Если внутри одного кристалла создать полупроводники p-типа и n-типа, то электроны и дырки устремятся в области, где их концентрация меньше, и на границе (она называется p-n переходом) образуется двойной заряженный слой из дырок и электронов. Этот p-n переход обладает особыми свойствами. В частности, при приложении электрического напряжения он пропускает постоянный ток только в одну сторону (а в другую – нет). Это и есть диод. Кроме того, при встрече дырки и электрона в p-n переходах некоторых полупроводников происходит их исчезновение (рекомбинация) с рождением фотонов, то есть с излучением света – так работает светодиод.
Длина волны света при этом зависит от состава полупроводника. Существуют светодиоды практически для всех областей спектра – от инфракрасного до ультрафиолетового.
А теперь – к истории.
Раунд и Лосев
В 1907 году английский естествоиспытатель Генри Джозеф Раунд, сотрудник Marconi Labs и личный ассистент самого Маркони, обнаружил занятный эффект. Он работал над кристаллическими детекторами для радиоприёмников, а такие детекторы обычно представляют собой кристалл полупроводника, контактирующий с металлической проволокой. Раунд изучал различные материалы, применил в качестве полупроводника карбид кремния и зафиксировал странный побочный эффект – ярко-жёлтое свечение в точке контакта. Это наблюдение он опубликовал в нью-йоркском журнале Electrical World, но дальше в своих исследованиях не продвинулся.
Вплоть до середины 1920-х об эффекте Раунда никто не вспоминал, по сути, открытие британца осталось не более чем мелким эпизодом в гигантской системе бурно развивающегося радио. Именно с радио началась и вторая глава этой истории – глава об Олеге Лосеве.
Олег Лосев родился в 1903 году в небогатой дворянской семье. Ещё мальчишкой он заинтересовался радио и подвизался подрабатывать на тверской радиостанции, где тогда работал гигант мысли, отец советской радиоламповой промышленности Михаил Бонч-Бруевич. В 1920-м Лосев поступил было в Московский институт связи (ныне Московский технический университет связи и информатики), но в том же году бросил его и уехал в Нижний Новгород. Туда за некоторое время до этого перевели старых знакомых Лосева – коллектив тверской радиостанции; 17-летний Лосев без образования устроился рассыльным, но через несколько месяцев благодаря усердию и таланту стал младшим научным сотрудником.
Лосев специализировался, как и ранее Раунд, на кристаллических детекторах, использовавшихся в радиоприёмниках тех лет. Он экспериментировал с различными материалами и в 1922 году сконструировал детекторный приёмник с кристаллами цинкита (оксида цинка), способный значительно усиливать сигнал и принимать очень слабые радиостанции. В те времена страна ещё не успела перессориться со всем миром; в нижегородскую лабораторию для обмена опытом приезжали немцы, это привело к тому, что публикации Лосева начали появляться за границей – в Германии, Франции, Великобритании. Сам приёмник получил европейское название Crystodyne, которое появилось и в российской прессе («Кристадин»). По сути, Лосев вплотную подошёл к открытию транзистора – полупроводникового прибора, основанного на комбинации p-n переходов и способного усиливать, генерировать или коммутировать электрические сигналы. Лосев лишь чуть-чуть не дотянул до настоящей радиореволюции.
Помешало в этом, как ни странно, его новое открытие: в 1923 году на паре «металл – карбид кремния» он наблюдал ровно тот же эффект, что и некогда Раунд, то есть электролюминесценцию. Эта тема затянула Лосева с головой, и он опубликовал по ней ряд статей в советских, немецких и американских журналах. В отличие от британского коллеги Лосев провёл множественные исследования эффекта, замеры, но ему не хватало ни оборудования, ни знаний. В конце концов, юному гению на тот момент исполнилось всего 20 лет и он был самоучкой.
Самое то ли странное, то ли страшное, что история Лосева закончилась… ничем. Он продолжал свои исследования, причём с течением времени так оторвался от основной тематики лаборатории, занимавшейся лампами, что вынужден был сменить место работы. Лосев получил множество патентов (первые три в один день, 31 августа 1925 года – «Детекторный радиоприёмник-гетеродин», «Устройство для нахождения генерирующих точек контактного детектора» и «Способ изготовления цинкитного детектора») – всего 16 штук с 1925 по 1934 год. С 1924-го по 1933-й он активно публиковался и в СССР, и за границей – его работы обсуждались мировым сообществом радиотехников, Лосева даже можно было назвать «широко известным в узких кругах». В числе его авторских свидетельств были и «световые реле», то есть, по сути, настоящие светодиоды. Но практического применения они не получили.
В 1937-м он устроился преподавателем в Ленинградский «Первый мед», затем с подачи Абрама Иоффе стал кандидатом физико-математических наук – но, по сути, это был конец карьеры ещё совсем молодого человека. Зарубежные связи в тот период осуждались, контактов с мировым научным сообществом практически не осталось, Лосев работал без перспективы. Он не стал эвакуироваться из блокадного Ленинграда и в 1942 году умер в госпитале мединститута от голода.
А первый функциональный транзистор был представлен американскими физиками Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уолтером Шокли, сотрудниками Bell Labs, в 1947 году, всего через пять лет после смерти Лосева. Спустя ещё девять лет все трое получили за своё изобретение Нобелевскую премию.
Диод Лосева не получил продолжения – работу просто некому было продолжить, потому что Лосев всегда оставался талантливым одиночкой, самоучкой-экспериментатором. Существуют справедливые сомнения в том, что он смог бы создать полноценный транзистор без должной теоретической основы – а теорией он владел в недостаточной степени. Более того, сама теория полупроводников в годы активной работы Лосева фактически отсутствовала: даже наблюдая некое явление в эксперименте, исследователи вряд ли могли объяснить его причину. Наконец, Лосеву катастрофически не хватало необходимого оборудования, к тому же финансовая и политическая обстановка в стране была крайне трудной. В общем, довести исследования до высшей точки – транзистора – не позволил целый ряд факторов.
Поэтому и светодиод, и транзистор изобрели позже. И не у нас.
После Лосева
К исследованиям в области электролюминесценции мир вернулся лишь в 1950-х годах. Одним из первых этим вопросом заинтересовался чешский физик Курт Леговец, который вместе с коллегами, Карлом Аккардо и Эдвардом Джамгочяном, в 1951 году опубликовал теоретическую модель излучения света в полупроводниках – это было именно то, для объяснения чего Лосеву не хватило знаний. В 1955–1957 годах ряд работ и исследований по теме сделал физик Рубин Браунштейн из Radio Corporation of America, наблюдавший инфракрасное излучение при использовании антимонида галлия, арсенида галлия, фосфида индия и сплава кремния с германием.
А в сентябре 1961 года сотрудники Texas Instruments Джеймс Байард и Гэри Питтмен получили на арсениде галлия стабильное инфракрасное излучение с длиной волны 900 нанометров. Годом позже, в августе 1962 года, они подали патентную заявку на первый в истории функциональный полупроводниковый светоизлучающий диод (патент US3293513, выдан 20 декабря 1966 года). Уже в октябре 1962 года Texas Instruments анонсировала серийное производство светодиодов с длиной волны 890 нанометров – модель SNX-100.
