Výsledky druhej svetovej vojny ovplyvnila veda. Svedčia o tom vynálezy ako radar, rakety, šifrovacie stroje, jadrová bomba. Preto sa veda začala po vojne programovo podporovať. Do tohto hnutia zapadol aj výskum polovodičových súčiastok. Inicioval ho v roku 1945 M. Kelly, riaditeľ výskumu v Bellových laboratóriách (BL) v New Jersey v USA. Vnímal, že krehké vákuové elektrónky s veľkou spotrebou sa stanú limitujúcim prvkom rozvoja telekomunikácií a zostavil skupinu na výskum polovodičových súčiastok v zložení W. Shockley, J. Bardeen, W. Brattain a i. Sústredili sa na stabilné polovodiče germánium (Ge) akremík (Si).
Skupina začala výskumom súčiastok na princípe efektu poľa. Pokusy boli neúspešné, pretože elektrické pole, ktoré malo ovládať prúd tečúci súčiastkou, neprestupovalo polovodičom. Bardeen vysvetlil, že pole tienia náboje zachytené v stavoch – defektoch na povrchu. Výskumom tohto efektu dospeli J. Bardeen a W. Brattain k vynálezu hrotového tranzistora na germániu. Na povrch Ge boli blízko seba pritlačené dva hroty, jeden moduloval vodivosť materiálu a cez druhý tiekol naprieč polovodičom zosilnený prúd. Tranzistor sa zrodil 16. 12. 1947 a vedeniu laboratórií ho predviedli na Štedrý deň 1947 ako zosilňovač akustického signálu.
Shockley odpovedal začiatkom roka 1948 koncepciou plošného tranzistora, v ktorom boli nestabilné hroty nahradené plošnými prechodmi medzi oblasťami tranzistora. Oba tranzistory sú bipolárneho typu, využívajú vedenie prúdu zápornými elektrónmi a kladnými dierami. O pár mesiacov H. Mataré a H. Welker v pobočke fy Westinghouse v Paríži vyvinuli prvý európsky tranzistor. Prioritu BL to neohrozilo.
V roku 1956 prevzali W. Shockley, J. Bardeen a W. Brittain Nobelovu cenu (NC) za fyziku za výskum polovodičov a objav tranzistora. Skupina nevydržala spolu. Shockleyho zmena na celebritu vyústila do odchodu J. Bardeena na Univerzitu Illinois. Z BL odišiel aj Shockley.
Prvý integrovaný obvod (IO) po neúspešných pokusoch predchodcov zhotovil J. S. Kilby v marci 1959 vo firme Texas Instruments. Tranzistory boli vytvorené v objeme Ge doštičky, boli však prepojené drôtikmi vedenými nad doštičkou. R. Noyce vo firme Fairchild o 6 mesiacov neskôr dospel k dokonalejším obvodom na kremíku, ktorý sa dá využiť do vyšších prevádzkových teplôt ako Ge. Spoje boli integrované pomocou kovových vrstiev vytvorených na povrchu kremíka. Vynález IO sa sprvu spájal s viacerými osobami, vyústil však do akceptácie dvoch vynálezcov – Kilbyho a Noycea. Noycev roku 1990 zomrel a v roku 2000 dostal Kilby NC za „svoj podiel na objave IO“. (NC sa in memoriam neudeľujú.) Kilbyho cena je hold storočiu informatizácie.
Ďalší vývoj IO charakterizuje zákon sformulovaný G. Moorom v roku 1965, ktorý symbolizuje 50 rokov trvajúcu miniaturizáciu. Podľa tohto zákona počet tranzistorov v IO rastie podľa exponenciálnej závislosti a každé dva roky sa zdvojnásobuje. Zákon platí dodnes a nie je známa iná veľká technológia, ktorá by si tak dlho udržala exponenciálny rast. Súvisí to s procesom miniaturizácie, t. j. klesajúcej spotreby materiálov a energie, ale aj vývojom nových technológií, osobitne tvarovania štruktúr IO, ktoré dnes už dospelo do oblasti nanotechnológie, kde detaily dosahujú pod 100 nm.
Stanfordova univerzita otvorila pri San Franciscu priemyselný park a W. Shockley v ňom založil v roku 1955 prvú polovodičovú spoločnosť na západnom pobreží USA. Vytvoril schopný tím, ktorý však nedokázal riadiť. Bol arogantný, konflikty riešil výsluchom na detektore lží.
Svoje úsilie vzdal v roku 1963 a prešiel na univerzitu. Bolo to však jeho zásluhou, že polovodičová technológia prenikla cez kontinent a dala vznik názvu Kremíkové údolie (Silicon Valley), v ktorom sa zrodilo mnoho milionárov i miliardárov. Shockleymu sa do tohto klubu vstúpiť nepodarilo a jeho priateľ F. Seitz ho preto nazval Mojžišom Kremíkového údolia. Shockley zomrel na rakovinu prostaty v roku 1989.
Na záver
Bývalé Česko-Slovensko v polovodičoch udržiavalo kontakt so svetom. Podieľala sa na tom aj Slovenská akadémia vied (SAV), najmä svojim Oddelením fyzikálnej elektroniky pri podniku TESLA Piešťany, ktoré v spolupráci s podnikom prispelo k vývoju viacerých IO. Oddelenie viedol M. Ožvold. Po roku 1989 otvorenie hraníc vytvorilo priveľkú konkurenciu a náš polovodičový priemysel padol na kolená.
Perspektívy polovodičovej technológie dominujú v informatike. V priebehu 20. storočia mala viacerých vyzývateľov, ako boli technológia magnetických bublín, obvodov na báze Josephsonových spojov a i. Dnes sa hovorí o kvantových technológiách. Dominantné postavenie polovodičov, osobitne kremíka, súvisí s jeho surovinovou dostupnosťou, s prílivom nových poznatkov ocenených šiestimi NC a miliardovými investíciami, ktoré nemožno odpísať.
Autor a foto: prof. Ing. Štefan Luby, DrSc., Fyzikálny ústav SAV
Ilustračné foto: Pixabay.com
Uverejnila: VČ