Twoja wyszukiwarka

JACEK KOSSUT
POSKRAMIACZE ELEKTRONÓW I DZIUR
Wiedza i Życie nr 5/2001
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 5/2001

Twórcze wykorzystanie teorii kwantowej przez ubiegłorocznych noblistów zapoczątkowało rozwój dzisiejszej cywilizacji informatycznej.

Wszyscy wiemy, że elektroniczne obwody scalone, zawierające ogromne liczby tranzystorów, możemy spotkać w życiu codziennym na każdym kroku: od zegarków elektronicznych, odbiorników radiowych i telewizyjnych po telefony komórkowe, komputery i samochody. Obwody te zrobione są z materiałów półprzewodnikowych, najczęściej ale nie zawsze krzemu. Równie często jak układy scalone możemy spotkać lasery półprzewodnikowe. Czerwonawe błyski w kasach supermarketów, odczytujących cenę z kodu paskowego, to błyski takiego lasera. W każdym odtwarzaczu płyt kompaktowych rolę "igły gramofonowej" pełni promień lasera. Podobnie jest w czytnikach płyt CD-ROM w każdym domowym komputerze. Celowniki współczesnej broni (w "cywilu" przypominające wskaźniki, którymi wykładowcy posługują się, objaśniając wyświetlane na ekranie ilustracje) również zawierają półprzewodnikowy laser. W przyrządach służących do przesyłania informacji przez sieci światłowodowe (stąd już niedaleko do Internetu) podstawowym elementem są znów takie lasery. Łatwo więc obronić twierdzenie, że półprzewodnikowe laserowe źródła światła podobnie jak układy scalone to podstawa naszej informatycznej codzienności. Właśnie za stworzenie fizycznych zrębów takich przyrządów półprzewodnikowych więc pośrednio za stworzenie podwalin rewolucji informatycznej, jakiej byliśmy świadkami w drugiej połowie XX wieku - trzech fizyków uhonorowano Nagrodą Nobla.

Wynalazek "z nudów"

Zacznijmy od układów scalonych i tranzystora. Ktoś mógłby powiedzieć, że przecież to nie tegoroczny laureat Jack Kilby jest jego odkrywcą. Całkiem słusznie. Zrobili to pod koniec lat czterdziestych (i dostali za to w 1956 roku Nagrodę Nobla) John Bardeen, Walter Brattain i William Shockley. Jednak pierwsze radia tranzystorowe "Szarotka" były duże, a komputery z lat pięćdziesiątych czy sześćdziesiątych zajmowały kilka pokoi - mimo że były już tranzystorowe, a nie lampowe. Co takiego wydarzyło się od tego czasu, że komputer (często o większej mocy obliczeniowej) możemy teraz postawić na biurku? Dlaczego nie musimy nosić wielkiego zasilacza, kiedy zabieramy na wakacje przenośny odbiornik radiowy czy telewizyjny? Słowa, które streszczają odpowiedź na te pytania, to miniaturyzacja i integracja.

Jack Kilby pierwszy wpadł na pomysł, aby wszystkie elementy obwodu elektrycznego nie tylko tranzystory, ale również cewki indukcyjne, oporniki czy kondensatory potrzebne do jego funkcjonowania - wykonać z jednego kawałka krzemu, łącząc poszczególne części metalowymi paseczkami lub, w razie potrzeby, rozdzielając je od siebie odpowiednim izolatorem. Podobnie, choć niezależnie, myślał nieżyjący już Robert Noyce, którego uważa się za współwynalazcę obwodów scalonych. Kilby wykonał pierwszy obwód scalony - oscylator elektryczny składający się tylko z pojedynczego tranzystora, trzech oporników i jednego kondensatora - jak głosi opowieść niejako "z nudów" w pierwszym roku swojej pracy w firmie Texas Instruments, kiedy wszyscy wyjechali na wakacje, a on musiał pozostać, bo jeszcze nie zasłużył na urlop.

Cały obwód Kilby'ego był więc "wyrzeźbiony" z jednego niewielkiego kawałka półprzewodnika - obecnie jest to najczęściej krzem (ale nie zawsze, zwłaszcza w urządzeniach łączących funkcje elektroniczne i optoelektroniczne). Nanoszenie metalowych ścieżek łączących okazało się zresztą technicznie nie tak trudne jak izolowanie elektryczne poszczególnych części obwodu scalonego. Ale tu pomogła wynalazcom sama przyroda: dwutlenek krzemu, łatwy do wytworzenia na powierzchni krzemu, jest naturalnym i bardzo dobrym, trwałym i wytrzymałym na przebicie elektryczne, izolatorem. Kilby swój pierwszy obwód scalony zrobił z germanu - ulubionego wówczas materiału półprzewodnikowego ale właśnie fakt, że SiO2 łatwiej jest wytworzyć i że jest on doskonałym materiałem izolującym, zadecydował, że dziś elektronika to głównie krzem, a w pobliżu San Francisco istnieje Dolina Krzemowa, nie zaś Dolina Germanowa.

Zbudowanie obwodu scalonego wyeliminowało konieczność żmudnego lutowania poszczególnych części, obwody stały się bardziej niezawodne i łatwo poddawały się procesowi miniaturyzacji. Zaczęło działać prawo Moora (zresztą wynalazcy procesora komputerowego) mówiące, że liczba elementów w obwodzie scalonym podwaja się, mniej więcej, co roku i rewolucja elektroniczno-informatyczna rozpoczęła się na dobre. Jack Kilby po odkryciu układu scalonego nie zakończył zresztą swojej działalności jako wynalazca. Nie wszyscy wiedzą, że jest on także wynalazcą kalkulatora, który wyeliminował z naszego życia tablice logarytmiczne - zmorę uczniów w moich szkolnych czasach.

Ryc. 1. Wartości przerw wzbronionych w wybranych półprzewodnikach. Kolory odpowiadają rzeczywistym kolorom światła generowanego w tych materiałach. Materiały zaznaczone gwiazdką w normalnych warunkach nie świecą

Dwaj następni nobliści, Rosjanin Żores Alfiorow i Amerykanin niemieckiego pochodzenia Herbert Kroemer, także zajmowali się półprzewodnikami. Ich prace w jakimś sensie posuwały się w kierunku odwrotnym do zasugerowanego przez Jacka Kilby'ego. Podczas gdy Kilby proponował wszystko robić z jednego półprzewodnikowego kawałka materii, Alfiorow i Kroemer opanowani byli ideą łączenia kilku różnych półprzewodników, aby wykonane z nich przyrządy pracowały wydajniej. Drugim powodem, który kazał im myśleć o takich heterostrukturach półprzewodnikowych, była chęć zbudowania przyrządu, w którym płynący przezeń prąd elektryczny ulegałby zamianie w światło.

Fizyka półprzewodników

Zacznijmy od kilku podstawowych pojęć. W bardzo niskiej temperaturze bardzo czyste półprzewodniki prądu nie przewodzą. Elektrony (odpowiedzialne w metalach za przepływ prądu) znajdują się w stanach energetycznych tworzących całkowicie zapełnione pasmo (pasmo walencyjne), oddzielone obszarem niedostępnym energetycznie od pasma wzbudzonego, całkowicie pustego (pasmo przewodnictwa). Ten obszar energii niedostępny dla elektronów, czyli przerwa wzbroniona, to podstawowa cecha półprzewodnika. Półprzewodniki mogą mieć przerwę energetyczną, która równoważna jest energii kwantów światła z bardzo odległych zakresów widma. Jeśli elektron z pasma walencyjnego zostanie w jakiś sposób wzbudzony do pasma przewodnictwa (dostarczona mu zostanie energia równa co najmniej wartości przerwy wzbronionej), może rozpocząć się przepływ prądu.

Ciekawe, że za przenoszenie ładunku, czyli przepływ prądu elektrycznego, odpowiedzialne są nie tylko wzbudzone elektrony, ale i pozostawione przez nie "puste" miejsca w paśmie walencyjnym, które zachowują się jak cząstki dodatnio naładowane i noszą nazwę dziur. Przy tym samym znaku napięcia elektrycznego prąd dziurowy skierowany jest w przeciwną stronę niż prąd elektronowy.

Pobudzenie elektronu do pasma przewodnictwa może odbyć się albo wskutek podgrzania półprzewodnika, albo jego oświetlenia (pod warunkiem, że oświetlamy promieniowaniem o energii przewyższającej wartość przerwy wzbronionej). Wzbudzenie termiczne można ułatwić, domieszkując półprzewodnik, czyli wprowadzając niewielką ilość odpowiednio dobranych atomów chemicznie różnych od atomów macierzystego półprzewodnika. Wybór domieszki decyduje o tym, czy mamy do czynienia z obszarami bogatszymi w elektrony przewodnictwa (domieszkowanie donorowe), czy bogatszymi w dziury (domieszkowanie akceptorowe). Raz wzbudzony elektron może "zrekombinować" z dziurą, przy czym niekiedy towarzyszy temu wysłanie fotonu (im większa przerwa wzbroniona w półprzewodniku, tym krótsza może być długość fali świetlnej stowarzyszonej z takim wytworzonym w akcie rekombinacji promienistej fotonem), a niekiedy nadwyżka energii całkowicie zamienia się w ciepło. W półprzewodnikowych źródłach światła - diodach i laserach - ten ostatni proces jest oczywiście zjawiskiem niepożądanym.

Załóżmy, że udało nam się wprowadzić donory (wprowadzające dodatkowe elektrony przewodnictwa) tylko do lewej części płytki półprzewodnikowej, a akceptory (zabierające jeden elektron i wytwarzające tym samym jedną dziurę) do prawej części tej samej płytki. Stworzyliśmy w ten sposób coś, co nazywa się diodą homozłączową (stąd już niedaleko do tranzystora polowego). Dziury pod wpływem pola elektrycznego zachowują się jak cząstki dodatnio naładowane, a więc po przyłożeniu takiego pola będą poruszać się w kierunku przeciwnym niż elektrony.

Ryc. 2. Schemat półprzewodnikowego homozłącza (zrobionego z jednego półprzewodnika, choć w różnych miejscach domieszkowanego w różny sposób). Pełne kółka symbolizują elektrony w paśmie przewodnictwa, puste - dziury w paśmie walencyjnym

Przy właściwej polaryzacji przyłożone napięcie może "pognać" elektrony z lewej części materiału do prawej, a dziury w stronę przeciwną - elektronom na spotkanie. Tam, gdzie się spotkają, może nastąpić ich rekombinacja i powstanie kwantów światła. Tak działa wspomniana dioda elektroluminescencyjna, czyli każde niemal kolorowe "oczko" w wieży stereo czy na tablicy rozdzielczej samochodu. Laser półprzewodnikowy to, upraszczając, też właściwie taka dioda, ale bardzo wydajna. Do obszaru spotkania wstrzykujemy tak dużo dziur i elektronów (tzw. zjawisko nadwstrzykiwania), że mamy do czynienia z charakterystycznym dla laserów odwróceniem obsadzeń - pojawia się więcej elektronów w paśmie przewodnictwa niż w stanie podstawowym i może zajść zjawisko przewidziane przez Einsteina - czyli zjawisko emisji wymuszonej, kiedy każdy wygenerowany kwant światła zwiększa prawdopodobieństwo generacji następnego fotonu.

Dwa pomysły w jednym

Nadwstrzykiwanie nośników to właśnie idea Kroemera i Alfiorowa. Zdali oni sobie sprawę, że postępując w duchu przeciwnym do zaproponowanego przez Kilby'ego, czyli integracji, należy wykorzystać nie jeden półprzewodnik, ale kilka różnych. Wszystkie części przyrządu miały być w ścisłym kontakcie ze sobą, tak że zarówno idea integracji, jak i nowy pomysł "własnych ojczyzn półprzewodnikowych" wzajemnie się uzupełniały. Wygląda to w uproszczeniu tak: zróbmy część diody domieszkowaną donorowo z półprzewodnika o większej przerwie wzbronionej, obszar niedomieszkowany, czyli obszar złącza, gdzie następuje rekombinacja promienista - z półprzewodnika o mniejszej przerwie wzbronionej, a obszar domieszkowany akceptorowo - ponownie z tego samego półprzewodnika o dużej przerwie wzbronionej. Przykładowo możemy użyć stopu półprzewodnikowego arsenku glinowo-galowego GaAlAs jako materiału w pierwszym i trzecim przypadku, a arsenku galu GaAs jako materiału złącza w drugim przypadku.

Ryc. 3. Profil brzegów pasma przewodnictwa i pasma walencyjnego w heterozłączu półprzewodnikowym. Elektrony przewodnictwa mają tendencję do podążania do ograniczonego przestrzennie obszaru o najmniejszej energii (minimum w energii pasma przewodnictwa), a więc do obszaru złącza, a dziury - tego samego miejsca, gdzie znajduje saię szczyt pasma walencyjnego

Osiągniemy w ten sposób dwa korzystne efekty. Pierwszy to naturalne dążenie do obszaru o mniejszej przerwie wzbronionej, ponieważ odpowiada to stanowi o mniejszej energii elektrony prawie jak kulki "staczają" się po zboczu w dół w energii, natomiast dziury jak pęcherzyki gazu w cieczy dążą na szczyt pasma walencyjnego. Możemy, przykładając niewielkie napięcia, doprowadzić do sytuacji, w której bardzo duże ilości tych cząstek znajdą się w obszarze złącza. Kiedy już tam się znajdą, będą miały tendencję do pozostawania w tej okolicy, bo ucieczka oznaczałaby zarówno w przypadku elektronów, jak i dziur konieczność zwiększenia ich energii, czyli jakby wykonania ruchu "pod górkę". Dłuższe przebywanie we wspólnym niewielkim obszarze oznacza z kolei większe prawdopodobieństwo rekombinacji, w wyniku czego laser świeci jaśniej.

Taka była idea lasera heterozłączowego, nad którym pracowali niezależnie od siebie (i niekiedy w tajemnicy przed sobą) Alfiorow i Kroemer. Najpierw przygotowali podstawy teoretyczne (nie każda para półprzewodników różniących się wartością przerwy wzbronionej jest jednakowo przydatna - wspomniany powyżej przykład pary GaAs i GaAlAs jest takim "dobrym" wyborem - co obaj szybko sobie uświadomili), a potem pracowali nad zbudowaniem działającego przyrządu. Wymagało to między innymi postępu w sposobach wytwarzania półprzewodnikowych cienkich warstw przez osadzanie ich na warstwach (najczęściej też bardzo cienkich), wykonanych z innych półprzewodników. W badaniach tych uczestniczyły całe zespoły naukowców. Pierwszy laser półprzewodnikowy, pracujący w temperaturze pokojowej, zbudował zespół z Instytutu im. Joffego z ówczesnego Leningradu, kierowany przez Alfiorowa. Wkrótce, w tym samym roku (1970), taki laser został skonstruowany w Laboratoriach Bella w Stanach Zjednoczonych.

Heterostruktury składające się z różnych półprzewodników okazały się zresztą nie tylko drogą do zbudowania przyrządów optoelektronicznych. Pozwoliły również skonstruować tranzystory pracujące o wiele wydajniej niż oryginalna konstrukcja Bardeena, Brattaina i Shockleya. Tak zwany heterozłączowy tranzystor bipolarny (w którym obszar bazy i obszar kolektora mają mniejszą przerwę energetyczną niż obszar emitera) to właśnie pomysł Kroemera. Jego konstrukcja w dzisiejszych czasach niemal zupełnie wyparła tradycyjne tranzystory polowe produkowane wcześniej.

Wszystkie pomysły Kroemera i Alfiorowa są zakorzenione głęboko w kwantowej naturze świata elektronów poruszających się w półprzewodnikach. Tak więc wiek, który rozpoczął się od wykładu Plancka (grudzień 1900 roku), zakończył się Nagrodami Nobla dla ludzi, którzy teorię kwantową twórczo zastosowali do fizyki półprzewodników. Ci uczeni zaprzeczyli słynnemu stwierdzeniu Wolfganga Pauliego, który twierdził, że półprzewodniki to rzecz brudna i niegodna zainteresowania fizyków. Bez półprzewodnikowych heterostruktur, stanowiących podstawowe cegiełki obwodów scalonych, nie byłoby dzisiejszej cywilizacji informatycznej. Ubiegłoroczna Nagroda Nobla stanowi więc naturalną klamrę zamykającą całe stulecie.

Prof. dr JACEK KOSSUT pracuje w Instytucie Fizyki Polskiej Akademii Nauk w Warszawie.