Квант. Путеводитель для запутавшихся

В чистом кремнии вышеописанный процесс происходит очень редко, так как возбужденный электрон быстро падает обратно, либо возвращаясь в свое изначальное положение, либо занимая дырку соседнего атома. При комнатной температуре проводящий электрон даст только один из десяти триллионов атомов кремния. Их количество можно увеличить путем подъема температуры, так как это предоставит дополнительную энергию для возбуждения большего числа электронов.

Однако есть и другой способ существенно повысить проводимость полупроводника – для этого необходимо добавить к нему крошечное количество другого элемента, называемое атомами примеси. Есть два типа примесей: атомы одних дают дополнительные электроны для повышения проводимости, а атомы других забирают электроны кремния для создания дырок, что также повышает проводимость. Получаемые таким образом два типа полупроводников называются электронными полупроводниками n-типа (где добавляется отрицательный заряд) и дырочными полупроводниками р-типа (где посредством кражи электронов увеличивается количество положительных дырок).

Это очень важно, поскольку, когда полоски полупроводников n-типа и р-типа кладутся друг на друга, они формируют электрический «выключатель», называемый р-n-переходом, который хитрым способом контролирует электрический ток. Такое устройство называется «диодом» и позволяет току течь в одном направлении гораздо проще, чем в противоположном. Основной принцип таков: когда два типа полупроводников вступают в контакт, некоторые свободные электроны полупроводников n-типа переходят в полупроводники р-типа и занимают имеющиеся дырки. Это приводит к появлению на границе тонкого слоя, отрицательно заряженного на стороне р-типа (так как число его положительных дырок сократилось) и положительно заряженного на стороне n-типа (так как сократилось число его электронов). Этот «обедненный» слой превращается в своеобразную улицу с односторонним движением, действуя подобно электрическому клапану: он позволяет току гораздо проще течь в одном направлении (от р-типа к n-типу), чем в противоположном.

Такие полупроводниковые диоды используются в целом ряде областей. Например, они могут испускать свет, когда ток проходит по переходу, и становиться тем самым светоизлучающими диодами, или просто светодиодами. Но пока самой известной сферой применения полупроводников остается производство «транзисторов».

Первые транзисторы были изобретены вскоре после Второй мировой войны тремя американцами – Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли, – которые работали в Лабораториях Белла. Их идея заключалась в использовании двух p-n-переходов, сложенных вплотную друг к другу. В зависимости от того, как именно они сложены, можно получить два типа так называемого биполярного транзистора, для которого будет характерна либо n-p-n – (р-тип между двумя n-типами), либо р-n-р-структура (n-тип между двумя р-типами). Мощный ток, текущий по пути большого сопротивления (то есть по сложному пути) через один из переходов, можно контролировать гораздо более слабым током, текущим по простому пути через другой переход. Слово «транзистор» происходит из комбинации двух слов, описывающих происходящие в этом устройстве процессы: трансфер-резистор.

Способные усиливать силу тока и напряжение, транзисторы отлично подошли для создания логических вентилей, то есть основных элементов компьютера. Они оперируют в соответствии с законами бинарной логики нолей и единиц, будучи либо «включенными», если по ним идет ток, либо «выключенными», если он не идет.

Транзисторы стали частью электрических схем, содержащих в себе и различные другие электрические компоненты, такие как резисторы и конденсаторы. В конце 1950-х годов было обнаружено, что такую схему можно создать из единственного блока полупроводникового материала, получив в итоге так называемую интегральную схему. Для этого использовались маленькие кусочки кремниевых пластин, называемые чипами (от англ. chip – тонкая пластинка), которые и дали этой схеме обиходное наименование.

Вскоре эти чипы стали производиться массово и быстро заменили громоздкие электронно-лучевые трубки, которые использовались в первом поколении компьютеров в 1940-х и 1950-х годах. К концу 1960-х каждый чип мог вмещать тысячи транзисторов в своей интегральной схеме. Сегодня в самых мощных микрочипах на площади размером с человеческий ноготь содержатся миллионы транзисторов. Более того, такие «микропроцессоры» не просто заточены под выполнение конкретной задачи, но могут быть запрограммированы на множество функций.