Procesor doceniony

Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za rok 2000 otrzymali twórcy układu scalonego i heterostruktur półprzewodnikowych, podstaw dzisiejszej elektroniki i telekomunikacji.

Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za rok 2000 otrzymali twórcy układu scalonego i heterostruktur półprzewodnikowych, podstaw dzisiejszej elektroniki i telekomunikacji.

Szwedzka Królewska Akademia Nauk w ubiegłym tygodniu przyznała Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Uhonorowano nią twórców podwalin dzisiejszej elektroniki i telekomunikacji. Nagrodę otrzymali: Żores Alfiorow z Instytutu Fizyczno- -Technicznego im. Joffego w St. Petersburgu oraz Herbert Kroemer z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara za opracowanie heterostruktur półprzewodnikowych i Jack Kilby z firmy Texas Instruments, który skonstruował pierwszy układ scalony.

40 lat minęło

Co skłoniło Akademię, aby przyznać nagrody za wynalazki sprzed prawie 40 lat? W oficjalnej informacji Komitet Noblowski stwierdza, że prace laureatów stworzyły podstawy do rozwoju nowoczesnej technologii informatycznej i telekomunikacyjnej. Prace H. Kroemera i Ż. Alfiorowa legły u podstaw opracowanych w późniejszych latach tranzystorów wysokiej częstotliwości pracy i laserów półprzewodnikowych, wykorzystywanych powszechnie w telekomunikacji i optoelektronice. Wynalazek Kilby'ego natomiast utorował drogę do produkcji powszechnie dziś używanych układów scalonych.

Kandydatami do tegorocznej nagrody byli także prof. Shuji Nakamura, konstruktor niebieskiego lasera, i Frederico Capasso, wynalazca lasera kaskadowego, wysyłającego światło w dalekiej podczerwieni. "Liczba odkryć i wynalazków w dziedzinie fizyki jest rokrocznie ogromna. Nagroda może być jednak przyznana maksymalnie tylko 3 osobom, dlatego werdykt Komisji Noblowskiej naprawdę trudno przewidzieć" - tłumaczy prof. Tomasz Dietl z Instytutu Fizyki Polskiej Akademii Nauk i Szkoły Nauk Ścisłych.

Małe jest piękne

Jack Kilby został zatrudniony w firmie Texas Instruments w 1958 r. Krótki staż pracy nie uprawniał go do urlopu, wakacje spędził więc w pracy. Mając do dyspozycji laboratorium, postanowił zająć się kwestią uproszczenia obwodów elektronicznych, których rozmiary i złożoność coraz częściej stawały na przeszkodzie ich praktycznego zastosowania. Tranzystory odgrywały wówczas rolę lamp elektronowych, wymagających współpracy z niezliczoną liczbą oporników i kondensatorów. Kilby doszedł do wniosku, że z lamp elektronowych można zrezygnować, łącząc kryształki germanu. Kilka miesięcy później zademonstrował pierwszy układ scalony, w którym kryształki germanu zostały połączone złotymi przewodami. Jeden układ scalony odwzorowywał obwody całego oscylatora. "Był to początek ery elektroniki w skali mikro" - twierdzą dzisiaj fizycy. Jack Kilby był również jednym z wynalazców kalkulatora kieszonkowego.

Zarówno złoto, jak i german nie należały do materiałów tanich. Mniej więcej w tym samym czasie w firmie Fairchild Electronics Robert Noyce zauważył, że - oprócz stosowanego dotychczas germanu - dobrym, a przy tym tanim materiałem półprzewodnikowym jest krzem. Ponadto dawał możliwość połączenia go z równie tanim glinem (aluminium). Kilby zgłosił wniosek patentowy układu scalonego 23 stycznia 1959 r., natomiast Noyce - 30 lipca. Mimo późniejszej daty wniosku, jako pierwszy patent otrzymał Noyce (1961 r.). Kilby czekał na patent do 1964 r. W 1969 r. firmy Texas Instruments i Fairchild Electronics wymieniły między sobą dokumentacje.

Szybko, coraz szybciej

Większość układów scalonych obecnie jest wykonywana z krzemu. Nie jest to jednak materiał uniwersalny. Szybkość tranzystorów krzemowych jest wystarczająca w przypadku zadań obliczeniowych czy przechowywania danych. Optoelektronika i telekomunikacja stawiają poprzeczkę zdecydowanie wyżej. Wymagają wyższych częstotliwości, a więc większej ruchliwości elektronów, a także wydajnych źródeł światła do przesyłania informacji m.in. światłowodami. W tych zastosowaniach dzisiaj są stosowane tranzystory zbudowane z różnych półprzewodników. "Heterostruktury półprzewodnikowe są bardziej wydajne niż tradycyjne materiały jednorodne. Są szybsze, a także pozwalają na osiągnięcie dużego wzmocnienia emisji światła. Pozwalają na uzyskanie dużego wzmocnienia przy niskich prądach. Pobierają mniej energii, dzięki czemu są też trwalsze" - tłumaczy prof. Tomasz Dietl.

Koncepcję tranzystorów zbudowanych z heterostruktur opracował w 1957 r. Herbert Kroemer. Pracował wtedy w Radio Corporation of America (RCA). W swojej pracy teoretycznej dowodził, że zastosowanie materiałów mieszanych lub wielowarstwowych umożliwiłoby osiągnięcie 100-krotnie wyższych częstotliwości niż w przypadku tranzystorów tradycyjnych. W praktyce okazało się również, że wzmacniacze wykorzystujące nowy typ tranzystorów odznaczają się bardzo wysokim stosunkiem sygnału do szumu. Dzięki temu mogą być dzisiaj stosowane w telekomunikacji satelitarnej i telefonii komórkowej.

Prawdziwej rewolucji heterostruktury dokonały jednak w globalnej komunikacji, dzięki zastosowaniu ich do budowy laserów półprzewodnikowych. Ich wstępne koncepcje niezależnie od siebie przedstawili Herbert Kroemer i Żores Alfiorow w 1963 r. Lasery półprzewodnikowe umożliwiły transmisję głosu i danych w formie światła wewnątrz światłowodów. Na technologii tej opiera się cała dzisiejsza telekomunikacja głosowa i Internet.

W celu komercyjnej reprodukcji treści Computerworld należy zakupić licencję. Skontaktuj się z naszym partnerem, YGS Group, pod adresem [email protected]

TOP 200