Чтение онлайн

Иное дело полупроводник, продолжал он. Соединив два подходящих полупроводника или даже полупроводник и металл, мы получаем электрический вентиль. Электрический ток легко проходит через это соединение в одну сторону и встречает большое сопротивление в противоположном направлении. Немного усложнив эту конструкцию, можно сделать такой вентиль управляемым. Управляемым при помощи очень слабого электрического тока. Полупроводниковый прибор, при помощи которого слабый ток управляет сильным, и есть транзистор.

Сопротивление некоторых полупроводников, а также переходных слоев между ними сильно изменяется при освещении. Обнаружив это, ученые создали замечательные приемники и преобразователи света, превращающие свет в электрический ток.

Удивительные свойства полупроводников, победно входивших в одну область радиоэлектроники за другой, давно привлекли внимание Басова. Он вспоминает, как в столовой ФИАНа рядом с ним оказался молодой физик Ю. М. Попов. Дело было в 1956 году, вскоре после того, как Басов защитил свою докторскую диссертацию. Кстати, это была первая в мире докторская диссертация, посвященная квантовой электронике. Легко представить себе состояние легкости и душевного подъема, в котором он в то время находился. Попов спросил его о планах на будущее. И Басов рассказал о своих мыслях, еще весьма неопределенных. О возможностях, скрытых в полупроводниках. Они начали работать вместе. Так история полупроводниковых лазеров началась во время обеда. Между этим обедом и тем — в ресторане Шаванга-Лодж — были бесконечные беседы, консультации с одним из опытнейших специалистов в физике полупроводников Б. М. Вулом, а затем и расчеты. Работали и втроем, а больше врозь, собираясь лишь для обсуждения, взаимной проверки и критики. Так, пока на бумаге, родился первый метод создания полупроводникового лазера. Расчет показал, что мощный кратковременный импульс электрического тока должен привести полупроводник в активное состояние.

После возвращения Басова из заокеанской поездки, работа продолжалась все более энергично. Начались эксперименты. К теоретическим исследованиям подключился О. Н. Крохин. Попов и Крохин проявили себя в этой работе как нерасторжимое целое, хоть и трудно представить себе две столь несхожие индивидуальности. Попов внешне очень молод. Работая у Басова уже лет десять и став доктором физико-математических наук, он кажется беспокойным студентом. Он горяч, темпераментен, в пылу дискуссии, говорят, ему лучше не попадаться под руку. Крохин спокоен, сдержан. Хоть ему тридцать два, у него седая голова, он строен, элегантен, такими я почему-то представляю себе холодноватых англичан. Очень одарен, у него уже свыше шестидесяти научных работ. Сотрудники говорят, что по уровню он выше доктора, только защищаться ему некогда, или считает, что не все открыл.

Попова и Крохина много и охотно цитируют за границей, считают их незаурядными учеными. И они в большой степени вообще типичны для молодого поколения советских физиков: своей работоспособностью, напористостью, широтой интересов. Попов специализировался по люминесценции, но, увлекшись полупроводниками, круто и безболезненно изменил область работы, быстро став здесь одним из ведущих специалистов.

Когда Крохин пришел в лабораторию Басова после университета, он поразил всех своим знанием «минимума» Ландау — знал его от корки до корки. А «минимум» Ландау — это известные во всем мире толстенные тома курса физики, написанные Ландау и Лифшицем, за которые они получили Ленинскую премию. Теперь таких томов, кажется, девять! Эти тома, конечно, не входят в программу обучения студентов, это высший пилотаж, но наиболее одаренных, а их немало, они манят, как вершина Эвереста. И есть такие, которые восходят. Взошел и Крохин и оказался как нельзя более подготовленным к квантовой электронике.

Итак, Басов, Попов и Крохин сочли проблему полупроводниковых лазеров «проблемой номер один». Фронт исследований стал шире, работа пошла быстрее, и ко времени рождения первых лазеров — рубинового и гелий-неонового — советские ученые смогли предложить еще три способа привлечения полупроводников на службу квантовой электронике.

Оказалось, что и в этом случае можно воспользоваться трехуровневой схемой, с успехом применяемой и в парамагнитных усилителях и в лазерах на рубине или других люминесцентных кристаллах. При этом полупроводник переходит в активное состояние, и, если обеспечена достаточная обратная связь, в нем начнется генерация электромагнитных волн. Для накачки полупроводникового лазера очень выгодно применять свет лазеров других типов или излучение специальных полупроводниковых источников света.

Басовцы доказали, что полупроводники могут быть приведены в активное состояние и в результате бомбардировки быстрыми электронами. При этом должно возникать очень мощное излучение из малого объема полупроводника. Но, к сожалению, электронная бомбардировка приводит к выделению большого количества тепла и вредному нагреванию полупроводника. Поэтому, несмотря на интенсивное охлаждение, полупроводник может выдерживать бомбардировку быстрыми электронами только, если они подаются короткими импульсами.

Наконец, для создания полупроводникового лазера оказалось подходящим полупроводниковое устройство, мало отличающееся от одного из типов полупроводниковых диодов. Можно было даже предвидеть, что для его создания достаточно применить уже известные способы введения некоторых примесей в очень чистый полупроводник. Физики хорошо знали, что примесь, нанесенная на поверхность чистого полупроводника, при нагревании постепенно проникает в его толщу, изменяя свойства полупроводника.

Идея советских ученых состояла в том, чтобы приводить полупроводник в активное состояние, пропуская электрический ток через границу, отделяющую чистый полупроводник от области, в которую проникла примесь. Расчеты показали им, что при этом вблизи границы должна возникнуть активная зона.

Так, в результате трехлетних упорных исследований к 1960 году Басов, Вул, Крохин и Попов теоретически обосновали четыре метода создания полупроводниковых лазеров. Постепенно этими возможностями заинтересовались и экспериментаторы.

Однако специфические особенности полупроводников долго не позволяли реализовать ни один из предложенных методов. Ведь для того чтобы придать полупроводнику заранее предвычисленные свойства, нужно сперва изготовить исходный материал, в котором среди миллиардов его атомов не было и одного атома примеси. Но этого еще далеко не достаточно. В этот сверхчистый материал нужно еще строго определенным образом ввести точно рассчитанное количество специально подобранной примеси. Все эти операции должны проходить с соблюдением такой чистоты, которая может сравниться лишь с условиями лучшей операционной палаты, причем сравнение окажется не в пользу хирургии.

Лишь в 1962 году две группы американских исследователей, пропустив короткие импульсы электрического тока через специально приготовленные кристаллы арсенида галлия, заставили их генерировать невидимые инфракрасные лучи. Интересно, что обе группы воспользовались исходным материалом, изготовленным в одной из английских лабораторий. Попытки работать с другим сырьем приводили лишь к неудачам. Эти опыты были вскоре повторены в Физическом институте и в Физико-техническом институте АН СССР на советском арсениде галлия.

А затем Басов и его сотрудники создали полупроводниковые лазеры, возбуждаемые пучком быстрых электронов и оптической накачкой. Они испускали и зеленый свет и инфракрасные лучи.

Недавно им удалось реализовать и самое первое предложение — возбуждение электрическим пробоем. Путь, найденный раньше других, оказался самым трудным.

Полупроводниковые лазеры отличаются рядом крайне полезных свойств, очень важных особенностей. Например, они лучше других преобразуют электрическую энергию в световую. Они открывают возможность непосредственно, почти без потерь, преобразовывать электрический ток в свет — возможно, это несет революцию в светотехнику и наши дома будут освещаться такими полупроводниковыми осветительными лампами! Теория обещает им стопроцентный КПД!

Полупроводниковые лазеры, как и другие полупроводниковые приборы, очень легко и просто поддаются управлению. А это крайне важно для применения в системах связи и в вычислительной технике. Уже сейчас потери энергии в них сокращены до 30 процентов, а в некоторых случаях не превышают 20 процентов.

Полупроводниковые приборы старшего поколения — диоды и транзисторы — открыли путь к миниатюризации радиоприемников, электронных вычислительных машин и других приборов.

Полупроводниковые лазеры тоже несравненно миниатюрнее своих предшественников. Их размеры могут быть доведены до микронов, то есть до масштабов, соизмеримых с длиной волны генерируемых ими колебаний. Это позволяет создать сверхминиатюрные и очень чувствительные усилители света.