Квант. Путеводитель для запутавшихся

Эпоха микрочипа

Сегодня кажется, что все, от автомобилей до стиральных машин, от кофеварок до музыкальных открыток, содержит в себе микрочип. Но вы хоть раз задумывались, как этот чип работает?

В статье о принципе исключения Паули в Главе 7 я описал, как электроны располагаются внутри атомов, при условии что двум электронам не позволяется занимать одно и то же квантовое состояние. Иначе говоря, они не могут описываться одной волновой функцией и в чем-то должны различаться: либо по энергии, либо по моменту импульса, либо по направлению спина. Это происходит потому, что электроны, как и другие основные кирпичики материи, кварки, принадлежат к классу элементарных частиц, называемых фермионами (в честь великого итальянского физика Энрико Ферми). Считается, что фермионы подчиняются принципу исключения и предпочитают держаться особняком, каждый в своем уникальном квантовом состоянии. Частицы-переносчики взаимодействия, такие как фотоны, принадлежат к другому классу, называемому бозонами. Они гораздо более общительны и не стесняются (а на самом деле даже предпочитают) обладать идентичными волновыми функциями и занимать одинаковые квантовые состояния. Принцип исключения к бозонам неприменим.

Таким образом, законы квантовой механики дали нам понимание строения атома. Внешние электроны атома определяют его химические свойства, которые, в свою очередь, объясняют, как атомы соединяются друг с другом для формирования различных материалов. Когда атомы оказываются вместе в веществе, их внешние электроны понимают, что обладают чуть большей свободой. Вместо того чтобы занимать определенный энергетический уровень, они принимают широкий диапазон энергий и составляют так называемую валентную зону. Так как атомов очень много, позволенные в этой зоне значения энергии очень близки друг к другу, а потому ее можно считать практически непрерывным энергетическим спектром.

В некоторых материалах, например в металлах, эта валентная зона заполнена лишь частично, и принцип Паули не запрещает электронам двигаться по ней. Когда на металл подается ток, эти валентные электроны приходят в свободное движение, обеспечивая электрический ток. Валентная зона в таких материалах называется зоной проводимости, а сами материалы называются электрическими проводниками.

Если же материал состоит из атомов, валентная зона которых заполнена до отказа, то все состояния зоны заняты и перемещаться электронам некуда. Электроны валентной зоны более не могут свободно двигаться, поэтому такая зона не считается зоной проводимости.

Обычно между этой зоной и следующей существует промежуток. Если этот промежуток слишком широк, электроны просто остаются на месте, так как они не могут выскочить на свободу. А если они не могут пробиться в следующую энергетическую зону, они не могут и двигаться по материалу под воздействием электрического поля. Такие материалы называются диэлектриками.

Энергия электронов в твердых телах. Каждая заштрихованная шахта обозначает один атом в решетке. Многие электроны тесно связаны с атомами-хозяевами, занимают отдельные квантовые орбитали и, следовательно, не двигаются по решетке. Однако более высокие энергетические уровни, занятые внешними электронами, сливаются вместе и формируют «энергетические зоны», каждая из которых обладает непрерывным диапазоном позволенных энергий. Между этими зонами находятся энергетические промежутки, которые электронам занимать запрещено. В металле-проводнике (вверху) верхняя (валентная) зона лишь частично заполнена электронами, которые, таким образом, свободны перемещаться по решетке, а следовательно, проводить электричество. В диэлектрике (посередине) валентная зона полностью заполнена и квантовые законы запрещают электронам двигаться. Так как промежуток между зонами слишком широк, чтобы его перепрыгнуть, электроны не могут пошевелиться. В полупроводнике (внизу) валентная зона также заполнена, однако промежуток между зонами очень узок и некоторые электроны могут перепрыгивать его, создавая новую проводящую зону.

Материалы, которые обладают промежуточной атомной структурой между проводниками и диэлектриками, характеризуются довольно интересным свойством. Атомы в решетке кремния, к примеру, обладают валентной зоной, полной электронов, однако энергетический промежуток между этой зоной и следующей вполне преодолим, поэтому некоторые наиболее высокоэнергетические электроны перепрыгивают в более высокую зону и превращают ее в зону проводимости. В связи с этим такие материалы называют «полупроводниками». Еще одна тонкость заключается в том, что, если электрон в полупроводнике вырывается из валентной зоны на свободу, на его месте остается дырка, которую может занять электрон соседнего атома. Это, в свою очередь, оставляет дырку во внешней зоне соседнего атома. Таким образом электрический ток, который толкает электроны в одном направлении, приводит к появлению положительной дырки[63], которая двигается в противоположном направлении, тем самым удваивая электрический эффект.

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.

Хотя нам следует благодарить квантовую механику за технологию, стоящую за вездесущими микрочипами, распределение электронов в атомах, которое позволяет существование полупроводников, может и не казаться вам особенно странным квантовым явлением. Поэтому мне следует упомянуть еще одно устройство, которое также применяется в современных электронных схемах и эксплуатирует квантовую механику более очевидным образом. Туннельный диод использует тот факт, что электроны могут перепрыгивать изолирующий слой, проходить сквозь который они теоретически не имеют права. Но не пытайтесь представить их в виде крошечных частиц, которые перепрыгивают через стену в классическом смысле. Точнее будет сказать, что волновые функции электронов просачиваются за пределы изолирующей области. Благодаря такому квантовому скачку электроны получают способность преодолевать расстояния гораздо быстрее, чем при движении обычным путем через транзистор. В связи с этим такие устройства используются в качестве очень быстрых переключателей в микропроцессорах.