Вычисления для полос Пайерлса были зачатком согласованного квантово-механического взгляда на происхождение электрической проводимости, но в то время никто еще не изготовил переходы. Произошло это только в 1940 году, когда группа ученых из Bell Labs под руководством инженера Рассела Ола попыталась укротить особенности полупроводникового кремния. Тогда считалось, что прерывистость проводимости кремния возникает из-за наличия примесей в его кристаллической структуре, поэтому Ол и его группа занимались его очисткой. Однажды в результате сбоя в процессе очистки был получен пруток с поистине странным характером проводимости. Одна половина вела себя так, будто в ней преобладали отрицательно заряженные носители тока – электроны. При этом вторая демонстрировала признаки содержания движущихся положительных зарядов.
Рис. 4.1. Транзисторы, запускающие наши компьютеры, работают на дырках.
Это было необычно, но и вполовину не так странно, как результат раскаливания прутка Олом и его группой. Предоставленный сам себе, этот несбалансированный кремний вообще ничего не делал. Однако под ярким светом он перескакивал в проводящее состояние, при котором ток шел из отрицательной области в положительную. Дополнительные исследования выявили, в чем было дело. Обычно четыре внешних электрона атома кремния соединены связями с другими атомами кристалла. Но на одной стороне прутка Ола мельчайшая примесь фосфора с его пятью внешними электронами создавала избыток не прикрепленных электронов, а небольшое количество бора с тремя электронами на другой приводило к дефициту электронов (см. рис. 4.1).
После «активации» светом электроны утекали из области их избытка, чтобы заполнить дырки в электронной структуре, появившиеся из-за бора. Ол назвал это открытие «положительно-отрицательным», или p-n, переходом из-за двух отдельных областей положительных и отрицательных носителей заряда. Свойство преобразовывать световую энергию в электрический ток сделало его, между прочим, первым в мире фотоэлементом.
Роящиеся дырки
Несколько лет спустя Уильям Шокли, физик из Bell Labs в Мюррей-Хилл (штат Нью-Джерси), услышал о прорыве Ола. Он быстро понял, какие возможности дает p-n-переход, и был очарован мыслью о том, что если прижать металлический контакт к середине перехода, то можно использовать внешнее электрическое поле вместо света для контроля протекающего через переход тока. В достаточно тонком кремниевом слое n– или p-типа, рассуждал он, правильное напряжение заставит электроны или дырки двигаться навстречу контакту, давая дополнительные носители заряда, которые усилят идущий по поверхностному слою ток. В результате получится легко управляемый, маломощный и небольшой усилитель, который заменит вакуумную трубку.
Однако его первые попытки осуществить мечту не были успешными. «Ничего ощутимого, никаких ощутимых результатов», – прокомментировал он ранний провал. Но в тот момент Шокли был вынужден оставить дальнейшие исследования двум из его высококвалифицированных подчиненных: Джону Бардину и Уолтеру Браттейну. Они оказались разочаровывающими последователями, чья работа представляла собой классическую комбинацию экспериментальной смекалки и удачи, которая привела двух ученых к успеху, – плюс спонтанное решение Бардина отклонить кремний в пользу его немного более предсказуемого полупроводникового брата – германия. В конце концов это дало правильный эффект усиления, повысив мощность входных сигналов – иногда даже в сотни раз. Не сходилось только одно: ток проходил через прибор в неправильном направлении.
Без сомнений, со временем они бы разгадали эту головоломку, но Шокли украл победу у своих коллег. Выход из тупика есть, понял он, и ответ кроется в дырках. Что если они настоящие, как частица, а не всего лишь отсутствие электрона, и могут счастливо сосуществовать с электронами? Это объяснило бы происходящее в транзисторе.
Шокли применил эту идею в разработке транзистора, использовавшего независимость электронов и дырок. Это был p-n-p-транзистор, в котором область избытка электронов зажата между двумя областями, где преобладают дырки. С помощью правильного напряжения можно преодолеть сопротивление среднего участка, что позволит дыркам без потерь пройти через враждебную территорию, населенную электронами. Также это работает и наоборот: можно заставить электроны проходить через центральную область, отданную под дырки. Этот принцип лег в основу работы промышленных транзисторов в последующие десятилетия.
Как говорится, остальное – уже история. Для Шокли она не была удачной. Сперва он не рассказал Бардину и Браттейну о своем новом направлении работы и даже заявлял о единоличных патентных правах на первый транзистор. Отношения между учеными так и не восстановились. К моменту, когда они поделили Нобелевскую премию по физике в 1965 году, Шокли покинул Bell Labs, чтобы основать компанию Shockley Semiconductor Laboratory (Лабораторию полупроводников Шокли) и извлечь выгоду из его транзистора в одиночку. Но его высокомерное и все более параноидальное поведение вскоре привело к массовому мятежу со стороны нанятых им молодых талантов, например Гордона Мура и Роберта Нойса, в итоге основавших компанию Intel, которая в итоге стала крупнейшим производителем микросхем в мире.
Что происходит с квантово-механическими свойствами при абсолютном нуле?
Таинственные эффекты квантового мира охватывают также и низкие температуры. Во встречающихся в повседневной жизни твердых телах, жидкостях и газах тепло, или тепловая энергия, возникает в результате движения атомов и молекул, когда они пролетают мимо и отскакивают друг от друга. Но при очень низких температурах начинают работать довольно странные законы квантовой механики. Молекулы не сталкиваются в обычном смысле: вместо этого их квантово-механические волны растягиваются и перекрываются таким образом, что иногда образуют так называемый конденсат Бозе – Эйнштейна, в котором все атомы действуют одинаково, подобно единственному «суператому». Первый чистый конденсат Бозе – Эйнштейна был получен в штате Колорадо в 1995 году с использованием облака атомов рубидия, охлажденных до менее чем 170 нанокельвинов.
Но на практике абсолютный нуль (0°К, или −273,15°C) является недостижимой целью. Чем холоднее становится газ, тем больше нужно приложить усилий, чтобы извлечь из него тепло, – работа по охлаждению чего-либо до абсолютного нуля будет бесконечной. В терминах квантовой физики в этом можно обвинить принцип неопределенности Гейзенберга, который утверждает, что чем точнее мы знаем скорость частицы, тем меньше информации у нас о ее положении, и наоборот. Зная, что атомы находятся внутри вашей экспериментальной установки, вы тем самым создаете некоторую неопределенность в их импульсах, удерживающих атомы над абсолютным нулем, – если, конечно, размер вашей установки не равен размеру всей Вселенной.
