В поисках чуда (с илл.)

Бобров Лев Викторович

По свидетельству Дж. Морриса, «автоматизация и другие технологические нововведения, быстро захватывающие американскую экономику, являются для наших рабочих проклятием, а не благом, каким они стали в социалистических странах».

Магия кристаллов

В черепной коробке человека заключен подлинный шедевр инженерного искусства. В скромном объеме, равном примерно полутора литрам, разместилось около 14 миллиардов клеток (нейронов), связанных между собой нервными волокнами.

Каждый такой элементик действует по принципу «все или ничего»: он либо возбужден, либо нет; он не срабатывает, если раздражающий его

электрохимический импульс не достиг определенного порогового значения, и в этом смысле похож на обычное реле или триггер. Если бы удалось собрать вычислительное устройство по той же схеме, но на лампах, оно превзошло бы по своим размерам высотное университетское здание на Ленинских горах. Оно поглощало бы целиком энергию электростанции — огромной, что-то вроде наших волжских гигантов, в то время как мозг обходится мизерной мощностью — 25 ватт.

Но уже в 1961 году известный наш радиоэлектронщик, член-корреспондент АН СССР В. И. Сифоров заявил: «При помощи сверхминиатюрных элементов — искусственных моделей нервных клеток — удастся разместить в одном кубическом сантиметре около 200 миллионов таких деталей. Это примерно та же плотность деталей, что и в мозгу человека (плотность монтажа электронных элементов машины в 100 тысяч раз меньше). Открылась перспектива для создания новых кибернетических машин с невиданными способностями. Например, емкость их памяти приблизится к человеческой».

Захватывающие возможности! Но откуда они? Что случилось?

В радиоэлектронику пожаловали лилипуты.

…«Сенсационное изобретение!» Под таким заголовком американский журнал «Радио ньюс» в сентябре 1924 года напечатал редакционную статью, целиком посвященную работе О. В. Лосева, сотрудника Нижегородской радиолаборатории.

Рассказывалось о «кристадине» (кристаллическом гетеродине), как окрестил Олег Владимирович свою новинку — безламповый приемник, значительно более чувствительный, нежели обычные детекторные. В основу конструкции был положен эффект, обнаруженный Лосевым в январе 1922 года: крупицы окиси цинка, включенные по определенной схеме в колебательный контур, обретают способность усиливать и генерировать радиоволны. «Открытие Лосева делает эпоху», — писал журнал, выражая надежду, что вскоре хрупкую и довольно сложную вакуумную лампу заменит специально обработанный маленький кусочек цинкита или нового вещества — простой в изготовлении и нетребовательный в обращении (термин «полупроводник» тогда еще не вошел в языковый обиход).

Секреты кристаллического детектора удалось разгадать лишь после того, как родилась квантовая механика и на ее основе начала быстро прогрессировать наука о твердом состоянии вещества.

Огромный вклад в эту область знаний внесла школа академика А. Ф. Иоффе. Сам Абрам Федорович физикой твердого тела увлекся еще до революции, когда работал в мюнхенской лаборатории великого Рентгена. Ступив на пионерскую тропу, он не только сам прокладывал столбовую дорогу к современной микрорадиоэлектронике, но и сплотил вокруг себя многолюдный коллектив энергичных, талантливых сподвижников. Среди них можно назвать Б. П. Давыдова, В. Е. Лошкарева, С. П. Пекара, Я. И. Френкеля, Б. В. Курчатова, Б. Т. Коломийца, Д. И. Блохинцева, Б. М. Вула, И. Кикоина, М. М. Носкова, Ю. П. Маслаковца, А. Н. Арсеньеву.

В 1932 году при Ленинградском физико-техническом институте по инициативе его директора А. Ф. Иоффе вместо прежней небольшой бригады было организовано сразу три лаборатории, где всесторонне изучалась полупроводимость, а через двадцать лет на этой базе возник Институт полупроводников.

Физика твердого тела выяснила механизм полупроводимости.

По

медной проволоке прекрасно проходит ток потому, что в ней всегда имеются свободные электроны. А вот в фарфоре их нет совсем — перед нами изолятор. Но и он при некоторых условиях может в какой-то мере уподобиться металлу. Такое бывает, например, при пробое на высоковольтных установках. Разряд произойдет в том случае, если разность потенциалов превысит дозволенный предел. Тогда электроны получат столь мощный «шлепок», вернее, столь солидную порцию энергии, что вырвутся из цепких объятий атомов «на волю», в область проводимости. Квантовой теорией их «освобождение» трактуется как гигантский прыжок через широченную «пропасть» — запрещенную зону. У полупроводников это препятствие сравнительно невелико, у металлов же (проводников) его нет вообще.

Если электрон очутился в полосе проводимости, то что он оставил вместо себя «дома»? Ничего.

Пустое место. Выражаясь фигурально — вакансию, а попросту «дырку». Но ведь исчезновение электрона эквивалентно появлению единичного положительного заряда! И если приложить к такому кристаллу разность потенциалов, ток через него пойдет не только благодаря присутствию электронов в зоне проводимости. Начнется встречное движение зарядов со знаком «плюс», незанятых мест. Представление о «дырочной» проводимости, несмотря на всю его условность, оказалось весьма плодотворным, в теоретических расчетах. А предложил его Я. И. Френкель.

Им же введено понятие «экситона» — возбужденного нейтрального состояния, когда электрон, не вполне оторвавшись от атома, остается тесно связанным со своей «дыркой» и если путешествует, то только вместе с ней. Услышав об этой идее, Вольфганг Паули лаконично аттестовал ее так: falsch (грубо говоря «чушь»). Так сказал великий Паули, именем которого назван фундаментальный принцип, служащий опорой при изучении тех же кристаллов…

В наши дни количество книг и статей об экситонах, всеми признанной физической реальности, исчисляется сотнями. В 1936 году развитию этой идеи посвятил свою работу не кто иной, как американец У. Шокли — тот самый, кому в 1949 году довелось создать первый полупроводниковый триод, названный транзистором (от английских слов «трансфер» и «резистор» — «преобразователь» и «сопротивление»).

В 1966 году киевлянам — действительным членам АН УССР А. С. Давыдову и А. Ф. Прихотько, докторам физико-математических наук М. С. Брауде, А. Ф. Лубченко (Институт физики АН УССР), доктору физико-математических наук Э. И. Рашбе (Институт полупроводников АН УССР), ленинградцам — члену-корреспонденту АН СССР Е. Ф. Гроссу, кандидатам физико-математических наук Б. П. Захарчене и А. А. Каплянскому (Физико-технический институт имени А. Ф. Иоффе) присуждена Ленинская премия за исследования экситонов в кристаллах. Вот что писал о значении этих работ академик Б. П. Константинов: «По-видимому, новые экспериментальные и теоретические результаты помогут разобраться в сущности многих биофизических явлений и химических реакций. Возможно, экситонное состояние кристаллов можно будет использовать для создания новых квантовых генераторов».

Интересна судьба еще одной идеи, высказанной Френкелем и Иоффе в 1932 году.

Как выпрямляется переменный ток на границе между металлом и полупроводником? Скажем, между медью (Cu) и ее закисью (Cu₂O)?

На границе между ними возникает как бы тончайшая плоская перегородка, которая наделена замечательным свойством — односторонней проницаемостью: в зависимости от того, как приложено напряжение, она то почти непроходима для тока, то практически прозрачна, открыта для него настежь.