosince, dle návrhu Bardeena, bylo místo křemíku použito germanium. Následovaly další pokusy, během kterého byla na germanium typu N nanesena tenká vrstvička oxidu germania typu P. Následně byl vytvořen plastový hrot, pokrytý tenkou zlatou fólií. Když byl tento hrot zatlačen s pomocí pružiny do povrchu germania, došlo k nepatrnému porušení oné fólie a vzniku štěrbiny. A tak vznikl 16. prosince 1947 první hrotový tranzistor – dokázal zesilovat proud až do frekvence 1 kHz. Je třeba zdůraznit, že na tomto typu tranzistoru se Shockley nepodílel.

Klepněte pro větší obrázek 
Walter Brattain u svého prototypu hrotového tranzistoru zavřeném ve vakuu

Když právníci Bellových laboratoři hodlali tuto novou součástku patentovat, zjistili, že už v roce 1925 si Julius Lilienfeld nechal patentovat tranzistor založený na působení elektrického pole. Nicméně, Lilienfeld svůj vývoj ukončil a objev zcela zapadl. Právníci se obávali, aby jejich objev nebyl napadnutelný, a proto v patentové žádosti zcela pominuli jakýkoliv Shockleyho podíl a jeho práce, v nichž se to zmíněným elektrickým polem jen „hemžilo“. Tím Shockleyho dost naštvali, protože je nesporné, že bez jeho základní práce by Brattain a Bardeen k výsledku nedošli.

Naštvaný Shockley s novým nápadem

Kromě toho, že se Shockley naštval, tak se i namotivoval. Mrzelo ho, že samotný hrotový tranzistor nevynalezl – zabýval se v té době studiem dislokací v materiálech a výzkum tranzistoru šel trošku mimo něj. Sám po pětadvaceti letech přiznal zklamání, že na tak zásadním objevu nenesl svůj podíl. A rozhodl se s tím něco udělat – nejlépe objevit něco ještě lepšího.

Přechod P-N

Z čistého polovodičového materiálu lze příměsí získat materiály, ve kterých lze kontrolovat pohyb elektronů tím, že se v materiálu objeví (typ N) či naopak ubudou (typ P) volné elektrony. Při kontaktu těchto materiálů vznikne hradlo, které propouští elektrický proud jen jedním směrem. To je základ pro diodu, s další vrstvou s řídící elektrodou pak vznikne tranzistor.

Už 8. prosince 1947, tedy ještě před vynálezem hrotového tranzistoru, si ve svém poznámkovém bloku poznamenal zajímavou myšlenku. Co zkusit více vrstev různých polovodičů? Co zkusit „sendvičově“ propojit vrstvy N-P-N? Nicméně, v tomto prvním nástřelu si to ještě představoval špatně, protože prostřední „P“ v jeho představě neměla být báze, kontrolující průchod proudu, ale překvapivě emitor i kolektor. Proud měl skrze tuto vrstvu proudit podélně, zatímco dvě krajní vrstvy N měly být schopny tento proud regulovat. Když teoreticky tento zvláštní „tranzistor se dvěma bázemi“ prostudoval, zjistil, že to nefunguje. Leč už 23. ledna 1948 zkusil uvedený model prozkoumat znovu, ale tentokráte jinak. Správně.

Tím se zrodil klasický tranzistor. Takový, jaký jej známe, složený z vrstev polovodičů místo hrotu. Pravda, ještě dva roky trvalo, než se Shockleyho tranzistor podařilo vyrobit. Gordon Teal, chemik, totiž upozorňoval, že se tento tranzistor musí vyrábět pouze z monokrystalických tenkých vrstev. První experimenty ovšem započaly s polykrystalickými vrstvami, což nefungovalo. Naštěstí, Jack Morton, šéf experimentálního oddělení, teorii důvěřoval, věnoval velkou pozornost vylepšení krystalizace, takže v dubnu 1950 byl první N-P-N tranzistor hotový. A perfektně fungoval.

Založil první firmu Křemíkového údolí

Shockley si velice rychle uvědomil, že je jeho tranzistor pro masovou výrobu mnohem vhodnější, než hrotový. Poté, co dokončil svůj odborný opus magnum „Elektrony a díry v polovodičích“ se zamýšlel nad možností, že by z nových polovodičových součástek také mohl zbohatnout. Ano, sice si tranzistor nechal patentovat, ale poplatky vybíraly Bellovy laboratoře (25 tisíc dolarů za licenci). Samozřejmě, byl ctěn a nominován na Nobelovu cenu, kterou s Brattainem a Bardeenem v roce 1956 i získal, ovšem chtěl se dokázat prosadit i v průmyslu. V letech 1954-56 přednášel na Stanfordu a zjišťoval, zda by některá velká firma nechtěla zasponzorovat založení jeho společnosti, která by vyvíjela nové přelomové součástky.

Klepněte pro větší obrázek 
A ještě jednou slavná trojka, která dala impuls k rozvoji elektroniky ve 20. století (zdroj: Wikimedia, volné dílo)

Nejprve jej odmítl Raytheon, ale následně uspěl u Beckham Instruments. Vlastník Arnold Beckham sice nevěřil, že by se Shockley dokázal v tvrdé průmyslové konkurenci prosadit, ale říkal si, že ten milion dolarů je vlastně pakatel. Možnost, že se díky tomu dostane k novým a skvělým součástkám, které Shockley vymyslí, byla lákavá. Shockley měl za úkol založit laboratoř, která vyvine součástky schopné masové výroby během dvou let. Laboratoř byla založena v Mountain View, kousek od Palo Alta, v místě dnes známém jako Silicon Valley (Křemíkové údolí).

Shockley zalovil v univerzitních vodách a najal skupinu mladých doktorandů, mezi nimi například Gordona Moorea a Roberta Noycea, kteří spolu později založili firmu Intel. Původní plán byla práce na bipolárních tranzistorech, ovšem Shockley se daleko více zajímal o tzv. Shockleyho diodu. Ta sice představovala zajímavý vědecký problém, ovšem po komerční stránce se jednalo o méně zajímavou záležitost.

Bez velkých peněz, ale s velkým uznáním

Jenže zde se ukázalo, že Shockley je možná skvělý vědec, ale mizerný manažer. V kolektivu malé laboratoře narůstalo napětí, které vyvrcholilo odchodem „osmi zrádců“ (jak je pojmenoval Shockley). Samotná Shockleyho dioda, v podstatě typ tyristoru, se na trhu pro svou nespolehlivost moc neujala a dnes už se vůbec nepoužívá (je nahrazena dynistorem). Zrádci byli daleko úspěšnější – založili Fairchaild Semiconductor, první velkou společnost nového průmyslu v budoucím Silicon Valley.

Klepněte pro větší obrázekShockley nakonec pochopil, že není byznysmen, a vrátil se zpět přenášet na Stanford. Po ukončení své akademické dráhy se postupně uzavřel před světem, a když v roce 1989 zemřel na rakovinu prostaty, byl zcela odcizen svým bývalým přátelům i své rodině. Dokonce i jeho děti se o jeho smrti dozvěděly z tisku.

Navzdory tomuto podivínskému konci si i jeho bývalí oponenti a nepřátelé dobře uvědomovali velikost tohoto muže. Byl to Shockley, který do Silicon Valley přinesl křemík – a to navzdory paradoxu, že on sám ve svých tranzistorech a diodách místo křemíku používal germanium.

Přečtěte si o dalších osobnostech počítačové historie:

Zdroj obrázků: Profimedia, pokud není uvedeno jinak

Témata článku: Hardware, Technologie, Osobnosti počítačové historie, Historie, Alan Turing, Tranzistory, SE, Silicon Valley, Walter, Proud, Houser, Magnum, Opus, Alta, Arnold

21 komentářů

Nejnovější komentáře

  • 684646 25. 3. 2015 14:34:27
    LUXUSNÍ VĚTVENÁ DISKUZE S WYSIWYG EDITOREM, ŽÁDNÉ PROVIZORNÍ UBOHÉ PHP-BB...
  • Dr.No64 20. 3. 2015 20:35:18
    a jak vlastně to údolí změnil, nějakou močůvku tam hnojil, nebo tam...
  • Pavelka IT amater 20. 3. 2015 20:14:32
    Občasné články z historie počítačů určitě patří k tomu nejzajímavějšímu...
Určitě si přečtěte

Novou superbaterii lze nabít za pár sekund, může prodloužit výdrž telefonu na více než týden

Novou superbaterii lze nabít za pár sekund, může prodloužit výdrž telefonu na více než týden

** Vědci vyvinuli nový nanomateriál pro tvorbu superkondenzátorů ** Ohebná struktura umožňuje použití i u nositelností ** Nová technologie umožní extrémně rychlé nabití a mnohem delší výdrž než současné Li-Ion baterie

26.  11.  2016 | Karel Javůrek | 36

Monitory do 10 tisíc: poradíme, jaké jsou teď nejlepší

Monitory do 10 tisíc: poradíme, jaké jsou teď nejlepší

** Dobrý monitor s kvalitním panelem lze pořídit pod tři tisíce korun ** Pod deset tisíc si můžete koupit pracovní 27" monitor nebo nejlevnější použitelné 4K ** Vybrali jsme také ideální model pro vícemonitorovou konfiguraci

27.  11.  2016 | Stanislav Janů | 13

Sbíječky vyměnili za klávesnice. Nový projekt má za cíl přeučit horníky na programátory

Sbíječky vyměnili za klávesnice. Nový projekt má za cíl přeučit horníky na programátory

** Programátorů je málo a horníků bez práce po uzavření dolu Paskov bude moc ** Problém řeší unikátní projekt ** Pilotní kurz dává naději, že by z horníků mohli být použitelní kodéři

28.  11.  2016 | David Polesný | 75