Лев Бобров - В поисках чуда (с илл.)

Если электрон очутился в полосе проводимости, то что он оставил вместо себя «дома»? Ничего.

Пустое место. Выражаясь фигурально — вакансию, а попросту «дырку». Но ведь исчезновение электрона эквивалентно появлению единичного положительного заряда! И если приложить к такому кристаллу разность потенциалов, ток через него пойдет не только благодаря присутствию электронов в зоне проводимости. Начнется встречное движение зарядов со знаком «плюс», незанятых мест. Представление о «дырочной» проводимости, несмотря на всю его условность, оказалось весьма плодотворным, в теоретических расчетах. А предложил его Я. И. Френкель.

Им же введено понятие «экситона» — возбужденного нейтрального состояния, когда электрон, не вполне оторвавшись от атома, остается тесно связанным со своей «дыркой» и если путешествует, то только вместе с ней. Услышав об этой идее, Вольфганг Паули лаконично аттестовал ее так: falsch (грубо говоря «чушь»). Так сказал великий Паули, именем которого назван фундаментальный принцип, служащий опорой при изучении тех же кристаллов…

В наши дни количество книг и статей об экситонах, всеми признанной физической реальности, исчисляется сотнями. В 1936 году развитию этой идеи посвятил свою работу не кто иной, как американец У. Шокли — тот самый, кому в 1949 году довелось создать первый полупроводниковый триод, названный транзистором (от английских слов «трансфер» и «резистор» — «преобразователь» и «сопротивление»).

В 1966 году киевлянам — действительным членам АН УССР А. С. Давыдову и А. Ф. Прихотько, докторам физико-математических наук М. С. Брауде, А. Ф. Лубченко (Институт физики АН УССР), доктору физико-математических наук Э. И. Рашбе (Институт полупроводников АН УССР), ленинградцам — члену-корреспонденту АН СССР Е. Ф. Гроссу, кандидатам физико-математических наук Б. П. Захарчене и А. А. Каплянскому (Физико-технический институт имени А. Ф. Иоффе) присуждена Ленинская премия за исследования экситонов в кристаллах. Вот что писал о значении этих работ академик Б. П. Константинов: «По-видимому, новые экспериментальные и теоретические результаты помогут разобраться в сущности многих биофизических явлений и химических реакций. Возможно, экситонное состояние кристаллов можно будет использовать для создания новых квантовых генераторов».

Интересна судьба еще одной идеи, высказанной Френкелем и Иоффе в 1932 году.

Как выпрямляется переменный ток на границе между металлом и полупроводником? Скажем, между медью (Cu) и ее закисью (Cu 2O)?

На границе между ними возникает как бы тончайшая плоская перегородка, которая наделена замечательным свойством — односторонней проницаемостью: в зависимости от того, как приложено напряжение, она то почти непроходима для тока, то практически прозрачна, открыта для него настежь.

И пропускает его главным образом лишь в одном направлении (от Cu 2O к Cu, но не наоборот), что делает такой двуслойный полупроводник похожим на двухэлектродную радиолампу, способную выпрямлять переменный ток — преобразовывать его в постоянный, правда, не в непрерывный, а в импульсный: ведь он проходит лишь в те моменты, когда разность потенциалов увлекает электроны от катода к аноду. В противном случае лампа «заперта».

Примерно так же работал и лосевский цинкитный детектор, разве что там были взяты не Cu 2O и Cu, а ZnO и Zn. Однако включенный в схему кристадина, он мог еще и усиливать колебания! Но как?

В вакуумной лампе (триоде) эта цель достигается введением третьего электрода: между катодом и анодом помещают сетку. Когда нужно, она помогает электронам: притягивая их, она увеличивает густоту и скорость их потока. А что же происходит в полупроводящей пленке на границе ее с металлом?

Размышляя над подобными явлениями, Френкель и Иоффе объяснили некоторые из них туннельным эффектом. Мол, электроны, даже если у них не хватает «силенок», энергии, все же способны иногда просачиваться через запорный слой, имеющий очень небольшую толщину — чуть шире атомных размеров. Критическая проверка этой теорий в последующие годы показала, что в основе выпрямляющего действия на контакте (к примеру, между Cu 2O и Cu) лежит иной механизм. Но мысли советских ученых опередили свое время. «Понадобилось двадцать пять лет бурного развития физики и техники полупроводников, чтобы идея Я. И. Френкеля и А. Ф. Иоффе воплотилась в туннельном диоде, открытом японским ученым Есаки в 1959 году», — писал недавно лауреат Нобелевской премии академик Игорь Евгеньевич Тамм.