Рассказ о том, как извлекли из жидкого азота полупроводниковые лазеры

Наука и жизньНаука

Почерк молодости

Или рассказ о том, как извлекли из жидкого азота полупроводниковые лазеры, заставили их непрерывно излучать при комнатной температуре и переместили частоту излучения в диапазон видимого света

Р. Сворень, специальный корреспондент журнала «Наука и жизнь»

Слова эти — «нулевой цикл» — узаконенный строительный термин, он относится к сооружению той части здания, которая лежит ниже уровня земли, ниже нулевой отметки. Проще говоря, «нулевой цикл» — это закладка фундамента. Именно с него, с этого цикла, с этого комплекса сложных и трудоёмких работ начинается строительство любого объекта. Потом вырастают на прочном фундаменте этажи, появляются нарядные интерьеры, уютные квартиры, быстроходные лифты, и уже мало кто задумывается о том, с чего начинался дом.

Во всяком деле имеются свои «нулевые циклы», свои невидимые миру фундаментальные работы, истинное значение которых зачастую понимают лишь специалисты. Сейчас нам предстоит интересная встреча с группой учёных, которые сегодня работают на переднем крае физики полупроводников, создают фундамент для электроники завтрашнего дня. Это лауреаты премии Ленинского комсомола 1976 года Иван Арсентьев, Пётр Копьев, Вячеслав Мишурный и Валерий Румянцев. Для встречи с ними мы отправляемся в Ленинград, в ордена Ленина Физико-технический институт имени А. Ф. Иоффе Академии наук СССР, или, как его иногда коротко называют, Физтех. Наш конечный пункт — лаборатория контактных явлений в полупроводниках. Руководит ею член-корреспондент Академии наук СССР, лауреат Ленинской премии Жорес Иванович Алфёров.

Научный руководитель молодых физиков и сам довольно молод: в мартовские дни 1977 года, когда его питомцы готовились к поездке в Москву на вручение премии Ленинского комсомола, Алфёрову исполнилось сорок семь. И примерно в это же время он мог бы отметить двадцатипятилетие своей работы в Физтехе. Научные интересы Алфёрова всегда были связаны с физикой полупроводников. Ему, в частности, посчастливилось от самых первых ступеней развивать фундаментальные исследования так называемых гетеропереходов в полупроводниках.

Сотворение перехода

Сам термин «гетеропереходы» на русский язык, наверное, следует перевести как «переходы между разнородными частями».

Мы хорошо помним ещё со школьных времён, что все вещества можно разделить на две группы — проводники и диэлектрики (изоляторы). В первых, в проводниках, есть свободные электрические заряды, а в диэлектриках свободных зарядов нет. Между проводниками и диэлектриками находится ещё одна большая группа веществ, которые называют полупроводниками. В полупроводниках самих по себе есть свободные заряды, но их во много тысяч раз меньше, чем, скажем, в меди или железе. Поэтому полупроводники сами по себе проводят ток значительно хуже, чем классические проводники — металлы.

Обратите внимание на оговорку «сами по себе» — от неё начинается путь к удивительным явлениям, которые как раз и определили интерес современной техники к полупроводниковым материалам.

Физики с виртуозной точностью научились производить с полупроводниками различные операции, которые можно объединить одним понятием — «легирование». Это «легирование» есть не что иное, как введение различных примесей в чистый полупроводниковый материал. Примесей, которые даже в ничтожных количествах — миллионные и миллиардные доли процента — радикально меняют свойства «самого по себе» полупроводника.

Легирование полупроводникового кристалла, то есть введение определённых примесей, создаёт в нём сравнительно большое количество свободных электрических зарядов, отрицательных — электронов, или положительных — «дырок». Основа всех полупроводниковых приборов — это pn-переход, граница между участками кристалла с дырочной проводимостью (зона p) и электронной (зона n).

Действие примесей в самом упрощённом виде можно описать так: они занимают места в кристаллической решётке основного вещества; в результате такой замены в полупроводнике резко возрастает количество свободных зарядов, и по своим свойствам он заметно приближается к металлическому проводнику. Причём после введения некоторых примесей — их называют донорами — в полупроводнике появляются свободные электроны; на картинках в популярных брошюрах их обычно изображают в виде этаких маленьких шариков или кружков с «минусом» в середине. Другие примеси — их называют акцепторами — создают в полупроводнике свободные положительные заряды; на картинках их тоже рисуют в виде маленьких шариков или кружков, но уже, конечно, с «плюсом» в середине. Причём в таком рисунке значительно больше искажается истина, чем там, где в виде шариков изображались свободные электроны. Дело в том, что свободных, подвижных частиц с положительным зарядом, с «плюсом», в полупроводниковом материале вообще нет. Их роль выполняют так называемые «дырки» — положительные заряды неподвижных атомов с недостающими электронами на орбите. Такой атом может перехватить электрон у своего соседа, и теперь уже тот станет носителем положительного заряда. В результате быстрого перескакивания электрона из атома в атом в полупроводнике будет перемещаться «дырка», будет двигаться положительный заряд. Полупроводниковые материалы с донорными примесями называют полупроводниками типа «n», а с акцепторными примесями — полупроводниками типа «p». Главное волшебство начинается там, где в одном кристалле соприкасаются участки с электрической проводимостью разного типа. Такая область соприкосновения называется pn-переходом, и этот переход есть основа почти всех электронных полупроводниковых приборов.

Уже одиночный pn-переход есть основа вполне законченного электронного прибора — это диод, который пропускает ток только в одну сторону, только от зоны p к зоне n. Он делает то, что раньше поручали электровакуумному диоду, радиолампе с двумя металлическими электродами. А трёхслойный «пирог» — кристалл с двумя переходами, то есть со структурой p-n-p или со структурой n-p-n — это уже усилительный прибор, транзистор.

Кристаллы переменного состава

Основой традиционных полупроводниковых диодов или транзисторов всегда был однородный полупроводниковый кристалл — германий или кремний. В самом кристалле, как уже говорилось, были области с разными примесями, но основной материал оставался неизменным. А вот в гетероструктурах не только создаются области с разными свободными зарядами — электронами и «дырками». В гетероструктурах по мере выращивания кристалла меняют саму его основу, само вещество, из которого строится кристаллическая решётка.

Начинают, например, выращивать полупроводниковый кристалл из арсенида галлия GaAs, а продолжают выращивания, заменяя частично или полностью атомы галлия на атомы алюминия. Таким образом, гетеропереход — это контакт различных по химическому составу полупроводников, осуществлённый в одном кристалле.

Для чего они нужны? Для чего простой однородный кристалл заменять сложными гетероструктурами? Конечно же делается это ради определённых практических выигрышей. Создание гетероструктур есть принципиально новый способ управления физическими процессами, которые происходят в полупроводниковом приборе. Очень отдалённо это напоминает создание сложных многоэлектродных радиоламп — чтобы управлять движением зарядов в лампе, улучшать её усилительные способности, в баллон вводили дополнительные электроды — ставили дополнительные спирали и сетки на пути электронного луча, тормозили или ускоряли электроны электрическими полями, сжимали электронный поток своего рода отражающими пластинами. В полупроводниковый кристаллик не влезешь, чтобы как-то повлиять на движение зарядов в нём. Но зато тонкими технологическими приёмами, созданием гетероструктур, можно влиять на физические свойства кристаллика в определённых его участках и именно таким способом добиваться нужных характеристик будущего прибора.

О том, что это даёт в различных полупроводниковых приборах, рассказывают рисунки на стр. 23.

Четыре микробиографии

Отмеченная премией Ленинского комсомола работа официально называется так: «Получение и исследование широкозонных твёрдых растворов соединений А3В5 и создание на их основе эффективных инжекционных источников излучения в видимой области спектра». Прежде чем пояснять, что стоит за этим названием, попросим авторов работы представиться и хотя бы в нескольких словах рассказать о себе.

— Вы думаете, лучше по алфавиту? Пожалуйста... Я Арсентьев Иван Никитич. Родился в Воронеже в 1943 году, в семье рабочего. Сам тоже пошёл по этой линии — работал столяром, а среднее образование получил в вечерней школе. Уже где-то в самом конце, в десятом классе, по-настоящему понял, что это за удивительно интересная вещь — физика. И просто-таки неотвратимо захотел работать именно в этой области. Поступил в Воронежский университет на физфак. А через пять лет завершающие шаги в своём высшем образовании — подготовку диплома — делал в Ленинграде. Был я направлен в один очень хороший исследовательский институт, однако же поработал в нём всего недели две. В студенческом общежитии сосед по комнате рассказал мне о некоторых работах, которые в то время велись в Физтехе, и я, не подумав даже, что формально не имею на это права, стал готовить диплом по физтеховской тематике. Ходил к Жоресу Ивановичу, который в то время был кандидатом наук и руководил очень небольшой группой. Скандал потом в деканате, конечно, был большой, но кратковременный. А жизнь оказалась навсегда связанной с делом, о котором мечтал. Закончив университет, сначала работал старшим лаборантом в физтеховском филиале. Потом служба в армии, два года в заводской лаборатории на полупроводниковом производстве. В итоге лишь в 1973 году поступил в аспирантуру в лабораторию Алфёрова и смог вовсю включиться в дело. Вспоминаю, что когда пришёл, то ветеран Дима Гарбузов встретил меня такими словами: «Я работаю до двенадцати ночи». А мне, между прочим, именно такой работы и хотелось.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Путешествие по таблице элементов: от водорода до оганесона Путешествие по таблице элементов: от водорода до оганесона

Периодическая таблица считается одним из величайших достижений химической науки

Наука и жизнь
Дмитрий Лысенков. Живой, блестящий, неоднозначный Дмитрий Лысенков. Живой, блестящий, неоднозначный

Актер Дмитрий Лысенков — о том, почему уехал из родного города и о своих ролях

СНОБ
Президентско-парламентская абсолютная демократия Президентско-парламентская абсолютная демократия

Лишь компромисс политических элит дает шанс конституции в редакции де Голля

Эксперт
Глава Минприроды — РБК: «У нас нет KPI по числу штрафов за вред экологии» Глава Минприроды — РБК: «У нас нет KPI по числу штрафов за вред экологии»

Глава Минприроды — как защитить российские компании от углеродного налога ЕС

РБК
Дивная Диана Дивная Диана

Вырежи красавицу Диану Иваницкую и повесь над тумбочкой

Maxim
Сто лет под водой: откуда в Магадане кладбище кораблей и почему его не убирают Сто лет под водой: откуда в Магадане кладбище кораблей и почему его не убирают

За век в магаданской бухте Нагаева скопилось два десятка затонувших судов

TJ
Не только кофе: 5 продуктов, которые помогут взбодриться Не только кофе: 5 продуктов, которые помогут взбодриться

Продукты, которые помогут зарядиться энергией и сохранить бодрость в течении дня

Популярная механика
Фактчек: 10 самых популярных легенд о Гитлере Фактчек: 10 самых популярных легенд о Гитлере

Развенчивание мифов об Адольфе Гитлере

Arzamas
Поехали к своим Поехали к своим

Где на Руси хорошо отдохнуть?

Robb Report
В уездном городе N-ске. Часть 2 В уездном городе N-ске. Часть 2

Вымышленные города на страницах русской классики. Часть 2

Культура.РФ
«Больше всего смерти боятся те, кто не преуспел в жизни» «Больше всего смерти боятся те, кто не преуспел в жизни»

Психотерепавт Ирвин Ялом — о том, что любовь и близость сильнее страха

Reminder
Обмену не подлежит? Обмену не подлежит?

Может ли косметика переставать действовать?

Лиза
MONA SONGZ MONA SONGZ

MONA SONGZ рассказал, как Меладзе отреагировал на его кавер

ЖАРА Magazine
Основатель «Много лосося» Александр Мутовин — Forbes for Business: «Людям нравится «попса», в том числе и в еде» Основатель «Много лосося» Александр Мутовин — Forbes for Business: «Людям нравится «попса», в том числе и в еде»

Основатель «Много лосося» — как выбрать правильную стратегию на насыщенном рынке

Forbes
Что говорят о нас наши пищевые привычки Что говорят о нас наши пищевые привычки

По тому, как именно человек ест, можно многое узнать о нем самом

Psychologies
12 лучших анимационных сериалов Netflix для всех возрастов 12 лучших анимационных сериалов Netflix для всех возрастов

Эти анимации рассмешат, растрогают и заставят задуматься зрителя любого возраста

Esquire
Человек в красной феске Человек в красной феске

Поговорим о Роберте Рафаиловиче Фальке

Наука и жизнь
Бог как иллюзия Бог как иллюзия

Почему религия не должна быть основой нравственности общества?

kiozk originals
МДМА снова помог людям с ПТСР МДМА снова помог людям с ПТСР

МДМА помог в лечении посттравматического стрессового расстройства

N+1
Как работают гаджеты-геометки: разбираемся на примере Galaxy SmartTag Как работают гаджеты-геометки: разбираемся на примере Galaxy SmartTag

Для чего нужны Bluetooth-брелки

CHIP
Акульи зубы, бивни мамонтов и черепа бизонов: кто ищет окаменелости в России и зарабатывает на этом Акульи зубы, бивни мамонтов и черепа бизонов: кто ищет окаменелости в России и зарабатывает на этом

Где найти следы древних животных, что пользуется спросом?

VC.RU
«В новой экономике ценностью являются личные отношения». Сооснователь Voices Алексей Быстров — о том, как привлек инвестиции от Питера Тиля, о теории тысячи фанатов и проблемах креаторов «В новой экономике ценностью являются личные отношения». Сооснователь Voices Алексей Быстров — о том, как привлек инвестиции от Питера Тиля, о теории тысячи фанатов и проблемах креаторов

Сооснователь Voices Алексей Быстров — о конкуренции с TikTok и креаторах

Inc.
В Италии найдена мраморная голова первого императора Рима В Италии найдена мраморная голова первого императора Рима

Август, сын Юлия Цезаря, обладал характерными деталями внешности

National Geographic
Был карликом, стал великаном: история загадочного пациента из Австрии Был карликом, стал великаном: история загадочного пациента из Австрии

Необычная история Адама Рейнера не знает аналогов

Cosmopolitan
Что заменит СВД: самозарядный карабин СК-16 Что заменит СВД: самозарядный карабин СК-16

«Популярная механика» рассуждает о перспективных стрелковых системах

Популярная механика
Любители подземной тишины Любители подземной тишины

Что может быть страннее белых растений!

Наука и жизнь
Как перестать бояться возраста? Рассказывает Михаил Лабковский Как перестать бояться возраста? Рассказывает Михаил Лабковский

Страх возраста — это страх остаться один на один с собой

Cosmopolitan
Рисовая диета: меню, эффективность, противопоказания Рисовая диета: меню, эффективность, противопоказания

Рисовую диету считают одной из самых эффективных в краткосрочной борьбе с весом

РБК
Секрет 2000-летней липы… Секрет 2000-летней липы…

Дерево может продолжать жить веками, разрастаясь по кругу

Наука и жизнь
Минус 20 и больше: Степаненко, Лолита и другие звезды раскрыли секреты похудения Минус 20 и больше: Степаненко, Лолита и другие звезды раскрыли секреты похудения

Известные артистки, которые смогли взять себя в руки и прийти в роскошную форму

Cosmopolitan
Открыть в приложении