Казалось бы, про полупроводниковые устройства все уже давно известно. В кристалл полупроводника хаотически внедряют атомы примесей, у которых во внешней оболочке либо на один электрон больше, либо, наоборот, одного не хватает. В результате в кристалле возникают переносчики заряда — электроны и дырки. Они дрейфуют под действием поля, порождая электрический ток, «аннигилируют», если встречаются друг с другом, или рождаются парами, если в полупроводник попадает подходящий фотон. Эти процессы прекрасно описываются макротеорией, которая устанавливает связь между током и напряжением.

Однако по мере дальнейшей миниатюризации ситуация становится все менее предсказуемой. Дело в том, что новые транзисторы так малы, что в их канале помещается лишь несколько десятков атомов примесей. Когда их мало, каждый примесный атом, электрон или дырка уже не теряют свою «индивидуальность» и их случайное местоположение начинает заметно влиять на работу прибора. Поэтому, чтобы описать работу наноустройств, приходится следить чуть ли не за каждым носителем заряда.

Казалось бы, и тут все схвачено. Сканирующие туннельные микроскопы уже давно умеют «прощупывать» своей иголкой каждый отдельный атом. Однако с носителями заряда возникают большие проблемы. По игле течет слабый ток, так что электроны и дырки полупроводника изменяют свое естественное положение и характер движения, стремясь собраться вокруг близко расположенного острия иглы микроскопа. Чтобы обойти эту трудность, ученые применили лазер, импульсы которого порождают дополнительные пары электронов и дырок в полупроводнике и позволяют судить о том, как движутся заряды при отсутствии возмущений от иголки. Например, если после импульса лазера ток, текущий по игле, сильно изменяется, то ясно, что электронов и дырок до этого рядом не было. В экспериментах удалось детально проследить за распределением носителей заряда в p-n-переходе арсенида галлия. По мере увеличения напряжения на переходе с 0,5 до 0,9 вольт дырки все глубже проникали в n-область, как и предсказывает теория.