Туннель которого нет

Как вы знаете, любое вещество состоит из атомов. Вокруг ядра атома вращаются, словно планеты вокруг Солнца, электроны. Вращаться они могут не как им вздумается, а только по небольшому числу «разрешенных» орбит. И вот электроны, летающие по самым дальним, внешним орбитам, у некоторых атомов «привязаны» непрочно. Подуй — и оторвется от ядра. А как «дунуть»? Проще всего — нагреть это вещество. Будут теперь бродить в нем бесприютные электроны. Кстати, нагреть — слово весьма неточное, потому что все электроны будут возле «своих» атомов только при температуре абсолютного нуля (—273°С). Так что и комнатная температура для любого вещества — палящая жара. Стало быть, «бесприютных» мы встретим, где угодно.

Как это проверить? Возьмите батарею (скажем, от карманного фонарика) и подключите ее к куску какого-нибудь вещества. Если у вас есть хороший (то есть достаточно чувствительный) измерительный прибор, он покажет, что через вещество течет ток. Это наши «бесприютные» электроны движутся от отрицательного полюса батареи к положительному. Как говорят, вещество обладает проводимостью. Если проводимость хорошая, ток большой,— в руках у нас металл. Плохая проводимость — изолятор, «серединка на половинку» — полупроводник.

Полупроводники обладают интересным свойством: если к их атомам добавить атомов другого вещества (с одним только ограничением: на внешних орбитах у атомов этого вещества должно быть на один электрон больше или меньше, чем на внешних орбитах атома полупроводника), то электропроводность полупроводника увеличится. «Лишние» электроны добавятся к уже имеющимся «бесприютным». Ну, а если на внешних орбитах атомов вещества примеси электронов меньше? Здесь дело сложнее. Все «бесприютные» найдут себе «хозяев», а примесным атомам все-таки не будет хватать электронов. Появятся, так сказать, «дырки» в стройных рядах атомных электронных оболочек (учтите, это еще не «туннель», о котором мы упомянули в заголовке статьи, о нем речь еще впереди).

И вот когда мы подключаем к нашему «дырочному» полупроводнику батарею, дырки начинают двигаться от положительного полюса к отрицательному. Вообще-то движение это кажущееся: движутся не дырки, а электроны, «удравшие» от своих атомов. Электрон, соседний с дыркой, перескакивает на ее место, а там, где он был, образуется снова дырка. На место образовавшейся перескакивает новый электрон, и так дырка «путешествует» от одного конца полупроводника к другому. Течет ток. И нам кажется, что течет он потому, что движутся дырки.

Но поскольку описывать все процессы, происходящие в полупроводниковых приборах — диодах и триодах — очень удобно, рассматривая отдельно дырки и отдельно электроны, мы будем придерживаться общепринятых взглядов. И поэтому будем считать дырку своего рода частицей, несущей положительный заряд (так сказать, «антиэлектроном»), а электрический ток в «дырочном» и «электронном» полупроводниках — возникающим за счет движения дырок и электронов. Проводимость их, таким образом, будет дырочной или электронной.

Итак, подмешивая разные вещества к одному и тому же полупроводнику (например, индий и сурьму к германию), мы получили полупроводники двух типов: с избытком электронов и с недостатком — с «дырками». Нам пришлось добавить для этого очень немного примесей, примерно один атом на десять миллионов атомов «основного» полупроводника.

Пограничная стража

А теперь давайте сделаем диод: сложим вместе два куска германия — электронный и дырочный. Положительные частицы притягиваются к отрицательным, поэтому дырки из левого куска «побегут» направо, а электроны из правого — налево. На каждую дырку-«перебежчицу» будут действовать силы притяжения электронов, находящихся в правом куске. Они будут тянуть ее направо. А электроны-«перебежчики» будут тянуть перебежавшие дырки налево. Так же и на электроны, перебежавшие налево, будут действовать силы притяжения дырок левого куска и дырок, перебежавших направо. Кто кого перетянет?

Оказывается, очень быстро наступает равновесие. Дырки-«перебежчицы» останавливаются справа от «границы», электроны — слева. А остановившись, они не подпускают к границе своих «собратьев» — ведь одноименные заряды отталкиваются! Образовалась своеобразная «стена» — барьер, через который не могут проникнуть ни дырки, ни электроны.

Интересно, будет ли теперь течь ток через оба куска полупроводника, через наш диод? Это зависит от того, как мы включим батарею. Если положительный полюс присоединить к «электронному» куску, а отрицательный — к «дырочному», ток не потечет. Почему? Потому что все дырки «сбегутся» к отрицательному полюсу батареи, электроны — к положительному. На границе останется только тонкий слой «стражи»: сила притяжения друг к другу не даст им «удрать». Вот и все. Нет больше никакого движения. А раз нет движения заряженных частиц, значит, нет тока. Выходит, при таком включении батареи наш диод ведет себя как изолятор. Правда, изолятор не очень хороший — по целому ряду причин маленький ток все же будет течь, но для нас это сейчас несущественно.

Тогда переменим полюса! Теперь уже дырки примутся отталкиваться от положительного полюса и, хочешь не хочешь,— приближаться к границе. То же самое придется делать и электронам. Значит, те и другие прорвут заслон «стражи»? Подождите. Ведь они сначала должны преодолеть силы отталкивания, а это возможно только в том случае, когда батарея наша имеет достаточно большое напряжение. Пока напряжение мало, лишь немногие (самые шустрые!) дырки и электроны могут прорваться сквозь «стражу»: ток через диод будет мал. Однако по мере роста напряжения все больше и больше дырок и электронов смогут переходить из одного куска диода в другой. Да и «стража» начинает плохо нести службу: один за другим «стражники» убегают к полюсам батареи, плотность барьера уменьшается и уменьшается. А ток все растет и растет. Наконец, наступает такой момент, когда все дырки и все электроны, подошедшие к границе, беспрепятственно проходят через нее. Потенциального барьера больше нет. Его преодолело напряжение нашей батареи, оно «разогнало» пограничную стражу.

Открытие Есаки

Добираемся, наконец, до сути! Так вот, по программе работ, которыми занимался Есаки, надо было изменить зависимость силы тока, проходящего через диод, от приложенного к диоду напряжения. У всех диодов эта зависимость была одинаковой — сначала ток был маленьким, потом по мере того как увеличивалось напряжение батареи, подключенной к диоду, он рос все быстрее и быстрее.

Но один из диодов оказался «с характером». Ток у него, даже при маленьком напряжении, круто начинал ползти вверх, а потом почему-то спадал, доходил почти до нуля, после чего снова рос, уже как у его «послушных» братьев. Ученый был в недоумении. Стали исследовать химический состав: выяснилось, что в диод «всыпали» примесей чуть больше, чем нужно: вместо одного атома на миллион в нем было двадцать. Это уже наводило на размышления. Постепенно прояснилась такая картина. Когда в полупроводнике много примесных атомов, некоторые электроны и дырки приобретают удивительную способность проникать сквозь барьер пограничной стражи. Хотя «силенок» у них куда меньше, чем у тех «самых шустрых» частиц, о которых мы говорили чуть раньше. Это явление предсказали ученые Френкель и Иоффе еще в 1932 году. Они назвали его «туннельным квантово-механическим эффектом» — (вот он где, туннель-то!).

Помните старика Хоттабыча? Он умел запросто проходить сквозь стены, даже если там не было дверей. Не перепрыгивал, не обходил, а прямо так, «туннельной частицей», насквозь…

Эта способность не укладывается в голове! Хочется представить дело так, словно в барьере, стоящем между электронным и дырочным кусками германия (ведь мы можем представить нашу «стражу» в виде некоего барьера: есть у тебя силы — перепрыгнешь, нет — оставайся там, где был), насверлены отверстия, чуть большие по диаметру, чем частицы. И только летящая точно по оси отверстия или под очень небольшим углом к нему частица сумеет проскочить на другую сторону. Велика ли вероятность такого направления полета? Конечно, нет. Значит, мала и вероятность туннельного перехода. И когда мы увеличиваем напряжение нашей батареи, электроны и дырки «стражи» слегка отходят друг от друга (ведь их тянут к себе полюса), толщина «стены» увеличивается.

Вероятность того, что частице удастся проникнуть по туннелю на другую сторону, уменьшается: ведь угол, под которым она может лететь, все больше и больше приближается к прямому. Туннельный ток падает, стремясь к нулю, а тем временем растет «нормальный» — помните? — и зависимость его от напряжения приобретает обычный вид.

Но увы! Это объяснение не выдерживает критики физиков. «Помните,— говорят они,— здесь рушатся все законы классической механики! Остается вероятность перехода, и она выполняется. А туннелей никаких нет!» Вот так. Произошло «чудо».

Ну и что

Вы этого еще не подумали? Правда, чего ради мы вертимся вокруг этих несчастных зависимостей?! Одна простая, другая «горбатая», что из этого?..

Оказывается, это очень интересно. Оказывается, «горбатая» зависимость привела в восторг радистов всего мира. Почему? Сейчас вам станет ясно, что если напряжение в сети мало, плитка греет плохо: мало через спираль. Что такое сопротивление, вы знаете. Каждый видел спираль электроплитки. И каждый знает, идет ток. Больше напряжение — больше ток. Смотрите: это же зависимость, которая была у «нормального» диода! Значит, проводящий диод — это сопротивление. Конечно, не плитка, суп варить на нем нельзя, но это сопротивление, такое же, как сопротивление в приемнике или телевизоре.

А что вы скажете о такой зависимости: напряжение растет, а ток уменьшается? О той зависимости, которая получилась у «капризного» диода? Не буду вас мучить. Радисты давно уже нашли «имя» этим «капризным» явлениям. Они называют такие сопротивления отрицательными. Почему? Потому что если включить параллельно два сопротивления — положительное (обычное) и отрицательное, то они вместе будут вести себя так, словно никакого сопротивления — ни положительного, ни отрицательного — нет вовсе. Меняйте напряжение: через одно сопротивление ток растет, а через другое — уменьшается, и общий ток остается неизменным.

Хорошо это? Очень хорошо. Ведь любая радиодеталь — конденсатор, катушка индуктивности — обладает каким-то, пусть очень маленьким, положительным сопротивлением. А сопротивление — это потери. Ведь ток, даже небольшой, проходя через сопротивление, греет его. Если же включить параллельно с нашей катушкой надлежащим образом выбранное отрицательное сопротивление, мы как бы «уничтожим» ее положительное сопротивление. Так же можно свести к нулю сопротивление конденсатора. Значит, колебательный контур (параллельно соединенные катушка и конденсатор) из таких деталей будет лишен потерь. Мы получили, словно маятник без трения: качните его раз, другой, третий, ваши слабые толчки будут складываться (ведь потерь на трение нет), и маятник будет раскачиваться все сильнее и сильнее.

А когда к нашему колебательному контуру без потерь приходит слабая радиоволна, она будет усиливаться, точно так же, как усиливались слабые толчки на маятнике: маленькие порции энергии складываются, и напряжение на контуре все растет и растет. Оно росло бы, наверное, до бесконечности, но в реальных схемах получить контур без потерь не удается. Пусть ничтожные, но остаются положительные сопротивления. Но что с того? Ведь там, где раньше торчала радиолампа, мы установили едва заметный простым глазом туннельный диод. Какой простой стала схема! А сколько у наших диодов прекрасных свойств!

Подумайте только: для работы туннельного диода требуется прямо-таки «комариная» мощность источника питания. Но даже не это главное. Главное — туннельный диод может работать там, где обычная лампа или транзистор не могут. Скажем, на сверхвысоких частотах, даже, пожалуй, на сверхсверхвысоких, измеряемых сотнями тысяч и миллионами мегагерц. (Это уже почти инфракрасные лучи!). Но и на «обычных» частотах ему найдется работа. В радиотехнике на сантиметровых волнах применяют волноводы — металлические круглые или прямоугольные трубы, — и вот если в такую трубу поместить туннельный диод, то он будет работать как усилитель.

От антенны по волноводу идет слабенький сигнал, а прошел мимо туннельного диода — сразу стал сильным. Можно не один, а несколько диодов поставить один за другим, и сигнал будет становиться все мощнее и мощнее. Вообще надо сказать, что на туннельных диодах можно построить почти любую высокочастотную и импульсную схему, которую обычно выполняют на лампах или полупроводниковых триодах. Аппаратура сразу же становится миниатюрнее, проще.

Уже строят вычислительные машины, где в основном работают туннельные диоды. И благодаря их способности работать на очень высоких частотах машины получаются весьма быстродействующими. Совершить несколько миллионов сложений или вычитаний в секунду для подобной машины — пустяк.

А освоение космоса? Вы, знаете, что космические корабли приходится защищать от вредных для здоровья космических лучей высоких энергий, от всякого рода радиации. Радиоактивное излучение вредно не только человеку: электронная аппаратура также весьма чувствительна к нему. Американский спутник «Телстар-1» прекратил работу именно по этой причине. Излучение, которое действовало на спутник, вывело из строя несколько транзисторов. А туннельному диоду радиация не страшна Он не побоится даже атомного реактора! Значит, и аппаратура на туннельных диодах будет обладать этим важным свойством: стойкостью к радиации.

Есть у туннельных диодов еще одна приятная особенность. Они мало шумят. Что это значит? Когда вы настраиваете приемник, комната наполняется треском, скрежетом, одним словом, радиопомехами. Далекая гроза, близко проехавший автомобиль, рентгеновская установка в поликлинике по соседству или телефонная станция — все они рождают помехи. На ультракоротких волнах помех почти совсем нет. Но попробуйте там, не настроившись на станцию, повернуть ручку регулятора громкости вашего приемника на самое большое усиление. Вы услышите шипение, жужжание. Откуда оно взялось? Виноваты радиолампы приемника. Это они шумят. Учтите, что инженеры специально выбрали еще малошумящие лампы, предназначенные именно для УКВ. А если взять обыкновенные?.. Лучше не надо!

Представляете, какое неудобство — шумы ламп? Вы построили необыкновенно чувствительный радиоприемник, рассчитываете принять исключительно слабые сигналы, а вместо шумов ничего не примете: шумы «забьют» полезную информацию. Вот поэтому стараются в таких приемниках использовать возможно менее шумящие лампы. А наш диод — он шумит в сотни раз меньше, чем самая лучшая радиолампа. Значит, и здесь у него неоспоримое преимущество.

Но, конечно, есть области, где туннельные диоды не могут конкурировать со старыми, проверенными элементами. Попробуйте заставить диод работать в низкочастотном усилителе, хотя бы в усилителе радиопроигрывателя: ничего не получится, не хватит мощности. Здесь нужна радиолампа или мощный полупроводниковый триод. Не заменит диод радиолампу и в радиопередатчике, словом, везде, где требуется отдавать значительную мощность.

Автор: В. Евгеньев.