Марк Перельман - Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы

В совершенном кристалле, как принято говорить, связи между атомами «насыщены» или «заполнены». Электроны трудно оторвать, они с трудом перемещаются, что приводит к очень высокому электрическому сопротивлению — это 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», — электропроводность возрастает.

Причина роста электропроводности заключается в следующем. Если в чистый кристалл ввести примеси в виде атомов, нарушающих регулярную кристаллическую структуру и могущих отдать на один электрон больше, то будет создан кристалл n -типа (от negative — отрицательный) с избытком электронов. Если же вводить атомы, отдающие связям на один электрон меньше, чем атомы решетки, создается кристалл р -типа (от positive — положительный). Так как электрон несет отрицательный заряд, то незаполненное электронное состояние ведет себя как положительный заряд такой же величины и при этом может двигаться: когда соседний электрон перемещается «вперед», чтобы заполнить дырку, он оставляет позади себя новую дырку, поэтому создается впечатление, будто дырка движется назад, хотя, в среднем, и не с такой скоростью, как электроны, и в противоположном направлении (до работ этой группы вклад дырочного тока в полный ток недооценивался).

Вначале Шокли намеревался моделировать основной принцип устройства электронной лампы: приложить электрическое поле поперек полупроводника и с его помощью управлять прохождением электрического тока вдоль образца. Но хотя расчеты показывали, что такое поле должно приводить к усилению тока, получить практические результаты не удавалось. (Заметим, что такое устройство удалось осуществить, пока в лабораторной модели, только в 2010 г. с развитием нанотехнологии.)

Тогда Бардин предположил, что электроны оказываются запертыми в поверхностном слое, и этот слой не пропускает поле внутрь полупроводника, экранирует его. Пришлось взяться за исследование поверхностных эффектов — это и помогло понять сложное поведение полупроводниковых устройств.

В 1947 г. Бардин и Браттейн достигли первого успеха, построив полупроводниковый усилитель, или транзистор (от английских слов transfer — перенос, плюс resistor, от лат. resisto — сопротивляюсь). Это был блок германия (полупроводника n -типа) с электродом на широкой грани (база), а на противоположной грани были два близко расположенных золотых точечных контакта («кошачьи усы»). К одному контакту (эмиттеру) прикладывалось небольшое положительное напряжение относительно базы и большое отрицательное напряжение относительно второго контакта (коллектора). Сигнал, подаваемый на эмиттер вместе с постоянным смещением, передавался со значительным усилением в цепь коллектора. В основе действия транзистора лежит внедрение дырок в германий через контакт-эмиттер и их движения к контакт-коллектору, где дырки усиливают коллекторный ток.

Шокли предложил заменить неустойчивые точечные контакты на выпрямляющие переходы между областями р - и n -типа в том же кристалле (1950). Такой плоскостный транзистор состоял из тонкой р -области, заключенной между двумя n -областями (все они с независимыми внешними контактами), работал он надежнее предшествующей модели и был проще в изготовлении. А дальнейшее усовершенствование методов выращивания, очистки и обработки кристаллов кремния позволило осуществить давнюю идею Шокли о создании транзистора на основе полевых эффектов.

Ныне этот тип транзисторов, которые легко сделать миниатюрными, наиболее широко используется в электронных устройствах. Оказалось, что их не нужно изготовлять и выпускать по-отдельности — можно производить непосредственно на кристаллах вместе с остальными деталями электронных схем, это и есть современные чипы.

Отметим, что Шокли проявил большую активность и после своих эпохальных успехов: ему принадлежат более 90 патентов в различных областях электроники (в том числе, в создании элементов магнитной памяти). Браттейн продолжал исследовать и улучшать параметры полевых транзисторов, которые очень чувствительны к поверхностным дефектам, и разрабатывать солнечные батареи. О работах Бардина по сверхпроводимости, принесших ему вторую нобелевскую премию, нужно рассказывать отдельно.

Заметим, что если переход от германия к кремнию позволил резко улучшить качество полупроводниковых приборов, то новый скачок может быть достигнут с переходом от кремния к углероду (взгляните на таблицу Менделеева — они в одном столбце!), но для этого нужно научиться получать дешевые промышленные алмазы, точнее — алмазные (не ювелирные!) пленки. Можно также усложнять вид полупроводниковых устройств — переходить к гетероструктурам, микроминиатюризовать их. Так что вся эта область остается предметом активных разработок.

Первые квантовые генераторы построили, одновременно и независимо, как мы уже говорили, Чарлз X. Таунс (р. 1915) в США и Александр Михайлович Прохоров (1916–2002) и Николай Геннадиевич Басов (1922–2000) в СССР. По-видимому, Прохоров и Басов сделали такое устройство чуть раньше, но из-за проволочек в редакции журнала их статья вышла несколько позже статьи Таунса (между собой они вопросы приоритета никогда не дискутировали). Поэтому мы постараемся параллельно рассмотреть пути, которые привели их к открытию.

Таунс в 1939–1947 гг. проводил исследования в знаменитых Лабораториях телефонной компании «Белл», где разрабатывал, главным образом, авиационный радар (радиолокатор) для прицельного бомбометания. Таким образом, он шел в физику от радиофизики, точнее, от радиотехники микроволн — электромагнитных волн сантиметрового и миллиметрового диапазонов [47] Примечательна разносторонность интересов Таунса: в течение этого периода он также учился музыке и вокалу в вечерних классах музыкальной школы; он владеет многими языками, включая русский. .

Любопытно отметить, что Н.Г. Басов — по первому образованию ветеринар, так и прошел фронт в этой специальности, но после известий о ядерных взрывах решил стать физиком.

В то время в радиолокационных установках излучение генерировалось электронами, которые осциллировали (колебались) внутри металлических резонаторов и создавали стоячие волны между параллельными стенками резонатора. Поэтому длины волн излучения были кратны размерам резонатора и самая короткая достижимая длина волны была около 1 мм (частота —300000 МГц).