Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

В триоде используется способность электронов перемещаться в вакууме (и таким образом создавать в нем электрический ток) при условии, что они испускаются очень горячим катодом. В металле невозможно установить однонаправленный электрический ток: если он может течь в одном направлении, то всегда, при обращении знака разности потенциалов, может протекать и в другом (см. врезку). В триоде, наоборот, движением электронов можно управлять. Чтобы полностью запретить им возврат и навязать одностороннее движение, достаточно убрать сетку: электроны устремятся от катода к аноду, но не в обратном направлении.

От триода до транзистора

Развитие миниатюризации началось в 1947 году с изобретением транзистора американскими физиками Уолтером Браттейном (1902–1987), Уильямом Шокли (1910–1989) и Джоном Бардином (с которым мы уже встречались в главе 24, «Теория БКШ»). За это открытие в 1956 году они получили Нобелевскую премию по физике. Термин «транзистор» является сокращением английского выражения transfer resistor. Как и триод, транзистор представляет собой устройство с тремя выводами (илл. 3). Здесь электроны вместо вакуума находятся в примесном полупроводнике, то есть в материале, который делают проводящим содержащиеся в нем примеси. Один терминал (эмиттер, «источник») испускает электроны, другой (коллектор, «сток») их принимает, а промежуточный электрод (база, или сетка) управляет током. Транзистор, как и его предшественник триод, может использоваться в качестве усилителя (например, в радиоприемнике) или для модуляции сигнала (например, в радиопередатчике). Также он служит переключателем в логической цепи (как известно, компьютеры обрабатывают двоичные знаки, биты, закодированные электрическим напряжением в 0 вольт (0) и конечным напряжением для бита 1 (1)).

Транзисторы и закон Мура

В 1965 году американский инженер Гордон Мур, один из основателей компании Intel, сформулировал закон, ставший впоследствии знаменитым. Согласно ему, количество транзисторов, размещенных на микропроцессоре (компонентов, выполняющих арифметические и логические операции), удваивается каждые два года.

Закон Мура с удивительной точностью подтверждался в дальнейшем (см. илл.), во многом потому, что производители восприняли его как руководство к действию при разработках своей продукции. Очевидно, что этот экспоненциальный рост не может длиться бесконечно: минимальный размер транзистора ограничен, по крайней мере, расстоянием между атомами, которое составляет долю нанометра. В 2004 году 100 млн транзисторов уместились на 1 см², то есть один транзистор занимал площадь в 10⁶ нм². Согласно закону Мура, атомные размеры будут достигнуты в году 2004+ 2x, где x – корень уравнения 2^x = 10⁶. Отсюда находим x = 6/log2 ∝ 20 лет. Таким образом, закон Мура формально мог бы действовать вплоть 2044 года. На самом же деле, вполне вероятно, что он будет выполняться лишь до 2030 года.

Количество транзисторов на 1 cм² микропроцессора в зависимости от года его выпуска в продажу. Синие точки соответствуют фактически созданным процессорам, красная прямая – закону Мура

В середине XX века широко используемым полупроводником был германий; сегодня в электронике в основном используется кремний. Примеси, добавляемые в полупроводник, разнообразны и могут быть распределены различными способами. По этой причине транзисторы существуют в самых разных формах. Размер транзистора 1947 года составлял несколько миллиметров. С тех пор они постоянно уменьшались (см. врезку), и в настоящее время огромное количество транзисторов объединено в массивы на интегральных микросхемах (илл. 4). Знакомый всем USB-накопитель в 5 см длиной, с которым мы работаем довольно часто, содержит 4 млрд транзисторов и хранит до 1 Гб данных (8∙10⁹ бит)[33].