Tą supratęs Nobelio komitetas bandė identifikuoti svarbiausius atradimus puslaidininkių fizikoje, kurių dėka gimė informacinis amžius. 2000-ųjų Nobelio fizikos premija buvo skirta amerikiečių mokslininkui J. S. Kilby (už integrinių grandynų sukūrimą), bei vokiečiui H. Kroemeriui ir rusui Ž. I. Alferovui (už naujos kartos puslaidininkinius prietaisus – kompaktiškus lazerius ir itin greitus tranzistorius) - šie mokslininkai kadaise ištisus kambarius užimdavusius kompiuterius sumažino tiek, kad dabar kur kas galingesnius įrenginius nešiojamės savo kišenėse.
Puslaidininkinės technologijos ir šiuolaikinė visuomenė
Neįmanoma pervertinti puslaidininkinių medžiagų svarbos šiuolaikinei visuomenei. Be abejo, visi žinome, kad kompiuterių procesoriai ir atminties lustai pagaminti iš puslaidininkių. Bet ne tik. Jei vis dar mėgstate klausytis muzikos, įrašytos į kompaktinius diskus, arba žiūrite filmus, įrašytus į DVD ar blu-ray diskus, jūs naudojate lazerius. Ne tuos didžiulius prietaisus, kuriuos su kolegomis sukūrė amerikiečių mokslininkas C. H. Townes‘as (jam ir dviems rusų mokslininkams N. Basovui ir A. Prochorovui, sukūrusiems giminingą lazeriui mazerį, 1964-aisias metais už šiuos darbus įteikta Nobelio fizikos premija), o mažus kompaktiškus puslaidininkinius lazerinius diodus. Perduodant informaciją šviesolaidžiais taip pat naudojami kompaktiški puslaidininkiniai lazeriai. Greitaeigiai tranzistoriai naudojami palydoviniame ryšyje, radaruose. Puslaidininkiniai šviesos diodai naudojami efektyviuose šviesos šaltiniuose – šviestukuose. Ir t.t., ir pan. Puslaidininkiai yra visur.
Nuo tranzistoriaus iki integrinių grandynų
XX a. penktajame dešimtmetyje išrastas tranzistorius (už jį skirta 1956-ųjų metų Nobelio fizikos premija) tapo vienu svarbiausiu technikos mokslo pasiekimų. Nors pačioje pradžioje tranzistorius tik pavadavo taip vadinamą vakuuminę lempą – gana gremėzdišką daug anksčiau sugalvotą prietaisą – tapo aišku, kad iš puslaidininkinių medžiagų pagaminto tranzistoriaus galimybės labai didelės. Tuo pat metu labai sparčiai vystėsi medžiagų mokslas, ir įvyko vienas kertinių šiuolaikinės informacinės visuomenės lūžių – silicis, o ne germanis, buvo pasirinktas kaip pagrindinė puslaidininkinių technologijų medžiaga. Silicio tranzistoriai labai sparčiai vystėsi, ir jiems buvo keliami vis didesni reikalavimai – jų reikėjo vis greitesnių ir mažesnių. Tapo aišku, kad tranzistorių vystymasis nulems visą tolesnę mikroelektronikos raidą.
To meto elektriniai grandynai buvo dar labai panašūs į senovinius – kiekvienas grandyno elementas buvo gaminamas iš tam labiausiai tinkamos medžiagos. Pvz., tranzistorius – iš silicio, juos jungiantys laidai – iš metalo, ir t.t. XX a. šeštojo dešimtmečio pabaigoje kelete pasaulio laboratorijų tuo pačiu metu mokslininkai labai intensyviai mąstė apie mikroelektronikos ateitį. Buvo manoma, kad senoviškas priėjimas prie elektrinių grandynų nėra labai vykęs. Gana didelis stabdis buvo ir tuometinė pramonė, kuri buvo įsitikinusi, kad kiekvieną grandyno elementą reikia gaminti iš pigiausios medžiagos – t.y. tranzistorių iš puslaidininkio, laidininką – iš aliuminio, ir t.t. Tačiau daugelis tyrėjų nujautė, jog jei būtų įmanoma visus grandyno elementus pagaminti tos pačios medžiagos pagrindu, tai būtų buvęs labai didelis žingsnis į priekį.
Šių mokslinių pastangų pasekmė – integrinio grandyno sukūrimas. Jame visi grandyno elementai – tranzistoriai, varžos, laidininkai, diodai – yra gaminami ant vientiso silicio padėklo, naudojant kaip pagrindą tą pačią medžiagą. Tai neabejotinai labai didelis žingsnis į priekį, kuris užtikrino labai spartų elektroninių prietaisų galimybių didėjimą ir tuo pačiu - jų mažėjimą.
Integriniai grandynai buvo sukurtu tuo pačiu metu keliose laboratorijose. 1958-aisias tokio grandyno idėją, pavadintą „Miniatiūrizuoti elektroniniai grandynai“, užpatentavo „Texas Instruments“ mokslininkas Jackas S. Kilby (beje, taip pat ir kišeninio kalkuliatoriaus išradėjas). Tuo pat metu tokią pat idėją išvystė Kalifornijoje įsikūrusios „Fairchild Electronics“ mokslininkai J. A. Hoerni ir R. Noyce'as. Pastarasis netrukus įkūrė naują kompaniją „Integrated Electronics“, sutrumpintai „Intel“, kuri ir tapo pagrindine integruotų grandynų idėjos vystytoja. Kuo tai pasibaigė, visi žinome. Pvz., ant mano kompiuterio yra mažas lipdukas „Intel core i7“, kuris aiškiai liudija šių išradimų svarbą. Žvelgiant iš tolimesnės perspektyvos, didžiausią indėlį į integrinių grandynų sukūrimą įnešė Jackas S. Kilby ir R. Noyce‘as. Deja, kai Nobelio komitetas skyrė fizikos premiją už šį svarbų išradimą, R. Noyce‘as jau buvo miręs, tad pusę 2000-ųjų premijos gavo vienas J. S. Kilby.
Kaip elektronus išmokyti naujų triukų – kvazielektriniai laukai ir heterostruktūros
Nors pirmieji tranzistoriai buvo gaminami puslaidininkinės medžiagos germanio pagrindu, aukščiau straipsnelyje minėjome, jog medžiagų mokslui vystantis buvo pereita prie silicio. Ar visiems prietaisams būtina naudoti tik vieną konkretų puslaidininkį?
Dr. Herbertas Kroemeris, jaunas vokiečių fizikas-teoretikas, tuomet dirbdamas kompanijoje RCA rytinėje JAV pakrantėje, daug mąstė apie puslaidininkinius prietaisus, o ypač apie tada dar ganėtinai naują tranzistorių. Kad tranzistorius veiktų, jį būtina legiruoti, kaip sako fizikai. Labai mažas kiekis priemaišinių atomų stipriai pakeičia elektrines medžiagos savybes. Buvo žinoma, kad taip vadinamiems bipoliams tranzistoriams buvo reikalingos dviejų tipų priemaišos – tokios, kurios lengvai „atiduoda“ elektronus (donorai) ir tokios, kurios lengvai „pritraukia“ elektronus (akceptoriai). Fizikai mėgsta patogų aprašymą, todėl labai dažnai apie šiuos du skirtingus atvejus kalba kaip apie medžiagas, kuriose elektrinę srovę perneša elektronai, ir medžiagas, kuriose elektrinę srovę perneša taip vadinamos skylutės. Skylutės yra menami objektai, panašūs į elektronus, bet turintys priešingą elektrinį krūvį.
Visuose ankstyvuosiuose puslaidininkiniuose labai svarbią įtaką turėjo specialiai sukurti elektriniai laukai. Iš mokyklos kurso žinome, kad jei patalpinsime dvi vienodo elektrinio krūvio dydžio, bet skirtingo ženklo (teigiamą ir neigiamą) daleles į elektrinį lauką, tai jas ims veikti irgi vienodo dydžio, bet skirtingos krypties lauko jėga – dalelės norės judėti į skirtingas puses. Dr. Herbertas Kroemeris suprato, jog jei būtų įmanoma apeiti šį klasikinės fizikos apribojimą, būtų galima gerokai pagerinti tranzistorių savybes, o būtent – juos padaryti gerokai našesnius ir greitesnius. Ir – kaip dažnai fizikoje būna – atsakymas slypėjo kvantinėje mechanikoje. Dr. H. Kroemeris suprato, jog jei puslaidininkinį prietaisą pagamintume ne iš vienos, o iš kelių skirtingų puslaidininkinių medžiagų, taip būtų įmanoma sukurti „kvazielektrinius laukus“ (kaip jis juos pavadino), kurie skirtingo elektrinio krūvio ženklo daleles (ir teigiamo, ir neigiamo) galėtų veikti ta pačia kryptimi! Klasikinėje fizikoje tas neįmanoma. Tą supratęs dr. H. Kroemeris iškart pasiūlė būdą, kaip gerokai pagerinti tranzistorių savybes, gaminant juos iš keleto skirtingų puslaidininkinių medžiagų. Taip 1957-aisias gimė puslaidininkinės heterostruktūros. Žvelgdami iš laiko perspektyvos, galime tvirtinti, jog tai buvo itin galinga idėja, kuri yra šiuolaikinės puslaidininkių fizikos pagrindas. Galima net sakyti, jog ši idėja – puslaidininkinių nanotechnologijų pirminis krislas.
Po kelerių metų, jau dirbdamas „Varian“ kompanijoje Palo Alto, Kalifornijoje, dr. H. Kroemeris pasiūlė panaudoti tokias pat heterostruktūras puslaidininkinių lazerių sukūrimui. Kaip jis pats prisimena, idėja kilo per seminarą, kai pranešėjas pasidalino savo apgailestavimu, kad niekada nepavyks pagaminti kompaktiškų puslaidininkinių lazerių. „Visa tai – gryni niekai. Taigi labai paprasta. Viskas, ko jums reikia – tai heterostruktūros“,- taip perfrazuojant pranešėjui atsakė jaunasis vokiečių teoretikas. Taip gimė puslaidininkinio lazerinio diodo idėja.
Deja, JAV pramonės kompanijos pačioje pradžioje nelabai tikėjo dr. H. Kroemerio vizija, ir nebuvo labai aktyvios bandydamos praktiškai sukurti jo pasiūlytus prietaisus. Pirmasis veikiantis prietaisas buvo pagamintas 1970-aisias kitoje geležinės užkardos pusėje – tuometinio Leningrado Jofės institute, vadovaujant profesoriui Ž. I. Alferovui. Už šiuos darbus abu šie mokslininkai pasidalino antrą 2000-ųjų Nobelio fizikos premijos pusę. Šių dviejų mokslininkų išradimai – ant mūsų stalo. Bet lazerinių diodų neveiktų mūsų kompiuteriuose esantis DVD grotuvas, o be greitaeigių H. Kroemerio pasiūlytų tranzistorių, pvz., iškart sustotų mobilioji komunikacija.