[75], лежащего в основе всей современной электроники. Чтобы понять, как работают эти приборы, необходимо разобраться в состоянии той материи, из которой их делают.
На вид и на ощупь полупроводники представляют собой замечательно парадоксальные кристаллы. Полупроводящие химические элементы, находящиеся в периодической системе между металлами и неметаллами, и свойствами обладают такими промежуточными, где-то между свойствами тех и других, что придает им несколько сверхъестественные качества. На вид они похожи на шершавые камни, а на ощупь оказываются на удивление гладкими. Их трудно назвать матовыми или блестящими – к ним одинаково подходят и не подходят оба эти определения. На ощупь они не такие холодные, как металлы (теплопроводность которых отводит тепло от вашей руки), но и не комнатной температуры, как неметаллы (например, эта книга). Их подробные исследования дали не менее странные результаты. В 1833 году Майкл Фарадей заметил, что сопротивление сульфида серебра уменьшается с увеличением его температуры, что идет вразрез с поведением всех известных проводников. С металлами все понятно: чем больше тепла, тем больше беспорядка, а следовательно, больше сопротивления. Но что происходит в сульфиде серебра? Так Фарадей открыл одно из ключевых свойств полупроводников: они используют заклинание деления.
Если приложить в космическом вакууме сильное электрическое поле, то, как следует из открытой Эйнштейном взаимосвязи между энергией и массой, на свет явится электрон-позитронная пара. То же может происходить и в веществе, когда из моря Ферми рождается электронно-дырочная пара. Такое же заклинание деления легко применить в полупроводнике, в котором небольшое количество тепла может дать достаточно энергии для образования пары. Поскольку и электроны, и дырки способны переносить электрический ток, это объясняет наблюдения Фарадея: при увеличении температуры число электронов и дырок увеличивается, а сопротивление уменьшается. В так называемых «примесном» или «несобственном» полупроводнике вообще нет собственных подвижных электронов и дырок, пока в него не поступит энергия, достаточная для их создания.
Поэтому лучшее место для наблюдения дырок в их естественной среде обитания – это «собственные», или «беспримесные», полупроводники. В собственных полупроводниках p-типа подвижные дырки существуют естественным образом (буква p означает «позитивный», то есть положительный). В собственных полупроводниках n-типа вместо них есть подвижные электроны (а буква «n» означает «негативный», то есть отрицательный). В обоих случаях подвижные квазичастицы присутствуют в связи с наличием примесей: например, если взять чистый одноэлементный кремний, небольшое число атомов кремния можно заменить на атомы галлия. Если посмотреть в периодическую таблицу, можно увидеть, что кремний находится в четвертом столбце, то есть имеет четыре электрона, которые могут участвовать в образовании химических связей, а галлий – в третьем, поэтому у него таких электронов только три. Поэтому каждый атом галлия, оказавшийся в кремнии, создает отсутствие одного электрона – то есть одну дырку. Если заменить галлий на мышьяк (пятый столбец), эффект будет обратным: каждый атом примеси добавит по одному лишнему электрону. Именно такая ставка на примеси, а также рано возникшая тесная связь физики твердого тела с развитием полупроводниковых технологий побудили Вольфганга Паули презрительно назвать физику конденсированного состояния «физикой грязи». Электронно-дырочные пары также можно создавать светом или звуком. В начале этой книги мы видели, как Вериана сказала что-то в свой кристалл и вызвала свет. Ее кристалл, несомненно, был полупроводником: и светодиоды, и лазерные диоды представляют собой полупроводники, в которых области n-типа граничат с областями p-типа. Такая конструкция называется n-p-переходом[76]. Принцип его действия – тот же, что и в точечно-контактном выпрямителе окопного радио: течение электрического тока в одном направлении облегчается, а в другом затрудняется. При приложении к светодиоду должным образом направленного напряжения возникают электронно-дырочные пары, а при воссоединении электронов и дырок выделяется энергия, испускаемая в виде света.
Понять, как устроен n-p-переход, не слишком трудно. В целом он представляет собой кусок полупроводника, например кремния (хотя он чаще бывает не из чистого химического элемента, а из какого-нибудь соединения). Левая половина кремния содержит примеси в виде отдельных атомов мышьяка, собственного полупроводника n-типа, заменяющих малую часть атомов кремния. В правой половине таким же образом имеются атомы германия, собственного полупроводника p-типа. Можно подумать, что при наличии в левой части множества свободных отрицательно заряженных электронов, а в правой – большого количества положительно заряженных дырок все эти электроны и дырки должны будут находить друг друга и аннигилировать, так же как в «Горе Аналог» у каждого человека существует в скалах пустой двойник, с которым он неизбежно воссоединяется в смерти. Это предположение справедливо: вблизи границы между двумя половинами электроны и дырки действительно мигрируют, сталкиваясь друг с другом и аннигилируя. Однако следует помнить, что атомы мышьяка и германия исходно нейтральны, то есть не имеют электрического заряда: они содержат другое количество электронов, нежели атомы кремния, но в то же время содержат и другое количество протонов, которые компенсируют заряд этих электронов. Поэтому, когда электроны и дырки начинают перемещаться и аннигилировать, после них остаются заряженные атомы примесей. В результате область n-типа вблизи границы между двумя половинами становится положительной, а аналогичная область p-типа – отрицательной. Это создает электрическое поле, препятствующее дальнейшему перемещению электронов и дырок. Такая заряженная зона вблизи границы называется обедненной областью.
Миграция зарядов напоминает мне об одной замечательной книге в жанре фэнтези, «Луде-туманном» (Lud-in-the-Mist, 1926) Хоуп Мирлиз. Описанная в ней страна Доримар во многом похожа на наши, но отличается тем, что граничит с землями эльфов. Местные жители по большей части стараются не слишком приближаться к границе: там происходят странные вещи, так как магия эльфов отчасти просачивается в наш мир. Вполне можно предположить, что в приграничной полосе по другую сторону наблюдается аналогичное влияние нашего мира на мир эльфов, которое кажется тамошним обитателям столь же магическим. Обедненная область подобна такой пограничной полосе между мирами.
Важность n-p-перехода связана с тем, что происходит при приложении к нему напряжения. На самом деле, при приложении напряжения в противоположных направлениях в нем происходят разные вещи. Подсоединим p-сторону к положительному полюсу батареи, а n-сторону – к отрицательному. Напряжение, создаваемое батареей, может частично компенсировать заряд, накопившийся в обедненной области. Эта область становится уже, все плотнее прижимается к границе. Чем выше напряжение, тем уже становится обедненная область и тем меньшим препятствием для течения тока становится ее электрическое поле, пока наконец при не слишком высоком напряжении ток может течь через весь переход. Однако при приложении напряжения в обратном направлении обедненная область становится не уже, а шире. Течение тока затрудняется еще сильнее: мир эльфов проникает в Доримар, и правящий эльфами герцог Обри, давно изгнанный из страны, вновь принимается мучить ее население своей злобной магией.
Транзистор развивает ту же идею. Простейший тип транзистора – это полупроводник с тремя чередующимися слоями разных типов, n-p-n. Как мы помним, к нему присоединены три контакта. Контакт А подключен к левой части (n), контакт Б – к средней (p), а контакт В – к правой (n). Если создать напряжение между контактами А и Б, барьер, препятствующий течению тока от А к В, уменьшится. Тщательный подбор разных концентраций примесей в двух областях позволяет получить искомый эффект – простое логическое условие: ЕСЛИ между контактами А и Б есть напряжение, ТО между контактами А и В может течь ток. Этот простой принцип лежит в основе всей современной вычислительной техники.
Компьютеры не всегда были основаны на электронике. По одной из гипотез, одним из самых ранних предшественников компьютеров были кости с зарубками, которые использовались в качестве бирок или других математических пособий. В число примеров таких костей входят кость Ишанго (изготовленная приблизительно за 20 000 лет до н. э. и найденная на территории Демократической республики Конго) и кость Лебомбо (относящаяся к периоду порядка 40 000 лет до н. э. и найденная в горах между Южной Африкой и Эсватини). К одному концу кости Ишанго прикреплен острый кристалл кварца, делающий ее похожей на волшебную палочку; в одной из последовательностей зарубок есть группы из девятнадцати, семнадцати, тринадцати и одиннадцати штук, что заставляет предположить, что это могло быть пособие для вычислений на основе простых чисел. На кости Лебомбо двадцать девять зарубок: возможно, она имела отношение к числу дней лунного месяца. Имеющиеся данные не позволяют сделать окончательных выводов; также высказывалось предположение, что зарубки были сделаны просто для того, чтобы эти кости было удобнее держать в руке.
Абак определенно использовался для вычислений. Известны шумерские абаки с бусинами, которые двигались по стержням, созданные за 2700 лет до н. э. Умелый абакист мог быстро выполнять весьма сложные вычисления – например извлекать кубические корни. Абаки или счеты до сих пор используются во многих частях света; у меня есть счеты, доставшиеся мне по наследству от дедушки. Гораздо таинственнее «Антикитерский механизм», созданный около 100 года до н. э. в Греции. Считается, что это была механическая модель Солнечной системы, предназначенная для вычисления дат затмений и других астрономических событий. Это устройство содержит невероятно сложную систему шестерней; нам не известна ни одна система сравнимой сложности, созданная вплоть до изобретения часового механизма, который появился на целых 1500 лет позже.