От диодов к транзистору

Начало

Послевоенное время ознаменовалось бурным развитием радиолокации. Отечественная наука и радиотехническая промышленность получила практическую помощь в лице иноспециалистов, работавших в различных НИИ по контракту в интересах победившей стороны. При непосредственном участии последних и под руководством наших инженеров в НИИ-160 СВЧ кремниевые диоды для радиолокационных станций изготавливались в макетных мастерских института, а с 1949 года – в специально созданном детекторном цехе №37 Опытного завода. Технология производства диодов была ранее отработана немецкими фирмами и модернизирована в ЦНИИ-108. Заключалась она в нанесении на проводящую подложку кремниевой плёнки, получаемой методом вакуумного напыления в специальной установке, далее небольшие пластинки помещались в керамический корпус и к плёнке прижималась петля из пружинящей проволочки вольфрама или специального сплава с выводом на противоположный контакт. Названия приборов тех лет сейчас для нас выглядят экзотично и непонятно: КД2-И10, КД2С10А, КД2С3А, КД6В10А, КД6В3Б и другие. Такие приборы очень боялись ударов и любых сотрясений. Военные требовали улучшить механическую стойкость. Настойчивость усилилась после появления в иностранной печати сообщений о создании СВЧ диодов, обычных детекторных диодов и усилительных твёрдотельных приборов (транзисторов) с вплавным точечным контактом. Такой контакт надёжнее в эксплуатации и устойчив к механическим воздействиям. Все ведущие научно-исследовательские институты нашей страны, для которых тематика полупроводников была близка, приступили к исследованиям по теме. В Москве это был ФИАН им. Лебедева (Вул Б.М., Ржанов А.В., Вавилов В.С), в Ленинграде – ЛФТИ (Тучкевич В.М., Наследов Д.Н.), в Киеве, в Физическом институте Академии наук УССР расширил область своих исследований Лашкарёв В.Е.

Первое печатное сообщение в нашей стране по теории работы транзисторов, описывающее физические процессы в полупроводнике с помощью формул, в том числе, входные и выходные характеристики, было опубликовано в «Вестнике информаций» №17 (61) за 1949 год, Автор – Красилов Александр Викторович. Данная статья являлась обзором, обобщением информации иностранных тематических изданий, и, ни в коей мере не отражала уровень отечественных научных исследований, достижений и производственного опыта в этой, новой для нашей радиотехники области. (Фото 1). С 1958 года журнал стал называться «Зарубежная радиоэлектроника», с 1996 по 2013 годы «Успехи современной радиоэлектроники».

Первое печатное сообщение в СССР по теории работы транзисторов

Фото 1

Через несколько месяцев появилась публикация молодого, но уже очень известного физика, будущего руководителя кафедры полупроводников физфака МГУ Вавилова Виктора Сергеевича (Успехи физических наук, том XL, 1950 год, январь) статья называлась «Усиление токов высокой частоты кристаллическими германиевыми триодами». Кандидат физико-математических наук, до 1949 года занимавшийся темой пьезоэффекта в сегнетоэлектриках, Анатолий Васильевич Ржанов опубликовал в 1950-м труд «Кристаллические усилителии детекторы». Академик, действительный член Академии наук УССР Вадим Евгеньевич Лашкарёв также написал научно-популярный обзор по теме в январском номере журнала «Техника-молодёжи» за 1950 год, статья называлась «Полупроводники». На начало 1950-х годов Вадим Евгеньевич руководил большим научным коллективом и рядом профильных лабораторий, где системно, уже много лет, занимались изучением физики полупроводников и созданием технологии приборов для практического применения в промышленности и в народном хозяйстве. Видимо, этот перечень не исчерпывающий, но отражает начало интенсивных работ по созданию германиевых диодов и транзисторов в нашей стране.

Лашкарёв В.Е в Уфе, ещё в военные годы, наладил производство медно-закисных выпрямителей для использования в полевых радиостанциях (Фото 2), в послевоенное время вплотную занимался физикой и применением полупроводников в фоторезисторах и термисторах, внедряя свои идеи в производство через НИИ-34 в Ленинграде.

Медно-закисные выпрямители для использования в полевых радиостанциях. Материалы Виртуального Компьютерного Музея

Фото 2

При всей секретности проводимых работ в лабораториях вышеуказанных институтов, должны были где-то остаться для потомков не только воспоминания заслуженных и уважаемых людей, но и какие-то официальные отчёты, документы, свидетельствующие о начале хотя-бы опытного или, промышленного производства в той или иной организации. Желательно с фотографиями процесса и протоколами Государственной комиссии. Что-то из них мне найти удалось и позволило в общих чертах восстановить историю создания промышленного производства точечных германиевых транзисторов в Советском Союзе.

Только факты

Первое, для меня, по времени документально подтверждённое свидетельство о работах по созданию точечных транзисторов относится к концу 1949 года, когда в Ленинграде, в НИИ-34 была начата разработка технологии серийного их производства. До выпуска сколь-нибудь значимой лабораторной партии дело, к сожалению, не дошло. Причина была проста – отсутствие германия с высоким удельным сопротивлением. Наша промышленность в то время не могла обеспечить не только производственные потребности в этом полупроводнике, но и даже запросы лабораторий ведущих институтов оставались без удовлетворения. Установить фамилии и имена специалистов, кто начал производственные работы по созданию триодов в НИИ-34 мне, к сожалению, на данный момент не удалось. (Фото3). К слову сказать, только какая-то случайность позволила ознакомиться нам сейчас живущим с ключевой информацией по теме, поскольку на отчёте о создании новых полупроводниковых приборов имеется надпись – «Уничтожить после ознакомления», далее подпись какого-то ответственного лица. Немного ниже, «Хранить», и опять, но другая, подпись.

Отчёт о создании новых полупроводниковых приборов. Материалы Виртуального Комптютерного Музея.

Фото 3

Дальше наша история начинает развиваться очень стремительно, и для большинства читающих эти строки, более чем неожиданно. К комплексному решению вопроса подключается советское правительство и, в 1950 году по инициативе Министерства машиностроения и приборостроения СССР (ММиП) был проведён ряд организационных мероприятий по налаживанию производства и получению германия с высоким удельным сопротивлением, пригодного для изготовления высоковольтных диодов и транзисторов с целью применения их во вновь разрабатываемых математических машинах. Перед разработчиками вычислительной техники стала острая необходимость в сокращении количества электронных ламп путём замены их кристаллическими диодами и триодами. Применение германиевых приборов должно было обеспечить:

  • сокращение потребления энергии;

  • большой срок службы;

  • уменьшение габаритов машин;

  • повышение надёжности работы.

На одном из заводов ММиП СССР были размещены заказы для СКБ-245, ГИРЕДМЕТа и Академии наук СССР на специальное оборудование для получения в промышленных масштабах требуемого германия. В СКБ-245 ММиП СССР была организована разработка данной темы. Далее, своим постановлением, Совет Министров СССР (СМ СССР) от 11 мая 1951 года обязал ММиП и Академию наук Украинской ССР разработать технологию изготовления и выпустить в 1951 году 1000 штук германиевых высоковольтных диодов, способных заменить вакуумные диоды, а в 1952 году опытную партию в количестве 1000 штук германиевых точечных триодов. 

После постановления Правительства тема решением министра была из СКБ-245 передана в НИИСчётмаш, где в 3 отделе была организована специальная лаборатория № 32 , руководителем которой стал Масленников В.М. (Фото 4)

Приказ об организации специальной лаборатории № 32. Материалы Виртуального Комптютерного Музея.

Фото 4

В соответствии с постановлением СМ СССР, с АН УССР был составлен план совместной работы и тема выполнялась вместе с Институтом физики АН УССР. Предположу, что в середине 1950-го года, технологией и оборудованием для промышленного производства германия, пригодного для изготовления работоспособных высоковольтных германиевых диодов и триодов владели всего три организации – ГИРЕДМЕТ, ИФ АН УССР и лаборатория №32 НИИСЧЁТМАШ. Именно в эти организации в первую очередь были поставлены необходимые установки. Причём, для изготовления приборов с заданными параметрами, иногда весь германий производства ГИРЕДМЕТ, подвергался многократной, до шести раз, перекристаллизации на установках двух других организаций. (фото 5, 6). 

Германий для производства диодов/триодов по организациям. Материалы Виртуального Комптютерного Музея.

Фото 5

Сведения о многократной перекристализации германия. Материалы Виртуального Комптютерного Музея.

Фото 6

Из последнего документа следует также, что с самого начала, по итогам каждого этапа проводимой совместной работы, ФИ АН УССР и НИИСчётмаш регулярно делали устные доклады, отправляли научные и технические отчёты в АН СССР и Физический институт АН ССР им. Лебедева.

Где и кто

В начале этой разработки в Советском Союзе не было пригодных к применению высоковольтных полупроводниковых диодов с необходимыми характеристиками и не было германиевых триодов. Согласно специализированным литературным источникам были только созданы опытные экземпляры триодов, которые не выходили за рамки отечественных лабораторий и имели много существенных недостатков, из них основные: большие внутренние шумы, ограниченные рабочие диапазоны по частоте и малая отдаваемая мощность, низкая механическая прочность, не повторяемость характеристик, их нестабильность, полное отсутствие технологии серийного производства.

В начале разработки сотрудники лаборатории №32 и Физического института Академии наук УССР использовали весь опыт работы в этой области ЦНИИ 108, который максимально предоставил имеющийся у них материал, что значительно помогло в развёртывании работ по теме. 

В процессе проведения исследовательской работы, академик В.Е. Лашкарёв в ИФ АН УССР и специалисты НИИСчётмаш решали следующие вопросы:

  1. Исследование детекторных и усилительных свойств германия.

  2. Улучшение диодных и триодных свойств германия путём перекристаллизации в графитовых тиглях.

  3. Разработка метода определения пригодности слитков германия для изготовления диодов и триодов требуемого качества.

  4. Разработка метода измерения параметров.

  5. Исследования и разработка технологического процесса изготовления полупроводниковых приборов, в том числе, обработка поверхности германия, выбор материала игл и способа их заточки, выбор оптимального режима формовки импульсом.

  6. Разработка конструкции диодов и триодов.

  7. Разработка временных технических условий на германиевые диоды и триоды для математических машин.

  8. Разработка метода испытания приборов на влияние температуры, механические воздействия, старение и другие.

  9. Начата, совместно с СКБ-245, разработка схем применения диодов и триодов в математических машинах.

В результате проведённой работы в 1951 году были изготовлены и всесторонне испытаны 1000 штук высоковольтных диодов и экспериментальные образцы точечных триодов, что позволило в 1952 году отработать конструкцию и технологию производства серийных германиевых триодов и выпустить опытную партию в количестве 1000 штук со следующими характеристиками:

рабочее смещение эмиттера

от 0,08 до 0,7 вольт

при токе 0,1 – 2 ма

рабочее смещение коллектора

от 8 до 60 вольт

при токе 2 – 5,5 ма

коэффициент усиления по напряжению

от 30 до 220

входное сопротивление

от 200 до 1000 ом

выходное сопротивление

от 10000 до 50000 ом

Все изготовленные транзисторы также были подвергнуты испытаниям.

К концу 1952 года разработан ряд схем и изготовлены действующие макеты на созданных германиевых приборах. Предварительные испытания показали большие преимущества их по отношению к схемам, построенным на электронных лампах. Разработка по созданию германиевых диодов и триодов в основном проводилась экспериментальным путём, так как на момент этих работ не была разработана полная теория кристаллических детекторов и усилителей. Дальнейшие работы в части исследования свойств германия, а также длительные испытания изделий, значительно повысили их характеристики.

Пора представить высоковольтные диоды, о которых идёт речь выше – это типы Д2 и Д3, которых я в предыдущих статьях ранее не касался, поскольку исторически и технологически, они имеют самое непосредственное отношение к нашим первым транзисторам (Фото 7)

Высоковольтные диоды Д2 и Д3. Материалы Виртуального Компьютерного Музея

Фото 7

Диод Д2 высоковольтный, 1951 года прошу не путать с детекторным точечным Д2, в герметичном корпусе, 1954 года разработки Пужай Александра Никифоровича. К тому-же диод Д2 изготовленный в НИИСчётмаш был заменён, в 1952 году, на диод с лучшими параметрами Д3, выдерживающий обратные напряжения до 200 вольт и имеющим повышенную мощность рассеивания, также созданным для применения в вычислительных машинах СКБ-245 и НИИСчётмаш (Фото 8, 9).

Диод Д2 высоковольтный. Материалы Виртуального Комптютерного Музея.

Фото 8

Диод Д3 высоковольтный. Материалы Виртуального Комптютерного Музея.

Фото 9

Конструкция последнего (Фото 10, 11) позволяла унифицировать детали корпуса с триодом и применять их и для производства диода Д3 и точечного германиевого транзистора, названного Т-2 (Фото 12, 13)

Диод Д3 высоковольтный. Материалы Виртуального Комптютерного Музея.

Фото 10

Высоковольтный диод Д3. Материалы Виртуального Компьютерного Музея

Фото 11

Более того, если триод по каким либо параметрам браковался после изготовления, то его узел с германиевым кристаллом поступал для изготовления диода Д3.

Точечный германиевый транзистор (триод) Т-2. Материалы Виртуального Компьютерного Музея

Фото 12

Точечный германиевый транзистор (триод) Т-2. Материалы Виртуального Комптютерного Музея.

Фото 13

Уместно здесь будет отметить, что позже, к середине 50-х годов, стала понятна бесперспективность развёртывания промышленного производства высоковольтных диодов типов Д2 и Д3 для математических машин, поскольку не за горами был полный отказ от применения в математических вычислителях электронных ламп, и освоение полностью полупроводниковых машин. 

Та же участь постигла и диод Д4, разработанный НИИСчётмаш в 1955 году, являвшийся модификацией Д2 в герметизированном пластмассой корпусе., который, конечно, полностью удовлетворял требованиям разработчиков на тот момент, но стал не перспективен и не нужен, с такими большими допустимыми напряжениями. Тактовые частоты постоянно повышались, и в дело пошли уже отработанные, серийно выпускаемые не столь высоковольтные, но весьма надёжные и быстродействующие Д2, а в последствии, Д9 и Д10-Д14. 

А какая-же дальнейшая судьба ждала наши транзисторы типа Т-2? Если присмотреться внимательно к размерам и конструкции этих приборов, вспомнить, что в середине 1953 года был образован НИИ-35, полностью специализировавшийся на создании и освоении производства полупроводниковых приборов, то возникает чувство чего-то сильно знакомого, но давно позабытого. Мне не удалось пока найти ни одного экземпляра триода с маркировкой из ряда типа КС-1 – КС-8, первой опытной (6000 штук) транзисторной продукции будущего «Пульсара», имеющихся в отчёте за 1954 год. В связи со сказанным, смею предположить, что это как раз и есть наш Т-2. Его в 1954 году начали выпускать в НИИ-35 серийно, поскольку последующий освоенный тип, возможно его модификация, сохранилась у многих радиолюбителей. Это триоды типа С-1 и С-2, (Фото 14), подозрительно совпадающие по размерам и виду корпуса с Т-2, за исключением отсутствия изолированного базового вывода, соединённого теперь с корпусом триода. Имеющие у себя транзисторы типа С1 или С2 могут сравнить все размеры указанные для Т-2 на приведённом выше чертеже.

Триоды типа С-1 и С-2. Материалы Виртуального Компьютерного Музея

Фото 14

Как всегда, много интересного материала осталось за рамками этого обзора, но фотографии оборудования и приспособлений, на которых в 1951 – 1952 годах силами ФИ АН УССР и НИИСчётмаш, создавались наши первые серийные точечные транзисторы считаю нужным привести. (Фото 15-21)

Приспособление для резки германия на кристаллы. Материалы Виртуального Комптютерного Музея.

Фото 15

Полировальный станок и приспособления. Материалы Виртуального Комптютерного Музея.

Фото 16

Приспособление для формовки иглы. Материалы Виртуального Комптютерного Музея.

Фото 17

Запрессовка штифта с игой в корпус транзистора. Материалы Виртуального Комптютерного Музея.

Фото 18

Микроманипулытор, соединённый с осциллографом. Материалы Виртуального Комптютерного Музея.

Фото 19

Завершающие шаги создания транзистора. Материалы Виртуального Комптютерного Музея.

Фото 20

м. Материалы Виртуального Комптютерного Музея.

Фото 21

Плоскостные транзисторы были отработаны и готовы к промышленному производству в начале 1955 года, но у меня пока недостаточно материала по теме и требуется некоторое время для рассказа похожей, и вместе с тем совсем другой истории

Помещена в музей с разрешения автора 23 сентября 2020