3. ábra. Integrált áramköri részlet metszeti rajza

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 Mûszaki-Fizikai Intézet, Szentpétervár, Oroszország) és Herbert Kroemer(University of California at Santa Barbara, Kalifornia, Egyesült Államok) a nagy sebességû 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 tranzisztorok, integrált áramkörök egykristályos, egynemû anyagból készülnek; többnyire szilíciumból. Az egykristályos szilíciumban adalékolással (három vagy öt vegyértékû anyag igen kis mennyiségben való hozzáadásával) különböző vezetési típusú zónákat lehet kialakítani. Az öt vegyértékû adalék atomok az elektronok feldúsulását okozzák, így jutunk az n típusú félvezetőhöz. A három vegyértékû atomok a lyukakat teszik dominálóvá, ez a p típusú félvezetőanyag.

A diódák, bipoláris tranzisztorok1 mûködésének 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 minőségû félvezetők legyenek: például az egyik oldal germánium, a másik szilícium. Ilyenkor beszélünk hetero átmenetről.

A hetero átmenetek előállítása nem könnyû. 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 jelentőségûek 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 mûködnek 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 lavinaszerû szaporodása, a fényerősítés vagy lézerhatás2.

Mindez egy közönséges pn átmenetben csak lehangolóan kicsiny hatásfokkal mûködik. Ugyanakkor a nagy áram miatt a kristály erősen melegszik. Ezred másodpercnél rövidebb ideig mûködhet 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 szûk 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 heteroátenetû 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 üzemû lézerdióda történetében, akár az elmélet tisztázását, akár a megvalósítást nézzük, Alferov és Kroemer úttörő szerepet vitt.

4. ábra. Integrált áramkörrészlet elektron-mikroszkópos képe

Kroemer nagy jelentőségû 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 mûködésének lényege.

Ahhoz, hogy a tranzisztor gyors legyen (tehát igen nagy frekvenciával mûködő 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 sûrûségkülönbség 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 sûrûséggel 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 mûködésének tisztázásában.

A J. B. Gunn által 1963-ban felfedezett dióda meglehetősen különös viselkedésû 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 eltûnik, 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 mûködést. 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 mûködésének feltárásában is.