Реферат по теме: «Нобелевская премия по физике в 2000 году за \"фундаментальные исследования в области информационных и коммуникационных технологий\"»
Скачать 1.01 Mb.
|
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Современная технология связи и информационная технология - одни из самых важных глобальных технологий, оказывающих влияние на все человечество. Фактически они играют роль движущей силы в превращении индустриального общества в постиндустриальное общество информации и науки. Их важность можно сравнить со значением появления много столетийназад печатных книг. Современный размах был гораздоолее быстрым - полное внедрение технологий связи иинформации произошло не за сотню лет, а всего за десять. Только в течение последних десяти лет персональные компьютеры стали использовать на всех уровнях и во всех средах: дома, в школах, магазинах, напроизводстве, в медицине и т.д.Ярким примером нового пути использования информационных технологий и коммуникационных систем является создание Интернета с World Wide Web.Новый феноменальный рывок прогрессу обеспечило появление в последние несколько лет мобильных телефонов и высокоскоростных (широкополосных) волоконных сетей. Естественно ожидать, что этот рывок не последний. Электронная революция действительно до неузнаваемости изменила мир.Трудно выделить самые значительные открытия и изобретения, так же как и имена изобретателей и первооткрывателей в области, которая за столь малое время изменила общество и мировую экономику и в которую были вложены такие крупные инвестиции. Частотехнический прогресс состоит из маленьких последовательных шажков, которые охраняются как коммерческие тайны. Существует достаточно общее мнение,что эволюция за последние несколько десятилетий началась с развития некоторых разделов микроэлектроники. А это, в свою очередь, стало возможным благодаря развитию многих областей знания, в большинстве своем связанных с физикой. Увеличение чистоты полупроводниковых материалов, новые виды транзисторов с надежной работоспособностью на высоких частотах и при низком уровне шумов, объединение нескольких компонентов на одном чипе, полупроводниковые лазеры, новые носители информации с более высокой плотностью записи - все это только малая часть областей,которые охватывает и объединяет микроэлектроника.Ужесточение требований к работоспособности электронных компонентов неумолимо приводит к усилению требований к качеству полупроводниковых материалов. Например, их чистота должна быть такой,чтобы доля неконтролируемых примесей не превышала одной миллиардной, а концентрация структурных дефектов была чрезвычайно низкой. Отдельные слои в многослойном композите должны хорошо подходить друг к другу по параметрам кристаллической структуры, а зазор между слоями не должен превышать атомарные размеры. Кроме того, очень тонкие диэлектрические пленки должны быть сплошными и способными выдерживать высокие электрические поля и т.п.Произошедшая около полувека назад замена электронной лампы на полупроводниковый транзистор иразвитие полупроводниковой технологии потребовали развертывания исследований в области физики твердого тела и материаловедения. Их важнейшим результатом явилось научно обоснованное представление о кремниикак о самом перспективном материале для транзисторов, впервые продемонстрированное в 1954 году. Оказалось к тому же, что природный оксид кремния является высококачественным диэлектриком. Сейчас границараздела кремний - двуокись кремния, возможно, наиболее хорошо изученная граница раздела двух материалов.Однако это было не так до революционного изобретения интегральной схемы (ИС), ставшего эпохальным вэлектронике и определяющего ее развитие в течение сорока лет. Интегральная схема позволила соединить большое количество активных (транзисторов и пр.) и пассивных (сопротивлений, конденсаторов и пр.) элементов спомощью металлических перемычек в единый чип.Первые интегральные схемы были недоработанными с точки зрения современных стандартов. Но помере развития инструментальных средств, особеннолитографии, позволившей достичь высокого уровняминиатюризации, количество компонентов в одной интегральной схеме - чипе стало быстро возрастать.В начале 1960-х годов, вскоре после изобретенияинтегральных схем, Гордон Мур, один из пионеров Силиконовой Долины, сформулировал эмпирический закон, постулирующий, что важнейшая характеристикаИС, определяемая количеством элементов на ней, удваивается каждые 18-24 месяца при неизменной ценечипа (рис. 2). Удивительно, но этот закон остается в силе и сегодня, спустя сорок лет! И эта характеристика по прежнему удваивается! Тем не менее, как хорошоизвестно из многочисленных примеров, такое удвоение не может происходить бесконечно долго. Этотфакт заставил физиков начать поиск других типов микроэлектронных компонентов.Около десяти лет спустя после изобретения ИС винтегральной схеме стало возможно соединить достаточное количество элементов, чтобы собрать целыйпроцессор на отдельном чипе. Микропроцессор былразработан и создан в начале 1970-х годов. Это новоеустройство стало рабочей лошадкой в некоторых областях применения и сделало возможным развитие персональных компьютеров. Так же как паровой двигательбыл главной машиной промышленной революции, персональный компьютер стал машиной научно-информационной революции.Затем компьютеры были соединены вместе в информационные с  ети, позволяющие осуществлять взаимодействие между ними. Это повлекло за собой слияние двух важнейших технологий: компьютерной ителекоммуникационной. С усилением Рис. 2. Закон Мура - рост количества элементов на чипе с течением времени. Закон Мураутверждает, что этот параметр, наглядно иллюстрирующий работоспособность микроэлектроники, удваивается каждые 18-24 месяца. Закон Мура выполняется уже на протяжении30 лет. Видно, как параллельно стремительно растут размеры используемых на практикепластин кремния требований к скорости обработки данных и передачи информациистало важным не только количество элементов на чипе,но и их быстродействие. Только частично новые запросы могли быть удовлетворены уменьшением размеровкомпонентов и снижением их энергопотребления. Витоге пришлось обратиться к другим материалам и полупроводниковым структурам.По мере прогресса в создании и обработке информации появилась соответствующая потребность и в еехранении в системах памяти и блоках запоминающихустройств. В быстрой оперативной памяти RAM (память произвольного доступа) в компьютере используются транзисторы, причем положения "включено" и"выключено" использованы для представления бинарных знаков 0 и 1. Для хранения большого объема информации преобладающими носителями являются вращающиеся диски. Оптические CD-диски используютсятолько в считывающих устройствах (ROM). Быстрорастущая потребность в хранении сверхбольшого количества данных обусловила разработку технологии хранения крупнейших массивов информации, котораятакже пережила этап лавинообразного развития и снижения цен на носители.Присуждение Нобелевской премии в области физики 2000 года за "фундаментальные исследования вобласти информационных и коммуникационных технологий" является признанием за этими технологиямиосновной роли в переходе от индустриального общества к обществу, базирующемуся на информации и научных знаниях. Два важных изобретения на стыке физики и техники повлекли за собой такое развитие иобусловили эволюцию информационных и коммуникационных технологий: · гетероструктуры в применении к высокочастотной электронике и оптоэлектронике, · интегральные схемы.
Полупроводниковая гетероструктура обычно состоитиз двух или более слоев с различной шириной запрещенной зоны. Контакт таких слоев, как правило различающихся химическим составов, представляет собойгетеропереход. Помимо ширины запрещенной зоны награнице раздела полупроводников изменяются подвижность носителей заряда, их эффективная масса идругие характеристики. В резком гетеропереходе изменение свойств происходит на расстоянии, сравнимомили меньшем, чем ширина области объемного заряда.В зависимости от легирования обеих сторон гетероперехода можно создать p-n-, n-n- или p-p-гетеропереходы. Образование гетеропереходов, требующее стыковкикристаллических решеток, возможно лишь при совпадении типа, ориентации и периода кристаллическойрешетки сращиваемых материалов. Кроме того, граница раздела по возможности должна быть свободна отструктурных и других дефектов (дислокаций, точечныхдефектов), а также от механических напряжений. Наиболее широко применяются монокристаллические гетеропереходы между полупроводниками типаАIIIBV и их твердыми растворами на основе арсенидов,фосфидов и антимонидов Ga и Al. Благодаря близостиковалентных радиусов Ga и Al изменение химическогосостава происходит без изменения периода решетки. Взависимости от назначения гетероструктуры энергиязапрещенной зоны различных полупроводников регулируется или замещением элементов (Ga на In или Al,As на P, Sb или N), или изменением состава полупроводникового сплава.Резкие границы между различными полупроводниковыми слоями формируются несколькими методами, такими, как молекулярная пучковая эпитаксия(МПЭ) и металлоорганическое химическое вакуумноеосаждение. В этих методах слои выращиваются эпитаксиально (атомный слой за атомным слоем) на подложке с подходящей постоянной решетки. Исследуя гетероструктуры, Ж.И. Алферов еще в конце 1960-х годоввыделил их следующие наиболее важные преимущества:
Гетероструктуры оказали значительное влияние наразвитие некоторых областей науки. Они являютсяключевым компонентом в высокочастотных транзисторах, полупроводниковых лазерах, светоизлучающихдиодах, фотоэлементах, оптронах и т.д.Так, в биполярных транзисторах на гетеропереходах база выполнена из полупроводника с меньшей шириной запрещенной зоны. Это приводит, в частности, кснижению энергетического барьера для электронов икак следствие к сильному увеличению электронноготока. Если при этом дырочный ток не изменяется, томожет возникнуть избыточное усиление по току. Этосоздает выгодную ситуацию: можно уменьшить усиление путем более сильного легирования базы и сделатьее тоньше, что, в свою очередь, позволяет уменьшитьее сопротивление и величину RC-постоянной, то есть тем самым увеличить быстродействие транзистора.Использование в гетероструктурах сложных полупроводников открыло возможности комбинированиямикроэлектронной, оптоэлектронной и микроволновых технологий. Примером может служить созданнаяна одном чипе система, состоящая из фотоприемника свысоким быстродействием, соединенного с фотоннымдетектором на гетероструктуре и высокоскоростной электроникой.
В 1964 году Нобелевской премии по физике были удостоены Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и Ч. Таунс за фундаментальные исследования в области квантовой электроники, приведшие к созданию лазеров и мазеров генераторов (и усилителей) нового типа, основанныхна усилении индуцированного излучения. После создания первых твердотельных лазеров Т. Майманом накристалле рубина в 1960 году и Р. Холлом (1962) на полупроводнике твердотельная квантовая электроникаполучила исключительное развитие, однако не все исходные идеи привели к успешным практическим разработкам. Так, эффективность инжекционных полупроводниковых лазеров сp-n-переходом осталасьневелика, поскольку для их работы требуется достаточно большой отпирающий ток. Вследствие этого получить непрерывное излучение таких лазеров при комнатной температуре не удалось. Однако непрерывный режим работы при комнатной температуре вполне достижим для лазеров на гетероструктурах (или гетеро-лазерах), которые к настоящему времени стали средиполупроводниковых лазеров доминирующими. Гетеро-лазеры широко используются в лазерных принтерах,CD-плеерах и системах высокоскоростной волоконной связи. Созданные на основе гетероструктур свето-излучающие диоды также выпускаются в больших количествах и успешно служат, например, в качестветормозных огней, в сигнальных устройствах на трассахи во всех типах дисплеев. Фотодетекторы и солнечныеэлементы, в частности для энергообеспечения спутников, также являются примерами устройств, использующих гетероструктуры.Преимущества гетеролазеров перед инжекционными связаны со специфическими свойствами гетеро-структур. В инжекционном лазере сp-n-переходом впрозрачном полупроводнике генерируемое излучениепроникает далеко за пределы активного слоя, в областис высоким коэффициентом поглощения. Толщина активного слоя меньше размера области рекомбинацииинжектированных неравновесных носителей заряда(рис. 3,а). Это определяет большие потери энергии,высокую пороговую плотность тока и низкий к.п.д. таких лазеров при высоких температурах. В гетеролазеревследствие оптического и электронного ограниченийможно управлять областью локализации светового поля и неравновесных носителей. Наличие гетероструктуры приводит к тому, что на некотором расстоянии отинжектирующегоp-n-перехода создается потенциальный барьер за счет гетероперехода с более широкозонным полупроводником. Если скорость рекомбинациина гетерогранице мала, то носители отражаются от барьера и увеличивают при том же токе среднюю концентрацию неосновных носителей в области усиления. Тем самым инверсная населенность в активном слое, возникающая при определенной концентрации инжектированных носителей, достигается при меньшем значении плотности тока. Скачок показателя преломленияна границе одновременно приводит к ослаблению проникновения светового поля в поглощающуюpобласть.Уменьшение рекомбинационных и оптических потерь снижает ток, Рис. 3. Зонные диаграммы полупроводниковойструктуры (1), концентрации электронов n и дырок p(2), амплитуда светового поля E  и коэффициентаусиления g (3): а - в лазере с p-n-переходом; б - вгетеролазере с двойной гетероструктурой (с двусторонним ограничением) н  еобходимый для возбуждения генерации. Наилучшими параметрами обладает гетеролазер наоснове трехслойной (двойной) гетероструктуры (ДГС)с активным слоем из узкозонного полупроводника, заключенного между двумя широкозонными полупроводниками (рис. 3,б). Двустороннее оптическое и электронное ограничение приводит к совпадению областейинверсной населенности и локализации светового поля, что позволяет осуществить лазерную генерациюпри малом токе накачки.Неравновесные носители можно локализовать гораздо сильнее, чем световое поле. В частности, в ДГС-лазерах толщину d узкозонного активного слоя (см.рис. 3,б) удается довести до размеров длины волны деБройля электронов с кинетической энергией, близкой квысоте потенциального барьера на границах (d6-8 нм).Ширина активного слоя такого гетеролазера порядкадлины волны генерируемого излучения и независиморегулируется изменением показателя преломленияnсреды. Поэтому гетеролазер можно рассматривать какпланарный оптический волновод со встроенным в негоактивным усиливающим слоем. Волновод образуетсявследствие изменения величиныn в плоскости, перпендикулярной гетеропереходу, а локализация электронно-дырочной плазмы в слое заданной толщиныобеспечена потенциальными барьерами на границеэтого слоя с более широкозонным диэлектриком. Этонаглядное описание гетеролазера можно найти в первом томе "Физической энциклопедии" 1988 года издания, в статье Ж.И. Алферова и Е.Л. Портного. Зеркалами гетеролазера обычно служат грани кристалла (рис. 4),однако можно использовать и внешние оптические резонаторы, действие которых в этом устройстве основано на распределенном отражении света на оптическойдифракционной решетке с периодом, кратным целомучислу полуволн излучения в кристалле.Принцип действия ДГС-лазера был предложен в1963 году Г. Кремером и опубликован в журнале "Proc.IEEE" (1963. Vol. 51. P. 1782), а также независимо Ж.И. Алферовым и Р.Ф. Казариновым в заявке на изобретение от 30 марта 1963 года (А. с. СССР 181737,Бюл. изобретений. 1975. 14. С. 147).Несколько исследовательских групп внесли существенный вклад в научные основы и практическую реализацию гетеролазеров, начиная от исходной идеи в1963 году вплоть до появления первых непрерывныхлазеров в 1970 году. Пионерские систематические исследования Ж.И. Алферова и его коллег привели к созданию в конце 1968 года в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе АН СССР первого импульсногоДГС-лазера на гетероструктуре GaAs-AlAs, а в мае1970 года непрерывного лазера, работающего при комнатной температуре.Параллельно и независимо велась работа по изучению гетероструктур в промышленных лабораторияхBell Labs, IBM и RCA в США. Исследовались решеточно совместимые структуры, зонные диаграммы, лазерына одном гетеропереходе, импульсное и непрерывноеизлучение ДГС-лазеров. Группа М. Паниша из Bell Labsвыиграла американскую гонку, опубликовав свой доклад о гетеролазере непрерывного действия при комнатной температуре в июне 1970 года.Последующее Рис. 4. Схематическое изображение структуры первого инжекционного ДГС-лазера, работающего в непрерывном режиме при комнатной температуре. внедрение полупроводниковых лазеров в производство и их массовый выпуск возглавлялись американской промышленностью. Несколькоисследовательских групп, и в первую очередь группаН. Холоньяка, участвовали в важных разработках лазеров с квантовыми ямами. Гетероструктуры широко используются в лазерах на вертикально связанных массивах квантовых точек. Квантовые каскадные лазеры былисозданы в 1994 году Ф. Капассо и А. Чо с сотрудниками.Истинное мастерство и технические идеи С. Накамуры позволили решить проблемы создания синих светоизлучающих диодов (1994 год) и лазеров (1996 год) наGaN-структурах (рис. 5), обладающих высокой интенсивностью и долговечностью. Таким образом, к настоящему времени перекрытпрактически весь спектр оптического излучения. Ежегодно производятся сотни миллионов лазеров с боковым выходом излучения и вертикально ориентированным резонатором. По количеству выпускаемых единицпока лидируют лазеры для CD-плееров, в то время какпотенциально наибольшую важность представляют лазеры для оптоволоконной связи.
Ч  резвычайно важная область современной фундаментальной науки о твердом теле связана с возможностьюсформировать двумерный электронный газ в гетероструктурах с квантовыми ямами и сверхрешетками. Прикладывая перпендикулярно двумерному электронномугазу сильное магнитное поле, К. фон Клитцинг открылквантовый эффект Холла (Нобелевская премия по физике 1985 года) на специальных образцах, предоставленных М. Пеппером и Г. Дордой. Используя аналогичные высокие поля, Р. Лафлин, Х. Штёрмер и Д. Тсуи(Нобелевская премия по физике 1998 года) открылидробный квантовый эффект Холла на сверхчистыхAlGaAs-GaAs-гетероструктурах, созданных А. Госсардом методом МПЭ. Обнаружение этих эффектов, определяемых только фундаментальными величинами и независящих от особенностей зонной структуры, подвижности и плотности носителей заряда в полупроводнике,показало, что гетероструктуры можно использовать и для моделирования некоторых фундаментальных физических явлений. Рис. 5. Схематическое изображение гетеролазера, излучающего в синей области спектра.Активный слой выполнен из многослойной InGaN-структуры с квантовыми ямами. Для оптического ограничения фотонов вместо объемных AlGaN-слоев использованы пространственно промодулированные путем легирования InGaN/GaN-сверхрешетки. Толщина каждого из 743 слоев прибора должна очень внимательно контролироваться. В дальнейшем стало возможным еще сильнее локализовать носители тока, заключив электрон в одномерной или даже нульмерной полупроводниковой структуре. Особенности проводимости в квантовых точках,локализованные состояния, туннелирование отдельныхэлектронов и электронная структура в искусственныхатомах и молекулах таков неполный перечень новыхинтересных эффектов в физике полупроводников, приизучении которых используются гетероструктуры.Необходимо отметить, что инженерный подход кзонной структуре полупроводника (названный так Капассо) и ее конструированию с использованием сверх-решеток (в том числе в системе с гетеропереходами)был разработан Л. Есаки (Нобелевская премия 1973 года) и его коллегами Р. Тсу и Л. Ченгом в начале 1970-х го-дов. Как известно, сверхрешетки (их период большепостоянной кристаллической решетки и создан в результате легирования или изменения состава исходного материала) приводят к появлению дополнительногопериодического потенциала для электронов. Этот подход (как его назвал Лео Есаки, "man made crystal") позволяет расщепить параболические зоны в минизоны,разделенные малыми энергетическими зазорами и имеющие зону Бриллюэна, определяемую периодом сверхрешетки. Большой вклад в теорию таких систем сосверхрешетками внесли советские физики Р.Ф. Казаринов, Л.В. Келдыш и Р.Н. Сурис. Идеология "manmade crystal" не только обеспечила создание искусственных кристаллов, но также в большой мере повлиялана научнотехническое развитие.
Изобретение транзистора в конце 1947 года принятосчитать отправной точкой современной полупроводниковой техники (Нобелевская премия по физике 1956 года присуждена В. Шокли, Дж. Бардину, У. Браттейну).Транзистор оказался гораздо меньшим по размерам,более надежным и потребляющим меньше энергииэлементом, чем радиоэлектронная лампа, которая изза этого постепенно утратила свое определяющее значение. Вызванная жизнью необходимость создания всеболее сложных систем, использовавших все больше радиоэлектронных ламп, привела к достижению пределана уровне порядка тысячи ламп. Паяное соединениеотдельных транзисторов вместе на печатной плате смогло увеличить это количество до 10 000 штук.Однако достаточно скоро стало ясно, что именноколичество транзисторов в реальной системе являетсяограничивающим фактором для удовлетворения нуждразвивающейся компьютерной индустрии. Уже в начале 1950-х годов появились идеи создания транзисторов, резисторов и конденсаторов в едином композиционном блоке на полупроводниковом основании, илиинтегральной схемы.Первыми продемонстрировали практические возможности ИС два молодых инженера Джек С. Килби иРоберт Нойс, работавшие независимо друг от друга.Килби, однако, первым запатентовал это изобретение,и Р. Нойс узнал об этом, когда подавал соответствующие документы на патентование от своего имени.Создание ИС относится больше к разряду новыхтехнических решений, нежели физических открытий.Но, как бы то ни было, оно принесло с собой множествоновых вопросов, требовавших чисто физического объяснения. Например, почему применяемые в ИС алюминий и золото имеют различную адгезию к кремнию.Или другой вопрос: каким способом сделать плотныеслои толщиной всего в несколько атомных слоев?Неудивительно, что разработка ИС повлекла за собой огромные инвестиции в исследования физики твердого тела. Это привело не только к развитию полупроводниковых технологий, но и к гигантскому скачку вприборостроении и инструментальной области. Естественно, что миниатюризация схем столкнулась и сталкивается поныне с множеством материальнофизическихограничений и потребовала решения многих возникающих проблем.После появления идеологии целесообразности иперспективности перехода к ИС потребовались 10 лет,чтобы созрела технология, дающая возможность изготовить различные элементы не просто из одного и тогоже основного материала, но и из его одного куска. Изобретение ИС стало одним из важнейших, которое сделало возможным небывалый расцвет современной информационной технологии.Дж.С. Килби и Р. Нойса принято считать соизобретателями интегральной схемы. Нойс стал одним изоснователей Силиконовой Долины. Он скончался в1990 году, не дожив до полного триумфа своих идей.Килби продолжил карьеру изобретателя. Он, например, соизобретатель карманного калькулятора, который, как сначала считали, не будет иметь большогокоммерческого успеха, поскольку уже существует логарифмическая линейка! Однако время показало исключительную полезность этого изобретения.Хотя большинство принципиальных техническихи технологических решений в полупроводниковой микроэлектронике, основанной на ИС, впервые реализовано на Западе, заметный вклад в эту область высокойтехнологии внесли советские ученые и инженеры. Так,уже в 1972 году в Ленинграде, в организации, руководимой известными специалистами Ф.Г. Старосом и И.В. Бергом (об истории их жизни пишет Д.А. Гранин всвоем романе "Бегство в Россию"), был создан первыйоригинальный советский карманный калькулятор насверхбольших интегральных схемах (СБИС) и в дальнейшем организован его промышленный выпуск. Помногим оценкам, отставание от передовых западныхфирм в ту пору составило всего лишь 3-4 года. В частности, была разработана не имевшая аналогов лазернаятехнология ретуши фотошаблонов СБИС, позволившая заметно сократить технологический цикл их изготовления. Каталог: files files -> Вопросы сертификационного экзамена для врачей по специальности «лфк и спортивная медицина» files -> Рабочая программа составлена в соответствии с Требованиями к содержанию дополнительных профессиональных образовательных программ files -> Рабочая программа дисциплины Лечебная физическая культура и массаж Направление подготовки 050100 Педагогическое образование files -> Лечебная физкультура files -> К рабочей программе дисциплины «Лечебная физкультура и спортивная медицина» files -> Рабочая программа учебной дисциплины «медицинская реабилитация» цикла Медицинская реабилитация для специальности 310501 «Лечебное дело» по специализации 310501 «Лечебное дело» files -> Лекции (час) Семинары (час) Самост работа Всего баллов Модуль 1 files -> Влияние мобильного телефона на здоровье человека Скачать 1.01 Mb. Поделитесь с Вашими друзьями:
|