Текст уведомления здесь

(Полу)проводник в новый мир

Жорес Алферов, один из основателей оптоэлектроники, отмечает 85-летие

15 марта исполняется 85 лет Жоресу Ивановичу Алферову, физику, который в 2000 году получил Нобелевскую премию "за развитие полупроводниковых гетероструктур для высокоскоростной оптоэлектроники". «Чердак» публикует небольшой рассказ о тех самых полупроводниках и гетероструктурах, которые принесли ученому заслуженную славу.
Добавить в закладки
Комментарии
Имя Жорес мальчик получил в честь французского социалиста и историка Жана Жореса. Сейчас такой выбор имени покажется экстравагантным, однако в 1930 году подобное решение было если не типичным, то вполне в духе времени. Старшего брата Жореса, погибшего на фронте в 1944 году, звали Марксом. Сам Жорес Иванович остался последовательным коммунистом, несмотря на крах социалистического строя и роспуск КПСС.

Родителей Жореса Алферова звали Иван Карпович и Анна Владимировна, это была смешанная белорусско-еврейская семья. В годы войны они уехали на Средний Урал, в Туринск, а потом вернулись в полуразрушенный Минск. В Минске будущий ученый закончил школу №42 и по совету своего учителя Якова Борисовича Мельцерзона поступил на энергетический факультет Белорусского политехнического Института (ныне БНТУ). Потом он перевелся в Ленинград, ныне Санкт-Петербург.

Именно с Ленинградом (ныне Санкт-Петербургом) связана трудовая жизнь ученого. С момента окончания института и до 75 лет исследователь проработает в одном месте, если не считать занимаемых им по совместительству постов.

От ламп к полупроводникам

Жорес Алферов закончил не физфак, а факультет электроники Ленинградского электротехнического института им. В.И. Ульянова (ЛЭТИ), причем по специальности «электровакуумная техника». Казалось бы, это не предполагает выхода за пределы довольно узкой области электротехники, однако получивший в 1952 году диплом молодой специалист с 1953 года приступает к работе в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе. Там он занимается полупроводниками, которые фактически «похоронят» радиолампы, ту самую электровакуумную технику.

Ртутный выпрямитель. Эти устройства используются и по сей день, но лишь там, где их недостатки не играют большой роли. Стеклянная колба громоздка и хрупка, ртуть способна загрязнить помещение в случае утечки, при снижении нагрузки выпрямитель работает нестабильно. Фото: PetrS. / Wikimedia


Вначале физик разрабатывал силовые германиевые выпрямители. Эти устройства позволяют превращать переменный ток в постоянный, причем используемые в них полупроводники дают ряд преимуществ по сравнению с появившимися еще в 1902 году ртутными выпрямителями. Преобразование переменного тока в постоянный необходимо для питания как электронных устройств, так и промышленного оборудования, от сварочных аппаратов до моторов в электровозах. Большая мощность всех этих потребителей электроэнергии объясняет слово «силовые» перед названием приборов. До войны полупроводниковыми устройствами были преимущественно простейшие диоды для радиоприемников, рассчитанные на ничтожно слабые токи — такие приемники даже не могли воспроизводить звук из динамика, их слушали только в наушниках.

Рекламный снимок 1920-х годов в США: семья слушает детекторный, то есть на основе полупроводникового кристалла, приемник. Мощность устройства не позволяла воспроизвести звук через динамик


Физика полупроводников

Полупроводники могут быть двух типов. В одних заряд переносят электроны (n-полупроводники, от negative), а во вторых — «дырки». Дырка (это физический термин, потому мы опускаем кавычки) получается, когда один из атомов захватывает лишний электрон и в результате образуется лишенное электрона место в кристалле. С математической точки зрения это место можно рассматривать как положительный заряд, и потому такие материалы называют p-полупроводниками (positive).

Соединив вместе p- и n-полупроводники, можно получить p-n переход. На стыке двух материалов возникает небольшое электрическое поле, которое мешает току проходить от n- к p-полупроводнику, и за счет этого из двух соединенных вместе полупроводников можно сделать диод — устройство, которое пропускает ток только в одну сторону. А если соединить последовательно n-, p- и n-полупроводники и к каждому подвести по контакту, то получится транзистор — устройство, которое пропускает ток между двумя контактами (подключенными к n-участкам) только при подаче напряжения на третий контакт (к p-полупроводнику).

Полупроводниковый диод в стеклянном корпусе. Квадратная деталь внутри и есть полупроводник. Снимок: John Maushammer / Wikimedia


Транзистор — это миниатюрный аналог реле, электрической детали, которая позволяет управлять переключением тока не механически, а за счет электрического сигнала. Поскольку управляющий сигнал может быть намного слабее управляемого, транзистор позволяет собрать усилитель, важнейший компонент радиоприемников, звуковой аппаратуры и многих научных приборов. Еще транзисторы можно использовать для построения вычислительных машин: в современном процессоре насчитывается несколько миллиардов транзисторов.

Транзисторы в различных вариантах


Наконец, из полупроводников можно сделать фотодиод — устройство, которое выдает электрический ток при освещении. Именно фотодиодами являются по своей сути солнечные батареи, а также датчики освещенности и охранной сигнализации с пересекающими помещение лазерными лучами. Лазеры, кстати, тоже могут быть полупроводниковыми.

Гетероструктуры и свет, свет и интернет

В кристалл кремния или иного полупроводника можно добавить примеси так, что одна часть кристалла будет работать как p-, а другая — как n-полупроводник. Их контакт называют гомопереходом, поскольку речь идет об одном кристалле. Но Жореса Алферова довольно быстро заинтересовали не гомопереходы, а гетероструктуры — сочетание нескольких слоев из разных полупроводников друг на друге.

Физик обнаружил, что в таких гетероструктурах возникает эффект, названный сверхинжекцией: вблизи контакта разных полупроводников резко вырастает концентрация электронов и дырок. Не вдаваясь глубоко в теорию, скажем, что эти носители заряда под действием электрического поля или света извне можно заставить синхронно излучать свет с той же длиной волны (того же цвета). Опять же, не будем углубляться в детали, но это означает, что полупроводниковая гетероструктура становится лазером.

Лазерный диод. Для масштаба - игольное ушко и острие иглы. Свет в лазерной указке испускает именно эта деталь.


Чем хороши полупроводниковые лазеры? Они компактны (в лазерной указке, которая и есть такой лазер, большую часть места занимают батарейки и иногда линза), а при промышленном изготовлении еще и дешевы.

Кроме того, на основе гетероструктур были сделаны солнечные батареи для ряда советских космических аппаратов. С учетом сказанного становится понятным, почему с 1973 года Жорес Алферов работает, плюс к другим должностям, заведующим базовой кафедрой оптоэлектроники ЛЭТИ, а его труды к этому моменту отмечены Ленинской премией — самой почетной советской наградой. А в 2000 ему вручат Нобелевскую премию с формулировкой «за развитие полупроводниковых гетероструктур для высокоскоростной оптоэлектроники».

Разные полупроводниковые лазеры. Снимок: 彭家杰 / Wikimedia


Область применения полупроводниковых лазеров не ограничена только указками и DVD-проигрывателями, где лазерный луч считывает данные с диска. Едва ли не главное — это лазеры, которые светят в оптоволоконные кабели, основу всех высокоскоростных компьютерных сетей, и фотодиоды, которые потом преобразуют это излучение (вместо света обычно используется ближнее ИК-излучение) обратно в электрические сигналы. Именно таким образом передается информация по магистральным интернет-каналам, а быстрое переключение полупроводниковых лазеров позволяет им многократно включаться-выключаться на протяжении малого интервала времени. Чем быстрее переключается лазер и чем лучше фотодиод реагирует на изменение освещенности (прекращает выдавать ток при пропадании света и, напротив, выдает ток при включении лазера), тем больше данных можно передать по оптоволокну.

Так что не будет преувеличением вслед за Нобелевским комитетом сказать: работы Жореса Алферова определили облик современного мира.
Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы