Это было в понедельник. Всю неделю они с переменным успехом проверяли всяческие теоретические предположения и экспериментировали. К пятнице Бардин придумал, как избавиться от необходимости погружать устройство в воду. Вместо этого, предложил он, можно просто капнуть воду или небольшое количество геля прямо в то место, где острый металлический наконечник утыкается в кремний. «Здорово, Джон, — обрадовался Браттейн. — Давай попробуем». Нельзя было допустить, чтобы металлический наконечник вступал в контакт с каплей воды. Но Браттейн был волшебником, умевшим импровизировать. С этой проблемой он справился с помощью сургуча. Браттейн нашел хорошую кремниевую пластинку, чуть-чуть капнул на нее водой, покрыл кусочек проволоки сургучом, чтобы изолировать ее от воды, и, пропустив проволоку через каплю воды, воткнул ее в кремний. Сработало. Его устройство давало возможность, правда немного, усилить ток. Из этой хитро придуманной конструкции «точечного контакта» родился транзистор.
На следующее утро Бардин зашел к себе в кабинет, чтобы зафиксировать полученный результат в своих записях: «Эти опыты определенно указывают на то, что электрод или решетку можно использовать для контроля тока в полупроводнике»[278]. Он даже появился на работе в воскресенье, хотя обычно этот день он оставлял для гольфа. Кроме того, они с Браттейном решили, что настало время пообщаться с Шокли, который уже несколько месяцев был погружен в другие дела. В течение следующих двух недель он часто спускался к ним на этаж вниз со своими предложениями, но в основном давал возможность этой энергичной паре самостоятельно продвигаться вперед.
Сидя в лаборатории Браттейна прямо рядом с его рабочим местом, Бардин спокойно выдвигал идеи, а тот лихорадочно проверял их. Иногда, когда шли эксперименты, их результаты в журнал Браттейна записывал Бардин. День благодарения прошел незамеченным. Они тестировали различные устройства, используя германий вместо кремния, проверяли, что лучше, лак или сургуч, и подходит ли золото для наконечников электродов.
Обычно эксперименты Браттейна следовали за теориями Бардина, но иногда случалось и обратное: неожиданные результаты экспериментов становились стимулом для рождения новых теорий. В одном из экспериментов с германием ток, по-видимому, тек в направлении, обратном тому, которое они ожидали. Но коэффициент усиления по току был больше трехсот, что значительно превосходило все их предыдущие достижения. Из-за этого Браттейну и Бардину пришлось сыграть в старую шутливую игру физиков: они знали, что на практике этот подход работает, но могут ли они заставить его работать в теории? Вскоре Бардин придумал, как это можно сделать. Он понял, что отрицательная разность потенциалов уносит электроны, приводя к увеличению числа «электронных дырок». Дырка образуется там, где мог бы существовать электрон, но его там нет. Существование таких дырок вызывает поток электронов.
Была одна сложность: новый метод не позволял усиливать высокие частоты, включая частоты слышимого звука. И это делало его бесполезным для телефонов. Бардин предположил, что дело в капле воды или электролита. Поэтому он сразу предложил несколько других устройств. В одном из них место присоединения проводящей проволоки к германию находилось на крошечном расстоянии от золотой пластины, создающей поле. Напряжение повысить удалось, по крайней мере немного, и устройство работало на более высоких частотах. И опять у Бардина была наготове теория для этих, полученных с помощью шестого чувства, результатов: «Эксперимент подсказывает, что дырки перетекают на поверхность германия из пятнышка золота»[279].
Бардин и Браттейн неуклонно продолжали творческий поиск. Они сообразили, что лучший способ увеличить коэффициент усиления — внедрить в германий два точечных контакта, расположенных по-настоящему близко друг к другу. Бардин рассчитал, что расстояние между ними должно быть меньше одной десятой миллиметра. Это была сложная задача даже для Браттейна. Но он придумал остроумный прием: наклеил кусочек золотой фольги на небольшой пластиковый клин, напоминавший наконечник стрелы, а затем лезвием бритвы сделал тонкий разрез в фольге вблизи вершины клина. Так получилось два точечных контакта из золота, расположенных достаточно близко друг от друга. «Только это я и сделал, — вспоминал Браттейн. — Я осторожно вел бритву до тех пор, пока не появился круговой разрез, положил его на пружинку и опустил на тот же кусок германия»[280].
Когда Браттейн и Бардин испробовали это хитроумное устройство 16 декабря 1947 года, свершилось чудо: устройство работало. «Я обнаружил, что, если вогнать клинышек правильно, — вспоминал Браттейн, — получается усилитель, усиливающий примерно в сто раз и работающий вплоть до звукового диапазона»[281]. Вечером по пути домой разговорчивый Браттейн подробно излагал своим спутникам, которых развозили по домам в служебном автомобиле, что только что он «сделал наиважнейший из всех проведенных им в жизни экспериментов». Затем он взял с них обещание никому ничего не рассказывать[282]. Бардин, по своему обыкновению, был менее разговорчив. Но, придя домой, он сделал нечто необычное: он заговорил с женой о том, что происходило на работе. Бардин произнес всего одно предложение. Его жена была на кухне. Она чистила морковку возле раковины, когда он тихо пробормотал: «Сегодня мы открыли нечто важное»[283].
В самом деле, транзистор стал одним из самых важных открытий ХХ века. Он появился в результате сотрудничества теоретиков и экспериментаторов, работавших бок о бок в тесном контакте, обменивавшихся в реальном времени теориями и результатами экспериментов. Он появился и благодаря обстановке, в которой они работали. Они бродили по длинным коридорам, сталкиваясь со специалистами, знавшими, как обращаться с примесями в германии, или участвовали в семинарах, где были люди, умевшие объяснить наличие поверхностных состояний на языке квантовой механики. В кафетерии за одним столиком с ними были инженеры, до тонкости изучившие все возможности передачи сигналов по телефону на большие расстояния.
На следующий четверг, 23 декабря, Шокли созвал остальных членов своей полупроводниковой группы и некоторых руководителей Bell Labs, чтобы продемонстрировать новое устройство. Эксперты надели наушники и по очереди говорили в микрофон, так что они сами слышали, как простое твердотельное устройство усиливает человеческий голос. Сказанное тогда вполне могло стать не менее известно, чем первые слова, которые Александр Белл прокричал в телефон, но никто не мог вспомнить, что было произнесено в тот знаменательный день. Это событие сохранилось для истории благодаря сдержанным записям в лабораторном журнале. «Включая и выключая устройство, можно было слышать явное улучшение уровня чувствительности микрофона», — записал Браттейн[284]. Запись Бардина была еще более сухой: «Получено усиление напряжения путем использования двух золотых электродов на специально подготовленной поверхности германия»[285].
Шокли борется за главенство
Шокли расписался в лабораторном журнале под исторической записью Бардина как свидетель, но сам в этот день ничего не написал. Он явно был в замешательстве. Успех группы должен был бы его радовать, но чрезмерное, скрываемое от других чувство соперничества этому препятствовало. «Мои чувства были противоречивы, — заметил он позднее. — Ликование вместе с группой по поводу успеха умерялось тем, что я не вошел в число изобретателей. Я был раздосадован: я начал этим заниматься более восьми лет назад, но все мои попытки существенных практических результатов не дали»[286]. Злые демоны все больше терзали его душу. Он навсегда перестал быть другом Бардина и Браттейна. Вместо этого он начал судорожно работать. Он хотел на равных претендовать на участие в изобретении, для чего надо было создать улучшенный вариант такого устройства.
Вскоре после Рождества Шокли отправился на поезде в Чикаго. Он должен был участвовать в двух конференциях, но большую часть времени провел в своей комнате в отеле «Бисмарк», занимаясь пересмотром метода, на основе которого работало новое устройство. Накануне Нового года, когда остальные участники конференции танцевали внизу в зале отеля, он записал свои результаты на семи листах линованной бумаги. Встав утром в первый день нового, 1948 года, он исписал еще тринадцать страниц, которые авиапочтой отправил своим коллегам в Bell Labs. Они вклеили их в лабораторный журнал Шокли и попросили Бардина расписаться как свидетеля.
К этому времени Мервин Келли поручил одному из юристов Bell Lab как можно быстрее составить патентные заявки на новое изобретение. Вернувшись из Чикаго, Шокли обнаружил, что вопрос о патенте с Бардиным и Браттейном уже обсуждался, что его расстроило. Он вызвал их одних к себе в кабинет и объяснил, почему именно ему принадлежит приоритет, а может, и вся слава за сделанное открытие. «Он думал, — вспоминал Браттейн, — что патент на эту чертову штуку он сможет написать, основываясь на эффекте поля». Бардин, как обычно, промолчал, пробормотав только, когда все закончилось, что-то невнятное. Браттейн же, по своему обыкновению, был резок. «К черту, Шокли, — заявил он. — Славы хватит на всех»[287].
Шокли давил на юристов Bell Labs. Он хотел, чтобы заявка на патент была составлена максимально широко и основывалась на его исходной идее о влиянии эффекта поля на ток в полупроводнике. Но занимавшиеся этим вопросом юристы обнаружили, что подобный патент был выдан в 1930 году малоизвестному физику Юлию Лилиенфельду. Он предложил некое устройство на основе эффекта поля, которое, однако, никогда не было реализовано, и вообще было непонятно, о чем шла речь. Но юристы решили сузить заявку и запатентовать полупроводниковое устройство, работающее на основе точечного контакта. В этом случае в заявку попадали только имена Бардина и Браттейна. Юристы поговорили с каждым из них отдельно, и оба сказали, что это результат совместных усилий и вклад каждого из них равноценен. Шокли был в ярости: в самую важную патентную заявку он не попал. Администрация Bell Labs постаралась замять ссору, выдвинув требование, чтобы на всех фотографиях они были втроем и во всех пресс-релизах упоминались тоже все трое.
В течение последующих нескольких недель беспокойство Шокли только нарастало, он даже стал плохо спать[288]. Вся его «энергия мысли», как он это называл, была подчинена «желанию быть не просто главой группы, но и играть более значительную роль в развитии событий, последствия которых, несомненно, будут чрезвычайно важны»[289]. Глубокой ночью он метался, размышляя о возможности улучшить это устройство. Рано утром 23 января 1948 года, через месяц после демонстрации изобретения Бардина и Браттейна, Шокли проснулся с мыслью о том, как свести воедино идеи, пришедшие ему в голову во время поездки в Чикаго. Присев за кухонный стол, он начал яростно писать.
Идея Шокли сводилась к тому, что есть способ сделать полупроводниковый усилитель существенно более надежным, чем устройство, сооруженное «на коленке» Бардиным и Браттейном из подручных материалов. Он придумал более простой, связанный с «переходом» способ. Золотые точки на поверхность германия наносить не надо. Устройство должно напоминать сэндвич, у которого сверху и снизу слои германия со специально введенными примесями, так что образуется излишек электронов, а посередине — тонкая прослойка из германия, в котором есть дырки, т. е. дефицит электронов. Слои с избыточными электронами называются германием n-типа, от слова negative (отрицательный), а слои, где их не хватает, или слои с дырками, можно назвать германием n-типа, от слова positive (положительный). К каждому из слоев подсоединена проволочка, что позволяет подавать на них напряжение. Средний слой — это барьер, величину которого можно менять, подстраивая напряжение. Он регулирует поток электронов между верхним и нижним слоями. Если к барьеру приложить небольшую положительную разность потенциалов, то, как написал Шокли, «увеличение потока электронов через барьер будет экспоненциальным». Чем больше положительный заряд этого внутреннего слоя p-типа, тем больше электронов он будет переносить с одного из внешних слоев n-типа на другой. Другими словами, это возможность усиливать или отключать ток, текущий через полупроводник, на что требуется всего лишь одна миллиардная доля секунды.
Шокли записывал кое-что в свой лабораторный журнал, но почти месяц скрывал от всех новую идею. «Меня подстегивало чувство соперничества: самому сделать какое-нибудь важное изобретение в области транзисторов», — признавался он позднее[290]. До середины февраля он ничего не рассказывал своим коллегам. Так продолжалось до семинара, где один из сотрудников Bell Labs докладывал работу на близкую тему. Шокли вспоминал, что «пришел в смятение», когда тот начал говорить о результатах, которые в какой-то степени могли послужить теоретическим обоснованием возможности создания устройства на p-n-переходе. Он понял, что кто-то из сидящих в аудитории, скорее всего Бардин, может сделать следующий логический шаг. «С этого места, — утверждал Шокли, — до идеи вместо точечного контакта использовать p-n-переход был всего один маленький шажок, что открывало путь к планарному транзистору». Поэтому прежде чем Бардин или кто-то другой мог бы успеть предложить подобное устройство, Шокли подскочил, вышел на сцену и, перестав скрытничать, рассказал, над каким устройством работает. «Я не хотел, чтобы меня обошли и здесь», — написал он позднее[291].
Бардин и Браттейн были поражены: Шокли сделал из своей новой идеи тайну, нарушив тем самым кодекс поведения, принятый в Bell Labs. Но и они не могли не восхищаться простотой и красотой подхода Шокли.
После того как патентные заявки на оба метода были поданы, руководство Bell Labs решило, что пришло время рассказать о новом устройстве. Но надо было дать ему имя. Сначала новое устройство называли «полупроводниковым триодом» и «усилителем на поверхностных состояниях», однако эти неброские наименования не подходили изобретению, которое, как они справедливо считали, полностью изменит мир. Как-то один из сотрудников Bell Labs по имени Джон Пирс забрел в кабинет Браттейна. Он был хорошим инженером, и язык у него тоже был прекрасно подвешен: под псевдонимом Дж. Дж. Каплинг он писал научно-фантастические романы. Пирс был славен своими остроумными замечаниями. Например, такими: «Природа ненавидит вакуумные лампы» и «После периода бурного роста вычислительная техника, похоже, впадает в детство». Браттейн объявил: «Ты именно тот человек, который мне нужен». Он поднял вопрос о названии, и буквально сразу Пирс предложил: поскольку устройство является активной частью полного сопротивления (по-английски transresistance), его надо назвать транзистор по аналогии с такими приборами, как термистор и варистор[292]. Браттейн воскликнул: «Точно!» Но формально название надо было поставить на голосование, опросив всех инженеров. Слово «транзистор» легко обошло пять других претендентов[293].
Тридцатого июня 1948 года корреспонденты собрались в аудитории старого здания Bell Labs на Вест-стрит на Манхэттене. Главная роль в этом событии отводилась Шокли, Бардину и Браттейну. Встречу вел руководитель научно-исследовательских работ Ральф Боун, одетый в темный костюм с ярким галстуком-бабочкой. Он подчеркнул, что изобретение стало возможно как благодаря общей слаженной работе, так и блестящим способностям каждого из ее членов: «Все яснее становится, что научные исследования являются результатом совместных усилий группы ученых… То, что мы сегодня припасли для вас, прекрасный пример работы команды, выдающихся способностей отдельных ученых и ценности фундаментальных исследований для промышленности»[294]. Это было точное описание сочетания необходимых условий, которое в эпоху цифровых технологий превратилось в формулу инновационных разработок.
The New York Timss фактически похоронила эту историю, поместив ее на 46-ю страницу в самом конце колонки «Новости радио», за сообщением о предстоящей трансляции органного концерта. Но Tims рассказ об этой встрече сделал главным в разделе науки, снабдив заголовком «Маленькая интеллектуальная ячейка». В Bell Labs настояли на соблюдении правила: на каждой опубликованной фотографии вместе с Бардиным и Браттейном должен быть и Шокли. На самой известной из них они все трое сняты в лаборатории Браттейна. Шокли сидит в кресле Браттейна. На фотографии он центральная фигура, и создается впечатление, что это его стол и его микроскоп. Годы спустя Бардин опишет давешнее смятение и негодование Браттейна: «Дружище, Уолтер ненавидит эту фотографию… Это аппаратура Уолтера, это наш эксперимент, а Билл никакого отношения к этому не имеет»[295].
Транзисторные радиоприемники
Bell Labs была тем местом, где, словно в котле, варились новые идеи. Кроме транзисторов, они были первыми в разработке схем элементов вычислительных машин, в лазерных технологиях и сотовой связи. Однако там не слишком хорошо умели извлекать выгоду из своих изобретений. Bell Labs была частью компании, имевшей монополию практически на все относящееся к телефонии. Государство регулировало деятельность этой компании, и поэтому там не слишком стремились выпускать новую продукцию, а законодательство не позволяло ей распространять свою монополию на другие рынки. Чтобы избежать недовольства публики и судебных исков в связи с нарушением антимонопольного законодательства, компания часто передавала права на свои патенты другим организациям. Цена, за которую Bell Labs была согласна уступить патент на транзистор любой компании, согласной заняться их производством, была чрезвычайно низкой: всего 25 тысяч долларов. Предлагалось даже проводить семинары, где объяснялась бы технология их изготовления.