Нобелови лауреати – 1956 година

Уолтър Х. Братейн (Walter H. Brattain)

10 февруари 1902 г. – 13 октомври 1987 г.

Нобелова награда за физика, 1956 г. (заедно с Уилям Б. Шокли и Джон Бардийн)

(За изследването на полупроводниците и откриването на транзисторния ефект.)

Американският физик Уолтър Хаузър Братейн е роден в град Амой (Сямън) в Югоизточен Китай. Син е на Рос Р. Братейн, учител в частно училище за китайски деца, и Отили (Хаузър) Братейн. Той е най-големият от петте им деца. В ранните години на Братейн семейството се връща в щат Вашингтон, родното място на прадедите от рода Братейн, и се установява в Тънаскит. Бащата купува участък земя и става стопанин на скотовъдно ранчо и мелница. Момчето ходи на училище в Тънаскит, след това постъпва в колежа „Уитмън“, като избира за профилиращи предмети математиката и физиката. Става бакалавър през 1924 г., получава степента магистър в Орегонския университет през 1926 г. и защитава докторска дисертация по физика в Минесотския университет през 1929 г. Макар че харесва живота в ранчото, сред природата, Братейн не обича фермерския труд. „Ходенето в прахта след трите коня и браната ме направи физик“ - казва по-късно тай.

В рамките на докторската си програма Братейн прекарва академичната 1928-1929 година в Националното бюро за стандарти на САЩ, където работи над увеличаването на точността на измерването на времето и на честотата на колебанията, а също така помага да се разработи портативен генератор с температурно регулиране. През 1929 г. постъпва в лабораториите на „Бел телефон“ като физик-изследовател и работи там до излизането си в оставка през 1967 г., след което се връща в колежа „Уитмън“, за да преподава физика и да се занимава с изучаването на живите клетки.

През първите седем години в лабораториите на „Бел“ Братейн изучава явления като влиянието на адсорбционните плаки върху електронните емисии от нагорещени повърхности и електронните сблъсъци в живачните пари, занимава се с магнитометрите, инфрачервените явления и еталоните за чистота. По това време основно електронно усилвателно устройство е триелектродната вакуумна лампа (триода), изобретена от Лий де Форест през 1907 г. Още в края на XIX в. Томас Едисън, изследвайки проблемите на електрическото осветление, открива, че между нажежената жичка и втория електрод, ако се поставят в херметична вакуумна колба и се свържат с батерия, се появява електрически ток. Така възниква двуелектронната лампа (диодът). По-късно физиците доказват, че жичката излъчва електрони, които имат отрицателен заряд и се привличат от положителния електрод. Понеже провеждат ток само в едно направление, диодите започват да се използват като токоизправители, превръщащи променливия (променящия направлението си) ток в постоянен, протичащ само в едно направление. Де Форест поставя проводникова мрежа (решетка) между излъчвателя на електрони (катода) и положителния електрод (анода). Малка промяна на напрежението в мрежата води до голяма промяна на тока, протичащ през нея между катода и анода, като позволява по този начин да се усили сигналът, приложен към мрежата. Високата температура, необходима за електронната емисия, намалява срока на годност на катода и разваля електронната лампа. Братейн открива, че някои тънки катодни покрития осигуряват удовлетворителна емисия при по-ниски температури, усилвайки ефекта и увеличавайки срока на годност на лампата.

Когато през 1936 г. в лабораториите на „Бел“ идва Уилям Шокли, той се включва бързо в изследването на свойствата на материалите, наречени полупроводници. Целта му е да замени вакуумните електронни лампи с прибори от твърди материали, които да са с по-малък размер, по-малко чупливи и енергетично по-ефективни. Електропроводимостта на полупроводниците е междинна по отношение на електропроводимостта на проводниците (преди всичко металите) и електропроводимостта на изолаторите и се променя силно при наличието на дори малко количества примеси. В първите полупроводникови радиоприемници се използва контакт между намотка от тънка жичка и парченце галенит (полупроводников минерал) за детектиране на слаби сигнали от приеманите от антените радиовълни. Изследвайки полупроводниците, Братейн и Шокли търсят материал, който би могъл едновременно да детектира и да усилва сигналите. Изследванията им са прекъснати от войната. От 1942 до 1945 г. те работят в отдела за военни изследвания към Колумбийския университет, където се занимават с приложение на научните изследвания в борбата с подводниците. Шокли се оттегля от изследванията малко по-рано, за да работи над радара.

Когато след войната Братейн и Шокли се връщат в лабораториите „Бел“, към тях се присъединява физикът теоретик Джон Бардийн. В това съдружество Братейн изпълнява ролята на експериментатор, който определя свойствата и поведението на изследваните материали и прибори. Шокли изказва теоретичното предположение, че като се въздейства на тока с електрическо поле от приложеното напрежение, може да се получи усилвател с полево въздействие. Това поле трябва да действа аналогично на полето, което се появява на мрежата на триодния усилвател. Групата създава много прибори, за да провери теорията на Шокли, но всичко е безрезултатно.

Тогава на Бардийн му хрумва мисълта, че полето не може да проникне в полупроводника заради слоя електрони, разположени по неговата повърхност. Това довежда до интензивно изследване на повърхностните ефекти. Учените подлагат повърхностите на полупроводниците на въздействието на светлина, топлина, студ, промиват ги с течности (изолиращи и провеждащи ток) и ги покриват с металически слоеве. През 1947 г., когато групата усвоява задълбочено поведението на полупроводниковите повърхности, Братейн и Бардийн конструират прибор, в който за първи път се появява това, което по-късно става известно като транзисторен ефект. Този прибор, наречен точков контактен транзистор, се състои от германиев кристал, съдържащ слаба концентрация от примеси. От едната страна на кристала има два контакта от златно фолио, от другата има трети контакт. Положителното напрежение се прилага между първия златен контакт (емитер) и третия контакт (база), а отрицателното напрежение – между втория златен контакт (колектор) и базата. Сигналът, постъпващ в емитера, влияе на тока в контура колектор–база. Макар че този прибор усилва сигнала, както е замислено, принципът на неговата работа не намира удовлетворително обяснение, което предизвиква нова серия от изследвания.

Макар че теорията за полупроводниците е разработена вече доста с помощта на квантовата механика, предсказанията на тази теория още не намират адекватното количествено потвърждение в експериментите. Атомите в кристалите се държат заедно с помощта на електроните, които са най-слабо свързани със своите ядра. В съвършения кристал връзките, както е прието да се казва, са „наситени“ или „запълнени“. Електроните могат да бъдат откъснати трудно, те се придвижват трудно, което довежда до много високо електрическо съпротивление. Такъв кристал е изолатор. Но въвеждането на чужди атоми, които не подхождат изобщо на дадената структура, води или до поява на излишни електрони, способни да участват в електрическия ток, или до дефицит на електрони, известен като „дупки“. В математическия модел дупките се движат като положително заредени електрони, макар и с друга скорост. Фактически дупките са места, напуснати от електроните, и следователно дупките все едно се движат в обратно направление, докато електроните се движат направо, запълвайки празните преди това места и образувайки нови дупки там, откъдето са се отделили. Оказва се, че за обяснение на действието на транзистора трябва да се имат предвид комплексното взаимодействие на примесите от различните видове и концентрации, локалният характер на контактите между различните материали и приносът за тока както на електроните, така и на дупките. Важната роля на дупките не е достатъчно предвидена преди това.

Шокли предсказва, че приборът може да се подобри, като се заменят металните полупроводникови контакти с по-качествени контакти между различни видове полупроводници, в един от които доминират излишни електроните (n-тип), а в други - дупки (p-тип). Успешният модел, наречен плоскостен транзистор, е създаден през 1950 г. Той се състои от тънък слой p-тип, разположен – като в сандвич – между два слоя n-тип с металически контакт във всеки слой. Този прибор работи така, както предсказва Шокли. Плоскостните транзистори започват да се използват широко заедно с точково контактните, защото се произвеждат по-лесно и работят по-добре. Ранната идея на Шокли, за транзистор с полево действие, дълго не може да се осъществи, защото сред достъпните материали няма подходящи. Работещият полеви транзистор е създаден на основата на силициевите кристали, когато методите за създаване и пречистване на кристалите се придвижват далече напред.

Подобно на електронната лампа, транзисторите позволяват на слаб ток, течащ в един контур, да контролира много по-силен ток, течащ в друг контур. Транзисторите бързо изместват радиолампите навсякъде, с изключение на тези случаи, когато са необходими много големи мощности, като при радиопредаванията или в промишлените нагревателни радиочестотни прибори. Биполярните транзистори обикновено се използват там, където е необходима висока скорост, както и във високочестотните прибори, които нямат настоятелна необходимост от използване на електронни лампи. Полевите транзистори са основния вид транзистори, които се използват в електронните прибори. Те се произвеждат лесно, а използват енергия по-малко даже от биполярните транзистори. Макар че част от транзисторите все още са германиеви, много от тях се изготвят от силиций, който е по-устойчив на въздействието на високите температури. С по-нататъшното развитие на технологията става възможно да се разполагат в едно парче силиций до милион транзистори и този брой продължава да расте. Подобни силициеви блокове служат основно за бързото развитие на съвременните компютри, свързочните средства и средствата за управление.

По-нататъшните изследвания на Братейн, посветени на свойствата на полупроводниците и на техните повърхности, са извънредно важни за полевите транзистори, които са много чувствителни към повърхностните дефекти, и за слънчевите батерии, чиито свойства се определят от електрическите свойства на повърхностите.

През 1935 г. Братейн се жени за Карън Джилмър, доктор по физическа химия; семейството има един син. През 1957 г. Карън умира, а след една година Братейн се жени за Ема Джейн Милър. Той е известен като прям и искрен човек. Сред неговите увлечения са голфът, риболовът и четенето на книги.

Сред наградите на Братейн са медалът Стюарт Балантайн на института „Франклин“ (1952 г.), наградата Джон Скот на град Филаделфия (1855 г.) и почетната награда на завършилите Орегонския университет (1976 г.). Той има пет почетни докторски степени, член е на Националната академия на науките и на Почетното дружество на изобретателите, а също така е член на Американската академия на науките и изкуствата, на Американската асоциация за съдействие на развитието на науката и на Американското физическо дружество.

Превод от руски: Павел Б. Николов