SZÉKELY VLADIMÍR

Nobel-díj információs technológiáért

 
Z. I. Alferov
Fehéroroszországban, Vityebszk városában született. 1952-ben szerzett diplomát a leningrádi Uljanov (Lenin) Elektrotechnikai Intézetben. 1953-tól dolgozik a Joffe Műszaki-Fizikai Intézetben: mérnökként, kutatóként, laborvezetőként. 1987-től az intézet igazgatója. Alelnöke az Orosz Tudományos Akadémiának, elnöke a Szentpétervári Tudományos Központnak. Több külföldi akadémia tiszteleti tagja, számos kitüntetése között szerepel a Lenin-rend és az Állami Díj. 
Jack St. Clair Kilby
Kansasból származik. Villamosmérnöki diplomáit az Illinois Egyetemen és a Wisconsin Egyetemen szerezte. Szakmai pályafutását a Globe Union cég Centralab részlegénél kezdte, 1947-ben. 1958- tól dolgozott a Texas Instruments cég kutatójaként, Dallasban. 1978 és 1984 között a Texas A&M Egyetem kiemelt professzora volt. Elnyerte a mérnöki tudományok területének legmagasabb állami kitüntetéseit. 1982-ben hivatalosan beiktatták a nemzet nagy feltalálóinak „dicsőségcsarnokába". Jelenleg is aktív, ipari és állami tanácsadói felkéréseknek tesz eleget. 
Herbert Kroemer
1952-ben Göttingában doktorált, az elméleti fizika témakörében. Az Egyesült Államok és Németország több kutatólaboratóriumában eltöltött évtizedek után, 1976-ban az University of California egyetem professzoraként folytatta tevékenységét, elsősorban a molekulasugaras epitaxia és a heteroszerkezetek problémáival foglalkozva. Jelenlegi kutatási területe részint a szupravezető-félvezető hibrid struktúrák vizsgálata, részint az úgynevezett szuperrácsok transzportjelenségeinek kutatása. Herbert Kroemer számos nemzeti és nemzetközi kitüntetést nyert el, több egyetem tiszteleti doktora. 
 
A félvezetők kutatóinak munkája néhány hétre ismét a közfigyelem középpontjába került. A 2000. évi fizikai Nobel-díjat e szakma képviselői kapták: Z. I. Alferov, H. Kroemer és J.S.Kilby. A Királyi Svéd Tudományos Akadémia közleményének pontos megfogalmazása szerint „az információs és kommunikációs technológia területén végzett alapvető munkájukért". A közlemény így részletezi a díj megosztását és a jutalmazott érdemeket: 
„A díj egyik felét közösen nyerte el Zhores I. Alferov (Joffe Műszaki-Fizikai Intézet, Szentpétervár, Oroszország) és Herbert Kroemer(University of California at Santa Barbara, Kalifornia, Egyesült Államok) a nagy sebességű elektronikában és az optoelektronikában használt félvezető heteroszerkezetek kifejlesztéséért, a díj másik felét Jack S. Kilby nyerte el (Texas Instruments, Dallas, Texas, Egyesült Államok) az integrált áramkör feltalálásában játszott szerepéért." 
A híradás így persze meglehetősen száraz, s a laikus érdeklődő nehezen érzékeli a díjazottak érdemeit. E cikk szándéka éppen az, hogy a köznapi fogalmakhoz, használati tárgyakhoz kapcsolja a díjazott eredményeket, nyilvánvalóvá tegye azok jelentőségét. 

A félvezető heteroszerkezetek 

A tranzisztorok, integrált áramkörök egykristályos, egynemű anyagból készülnek; többnyire szilíciumból. Az egykristályos szilíciumban adalékolással (három vagy öt vegyértékű anyag igen kis mennyiségben való hozzáadásával) különböző vezetési típusú zónákat lehet kialakítani. Az öt vegyértékű adalék atomok az elektronok feldúsulását okozzák, így jutunk az n típusú félvezetőhöz. A három vegyértékű atomok a lyukakat teszik dominálóvá, ez a p típusú félvezetőanyag. 
A diódák, bipoláris tranzisztorok1 működésének alapját a pés az n típusú zónák határán lejátszódó jelenségek adják. A diódában egy ilyen zónahatár, egy pn átmenetdolgozik, a tranzisztorban kettő. Ezeket a zónahatárokat homo átmenetnek nevezzük, mert mindkét oldaluk ugyanazon félvezető anyagból van (bár ezek adalékolása eltérő). Elképzelhető azonban az is, hogy egy átmenet két oldalán különböző anyagi minőségű félvezetők legyenek: például az egyik oldal germánium, a másik szilícium. Ilyenkor beszélünk hetero átmenetről. 
A hetero átmenetek előállítása nem könnyű. Különleges technológiát igényelnek, például a molekulasugaras epitaxiát (MBE), amely segítségével atomi rétegről rétegre lehet hozzánöveszteni az egyik anyag kristályához a másik atomjait. Gondot kell fordítani arra is, hogy az összepárosított anyagok kristályrács- állandója azonos legyen, hiszen enélkül nem lenne lehetséges a kétféle anyagból egyetlen kristályt növeszteni. Az erőfeszítéseknek az adott értelmet, hogy ezek a szerkezetek meghatározó jelentőségűek az egészen nagy frekvenciás tranzisztorokban és az optoelektronikában. 
Alferov és Kroemer a hetero átmenetek és azok alkalmazása terén érték el azokat az eredményeket, amelyeket a Királyi Svéd Akadémia végül a Nobel-díjjal jutalmazott. Az első ilyen eredmény a heteroátmenetes bipoláris tranzisztor (HBT), amelynek elméletét Kroemer dolgozta ki, 1957-ben. E tranzisztor emitterét más anyagból készítik, mint a bázis-kollektor zónát. Az emitterbázis heteroátmenet erősen megnöveli a tranzisztor úgynevezett emitterhatásfokát, és lehetőséget ad a bázis ellenállásának csökkentésére. Ezek által a tranzisztor határfrekvenciája nagymértékben megemelkedik. 
A heteroátmenetek a legnagyobb jelentőségre az optoelektronika területén tettek szert. Segítségükkel sikerült megvalósítani a szobahőmérsékleten, folyamatos üzemben dolgozó lézerdiódákat (koherens fényt kibocsátó félvezető diódákat), amelyek sok, ma megszokott berendezésünkben nélkülözhetetlenek. Lézerdiódák működnek a CD-lejátszókban, a lézerprinterben, ezek a diódák hajtják meg a távközlési, adatátviteli üvegszálakat is. 
A lézerhatás előidézéséhez az elektronok úgynevezett populációinverziós állapotát kell létrehozni. Ez bármely pn-átmenetben előállhat, ha elegendően nagy áramot hajtunk át rajta. Biztosítani kell továbbá, hogy az inverziós elektronok kölcsönhatásba kerüljenek a kristályon áthaladó fénykvantumokkal, fotonokkal. Ekkor beindulhat a fotonok lavinaszerű szaporodása, a fényerősítés vagy lézerhatás2. 
Mindez egy közönséges pn átmenetben csak lehangolóan kicsiny hatásfokkal működik. Ugyanakkor a nagy áram miatt a kristály erősen melegszik. Ezred másodpercnél rövidebb ideig működhet csak, ha nem akarjuk, hogy tönkremenjen. Mit kellene tenni ahhoz, hogy folyamatosan használható lézerdiódához jussunk? Kroemer 1963-ban publikálta erre vonatkozó elképzeléseit. Ugyanebben az évben, tőle függetlenül, Alferov és egy munkatársa Leningrádban hasonló szabadalmi bejelentést tett. Gondolatuk lényege a következő. A homo pnátmenetben azért csekély a lézerhatás hatásfoka, mert a populáció inverziós elektronok „szétcsellengenek", s így kölcsönhatásuk a fotonokkal nem eléggé intenzív. Ha viszont a pn-átmenetet kettős heteroszerkezettel valósítják meg, az elektronok egy szűk rétegbe terelhetők. Jó megoldás például a következő három réteg alkalmazása: AlGaAs-GaAs-AlGaAs3. A középső réteg úgynevezett tiltott sáv szélessége kisebb mint a két szélsőé, ezért az elektronok mint egy gödörben benne rekednek, nem szélednek szét. Az ügyes anyagválasztás még a fotonok együttartását is szolgálja: a középső réteg optikai törésmutatója nagyobb, ezért a fénysugár a teljes visszaverődés jelenségének köszönhetően nem tud kilépni belőle. 
Miután az elv tisztázódott, több kutatócsoport kezdte meg a tényleges megvalósításért vívott küzdelmet. Először Alferov csoportja ért célt: a leningrádi Ioffe Intézetben 1970 májusában érték el a kettős heteroátenetű diódával a folyamatos lézerüzemet. Az Egyesült Államokban alig egy hónappal később a Bell-laboratórium kutatói érték el ugyanezt az eredményt. 
Méltán lehet tehát mondani, hogy a kettős heteroátmenetes, folyamatos üzemű lézerdióda történetében, akár az elmélet tisztázását, akár a megvalósítást nézzük, Alferov és Kroemer úttörő szerepet vitt. 
Kroemer nagy jelentőségű felfedezésekkel tette ismertté nevét, már a Nobel-díjat jelentő eredmények előtt is. Érdemes elmondani, hogy a mai bipoláris tranzisztorok legnagyobb részében kihasználják Kroemer találmányát, a bázisba „beépített" erőteret. Miben is áll ez? 
Tudjuk a középiskolából, hogy a bipoláris tranzisztor három félvezető réteget tartalmaz: emitter, bázis, kollektor. Ezek n, p, majd megint n típusú félvezetőkból állnak az úgynevezett npn tranzisztornál. Az ntípusú emitter elektronokat injektál a középső bázisrétegbe. Ezek eljutnak a bázis túlsó oldalán lévő kollektorhoz, és annak áramát befolyásolják. Ilyen módon képes az emitter árama vezérelni a kollektort, ez a tranzisztor erősítő működésének lényege. 
Ahhoz, hogy a tranzisztor gyors legyen (tehát igen nagy frekvenciával működő telefont vagy igen gyors számítógépet építhessünk vele), az kell, hogy az emitter elektronjai minél sebesebben haladjanak át a bázison, jussanak el a kollektorig. A korai tranzisztoroknak ez gyenge pontja volt. Mivel az elektronokat csak a sűrűségkülönbség hajtotta át a bázison (szemléletesen: csak azért haladtak, mert a sarkukra tapostak a mögöttük érkezők), ez a mozgás meglehetősen vontatott volt. 
Kézenfekvő volt az elgondolás, hogy az elektronok mozgását valamilyen módon serkenteni kellene. Erre a leginkább alkalmas az elektromos térerősség, a bázis két oldala között tehát térerősséget kell létrehozni. Igen ám, csakhogy hiába adunk akármilyen feszültséget az emitterre, bázisra és kollektorra, a jól vezető n, p, n rétegek önmagukban ekvipotenciálisak maradnak, és a külső feszültségek csak az nés prétegek találkozásánál (a pnátmenetnél) befolyásolják a potenciállépcsőt. 
Kroemer jött rá arra, hogy egy trükkel mégis létrehozható a megfelelő térerősség a bázis belsejében: azáltal, hogy a bázis adalékolását az emittertől a kollektorig csökkenő sűrűséggel valósítják meg. Ez olyan belső erőteret hoz létre, amely még külső feszültség nélkül is fennáll, örökre jelen van. Ezt az erőteret nevezik beépített térerősségnek. Nagysága a mai tranzisztoroknál 103V/cm körüli. 
A beépített tér nagymértékben meggyorsítja az elektronok mozgását, azok nagy sebességgel sodródnak a kollektor irányában. Áramuk a sodródási, vagy angol szóval drift áram. Ezért a tranzisztor Kroemer által felfedezett változatát drift tranzisztornaknevezzük. 
Lehet, hogy sokan azt mondják: ilyen fajta tranzisztorról nem is hallottak. Nos - ez a megjelölés valóban kikopott a gyakorlatból, de éppen azért, mert a drift elv használata általánossá vált. Ma a tranzisztorok (ritka kivételtől eltekintve) mind ilyenek, a megkülönböztetés tehát szükségtelen. Mondhatjuk tehát, hogy Herbert Kroemernek ez a korai felfedezése ma minden, bipoláris típusú tranzisztorban, integrált áramkörben jelen van. 
Érdekes történet az is, hogy milyen szerepet vitt Kroemer a Gunn-dióda fizikai működésének tisztázásában. 
A J. B. Gunn által 1963-ban felfedezett dióda meglehetősen különös viselkedésű félvezető eszköz. Galliumarzenid félvezető anyagból készül, s lényegében egyetlen homogén, ntípusú félvezető darab, a két végén ohmikus kontaktussal. Első ránézésre nem várunk tőle más viselkedést, mint egy ohmos ellenállástól, kis feszültségeknél pontosan ezt is tapasztaljuk. Nagyobb feszültséget rákapcsolva viszont, egy térerősséghatárnál az ellenállásdarabka egészen nagy frekvencián (több ezer MHz-en) oszcillálni kezd. A dolog oka egy instabilitási jelenség. Kis térerősségnél az elektronok egyenletesen oszlanak el a félvezetőben: mindenütt ugyanannyi, mint egy tó síma víztükre. Egészen nagy térerőnél viszont a szökőárhoz hasonló jelenség lép fel: az elektrontó sima felszínén egyre növekvő magasságú elektron hullámtaraj támad, és fut végig az anyagon. Amikor elérte a kontaktust és eltűnik, az előbbihez hasonló módon újabb hullám keletkezik és szalad végig - és így tovább, periodikusan ismétlődve. 
Gunn nem azon dolgozott, hogy e jelenséget felfedezze. Azt vizsgálta, hogy a különböző félvezető anyagok mekkora térerősséget képesek elviselni, és meglehetős meglepetést okozott neki, hogy az egyik próbadarab 1000 MHz körüli frekvenciájú jelet kezdett kibocsátani magából. A tapasztaltakról sürgősen beszámolt egy folyóiratcikkben, s megkísérelt magyarázattal is szolgálni. Több lehetőséget is felsorolt. Utólag megállapíthatjuk, hogy egyik sem „jött be". Ez nem túlzottan meglepő, mert a magyarázat dolgában az egész félvezetős közösség meglehetősen tanácstalan volt. Többen próbáltak, sikertelenül, elméletet építeni a tapasztalt jelenség mögé, mígnem Kroemer egy elegáns és rövid „letter"-ben, mindössze fél oldalon tisztázta a működést. A cikk lényege ennyi volt: néhány évvel korábban Ridley és Watkins leírt egy elvi instabilitási jelenséget, amit kísérletileg nem tudtak kimutatni, Gunn tapasztalt valamit, amit nem tudott megmagyarázni - nos, ez a kettő ugyanaz. 
A későbbi kísérletek bebizonyították, hogy Kroemer felismerése helytálló volt. Nyugodan állíthatjuk tehát, hogy Kroemer lényeges szerepet vitt a ma mikrohullámú rezgéskeltőként használt Gunn-dióda működésének feltárásában is. 

Az integrált áramkör története

„A csip, amit Jack készített, megváltoztatta a világot" - mondták munkatársai Jack Kilbyről, az integrált áramkör feltalálójáról. Nem túloztak, hiszen az integrált áramkörök egész életmódunkra kiható változásokat hoztak. Nélkülük nem lennének asztali és hordozható számítógépek, nem lenne internet és mobiltelefon, csipkártya és fedélzeti számítógéppel vezérelt autó - és e sort még nagyon sokáig folytathatnánk.
Ahhoz, hogy megértsük a felfedezés lényegét, meg kell ismerkednünk az áramkörök felépítésével. Egy elektronikus áramkör többféle alkatrészből áll: a tranzisztorok mellett ellenállásokra, kondenzátorokra is szükség van, és természetesen vezetékekre, amelyek ezeket az alkatrészeket összekötik. A korábbi gyakorlat szerint ezeket az alkatrészeket külön-külön állították elő, és forrasztással, a ma is használt nyomtatott áramköri lapokon, esetleg kerámialapkákon kapcsolták össze áramkörré. Az ellenállások anyaga szén- vagy fémréteg volt, a kondenzátorok dielektrikuma kerámia vagy műanyagfólia. A legváltozatosabb anyagokat használták tehát, s csak a tranzisztorok készültek félvezetőből.
Jack Kilby fiatal mérnökként ötvözött tranzisztorok előállításával és hallásjavító készülékek tervezésével foglalkozott a Centralab cégnél. Hat év munka után, nagyobb szakmai kihívásokat keresve 1958 májusában lépett át a Texas Instruments céghez. Először a mikromodul néven ismert áramkörépítési technika fejlesztését, gazdaságossá tételét kapta feladatul. Közben eljött a nyár, kollégái mind szabadságra mentek, de ő, mint frissen belépett munkatárs, a laborban kellett töltse a nyarat. Szinte egyedül, így azután bőséges ideje maradt nyugodt gondolkodásra.
A költségek elemzése adta a nagy ötletet. Arra jutott, hogy „egy félvezetős cégnél az egyetlen dolog, amit gazdaságosan gyártani tudnak, a félvezető". Innen már csak egy lépés volt a korszakos felismerés: az áramkör minden alkatrészétfélvezetőből kell készíteni, az ellenállásokat, kondenzátorokat is! Ha ezek ugyanazon anyagból vannak, nem kell őket külön-külön elkészíteni, hanem egyetlen félvezető darabkában, egymás mellett előállíthatók. Ezt az elképzelést, ami az integrált áramkörök alapgondolata, Kilby 1958 júliusában jegyezte fel. S mire a főnöke megjött szabadságról, egy komplett áramkör terveivel állt elő.
Ezek a tervek mai szemmel nézve meglehetősen kezdetlegesek voltak, az elképzelt áramkör mindössze néhány alkatrészt tartalmazott. Arra mindenesetre alkalmas volt, hogy kísérletileg bizonyítsák: valóban lehetséges egy áramör minden alkatrészét egyetlen félvezető darabkában létrehozni. Így azután a kísérlet szabad utat kapott. Az első kiválasztott áramkör egy egytranzisztoros RC oszcillátor volt. Egy kb. 2,5´10 mm méretű, germániumból készült félvezető csíkon hoztak létre tranzisztort. Az ellenállásokat a germánium csík teste adta, a kapacitást diffúziós területtel valósították meg. A szükséges összekötő vezetékeket vékony aranyhuzalból készítették.

1. ábra. Az első integrált áramkör

Az áramkör, amelyenek fényképét az 1. ábrán látjuk, 1958. szeptember 12-én készült el. „Rákapcsoltuk a tápfeszültséget, és az áramkör 1,3 MHz-en, körülbelül 0,2 V amplitúdóval azonnal oszcillálni kezdett" - írja Kilby a 2. ábrán látható laboratóriumi jegyzőkönyvében. Ezzel megszületett a világ első integrált áramköre.
Nyilvánvaló, hogy ez a kísérlet az alkatrészek integrálásának csak a lehetőségét igazolta, a gyakorlati felhasználáshoz még egy sor súlyos problémát kellett megoldani. Lényeges volt K.Lehovec ötlete, aki az egy csipben szomszédosan megvalósított tranzisztorok elszigetelésére lezárt pn-átmeneteket használt. A bipoláris IC-k legnagyobb részében ma is ezt a megoldást alkalmazzák. Igen fontos lépés volt R. N. Noyce hozzájárulása, aki arról is ismert, hogy (G. E. Moore-ral együtt) ő dolgozta ki a ma használatos planáris félvezető technológiát. A Fairchild cégnél dolgozó Noyce jött rá, hogy az egy félvezető darabkában készült alkatrészek összekötésére a felületre felpárologtatott fémréteg a leginkább alkalmas. Érdemes kiemelni, hogy ezt a lehetőséget vele gyakorlatilag egy időben Kilby is leírta. A kérdésben lefolyt szabadalmi vitában a bíróság végül is Noyce elsőbbségét állapította meg.

2. ábra. Feljegyzés Kilby jegyzőkönyvében 1958. szeptember 12-én

Lássuk most egy metszeti rajzon, hogyan is néz ki ma egy egyszerű integrált áramkör! A 3. ábrán egyetlen tranzisztort és egy hozzá kapcsolódó ellenállást látunk. A ptípusú hordozóra először n típusú epitaxiális réteget növesztenek. Ezt a szigetelés- diffúzióval különálló területekre, „zsebekre" szabdalják. A jobb oldali szigetben a ptípusú diffúziós csík ellenállást valósít meg. A bal oldali szigetben p majd n diffúzió egymás utáni alkalmazásával létrejön az n-p-n szerkezet, a tranzisztor. A felületen alumínium fémcsík kapcsolja a tranzisztor kollektorát az ellenállás egyik végéhez. Érdemes megfigyelni, hogyan „integrálódnak" itt a különböző kutatók legjobb ötletei. A tranzisztort és az ellenállást ugyanazon félvezető lapkából alakítjuk ki - ez Kilby gondolata. Az egyes alkatrészek különálló zsebekbe kerültek, s lezárt pn-átmenetek választják el ezeket egymástól - ezt először Lehovecz írta le. A vezetékezést a felületre párologtatott fémréteg hozza létre, Noyceelképzelésének megfelelően.

3. ábra. Integrált áramköri részlet metszeti rajza

A 4. ábrán egy integrált áramköri részlet elektron-mikroszkópos képét látjuk. Az elektron-mikroszkóp domborzati képet mutat: a legfölül lévő fémezéscsíkok kiemelkednek, a kontaktusablakok mély lyukaknak látszanak. A képen körülbelül 10 alkatrészt különböztethetünk meg.
Vessük ezt össze azzal, hogy a mai legbonyolultabb integrált áramkörökben 1 000 000 000 alkatrész van! Ez az összetettség 40évi technológiai fejlődés útján jött létre - de az integrált áramkör lényege, alapelve ma is ugyanaz, mint ahogyan azt Kilby 43 éve leírta.

4. ábra. Integrált áramköri részlet elektronmikroszkópos képe

Jack Kilby nem csak az integrált áramkör születésénél bábáskodott. Az ő nevéhez kapcsolódik az integrált áramköri technika néhány ma már mindennapos, de születésekor forradalminak ható alkalmazása is. A Texas Instruments elnöke 1964-ben elhatározta egy széles körben használható termék kifejlesztését, amely meggyőzően mutatja az integrált áramkörök által kínált szédületes lehetőségeket. A választás az elektronikus számológépre esett. Kilby megbízást kapott, hogy egy 100 dollárért kapható, zsebben elférő számológépet építsen - ami az akkori IC technika határait feszegető feladat volt. Az Pocketronic számológépet végül is 1971-ben dobták piacra, s valószínűleg ez volt az az eszköz, amelynek kapcsán a mindennapok embere először szembesült az integrált áramkörrel, annak teljesítőképességével.


___________________________
1. A használatos tranzisztorok két nagy csoportba sorolhatók: ezek a bipoláris (BJT), illetve a térvezérelt (FET, MOSFET) tranzisztorok.
2. Lézer = LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation = fényerősítés gerjesztett emisszió útján.
3. GaAs: gallium- és arzénatomokból 1:1 arányú vegyítéssel létrejövő félvezető kristály. AlGaAs: hasonló az előbbihez, de a galliumatomok egy részét alumíniumatomok helyettesítik.
 

IRODALOM
J. S. Kilby: Invention of the integrated circuit, IEEE Trans. on Electron Devices, Vol. ED-23, pp 648-654 (1976)
W. A. Atherton: Pioneers. Jack St Clair Kilby: inventor of the integrated circuit, Electronics & Wireless World, Vol. 93, pp.1213-1214 (1987)
H.-P. Bär, A. Kirpal: 30 Jahre Integrierte Schaltkreise - Entstehung und Entwicklung der Mikroelektronik. Teil 2, Nachrichtentechnik und Elektronik, Vol. 39, pp 163-166 (1989)
http://www.nobel.se/announcement/2000/physics.html
http://www.ti.com/corp/kilbyctr
http:/www.ece.ucsb.edu/Faculty/Kroemer
http://www.ioffe.rssi.ru
http://ceo.spb.ru/eng/science/alferov.z.i