В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность

И снова этот трюк просто понять, но не так просто заставить его работать на практике. Например, в кристалле германия каждый атом содержит на внешней оболочке четыре электрона (это квантовая кулинария на скорую руку, поэтому модель Бора вполне подходит для нее), которыми он «делится» с соседними атомами, чтобы создать химические связи, формирующие кристалл. Если германий «разбавлен» несколькими атомами мышьяка, атомы германия по-прежнему доминируют в структуре кристаллической решетки и атомам мышьяка приходится с трудом внедряться внутрь. В химическом смысле основное различие между германием и мышьяком заключается в том, что у мышьяка есть пятый электрон на внешней оболочке и мышьяку легче всего внедриться в решетку германия, проигнорировав этот дополнительный электрон и установив четыре химические связи, притворившись, что он является атомом германия. Дополнительные электроны, оставшиеся у атомов мышьяка, движутся по полосе проводимости получившегося полупроводника, а соответствующие им дырки отсутствуют. Такой кристалл называется полупроводником п-типа.

Альтернативой является легирование германия (в соответствии с нашим первоначальным примером) галлием, у которого только три электрона образуют химическую связь. В результате мы будто создаем дырки в валентной зоне каждого атома галлия, и валентные электроны перемещаются, прыгая в дырки, которые ведут себя подобно положительным зарядам. Такой кристалл называется полупроводником p-типа. Самое интересное происходит, если приложить друг к другу два разных типа полупроводников. Избыток положительного заряда, с одной стороны, и отрицательного – с другой создает разницу электрического потенциала, которая пытается вытолкнуть электроны в одном направлении и мешает их движению в другом. Такая объединенная пара полупроводниковых кристаллов называется диодом и дает возможность электрическому току двигаться лишь в одном направлении. Углубляясь в детали, стоит отметить, что электроны возможно заставить перепрыгнуть в дырку, и при этом будет излучаться свет. Диоды, которые излучают свет таким образом, называются светодиодами, или СИД (светоизлучающими диодами). Они используются в многочисленных дисплеях. Диод, работающий противоположным образом – поглощающий свет и выбрасывающий электрон из дырки в соседнюю зону проводимости, является фотодиодом, который используется, когда необходимо обеспечить пропускание тока лишь при попадании пучка света на полупроводник. Это основа для автоматически открывающихся дверей, которые срабатывают, когда вы приближаетесь к ним, попадая в зону светового пучка. Однако полупроводники не ограничиваются только диодами.

Если поместить вместе три полупроводниковых части, сложив их, как бутерброд (p-n-p или n-p-n), в результате получится транзистор (каждая из трех частей транзистора обычно подключена к электрическому току, поэтому их можно идентифицировать по трем паучьим лапам, торчащим из металлической или пластиковой оболочки, в которую заключен сам транзистор). Если правильно легировать материалы, возможно создать ситуацию, когда слабый поток электронов через n-p-контакт создает гораздо больший поток через другой контакт в бутерброде, то есть транзистор ведет себя как усилитель. Как знают любители электроники, диод и усилитель вместе составляют основу для конструирования аудиосистемы. Однако сегодня даже транзисторы являются весьма устарелыми устройствами, и вы не сможете найти никаких коробок с тремя ножками в своем радио, если, конечно, это не старый транзисторный приемник.

До 1950-х годов основным развлечением было громоздкое «радио» – устройство, которое хоть и называлось беспроводным, содержало множество проводов и светящихся вакуумных трубок, делавших то же самое, что сегодня делают полупроводники. К концу 1950-х началась транзисторная революция, и вместо больших светящихся электронных ламп стали использовать платы, на которых печатали проводящую схему и к которым припаивали транзисторы. Оставался один шаг до создания интегральной схемы, где бы все проводящие линии, полупроводниковые усилители, диоды и прочее располагались вместе, просто соединяясь друг с другом, образуя сердце радио, кассетного плеера или чего угодно. Одновременно с этим революция происходила и в компьютерной индустрии.

Как и старое радио, первые компьютеры были очень громоздкими. В них было множество электронных ламп и километры проводов. Даже пятьдесят лет назад, в первую полупроводниковую революцию, компьютер с такой же производительностью, что и современные, и размером с печатную машинку, потребовал бы целую комнату, чтобы разместить свой «мозг», и еще больше места для охлаждающих установок. Революция, которая превратила такую машину в планшет стоимостью несколько сотен долларов, помещающийся в руке, – это та же самая революция, которая превратила настольный приемник дедушки в радио размером с пачку сигарет и благоприятствовала переходу от транзистора к чипу.