Уолтер Братейн

Фотографія Уолтер Братейн (photo Walter Brattayn)

Walter Brattayn

  • День народження: 10.02.1902 року
  • Вік: 85 років
  • Рік смерті: 1987
  • Громадянство: США

Біографія

Американський фізик Уолтер Хаузер Братейн народився р. Амой (Сяминь) на південно-сході Китаю. Син Росса Р. Браттейна, вчителі приватної школи для китайських дітей, і Оттіліі (Хаузер) Братейн, він був старшим з п’яти дітей. У ранньому дитинстві Б. сім’я повернулася в штат Вашингтон, де виросли старші Браттейны, і влаштувалася в Тонаскете. Його батько придбав ділянку землі, став власником скотарського ранчо і млини. Хлопчик відвідував школу в Тонаскете, потім вступив до Уайтмен-коледж в Бали Валла, вибравши в якості профілюючих предметів математику і фізику. Він став бакалавром в 1924 р. отримав ступінь магістра з фізики в Орегонському університеті в 1926 р. і захистив докторську дисертацію з фізики в Міннесотського університету 1929 р. Хоча Б. подобалася життя на ранчо, на лоні природи, фермерську працю він ненавидів. «Ходіння в пилу за трьома кіньми і бороною ось що зробило з мене фізика», – скаже він згодом.

Перші 7 років у лабораторіях «Белл» Б. вивчав такі явища, як вплив адсорбційних плівок на емісію електронів гарячими поверхнями, електронні зіткнення в парах ртуті, займався магнитометрами, інфрачервоними явищами і еталони частоти В той час головним електронним підсилювальним пристроєм була трехэлектродная вакуумна лампа (тріод), винайдена де Форестом в 1907 р. Ще в кінці XIX ст. Томас Едісон, займаючись проблемами електричного освітлення, виявив, що між розпеченій ниткою і другим електродом, якщо їх помістити в герметичну колбу, відкачати повітря і приєднати батарею, виникає електричний струм. Так народилася двухэлектродная лампа (діод) Пізніше фізики показали, що нитка випускає електрони, які несуть негативний заряд і притягуються позитивним електродом. Оскільки діоди проводять струм тільки в одному напрямку, вони стали використовуватися як випрямлячі, що перетворюють змінний, міняє напрям струм в постійний струм, що тече тільки в одному напрямку. Де Форест вставив дротяну сітку (решітку) між випромінювачем електронів (катодом) і позитивним електродом (анодом) Невелика зміна напруги на сітці веде до великим змін струму, поточного крізь сітку між катодом і анодом, тим самим дозволяючи підсилювати сигнал, прикладений до сітки. Висока температура, необхідна для емісії електронів, скорочує термін життя катода і псує електронну лампу. Б. виявив, що деякі тонкі катодні покриття забезпечують задовільну емісію при менших температурах, підсилюючи ефект і продовжуючи термін життя лампи.

Коли в 1936 р. в лабораторії «Белл» прийшов Вільям Шоклі, він швидко включився в дослідження властивостей матеріалів, які називаються напівпровідниками Його метою було замінити вакуумні електронні лампи приладами з твердих матеріалів, які були б менше розміром, менш крихкими і енергетично більш ефективними Електропровідність напівпровідників займає проміжне положення між електропровідністю провідників (головним чином металів) та ізоляторів і сильно змінюється при наявності навіть невеликих кількостей чи домішок. У перших напівпровідникових радіоприймачах використовувався контакт між витком тонкого дроту (усиком) і шматком мінералу галеніту (напівпровідником) для детектування малих сигналів від прийнятих антеною радіохвиль. Досліджуючи напівпровідники, Б. і Шоклі шукали матеріал, який міг би як детектувати, так і підсилювати сигнали Їх дослідження були перервані війною. З 1942 по 1945 р. вони працювали у відділі військових досліджень при Колумбійському університеті, де займалися застосуванням наукових розробок у протичовнової боротьби. Шоклі відійшов від досліджень ще раніше, щоб працювати над радаром.

Коли після війни Б. і Шоклі повернулися в лабораторії «Белл», до них приєднався фізик-теоретик Джон Бардін. В цій співдружності Б. виконував роль експериментатора, який визначав властивості і поведінку досліджуваних матеріалів і приладів. Шоклі висунув теоретичне припущення, що впливаючи на струм електричним полем від прикладеної напруги, можна отримати підсилювач з польовим впливом. Це поле повинно діяти аналогічно до того поля, яке виникає на сітці триодного підсилювача. Група створила багато приладів, щоб перевірити теорію Шоклі, але все безрезультатно.

Тут Бардину прийшла в голову думка, що поле не може проникнути всередину напівпровідника з-за шару електронів, розташованих на його поверхні. Це викликало інтенсивні дослідження поверхневих ефектів. Поверхні напівпровідників були піддані впливу світла, тепла, холоду, вони змочувалися рідинами (ізолюючими і провідними) і покривалися металевими плівками. У 1947 р., коли група глибоко розібралася в поведінці поверхні напівпровідників, Б. і Бардін сконструювали прилад, в якому вперше проявилося те, що пізніше стало відомо як транзисторний ефект. Цей прилад, названий точково-контактним транзистором, складався з кристала германію, що містить невелику концентрацію домішок. З одного боку кристала розташовувалися два контакти із золотої фольги, з іншого боку був третій контакт. Позитивне напруга прикладався між першим золотим контактом (емітером) і третім контактом (базою), а негативне напруга – між другим золотим контактом (колектором) і базою. Сигнал, що поступає на емітер, чинив вплив на струм у контурі колектор – база. Хоча цей прилад посилював сигнал, як і було задумано, але принцип його роботи не знаходив задовільного пояснення, що викликало новий тур досліджень.

Хоча теорія напівпровідників багато в чому вже була розроблена з допомогою квантової механіки, передбачення цієї теорії ще не знайшли адекватного кількісного підтвердження в експерименті. Атоми в кристалах тримаються разом за допомогою електронів, найбільш слабко зв’язаних зі своїми ядрами. У досконалому кристалі зв’язку, як прийнято говорити, «насичені» або «заповнені». Електрони важко відірвати, вони ледве пересуваються, що призводить до дуже високому електричному опору. Такий кристал являє собою ізолятор. Однак вкраплення чужорідних атомів, які не цілком підходять до даної структури, призводять до появи надлишкових електронів, здатних брати участь в електричному струмі, або до дефіциту електронів, відомому як «дірки». В математичній моделі дірки рухаються, як якщо б вони були позитивно зарядженими електронами, хоча і з іншою швидкістю. Фактично дірки являють собою місця, покинуті електронами, і, отже, все виглядає так, як якщо б дірки рухаються в протилежному напрямку, в той час як електрони рухаються в прямому напрямку, заповнюючи раніше порожні місця і утворюючи нові дірки там, звідки вони пішли. Виявилося, що для пояснення дії транзистора потрібно враховувати комплексне взаємодія домішок різних видів і концентрацій, локальний характер контактів між різними матеріалами і внесок, який дають струм як електрони, так і дірки. Важлива роль дірок не була належною мірою передбачити заздалегідь.

Шоклі передбачив, що прилад можна поліпшити, замінивши металлополупроводниковые контакти більш якісними контактами між різними типами напівпровідників, в одному з яких домінують надлишкові електрони (n-тип), а в іншому дірки (p-тип). Вдала модель, названа площинним транзистором, була зроблена в 1950 р. Вона складалася з тонкого шару p-типу, розташованого – зразок сандвіча – між двома шарами n-типу з металевими контактами в кожному шарі. Цей прилад працював саме так, як і передбачав Шоклі. Площинні транзистори стали широко використовуватися замість точково-контактних типів, оскільки їх було легше виготовляти і вони краще працювали. Ранню ідею Шоклі, транзистор з польовим впливом, довго не вдавалося здійснити, оскільки серед доступних матеріалів не було підходящих. Працює польовий транзистор був побудований на основі кристалів кремнію, коли методи вирощування і очищення кристалів досить далеко просунулися вперед.

Подібно до електронної лампи, транзистори дозволяють невеликого струму, поточного в одному контурі, контролювати набагато більший струм, поточний в іншому контурі. Транзистори швидко витіснили радіолампи всюди, за винятком тих випадків, де необхідно управляти дуже великою потужністю,як, наприклад, радіомовлення або в промислових нагрівальних радіочастотних установках. Біполярні транзистори зазвичай використовуються там, де потрібна висока швидкість, так само як і в високочастотних установках, де немає нагальної необхідності застосовувати електронні лампи. Польові транзистори – це основний тип транзисторів, що використовуються в електронних приладах. Його легше виготовляти, а енергії він споживає навіть менше біполярного транзистора. Хоча частина транзисторів ще роблять з німеччина, велика частина їх виготовляється з кремнію, який більш стійкий до впливу високих температур. З подальшим розвитком технології стало можливим розташовувати в одному шматочку кремнію до мільйона транзисторів, і це число продовжує зростати. Подібні кремнієві блоки служать основою для швидкого розвитку сучасних комп’ютерів, засобів зв’язку і управління.

Нобелівську премію з фізики за 1956 р. Б. розділив з Бардіном і Шоклі. Вони були нагороджені «за дослідження напівпровідників і відкриття транзисторного ефекту». У своїй Нобелівській лекції «Поверхневі властивості напівпровідників» («Surface Properties of Semiconductors») Б. підкреслив важливість поверхонь, «де відбувається багато, якщо не більшість, цікавих і корисних явищ. В електроніці з більшістю, якщо не з усіма, елементів контуру пов’язані нерівноважні явища, що відбуваються на поверхнях».

Подальші дослідження Б., присвячені властивостей напівпровідників і їх поверхонь, були надзвичайно важливими для польових транзисторів, які дуже чутливі до поверхневих дефектів, і для сонячних батарей, властивості яких визначаються електричними властивостями поверхні.

У 1935 р. Б. одружився на Керен Джилмор, що займалася фізичною хімією; у них був син. У 1957 р. вона померла, а через рік Б. одружився на Еммі Джейн Кірш Міллер. Б. відомий як людина пряма і щира. Серед його захоплень – гольф, риболовля і читання книг.

Серед інших нагород Б. можна назвати медаль Стюарта Баллантайна Франклиновского інституту (1952), премію Джона Скотта р. Філадельфії (1955) і почесну нагороду випускникам Орегонського університету (1976). Він володіє п’ятьма почесними докторськими ступенями, складається членом Національної академії наук і Почесного товариства винахідників, а також є членом Американської академії наук і мистецтв, Американської асоціації сприяння розвитку науки і Американського фізичного товариства.