Квантовая электроника - Пирс Дж.
Скачать (прямая ссылка):
Действительно, транзисторы (в основном на радость, но еще слишком часто на нашу беду) повсюду вокруг нас. Те 100 000 полупроводниковых элементов, из которых собрана электронная вычислительная машина, позволяют нам выполнять действия, за которые едва ли стоило бы браться на практике, будь в нашем распоряжении только электронные лампы. Транзисторы позволили резко улучшить качество дальней телефонной связи, и благодаря им же мы вскоре сумеем проложить подводные телефонные кабели с пропускной способностью в несколько раз более высокой, чем у современных трансатлантических кабелей, работающих с усилителями на электронных лампах. Кроме того, из полупроводников изготовлены важнейшие, незаменимые детали спутников связи, таких, как «Телстар», «Реле», «Синком», да и всех других типов искусственных спутников Земли. Благодаря транзисторам стали возможными вездесущие карманные радиоприемники, победный рев которых теперь сопровождает нас почти круглые сутки.
О транзисторе я заговорил в последнюю очередь лишь потому, что теперь, в конце книги, легче объяснить
95 принципы его действия. Говоря о мазерах и лазерах, мы можем рассматривать каждый атом, ион или молекулу по отдельности, а изучая их взаимодействие с окружающей средой или, скажем, с электромагнитным полем, можно считать каждый атом, ион или молекулу взаимонезависимыми. Кристаллы полупроводников, из которых изготавливаются транзисторы, содержат несметное число атомов, расположенных в строго определенном порядке, и потому свойства полупроводников можно понять, только изучая поведение и свойства упорядоченных атомных структур. При этом нам не только понадобится все то, что мы уже узнали о квантовых явлениях, но придется добавить к этому багажу еще немало новых сведений.
Вы, наверное, спросите, насколько в действительности ново все то, что нам предстоит узнать для понимания устройства и принципов действия транзистора? Кое-что оставалось неясным вплоть до 1948 года, когда был открыт полупроводниковый эффект (за это открытие В. X. Бреттен, Джон Бардин и В. Б. Шокли получили в 1956 году Нобелевскую премию). Но многое было известно гораздо раньше. Совсем недавно, листая одну из своих книг, я обнаружил между страниц старую, отпечатанную на машинке программу с заголовком «Мотт-Джонсовский семинар, 8 декабря 1938 года». Шокли в тот год вел семинар, на котором изучалась книга Н. Ф. Мотта и X. Джонса «Свойства металлов и сплавов'», изданная в 1936 году. Уже в ней в основном содержались те квантовомеханические идеи, которые- существенно необходимы для понимания принципов работы транзистора, правда, в то время они были собраны авторами из самых свежих научных публикаций. Таким образом, по крайней мере некоторые основы теории восходят к временам более чем двадцатилетней давности.
Однако для изобретения транзистора нужны были не только идеи, но и нечто более реальное. Требовалось теоретическое понимание различных сторон поведения полупроводников, а это могла дать только квантовая механика.
Другой, не менее важной стороной дела была необходимость получения чрезвычайно чистых полупроводников, ибо только в них свободные электроны и положи-
96 тельные заряды 1 могут существовать одновременно и в течение достаточно длительного времени. В радиолокационных приемниках времен второй мировой войны уже применялись кремниевые и германиевые «кристаллические /детекторы»; тогда же начали разрабатывать ряд методов получения особо чистых кремния и германия.
Необходимость в особо высокой химической чистоте объясняется тем, что в недостаточно чистых полупроводниковых веществах заряды противоположных знаков очень быстро рекомбинируют. Физик дотранзисторной эпохи счел бы просто невероятным прибор, вся работа которого полностью основана на возможности одновременного и достаточно длительного раздельного существования зарядов противоположного знака.
Третьим необходимым условием изобретения транзистора было привлечение способных и любознательных людей к решению труднейшей двойной проблемы: к созданию нового типа усилителя и одновременному анализу загадочных и подчас головоломно сложных явлений, происходящих в транзисторе.
Начиная поиск, исследователи были вооружены новым, квантовомеханическим пониманием строения вещества, материалами неслыханной чистоты и некой идеей относительно того, как можно было бы осуществить такой усилитель. По ходу работы исследователи открыли, а затем и поняли транзисторный эффект и, наконец, изобрели усилитель, действующий, правда, на совершенно ином принципе2. Здесь нет смысла пытаться описать все эт'апы пути, который привел к окончательному теоретическому пониманию физического механизма работы полупроводниковых приборов. Лучше попытаемся понять этот механизм.
Строение атома и уровни энергии
Чтобы создать транзистор, необходимо было понять, каким образом он работает. А для этого потребовалось разобраться в том, как происходит движение электронов
1 Объяснение того, что представляют собой эти положительные заряды, весьма образно называемые дырками, мы дадим немного позже, в этой главе.
