Споры о светодиоде
Если вы читали книгу «Изобретено в России», то могли обратить внимание на то, что многие изобретения являются совместными. Нет ка- кого-то одного изобретателя радио, самолёта или лампы накаливания. Эти технологические прорывы стали плодами многолетней работы десятков, а то и сотен человек, каждый из которых вкладывал небольшую часть своих знаний и умений в общее дело. Иногда, как в случае с радио, изобретение складывалось в чёткую цепочку — от немца Герца до канадца Фессендена, — которая бы рассыпалась при потере любого из звеньев (Попов был важным звеном).
Собственно, к подобным изобретениям относится и диод. Открытия и разработки множества учёных и инженеров привели к появлению на свет этой технологии, а назвать единственного изобретателя диода попросту невозможно. Одно лишь то, что Нобелевскую премию за связанные с диодами исследования присуждали дважды (!), говорит о многом. Но давайте обратимся к истокам.
Что такое диод?
Светодиод, также хорошо известный по латинской аббревиатуре LED (light-emitting diode), — это прибор, который испускает свет при пропускании через него электрического тока. Но принцип его работы коренным образом отличается, например, от того, как работает нить накаливания, тоже светящаяся под воздействием тока. Диод не раскаляется и не разогревается, его свет холодный.
Диод — это полупроводниковый прибор. Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками, хорошо проводящими электрический ток, и диэлектриками, проводящими ток откровенно плохо. При этом электропроводность полупроводника сильно зависит от температуры: чем она выше, тем лучше полупроводники проводят электрический ток.
Для понимания работы полупроводникового диода нужно в первую очередь знать, как устроен механизм проводимости в кристаллах. Скажем, в металлах кристаллическую решётку образуют не нейтральные атомы, а положительно заряженные ионы — атомы, лишившиеся внешнего электрона. Одноимённо заряженные ионы отталкиваются друг от друга, но решётка не рассыпается, поскольку упомянутые электроны «отданы в общественную собственность» и при этом отрицательно заряжены, таким образом, они выполняют роль «цемента». А поскольку электроны являются носителями электрического заряда и легко перемещаются по всему объёму материала, то во внешнем электрическом поле они обуславливают электрический ток. Этим объясняется хорошая электропроводность металлов.
Решётка полупроводника устроена иначе. Внешние электроны атомов там не свободны, как в металлах, а задействованы в локальных связях между соседними атомами («привязаны» к ним). Поскольку свободных носителей заряда в полупроводнике в этих условиях нет, он плохо проводит электрический ток. Но если мы поднимем температуру на достаточную величину, энергия тепловых колебаний атомов в решётке возрастёт и может превысить порог, при котором связи между соседними атомами будут разорваны и в полупроводнике появятся свободные электроны (электроны проводимости), благодаря которым он начнёт проводить электрический ток. Порог этот зависит от типа материала, в полупроводниках он достаточно низкий, чтобы даже не очень сильное нагревание резко повысило электропроводность (а в диэлектриках весьма высокий, поэтому их электропроводность очень низкая и не зависит от температуры).
Если связь между соседними атомами в кристаллической решётке полупроводника разрывается, образуется электрон проводимости. Для восстановления разорванной связи на его место может перескочить электрон соседнего атома, что приведёт к разрыву соответствующей связи. Если приложить к полупроводнику внешнее электрическое поле, разорванная связь будет «двигаться» точно таким же образом, как и электрон, только в противоположном направлении. Такую связь называют «дыркой", она считается квазичастицей (то есть ведёт себя как частица, хотя таковой физически не является) и носителем положительного заряда (а электрон, напомню, отрицательного).
Полупроводники обладают ещё одним характерным свойством: их способность проводить электрический ток сильно зависит не только от температуры, но и от очень малого количества примесей (один примесный атом на миллион атомов полупроводника или даже меньше). Причём разные примеси дают полупроводникам различные свойства: примеси-доноры, например мышьяк, привносят избыточные электроны проводимости (это называется полупроводник n-типа), примеси-акцепторы, например бор, создают избыток дырок (это полупроводник p-типа).
Если внутри одного кристалла создать полупроводники p-типа и n-типа, то электроны и дырки устремятся в области, где их концентрация меньше, и на границе (она называется p-n переходом) образуется двойной заряженный слой из дырок и электронов. Этот p-n переход обладает особыми свойствами. В частности, при приложении электрического напряжения он пропускает постоянный ток только в одну сторону (а в другую — нет). Это и есть диод. Кроме того, при встрече дырки и электрона в p-n переходах некоторых полупроводников происходит их исчезновение (рекомбинация) с рождением фотонов, то есть с излучением света — так работает светодиод.
Длина волны света при этом зависит от состава полупроводника. Существуют светодиоды практически для всех областей спектра — от инфракрасного до ультрафиолетового.
А теперь — к истории.
Раунд и Лосев
В 1907 году английский естествоиспытатель Генри Джозеф Раунд, сотрудник Marconi Labs и личный ассистент самого Маркони, обнаружил занятный эффект. Он работал над кристаллическими детекторами для радиоприёмников, а такие детекторы обычно представляют собой кристалл полупроводника, контактирующий с металлической проволокой. Раунд изучал различные материалы, применил в качестве полупроводника карбид кремния и зафиксировал странный побочный эффект — ярко-жёлтое свечение в точке контакта. Это наблюдение он опубликовал в нью-йоркском журнале Electrical World, но дальше в своих исследованиях не продвинулся.
Вплоть до середины 1920-х об эффекте Раунда никто не вспоминал, по сути, открытие британца осталось не более чем мелким эпизодом в гигантской системе бурно развивающегося радио. Именно с радио началась и вторая глава этой истории — глава об Олеге Лосеве.
Олег Лосев родился в 1903 году в небогатой дворянской семье. Ещё мальчишкой он заинтересовался радио и подвизался подрабатывать на тверской радиостанции, где тогда работал гигант мысли, отец советской радиоламповой промышленности Михаил Бонч-Бруевич. В 1920-м Лосев поступил было в Московский институт связи (ныне Московский технический университет связи и информатики), но в том же году бросил его и уехал в Нижний Новгород. Туда за некоторое время до этого перевели старых знакомых Лосева — коллектив тверской радиостанции; 17-летний Лосев без образования устроился рассыльным, но через несколько месяцев благодаря усердию и таланту стал младшим научным сотрудником.
Лосев специализировался, как и ранее Раунд, на кристаллических детекторах, использовавшихся в радиоприёмниках тех лет. Он экспериментировал с различными материалами и в 1922 году сконструировал детекторный приёмник с кристаллами цинкита (оксида цинка), способный значительно усиливать сигнал и принимать очень слабые радиостанции. В те времена страна ещё не успела перессориться со всем миром; в нижегородскую лабораторию для обмена опытом приезжали немцы, это привело к тому, что публикации Лосева начали появляться за границей — в Германии, Франции, Великобритании. Сам приёмник получил европейское название Crystodyne, которое появилось и в российской прессе («Кристадин»). По сути, Лосев вплотную подошёл к открытию транзистора — полупроводникового прибора, основанного на комбинации p-n переходов и способного усиливать, генерировать или коммутировать электрические сигналы. Лосев лишь чуть-чуть не дотянул до настоящей радиореволюции.
Помешало в этом, как ни странно, его новое открытие: в 1923 году на паре «металл — карбид кремния» он наблюдал ровно тот же эффект, что и некогда Раунд, то есть электролюминесценцию. Эта тема затянула Лосева с головой, и он опубликовал по ней ряд статей в советских, немецких и американских журналах. В отличие от британского коллеги Лосев провёл множественные исследования эффекта, замеры, но ему не хватало ни оборудования, ни знаний. В конце концов, юному гению на тот момент исполнилось всего 20 лет и он был самоучкой.
Самое то ли странное, то ли страшное, что история Лосева закончилась… ничем. Он продолжал свои исследования, причём с течением времени так оторвался от основной тематики лаборатории, занимавшейся лампами, что вынужден был сменить место работы. Лосев получил множество патентов (первые три в один день, 31 августа 1925 года — «Детекторный радиоприёмник-гетеродин», «Устройство для нахождения генерирующих точек контактного детектора» и «Способ изготовления цинкитного детектора») — всего 16 штук с 1925 по 1934 год. С 1924-го по 1933-й он активно публиковался и в СССР, и за границей — его работы обсуждались мировым сообществом радиотехников, Лосева даже можно было назвать «широко известным в узких кругах». В числе его авторских свидетельств были и «световые реле», то есть, по сути, настоящие светодиоды. Но практического применения они не получили.
В 1937-м он устроился преподавателем в Ленинградский «Первый мед», затем с подачи Абрама Иоффе стал кандидатом физико-математических наук — но, по сути, это был конец карьеры ещё совсем молодого человека. Зарубежные связи в тот период осуждались, контактов с мировым научным сообществом практически не осталось, Лосев работал без перспективы. Он не стал эвакуироваться из блокадного Ленинграда и в 1942 году умер в госпитале мединститута от голода.
А первый функциональный транзистор был представлен американскими физиками Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уолтером Шокли, сотрудниками Bell Labs, в 1947 году, всего через пять лет после смерти Лосева. Спустя ещё девять лет все трое получили за своё изобретение Нобелевскую премию.
Диод Лосева не получил продолжения — работу просто некому было продолжить, потому что Лосев всегда оставался талантливым одиночкой, самоучкой-экспериментатором. Существуют справедливые сомнения в том, что он смог бы создать полноценный транзистор без должной теоретической основы — а теорией он владел в недостаточной степени. Более того, сама теория полупроводников в годы активной работы Лосева фактически отсутствовала: даже наблюдая некое явление в эксперименте, исследователи вряд ли могли объяснить его причину. Наконец, Лосеву катастрофически не хватало необходимого оборудования, к тому же финансовая и политическая обстановка в стране была крайне трудной. В общем, довести исследования до высшей точки — транзистора — не позволил целый ряд факторов.
Поэтому и светодиод, и транзистор изобрели позже. И не у нас.
После Лосева
К исследованиям в области электролюминесценции мир вернулся лишь в 1950-х годах. Одним из первых этим вопросом заинтересовался чешский физик Курт Леговец, который вместе с коллегами, Карлом Аккардо и Эдвардом Джамгочяном, в 1951 году опубликовал теоретическую модель излучения света в полупроводниках — это было именно то, для объяснения чего Лосеву не хватило знаний. В 1955 — 1957 годах ряд работ и исследований по теме сделал физик Рубин Браунштейн из Radio Corporation of America, наблюдавший инфракрасное излучение при использовании антимонида галлия, арсенида галлия, фосфида индия и сплава кремния с германием.
А в сентябре 1961 года сотрудники Texas Instruments Джеймс Байард и Гэри Питтмен получили на арсениде галлия стабильное инфракрасное излучение с длиной волны 900 нанометров. Годом позже, в августе 1962 года, они подали патентную заявку на первый в истории функциональный полупроводниковый светоизлучающий диод (патент US3293513, выдан 20 декабря 1966 года). Уже в октябре 1962 года Texas Instruments анонсировала серийное производство светодиодов с длиной волны 890 нанометров — модель SNX-100.
Да, именно так. Ник Холоньяк оказался вторым. Он был сотрудником конкурирующей компании General Electric и опубликовал свою знаменитую статью о первом диоде видимого света в журнале Applied Physics Letters за декабрь 1962 года. Я не умаляю заслуг Холоньяка — он получил множество патентов и внёс неоценимый вклад в развитие светодиодных технологий, но номинально именно Байарда и Питтмена назвал бы изобретателями диода в классическом понимании термина «изобретатель».
Стоит заметить, что со светодиодами Лосев не столько опередил своё время, сколько опередил время, находясь не в том месте. В других условиях, в другом мире, в полноценной лаборатории, а не у себя дома, где он проводил большинство исследований, с командой сотрудников он бы довёл обе концепции до практической реализации, причём ещё до войны, намного раньше зарубежных коллег.
Но в науке, помимо таланта, знаний и финансирования, есть ещё один важный компонент. Он называется «удача».