Г.Келл
декабрь 2023 г.

Не так много найдется ЭК, названных в честь инженеров, их придумавших. И почему-то, большинство из них относятся к классу активных и к подклассу полупроводниковых дискретов. Очень хорошим примером можно считать составной транзистор, придуманный сотрудником Bell Labs Сиднеем Дарлингтоном в 1953 году.

Сид Дарлингтон родился летом 1906 г. в Питтсбурге (шт. Пенсильвания). Его предки по материнской линии переселились с восточного побережья на земли индейцев Дакота в западной части штата Миннесота в начале XIX века. Однако его мать, достигнув совершеннолетия, вернулась на Восток и, закончив созданный в 1885 году квакерами частный женский гуманитарный университет в г. Брин-Мар (шт. Пенсильвания), стала учительницей. Они с мужем, который был инженером-механиком, сделали все возможное, чтобы оба их сына получили лучшее образование. Старший, Филип (Philip Jackson Darlington Jr.), избрал стезю энтомолога и в 1964 г. стал членом Американской Академии Наук. Младший брат, Сидней, решил стать физиком и поступил в Гарвард-колледж, который закончил в 1928 г. со степенью бакалавра по физике. В следующем году он получил степень бакалавра по электрической связи в Массачусетском Технологическом Институте (MIT), а уж докторскую степень (Ph.D.) он получил в Колумбийском Университете в 1940 г. Уже в 1929 г. Сидней стал сотрудником организованной в Нью-Йорке в 1925 г. компании Bell Labs и проработал в ней до ухода на пенсию с должности руководителя Отдела Цепей и Управления (Circuits and Control Department) в 1971 г. С 1934 г. он работал в Mathematics Research Center в Мюррей-Хилл (шт. Нью Джерси), где его наставником стал Хендрик Боде (Hendrik Wade Bode), придумавший диаграммы, носящие его имя. В то время Сидней Дарлингтон активно занимался теорией цепей, фильтрами и телефонной связью, предложив несколько методик расчета, создавших ему устойчивую научную репутацию на последующие годы. Его вклад в теорию цепей не случайно сравнивают с вкладом в теорию информации Клода Шеннона, работавшего в том же Центре в 1940-1956 гг.

В годы Второй Мировой войны Сидней Дарлингтон, оставаясь сотрудником Bell Labs, подключился к работам по военной тематике. Одной из ключевых его разработок стал "щебечущий радар" (chirp radar), использующий линейную частотную модуляцию (чирпирование) для сжатия импульсов. Кроме того, он был вовлечен в работы по созданию компьютеров для управления зенитными орудиями и прицелами для бомбометания. В 1944 г. он провел 7 месяцев на театре военных действий в Тихом океане в должности технического консультанта при 14-м зенитном батальоне. За что впоследствии был награжден медалью Свободы - высшей наградой США для гражданских лиц участвовавших в World-War II.

С окончанием войны гражданская тематика стала теснить военную, и Сидней Дарлингтон с энтузиазмом переключился на новые задачи. Очень кстати коллеги по Bell Labs Уолтер Браттейн и Джон Бардин в январе 1948 г. получили патент US 2,524,035 на точечный германиевый транзистор. А девятью днями позже патент на плоскостной транзистор US 2,569,347 получил и руководитель их группы Уильям Шокли. Все трое в 1956 г. удостоились Нобелевской премии за изобретение, открывшее новую эру в электронике - транзисторную. В начале 50х годов прошлого века транзисторы вышли из лабораторий и стали коммерческим продуктом, хотя и весьма дорогим. Но в Bell Labs они имелись, и Сидней выпросил парочку - "поиграться на выходные" в домашней лаборатории. Одним из недостатков транзисторов той поры был низкий коэффициент усиления по току (порядка 5), и ему показалось заманчивым сделать коэффициент бОльшим. Объединив на макете коллекторы двух n-p-n транзисторов и соединив эмиттер первого с базой второго, он получил транзистор с коэффициентом по току, равным 25, вместо 10. Т.е. коэффициенты транзисторов перемножались, а не складывались, как он ожидал. Почувствовав, что он на верном пути, продолжил эксперименты уже в лаборатории компании, экспериментируя с включением разного числа транзисторов и по-разному. В итоге ему пришла в голову мысль сделать два транзистора в одном кристалле, соединив базу и эмиттер перемычкой, как показано на рисунке. Именно это решение стало основой патентной заявки, поданной Дарлингтоном в мае 1952 г. Автор хотел включить в патент варианты с несколькими транзисторами, однако, юристы компании рекомендовали ограничиться двумя. И в декабре 1953 г. был получен патент US 2,663,806, защитивший приоритет на Полупроводниковый Транслятор Сигнала (Semiconductor Signal Translating Device). До сих спорят, можно ли было бы считать составной транзистор Дарлингтона примером первой интегральной схемы, если бы автор настоял на своем и нарисовал схему из нескольких транзисторов, хотя бы и с изоляцией воздушным промежутком.

Доподлинно неизвестно когда и кем был выпущен первый коммерческий образец транзистора Дарлингтона. Скорее всего, Bell Labs продавала лицензию разным компаниям, что позволило Сиднею получать приличные royalty, при этом он еще 20 лет продолжал работать в компании, занимаясь системами наведения для ракет Titan I и Thor-Delta, поучаствовав таким образом и в космической гонке. Транзисторы Дарлингтона сразу стали популярны у разработчиков электронной аппаратуры, хотя и не были лишены ряда недостатков: они были медленными и имели большое напряжение насыщения, но вполне подходили в качестве силовых ключей, управляемых от маломощных источников сигнала. Практически все производители транзисторов имели в номенклатуре и транзисторы Дарлингтона с коэффициентом усиления от 1k до 10k, с разными токами и напряженими и в корпусах на выбор - TIP122 (TI), MJ1103 (Motorola), BD679 (STM), BC517 (Philips). И, конечно, трудно не вспомнить первую советскую комплементарную пару "дарлингтонов": КТ825/КТ827 (Брянск/Фрязино) - они вот такие, как на фото со спиленной крышкой. Кстати, составные транзисторы p-n-p-типа оказались менее популярными и использовались, главным образом, в выходных каскадах УНЧ. Транзисторы Дарлингтона выпускались и в виде интегральных микросхем, пример - сверхпопулярная сборка из семи транзисторов на 50В/500мА в корпусах dip16/so16.

Можно еще добавить, что в декабре 1952 г. инженер, венгр по происхождению, из компании Lockheed Джордж Шиклаи (George C Sziklai) подал заявку на составное включение разнополярных (n-p-n/p-n-p) транзисторов. Патент за номером US 2,966,632 был получен в 1960 г. и такая схема, носящая имя Шиклаи, широко используется при включении как дискретных транзисторов, так и интегральных, например в микросхемах стабилизаторов напряжения, но как отдельный прибор не выпускалась. Всего на счету Шиклаи около 160 патентов, но, в основном, в области телевидения. Интересно, что в Японии есть свой изобретатель составного транзистора - это Ясуо Таури (Yasuo Tarui), видный ученый, работавший в национальном Агентстве, отвечавшим за полупроводниковую тематику страны. С его именем связывают создание первой японской микросхемы в январе 1961 г. и дальнейшее развитие СБИС. Так вот, в 1957 г. госп. Таури подал заявку на "квадрупольный" транзистор (Quadrupole Transistor), в котором на одном кристалле сформированы биполярный выходной транзистор и полевой входной. Однако, в кремнии он так и не был реализован. Первые IGBT транзисторы были запатентованы компанией INTERNATIONAL RECTIFIER лишь в 1983 г.

В заключение можно добавить, что история Сиднея Дарлингтона довольно необычна. Он был человеком очень одаренным и эрудированным, совершившим множество научных открытий и решившим множество прикладных задач. Кто-то из его коллег в шутку сказал, что "спросить о чем-то Сида - это как напиться из пожарного брандспойта" (“asking Sid Darlington a question was like trying to take a drink from a fire hose.”) - настолько высок был его умственный потенциал. Однако, имя его остается в истории, как результат "домашней работы" с парой транзисторов. Вклад Сиднея Дарлингтона в науку был отмечен двумя медалями IEEE - Edison Medal в 1975 г. (за Basic contributions to network theory and for important inventions in radar systems and electronic circuits') и Medal of Honor в 1981 г. (за 'Fundamental contributions to filtering and signal processing leading to chirp radar')