Тунель якого немає

Як ви знаєте, будь-яка речовина складається з атомів. Навколо ядра атома обертаються, немов планети навколо Сонця, електрони. Обертатися вони можуть не як їм заманеться, а тільки по невеликому числу «дозволених» орбіт. І ось електрони, літаючі по найдальших, зовнішніх орбітах, у деяких атомів «прив’язані» неміцно. Подуй – і відірветься від ядра. А як «дути»? Найпростіше – нагріти цю речовину. Будуть тепер бродити в ній безпритульні електрони. До речі, нагріти – слово досить неточне, тому що всі електрони будуть біля «своїх» атомів тільки при температурі абсолютного нуля (-273 ° С). Так що і кімнатна температура для будь-якої речовини – палюча спека. Стало бути, «безпритульних» ми зустрінемо, де завгодно.

Як це перевірити? Візьміть батарею (скажімо, від кишенькового ліхтарика) і підключіть її до шматка якоїсь речовини. Якщо у вас є хороший (тобто досить чутливий) вимірювальний прилад, він покаже, що через речовину тече струм. Це наші «безпритульні» електрони рухаються від негативного полюса батареї до позитивного. Як кажуть, речовина володіє провідністю. Якщо провідність хороша, струм великий, – в руках у нас метал. Погана провідність – ізолятор, «серединка на половинку» – напівпровідник.

Напівпровідники володіють цікавою властивістю: якщо до їх атомів додати атоми іншої речовини (з одним тільки обмеженням: на зовнішніх орбітах у атомів цієї речовини має бути на один електрон більше або менше, ніж на зовнішніх орбітах атома напівпровідника), то електропровідність напівпровідника збільшиться. «Зайві» електрони додадуться до вже наявних «безпритульних». Ну, а якщо на зовнішніх орбітах атомів речовини домішки електронів менше? Тут справа складніша. Всі «безпритульні» знайдуть собі «господарів», а домішковим атомам все-таки не буде вистачати електронів. З’являться, так би мовити, «дірки» в струнких лавах атомних електронних оболонок (врахуйте, це ще не «тунель», про який ми згадали в заголовку статті, про нього мова ще попереду).

І от коли ми підключаємо до нашого «діркового» напівпровідника батарею, дірки починають рухатися від позитивного полюса до негативного. Взагалі-то рух цей позірний: рухаються не дірки, а електрони, що «втекли» від своїх атомів. Електрон, сусідній з діркою, перескакує на її місце, а там, де він був, утворюється знову дірка. На місце утвореної перескакує новий електрон, і так дірка «подорожує» від одного кінця напівпровідника до іншого. Тече струм. І нам здається, що тече він тому, що рухаються дірки.

Але оскільки описувати всі процеси, що відбуваються в напівпровідникових приладах – діодах і тріодах – дуже зручно, розглядаючи окремо дірки і окремо електрони, ми будемо дотримуватися загальноприйнятих поглядів. І тому будемо вважати дірку свого роду часткою, несучою позитивний заряд (так би мовити, «антиелектрон»), а електричний струм в «дірковому» і «електронному» напівпровідниках – виникаючому за рахунок руху дірок і електронів. Провідність їх, таким чином, буде доречною або електронною.

Отже, підмішуючи різні речовини до одного і того ж напівпровідника (наприклад, індій та сурму до германію), ми отримали напівпровідники двох типів: з надлишком електронів і з недоліком – з «дірками». Нам довелося додати для цього дуже небагато домішок, приблизно один атом на десять мільйонів атомів «основного» напівпровідника.

Прикордонна варта

А тепер давайте зробимо діод: складемо разом два шматки германію – електронний і дірковий. Позитивні частинки притягуються до негативних, тому дірки з лівого шматка «побіжать» направо, а електрони з правого – наліво. На кожну дірку-«перебіжчицю» будуть діяти сили тяжіння електронів, що знаходяться в правому шматку. Вони будуть тягнути її направо. А електрони-«перебіжчики» будуть тягнути перебіглі дірки наліво. Так само і на електрони, перебіглі наліво, будуть діяти сили тяжіння дірок лівого шматка і дірок, перебіглих направо. Хто кого перетягне?

Виявляється, дуже швидко настає рівновага. Дірки-«перебіжчиці» зупиняються праворуч від «кордону», електрони – зліва. А зупинившись, вони не підпускають до кордону своїх «побратимів» – адже однойменні заряди відштовхуються! Утворюється своєрідна «стіна» – бар’єр, через який не можуть проникнути ні дірки, ні електрони.

Цікаво, чи буде тепер текти струм через обидва шматка напівпровідника, через наш діод? Це залежить від того, як ми включимо батарею. Якщо позитивний полюс приєднати до «електронного» шматку, а негативний – до «діркового», струм не потече. Чому? Тому що всі дірки «збіжаться» до негативного полюса батареї, електрони – до позитивного. На кордоні залишиться тільки тонкий шар «варти»: сила тяжіння один до одного не дасть їм «втекти». От і все. Немає більше ніякого руху. А раз немає руху заряджених частинок, значить, немає струму. Виходить, при такому включенні батареї наш діод поводиться як ізолятор. Правда, ізолятор не дуже добрий – з цілого ряду причин маленький струм все ж буде текти, але для нас це зараз несуттєво.

Тоді змінимо полюса! Тепер вже дірки візьмуться відштовхуватися від позитивного полюса і, хочеш не хочеш, – наближатися до кордону. Те ж саме доведеться робити і електронам. Значить, ті й інші прорвуть заслін «варти»? Зачекайте. Адже вони спочатку повинні подолати сили відштовхування, а це можливо тільки в тому випадку, коли батарея наша має досить велике напруження. Поки напруга мала, лише деякі (найспритніші!) дірки і електрони можуть прорватися крізь «варту»: струм через діод буде малий. Однак у міру зростання напруги все більше і більше дірок і електронів зможуть переходити з одного шматка діода в інший. Та й «варта» починає погано нести службу: один за іншим «стражники» тікають до полюсів батареї, щільність бар’єру зменшується і зменшується. А струм все росте і росте. Нарешті, настає такий момент, коли всі дірки і всі електрони, що підійшли до кордону, безперешкодно проходять через нього. Потенційного бар’єру більше немає. Його подолала напруга нашої батареї, вона «розігнала» прикордонну варту.

Відкриття Єсакі

Добираємося, нарешті, до суті! Так от, за програмою робіт, якими займався Єсакі, треба було змінити залежність сили струму, що проходить через діод, від прикладеної до діода напруги. У всіх діодів ця залежність була однаковою – спочатку струм був маленьким, потім у міру того як збільшувалася напруга батареї, підключеної до діода, він ріс все швидше і швидше.

Але один з діодів виявився «з характером». Струм у ньому, навіть при маленькій напрузі, круто починав повзти вгору, а потім чомусь спадав, доходив майже до нуля, після чого знову зростав, вже як у його «слухняних» братів. Вчений був в подиві. Стали досліджувати хімічний склад: з’ясувалося, що в діод «всипали» домішок трохи більше, ніж потрібно: замість одного атома на мільйон в ньому було двадцять. Це вже наводило на роздуми. Поступово прояснилася така картина. Коли в напівпровіднику багато домішкових атомів, деякі електрони і дірки набувають дивовижну здатність проникати крізь бар’єр прикордонної варти. Хоча «силоньок» у них куди менше, ніж у тих «самих спритних» часток, про які ми говорили трохи раніше. Це явище передбачили вчені Френкель і Іоффе ще в 1932 році. Вони назвали його «тунельним квантово-механічним ефектом» – (ось він де, тунель-то!).

Пам’ятайте старого Хоттабича? Він увмів запросто проходити крізь стіни, навіть якщо там не було дверей. Не перестрибував, не обходив, а прямо так, «тунельною часткою», наскрізь…

Ця здатність не вкладається в голові! Хочеться представити справу так, ніби в бар’єрі, що стоїть між електронними і дірковими шматками германію (адже ми можемо уявити нашу «варту» у вигляді якогось бар’єру: є у тебе сили – перескочиш, ні – залишайся там, де був), наробили отвори, трохи більші за діаметром, ніж частинки. І тільки частинка, що летить точно по осі отвору або під дуже невеликим кутом до нього зуміє проскочити на іншу сторону. Чи велика ймовірність такого напрямку польоту? Звичайно, ні. Значить, мала і ймовірність тунельного переходу. І коли ми збільшуємо напругу нашої батареї, електрони і дірки «варти» злегка відходять один від одного (адже їх тягнуть до себе полюса), товщина «стіни» збільшується.

Імовірність того, що частинці вдасться проникнути по тунелю на іншу сторону, зменшується: адже кут, під яким вона може летіти, все більше і більше наближається до прямого. Тунельний струм падає, прагнучи до нуля, а тим часом росте «нормальний» – пам’ятаєте? – І залежність його від напруги набуває звичайний вигляд.

Але нажаль! Це пояснення не витримує критики фізиків. «Пам’ятайте, – кажуть вони, – тут руйнуються всі закони класичної механіки! Залишається ймовірність переходу, і вона виконується. А тунелів ніяких немає!» Ось так. Сталося «чудо».

Ну і що

Ви цього ще не подумали? Правда, навіщо ми крутимося навколо цих нещасних залежностей?! Одна проста, інша «горбата», що з цього?..

Виявляється, це дуже цікаво. Виявляється, «горбата» залежність привела в захват радистів всього світу. Чому? Зараз вам стане ясно, що якщо напруга в мережі мала, плитка гріє погано: мало через спіраль. Що таке опір, ви знаєте. Кожен бачив спіраль електроплитки. І кожен знає, йде струм. Більше напруга – більше струм. Дивіться: це ж залежність, яка була у «нормального» діода! Значить, провідник діод – це опір. Звичайно, не плитка, суп варити на ньому не можна, але це опір, такий ж, як опір в приймачі або телевізорі.

А що ви скажете про таку залежність: напруга зростає, а струм зменшується? Про ту залежність, яка вийшла у «примхливого» діода? Не буду вас мучити. Радисти давно вже знайшли «ім’я» цим «примхливим» явищам. Вони називають такі опори негативними. Чому? Тому що якщо включити паралельно два опори – позитивний (звичайний) і негативний, то вони разом будуть вести себе так, немов ніякого опору – ні позитивного, ні негативного – немає зовсім. Міняйте напругу: через один опір струм зростає, а через інший – зменшується, і загальний струм залишається незмінним.

Добре це? Дуже добре. Адже будь-яка радіодеталь – конденсатор, котушка індуктивності – володіє якимось, хай дуже маленьким, позитивним опором. А опір – це втрати. Адже струм, навіть невеликий, проходячи через опір, гріє його. Якщо ж включити паралельно з нашою котушкою належним чином обраний негативний опір, ми як би «знищимо» її позитивний опір. Так само можна звести до нуля опір конденсатора. Значить, коливальний контур (паралельно з’єднані котушка і конденсатор) з таких деталей буде позбавлений втрат. Ми отримали, немов маятник без тертя: качніть його раз, другий, третій, ваші слабкі поштовхи будуть складатися (адже втрат на тертя немає), і маятник буде розгойдуватися все сильніше і сильніше.

А коли до нашого коливального контуру без втрат приходить слабка радіохвиля, вона буде посилюватися, точно так само, як посилювалися слабкі поштовхи на маятнику: маленькі порції енергії складаються, і напруга на контурі все росте і росте. Вона росла б, напевно, до нескінченності, але в реальних схемах отримати контур без втрат не вдається. Нехай нікчемні, але залишаться позитивні опори. Але що з того? Адже там, де раніше стирчала радіолампа, ми встановили ледь помітний неозброєним оком тунельний діод. Якою простою стала схема! А скільки у наших діодів прекрасних властивостей!

Подумайте тільки: для роботи тунельного діода потрібна прямо-таки «комарина» потужність джерела живлення. Але навіть не це головне. Головне – тунельний діод може працювати там, де звичайна лампа або транзистор не можуть. Скажімо, на надвисоких частотах, навіть, мабуть, на наднадвисоких, вимірюваних сотнями тисяч і мільйонами мегагерц. (Це вже майже інфрачервоні промені!). Але й на «звичайних» частотах йому знайдеться робота. У радіотехніці на сантиметрових хвилях застосовують хвилеводи – металеві круглі або прямокутні труби, – і от якщо в таку трубу помістити тунельний діод, то він буде працювати як підсилювач.

Від антени по хвилеводу йде слабенький сигнал, а пройшов повз тунельний діод – відразу став сильним. Можна не один, а кілька діодів поставити один за іншим, і сигнал буде ставати дедалі потужніше і потужніше. Взагалі треба сказати, що на тунельних діодах можна побудувати майже будь-яку високочастотну та імпульсну схему, яку зазвичай виконують на лампах або напівпровідникових тріодах. Апаратура відразу ж стає мініатюрніше, простіше.

Вже будують обчислювальні машини, де в основному працюють тунельні діоди. І завдяки їх здатності працювати на дуже високих частотах машини виходять досить швидкодіючими. Здійснити кілька мільйонне додавання або віднімання в секунду для подібної машини – дрібниця.

А освоєння космосу? Ви, знаєте, що космічні кораблі доводиться захищати від шкідливих для здоров’я космічних променів високих енергій, від всякого роду радіації. Радіоактивне випромінювання шкідливо не тільки людині: електронна апаратура також вельми чутлива до нього. Американський супутник «Телстар-1» припинив роботу саме з цієї причини. Випромінювання, яке діяло на супутник, вивело з ладу кілька транзисторів. А тунельним діодам радіація не страшна Він не побоїться навіть атомного реактора! Значить, і апаратура на тунельних діодах буде володіти цією важливою властивістю: стійкістю до радіації.

Є у тунельних діодів ще одна приємна особливість. Вони мало шумлять. Що це означає? Коли ви налаштовуєте приймач, кімната наповнюється тріском, скреготом, одним словом, радіоперешкодами. Далека гроза, близько проїхав автомобіль, рентгенівська установка в поліклініці по сусідству або телефонна станція – всі вони народжують перешкоди. На ультракоротких хвилях перешкод майже зовсім немає. Але спробуйте там, не налаштувавшись на станцію, повернути ручку регулятора гучності вашого приймача на найбільше посилення. Ви почуєте шипіння, дзижчання. Звідки воно взялося? Винні радіолампи приймача. Це вони шумлять. Врахуйте, що інженери спеціально обрали ще малошумливі лампи, призначені саме для УКВ. А якщо взяти звичайні?.. Краще не треба!

Уявляєте, яка незручність – шуми ламп? Ви побудували незвичайно чутливий радіоприймач, розраховуєте прийняти виключно слабкі сигнали, а замість шумів нічого не приймете: шуми «заб’ють» корисну інформацію. Ось тому намагаються в таких приймачах використовувати можливо менш шумливі лампи. А наш діод – він шумить у сотні разів менше, ніж найкраща радіолампа. Значить, і тут у нього незаперечна перевага.

Але, звичайно, є області, де тунельні діоди не можуть конкурувати зі старими, перевіреними елементами. Спробуйте змусити діод працювати в низькочастотному підсилювачі, хоча б в підсилювачі радіопрогравача: нічого не вийде, не вистачить потужності. Тут потрібна радіолампа або потужний напівпровідниковий тріод. Не замінить діод радіолампу і в радіопередавачі, словом, скрізь, де потрібно віддавати значну потужність.

Автор: В. Евгеньев.