Олег Лосев – пионер твердотельной полупроводниковой электроники

Размещено на http://www.allbest.ru/

Олег Лосев - пионер твердотельной полупроводниковой электроники

Редко бывает, чтобы научное открытие оказалось чем-то совершенно неожиданным, почти всегда оно предчувствуется; однако последующим поколениям, которые пользуются апробированными ответами на все вопросы, часто нелегко оценить, каких трудностей это стоило их предшественникам.

Чарльз ДАРВИН

полупроводниковый прибор лосев кристаллический

Имя Олега Лосева сегодня известно только узкому кругу специалистов в области физики твердого тела. Тем не менее, его вклад в науку и в развитие радиотехники таков, что по праву дает этому радиолюбителю-самоучке быть в первых рядах ученых мирового значения, таких как: А.С. Попов -- отец радиосвязи, М.Фарадей -- отец электродвигателя, А. Вольта -- создатель первой батарейки.

Олег Владимирович Лосев -- отец первого полупроводникового радиоприемника, исследователь перехода между полупроводником и металлом и создатель светодиода. Его работы послужили основой для дальнейшего исследования и разработки полупроводниковых приборов. Именно эти приборы сейчас являются основой твердотельной электроники, которая применяется повсеместно.

Олег Владимирович Лосев родился 10 мая 1903 года в семье конторского служащего вагонного завода в Твери. Там и прошли его детство и школьные годы. Его отношения с отцом складывались не просто.

В школьные годы Олег Лосев получил очень хорошие знания, которые блистательно применял до конца своих дней. В школе, под руководством опытного педагога В.Л. Левшына, в последствии выдающегося оптика, он обучался физике. Еще в школьные годы, физика стала основным направлением интересов Олега Лосева. Будучи школьником Лосев прочел, и, самое основное, истолковал для себя практически всю доступную ему литературу по физике, которая явно выходила за рамки школьного обучения.

Любознательный Олег Лосев увлекался радиотехникой и ему не составило особого труда познакомиться с некоторыми военными радистами и быстро изучить всю доступную литературу. Ему не требовалось много времени, поскольку в свои 13 лет Олег обладал незаурядными знаниями в физике, а другой радиотехнической литературы в Твери было немного.

Дальнейшему росту молодого ученого посодействовала случайная дорожная встреча с крупнейшим радиоспециалистом того времени - профессором В.К. Лебединским. В вагоне пригородного поезда познакомились и навсегда сдружились мастистый ученый и увлеченный наукой юноша. После этого знакомства, Олег зачастил на Тверскую радиостанцию, куда Лебединский приезжал для научных консультаций. Несмотря на то, что на радиостанции круглосуточно кипела работа по перехвату радиосообщений противника, ученик профессора Лебединского, поручик М.А. Бонч-Бруевич, также страстный пропагандист радиодела, всячески опекает юного радиолюбителя.

Здесь Олег создает свои первые когереры, изучает основы искровых передатчиков и познает тонкости передового на то время радиодела. В это же время, став заядлым радиолюбителем, Олег Лосев устраивает у себя дома радиолабораторию.

Наступил революционный 1917 год. Страна в то время переживала нелегкое время. У Временного Правительства пропадает интерес к военным радиостанциям, начинается нелегкий период не только в будничной жизни служащих на Тверской приемной радиостанции, но и ставится вопрос о полном ее расформировании. Благодаря усилиям Лебединского и практическим работам М. Бонч-Бруевича по созданию радиоламп (в то время они назывались катодное реле (по некоторым источникам пустотное), правительство только что созданной страны позволяет организовать научную радиолабораторию. Фактически в 1917-1918 годах был создан первый в СССР научно-исследовательский институт радиосвязи. Выбор города, в котором будет размещаться радиолаборатория, оставили за сотрудниками Тверской приемной радиостанции.

Выбор пал на Нижний Новгород. Основными факторами, повлиявшими на выбор места для будущего центра исследований, стала относительно небольшая удалённость от столицы и, вместе с тем, достаточно безопасное расстояние от белогвардейских отрядов.

16 августа 1918 г. ведущие сотрудники Тверской радиолаборатории с семьями, домашним и лабораторным имуществом были уже в Нижнем Новгороде. Их разместили неподалеку от обещанного здания для лаборатории, в котором велся спешный ремонт. Ремонтируемое здание приспосабливалось к новым поставленным задачам, на крыше устанавливались антенны, к производственным помещениям подводились водопровод, постоянный и переменный ток, газ и даже сжатый воздух. Знаменитая Тверская радиоприемная станция стала НРЛ, т.е. Нижегородской радиолабораторией. С отъездом ведущих радиотехников из Твери в Нижний Новгород опустела Тверская радиостанция и «осиротел» Олег Лосев, но увлечение свое не бросил, а потому летом 1920 года, окончив Тверское реальное училище, решил поступать в Московский институт связи. В сентябре того же года (1920 г) в Москве проходил первый Всероссийский радиотехнический съезд. Такое событие пропустить Лосев не мог. Он сумел «пробраться» на съезд, поскольку вход был по ранее заказным приглашениям, где и встретил старых знакомых М. Бонч-Бруевича и В.К. Лебединского. Последний пригласил Лосева на работу в НРЛ. Молодой радиолюбитель от такого предложения отказаться не смог, и в течении короткого промежутка времени появился в стенах Нижегородской радиолаборатории, где вовсю кипела работа.

Как вспоминают сотрудники НРЛ о приезде Олега Лосева: «Личного имущества у Лосева было немного - сменное бельё, пальто да одеяло. Не было у него на первых порах и жилья. Потому казённую железную койку он пристроил на верхней площадке лестничной клетки у входной двери на чердак. Было очень удобно: прилёг на койку - и дома, встал с койки - сразу и на работе. Никаких потерь времени.». По началу Олег Лосев не занимался своим любимым делом, он работал рассыльным. После испытательного срока его перевели на должность лаборанта в лабораторию В.К. Лебединского. Несмотря на все сложности, которые возникли по приезде в Нижний Новгород, Лосев очень быстро завоевал благосклонность и уважение сотрудников НРЛ.

Профессор Лебединский был талантливым педагогом и неординарным человеком, для Олега он на всю жизнь стал единственным научным руководителем. В своей практике, профессор использовал принцип «вопрос-ответ»; в ходе беседы с молодыми сотрудниками радиолаборатории профессор Лебединский задавал своему подопечному различные вопросы, на которые тому приходилось отвечать. Среди ответов были и такие, которые позволяли руководителю «приближать» свои вопросы к требуемой теме исследования.

Под руководством В.К. Лебединского и довелось Олегу Лосеву заняться исследованиями самых ненадежных, капризных и мало изученных элементов тогдашних безламповых приемников -- кристаллических детекторов.

К своим исследованиям Лосев приступил в 1921 году. А в начале 1922 года, а именно 13 января, будучи в Твери в отпуске, Олег Владимирович отправляет срочную телеграмму в Нижний Новгород с сообщением, что в детекторе из цинкита (кристаллы красной цинковой руды) обнаружил активные свойства - другими словами, способность кристаллов в определенных условиях усиливать и генерировать электрические колебания. В последующем, именно это открытие и определило не только судьбу ученого, а и судьбу твердотельной электроники.

На базе кристалла цинкита, в 1922 году, Олег Владимирович строит первый безламповый радиоприемник, использующий этот эффект. И в этом же году публикует статью «Детектор-генератор; детектор-усилитель» о своих исследованиях в журнале «Телеграфия и телефония без проводов». Без сомнения, эта статья сделала знаменитым исследователя не только на территории России, но и за ее пределами. На протяжении буквально нескольких лет, статья Лосева переводится и переиздается в ведущих радиотехнических журналах мира. Причиной этому стало то, что в своей работе Олег Лосев показал, как при помощи простого кристаллического детектора и батарейки в несколько вольт можно генерировать и усиливать электромагнитные волны не хуже, чем с помощью вакуумных триодов, которые в то время являлись единственными приборами для этой цели.

На момент открытия Лосева этих теории не было, они возникли только десять лет спустя. Теперь стало ясно, что без создания квантовой теории строения полупроводников, прогресс в твердотельной электронике был невозможен.

В 1923 году, выходит его брошюра под названием «Кристадин», где он описывает все процессы изготовления первого радиоприемника, без использования ламп, которая расходится миллионными тиражами. Простота сборки и настройки этого устройства делает Олега Владимировича всемирно известным - «Богом радиолюбителей».

Один из инженеров «Bell Laboratories», а именно Рассел Ол, создал по схеме Лосева детекторный приемник, и во время прогулок со своим сыном изучал принципы работы кристаллического детектора. Он наблюдал эффекты нарастания и спада звука в громкоговорителе. Только в 1939 году, этот инженер с теоретической стороны описал наблюдаемые эффекты, и в 1940 году открыл и зарегистрировал p-n переход в кристаллах кремния.

Получив мировое признание, Олег Владимирович не остановился, он продолжает работать над изучением свойств кристаллических детекторов. Проводя свои точнейшие (даже по современным меркам) опыты, он исследует не один десяток кристаллов, и использует в своих опытах: цинкит, галенит, PbS, пирит, халькопирит, карборунд, молибденовый блеск, оловянный камень с цинковыми, медными, алюминиевыми, угольными и др. проволочками.

В своих работах Лосев различает два типа излучения: свечение I и свечение II. Приведенное им описание позволяет отожествить свечение I с тем, что теперь называется предпробойным свечением, а свечение II -- с инжекционной люминесценцией полупроводника. Лосев обнаружил, что свечение II возникает лишь в кристаллах, имеющих на поверхности зеленого карборунда слои серого цвета, причем свечение локализируется вблизи этих слоев. На рис. 1 приведена вольтамперная характеристика, светящегося контакта карборунд-металл, полученная Лосевым.

Рис. 1 Вольтамперная характеристика светящегося контакта карборунд-металл: 1. прямая ветвь, 2- обратная

Стрелки указывают на значения тока, при которых свечение становится заметным для глаза.

Таким образом, созданное им устройство было первым светодиодом. Светодиод, даже в том виде, как он был исполнен Олегом Лосевым в 1926 году, был замечательным прибором.

Олег Владимирович Лосев с самого начала своих исследований определял единую физическую природу кристадина и свечения II (явления инжекционной люминесценции полупроводника). В этом он снова значительно опередил свое время. Дело в том, что после Лосева, исследования полупроводниковых детекторов и их электролюминесценции проводились раздельно и независимо разными группами ученых.

Анализ результатов этих исследований показывает, что на протяжении более 20 лет с момента открытия Лосева, не было сделано ничего нового с точки зрения понимания физики этого процесса.

Имея доступ к передовому оборудованию ЛФТИ, Олег Лосев делает серию блистательных опытов и вплотную приближается к истокам зондовой микроскопии полупроводниковых структур, которая в последствии революционно изменила методы исследования веществ и технологию построения современных полупроводниковых структур.

В 1930-1931 годах Лосев на высочайшем экспериментальном уровне выполнил серию опытов с косыми шлифами кристаллов. Перемещая тонкое металлическое острие поперек шлифа, он исследовал с точностью до одного микрона, что предповерхностная часть кристалла имеет сложное строение. Он выявил активный слой толщиной около 10 микрон, в котором снова наблюдал эффект инжекции (свечение II). Им также было обнаружено, что при пропускании тока между острием и кристаллом изменяется сопротивление между двумя другими остриями, расположенных поблизости от первого острия. Как известно, суть работы транзистора состоит в том, что изменение сопротивления, вызванное пропусканием тока через пару контактов, приводит к изменению сопротивления между другой парой контактов. Однако сущность транзистора состоит в усилении сигнала, в опытах же Лосева наблюдать это явление было невозможно. Это связано с тем, что карбид кремния (карборунд) является одним из самых неподходящих минералов для получения усилительных свойств. Если бы Лосев использовал другой более удачный материал (галенит, германий, кремний), в такой же геометрии образца как и в карборунде, усиление было бы возможным.

Несмотря на близость тематики института к работам Олега Лосева (напомним, что кристадин Лосева на то время стабильно работал как приемо-передатчик на частотах более 10 МГц), Лосева не включают в штат института. Сейчас можно только гадать, почему так случилось. По некоторым источникам, Лосев был в ссоре с Иоффе; по другим источникам, привлеченные для работы сотрудники должны были иметь высшее образование, которого в Лосева не было. Более правдоподобной изо всех версий для нас является та, что Лосев не был привлечен к работе в этом институте по причине его оборонной тематики (Лосев был странным и попадал в категорию - «неблагонадежный гражданин»). Как известно, в последствии Ленинградский электрофизический институт стал НИИ-9, где был разработан первый в советском союзе радар непрерывного действия. Поэтому, сотрудники в этот закрытый институт отбирались очень тщательно.

Невзирая на эти обстоятельства, Лосев продолжает трудиться на благо науки. Благодаря ходатайству В.К. Лебединского Олег Владимирович с 1934 года работает лаборантом на кафедре физики Первого Ленинградского медицинского института.

Продолжая вечный поиск, он как физик-экспериментатор, находит для себя и здесь дело.

Не имея возможности проводить исследования полупроводников в медицинском институте, он начинает интересоваться рядом вопросов экспериментальной медицины. Электрические колебания Олег Владимирович связывает с биением сердца, и последнее считает особым видом релаксационных колебаний (кстати это было повторно доказано в 1964 году в СССР). Путем экспериментирования на самом себе, он доказал, что действительно сердце возможно заставить биться с пониженной или повышенной частотой, если дать ему соответствующее электрические импульсы. Эта технология сейчас лежит в основе кардиостимуляторов. К сожалению, сейчас неизвестна судьба этих трудов; после второй мировой войны они пропали.

В 1938 году по инициативе М. Бонч-Бруевича и других друзей, Олегу Лосеву присуждается ученая степень кандидата физико-математических наук без защиты диссертации (по совокупности работ). Это событие, позволило ему занять на кафедре физики заслуженное место доцента и начать преподавание лекций по физике студентам. Одновременно с этим, он продолжает прерванные на четыре года исследования фотоэлектрических эффектов на кристалле карборунда, которые он обнаружил еще в 1924 году, работая над совершенствованиям кристадина.

В начале 1941 года Лосев приступает к разработке новой темы: «Метод электролитных фотосопротивлений, фоточувствительность некоторых сплавов кремния». Интуиция физика снова его не подвела. Олег Владимирович чувствовал, что за кремнием большое будущее. Начало Второй мировой войны отодвигает на второй план научные исследования, но большое желание окончить начатую работу берет верх и Олег Лосев отказывается от эвакуации. Скорее всего, ему удалось окончить начатую работу, и результаты отослать в редакцию Журнала Технической физики. К сожалению, после войны не удалось найти эту работу, и теперь остается лишь догадываться о ее содержимом.

Вот как писал Олег Владимирович в последнем своем письме к В. П. Жузе. От 23.11.41: «Закончил я в начале октября еще одну статью о полупроводниках: "Метод электролитных фотосопротивлений. Фоточувствительность некоторых сплавов кремния", отдал ее в Редакцию ЖЭТФ в Ленинграде... Она будет лежать, вероятно, до окончания войны. А стремление окончить эту статью было одной из причин, заставивших меня остаться в Ленинграде».

Во время Второй мировой войны Олег Владимирович попытался направить свою изобретательность и экспериментальное искусство на решение оборонных задач Ленинграда. Но охватившая Ленинград блокада и голод быстро подорвали здоровье ученого, которому не по силам было противостоять условиям борьбы за существование. Весной 1942 года Олег Владимирович умер в блокадном Ленинграде от голода.

Размещено на Allbest.ur