I.4 Hеполнота и недостаточность знания

Еще один важный и требующий обсуждения аспект нашего знания – это его неполнота и возможная ошибочность.

I.4.1 Неполнота научного знания

Точные и естественные науки используют довольно сложную методологию, позволяющую практически полностью исключить возможность ошибок, но эта методология заставляет их выталкивать за грань познаваемого целые классы явлений. Так, естественные науки опираются на независимо воспроизводимые эксперименты, осуществляемые в контролируемых условиях. Но если мы не можем определить, какие условия необходимо контролировать, мы не сможем добиться воспроизводимости.

Case: история внедрения и изучения полупроводников

До середины XX столетия, до создания теории P-N проводимости, успехи в научном исследовании полупроводников были чрезвычайно ограничены. Однако многие необычные свойства этих веществ были известны и ученым, и технологам, и начиная с конца XIX столетия полупроводники играли ключевую роль в развитии целого ряда технологий – электротехники, электроники, радиосвязи и т.д.. Но только когда стало понятно, что для управления электрическими свойствами этих веществ необходима высокая степень очистки образца и контролируемое внесение примесей, был достигнут настоящий прорыв как в научном, так и технологическом отношениях.

Сам термин “полупроводники” относится к XIX столетию, когда ученые, исследовавшие элекрические свойства различных материалов, обнаружили целый класс веществ, которые нельзя было отнести ни к проводникам, ни к изоляторам (диэлектрикам). Главной проблемой при исследовании этих веществ оказалось то, что их электрические свойства не удавалось даже измерить – результаты, например, измерений удельного сопротивления для разных образцов вещества могли отличаться в сотни раз. Электрические свойства полупроводника, как нам сейчас известно, могут определяться небольшими примесями других веществ. Идеально чистый полупроводник является электрическим изолятором, но небольшие примеси могут превратить его в проводник P или N типа. Количество этих примесей может быть очень малым, таким, что методами химического анализа, доступными в конце XIX столетия, их даже нельзя было обнаружить.С точки зрения физики XIX столетия свойства этих веществ были совершенно необъяснимы, но это не помешало исследователям классифицировать их и пытаться найти им практическое применение.

Первое устройство, которое можно назвать прототипом полупроводникового диода, было изобретено преподавателем Страсбургского Университета Фердинандом Брауном в 1874 году, и запатентовано им же в 1898 году для использования в качестве выпрямителя (с точки зрения темы обзора интересно отметить время, прошедшее между изобретением и получением патента). В районе 1900 года Гринлиф Пикард разработал устройство, известное как детекторный радиоприемник, в основе которого лежал полупроводниковый диод. В 1906 году Пикард получил патент на детекторные приемники на основе кристалллов кремния, однако более популярными среди радиолюбителей оказались так называемые “галеновые кристаллы” (кристаллы сульфида свинца). По доступным мне источникам сложно определить, было ли это результатом попыток обойти патент Пикарда или же было обусловлено тем фактом, что производство кремниевых кристаллов требует высоких температур и специализированного оборудования (технический кремний получают восстановлением кварца коксом, а полупроводниковый – восстановлением хлорида кремния водородом и дальнейшим разложением SiH₄ при температурах 400-500 градусов), а сульфид свинца можно получить в домашних условиях. Вплоть до 50х годов XX столетия детекторные приемники, как промышленные, так и самодельные, благодаря их простоте и дешевизне были чрезвычайно популярны. Да и в ламповом электронном оборудовании полупроводниковые диоды широко использовались. Так, в ламповом компьютере ENIAC наравне с 17500 радиолампами использовались 7200 кристаллических диодов.

Велись исследования и по другим применениям полупроводников. В 1928 году немецким физиком Юлиусом Лилиенфельдом были получены три патента, описывающие устройство, очень похожее на то, что сейчас известно как полевой транзистор, однако нет достоверных сведений о том, удалось ли Лилиенфельду создать работоспособный образец (существует легенда что позднее, в 1948 году, юристы Bell Laboratories смогли утвердить приоритет Бардина, Брэттейна и Шокли на транзистор на том основании, что устройства Лилиенфельда работать не могли).

В 1927 году советский радиоинженер Олег Лосев опубликовал статью об излучении света полупроводниками, а в 1929 году получил патент на “световое реле”. Есть сведения, что уже во время Великой Отечественной войны, в 1941, Лосев пытался опубликовать статью, в которой описывалось устройство, похожее на транзистор, однако смерть Лосева во время ленинградской блокады не позволила довести эти исследования до внедрения.

Разумеется, главным препятствием на пути этих исследований и промышленных применений полупроводников было отсутствие адекватной физической модели полупроводника. Эта модель была разработана Бардиным и Шокли и известна как теория P-N проводимости или электронно-дырочной проводимости. Важно отметить, что эта теория была разработана ими не в рамках свободного научного поиска, а в рамках проекта Bell Laboratories по созданию твердотельного триода, предназначенного для замены ламповых триодов.  Мысль о технической и физической возможности создания таких устройств возникла у руководства Bell Laboratories не на пустом месте и не в ходе гениального озарения, а из опыта разработки сложных электронных устройств, в которых использовалось большое количество диодов.  Инженеры, занимавшиеся разработкой и отладкой таких устройств, неоднократно замечали, что пары  диодов, соединенные "навстречу" друг другу, при некоторых обстоятельствах могут вести себя как усилитель электрического сигнала, хотя физическая природа этого явления оставалась загадочной.  Практически одновременно с патентной заявкой Bell Laboratories, в 1948 году двое немецких физиков, Герберт Матаре и Генрих Велкер, работавшие в отделении компании Westinghouse во Франции подали заявку на твердотельный усилитель, который они назвали "transistron".  По воспоминаниям Матаре, он обнаружил способность пар диодов усиливать сигнал во время войны, когда занимался разработкой радаров для германских вооруженных сил.  Впрочем, объяснить принцип работы "транзистрона" его изобретатели не могли.  Это не помешало наладить производство таких устройств, которые применялись в телефонном оборудовании; в 1953 году на Ярмарке Радио в Дюссельдорфе Матаре и Велкер демонстрировали твердотельный радиоприемник на четырех "транзистронах".

Руководитель группы, занимавшейя транзисторами в Bell Laboratories, Уильям Шокли, во время войны также занимался разработкой радаров; по одной из версий, исследовательская группа по физике твердого тела в Bell Laboratories была создана в ходе выполнения военного заказа по серийному изготовлению крупной партии германиевых диодов для применения в радарах. 

Бардин, Шокли и Брэттэйн в 1956 году получили нобелевскую премию по физике как изобретатели транзистора. Как уже отмечалось, их заслуга состоит не столько в изобретении устройства, сколько в создании теории, объясняющей функционирование этих устройств и многие другие "аномальные" электрические свойства полупроводников и позволяющей в довольно широких пределах управлять этими свойствами.

Дальнейшая история широко известна. Понимание физических процессов, происходящих в полупроводниках, позволило создавать не только транзисторы, но и целый спектр других устройств (тиристоры, стабилитроны, свето- и фотодиоды, солнечные батареи и т.д.). Надежные, компактные и дешевые полупроводниковые элементы быстро вытеснили радиолампы из большинства устройств. Удешевление аналоговой электроники создало целые новые отрасли промышленности, такие, как производство транзисторных приемников. Массовое распространение телевидения также не было бы экономически возможно без замены большинства радиоламп в телевизоре транзисторами и без соответствующего удешевления устройства и повышения его надежности.