Перейти в начало сайта Перейти в начало сайта
Электронная библиотека «Наука и техника»
n-t.ru: Наука и техника
Начало сайта / Лауреаты Нобелевской премии / Премия по физике
Начало сайта / Лауреаты Нобелевской премии / Премия по физике

Научные статьи

Физика звёзд

Физика микромира

Научно-популярные статьи

Журналы

Природа

Наука и жизнь

Природа и люди

Техника – молодёжи

Нобелевские лауреаты

Премия по физике

Премия по химии

Премия по литературе

Премия по медицине

Премия по экономике

Премия мира

Книги

Безумные идеи

Как мы видим то, что видим

Крушение парадоксов

Парадоксы науки

Луи де Бройль. Революция в физике

Яды – вчера и сегодня

Издания НиТ

Батарейки и аккумуляторы

Охранные системы

Источники энергии

Свет и тепло

Препринт

Наука сегодня

Научные гипотезы

Теория относительности

История науки

Научные развлечения

Техника сегодня

История техники

Измерения в технике

Источники энергии

Наука и религия

Мир, в котором мы живём

Лит. творчество ученых

Человек и общество

Образование

Разное

БРАТТЕЙН (Brattain), Уолтер

10 февраля 1902 г. – 13 октября 1987 г.

Нобелевская премия по физике, 1956 г.
совместно с Джоном Бардином и Уильямом Шокли

 

Американский физик Уолтер Хаузер Браттейн родился в г. Амой (Сямынь) на юго-востоке Китая. Сын Росса Р. Браттейна, учителя частной школы для китайских детей, и Оттилии (Хаузер) Браттейн, он был старшим из пятерых детей. В раннем детстве Б. семья вернулась в штат Вашингтон, где выросли старшие Браттейны, и обосновалась в Тонаскете. Его отец приобрел участок земли, стал владельцем скотоводческого ранчо и мельницы. Мальчик посещал школу в Тонаскете, затем поступил в Уайтмен-колледж в Балла Валла, выбрав в качестве профилирующих предметов математику и физику. Он стал бакалавром в 1924 г., получил степень магистра по физике в Орегонском университете в 1926 г. и защитил докторскую диссертацию по физике в Миннесотском университете в 1929 г. Хотя Б. нравилась жизнь на ранчо, на лоне природы, фермерский труд он ненавидел. «Хождение в пыли за тремя лошадьми и бороной вот что сделало из меня физика», – скажет он впоследствии.

В рамках своей докторской программы Б. провел 1928/29 академический год в Национальном бюро стандартов США, где работал над увеличением точности измерений времени и частоты колебаний, а также помогал разрабатывать портативный генератор с температурной регулировкой. В 1929 г. он поступил в лаборатории «Белл телефон» в качестве физика-исследователя и работал здесь до выхода в отставку в 1967 г., после чего вернулся в Уайтмен-колледж, чтобы преподавать физику и заниматься изучением живых клеток.

Первые 7 лет в лабораториях «Белл» Б. изучал такие явления, как влияние адсорбционных пленок на эмиссию электронов горячими поверхностями, электронные столкновения в парах ртути, занимался магнитометрами, инфракрасными явлениями и эталонами частоты В то время главным электронным усилительным устройством была трехэлектродная вакуумная лампа (триод), изобретенная Ли де Форестом в 1907 г. Еще в конце XIX в. Томас Эдисон, занимаясь проблемами электрического освещения, обнаружил, что между раскаленной нитью и вторым электродом, если их поместить в герметическую колбу, откачать воздух и подсоединить батарею, возникает электрический ток. Так родилась двухэлектродная лампа (диод) Позднее физики показали, что нить испускает электроны, которые несут отрицательный заряд и притягиваются положительным электродом. Поскольку диоды проводят ток только в одном направлении, они стали использоваться как выпрямители, превращающие переменный, меняющий направление ток в постоянный ток, текущий только в одном направлении. Де Форест вставил проволочную сетку (решетку) между излучателем электронов (катодом) и положительным электродом (анодом) Небольшое изменение напряжения на сетке ведет к большим изменениям тока, текущего сквозь сетку между катодом и анодом, тем самым позволяя усиливать сигнал, приложенный к сетке. Высокая температура, необходимая для эмиссии электронов, сокращает срок жизни катода и портит электронную лампу. Б. обнаружил, что некоторые тонкие катодные покрытия обеспечивают удовлетворительную эмиссию при меньших температурах, усиливая эффект и продлевая срок жизни лампы.

Когда в 1936 г. в лаборатории «Белл» пришел Уильям Шокли, он быстро включился в исследования свойств материалов, называемых полупроводниками Его целью было заменить вакуумные электронные лампы приборами из твердых материалов, которые были бы меньше размером, менее хрупкими и энергетически более эффективными Электропроводность полупроводников занимает промежуточное положение между электропроводностью проводников (главным образом металлов) и изоляторов и сильно меняется при наличии даже небольших количеств примесей. В первых полупроводниковых радиоприемниках использовался контакт между витком тонкой проволоки (усиком) и куском минерала галенита (полупроводником) для детектирования малых сигналов от принятых антенной радиоволн. Исследуя полупроводники, Б. и Шокли искали материал, который мог бы как детектировать, так и усиливать сигналы Их исследования были прерваны войной. С 1942 по 1945 г. они работали в отделе военных исследований при Колумбийском университете, где занимались применением научных разработок в противолодочной борьбе. Шокли отошел от исследований еще раньше, чтобы работать над радаром.

Когда после войны Б. и Шокли вернулись в лаборатории «Белл», к ним присоединился физик-теоретик Джон Бардин. В этом содружестве Б. выполнял роль экспериментатора, который определял свойства и поведение исследуемых материалов и приборов. Шокли выдвинул теоретическое предположение, что воздействуя на ток электрическим полем от приложенного напряжения, можно получить усилитель с полевым воздействием. Это поле должно действовать аналогично тому полю, которое возникает на сетке триодного усилителя. Группа создала много приборов, чтобы проверить теорию Шокли, но все безрезультатно.

Тут Бардину пришла в голову мысль, что поле не может проникнуть внутрь полупроводника из-за слоя электронов, расположенных на его поверхности. Это вызвало интенсивные исследования поверхностных эффектов. Поверхности полупроводников были подвергнуты воздействию света, тепла, холода, они смачивались жидкостями (изолирующими и проводящими) и покрывались металлическими пленками. В 1947 г., когда группа глубоко разобралась в поведении поверхности полупроводников, Б. и Бардин сконструировали прибор, в котором впервые проявилось то, что позднее стало известно как транзисторный эффект. Этот прибор, названный точечно-контактным транзистором, состоял из кристалла германия, содержащего небольшую концентрацию примесей. С одной стороны кристалла располагались два контакта из золотой фольги, с другой стороны был третий контакт. Положительное напряжение прикладывалось между первым золотым контактом (эмиттером) и третьим контактом (базой), а отрицательное напряжение – между вторым золотым контактом (коллектором) и базой. Сигнал, поступающий на эмиттер, оказывал влияние на ток в контуре коллектор – база. Хотя этот прибор усиливал сигнал, как и было задумано, но принцип его работы не находил удовлетворительного объяснения, что вызвало новый тур исследований.

Хотя теория полупроводников во многом уже была разработана с помощью квантовой механики, предсказания этой теории еще не нашли адекватного количественного подтверждения в эксперименте. Атомы в кристаллах держатся вместе с помощью электронов, наиболее слабо связанных со своими ядрами. В совершенном кристалле связи, как принято говорить, «насыщены» или «заполнены». Электроны трудно оторвать, они с трудом перемещаются, что приводит к очень высокому электрическому сопротивлению. Такой кристалл представляет собой изолятор. Однако вкрапления чужеродных атомов, которые не вполне подходят к данной структуре, приводят либо к появлению избыточных электронов, способных участвовать в электрическом токе, либо к дефициту электронов, известному как «дырки». В математической модели дырки движутся, как если бы они были положительно заряженными электронами, хотя и с другой скоростью. Фактически дырки представляют собой места, покинутые электронами, и, следовательно, все выглядит так, как если бы дырки двигались в обратном направлении, в то время как электроны двигаются в прямом направлении, заполняя ранее пустые места и образуя новые дырки там, откуда они ушли. Оказалось, что для объяснения действия транзистора нужно учитывать комплексное взаимодействие примесей разных видов и концентраций, локальный характер контактов между различными материалами и вклад, который дают в ток как электроны, так и дырки. Важная роль дырок не была в должной мере предугадана заранее.

Шокли предсказал, что прибор можно улучшить, заменив металлополупроводниковые контакты более качественными контактами между различными типами полупроводников, в одном из которых доминируют избыточные электроны (n-тип), а в другом дырки (p-тип). Удачная модель, названная плоскостным транзистором, была сделана в 1950 г. Она состояла из тонкого слоя p-типа, расположенного – наподобие сандвича – между двумя слоями n-типа с металлическими контактами в каждом слое. Этот прибор работал именно так, как и предсказывал Шокли. Плоскостные транзисторы стали широко использоваться вместо точечно-контактных типов, поскольку их было легче изготовлять и они лучше работали. Раннюю идею Шокли, транзистор с полевым воздействием, долго не удавалось осуществить, поскольку среди доступных материалов не было подходящих. Работающий полевой транзистор был построен на основе кристаллов кремния, когда методы выращивания и очистки кристаллов достаточно далеко продвинулись вперед.

Подобно электронной лампе, транзисторы позволяют небольшому току, текущему в одном контуре, контролировать гораздо больший ток, текущий в другом контуре. Транзисторы быстро вытеснили радиолампы всюду, за исключением тех случаев, где требуется управлять очень большой мощностью, как, например, в радиовещании или в промышленных нагревательных радиочастотных установках. Биполярные транзисторы обычно используются там, где требуется высокая скорость, так же как и в высокочастотных установках, где нет настоятельной необходимости применять электронные лампы. Полевые транзисторы – это основной тип транзисторов, используемых в электронных приборах. Его легче изготовлять, а энергии он потребляет даже меньше биполярного транзистора. Хотя часть транзисторов еще делают из германия, большая часть их изготовляется из кремния, который более устойчив к воздействию высоких температур. С дальнейшим развитием технологии стало возможным располагать в одном кусочке кремния до миллиона транзисторов, и это число продолжает возрастать. Подобные кремниевые блоки служат основой для быстрого развития современных компьютеров, средств связи и управления.

Нобелевскую премию по физике за 1956 г. Б. разделил с Бардином и Шокли. Они были награждены «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта». В своей Нобелевской лекции «Поверхностные свойства полупроводников» ("Surface Properties of Semiconductors") Б. подчеркнул важность поверхностей, «где происходит много, если не большинство, интересных и полезных явлений. В электронике с большинством, если не со всеми, элементов контура связаны неравновесные явления, происходящие на поверхностях».

Дальнейшие исследования Б., посвященные свойствам полупроводников и их поверхностей, были чрезвычайно важны для полевых транзисторов, которые очень чувствительны к поверхностным дефектам, и для солнечных батарей, свойства которых определяются электрическими свойствами поверхности.

В 1935 г. Б. женился на Керен Джилмор, занимавшейся физической химией; у них был сын. В 1957 г. она умерла, а через год Б. женился на Эмме Джейн Кирш Миллер. Б. известен как человек прямой и искренний. Среди его увлечений – гольф, рыбная ловля и чтение книг.

Среди других наград Б. можно назвать медаль Стюарта Баллантайна Франклиновского института (1952 г.), премию Джона Скотта г. Филадельфии (1955 г.) и почетную награду выпускникам Орегонского университета (1976 г.). Он обладает пятью почетными докторскими степенями, состоит членом Национальной академии наук и Почетного общества изобретателей, а также является членом Американской академии наук и искусств, Американской ассоциации содействия развитию науки и Американского физического общества.

 

Ранее опубликовано:

Лауреаты Нобелевской премии: Энциклопедия: Пер. с англ.– М.: Прогресс, 1992.
© The H.W. Wilson Company, 1987.
© Перевод на русский язык с дополнениями, издательство «Прогресс», 1992.

Дата публикации:

15 февраля 2000 года

Электронная версия:

© НиТ. Лауреаты Нобелевской премии, 1998

В начало сайта | Книги | Статьи | Журналы | Нобелевские лауреаты | Издания НиТ | Подписка
Карта сайта | Cовместные проекты | Журнал «Сумбур» | Игумен Валериан | Техническая библиотека
© МОО «Наука и техника», 1997...2016
Об организацииАудиторияСвязаться с намиРазместить рекламуПравовая информация
Яндекс цитирования
Яндекс.Метрика