Nuo sparčiųjų tranzistorių iki diodinių lazerių. Susipažinkite: 2000 m. Nobelio premijos laureatas fizikas Herbertas Kroemeris

   Prieš 50 m. Herbertui Kroemeriui, pradėjusiam mokslininko karjerą vienoje Vokietijos pašto tarnybos telekomunikacijų laboratorijoje, buvo griežtai uždrausta liesti kurį nors laboratorijoje esantį daiktą. Jo kolegos baiminosi, kad jis, neseniai įgijęs fiziko teoretiko išsilavinimą, būtinai ką nors sulaužys. Kas žino, gal šis draudimas, užuot susiaurinęs jo akiratį, išlaisvino vaizduotę?

   Kad ir kaip būtų, vien pieštuko nuograuža - pagrindine fiziko teoretiko darbo priemone - H. Kroemeris sukūrė ne vieną teoriją ir pasiūlė ne vieną fizikinį modelį, puslaidininkinių prietaisų gamintojams pelniusį milijardus dolerių. Tačiau nė vienas šių dolerių jų tikrajam autoriui neatiteko. "Dėl to nė kiek nesijaudinu", - pasakė H. Kroemeris, dabar profesoriaujantis Kalifornijos universitete Santa Barbaroje. Mokslininkas niekuomet nebandydavo savo teorijų taikyti praktiškai ir net nesiėmė prognozuoti, kaip jos bus panaudojamos. Praktiškai jas taikyti palikdavo kitiems ir sėkmės atveju jiems nepavydėdavo.

   H. Kroemerio nueitas mokslininko kelias galėtų būti sektinas pavyzdys kiekvienam fizikui, nesvarbu, kokios kvalifikacijos specialistas jis yra. Prieš pusę amžiaus dabartinis laureatas stovėjo prie pačių puslaidininkių fizikos ir puslaidininkinių prietaisų technologijos ištakų. Per tą laiką šios mokslo ir technikos sritys padarė milžinišką šuolį, o vienas šio mokslo kūrėjų 2000 m. buvo nominuotas prestižiškiausiam mokslo srities apdovanojimui - Nobelio premijai.

   Už ką jam buvo suteikta Nobelio premija? Darbų būta įvairių. 1947 m. buvo sukurtas pirmasis puslaidininkinis tranzistorius, kurio autoriai 1956 m. gavo Nobelio premiją. 1953 m. vienas iš būsimų šios premijos laureatų Williamas Shockley lankėsi laboratorijoje, kuriai vadovavo H. Kroemeris. Žinoma, šio susitikimo metu kalba sukosi apie tranzistorius. Trumpai priminsime bipolinių tranzistorių veikimo principą. Iš emiterio į bazę injektuojami nepagrindiniai krūvininkai, kurių paketas toliau difunduoja kolektoriaus link. Krūvininkams pasiekus kolektoriaus sandūrą, jo grandinėje atsiranda sustiprintas signalas. Jau tada buvo aišku, kad vieną svarbiausių tranzistoriaus savybių - jo spartą - riboja krūvininkų difuzijos trukmė bazėje. H. Kroemeris išsyk pasiūlė radikalųjį bipolinio tranzistoriaus spartinimo būdą - bazėje sukurti krūvininkus greitinantį elektrinį lauką. W. Shockley buvo suintriguotas.

   Vėliau, dirbdamas RCA kompanijoje Prinstone (Niujorko valstija), H. Kroemeris teoriškai nagrinėjo tranzistorių, kurio bazėje yra difuzijos būdu sudarytas priemaišinių atomų gradientas: jų didžiausia koncentracija esti prie emiterio, mažiausia - prie kolektoriaus. Dėl laisvųjų krūvininkų koncentracijos gradiento bazėje susiformuoja elektrinis laukas. Toks tranzistorius buvo pavadintas dreifiniu tranzistoriumi. Pagal šio darbo rekomendacijas buvo pagamintas komercinis aukštadažnis tranzistorius, kuris sparta gerokai pranoko kitus to meto tranzistorius: jo ribinis dažnis siekė 132 MHz.

   Svarstydamas, kaip dar labiau paspartinti tranzistoriaus veikimą, H. Kroemeris nutarė atsisakyti bazės legiravimo ir išilgai jos keisti pačią medžiagą. Šiuo atveju tranzistorius turėjo būti formuojamas iš heterosandūrų (skirtingų puslaidininkių sandūrų). Vienatomis bazės puslaidininkis galėtų būti pakeistas vadinamuoju varizoniniu puslaidininkiu - triatomiu junginiu, kurio vieno komponento koncentracija išilgai bazės palaipsniui kinta. Tokio puslaidininkio draudžiamoji juosta yra kintamo pločio (ji matuojama energija, reikalinga valentinėje juostoje esančiam surištam elektronui perkelti į laidumo juostą). Kintamo draudžiamosios juostos pločio puslaidininkis yra dar vienas būdas dreifiniam elektriniam laukui bazėje sukurti ir taip pagerinti tranzistoriaus aukštadažnes charakteristikas.

   Įsitikinęs, kad jo teorija teisinga, H. Kroemeris bandė laboratorijos sąlygomis sukurti tokį tranzistorių su kintamos draudžiamosios juostos baze. Deja, ano meto (1957 m.) puslaidininkių technologijos lygis nebuvo toks aukštas kaip dabar, ir po kelių nesėkmingų bandymų šios idėjos įgyvendinimo teko atsisakyti. H. Kroemeris pasižadėjo sugrįžti prie heterosandūrų tranzistorių, kai bus sukurta heterodarinių formavimo technologija.

   Prie heterodarinių H. Kroemeris grįžo po kelerių metų. Buvo 1963 m. kovas. H. Kroemeris ir kolega Solas Milleris, JAV kompanijos Varian darbuotojas, tuo metu dalyvavo kasmetėje puslaidininkinių prietaisų konferencijoje, kurioje buvo aptariami pirmieji diodiniai galio arsenido lazeriai. S. Milleris teigė, kad tokie lazeriai galėtų veikti tik labai žemose temperatūrose ir tik labai trumpais impulsais, taigi praktinės naudos neturėtų. Paklaustas kodėl, S. Milleris paaiškino, kad kambario temperatūroje elektronų ir skylių porų difuzijos greitis bus panašus į jų generacijos greitį, tad jų koncentracija nebus tokia didelė, kad sukeltų skatintąjį spinduliavimą.

   H. Kroemeris nesutiko. Remdamasis savo heterodarinių tyrimais, jis pateikė įtikimą sprendimą: darinio centre reikia suformuoti siauriausią draudžiamąją juostą, o jo išorėje - palikti plačiąsias (žr. heterodarinių aiškinimą). Tokiame darinyje ir elektronai, ir skylės koncentruojasi centre.

   H. Kroemeris norėjo išsyk pradėti kurti kambario temperatūroje veikiančius diodinius lazerius, bet jo vyresnysis kolega iš Variano paprieštaravo, kad tokie prietaisai niekam nebus reikalingi.

   Pasak H. Kroemerio, ši prognozė buvo tipiška klaida. Juk negalima mokslo ar technikos laimėjimo vertinti dabartinio jo panaudojimo galimybių požiūriu. Juk anais laikais dar nebuvo nei skaidulinių optinių linijų, nei kompaktinių diskų grotuvų ar eismą reguliuojančių LED švieslenčių.

    Per savo gyvenimą H. Kroemeris padarė tikrai nemažai. Čia aprašyti tik reikšmingiausi jo kūrybos etapai. Už šiuos darbus jis gavo nemažai apdovanojimų ir buvo daug kartų pagerbtas kitaip. Keisčiausias pagarbos ženklas - jo vardu pavadintas asteroidas, skriejantis tarp Marso ir Jupiterio. Visgi jis buvo įsitikinęs, kad puslaidininkių fizika - per daug žemiška mokslo sritis, kad joje dirbantis mokslininkas galėtų tikėtis Nobelio premijos. Jo samprotavimus tarsi patvirtino 1998 m. Nobelio premija, suteikta Horstui Stormeriui ir dar dviem jo kolegoms už fundamentalųjį atradimą. Jie nustatė, kad elektronų visuma stipriame magnetiniame lauke gali suformuoti naujojo tipo dalelę, kurios krūvis yra dalis elektrono krūvio.

   Nors H. Kroemerio vardas vis dažniau buvo minimas tarp galimų kandidatų į šį apdovanojimą, jis iki 2000 m. spalio 9 d. šiais gandais netikėjo. Kai jam tą dieną į namus paskambino iš Stokholmo ir pranešė šią žinią, jis pamanė, kad čia gali būti jo kolegų pokštas.

   Tradicinėje Nobelio premijos laureatų kalboje Karališkojoje Švedijos Akademijoje jis akcentavo savo atrastus bendrus dėsningumus, bet ne atskirus prietaisus. Tokio darbo principo jis laikėsi visą savo gyvenimą. "Kai nagrinėjau heterodarinio lazerį, neketinau išrasti kompaktinių diskų grotuvo, - pasakojo jau Nobelio premijos laureatas H. Kroemeris, - negalėjau numatyti ir jų didžiulio poveikio optinių skaidulinių linijų tinklams. Taikomoji pusė man tiesiog nerūpėjo. Mokslininkai, kurie kuria pagrindus, mąsto kitaip nei tyrėjai, kurių veiklos sritis yra praktinė nauda."

   Beje, tais metais Nobelio fizikos premija buvo skirta dar dviem mokslininkams: Jackui Kilby už integrinių grandynų technologijų vystymą ir Rusijos puslaidininkių specialistui Žoresui Alferovui už puslaidininkinių heterodarinių kūrimą bei jų panaudojimą sparčiojoje elektronikoje ir optoelektronikoje. Ž. Alferovas, dirbdamas nepriklausomai nuo H. Kroemerio, padarė panašius atradimus.

   Pasigardžiavimui skaitytojams siūlome susipažinti su pagrindiniais H. Kroemerio heterosandūrų dariniais, kurie parodyti juostinėmis energetinėmis diagramomis. Jie gali būti suprasti be jokių matematikos formulių ir šios srities specialistams kelti estetinį pasigėrėjimą. Beje, mėgstamiausias H. Kroemerio posakis yra toks: "Jei nagrinėdamas puslaidininkių problemą nesugebate nubrėžti juostinės energetinės diagramos, tuomet nesuprantate, ką šnekate."

Heterodarinių aiškinimas

   Heterosandūromis vadiname dviejų skirtingų puslaidininkių sandūrą. Skirtingų puslaidininkių skirtingi ir draudžiamųjų juostų pločiai, todėl ši sandūra pasižymi savitomis savybėmis.

   Vienalyčiame puslaidininkyje draudžiamosios energijos tarpas visur vienodas. Kai toks puslaidininkis yra elektriniame lauke E, laidumo ir valentinė juostos esti pasviros (žr. 2a pav.). Šių juostų nuosvyris atitinka jėgą, kuri veikia ir elektronus, ir skyles, sukeldama jų judėjimą, taigi elektros srovę. Beje, svarbu pabrėžti, kad šios jėgos yra priešingų krypčių.

   Dviejų skirtingų puslaidininkių heterosandūroje draudžiamosios juostos tarpas kinta. Dažniausiai tokia sandūra formuojama iš plačios draudžiamosios juostos puslaidininkio, tarkim, aliuminio galio arsenido, ir siauresnės juostos puslaidininkio, pvz., galio arsenido. Šių dviejų medžiagų pereinamoji sritis yra heterosandūra; ji gali būti staigi ir tolydinė.

   Kadangi draustinės juostos tarpas išilgai heterosandūros kinta, laidumo juostos dugnas ir valentinės juostos viršus jau yra nebelygiagretūs. Atsiranda juostos nuosvyris (žr. 2b pav.), kuris, kaip ir a pav., yra krūvininkus veikiantis elektrinio lauko ekvivalentas. Tokį lauką H. Kroemeris pavadino kvazielektriniu lauku. Atsiranda stebėtina galimybė (kuri neįmanoma vienalyčiame puslaidininkyje) sukurti kvazielektrinius laukus, ir elektronus, ir skyles veikiančius ta pačia kryptimi.

   Taigi heterosandūroje krūvininkus veikia jėgos, kurių prigimtis kitokia nei elektrinės sąveikos jėgų. Šį fundamentalų heterosandūrų formavimo principą H. Kroemeris pirmą kartą paskelbė 1957 m. RCA Review žurnale.

   Tranzistorius, kurio tradicinės pn sandūros pakeistos heterosandūromis, pasižymi geresnėmis dažninėmis bei kitomis charakteristikomis. Dėl skirtingų emiterio ir bazės puslaidininkių draudžiamosios energijos tarpų yra skirtingi ir skylių bei elektronų potencialo barjerai. Todėl tranzistoriui veikiant srovė pernešama tik vieno tipo krūvininkais (šiuo atveju - skylėmis), nes elektronai didesnio potencialo barjero emiteryje neįveikia. Tokio tranzistoriaus bazė gali būti stipriai legiruota, o mažos bazės varžos tranzistoriai esti gerokai spartesni. Skylės bazėje dar gali būti greitinamos kvazielektriniu lauku (žr. 2b pav.).

   Heterodarinyje su kvantinėmis duobėmis (žr. 2c pav.) siauresnės draudžiamosios juostos puslaidininkis yra tarp dviejų platesnės juostos puslaidininkių. Taigi darinio viduryje susiformuoja duobės ir elektronams, ir skylėms. Kai darinys veikiamas įtampa, elektronai kaip akmenukai nusirita, o skylės tarsi oro burbuliukai pakyla į duobę ir ten rekombinuodami emituoja šviesos fotonus. Toks yra šiuolaikinių diodinių lazerių veikimo principas.

   Šiuo metu heterodariniuose ir jų pagrindu kuriamuose prietaisuose naudojamas ne vien GaAs ar AlGaAs, bet visų III-V grupių elementų junginiai, įskaitant ir nitridus, taip pat II-VI puslaidininkiai ir net silicio sandūros su silicio ir germanio lydiniu.