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

Поэтому можно думать, что если дальнее поле волны проквантовано, т. е. представлено в виде совокупности квантов с определенными свойствами, то ближнее поле не является квантовым, или же в нем нельзя выделить определенные наборы квантов, т. е. в нем присутствуют при данной частоте все длины волн — эта проблема еще не решена. Но если есть все длины волн, то они могут отражать свойства малых деталей предметов.

Снимки в ближнем поле производятся, например, так: световод с заостренным кончиком подводится к снимаемому объекту на расстояние меньшее длины волны, т. е. на такое, в котором выходящее из него поле не разделилось на ближнее и дальнее. Рассматривается интерференционная картина между потоками света, выходящими из световода и отраженными от поверхности, эта картина фотографируется и добавочно увеличивается. (Исследуются и другие схемы.)

Сейчас можно только сказать, что область ближнего поля и ее возможности в микроскопии пока еще недостаточно изучены. Подождем новых исследований и изобретений…

Глава 2

Изобретение транзистора

Зарождение радиотехники потребовало создания детектора, т. е. устройства, пропускающего электрический ток только в одном направлении. Дело в том, что обычная радиопередача идет на волнах высокой (несущей) частоты, амплитуда или фаза которых меняются (модулируются) гораздо более низкой звуковой частотой. Поэтому ток, генерируемый на антенне приемника, является высокочастотным, и нужно сперва выделить из него колебания одного направления, а затем уже можно будет по одной линии пустить колебания высокой частоты (несущей), а по другой — полезный сигнал.

В первых радиоприемниках, их называли детекторными, такое выделение осуществлял обычно кристалл галенита (свинцового блеска) — его припаивали к одному концу цепи, а ко второму присоединяли иголку («кошачий ус») и, двигая ею по кристаллу, искали «точку», то есть место, в котором электроны могли проходить только в одну сторону, и тогда в наушниках возникал долгожданный шум, а иногда даже речь и музыка[46].

Однако ламповые диоды, основанные на эффекте Эдисона, о которых мы говорили в главе «Электротехника и радиотехника», были надежнее, а звуковые колебания могли в таких приемниках усиливаться триодами. Казалось, что ламповая электроника одержала бесспорную и окончательную победу.

Но со временем стали ясны и ее недостатки: лампы были громоздкими, срок их службы — сравнительно коротким, а для подогрева катодов требовался дополнительный расход энергии, кроме того, стеклянные баллоны были хрупкими.

По-видимому, первыми взялись за создание нового типа электроники Уильям Шокли (1910–1989), Уолтер Браттейн (1902–1987) и Джон Бардин (1908–1991). Они и разделили Нобелевскую премию 1956 г. (Вторую Нобелевскую премию по физике Бардин получил в 1972 г. за теорию сверхпроводимости.)

Успех этой группы был обусловлен тем, что все трое начинали свою научную работу под руководством выдающихся ученых, т. е. прошли хорошую школу, и смотрели на исследуемые явления с разных, но, как оказалось, дополняющих друг друга точек зрения.

Шокли учился в знаменитом Массачусетском технологическом институте (МТИ) и начинал с расчетов поведения электронов в кристаллах, а затем стал работать в лаборатории телефонной компании «Белл» под руководством К. Дж. Дэвиссона, нобелевского лауреата, открывшего волновые свойства электронов. Первым заданием Шокли было проектирование электронного умножителя — особого рода электронной лампы, действующей как усилитель. Затем он возвращается к физике твердого тела и уже в 1939 г. выдвигает план разработки твердотельных усилителей, прообразов будущих транзисторов, для замены электронных ламп. Этот проект, правда, оказался в то время неосуществимым, но цель работы была ясна.

Бардин учился в Принстонском университете под руководством Ю. Вигнера, а диссертацию написал по силам притяжения, удерживающим электроны внутри металла. Затем в Гарварде он работал с Дж. Г. Ван Флеком и П. У. Бриджменом над проблемами атомной связи и электрической проводимости в металлах — его учителями были три будущих нобелевских лауреата.

В те же годы Браттейн изучает такие явления, как влияние адсорбционных пленок на эмиссию электронов горячими поверхностями, электронные столкновения в парах ртути, занимается магнитометрами, инфракрасными явлениями и эталонами частоты.

В годы войны все трое работали над проблемами радиолокации и радиосвязи, что также добавило им опыта в области, где они потом прославились. В 1945 г. они возвращаются в «Лаборатории Белл» на работу в программе научных исследований по физике твердого тела и возобновляют начатые перед войной исследования полупроводников. В этом содружестве Шокли определил первоначальное направление работ, Бардин разрабатывал теорию явлений, Браттейн экспериментально определял свойства и поведение исследуемых материалов и приборов.

Любопытно отметить, что если Шокли и Бардин были потомственными горожанами, то Браттейн был из села, и, хотя жизнь на ранчо на лоне природы ему нравилась, фермерский труд ом ненавидел. «Хождение в пыли за тремя лошадьми и бороной — вот что сделало из меня физика», — скажет он впоследствии.

Для всего дальнейшего нам нужно коротко рассказать о свойствах полупроводников. Их электропроводность является промежуточной между электропроводностью хороших проводников (к числу которых относится большинство металлов) и изоляторов и сильно изменяется в зависимости от характера и концентрации примесей в материале, а также от температуры. К этому времени уже появились квантовые расчеты полупроводников, но эти теории еще не были адекватно проверены экспериментами.

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.