Глава 6 Полупроводниковая промышленность: русские пионеры – без признания и наград

Глава 6

Полупроводниковая промышленность: русские пионеры – без признания и наград

Транзисторы – одно из важнейших открытий ХХ века. Их изобретение было таким же стимулом для развития промышленности, как изобретение парового двигателя. Но мало кому на Западе известно, что первым человеком в мире, продемонстрировавшим, как полупроводниковые кристаллы могут усиливать и создавать высокочастотные радиосигналы, был русский изобретатель. Этот же человек в 1920-х годах создал транзисторный радиоприемник, провел важные исследования в области светодиодов. Несколько десятилетий спустя некоторые западные исследователи, узнавшие о его работе, были поражены, насколько близко он подошел к созданию транзисторов. Но, несмотря на это, сегодня в числе мировых лидеров по производству транзисторов, компьютерных чипов или диодов нет ни одной российской компании. Причина этого провала объясняется политическими, экономическими, институциональными факторами. Но вовсе не техническими.

«Мы знакомы с плодами выдающейся работы, которая велась в области физики твердого тела в Советском Союзе, и знаем имена многих ваших ученых, которые внесли значительный вклад в наши знания», – отмечал Джон Бардин, нобелевский лауреат по физике, в ходе своего визита в Москву в 1960 году.

Его интуиция и ход эксперимента были просто удивительными.

Эгон Лёбнер, американский ученый, специалист в области физики твердого тела, о работе Олега Лосева по изучению электролюминесценции, на 30 лет опередившей свое время

Полупроводники – сердце революции, произошедшей в области электронного приборостроения в последние 60 лет. Транзисторы являются одним из видов приборов с полупроводниками, сегодня миллиарды транзисторов используются в устройствах связи, компьютерах, других приборах, давно заменив вакуумные лампы, применявшиеся ранее. Они выполняют задачу регулирования и усиления электрического тока. В большинстве случаев транзисторы обладают рядом преимуществ по сравнению с вакуумными трубками, в частности малым размером, надежностью, эффективностью. И низкой ценой. Полупроводниковые технологии стимулировали интеллектуальную мощь человека, как паровой двигатель умножил его физические возможности. Подобно тому как паровой двигатель был, вероятно, величайшим изобретением XVIII века, транзистор стал величайшим открытием ХХ столетия{97}.

Большинство людей, знакомых с историей полупроводниковых технологий, относят ее зарождение к послевоенному периоду. Изобретение транзистора обычно приписывают американским ученым Уильяму Шокли, Уолтеру Хаузеру Браттейну и Джону Бардину, о чьей работе Лаборатория Белла объявила в 1948 году (в 1956 году они получили Нобелевскую премию по физике). В 1954 году компания Texas Instruments выпустила на рынок первый транзисторный радиоприемник. Однако очень немногим на Западе известно, что пионером в области исследований полупроводников был русский ученый Олег Лосев, который еще в 1922 году в Нижнегородской радиолаборатории, до переезда ее в Ленинград, создал действующие транзисторные радиоприемники и передатчики{98}.

Хотя у Лосева не было университетского образования, он провел исследование, которое документально отражено в научной литературе (Лосев опубликовал 43 научные статьи, имел 16 патентов и авторских свидетельств).

Лосев был первым человеком в мире, который продемонстрировал, что полупроводниковые кристаллы могут усиливать и создавать высокочастотные радиосигналы{99}. В 1922 году он сделал радиопередатчик на кристаллах цинкита и детекторный приемник, в роли которого был угольный волосок. Позднее в роли приемника выступила стальная игла. Радиоприемник потреблял очень мало энергии: для питания было достаточно трех-четырех батареек для карманного фонаря. Радио Лосева было известно как «кристадин» и пользовалось популярностью среди радиолюбителей, которых во многих странах становилось все больше и больше. В США ежемесячный журнал Radio News в 1924 году опубликовал статью, в которой говорилось:

«Генерирующие кристаллы – это явление не новое, так как еще в 1906 году их изучали известные ученые, но лишь недавно русскому инженеру м-ру О. В. Лосеву удалось найти им интересное применение. Создание аппарата, с помощью которого могут производиться колебания, генератором которых выступает кристалл, кажется довольно простым и должно очень заинтересовать наших читателей»{100}.

Транзисторный радиоприемник Лосева был настоящим технологическим прорывом, но у него были недостатки. Радиус его действия был ограниченным, он не отличался надежностью и время от времени по непонятным причинам переставал работать. Теория его действия была не до конца понятна. В то время кристадин не составлял конкуренции радиоприемникам с вакуумными трубками, хотя радиолюбителям он и пришелся по душе.

Затем Лосев сделал еще одно важное открытие. Выяснив, как посредством кристаллов генерировать радиосигналы, он начал экспериментировать с разными видами кристаллов, чтобы лучше понять это явление. В январе 1923 года, экспериментируя с контактом на основе пары «карборунд – стальная проволока», он заметил, что при подаче тока «в месте контакта наблюдалось слабое зеленоватое свечение»{101}. Поначалу Лосев не уделил особого внимания этому явлению. Однако затем он начал под микроскопом изучать действие тока на карборунд. Он экспериментировал с изменением полярностей, напряжения, кристаллами разного состава и структуры{102}. Способность производства света в кристалле постоянно улучшалась, и он опубликовал полученные результаты исследований в научных журналах на русском, немецком и английском языках{103}. В Германии его работа была замечена учеными кругами, начали говорить о «свечении Лосева». Фактически открытие Лосева было изобретением светоизлучающего диода. (Подобное световое излучение наблюдал в 1907 году Генри Джозеф Раунд. Лосев заново открыл его и продвинулся гораздо дальше в изучении его характеристик.) За свое «световое реле» Лосев получил авторское свидетельство. Как полагал ученый, устройство можно было использовать для «быстрой телеграфной и телефонной коммуникации, передачи изображений и других целей»{104}. Он попытался объяснить действие светодиода с точки зрения квантовой теории Эйнштейна, назвав это «внутренним фотоэлектрическим эффектом». Он даже написал Эйнштейну письмо с просьбой помочь разработать теоретическое обоснование, но ответа не получил{105}.

В биографии Лосева есть эпизоды, покрытые тайной. Известно, что его отец был офицером царской армии, имел дворянское происхождение{106}. С подобным социальным статусом Лосев должен был очень осторожно вести себя при советском режиме, когда технические специалисты, «чужеродные» по своему происхождению, вызывали у властей особое подозрение. Многие из этих людей завершили свою жизнь за решеткой. Несмотря на свое благородное генеалогическое древо, Лосев был беден, постоянно пребывал в поисках заработка. На короткое время ему представился шанс. После периода «военного коммунизма», когда были закрыты все частные предприятия, советская власть сделала небольшое послабление в виде «новой экономической политики» (нэп). С 1921 по 1927 год в стране были разрешены некоторые виды независимой экономической деятельности, в частности небольшие магазины и фирмы. При этом за государством сохранялись «командные высоты» в экономике, особенно в вопросах управления тяжелой промышленностью. Именно в период нэпа Лосев разработал свой транзисторный радиоприемник кристадин. Он надеялся, что сможет наладить его коммерческий выпуск. В 1924 году он разместил рекламу своих радио– и детекторных приемников, даже продал некоторое их количество{107}. Известно, что в общей сложности Лосев сделал более 50 радиоприемников.

Однако через несколько лет в отношении частных предприятий началось закручивание гаек. Положение Лосева оказалось сомнительным вдвойне: бывший дворянин, к тому же активно вовлеченный в «буржуазную нэпманскую экономическую деятельность». Он постарался «уйти в тень». Какое-то время работал курьером в радиоинституте № 9 (впоследствии «Позитрон»), жил там же, под чердачной лестницей. Но продолжал заниматься исследованиями, и сотрудники института с пониманием относились к Лосеву.

Когда американский ученый русского происхождения Эгон Лёбнер в лаборатории RCA (Radio Corporation of America) в 1950-х годах начал работать над изучением явления электролюминесценции, он натолкнулся на научные работы Лосева тридцатилетней давности. Реакция на эти публикации была следующей: «Его исследование было проведено настолько точно, а его публикации настолько ясны, что сегодня совсем не сложно определить, что же он на самом деле сделал… Его интуитивный выбор и ход эксперимента были просто удивительными»{108}. Лёбнер признал, что когда он и его коллеги в RCA проводили исследования с целью коммерческого применения светодиодов, они «следовали технике Лосева»{109}.

Лосев разработал основы теории увеличения силы тока с помощью кристаллов с точки зрения «проникновения свободных электронов в пласты кристалла со слабой проводимостью». Главное, он сделал карборундовый кристалл с четырьмя электродами. Лосев обратил внимание на то, что при подаче тока на одну пару электродов на другой паре происходит усиление тока. Очень хочется назвать это устройство «транзистором» (этого слова не существовало, когда Лосев проводил свои эксперименты). Он представил результаты своей работы на научной встрече в Ленинграде, позднее опубликовал их в журнале «Вестник электротехнологии»{110}. 56 лет спустя рассудительный восторженный русский ученый-физик написал после прочтения его статьи: «В этом Лосев чрезвычайно близко подошел к созданию транзистора, он обнаружил изменение в проводимости между двумя парами контактов, когда на одну из них подается электрический ток»{111}.

Можно ли считать, что именно Лосев изобрел транзистор? Это было бы не вполне корректно, поскольку работы Лосева носили прикладной характер, он ничего не знал о физической теории, обосновывающей принцип действия транзистора, хотя и обладал удивительной интуицией. Он не мог в полном объеме объяснить того, что он сделал, – такие объяснения появятся гораздо позднее. Для движения вперед Лосеву была необходима помощь физиков-теоретиков и безопасное место для проведения исследований и разработок, где он мог бы полностью протестировать свои идеи и усовершенствовать их. Однако сбыться этому было не суждено по целому ряду причин.

Где Лосев мог бы найти поддерживающую среду, которая была ему необходима? На Западе двумя наиболее возможными вариантами были бы частная компания или научная лаборатория, возможно, в каком-нибудь университете. Лосеву обе эти возможности были недоступны. Он больше не мог продавать свои радиоприемники, к 1930-м годам в Советском Союзе уже не существовало частного промышленного сектора. Авторские свидетельства (часто называемые «патентами»), которые Лосев получил в СССР на свои изобретения, не обеспечивали ему монопольного права с точки зрения их возможного коммерческого использования. Фактически инновации Лосева принадлежали государству, а оно никак их не внедряло.

В советской России в то время существовал свой академический научный истеблишмент, некоторые из исследовательских баз были очень хорошими. Но у Лосева за плечами не было ни университетского диплома, ни научных степеней. (Ведущий российский физик Абрам Иоффе позднее добился присуждения ему, по сути, почетной научной степени, но это произошло только в 1938 году и было недостаточно, чтобы Лосев мог занять должность, которой он заслуживал.) Когда Лосев был вынужден оставить работу в институте, он устроился в одно из медицинских учреждений[28], где его научные изыскания никого не интересовали. С 1935 по 1940 год ему не удалось опубликовать ни одной научной статьи. Хотя Лосев и был талантливым человеком, он не представлял, как продвигать собственные интересы (или, возможно, опасался это делать), и, казалось, с пренебрежением относился к «прикладным исследованиям», хотя именно они удавались ему лучше всего. Он стремился получить работу в каком-нибудь научно-исследовательском институте{112}. Личная жизнь Лосева складывалась неудачно, два его брака распались. Во время Второй мировой войны Лосеву предложили эвакуироваться из блокадного Ленинграда, но он отказался. Лосев умер от голода, ему было 39 лет, и в иных обстоятельствах он мог бы трудиться еще не один десяток лет. Но Лосев не был членом советского научного сообщества и для продолжения исследовательской работы у него не было возможностей.

Лидером российской науки в области полупроводников считался академик Абрам Иоффе, ректор знаменитого Физико-технического института в Ленинграде, который сегодня носит его имя. Институт часто называют колыбелью советской физики. Это было место научного становления многих знаменитых ученых, в том числе лауреатов Нобелевской премии.

Начиная с начала 1930-х годов Иоффе возглавлял отделение института, занимавшееся полупроводниками{113}. После Второй мировой войны Иоффе организовал самостоятельный Институт полупроводников[29]. В СССР это было типичной практикой: как только ученые замечали, что определенная тема начинает интересовать международную научную общественность, организовывался отдельный институт в этой области. Ленинградский физтех был колыбелью порядка десятка таких институтов. В них занимались качественными теоретическими исследованиями, но ученые, работавшие там, не организовали ни одного коммерческого предприятия, которое было бы успешно на международном рынке. Советский режим ценил Иоффе как ученого (он был лауреатом Сталинской премии), но его постоянно сопровождала скрытая критика за то, что из стен его лабораторий выходило крайне мало прикладных разработок, не считая некоторых военных проектов, технологий, имевших коммерческую значимость на мировом рынке.

Эта критика была справедливой. История физики полупроводников полна моментов, когда русские ученые своими исследованиями вносили важный вклад в это направление науки. Когда Джон Бардин, которому вместе с Шокли и Браттейном обычно приписывают изобретение транзистора, в 1960 году посетил Советский Союз, он отмечал: «Мы знакомы с результатами потрясающей работы в области физики твердого тела, которая была проделана в Советском Союзе, знаем имена многих ваших ученых, которые внесли большой вклад в наши знания»{114}. Однако другой аспект – и гораздо более важный с точки зрения влияния на судьбу государства – заключается в том, что в истории промышленных полупроводниковых технологий у России более чем скромная роль. Современная Россия – это гигант теоретической физической мысли, включая физику полупроводников, и в то же время карлик в части высоких промышленных технологий. Трудно найти более наглядный пример пропасти, которая лежит между российскими научными достижениями и промышленными технологиями, чем область полупроводников.

В начале XXI века Физико-технический институт имени А. Ф. Иоффе возглавлял Жорес Алферов, лауреат Нобелевской премии по физике в 2000 году, полученной за развитие полупроводниковых гетероструктур. Несмотря на научное достижение Алферова, Россия продолжает значительно отставать в коммерческом применении транзисторов. Осознавая этот недостаток, российское правительство в 2010 году приняло решение о создании аналога Кремниевой долины – Сколково. В качестве руководителя Научно-консультативного комитета фонда «Сколково» с российской стороны был назначен Жорес Алферов, защитник традиционного формата организации российской науки, в котором центральную роль играют академические институты. Российское правительство могло бы выбрать более подходящую кандидатуру на роль главы консультативного комитета Сколково, чем Алферов, известный консервативными политическими и научными взглядами. Политические взгляды Алферова иллюстрирует его высказывание в июне 2012 года, когда он назвал «современной цивилизованной европейской страной» Республику Беларусь, о которой бывшая госсекретарь США Кондолиза Райс отозвалась как о «последней настоящей диктатуре в сердце Европы»{115}.

Сегодня в числе крупнейших мировых производителей компьютерной техники и чипов нет ни одной российской компании. Электронная промышленность, основанная на транзисторах и получившая распространение во всем мире, является областью, в которой Россия играет удивительно скромную роль.

В противоположность этому в США связи между лабораторными исследованиями в области транзисторов, научными кругами и бизнесом были очень тесными. Об изобретении транзистора объявила Лаборатория Белла, являющаяся частью корпорации AT&T[30], в которой работали Уильям Шокли и Уолтер Браттейн. Несколько американских ученых – пионеров в области исследования транзисторов – были серьезно вовлечены в коммерческое производство. Шокли основал собственную компанию, и хотя она потерпела неудачу на рынке, несколько ее бывших сотрудников создали другие компании, в том числе Intel – одного из лидеров отрасли. Бардин консультировал несколько компаний, в течение многих лет был членом совета директоров Xerox. Пути этих ученых, получивших Нобелевскую премию по физике в 1956 году, позднее разошлись: Шокли раздражал Браттейна и Бардина своими претензиями на первенство. Но каждый из них остался верен союзу академических исследований и частного производства – подходу, который отсутствовал в Советском Союзе.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.