Изобретение кристадина

Первый полупроводниковый генератор-усилитель

Игра на уменьшение

В 20-30-х годах прошлого века наука и техника совершили поистине революционный скачок. «Теория относительности» Эйнштейна была сформирована, на пути к завершению была и «Квантовая теория твердых тел». Мир переживал расцвет радиовещания. Это было время зарождения полупроводниковой электроники, и трудно назвать другую область технологий, которая оказывала бы сейчас столь же сильное воздействие на развитие человечества. В 1960-е годы полупроводниковые электронные приборы положили начало бурному развитию связи, вычислительных машин и микроэлектроники, подарив миру компьютеры, смартфоны и множество другой техники, без которой нельзя представить современную жизнь. С тех пор и по сей день экономический и оборонный потенциал каждого государства в существенной мере стали определяться степенью владения полупроводниковой технологией.

Металлы и кристаллы

Первыми полупроводниковыми приборами стали кристаллические детекторы, которые пришли на смену когереру отца ламповой радиотехники – Александра Попова. Самый первый из них появился в 1906 году и представлял собой кусочек кремния, находящегося в контакте с металлической проволокой. Этот простейший и очень дешевый прибор, работая в составе ламповых радиостанций, отделял от приходящей на приемник радиоволны ее полезную составляющую, содержащую сообщение. И хотя кристаллический детектор и был по существу первым полупроводниковым прибором, время зарождения полупроводниковой электроники все же по праву следует отсчитывать с момента создания устройства, способного не только выделять информационный сигнал из радиопередач, но также создавать и усиливать электромагнитные колебания для их дальнейшей обработки.

Автором этого важнейшего изобретения был наш соотечественник, девятнадцатилетний лаборант Нижегородской радиолаборатории, уроженец Твери Олег Владимирович Лосев. Его удивительное открытие намного опередило свое время и стало величайшим прорывом в глобальной технической сфере на ближайшие 40 лет вплоть до изобретения транзистора.

Он звался кристадин

Первые детекторы 20-х годов прошлого века работали неустойчиво. Сигнал на выходе был очень слаб, и его можно было услышать только с помощью чувствительных наушников. Олег Лосев стал искать пути их усовершенствования. Подбирая различные сочетания металлов и полупроводников, он обнаружил в 1921 году способность некоторых детекторов производить генерацию или усиление сигнала, если он обладает так называемым «отрицательным сопротивлением» (возрастание напряжения на приборе приводит к падению тока). В процессе исследований в Нижегородской радиолаборатории, в которой он проработал всю свою жизнь, Лосев обнаружил в детекторе из цинкита (минеральный оксид цинка — ZnO) со стальным острием способность усиливать слабые радиосигналы, возбуждая мощные колебания в радио-контурах. Это открытие легло в основу радиоприемника, который он создал годом позже и назвал кристадином (от сочетания слов «кристалл» и «гетеродин»), опубликовав данные о нем во всех ведущих советских журналах по отрасли.

Молодому исследователю удалось получить пятнадцатикратное усиление звукового сигнала в наушниках по сравнению с обычным детекторным приемником. Устройство Лосева позволило не только принимать радиосигналы на больших расстояниях, но и одновременно передавать их. В мгновение ока дальность радиопередач увеличилась на расстояние между городами и даже соседними странами! По лосевской брошюре «Кристадин» создавали свои первые приемники тысячи энтузиастов радиосвязи, а купить кристадины можно было по невероятно низкой цене. Причем продавались они не только в России, но и за рубежом.

Скрытый след в истории

Олег Лосев умер от голода в 1942 году в блокадном Ленинграде, а его работа по кремнию оказалась потерянной, и в том же 1942 году в США компании Sylvania и Western Electric начали промышленное производство кремниевых (а чуть позже и германиевых) точечных диодов, которые использовались в качестве детекторов-смесителей в радиолокаторах. Через несколько лет работы в этой области привели к созданию транзистора. Было это совпадением или нет, но смерть Лосева совпала по времени с рождением кремниевой технологии, в честь которой была названа знаменитая Кремниевая долина – всемирный оплот высоких технологий.

В 2001 году руководство компании Intel обратилось к России с просьбой составить неформальный список достижений наших ученых, которые внесли значительный вклад в развитие физики и технологии полупроводников. Среди прочих в списке значился и полупроводниковый детектор Лосева. Упоминания о нем в официальных источниках касались в основном демонстрации усиления и генерации радиочастотных колебаний с помощью разновидности кристаллического детектора — кристадина.

«Прибор О. В. Лосева был двухконтактным с N-образной ВАХ, напоминающей туннельный диод».

Ответ последовал незамедлительно:

«Если О. Лосев создал первый туннельный диод в 20-х годах, то как быть с Лео Есаки, который получил Нобелевскую премию (1973 год) за открытие туннельного диода в 1958 году?»

По сути, это означало, что наш радиофизик – автор технологии, лежащей в основе первого в мире транзистора, за который Джон Бардин, Уолтер Брэттэн и Уильям Шокли, добавив к устройству Лосева один дополнительный контакт, получили Нобелевскую премию в 1956 году.

Полупроводниковый микромир

Но и после создания транзисторов полупроводниковые технологии не стояли на месте, ведь их потенциал поистине невообразим. Вся современная техника, от холодильника до сложнейших компьютеров, полагается на использование микрочипов и интегральных схем, составленных из полупроводниковых элементов. Эти элементы могут контролировать сигнальные потоки электронов (то есть электрический ток) в зависимости от подаваемого на них напряжения, усиливая, перенаправляя или вовсе изменяя проходящий через них сигнал. Это позволило создать целый мир электронно-вычислительной логики, воплощенной в полупроводниках. Сами элементы от года к году становятся все тоньше (для возможности пропускания высоких частот) и меньше по размеру (чтобы уместить их как можно больше в один чип, итоговый размер которого не меняется).

Самые основные чипы, которые используются повсеместно, – это чипы памяти и микропроцессоры. Первые отвечают за хранение информации на ваших компьютерах, смартфонах, на серверах облачных хранилищ данных. Вторые используются для обработки этой самой информации в режимах: пользователь – устройство и в автономных вычислениях, заранее заданных программным кодом.

Среди микропроцессоров часто отдельно выделяют графические чипы, которые помимо сложнейших расчетов графики в компьютерных играх, собранные в фермы, участвуют в процессах майнинга (генерации) криптовалют и поддержания целого мира новой автономной человека виртуальной экономики, основанной на технологии Blockchain.

В этой же программной парадигме существуют целые миры виртуального искусства - Meta-вселенные, внутри которых создаются, выставляются и торгуются цифровые произведения искусства – NFT.

Будущее – сегодня

В таких передовых областях, как разработка и производство процессоров, где размер и скорость полупроводниковых элементов играют решающую роль, развитие технологий использования кремния практически подошло к пределу своих возможностей. Улучшение производительности интегральных схем путем наращивания рабочей тактовой частоты и увеличения количества транзисторов из этого материала становится все более сложной и дорогостоящей задачей. Производители попросту больше не могут делать кремниевые транзисторы все более тонкими и маленькими. Это оставляет дальнейшее развитие кремниевых технологий малоперспективным.

Основной претендент на смену кремнию, по мнению многих экспертов, – это графен.

Этот новый полупроводниковый материал, открытый русскими учеными Геймом и Новоселовым в 2004 году, является особой формой углерода. Сейчас разрабатывается транзистор на базе графена, который может работать в трех различных режимах. Для аналогичной задачи в кремниевом чипе потребовалось бы три отдельных полупроводниковых транзистора. Это позволит создавать интегральные схемы из меньшего количества транзисторов, которые будут выполнять те же функции, что и их кремниевые аналоги. Еще одним важным преимуществом графеновых транзисторов является их способность работать на высоких частотах. Как заявляют некоторые ученые специалисты, эти частоты могут достигать 500-1000 ГГц.

Прошлые научные прорывы и революции в полупроводниковых технологиях, современность, которая в прямом смысле слова зиждется на полупроводниках, а также пока туманное, но восхитительно многообещающее будущее – вот наследие гениальных российских физиков и их дар всему миру.