Текст книги "В поисках чуда (с илл.)"
Автор книги: Лев Бобров
сообщить о нарушении
Текущая страница: 24 (всего у книги 25 страниц)
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.
И пропускает его главным образом лишь в одном направлении (от Cu2O к Cu, но не наоборот), что делает такой двуслойный полупроводник похожим на двухэлектродную радиолампу, способную выпрямлять переменный ток – преобразовывать его в постоянный, правда, не в непрерывный, а в импульсный: ведь он проходит лишь в те моменты, когда разность потенциалов увлекает электроны от катода к аноду. В противном случае лампа «заперта».
Примерно так же работал и лосевский цинкитный детектор, разве что там были взяты не Cu2O и Cu, а ZnO и Zn. Однако включенный в схему кристадина, он мог еще и усиливать колебания! Но как?
В вакуумной лампе (триоде) эта цель достигается введением третьего электрода: между катодом и анодом помещают сетку. Когда нужно, она помогает электронам: притягивая их, она увеличивает густоту и скорость их потока. А что же происходит в полупроводящей пленке на границе ее с металлом?
Размышляя над подобными явлениями, Френкель и Иоффе объяснили некоторые из них туннельным эффектом. Мол, электроны, даже если у них не хватает «силенок», энергии, все же способны иногда просачиваться через запорный слой, имеющий очень небольшую толщину – чуть шире атомных размеров. Критическая проверка этой теорий в последующие годы показала, что в основе выпрямляющего действия на контакте (к примеру, между Cu2O и Cu) лежит иной механизм. Но мысли советских ученых опередили свое время. «Понадобилось двадцать пять лет бурного развития физики и техники полупроводников, чтобы идея Я. И. Френкеля и А. Ф. Иоффе воплотилась в туннельном диоде, открытом японским ученым Есаки в 1959 году», – писал недавно лауреат Нобелевской премии академик Игорь Евгеньевич Тамм.
Радисты 20-х годов не ведали, сколь важна структурная однородность, химическая чистота и какова роль примесей в тонкой пленке кристаллического детектора. При его изготовлении благоприятное сочетание всех необходимых свойств и условий достигалось случайно. И конечно же, не везде, а лишь на некоторых участках. Приходилось мучительно долго, со всеми предосторожностями зондировать поверхность нежным усиком проволочной спиральки, чтобы нащупать заветную точку. Когда же ее обнаруживали, малейшее сотрясение или атмосферный разряд могли «сбить» ее, нарушить полупроводниковые свойства в месте контакта. И только много лет спустя физика твердого тела, казалось бы, столь далекая от практической радиотехники, подсказала, какая нужна, пленка и как получать ее – однородную, прочную, надежную.
Так появился на свет полупроводниковый диод, за ним и триод, в котором роль сетки исполняет промежуточный кристалл с иной проводимостью, нежели у «катода» и «анода», окаймляющих его с обоих боков, как ломти хлеба прослойку масла в сандвиче.
Великое начинается с малого
Рождение транзистора относят к 1948–1949 годам; его считают детищем американского трио: У. Шокли, Дж. Бардина и В. Браттейна. Между тем справедливости ради следовало бы напомнить, что устройства подобного типа еще в 1937–1941 годах успешно разрабатывал наш соотечественник Л. А. Дружкин.
Изобретательскую деятельность молодого физика прервала война. Тяжело раненный, вынесший пять хирургических операций и полуторагодовое «заточение» в госпитале, Лев Александрович, как и многие его коллеги, надолго был оторван от лаборатории.
Вскоре после войны ученый защитил диссертацию. Темой ее послужил первый в мире полупроводниковый микрофон. Создал же его Дружкин еще до войны. А сколько других важных и интересных достижений советской радиоэлектроники застряло в своем развитии в суровую годину, когда все силы были брошены на разгром фашистских вандалов!
Не мудрено, что по некоторым научным результатам оказались впереди люди, спокойно проводившие свои исследования в уютных заокеанских лабораториях, за окнами которых не разорвалось ни одной бомбы.
Невзгоды и лишения, разумеется, не парализовали нашу науку. Но какой ценой доставались ее тогдашние завоевания!
«Зима вот уже недели две стучится в двери.
Холод собачий, усугубляемый резкими ветрами (последние особенно характерны для Казани). Дров покамест ни у кого нет. Чтобы достать два литра керосина, приходится проводить полдня в очереди».
Так 25 сентября 1941 года писал своему брату, оставшемуся в осажденном Ленинграде, член-корреспондент АН СССР Я. И. Френкель. С весны 1942 года, находясь в эвакуации, Яков Ильич засел за монографию по кинетической теории жидкостей.
Работал он у себя дома. Его апартаменты состояли из крохотной комнаты, где он поселился вместе с женой. Правда, квартирохозяйка предоставила ленинградскому профессору еще и отдельный кабинет – полутемную прачечную, где свет еле сочился сквозь узенькую «бойницу», прорезанную в бревенчатой стене. Столом служил кусок фанеры, положенной на колени.
«С весны 1942 года, – сообщает в своих воспоминаниях сын ученого В. Я. Френкель, – когда Казанка – речушка, протекающая через город, освободилась ото льда, на рынках стали появляться ракушки. Из них приготовляли всевозможные блюда, стараясь перцем или какими-либо иными имевшимися в распоряжении специями забить крайне неприятный привкус». Френкелям не раз доводилось отведать подобные деликатесы.
Книга Якова Ильича вышла в 1945 году. Год спустя она увидела свет в Англии. В 1955 году ее перевели в США, а в 1957 году – в Германии. Она была удостоена Государственной премии первой степени.
Судьба Френкеля – лишь один из бесчисленных эпизодов многотрудного и славного подвига, совершенного советской наукой. И наш народ вдвойне горд столь нелегко добытыми победами.
В своем докладе, посвященном 25-летию Октября, прочитанном в ноябре 1942 года на сессии Академии наук в Свердловске, академик Иоффе, называя «важнейшие результаты советской физики, оказавшие влияние на развитие мировой науки», перечислил и работы по полупроводникам. «Советские выпрямители, фотоэлементы и термоэлементы… превышают по своим показателям заграничные образцы».
С тех пор радиоэлектроника сделала новый гигантский скачок вперед.
По свидетельству кандидата технических наук К. И. Мартюшова, заместителя министра электронной промышленности СССР, у нас в 1965 году выпускалось массовыми тиражами около 500 типов полупроводниковых диодов и триодов. Созданы транзисторные телевизоры, магнитофоны, медицинские аппараты, приборы индустриальной автоматики, счетно-решающие устройства.
Недавно на Международной лейпцигской ярмарке высокую оценку зарубежных специалистов получила советская универсальная цифровая вычислительная машина «Раздан-2». Полностью «транзисторизованная», она очень компактна, несмотря на сложность конструкции. Чтобы получить представление о ее габаритах и формах, вообразите письменный стол с поставленным на него небольшим шкафчиком. При быстродействии 5 тысяч операций в секунду «Раздан-2» потребляет не больше 3 киловатт – в несколько раз меньше, чем аналогичные агрегаты, где вместо полупроводников использованы лампы.
А недавно в радиоэлектронной «лилипутии» началась эра микроминиатюризации.
В стандартных полупроводниковых заменителях радиоламп львиная доля объема и веса приходится на защитный футляр, каркас, контакты, крепления и прочие вспомогательные приспособления. Саму же рабочую сердцевину составляет крохотная кремниевая или германиевая пластиночка с вплавленной в нее капелькой индия, сурьмы или иного вещества.
Если собрать узел с дюжиной диодов и триодов, то в нем вместе с «полезным грузом» двенадцать раз повторится и его «тара», не говоря уже о том, что между корпусами должно остаться свободное пространство для проволочек и спаев. А нельзя ли увеличить плотность монтажа?
Сначала технологи отказались от «персональных» металлических или стеклянных кожухов, сохранив, если нужно, общую герметизирующую оболочку лишь для всего блока, составленного из многих отдельных элементов. Получились микромодули – крохотные, гораздо меньше конфеты «ирис», «этажерки», где «полочками» служат рельефные, словно вафли, и тонкие, как бумага, диэлектрические плиты из керамических материалов. На такую изолирующую подкладку особым способом, напоминающим полиграфические приемы, нанесен узор, где в роли типографской краски выступают вещества, применяемые в радиоэлектронике. В лабиринте линий и пятен заключены сопротивления, конденсаторы, катушки индуктивности. Диоды и триоды тоже могут изготовляться в виде пленок, а не только плиточек-таблеток. Таким путем в кубатуру той же «ириски» удается втиснуть тысячи разнообразных деталей.
Один сложный радиоэлектронный агрегат, собранный на лампах, отличался солидной тяжестью (свыше полутонны) и объемистостью (более кубометра). В транзисторном исполнении он «похудел» до трети центнера и «съежился» до 70 литров, а в микромодульном – до 1,5 килограмма и 2 литров (характеристики человеческого мозга). Но и это не предел!
Освоены и все шире внедряются в технику так называемые твердые схемы. Усилителем, генератором или иным типовым блоком становится уже не пакет микромодульных галет, между которыми все-таки есть зазоры, хоть и незначительные, а кусок цельного полупроводникового кристалла, вырезанный, скажем, в виде фольги размерами с двадцатикопеечную монету. В нем нет обособленных изолирующих «полочек». Конечно, он по-прежнему похож на эстамп, но рельеф здесь многоярусный: печатные схемы отдельных узлов наложены одна поверх другой неразъемной «стопкой».
Сложным можно делать не только поверхностный слой такого «бутерброда», но и сам кристалл при его выращивании. Вводя особые примеси, в его недрах создают различные зоны, каждую со своим набором свойств, причем одна такая ячейка эквивалентна лампе, конденсатору, катушке или иному прибору, а весь кристалл – целому приемнику, передатчику или иному радиотехническому устройству.
Да, активное вмешательство в микроструктуру твердого тела позволяет конструировать такие устройства, где в качестве радиодеталей выступает та или иная атомно-молекулярная организация вещества. Новое направление – молектроника (молекулярная электроника) – открывает захватывающие перспективы. Одна из них – думающий кристалл. А химики проводят исследования и над органическими полупроводниками – гибкими, эластичными. Так, чего доброго, действительно появятся полимерно-электронные Галатеи!
«Микроминиатюризация, ставшая основой подлинного переворота в технике конструирования, теперь все шире проникает в различную аппаратуру, – говорил недавно министр радиопромышленности СССР В. Д. Калмыков. – Для самолетов гражданской авиации разработано бортовое навигационное оборудование с применением микромодулей.
Создается электронная АТС, полностью выполненная на интегральных твердых схемах, которая занимает объем в 15–20 раз меньше, чем аналогичная по назначению телефонная станция, выпускаемая в настоящее время. Многоканальные микроминиатюрные капсулы – радиопередатчики значительно расширяют возможности исследования организма человека.
Микроминиатюризация начинает внедряться в бытовую радиоаппаратуру… Советские малогабаритные транзисторные приемники пользуются успехом у нас в стране и за рубежом. Интересной новинкой являются разрабатываемые плоские карманные приемники, которые образно можно сравнить с хорошо известными плоскими часами „Вымпел“, хотя, конечно, по размерам они будут больше их. К концу пятилетки в радиолах и большей части телевизоров будут использоваться полупроводники. Это повысит их надежность и даст значительную экономию электроэнергии. Новые переносные транзисторные радиостанции весом 800 граммов и портативный радиотелефон окажут большую помощь в организации связи в промышленности, на транспорте, в строительстве и в сельском хозяйстве. Для организации связи в крупных клиниках и учреждениях, где необходимо быстро отыскать и вызвать отдельных сотрудников, создана система персонального вызова. Благодаря использованию полупроводников она надежна в работе и компактна: пульт диспетчера размером с пишущую машинку, абонентский приемник весит всего 150 граммов».
Вот уж действительно многогранный, драгоценный, прямо-таки «магический» кристалл! Настоящее чудо нашего века.
Сколько же всего их, нынешних «чудес света»?
И есть ли среди них «самоё расчудесное», которое по праву можно было бы назвать «восьмым»?
Космические ракеты. Ядерные реакторы.
Квантовые генераторы и усилители. Радиолокаторы и радиотелескопы. Телевизоры и электронные микроскопы. Ускорители. Вычислительные устройства.
Полупроводники. Ими мы восхищаемся сегодня. А вчера человечество восторгалось изобретением радио.
Двигателей внутреннего сгорания. Электрических и паровых машин. Часовых механизмов. Еще раньше – огромными и великолепными зданиями или статуями. Когда-то диковинной новинкой были паруса и колеса. Трут и кресало для добывания огня. Каменные топоры. Чем будут гордиться наши потомки?
Величественно возносил к небесам свою огненную корону Фаросский маяк, столетиями повергая в изумление жителей и гостей Александрии. Сегодня туристы довольствуются печальным зрелищем жалких руин. Но есть вещи, перед которыми бессильна быстротекущая река времени.
Архитектор, строитель фаросского чуда, высек на стене маяка, как было приказано, имя богоравного Птолемея Сотера, могущественного и достославного повелителя смертных. Минули века.
Отвалилась штукатурка. И под ней открылась свежая, будто только что выведенная надпись: «Сострат, сын Дексифана из Книда, посвятил богам-спасителям ради мореходов»…
Чуда не стало. Сменил царство земное на царство небесное египетский владыка. Ушел из мира сего и Сострат. Однако подлинный творец замечательного сооружения навсегда остался жить в благодарной памяти людей. И все же не только имя сохранилось нетленным. Сострата пережило его дело. Нет, не каменная громада средиземноморского светоча; ее рано или поздно вконец Сотрет безжалостное время. Есть наследие более ценное – знания, опыт, откровения, переданные современникам и потомкам.
Не будь этой интеллектуальной эстафеты, разве мыслимы были бы нынешние успехи в высотном строительстве, как и вообще в любых областях техники, науки, искусства?
Но все новое, предвиденное нами и неведомое нам, что создадут грядущие поколения, родится на почве, взрыхленной вчера и засеянной сегодня.
И как мы пользуемся плодами, которые выращены предшественниками, так наши последователи будут обязаны своими достижениями нашим современникам, нашим соотечественникам, умножившим бессмертный золотой фонд человеческих знаний за короткий период, охватывающий жизнь одного поколения, почти миг, если рассматривать его в масштабах истории, – пятьдесят лет.
Да, информация, накопленная предшественниками, не лежит мертвым грузом. Она непрерывно перерабатывается и пополняется последователями. И чем богаче сокровищница многовекового опыта, тем ненасытнее человеческая любознательность. Какая-то неукротимая сила толкает человеческий ум на поиски нового. Не этот ли беспокойный гений творчества – подлинное чудо природы, чудо всех времен и всех народов? Разве не он преобразил мир, не он создал инженерные сооружения и произведения искусства, удивительные механизмы и машины? Разве не он умножил власть человека над стихией?
Понятно, какое значение для судеб прогресса и цивилизации имеют такие условия, при которых каждый член общества на всей Земле имел бы все возможности для наиболее полного проявления своих творческих способностей – на научном или любом ином поприще.
«Только социализм, – говорил Ленин, – освободит науку от ее буржуазных пут, – от ее порабощения капиталу, от ее рабства перед интересами грязного капиталистического корыстолюбия. Только социализм даст возможность широко распространить и настоящим образом подчинить общественное производство и распределение продуктов по научным соображениям, относительно того, как сделать жизнь всех трудящихся наиболее легкой, доставляющей им возможность благосостояния».
