Из чего всё сделано? Рассказы о веществе - Любовь Николаевна Стрельникова

пляже), лежит в основе всей современной электроники и даже всей нашей цивилизации. Кремний — символ высоких технологий, и неслучайно место в Калифорнии, где сосредоточены главные американские фирмы в области хай-тека, называется Силиконовой, или Кремниевой, Долиной. Можно сказать, что мы живём в каменном веке.

Для того чтобы получить кремний, который удовлетворит электронщиков, химикам пришлось крепко потрудиться. Мало того что он должен быть суперчистым, то есть содержать строго определённые примеси в количестве не более одного атома примеси на миллион атомов кремния. Но кроме этого, всё электронное устройство должно быть собрано на одном цельном кристалле кремния.

Силиконовая долина — это всего лишь точка на географической карте штата Калифорния в США. Это городок, в котором живут и работают ученые, придумывая нам на радость всякие электронные штучки. Здесь ничего не добывают. Здесь производят знания и технологии

Микрочипы и сейчас очень маленькие, размером с муравья. Но они будут еще меньше по мере того, как химики создадут новые необычные материалы

Как вырастить такой кристалл? Сначала получают чистый кремний. В принципе получить кремний просто, достаточно смешать песок с углем — два природных, широко распространённых вещества — и нагреть до 1800°С. Углерод оторвет кислород от кремния и улетит с ним в виде углекислого газа. Но в таком кремнии будет множество примесей, поэтому химики придумали другую технологию. Кремний в результате получался чистым, но это был порошок, состоящий из мелких кристалликов.

Чтобы превратить их в один кристалл, порошок загружают в большую ёмкость, сделанную из кварца, расплавляют, затем в расплав опускают в качестве затравки небольшой кристаллик кремния и при небольшом охлаждении начинают медленно вытягивать его из расплава. Кремний из расплава постепенно осаждается на поверхности растущего кристалла и в конце процесса превращается в один, практически идеальный кристалл. Диаметр этого кристалла доходит до 40 сантиметров, а длина — до полутора метров

Но это только полдела. Ведь кристалл ещё нужно разрезать на пластины толщиной менее одного миллиметра. Это делают с помощью, например, стальной проволоки, покрытой алмазной крошкой, а потом пластины тщательно полируют.

Затем на этой пластине начинают собирать транзисторы — вы, несомненно, слышали это слово. Транзистор — это такое устройство, которое способно запомнить букву или цифру, складывать эти буквы в слова, а цифры в числа, делать с ними разные вычисления или превращать их в звук или картинку. Так сейчас и говорят: цифровые плееры, цифровые фотографии, цифровое телевидение.

Как вы думаете, сколько транзисторов размещается на одном квадратном сантиметре современных чипов? Более ста миллионов! А размер самого транзистора настолько маленький, что его невозможно разглядеть в самый лучший оптический микроскоп. Как же технологи ухитряются собирать такие маленькие устройства? Это очень интересно, но об этом вы прочитаете в других книгах, когда немного подрастёте.

Кстати, а как устроен кристалл кремния? Точно так же, как кристалл алмаза. Эх, жаль, что большие алмазы нельзя делать, вытягивая маленький кристаллик алмаза из расплава графита. Одна из причин заключается в том, что графит не плавится. Такая вот сложная наука химия! У каждого вещества — свой характер.

И тогда обычные компьютеры мы все дружно понесём на свалку. Впрочем, она уже давно заполняется

Миллион за синий свет

Что-то засиделись мы с вами за разговорами. За окном уже стемнело, поздно, пора спать. Надо выключать свет. Стоп — лампочка! Как же мы забыли про неё? Из чего она сделана? Это зависит от того, какая лампочка светится в вашем торшере или ночнике. Скорее всего — лампа накаливания. Она сделана из круглой стеклянной колбы, а внутри у неё находится тонкая спираль из металла по имени вольфрам. Включая лампочку, мы пускаем по спирали ток. Он разогревает металл, металл раскаляется добела и испускает свет. Вот почему эти источники света называют лампочками накаливания. Правда, большая часть электричества уходит на разогрев спирали, поэтому лампочка такая горячая, если она долго была включена. (Только не надо проверять мои слова, можно обжечься!) И лишь малая часть энергии превращается в свет. Поэтому про такие лампочки специалисты говорят, что они неэкономичные: энергии едят много, а света дают мало.

Но с недавних пор всё переменилось, потому что учёные подарили людям светодиоды. По сути, это минералы, которые начинают светиться, как вольфрам, если через них пропускать ток. Только они совсем не разогреваются и почти всю электрическую энергию преобразуют в свет.

О том, что минерал можно превратить в источник света, впервые сообщил миру русский физик Олег Владимирович Лосев. В 1923 году он заметил, что если через кристалл карборунда, или карбида кремния, состоящего из атомов кремния и углерода, пропускать электрический ток, то в местах контактов появляется слабое зеленоватое свечение. Так оказалось, что минералы, обладающие свойствами полупроводника, могут светиться. Их и назвали светодиодами.

Спустя сорок лет светодиоды уже вовсю мигали красными и жёлтыми огоньками на разных пультах управления и в световых индикаторах. Одно плохо — не было светодиодов синего, зелёного и белого света. И ждать их создания, по меркам нашего времени бурного технического прогресса, пришлось довольно долго.

Лишь в 1990 году профессор Сюдзи Накамура придумал, как выращивать тончайшие и безупречные по качеству плёнки из вещества под названием нитрид галлия (состоит из атомов галлия и азота). Чем тоньше такая плёнка, чем меньше в ней дефектов, тем ярче и чище свет она дает.

А потом из таких плёнок, начинённых добавками индия, С. Накамура сумел приготовить слоёный пирог, который физики называют гетероструктурой. Кстати, одним из первых такие структуры получил российский физик Жорес Иванович Алфёров, за что в 2000 году ему присудили Нобелевскую премию по физике. И оказалось, что в зависимости от чередования слоёв, такой «пирог» при прохождении тока дает яркий синий или зелёный свет. А когда С. Накамура нанёс на синий светодиод тонкий слой фосфора, диод засветился ярким белым светом. С тех пор вся светодиодная «радуга» была в сборе.

Синий светодиод сравним по размеру со спичечной головкой

Профессор Сюдзи Накамура в 2006 году получил премию «Миллениум» (миллион евро) за создание синих и белых светодиодов. В руках он держит указку, работающую на синем светодиоде

Светодиоды всех цветов уже несут свет человечеству в панелях автомобилей, самолётов и бытовых приборов, в светофорах и уличных фонарях, в больших рекламных уличных экранах и ёлочных гирляндах, во