Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов

Добавление третьего слоя материала, когда тонкий слой полупроводника p-типа кладется между двумя слоями p-типа как в сэндвиче, создает еще более интересный прибор. Этот трехслойный набор выглядит как два диода, сложенные «спина к спине» и с правильным подбором уровней примесей для различных слоев. Нужно приложить относительно маленькое напряжение между одним концом и серединой, чтобы запустить гораздо более сильный ток от другого конца через середину. Количество тока зависит от напряжения: чем больше напряжение, тем сильнее ток. Этот прибор называется транзистором, ключевым компонентом всех вариантов электрических усилителей. «Транзисторное радио», самая современная технология 1950-х годов, использует компактные транзисторы для усиления электрических токов, чтобы работали усилители, вместо громоздких и горячих вакуумных ламп, использовавшихся в радиоприемниках до того. Это позволило создать первые переносные, питающиеся от батарей и мощные аудиоплейеры, подготавливая почву для Walkman'ов и iPod'ов, вплоть до вездесущих смартфонов сегодняшних дней.

Если вы конструируете электронику с использованием лишь двух уровней напряжения, а не плавно меняющийся уровень аудиосигнала, транзистор будет функционировать как цифровой переключатель – ток или течет, или не течет – и это является критически важным элементом для компьютерных процессоров. Целый ряд транзисторов может быть использован для того, чтобы представлять числа в двоичной форме, и более сложные контуры транзисторов могут выполнять математические операции на этих числах.

Это основа современной компьютерной технологии. Первые электронные компьютеры общего назначения были построены в 1940-х годах, и строились они на большом количестве вакуумных ламп. Вскоре после изобретения первого транзистора в 1947 году[206]полупроводниковые транзисторы начали заменять вакуумные лампы, сначала как отдельные компоненты, а затем в «интегрированных контурах», где множественные электронные компоненты встроены в единый блок кремния. Это делается варьированием примесей в различных слоях материала, так что они оказываются расположенными так, чтобы получились транзисторы, затем в этом материале прорезают углубления, и получаются транзисторы с размерами стороны в несколько нанометров[207].

Один чип размером в сантиметровый квадратик может содержать миллиарды взаимосвязанных транзисторов, организованных в контуры, которые нужны для обработки двоичных данных. Эти полупроводниковые «чипы» гораздо более компактны и требуют меньше электрической мощности, чем вакуумные лампы, и они быстро стали стандартом для электронной обработки данных.

Управляющий компьютер «Аполлона», о чем говорилось в начале этой главы, был одним из самых ранних компьютеров с интегрированными контурами[208], и с тех пор производительность основанных на транзисторных микросхемах компьютеров экспоненциально возрастала до той точки, когда немного устаревший смартфон обладает во много раз большей вычислительной мощностью, чем нужно для высадки человека на Луну, причем все это в приборе, легко помещающемся в кармане.

Вся эта основанная на полупроводниках мощность вместе с LED, которые обеспечивают работу экрана дисплея, и мощными транзисторами, которые усиливают звук, стала возможной с помощью квантовой механики. Понимание, как волновая природа электронов ведет к появлению структуры энергетических полос с пробелами в большом собрании атомов и как эта структура может управляться для изменения электрических свойств материала, считается ключевым для конструирования не только наших лэптопов и настольных компьютеров, но также для компьютеров, какие можно найти практически везде в наши дни, от холодильников до машин и тостеров. Современное представление об электронах как волнах, чье поведение управляется знаменитым уравнением Шрёдингера, и склонность этих волн занимать сразу множество состояний, так же как и печально известный кот, вот что в конечном счете позволяет нам превратить довольно скучные в принципе кусочки кремния в революционную технологию.

Глава 9 Магниты – как, черт возьми, они работают?

Я открываю холодильник, чтобы начать завтрак, стараясь при этом быть аккуратным и не сдвинуть множество предметов искусства, прикрепленных к двери холодильника магнитиками.