Составитель и редактор сборника вместе с его авторами надеются, что подготовленные лекции будут полезны специалистам по электронике и особенно будущим ученым, инженерам и руководителям отечественной электронной промышленности.
В. Пролейко, к.т.н.,
профессор кафедры
«Наукоемкие технологии
радиоэлектроники
В.М. Пролейко окончил МХТИ им. Менделеева. С 1956 г. – разработчик низковольтных магнетронов в ОКБ завода «Плутон». С 1961 г. – нач. отдела, управления ГКЭТ СССР, с 1968 по 1985 г. – нач. Главного Научно-технического управления МЭП СССР. К.т.н, доцент (1973 г.), подготовил и вел первый в СССР курс «Комплексные системы управления качеством продукции» в МИЭМ. С 2001 г. – профессор РГГУ-МАТИ им. Циолковского, руководитель Научно-образовательного центра «Цифровая и наноэлектроника». С 1988 г. – генеральный директор НПК «Компьютерлинк».
К читателю
Предлагаемый читателям двухтомный сборник «Базовые лекции по электронике» безусловно будет способствовать выполнению непростой задачи подготовки современных ученых, инженеров, технологов, руководителей для наиболее эффективной отрасли науки, техники, промышленности – электроники .
Лекции подготовлены ведущими учеными, академиками РАН: Ж.И. Алферовым, К.А. Валиевым, Ю.В. Гуляевым, В.К. Левиным, А.А. Орликовским, В.В. Осико, а также научными руководителями НИИ и КБ радиоэлектронного комплекса, профессорами вузов. Лекции охватывают все виды электронных приборов, включая приборы наноэлектроники и микросистемотехники.
Надеюсь, что лекции будут интересны и полезны не только студентам, но и преподавателям средних и высших учебных заведений и специалистам радиоэлектронного комплекса.
Ю. Борисов,
доктор технических наук,
заместитель Министра
промышленности и торговли РФ
Ю.Р. Носов, д.т.н., профессор
ОПТОЭЛЕКТРОНИКА: ИСТОРИЧЕСКИЙ АСПЕКТ
История развития нового научно-технического
направления замечательна тем, что, формально занимаясь прошлым, она фактически адресуется будущему, нередко способствуя его приближению. Обычно рассказ ученого о его открытии естественно выливается в такую историю от зарождения идеи через сомнения, ошибки, трудности к свершению и к дальнейшим ожиданиям – простейшее «сел, задумался, открыл» бывает лишь в шутку (к/ф «Весна»). И чем крупнее личность ученого, тем длиннее и насыщеннее его история, тем более простым языком она излагается.
Истории открытий не только назидательны, они почти всегда детективно-захватывающи, потому что в них действуют не формулы и графики, а люди, притом незаурядные и одержимые. В просторечии «история» - это всегда «интересная история», иначе, зачем же ее рассказывать?
1. Введение
Оптоэлектроника не перестает удивлять беспрестанным открытием все новых физических явлений, материалов, технологий, приборов, устройств. Ежегодный прирост объема мирового производства оптоэлектронной продукции достигает десятков процентов, что существенно больше, чем в производстве микросхем и изделий электроники в целом; это продолжается почти четыре десятилетия. Характерно, что среди «смежников» оптоэлектроника все заметнее выходит на первую, определяющую позицию, именно через нее чаще всего демонстрируются общие достижения информационной технологии.
Говоря об оптоэлектронике, мы неизбежно вторгаемся на вполне конкретные и четко очерченные «делянки», такие как «лазеры», «фотоприемники», «дисплеи», «светодиоды»; иногда представляется, что поле оптоэлектроники и есть сумма этих делянок. А если их аккуратно растащить в стороны, то никакой «оптоэлектроники» вообще не останется; такая точка зрения вполне правомерна.
С другой стороны, растащить «делянки» фактически невозможно - между большинством из них существует взаимосвязь и взаимовлияние. В оптоэлектронной системе фотоприемник неизбежно подстраивается под лазер (или наоборот) и оба они – под выбранную среду распространения оптического излучения, например под кварц – в оптоволоконных линиях связи, или под «окна прозрачности» атмосферы – в системах инфракрасного видения.
Кроме того, различные оптоэлектронные направления нередко опираются на общие физические основы, материалы, технологии, что, разумеется, их также объединяет; усилия, затрачиваемые на одно, оборачиваются пользой и для другого, например, углубленные исследования волокон для связи привели к возникновению такого вполне самостоятельного направления, как «волоконнооптические датчики»
Оптоэлектроника неизбежно пересекается с микроэлектроникой, электроникой вообще, нередко они так переплетаются и дополняют друг друга, что невозможно выделить доминирующего партнера. Особенно это заметно при анализе наиболее общих тенденций в реагировании оптоэлектроники (электроники) на вызовы времени, и это понятно – обществу безразлично, какими техническими средствами исполняется сформированный социальный заказ, было бы исполнено.
В изложении материала мы не стремимся к однозначно-строгой последовательности, допускаем «забегания вперед», опускаем описания принципов действия конкретных устройств, ориентируясь на подготовленного и заинтересованного читателя. Не цитируем первоисточников, в противном случае статья оказалась бы неподъемной как для читателя, так и для автора. «Начнем ab ovo» (Пушкин).
2. Предмет исследования
Оптоэлектроника – это синтез оптики с электроникой, более конкретно и развернуто - это раздел науки и техники, посвященный генерации, передаче, приему, обработке, хранению, отображению информации на основе использования электронных и оптических методов и средств одновременно, в неразрывной взаимосвязи. При этом определяющими являются оптические процессы, упрощенно можно сказать, что оптоэлектроника – это оптика, интегрированная с ее электронным обрамлением.
В бесконечном пространстве электромагнитных волн «территория» оптического излучения достаточно протяженна: с одной стороны, она соседствует с радиоволнами, с другой – с рентгеновскими лучами; на границах, в пределах одной декады изменения длин волн, расположены «спорные» области (Рис. 1.). Конкретизация оптического диапазона по шкалам длин волн λ, частот ν и энергий квантов Е (в представлении излучения как потока квантов) сделана на основе известных соотношений
λ ٠ν = с; λ[мкм] = 3 •10 14 /ν[Гц],
Е =hν; Е [эВ]= 1,23/ λ[мкм],
где с – скорость света, h – постоянная Планка, а единицы длины [мкм] и энергии [эВ] использованы как характерные величины оптического диапазона.
←─ рентген ─→ ←──── радио ────→
──── γ ──→ ←──── оптика ─────→
────────┼──────────┼──────────┼─────→ λ
1Ǻ 1 мкм 1 см
Видимый
спектр
0,1 ↓ 1 10
─┼────▬┼──────┼───→ λ, мкм
3 ·1015 3 ·1014 3 ·1013
←┼─────┼──────┼───── ν, Гц
10 1 0,1
←┼─────┼───────┼───── Е, эВ
Рис. 1. Территория оптоэлектроники
При зарождении оптоэлектроники внимание концентрировалось главным образом на общности электромагнитной природы световых и радиоволн при различии самих значений λ, упрощенно, речь велась о «радиотехнике в оптическом диапазоне». А история радиотехники – это продвижение «вниз» по шкале длин волн (т.е. «вверх» по шкале частот) с достижением на этом пути все более значимых результатов. Начиналось (Попов, Маркони) с километровых волн – это была демонстрация принципа радио, переход к метрам позволил создавать протяженные и надежные радиорелейные линии связи, освоение сантиметрового диапазона дало радиолокацию. Чем короче длина волны излучения, тем направленнее может быть луч и тем локальнее и существеннее его воздействие: угловая расходимость ~1/λ, минимальная апертура ~1/λ2 - это азбука волновой теории. С другой стороны, чем больше ν, тем более высокочастотная модуляция применима к такой волне, т.е. тем большим объемом передаваемой информации она может быть «загружена». А поскольку значения λ,ν для оптического и освоенных радиодиапазонов различаются на несколько порядков, то и переход от радиотехники к оптоэлектронике сулит не просто количественный, а качественный скачок для информатики.
И все же дело не только в этом. Рентгеновские волны еще в сотни раз короче световых – и что же? Первая рентгенограмма1 потрясла мир, В.Рентген стал в 1901 году Нобелевским лауреатом № 1, его открытие навечно вошло в диагностический инструментарий медицины, однако широкая общественность поахала лет пять и … перешла к очередным сенсациям.2
Оптический диапазон примечателен тем, что здесь наиболее ярко проявляется дуализм электромагнитного излучения – одновременность волновых и корпускулярных свойств. «Радиоволновые кванты», даже миллиметрового диапазона, имеют энергию Е ~10-2 - 10-3 эВ или еще меньше и, взаимодействуя с атомами большинства веществ, не способны сколько-нибудь существенно воздействовать на их электроны (в силу скачкообразного характера изменения состояния электронов в атоме); фактически они могут успешно обмениваться энергией (отдавать или получать) лишь со свободными электронами, т.е. в вакууме – такова фатальная обреченность радиотехники.
Энергия же фотонов3 (~ 1эВ) соизмерима с энергией квантовых переходов валентных электронов множества веществ, в основном, полупроводников,4 поэтому оптоэлектроника – это преимущественно техника полупроводниковых приборов со всеми их известными принципиальными достоинствами: миниатюрность, прочность, надежность и т.п. Полупроводники и оптическое излучение как бы созданы природой друг для друга.5 Кроме всего, квантовые переходы электронов в атомах – это процессы наивысшей избирательности и эффективности, открывающие путь к 100%-ным кпд преобразования без разбазаривания энергии на побочные паразитные явления.
Итак, к какой бы шкале мы не обратились – длин волн, частот, энергий – оптический диапазон выглядит очень привлекательным. Но это не все. Приведенное в начале лекции определение оптоэлектроники не делает предпочтения какой-либо из частот оптического диапазона, и это представляется технически вполне корректным. Для оптоволоконных линий связи оптимальной оказалась точка в ИК-области (λ ≈ 1,55 мкм), лазерные диски, напротив, прогрессируют в коротковолновом направлении и вот-вот уйдут в ультрафиолет – раз надо, значит надо. Но есть в оптическом диапазоне узенькая «щелка» (λ ≈ 0,38 0,78 мкм), к которой мы особенно неравнодушны, она для нас в буквальном и переносном смысле «свет в окошке», в ней мы живем и лишь происходящее в ней воспринимаем как реальность. Атомная энергия – величайшее открытие 20 века – так ли уж сильно изменила повседневность? Об авиации вспоминают раз в год, когда надо с внуком слетать в Анталию. Но ежедневно, часами, среднестатистический житель планеты вглядывается в экран телевизора и дисплей компьютера, постигая через них тайны бытия. Пока обществоведы философствуют на тему виртуальной реальности, она уверенно стала реальной реальностью и все идет к тому, что станет единственной реальностью – «в мире (Ираке, например) происходит только то, что показывает ящик».6
Свет – основа жизни не только в бытовом ее понимании. Не случайно, видимо, величайшие физики непременно обращались к оптике – Архимед, Галилей, Ньютон, Ломоносов, Максвелл, Эйнштейн… Не случайно и то, что через познание света и с помощью света получены основополагающие знания о строении материи и Вселенной.
Феномену исключительности оптоэлектроники может быть дано и еще одно, полусакральное объяснение. Радиотехника, электроника, компьютеры и прочие новомодности созданы человеком, а оптоэлектроника, в ее принципиальной основе (свет) человеку дарована. Радиоволны фактически не открыл, а изобрел Герц, Попов и Маркони изобрели радио, Флеминг и де Форест – электронные лампы, Бардин, Браттейн, Шокли – транзисторы. Двоичную алгебру придумал Дж. Буль, программирование – Ада Лавлейс-Байрон, алгоритм – А. Тьюринг, кибернетику – Н. Винер, теорию информации – К. Шеннон и В. Котельников.
А кто может претендовать на роль «изобретателя» или первооткрывателя света? Даже не Прометей. «И сказал Бог: да будет свет. И стал свет. И увидел Бог свет, что он хорош; и отделил Бог свет от тьмы».
3. Из предыстории в современность
Устойчивый долговременный успех любого научно-технического направления возможен лишь при условии, что он опирается на прочный физический фундамент. Принципиальные прорехи физического плана невозможно залатать успехами технологических и конструкторских разработок. Применительно к оптоэлектронике такой фундамент формировался веками. Задолго до ее рождения были сформулированы основные положения классической оптики, на которые, естественно, опирается и оптоэлектроника.
Это: учение о свете как разделе науки и зарождение оптического приборостроения – создание телескопа, а позднее и микроскопа (Г. Галилей, 1607); законы отражения-преломления света (окончательная формулировка – Р. Декарт, 1637); волновая теория и поляризация света (Х. Гюйгенс, 1678); корпускулярная теория света и цвета, спектральное разложение и дисперсия (И. Ньютон, 17047); обнаружение инфракрасного излучения (У. Гершель, 1800); интерференция света и определение длины волны световых колебаний (Т. Юнг, 1801); дифракция света (О. Френель, 1818); создание дифракционных решеток, спектроскопия (Й. Фраунгофер, 1821); тепловое излучение и испускание света (В. Вин,8 1893-96).
Вспомним и то, на какой «экспериментальной базе» все это делалось, ведь почти до конца 19 века источниками излучения служили лишь Солнце, пламя свечи и масляной лампы, раскаленная кочерга, нагретая печь. Вспомним и восхитимся предшественниками: с этим «инструментарием» была не только создана оптическая классика, но и осуществлен целый ряд метрологических прорывов: измерение скорости света (Г. Галилей, 1607), установление количественных законов фотометрии (И. Ламберт, 1760), измерение длин волн света красного (0,7 мкм) и фиолетового (0,42 мкм) цветов (Т. Юнг, 1803). Титаны! Подведение итогов классического периода и их теоретическое обобщение дается системой уравнений электродинамики (Дж. К. Максвелл, 1864-1873). На этом предыстория завершилась, уравнения Максвелла одновременно явились и началом (или предощущением начала) новой эры.
Последующие фундаментальные открытия и изобретения, ставшие основополагающими для оптоэлектроники, сведены в Таблицу, чтобы можно было представить себе картину всю целиком и разом.
Таблица
Фундаментальные открытия и изобретения –
основа оптоэлектроники
№ Годы Содержание Авторы Приме-чания
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
20.1
20.2
21 1864-1888
(1873)
1851-1888
(1887)
1873-1890
(1879)
1900
1905
1917
1922
1886-1962
(1927)
1928-1931
(1931)
1929-1931
(1931)
1947-1949
(1947)
1950-1968
(1953)
1948-1964
(1948)
1953-1962
(1960)
1958-1962
(1959)
1961-1964
(1961)
1956-1970
(1970)
1963-1970
(1970)
1958-1975
1962-1980
(1970)
1992- Электромагнитная природа света; оптический диапазон; связь оптических, диэлектрических и магнитных свойств вещества n2 =ε·μ
Фотоэлектрические эффекты
Лампа накаливания
Квантовая гипотеза; энергия кванта Е = hν
Квантовая теория фотоэффекта; предсказание светового кванта – фотона
Квантовая теория излучения; предсказание стимулированного излучения
Рассеяние света на электронах (эффект Комптона); импульс фотона р = hν/c
Электролюминесценция: газовый разряд; катодолюминесценция; инжекционная люминесценция; светодиоды
Квантовомеханическая зонная теория полупроводников
Телевидение; кинескоп; иконоскоп
Транзисторный эффект; инжекция носителей заряда; транзисторы; теория р-п перехода
Многокомпонентные полупроводники типа А3В5
Голография
Мазерно-лазерный эффект; квантовая электроника; лазеры
Интеграция; планарная технология; микросхемы
Нелинейная оптика
Волоконная оптика; кварцевое волокно; оптоволоконная связь
Гетероструктуры; гетеролазер
Неупорядоченные полупроводники
Нанооптоэлектроника
Сверхрешетки, квантоворазмерные эффекты
Нанотехнология
Полимерные полупроводники
Джеймс К.Максвелл
Генрих Герц
Генрих Герц
Александр Э.Беккерель
Александр Столетов
Уиллоуби Смит
Томас А. Эдисон
Александр Лодыгин
Макс Планк
Альберт Эйнштейн
Альберт Эйнштейн
Артур Комптон
Уильям Крукс
Филипп фон Ленард
Олег Лосев
Ник Холоньяк
Алан Вильсон
Феликс Блох
Владимир Зворыкин
Джон Бардин
Уолтер Браттейн
Уильям Шокли
Генрих Велькер
Нина Горюнова
Деннис Габор
Николай Басов
Александр Прохоров
Чарльз Таунс
Роберт Нойс
Джек Килби
Питер Франкен
Рем Хохлов
Николас Бломберген
Нариндер Капани
Чарльз Као
Роберт Маурер
Жорес Алферов
Герберт Крёмер
Филипп Андерсон
Невилл Мотт
Борис Коломиец
Лео Эсаки
Леонид Келдыш
Клаус фон Клитцинг
Хидеки Ширакава
Алан Хигер
Алан Макдайэрмид
N.P.,1918
N.P.,1921
N.P.,1927
N.P.,1905(косв.)
“Глобальная энергия”, 2003
N.P.,1956
“-“
“-“
N.P.,1971
N.P., 1964
“-“
“-“
N.P.,2000
N.P.,1981(косв.)
N.P., 2000
“-“
N.P.,1977
“-“
N.P.,1973,косв.
N.P.,1985
N.P., 2000
“-“
“-“
Прежде чем перейти к ее обсуждению, необходимо сделать ряд пояснений. Автор не претендует на единственность и абсолютную правомерность данного перечисления, но лишь на его оптимальность для утверждения принятой в статье концепции. Кому-то оно покажется не полным, кому-то – избыточным. По возможности мы старались ограничиться тем, что уже привело к существенным практическим результатам. Приведенные открытия заведомо неравноценны: некоторые из них имеют общефизический характер, другие «обслуживают» только оптоэлектронику или ее часть, однако, если взглянуть на вещи глазами прагматика-оптоэлектронщика, то соседство таких открытий в Таблице вполне допустимо.
Исходя из того, что физическую основу оптоэлектроники составляют взаимные «превращения» вида «электрон → ← фотон», чисто «электронные открытия» мы рассматриваем лишь тогда, когда они что-то существенное дали и оптоэлектронике (например, инжекция, открытая с транзистором, «работает» в лазере и светодиоде). По возможности материал расположен в хронологическом порядке; там, где в графе 2 указан временной интервал, он определяет некий начальный период исследований, эквивалентный дате открытия в других, более однозначных ситуациях; иногда в скобках приводится важнейшая дата, поясняемая в тексте. Даты указываются по времени опубликования статей (иногда – по их поступлению в печать), для особенно важных событий, когда это возможно установить, - по времени самого факта открытия. Отметим, что не всегда точно можно назвать даты «начал», иногда их попросту нет. Более подробно обсуждается то, что устоялось, «молодые» открытия приведены для полноты картины.9
История технических, прикладных направлений оптоэлектроники специально и последовательно не рассматривается, представлялось правильным в качестве ориентиров истории выбрать фундаментальные открытия – следуя за ними, используя их, и строится история прикладных сфер. Правильность такой методологии подкрепляется еще и тем, что каждое крупное прикладное направление опирается не на одно, а на несколько фундаментальных открытий, а они по заказу не делаются. В последующем тексте разделы Таблицы мы указываем просто, как (п.10) например, т.к. таблица в статье одна.
Сложнее всего обстоит дело с графой «Авторы», это всегда деликатная проблема. Здесь авторами названы те, кто получил наибольшее признание мировой общественности, например, в форме Нобелевской премии, N.P., непосредственно за данное открытие или косвенно (косв.). В случае коллективов указываются лидеры, это не всегда первооткрыватели в буквальном смысле слова, часто таких попросту невозможно указать. Да и вообще, вопрос приоритета не является для истории столь принципиальным, как это муссируют СМИ, грубо говоря, науке все равно, кто открыл; грандами становятся те, кто внес наиболее существенный вклад. В то же время там, где определяющим является сам факт открытия, естественно стремление указать его автора. И потому упоминаемые фигуры могут оказаться крайне неравноценными (например, Герц и Смит, Эйнштейн и Лосев), но ведь удача открытий не всегда выпадает на долю самых «достойных». Клио – дева своенравная, она не может дать ученую степень, высокое звание, престижную награду, единственное, что может – дать место в истории.
Естественно, что в максимально возможной степени мы стремились выделить, подчеркнуть, утвердить роль отечественных ученых, но только – не в ущерб истине.
4. «Новая физика» для оптоэлектроники
Систему уравнений Максвелла (п.1) естественно признать отправной точкой оптоэлектроники, так как именно они установили взаимосвязь электричества, магнетизма и света, утвердили электромагнитную природу световых волн. Однако во время своего обнародования теория электродинамики была не столь общепризнанна, как, скажем, через полвека-век, широкой научной общественности всегда требуется экспериментальное подтверждение любой, даже самой замечательной теории. Его-то и дал Герц, продемонстрировавший в 1888 году электромагнитные волны: генерацию, распространение в свободном пространстве и способ обнаружения. Лишь спустя 30 лет после опубликования теории (1903) Х. Лоренц назвал результат Максвелла-Герца «кульминацией в осознании существования в Природе целого диапазона электромагнитных волн, которые, в сущности, одинаковы по своей природе, сколь бы различны ни были их длины». И далее перечислил, что в этом диапазоне было известно: «волны, используемые в беспроводной телеграфии – лучи Герца – самые короткие волны, создаваемые электромагнитными приборами, - пустой промежуток – темные тепловые лучи – свет – ультрафиолет – пустой промежуток – Х-лучи (рентгеновское излучение)». Теория Максвелла все выстроила в стройную систему, наличие «пустых промежутков» уже не пугает, рано или поздно они будут заполнены (ситуация до некоторой степени сходна с периодическим законом Менделеева, открытого кстати тогда же (1869), - видимо, пора обобщений в мире атомов и волн наступила одновременно).
Следует заметить, что в современной оптоэлектронике аппарат теории Максвелла используется весьма ограниченно, пожалуй, лишь при расчете трактов оптоволоконной связи и устройств интегральной оптики. Действительный физический фундамент оптоэлектроники, ее основу основ составляют квантовая теория и разделы квантовой механики, относящиеся к твердому телу.
Днем рождения квантовой теории принято считать 14 декабря 1900 года, когда 42-х летний профессор Планк представил Немецкому физическому обществу теорию теплового излучения, опирающуюся на гипотезу элементарного (минимального) кванта действия (п.4). Правда, тогда торжественности момента никто не прочувствовал. Сама по себе формула Планка не вызвала особенного интереса, но с течением времени результаты исследований других авторов, полученные на основе «теории квантов»10 в теплофизике, электрохимии, физике рентгеновских лучей, оказывались все более впечатляющими. Особенно заметную роль сыграла теория фотоэффекта (п.5), в которой Эйнштейн от планковских квантов действия шагнул к квантам свето-фотонам. А окончательное прямое экспериментальное подтверждение справедливости квантовой теории дали опыты американца Комптона по рассеянию излучения11 на электронах (п.7). В совокупности эти три открытия утвердили фундаментальное положение: в процессе генерации, поглощения и при распространении в пространстве свет (более обще – оптическое излучение) представляет собой поток фотонов, энергия (Е) и импульс (р) которых однозначно связаны с частотой колебаний световой волны и квантом действия h. Тем самым была осуществлена математизация дуализма света, т.е. проявления им одновременно корпускулярных и волновых свойств.
На осознание того, что теперешние студенты усваивают за полсеместра, потребовалось около двадцати лет. Планк был удостоен Нобелевской премии лишь в 1919 году (за 1918 г.), Эйнштейн – в 1921 году; а Вин за формулы, явившиеся частным случаем общей формулы Планка и полученные на основе чисто классических представлений, - в 1911 году. Это неспешное признание проницательно прокомментировал сам Планк: «Великая научная идея редко внедряется путем постепенного убеждения и обращения своих противников, редко бывает, чтобы Савл стал Павлом. В действительности дело происходит так, что оппоненты постепенно вымирают, а растущее поколение с самого начала осваивается с новой идеей». Истина достаточно универсальная, верная не только для научных идей.
Справедливости ради отметим, что и сам Планк поначалу рассматривал свою гипотезу лишь как формально-математический прием и, по-видимому, только с течением времени под влиянием Эйнштейна осознал ее фундаментальную роль в «преобразовании самых основ нашего физического мышления, покоившегося, со времен обоснования анализа бесконечно малых величин Ньютоном и Лейбницем, на предположении о непрерывности всех причинных связей»; он так и не принял квантовую механику с ее статистически-вероятностными концепциями, хотя она являлась порождением и развитием «его» квантовой теории.
Заманчиво было бы включить в Таблицу открытия фотона и электрона, как основных «действующих лиц» оптоэлектроники, но это представляется затруднительным. Относительно фотона уже сказано: его теоретически предсказал (или постулировал) Эйнштейн (1905), экспериментально «увидел» Комптон (1922), а свое ласковое имя он получил в 1929 году. Считается, что электрон открыл Дж. Дж. Томсон, его заявление об этом прозвучало в Королевском институте вечером 30 апреля 1897 года. Но фактически он сообщил об измерении массы элементарных частиц отрицательного электричества, которые как-то и ранее проявлялись в различных физических и электрохимических экспериментах. Нобелевскую премию Томсону дали в 1906 году за «исследования электропроводности газов». Новую частицу он назвал «корпускулой» - это была дань традициям британской корпускулярной школы, сформировавшейся при Ньютоне, в пику немецким «волновикам». Но еще в 1891 году, когда новая частица уже ощущалась, хотя и не была «образмерена», ее кто-то из химфизиков назвал электроном; к счастью, это и прижилось.12
Не столь всеобъемлющим, как рассмотренные открытия, но решающим для физики и техники полупроводников, а, следовательно, и для оптоэлектроники, стало создание квантово-механической зонной теории полупроводников (п.9). Сейчас даже трудно вообразить, какой ералаш царил в «полупроводниковом хозяйстве» в те годы. Прошло уже полвека со времени открытия фоточувствительности и выпрямляющего действия полупроводников, уже обнаружили в них усилительные свойства и возможность свечения (см. разделы 5,6), накопили огромный эмпирический материал по их свойствам, приобрели практический опыт использования кристаллических детекторов в радиотехнике, а полупроводниковая наука так и не была создана. Результаты экспериментов по большей части были непредсказуемы, невоспроизводимы, необъяснимы13, фактически даже не существовало однозначного понимания, что же такое полупроводник.14 Затянувшаяся пробуксовка грозила коллапсом – так в начале 1930-х годов большая группа молодых амбициозных физтеховских сотрудников, уже добившихся успехов в твердом теле, вдруг резко сменила тематику. «Я оставил полупроводники, ибо понял, что там науки еще нет – кухня! Да при том без возможности попробовать суп до того, как он сварился» (Г. Флеров). Справедливости ради заметим, что была и другая причина – ядерный бум.
Первый существенный вклад в теорию твердого тела сделали Л.Бриллюэн (понятие «зон Бриллюэна» для кристаллов) и А. Зоммерфельд (квантовая теория электропроводности металлов), однако их подход был не вполне последовательным – выходцы из 19 века, они постоянно «оглядывались» на классическую электронную теорию Х. Лоренца и к окончательному результату, разумеется, не пришли. А вот 22-летний Блох, только что отучившийся у основателей квантовой механики Э. Шредингера и В. Гейзенберга, нашел строгое решение уравнения имени своего первого учителя для электронов в кристалле (функции Блоха), и на этой основе 24-летний Вильсон предложил адекватную зонную диаграмму полупроводника.15 Это была квинтэссенция теории, позволившая объяснить электрические, температурные, фотоэлектрические свойства, их взаимосвязь с природой полупроводника и наличием в нем тех или иных примесей. Обрели ясную трактовку такие фундаментальные понятия, как ширина запрещенной зоны, электронная и дырочная проводимость, донорные и акцепторные примеси, статистика электронов и дырок и др.16 В значительной степени объяснилась и та неразбериха, которая царила в накопленном экспериментальном материале. А главное, теория могла не только объяснять, но и предсказывать, и уже через десятилетие (если «исключить» военные годы) отметилась величайшим триумфом – созданием транзистора.17
5. Фотоприемники
Фотоэлектрические явления (п.2) стали предметом науки лишь после открытия фотоэффекта (Герц, июль 1887). Еще на подступах к своему главному открытию – экспериментальному доказательству существования электромагнитных волн (1888) – он заметил, что интенсивность разрядов в сконструированном им вибраторе возрастает при освещении зоны разряда. (Соседство света и электромагнитных волн в эксперименте представлялось ему креативным, так что он, руководствуясь теорией Максвелла о единстве их природы, ожидал какого-то взаимовлияния, а «наткнулся» на эффект из совсем другого раздела физики.) Статья Герца «Влияние ультрафиолетового света18 на электрический разряд» мгновенно стала классикой, а само это открытие, уже в наши дни, П. Капица отнес к числу «принципиально новых», которое невозможно было предсказать на основе тогдашних теоретических представлений (еще не был открыт электрон, главнейший из фигурантов фотоэффекта).
Через год опыты по фотоэффекту повторили немец В. Гальвакс, итальянец А. Риги и профессор Московского Университета Столетов. У всех схемы экспериментов отличались от герцевской (они уже знали, что искать) и друг от друга, но все пришли к одному: имеет место какое-то специфическое (пока неясное) воздействие ультрафиолета как на металл электродов, так и на воздух в разрядном промежутке, приводящее к дополнительному «истечению электричества»; сам разряд играет при этом лишь вспомогательную роль регистратора. Суть явления была понята позднее (и другими) в процессе создания квантовой теории, это – испускание электронов при поглощении веществом фотонов, в данном эксперименте – фотоэлектронная эмиссия из металла и фотоионизация газа (напомним, что именно на «расшифровке» фотоэффекта утвердила себя квантовая теория – см. разд. 4). Считается, что после Герца усилиями названной тройки фотоэффект был заново переоткрыт19, Столетов, кроме того, получил важные количественные соотношения, называемые иногда «законами». Позднее существенный вклад в изучение и использование фотоэффекта внесли Ленард, А. Иоффе, В. Ульянин и многие другие.
Удивительно, но фотоэлектрические явления, в наибольшей степени используемые современной оптоэлектроникой, открыты задолго до герцевского фотоэффекта. Это фотогальванический, или фотовольтаический эффект (Беккерель20, 1851) и фотопроводимость селена21 (Смит, 1873). Их понимание и применение из-за сложностей с полупроводниками, описанными в предыдущем разделе, отодвинулось на десятилетия. В основе этих эффектов лежит процесс образования свободных электронов внутри твердых тел (обычно полупроводников) при поглощении этими телами фотонов. Явление подобно фотоэффекту (передача энергии фотона электрону), но оно не сопровождается эмиссией электронов во вне, поэтому уже в наши дни его стали называть внутренним фотоэффектом, а классический герцевский – внешним.
Теория внутреннего фотоэффекта и его проявлений в форме фотопроводимости и фотоэдс могла быть разработана лишь после создания зонной теории полупроводников и теории p-n переходов и гетероструктур; в относительно завершенном виде она оформилась и получила обобщение к 1960-м годам (Т. Мосс, С. Рывкин, Р. Бьюб).
Внешний фотоэффект сразу же получил практическое применение: в 1888 году Риги и Столетов создали первые фотоэлементы (термин Риги), которые, многократно модернизируясь, получили заметное распространение в технике (альтернативы им не было). Однако со временем эти громоздкие электровакуумные приборы были полностью вытеснены твердотельными аналогами; сейчас внешний фотоэффект используется лишь в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ) и электронно-оптических преобразователях (ЭОП).
Первые полупроводниковые (селеновые) фотоэлементы и фоторезисторы появились в 1876 г., у нас – в 1888 (Ульянин); заметную конкуренцию вакуумным они начали составлять после разработки более эффективных меднозакисных фотоэлементов (В. Ланге, 1932).
Создание теории полупроводников и теории p-n перехода, разработка и освоение совершенных полупроводниковых материалов привели к тому, что с 1940-1950 гг. начала формироваться фотоэлектроника в ее современном представлении. Фотоприборы для видимой области спектра опираются на кремний (отчасти – германий) и транзисторную технологию – о них см. раздел 7.
Как самостоятельный важнейший раздел фотоэлектроники и оптоэлектроники в целом сформировалась инфракрасная техника, т.е. техника ночного видения и тепловидения. Очевидная специфика применения ИК-фотоприемников в военных целях предопределила, с одной стороны, значительные (иногда практически неограниченные) инвестиции в эту сферу, а с другой – ее закрытость и обособленность от остальной электроники.22 Отдельного пункта по ИК-технике в Таблице нет, фактически все решилось открытием невидимых ИК-лучей (У. Гершель, 1800), дальнейшее представляет собой наложение общих принципов фотоэлектроники на различные полупроводники. При этом специфика военного применения проявляется в ряде моментов: стремление к увеличению дальности целеобнаружения; необходимость в условиях поверхности Земли и ее атмосферы работать в «окнах прозрачности» 3-5 мкм или 8-14 мкм; ориентация на собственное излучение таких объектов как ракета, самолет, танк, человек;23 необходимость «отстройки» от теплового фона подстилающей поверхности, работа в условиях глубокого охлаждения.
Ночное видение, т.е. наблюдение объектов в слабом свете Луны, звезд и отчасти в лучах ближней ИК-области, потребовало для своей реализации усилителей световых образов, первым устройством такого типа стал электронно-оптический преобразователь (Г. Холст, Я.Х. де Бур – принцип; М. фон Арденне – реализация, 1934). В этом вакуумном фотоэлектронном приборе на катоде благодаря фотоэмиссии световой (ИК) образ преобразуется в электронный, эти электроны ускоряются электрическим полем, и на люминесцентном экране происходит обратное преобразование электронного потока в световой образ, уже усиленный. Для сохранения подобия исходной и конечной картин необходимо использование электронной оптики. Таким образом, в ЭОПе соседствуют: фотоэмиссия, формирование электронного луча, электронная оптика, катодолюминесценция (см. разд. 6). Развитие техники микроканальных пластин и миниатюризация высоковольтных преобразователей напряжения привели к созданию твердотельных аналогов ЭОП в габаритах биноклей и очков.
Полупроводниковое тепловидение (термография), т.е. визуализация собственных тепловых образов объектов, зародилось еще в предвоенные годы. Динамика освоения разных полупроводников на начальном этапе выглядит так: PbS – фоторезистор, λ до 2-2,5 мкм (1940); InSb – фоторезисторы и фотодиоды, λ до 5-7 мкм (1955), CdHgTe – фотодиодные матрицы, λ до 14 мкм (1967). В начальный период это была теплопеленгация одиночным фотоприемником, т.е. фиксация лишь факта наличия излучающего объекта, а в дальнейшем многоэлементные линейные структуры (с дополнительной механической разверткой) и матричные структуры обеспечивали нужды тепловидения в полном объеме. Тепловидение и теплопеленгация в зависимости от условий окружающей среды, вида объекта и выдвигаемых требований работают на расстояния от единиц до десятков и сотен километров; это значительно меньше, чем дает радиолокация, но она представляет собой активную (излучающую) систему, которая подавляется методами радиоэлектронного противодействия. Пассивное тепловидение неуязвимо и потому – безальтернативно. Отметим также, что тепловидение все более широко используется и в медицине.
6. Излучатели
Лампа накаливания (п. 3) явилась первым, реально работоспособным излучателем, в котором происходило преобразование электричества в свет. Ни вольтова дуга, ни основанные на ней дуговые светильники, в том числе и лучший из них (П. Яблочков, 1877), таковыми не стали, поэтому умиление «русским светом» в Париже оставим журналистам. Крах «дугового» направления служит наглядной иллюстрацией того, что без «здорового» физического фундамента никакая изобретательность не спасет: дуга возможна лишь в атмосфере, а при этом все материалы быстро сгорают.
Лампы накаливания к оптоэлектронике не относят, их называют электрическими, но не электронными, т.к. преобразование электричества в свет происходит не прямо, а через разогрев нити накала. Однако плоха не сама по себе многоступенчатость преобразования, плохо в лампах накаливания то, что они имеют «размытое» излучение (по спектру и по направленности), а, следовательно, низкую эффективность преобразования и значительный паразитный тепловой «довесок», что делает невозможной миниатюризацию. Правда, на заре оптоэлектроники в 1960-е годы предпринимались попытки приспособить накальные элементы к информатике – их монтировали в оптроны, объединяли в цифровые индикаторы, – но ничто не пошло. Оптоэлектроника создала для этих целей светодиод, и он полностью вытеснил лампочку из информатики, так что пути этих двух источников света разошлись. Казалось, навсегда, но теперь, на пороге «светодиодной революции» (см. ниже), они вновь вступают в состязание, но уже на «поле» ламп накаливания – в технике освещения. Поэтому и представляется правомерным включение (п. 3) в Таблицу, хотя бы для сопоставления в преддверии эры «полупроводникового света». А кроме всего, оптоэлектронике лестно включить величайшее изобретение человечества в свою родословную.
Всему миру лампы накаливания известны как «лампочки Эдисона», именно он, выполнив огромное количество экспериментов и «по пути» получив 168 патентов («вечных» и однодневок), реализовал ее в столь совершенном виде, который фактически неизменен уже 125 лет. И еще – факт исключительно важный для новинок массового производства – устроил феерическую, с истинно американским размахом общественную презентацию (31 декабря 1879 г.).
В (п. 3) включен наш Лодыгин. И руководствовались мы не тем, что его первые патенты (1874) опередили эдисоновские – по большому счету не патенты определяют авторство в глазах общества и истории. И дело не в патриотизме – напомним, что с 1880 г. Лодыгин работал по большей части за границей и скончался в 1923 году в США, а этнический момент и место рождения еще не делают человека «нашим». Лодыгин ввел (1890) вольфрамовую нить накала вместо эдисоновского бамбукового угля – это решающее.
Основу оптоэлектроники составляет электролюминесценция (п. 8), прямое преобразование электричества в свет, т.е. энергии электронов в энергию фотонов. Излучатель – это начало начал, сердце фактически каждой оптоэлектронной системы, именно излучатель дает ей энергию и активность. Даже если система чисто фотоприемная, излучатель обязательно присутствует «за кадром» и дирижирует ситуацией.
Исторически первым явилось свечение газового разряда (Крукс, 1879), оно наблюдалось и ранее, но именно Крукс поставил изучение этого свечения на научную основу, оснастив его аппаратурно («трубка Крукса»). Он предугадал и то важнейшее, чем определяется газоразрядное свечение, - образование четвертого агрегатного состояния вещества, того, что теперь называют плазмой. Этот вид свечения нашел в оптоэлектронике лишь одно очень конкретное применение – в газоразрядных, или плазменных, индикаторных панелях, где оно обычно дополняется фотолюминесценцией фосфоров, нанесенных на стеклянные стенки панелей.
Огромное значение имеет открытие катодолюминесценции (Крукс, 1886), т.е. свечение люминесцентного экрана под воздействием электронных лучей.24 Отметим, что катодолюминесценция поначалу использовалась лишь как средство обнаружения луча, а предметом пристального внимания был сам этот луч, что привело к ряду фундаментальных открытий (рентгеновские лучи, электрон); за всестороннее развитие техники катодных лучей Ленард был отмечен Нобелевской премией 1905 года.
Уникальная отличительная особенность катодолюминесценции связана с возможностью электрически управляемого безынерционного изменения направления электронного луча и тем самым сканирования светящейся точкой по площади экрана. Электронный поток способен без искажений перенести в пространстве световой образ, сфокусированный на фотокатоде (об этом сказано выше применительно к ЭОПам). Наконец электронный луч может служить удобным инструментом для последовательного «считывания» светового образа, наведенного на поверхности фотопроводника. Эти свойства электронного луча и катодолюминесценции предопределили их важнейшие прикладные возможности: осциллографическая трубка (К. Браун, 1897); кинескоп (Зворыкин, 1929); иконоскоп (Зворыкин, 1933), т.е. передающая ТВ трубка; уже рассмотренный электронно-оптический преобразователь (1934); квантоскоп25 (О. Богданкевич, 1967), т.е. кинескоп с лазерным экраном.
Изобретения Зворыкина стали приборной основой телевидения (п. 10), вся физика в них, остальное – техника (пусть сложная и разноплановая). Множество инженеров и физиков занимались проблемой передачи изображений с помощью радиоволн, телевидение – «это бесконечная лестница, созданная десятками рук», говорил сам Зворыкин; почти за полвека до того была предложена электромеханическая система развертки изображения (П. Нипков, 1884), представляющаяся сегодня архаикой, но ведь именно с нее начались отечественные ТВ-трансляции (1 октября 1931 года).
Был у Зворыкина и прямой предшественник – в 1907 году профессор петербургской «Технологички» Борис Розинг запатентовал систему приема ТВ-изображения с помощью электронно-лучевой трубки.26 А годом позже у него начал работать студент Зворыкин и оставался в лаборатории вплоть до знаменитой первой демонстрации Розинга, которую провозгласили началом электронного телевидения. Зворыкин же констатировал лишь «смутную картинку на экране» и с бескомпромиссностью молодости резюмировал для себя, что с техническими средствами, которыми располагал профессор (речь, прежде всего, о вакуумных насосах), настоящего успеха не добиться. (Какие конкретно идеи были восприняты учеником у учителя, неизвестно, но сам факт преемственности несомненен.) В 1912 году он отправился искать счастья в Германии, но началась «эпоха войн и революций», и после многочисленных, порой детективных перипетий он оказался в США на фирме Ар-Си-Эй, дальнейшее известно. (Тем временем Б. Розинг в своих исследованиях был еще более отброшен назад разрухой двадцатых годов, а затем и вообще “выведен из игры” – загнан в архангельскую ссылку, где и скончался в 1933 году.) С вполне допустимым в данной ситуации пафосом можно утверждать, что соединение пытливой русской мысли с американской технологической мощью и предприимчивостью (ее своевременно и напористо продемонстрировал топ-менеджер фирмы Д. Сарнов, кстати, тоже выходец из России) дало миру телевидение.27
Вернемся к электролюминесценции. С максималистской точки зрения свечение газового разряда и катодолюминесценция для оптоэлектроники непригодны и исторически обречены – они требуют вакуумированного объема и высоковольтного возбуждения, а для катодолюминесценции характерны низкий кпд светогенерации и необходимость использования громоздких неплоскостных конструкций.28
Принципиально иначе смотрится инжекционная люминесценция полупроводников (Лосев, 1922-27) – испускание света p-n-переходом при прямом смещении вследствие инжекции неосновных носителей заряда и их рекомбинации с основными, сопровождающейся генерацией фотонов. Этот механизм, понятый лишь в 1950-60-е годы, обусловливает узкую спектральную полосу генерации, высокую квантовую эффективность, низкое напряжение возбуждения. Но во время открытия эффекта все было не так. Девятнадцатилетний Лосев, сотрудник29 Нижегородской радиолаборатории, увлекшийся идеей найти среди кристаллических детекторов такие, которые бы обладали эффектом усиления30, однажды обратил внимание на то, что некоторые образцы карборундовых (карбидокремниевых) детекторов при работе слегка светятся. Его последующие специальные исследования привели к заключению, что свечение идет из кристалла, в его основе лежит не тепловой, а электронный механизм, подчиняющийся квантовой теории. Большего в то время достигнуть было невозможно: зонная теория еще не была разработана, природные кристаллы карбида кремния были неоднородны, загрязнены и непредсказуемы. Публикации Лосева появились в английских и немецких журналах, его открытие признали, за рубежом в большей мере, чем на родине, где почти не заметили. Однако «свечение Лосева» было очень слабым, перспективы роста не просматривались, главенствующая в стране школа ленинградских физиков сосредоточилась тогда на фото- и теплоэлектричестве, да и вообще «час полупроводников» еще не пробил – исследования одиночки, слишком забежавшего вперед, заглохли.31
Вновь к инжекционной люминесценции обратились уже в эпоху транзистора.32 Плоскостные SiC-диоды оказались подходящими импульсными источниками света для калибровки счетчиков ядерных частиц – они стали первыми в мире промышленными светодиодами (И. Рыжиков, 1962). Но светодиодами, которые почти не светили, и уже тогда было ясно, что карбид кремния – это тупик: эффективную люминесценцию дадут лишь прямозонные полупроводники. Мир не принял SiC, наше чрезмерное увлечение им стало «потерей темпа» (и средств). Тем более что уже появились полупроводники типа А3В5 и их твердые растворы (см. разд. 9) – начало светодиодной истории положил GaAsP-светодиод (Холоньяк, 1962). Вскоре его дополнили и потеснили GaP-светодиоды (1964) и еще более эффективные – гетеросветодиоды на GaAlAs, в которых была реализована 100%-ная внутренняя квантовая эффективность (Алферов, 1972). На этом фундаменте и сформировалось многомиллиардное производство светодиодов. В 1967 году поступили в продажу первые полупроводниковые цифрознаковые индикаторы (американская фирма Монсанто), а после того как их дополнили газоразрядные и жидкокристаллические индикаторы (1970), заговорили о новом поколении дисплеев.
Светодиоды 1960-х – 80-х годов имели невысокую яркость и потому получили применение лишь как индикаторы «включено-выключено» и только в помещениях. Кроме того, они перекрывали лишь часть видимого спектра от красного до желто-зеленого цветов свечения. Ситуация кардинально изменилась благодаря технологическому прорыву AlInGaP-светодиодов для красно-желтой области спектра (М. Крафорд, 1992) и InGaN-светодиодов для сине-зеленой области, а с применением люминофоров – для белого света (С. Накамура, 1993-95). Эти открытия позволили перекрыть всю видимую область спектра, кроме того, эффективность новых приборов подскочила на 1-2 порядка, и по светоотдаче они обогнали лампы накаливания. С начала нового века вошли в жизнь понятия полупроводниковый свет и светодиодная революция; на этом пути ожидается переворот в бытовой светотехнике.
Для исторической полноты отметим, что в период «после Лосева» и «до светодиодов» заметную роль сыграла порошковая электролюминесценция (Г.Дестрио, 1936) – свечение зерен сернистого цинка, замешанных в органике, при возбуждении переменным напряжением. Несмотря на слабую светимость и деградацию, это был единственный в течение четверти века твердотельный эффект, пригодный для техники отображения информации, включая огромные комнатные экраны группового пользования.
Конструктивное объединение светодиодов и фотоприемников привело к созданию специфических приборов – оптронов (Е. Лебнер, 1955). Сочетание электрических и оптических связей служит основой для новой оригинальной схемотехники, общая теория оптронных цепей (Э. Адирович, 1973) показывает, что принципиально могут быть получены устройства, не реализуемые в транзисторной электронике. Однако практически этого достигнуть не удалось из-за низкой эффективности двойного электронно-фотонного преобразования, и оптроны заняли лишь одну, хотя и очень важную нишу электроники – электрическая развязка и бесконтактное управление высоковольтными и силовыми цепями.
В заключение этого раздела отметим, что огромный вклад в изучение люминесценции, формирование ее основных представлений, технические применения сделал С. Вавилов. Его работы относятся главным образом к фотолюминесценции, но их выводы имеют достаточно общий характер.
7. Транзисторная классика
Открытие транзисторного эффекта (п. 11), в сочетании с привходящими и сопутствующими эффектами, явилось величайшим научным достижением 20 века и стало фундаментом современной электроники. Первоначальная концепция полупроводникового аналога электронной лампы (Шокли, 1939) напоминала нынешний полевой транзистор, но не была реализована из-за поверхностных эффектов. Тогда же была разработана теория выпрямления в контакте металл-полупроводник (В. Шоттки, 1939) и развиты полезные представления о протекании тока через границу двух полупроводников (Мотт, Б. Давыдов). Во время второй мировой войны в связи с развитием радиолокации нашли широкое распространение точечноконтактные детекторы, были всесторонне исследованы их свойства, и получены достаточно совершенные поли- и монокристаллы германия и кремния для этих детекторов.
Вскоре после окончания войны руководством фирмы Белл была сформулирована программа поиска полупроводникового аналога электронной лампы и электромеханического реле и для ее выполнения создана группа исследователей во главе с Шокли. После множественных экспериментов устройство, состоящее из кристалла германия с прижатыми к нему двумя металлическими остриями, обнаружило способность усиливать электрические сигналы – это был первый (точечный) транзистор (Бардин, Браттейн, 16 декабря.194733 г.), в принципе действия которого впервые определяющим образом проявилась роль неосновных носителей заряда, ранее пренебрегаемая. В канун 1948 года был изобретен плоскостной транзистор с p-n-переходами (Шокли); в ближайшие 2-3 года появились основополагающие статьи по теории p-n-перехода, обобщенные в знаменитой монографии «Электроны и дырки» (Шокли, 1950); началось промышленное производство транзисторов и их триумфальное шествие по миру.34
О транзисторе, как электронном приборе, кто-то из современников открытия проницательно заметил, что его «значимость не в том, что он заменил электронную лампу, но в том, что он может дать то, чего никогда не сможет дать электронная лампа». Что-то подобное можно сказать и о транзисторном эффекте: он важен и сам по себе, но не менее и тем, что принес «смежникам», в нашем контексте – оптоэлектронике.
Прежде всего, укажем на очевидное: появление каждой новой разновидности диодов, транзисторов, тиристоров и т.п. почти автоматически сопровождалось и созданием фоточувствительных аналогов; точные даты их появления указать почти невозможно, ориентировочно: фотодиод (1946-48), фототранзистор (1950-52), солнечная батарея (1954), фоточувствительная микросхема (1962). Кремниевая фотоэлектроника видимого диапазона спектра – это чуть подправленная калька традиционной транзисторной электроники.35
Во-вторых, многие из открытых «ради транзистора» явлений перекочевали в оптоэлектронику: инжекция носителей заряда, теория рекомбинации электронов и дырок, закономерности переноса носителей заряда, теория поверхностных состояний. Инжекция стала основным средством накачки и достижения инверсной населенности в лазерных диодах; понимание того, что с повышением плотности тока ее эффективность ослабевает, стимулировало переход к гетероструктурам и открытию суперинжекции (Алферов, 1966-68). Теория рекомбинации, развитая для германия и кремния (Шокли-В. Ред; Р. Холл; 1952), определила пути уменьшения паразитной безызлучательной рекомбинации в светодиодах и лазерах. Сопоставление диффузии и дрейфа носителей заряда указало на оптимальность pin-структур для фотодиодов (сочетание высокой чувствительности и быстродействия). Теория поверхностных состояний (Бардин, 1947) указала на возможность возникновения инверсных слоев на границе полупроводника с его собственным окислом, что послужило основой для создания МОП-транзисторов, основы микроэлектроники,36 а в сфере оптоэлектроники – к изобретению фоточувствительных приборов с зарядовой связью37 (У. Бойл, Дж. Смит, 1969), основы видеотехники и цифровой фотографии. Примеры можно продолжить.
Идея интеграции (п. 15), т.е. изготовления монолитных интегральных схем, стала самоочевидной после создания плоскостного транзистора, была предугадана и озвучена многими специалистами (с 1952 г.) и получила практическое воплощение в первой микросхеме38 (Килби, август 1958). Однако она была весьма несовершенна, лишь разработка комплекса процессов, объединенных понятием планарная технология (Нойс39, 1958-60), позволила изготавливать микросхемы с любым количеством элементов в одном чипе, возникла микроэлектроника40. Ее бурный и неостановимый прогресс основан именно на нерасторжимости гармоничной связки «транзистор-кремний-планарная технология».
Технология микроэлектроники самая совершенная из всех созданных человечеством технологий, ее отличает суперпрецизионность обработки, высочайшая воспроизводимость и надежность изготавливаемых структур, групповой метод обработки и, как следствие, массовость и дешевизна производства. Термин «планарная» происходит от слова «план»: при изготовлении микросхемы все обработки кремниевой пластины (заготовки, шайбы, вафли) ведут с одной стороны, в одной плоскости, «в плане» – эта концепция оказалась исключительно плодотворной, обеспечив, с одной стороны, возможность автоматизации обработки, а с другой – интеграцию. Планарная технология включает в себя множество достаточно самостоятельных отдельных процессов, таких как эпитаксия, окисление и пассивация поверхности полупроводника, диффузия и ионная имплантация примесей, фотолитография, пленочная металлизация и др.
Оптоэлектроника активно заимствует большинство из этих процессов, в случае кремниевой фотоэлектроники – планарную технологию в целом. В то же время огромное разнообразие основных материалов, которые вынуждена использовать оптоэлектроника, ведет и к существенно большему разнообразию технологий, чем в микроэлектронике. Кроме того, специфика светогенерации требует особой деликатности при изготовлении активных областей, поэтому используемая для этого эпитаксия кардинально переработана: созданы метод жидкофазной эпитаксии, МОС-гидридная технология (осаждение пленок при термическом разложении металлоорганических соединений), молекулярная эпитаксия. Главное в них – снижение температуры, повышение управляемости, достижение высокого совершенства выращиваемых кристаллов.
Следует, однако, подчеркнуть, что, заимствовав основные процессы интегральной технологии, сам принцип интеграции оптоэлектроника не реализовала. Как правило, оптоэлектронные устройства относятся к дискретной электронике, что, несомненно, является их слабой стороной (так, например, транзистор в составе микросхемы в миллионы раз дешевле кристалла светодиода). Невозможность интеграции обусловлена отсутствием единого универсального материала (подобного кремнию в микроэлектронике) для изготовления излучателей, фотоприемников и, тем более, светопроводящих сред. Очень наглядно это видно на примере интегральной оптики (С. Миллер, 1969), задуманной именно как интегральное направление: не найдя для себя универсального материала, она за три десятилетия не достигла значимых промышленных результатов (повторив путь гибридных микросхем в худшем, провальном, варианте).
(Отступление. По установившейся традиции Нобелевские премии по физике изначально присуждались в основном за фундаментальные открытия41, такие как существование электрона и нейтрона, устройство атома, радиоактивность, рентгеновские лучи и т.п. Со временем их стали присуждать за изобретение и создание новых устройств, но таких, благодаря которым и удается делать новые фундаментальные открытия (например, транзистор и лазер); такой подход тоже стал признанной традицией. Премия за микросхемы (Килби, 2000) впервые откровенно присуждена технологии. Что это - сползание физиков от фундаменталистики к прагматизму? Скорее, это признание «физичности» микроэлектронной технологии, понимание того, что она перестала быть «кухней». Достаточно взглянуть на ее аппаратурную реализацию – вершину научного приборостроения, не уступающую по оригинальности и совершенству оптическим устройствам Майкельсона, камере Вильсона или циклотрону Лоуренса, увенчанным в свое время Нобелевскими премиями.)
8. Гетеролазер – премьер оптоэлектроники
Принцип действия лазеров основан на фундаментальных выводах квантовой теории излучения (п. 6) о возможности создания в веществе состояния инверсной населенности42 и генерации этим веществом (активной средой) стимулированного (вынужденного, индуцированного) излучения. Теория также предсказывала когерентность стимулированного излучения: узость спектральной линии, направленность луча, постоянство вида поляризации и модового состава.
Развитие исследований по радиоспектроскопии молекул привело к изобретению квантового генератора43 на аммиаке (Таунс, 1954), излучающего в СВЧ-диапазоне ( = 1,25 см), и к формированию основ нового научно-технического направления – квантовой электроники (п. 14). Тогда же стало ясно, что если использовать квантовые переходы электронов не в молекулах, а в атомах, то можно освоить и оптический диапазон.
Первый оптический квантовый генератор - лазер44 был создан на кристалле искусственного рубина (Теодор Мейман, 16 мая 1960). Из-за низкой эффективности излучающей рекомбинации рубин считался самым неподходящим материалом, изобретатель не раз оставлял его, вновь возвращался (возможно, его гипнотизировал рубиновый алый свет зари), наконец – Солнце взошло, правда, в очередной раз, не совсем там, где его ожидали увидеть. Уже после появились ожидаемые газовые лазеры на смеси гелия с неоном (А. Джаван, 1960), новая техника начала уверенно набирать обороты.
Для торжества «мазерно-лазерного принципа» этого было достаточно45, но «высокую моду» в электронике уже диктовали полупроводники, и они требовали своего. В 1961-62 гг. были высказаны некоторые общие соображения о создании инверсной населенности в полупроводниках, их соединение с теорией рекомбинации привело к успеху. Стремление к нему было таким всеобщим и страстным, направление поиска столь определенным, что стимулированное излучение полупроводников было получено практически одновременно четырьмя американскими исследовательскими группами: Р. Холл, 24.09.62; М. Натан, У. Думке - 06.10.62; Холоньяк – 17.10.62; Т. Квист – 23.10.6246. Три коллектива работали с GaAs-кристаллами и получили генерацию в ближней ИК-области ( ≈ 0,9 мкм), Холоньяк – в красной области, используя GaAsP-кристаллы. На основе этих публикаций с задержкой не более, чем в 1-2 месяца, экспериментальные образцы GaAs-лазеров были созданы и у нас (А. Шотов); возлагавшиеся на них надежды были столь велики, что уже в 1963 году, не считаясь с затратами, была начата подготовка полупромышленного производства.
В порядке отступления заметим, что, как нередко случается в науке, к идеям квантовой электроники приходили многие исследователи; чаще других называются: наш В. Фабрикант, который еще в 1940 году наблюдал усиление света за счет вынужденных электронных переходов в газовой плазме, а позже получил диплом на открытие; американец Дж. фон Нойман, обсуждавший в печати возможность усиления света в полупроводнике еще в 1951-53 гг. Вряд ли их можно называть предшественниками авторов (п. 14) – те совершали свои открытия, фактически даже не зная об этих «предшественниках», справедливо считая таковым Эйнштейна. Корректной кажется формулировка о догадках, опередивших время, фактически не замеченных и не подхваченных, т.к. технические возможности для их реализации еще не созрели. Но кроме объективной исторической оценки (которая так ли уж всегда объективна?), есть и субъективный момент – драма незаурядной личности, забежавшей в будущее слишком далеко.
Итак, полупроводниково-лазерная Формула-1 примчалась к финишу первого этапа, но … приза не обнаружилось: пороговая плотность тока генерации GaAs-лазеров была столь велика ( 105А/см2), что работали они лишь в импульсном режиме при азотной температуре и все равно очень быстро сгорали. Кроме того, и о когерентности можно было говорить лишь с очень большой натяжкой, так угловая расходимость луча превышала 300!
Положение спасло обращение к гетероструктурам47 (п. 18), частенько со стороны видится дальше и отчетливее, чем из гущи схватки. Еще ликование GaAs-первопроходцев только нарастало48, а о будущем крахе и вообще не думалось, но уже другими была сформулирована концепция гетеролазера (Алферов, Кремер, 1963).49 Однако заявить и сделать - это «две большие разницы» - в известных тогда экспериментах гетеропереходы получались столь несовершенными, что не только люминесценцию, но и качественное выпрямление получить не удавалось.50 Казалось, так будет всегда, даже годы спустя, заявку Алферова многие специалисты называли «бумажным патентом» и, пожалуй, кроме всего имели для этого дополнительное основание: сформулированное в самой общей форме в 5 строках «Предмета изобретения» структура гетеролазера подкреплялась более чем экзотическим примером реализации.51 По-видимому и для самого автора заявка была не решением, а направлением поиска, как оказалось – правильным. Вера и упорство вознаградились: вскоре после обнаружения признаков стимулированного излучения GaAlAs-GaAs-перехода (13 сентября 1967 г.) были созданы полноценные гетеролазеры (1970), способные работать при комнатной температуре в непрерывном режиме – пороговая плотность тока у первых же образцов была в десятки раз меньше, чем у лучших GaAs-лазеров. Это был триумф!
Здесь уместно назвать ближайших соратников Алферова на пути к гетеролазеру. Д.Н. Третьяков оказался тем, кто обратил внимание на «завалявшийся» от предыдущей работы образец GaAlAs-состава; посмотрели – ни коррозии, ни разложения, значит, алюминий, легко окисляющийся на воздухе, в кристалле стабилен и с ним «можно иметь дело». Упорством В.М. Андреева была поставлена жидкофазная эпитаксия и проведены бесчисленные эксперименты. Е.Л. Портной измерял образцы, в его руках «загенерил» первый гетеролазер («так получилось …»).52 Надо назвать и первых заокеанских гетеролазерщиков М. Паниша и И. Хайяши – без соперников к победе придти еще труднее, чем без сподвижников.53
Концепция гетероструктур оказалась универсальной: она автоматически распространилась на светодиоды (они часто шли вслед за лазерами) и фотоприемники, была воспринята традиционной микроэлектроникой и, разумеется, использовалась при создании всех последующих лазеров на новых материалах.
Становление промышленности гетеролазеров, называемых просто лазерными диодами ( 1980 гг.), стало основой формирования таких новых и важнейших направлений оптоэлектроники, как оптоволоконная связь (см. Раздел 9) и оптическая память (лазерные компакт-диски, 1984).
Качественно новые достижения и ожидания связаны с уменьшением размеров активных зон до атомных масштабов, становлением нанооптоэлектроники (п. 20), которая находится в самом начале своего развития. Интерес к структурам, состоящим из множества чередующихся очень тонких слоев разнородных полупроводников (сверхрешетки) обозначился после теоретического предсказания особенного поведения электронов в таких образованиях и определяющей роли в них туннельных эффектов (Келдыш, Эсаки, 1962); в качестве средства их синтеза была разработана молекулярно-лучевая эпитаксия (Эсаки, 1970). Наиболее ярким проявлением квантоворазмерных эффектов, хотя и не имеющим прямого отношения к оптоэлектронике, стало открытие квантового эффекта Холла (Клитцинг, 1980). Эти исследователи и указаны как основоположники по табл.54 На этой основе стали развиваться гетеролазеры (а также светодиоды и фотодиоды) с квантовыми ямами (1988), квантовыми нитями (проволоками), квантовыми точками. Благодаря этому технический уровень гетеролазеров начала 21 века характеризуется поистине фантастическими достижениями: пороговая плотность тока 10А/см2, эффективность преобразования более 60%, инерционность 10 –11 с, максимальная мощность (для сборок) – киловатты. Главный качественный результат, которого ждут, - это кремниевые лазеры (и светодиоды) на основе синтеза кремниевых нанокристаллов, энергетическую диаграмму которых удается трансформировать в прямозонную. Заметим, что достижения по табл. пока еще не стали объектом исторического обобщения.
Вернемся в 1960 год. Появление лазеров вдохнуло жизнь в целый ряд разделов физики, которые были «заявлены» задолго до того, но фактически прозябали. Нелинейная оптика (п. 16), изучающая явления в высокоинтенсивных световых потоках, должна использовать лазер «по определению», хотя многие представления сложились раньше. Классические электрооптические эффекты Керра (1875) и Поккельса (1894) уже потребовали для своего объяснения учета нелинейностей при взаимодействии внешнего электрического поля с внутриатомным электрическим полем вещества. Но эти эффекты наблюдались при низкой интенсивности падающего света и к теперешнему пониманию нелинейной оптики имеют лишь косвенное отношение. По-видимому, первым экспериментальным подтверждением существования «подлинно» нелинейно-оптического эффекта стало наблюдение «просветления» среды (уранового стекла) при повышении интенсивности светового потока (С. Вавилов, В. Левшин, 1925). Резонанса их публикация не получила, (это было типичное «забегание вперед»), однако постепенно утвердила Вавилова в мысли о том, что это лишь фрагмент чего-то общего, названного им позже «нелинейная оптика» (1950). В это же время еще более активно развивалась нелинейная радиотехника (Б. Ван-дер-Поль, Л. Мандельштамм, Н. Папалекси, А. Андронов, 1928), от которой оптики в значительной мере заимствовали методологию и математический аппарат теории нелинейных колебаний.
История нелинейной оптики в современном ее понимании началась с открытия генерации второй гармоники (умножение частоты) в оптическом диапазоне (Франкен, 1961): красное излучение рубинового лазера ( = 694 нм) при прохождении через кристалл кварца частично преобразовывалось в ультрафиолет ( = 347 нм). Эффективность преобразования достигала лишь 10-10%, но для утверждения нелинейнооптической концепции и этого было достаточно. Теория показала (Хохлов, 1961), что высокая эффективность достигается лишь при условии фазового синхронизма основного и генерируемого излучения (в кварце этого не было). Начался целенаправленный поиск подходящих нелинейнооптических кристаллов, классическими стали дигидрофосфаты калия и аммония (КDP, АDР, 1962) и ниобат лития (1964); вообще же синтезированы, обследованы и используются сотни различных материалов. Лучшие экспериментальные достижения по удвоению частоты превышают 90%, в промышленности – 50%. Кроме важнейшего нелинейнооптического эффекта умножения частоты, в период до 1965 г. были открыты и экспериментально подтверждены параметрическое усиление света (1962), оптическое детектирование, оптическое гетеродинирование, самофокусировка; тогда же (1964) появились и основополагающие монографии (Хохлов-С.Ахманов; Бломберген). Практическое применение получило умножение частоты твердотельных лазеров и параметрическое усиление света для перестраиваемых лазеров. В полупроводниковой оптоэлектронике пока заметного применения нелинейнооптические кристаллы не нашли, но учет нелинейных эффектов во многих расчетах бывает необходим. Определенные надежды на повышение пропускной способности оптоволоконных линий связи возлагаются на использование солитонов, образующихся при нелинейнооптическом режиме возбуждения волокна.
Голография (п. 13), способ записи и восстановления световой волны в полном объеме, т.е. пространственного распределения как амплитуды, так и фазы колебаний, была экспериментально продемонстрирована ее создателем в свете ртутной лампы (Габор, 1948). Но лишь применение лазеров, дающих высокоинтенсивные когерентные потоки излучения, привело к современным схемам записи-воспроизведения голограмм (Э. Лейт, Дж. Упатниекс, 1962). Принципиально важным вкладом стала запись объемных (трехмерных) голограмм в толстослойной эмульсии, голография в белом и некогерентном свете (Ю. Денисюк, Г. Строук, 1962-64). Все названные исследователи вполне достойны считаться соавторами создания голографии (тем более что Габор в это время уже фактически отошел от исследований), но Нобелевская премия отметила лишь изобретателя.
Голография нашла применение в криминалистике, в средствах защиты от подделок, в оптике в качестве пассивных вспомогательных голографических элементов: фильтров, зеркал, пластин. Но главное, чем была заинтригована широкая общественность, – изобразительная голография и объемное голографическое кино, – так и не реализовалось. (А между тем, только голография обеспечивает абсолютную подлинность воспроизводимого, настолько полную, что, по словам Г. Соболева, известного голографиста, даже возникли юридические проблемы различения копий и оригинала).
В оптоэлектронике голографию пытались использовать для создания запоминающих устройств (1967) с уникальными свойствами: постраничная запись-считывание информации, включая картины; возможность обработки хранимой информации; сочетание цифровых и аналоговых методов; высокая надежность хранения.55 Ни изобразительная голография, ни голографические ЗУ так и не получили настоящего развития, поскольку для них не создано адекватных материалов и аппаратуры.
9. Материалы оптоэлектроники
На взгляд материаловеда в цепочке «физика – материал – технология», основе каждого направления техники, центральное место занимает материал: счастлива физика, нашедшая «свой» материал, счастлива технология, сумевшая на нем себя показать. При всей значимости транзистора и планарной технологии, без кремния микроэлектронике не быть.56
Оптоэлектроника опирается на множество элементов (излучатели, фотоприемники, оптические среды), отсюда и многообразие материалов, это почти57 принципиально. При важности всех элементов, определяющие – излучатели и фотоприемники, если сузить – излучатели, еще уже – лазеры. К началу зарождения оптоэлектроники, в послевоенный период, она имела в своем распоряжении лишь ограниченное количество несовершенных, в основном природных полупроводников (SiC, PbS, PbSe, PbTe, CdS, CdSe, CuO2 и др.), которые по разным причинам были непригодны для новой техники. Но уже заявили о себе блистательными успехами германий и кремний, хотелось что-то подобное получить и для оптоэлектроники.
Еще в 1930-е годы в среде химиков-материаловедов начали формироваться представления о связи электрофизических свойств кристаллов с их составом и структурой и о действенности химических и кристаллохимических аналогий в мире полупроводников. Постфактум физики обосновали это определяющей ролью «ближнего порядка» в расположении атомов, но в реальном времени, когда к успеху пробивались методом проб и ошибок, физики по большей части выступали оппонентами материаловедов, а то и принципиальными скептиками.
К началу 1950-х годов полуинтуитивно сформировалась концепция синтеза двухкомпонентных (потом – многокомпонентных) интерметаллических соединений, подобных германию и кремнию, т.е. полновалентных четырехэлектронных кристаллов со структурой алмаза. Меняя кристаллообразующие атомы, можно будет управляемо изменять свойства синтезируемых веществ. Определилось направление поиска: компоненты должны быть «зеркальными» по отношению к четвертой группе таблицы Менделеева.
Полупроводники типа А3В5 58 (п. 12) стали основным материалом оптоэлектроники, и в течение уже полувека их лидирующее положение только упрочивается. В 1952-54 гг. Велькер в трех последовательных статьях, ставших обязательно цитируемой классикой, сначала предположил «полупроводниковость» арсенида галлия, затем детально исследовал его свойства и однозначно утвердил в качестве нового перспективного полупроводника. Это послужило толчком для лавинообразного нарастания исследований интерметаллов в других лабораториях; в течение 5-7 лет были получены и решающие приборные достижения, созданы арсенидогаллиевые ИК-светодиоды и лазеры.
Пионерские работы по предсказанию нового класса полупроводников несколько раньше были выполнены Горюновой, первоначально применительно к антимониду индия (1950), который входил в «моду» в ИК-фотоэлектронике. (Первые совершенные образцы получены под руководством А.Р. Регеля.) Тогда ее исследования мирового звучания не получили, тем более публиковались они в нечитаемых изданиях. Поэтому приоритет Горюновой (наряду с Велькером) в создании нового класса полупроводников не вошел в сознание общественности, а то, что своевременно не застолблено, пропадает.59 Тем не менее, включение Горюновой как одного из авторов (п. 12) представляется не только корректным, но и обязательным. И дело не в том, чтобы утвердить приоритет отечественного ученого. Блистательная монография Горюновой «Сложные алмазоподобные полупроводники» (1968), обобщившая исследования первоначального этапа, стала материаловедческой классикой по соединениям типа А3В5, предсказав в том числе закономерности синтеза их твердых растворов вплоть до семи-компонентных, синтеза соединений А2В6 и других интерметаллов, кристаллографически подобных германию и кремнию. Среди важнейших многокомпонентных соединений современной оптоэлектроники назовем для примера АlGaAs60, GaAsP, AlInGaP, InGaN, CdHgTe, PbSпTe. Синтез сложных полупроводников с требуемыми характеристиками перестал быть делом удачи и интуиции.
Становление нового класса полупроводников было бы невозможно без углубленного исследования их физических свойств; для начального этапа (1957-62 гг.) решающую роль сыграли коллективы, возглавляемые Д.Наследовым, Т. Моссом, К. Хилсумом.
Класс неупорядоченных полупроводников61 (п. 19) исключительно широк и разнообразен, практическое применение в оптоэлектронике получили халькогенидные стекла и аморфный гидрогенизированный кремний. Исходной посылкой являлась теоретическая работа об определяющей роли «ближнего порядка» для характеристики «полупроводниковости» вещества (Андерсон, 1958), тем самым становилось возможным отойти от монокристаллов. Вскоре была предложена первая теоретическая модель аморфного полупроводника (А. Губанов, 1963), а обобщение многочисленных теоретических исследований дано в ряде монографий начала 1980-х годов (Мотт; В. Бонч-Бруевич). Систематические экспериментальные исследования начали проводиться Коломийцем после обнаружения им совместно с Горюновой62 полупроводниковых свойств халькогенидных стекол (1959). С того времени во все возрастающих масштабах халькогенидные стекла используются для записи оптических символов и картин в электрографической копировальной технике.
В 1960-е годы полупроводниковый мир буквально потрясали сообщения С. Овшинского об изобретении халькогенидных бистабильных элементов с тиристорной характеристикой и создании на их основе мегабитных запоминающих устройств, что для того времени представлялось фантастикой. Однако достижения этого американского оригинала не демонстрировались широкой общественности, не подтверждались другими исследователями и нередко оставались «виртуальными». Но дополнительное мощное «паблисити» некристаллическими полупроводниками было сделано. Казалось, что беспорядок и хаос могут быть отныне каким-то чудодейственным способом упорядочены и обращены на всеобщую пользу; огромные и несомненные научные достижения в понимании неупорядоченных систем, распространяющихся не только на халькогенидные стекла, были увенчаны Нобелевской премией.63
Реальной важнейшей вехой истории некристаллического направления стал синтез аморфного гидрогенизированного кремния (У. Спир, П. Лекомбер, 1975) – возникло устойчивое ощущение, что «залечивая» атомами водорода разорванные связи аморфного вещества, можно обеспечить его долговременную стабильность. Научились легировать аморфный кремний, а главное – нашли ему актуальное полезное применение. Благодаря дешевизне и возможности получения в непрерывном производственном процессе фоточувствительных поверхностей большой площади аморфный кремний стал одним из основных материалов солнечной энергетики, потеснив монокристаллический кремний. Необходимо, однако, отметить, что параметров монокристаллов достигнуть так и не удалось, и пока более существенных оптоэлектронных перспектив неупорядоченные полупроводники не обнаруживают.
Волоконная оптика, увенчавшаяся созданием оптоволоконной связи (п.17), решала в комплексе проблему сверхпрозрачного материала и устройства самого светопровода, способного передавать световой луч по любой криволинейной траектории. В начале 1950-х годов на волне послевоенного «технологического взрыва» разработаны тонкие гибкие двухслойные стеклянные волокна – в них благодаря эффекту полного внутреннего отражения луча от оболочки свет распространялся внутри сердцевины, не вытекая из нее даже при изгибах. Были разработаны основы теории нового направления, получившего название «волоконная оптика» (Капани, 1956), но из-за низкой прозрачности используемых многокомпонентных стекол эти волокна работали лишь до расстояний 1м и получили ограниченное применение в приборостроении.
В 1966 году Као высказал гипотезу, что стекла можно очистить так, что рабочая длина волокон возрастет до 1 км, и тогда их можно будет использовать в оптической связи, которая после появления лазеров уже была опробована, но «не пошла» из-за погодной зависимости. Увлекшись этой перспективой, Маурер из американской фирмы «Корнинг Глас» отбросил многокомпонентное стекло как бесперспективный материал и, переориентировавшись на кварц, вскоре (июль 1970 г.) сообщил о передаче света по волокну на 1,5 км.64 Реальность этого фантастического результата вызвала цепную реакцию в исследованиях волокон, и в последующие 7-10 лет были сделаны основополагающие открытия, утвердившие доминирование оптоволоконной связи. Разработана теория светопередачи; изготовлены одномодовые волокна с минимальным затуханием; определена оптимальная спектральная область для кварца ( 1,55 мкм); предложен метод спектрального уплотнения (одновременное распространение по волокну нескольких оптических потоков без смешения);разработаны волоконные эрбиевые квантовые усилители (как встроенные ретрансляторы); начата разработка фотонных кристаллов (искусственных регулярных структур с характеристическими размерами порядка длины волны света); разработаны сопутствующие технические средства, в первую очередь гетеролазеры и фотодиоды (им пришлось подстраиваться под кварцевые волокна). Прокладка и эксплуатация первой трансатлантической оптоволоконной линии связи (ТАТ-8, 1988) окончательно утвердила жизнеспособность нового направления, и к концу прошлого века кварцевые волокна стали главной материальной основой Интернета.65 На основе кварцевых световодов со специальными свойствами сформировалась и новая область сенсорики – волоконнооптические датчики.
В Таблицу не включен такой важнейший материал оптоэлектроники, каким являются жидкие кристаллы (ЖК). Это объясняется лишь тем, что история ЖК (рассматривается именно исторический аспект) фактически не содержит ни однозначно признаваемых дат, ни авторитетов. Считается, что необычность некоторых жидкостей была подмечена еще в 1880-е годы, затем, вплоть до 1960-х, проводились исследования и совершались открытия, которые можно квалифицировать лишь как полунаучные. Современная история ЖК началась с 1970-х, когда сотрудники фирмы Ар-Си-Эй сумели синтезировать достаточно совершенные образцы. В течение нескольких последующих лет было заново переоткрыто то, что нащупывалось в предшествующие десятилетия: понятие-определение ЖК-состояния; классификация ЖК (холестерические, нематические, смектические); основные электрооптические эффекты; характеристические параметры и области применения. Собственно говоря, первые публикации (1970) и привлекли всеобщее внимание именно благодаря тому, что сообщалось о создании цифрознакового индикатора с фантастически малым потреблением энергии. В то время разворачивался бум – индикаторы нового поколения (светодиодные, плазменные, вакуумные люминесцентные) начали борьбу за вытеснение кинескопов. ЖК-индикаторы тотчас же нашли свое место среди других направлений и к концу века стали основным видом дисплея для малогабаритной носимой электроники.
Введение (п.21) сделано для полноты картины. Ожидается, что полимерные полупроводники в первую очередь обеспечат технологичность и дешевизну светодиодного направления больших экранов и их повсеместное вхождение в быт; в далекой перспективе с полимерами связываются надежды на создание универсального материала и технологии оптоэлектроники.
10. Заключение
Проведенное рассмотрение позволяет сделать некоторые заключения, существенные для истории оптоэлектроники.
1. Долговременные и значительные успехи оптоэлектроники обусловлены тем, что она, с одной стороны, в формируемом информационном пространстве занимает положение, наиболее приближенное к конечному пользователю-человеку, а с другой – тем, что она надежно опирается на широкий спектр фундаментальных открытий и изобретений. При этом обязательным условием успеха ее отдельных направлений является гармония и неразрывность цепочки «физика - материал – технология». Новейшая оптоэлектроника опирается на материалы и структуры, существенно изменяемые на атомном уровне; технология создает объекты, позволяющие открывать принципиально новые физические явления. В оптоэлектронике технология обретает черты фундаментальности, свойственной физике.66
2. В истории развития оптоэлектроники могут быть выделены следующие основные узлы-начала67: 1864 год – установление единства света и электромагнитных волн; 1905 год – формирование теории квантов света – фотонов; 1931 год – разработка квантово-механической теории полупроводников; 1947 год – создание транзистора68; 1960 год – создание лазера; начало 1990-х годов – технологическая революция в синтезе полупроводниковых атомно-размерных структур.
3. Существенный вклад в фундаментальные открытия и изобретения, на которые опирается оптоэлектроника, внесли отечественные ученые; в ряде случаев их вклад носит приоритетный характер. (Отступление. Отечественные приоритеты могли бы фиксироваться чаще, но Россия (СССР) всегда была вне альянса «западных» стран (во главе с Англией, Германией, теперь – США), отсюда и недоверие, нежелание, как минимум – задержка в восприятии наших открытий. Плюс языковой барьер, перманентное технологическое отставание, неразвитость рынка и рекламы «товара». По-видимому, все-таки главное – в различии ментальности. Западно-протестантская этика: приоритет конкретного «моё» над расплывчатым «наше»; контрактно-договорная система во всех сферах жизни, включая духовные; утверждение авторства как естественной потребности человека; гипертрофированная роль правовых институтов (вплоть до злонамеренного сутяжничества). Для нас традиционны: психология общинности; экстатический отказ от личного при служении высшему (Богу, Отечеству, Науке); романтика бессеребренничества; юридическая беззаботность. Это констатация, а не оценка «лучше-хуже».)
Традиционный прогноз развития оптоэлектроники, по типу известных road map для микроэлектроники (с цифрами достижений по годам), дать затруднительно – слишком разнородны и специфичны отдельные ее направления, и их конкретный анализ не являлся предметом данной статьи. Вместе с тем представляется возможным и полезным хотя бы пунктирно очертить те сферы науки, техники, бытовой и социальной жизни общества, на которые оптоэлектроника преимущественно будет работать и где от нее можно ожидать наиболее впечатляющих результатов, нового качества (кроме хорошо известных традиционных сфер ее применения в информационной и телекоммуникационной технологиях).
Прежде всего, это вклад оптоэлектроники в технологию энергосбережения – доминанту всей современной индустрии. «Светодиодная революция» последнего десятилетия (см. раздел 6) пришла к тому, что по светоотдаче полупроводники уже превзошли лампы накаливания и подбираются к люминесцентным светильникам. Подсчитано, что простая замена ламп накаливания светодиодами даст экономию электроэнергии, эквивалентную выработке 30 атомных электростанций. Но эта «прямая» экономия не все, что может дать «полупроводниковый свет» пожалуй, даже не главное. Долговечность светодиодов в десятки раз69 больше, чем у ламп, насколько сократятся энергозатраты после ликвидации лампового производства, пока не оценено. Кроме того, исчезнут эксплуатационные расходы по замене перегоревших светильников, а они иногда очень значительны.70 Безопасность светодиодных ламп – еще одно их достоинство: освещение в шахтах, химических производствах, салонах самолетов, подводных лодок, железнодорожных туннелях требует, как известно, сверхосторожного подхода. Светодиоды низковольтны, просты в управлении, в них легко встраиваются фотодиодные датчики, обеспечивающие оптимальные режимы свечения. Наконец, только светодиоды позволят последовательно провести в жизнь идеологию минимализма – освещать лишь там и тогда, где и когда это необходимо. Отметим, что на энергосбережение работают не только светодиоды, но и лазеры, солнечные батареи, фотоэлектронная автоматика, ИК-системы пожаропредупреждения и т.п.
Традиционным для развития оптоэлектроники является освоение новых спектральных диапазонов; как и в радиотехнике, это всегда приводит к достижению каких-то качественно новых результатов. На сегодня в основном решены научно-технические проблемы «захвата» ближних ИК (до λ = 12 мкм) и УФ (до λ = 0, 25 мкм) – областей, теперь дело за технологией и индустрией. Одно лишь создание массовых, дешевых, миниатюрных (в габаритах очков) устройств ночного видения позволит человеку вырваться из вековечной цикличности «день-ночь», а как изменит жизнь всеобщее тепловидение, трудно вообразить.71 Широкое освоение ближнего ультрафиолета уже становится мощным средством дезинфекции воздуха и воды (например, устранение надоевшей всем хлорки из бассейнов), а это – основа экологического прорыва. Еще чуть дальше в короткие длины волн – и начинается воздействие на цепочки ДНК… Мы здесь не упоминаем о такой «мелочи», как повышение в несколько раз плотности записи лазерных дисков.72
Важнейший аспект развития оптоэлектроники связан с непосредственным физиологическим и психофизическим воздействием света и световых образов на человеческий организм. Тридцать лет существует низкоинтенсивная лазерная терапия (НИЛТ), за это время она заняла доминирующее положение в физиотерапии вообще, однако надежный научный фундамент так и не создан, а рассуждения о важности когерентности и поляризации света и о прочей таинственной специфике «квантовой медицины» в лучшем случае лишь наивность. Объясняется это тем, что огромный эмпирический материал накапливался главным образом на основе гелий-неонового лазера, в последние годы использовались еще 2-3 вида лазеров. Теперь, когда лазерами и светодиодами перекрыт широкий спектр, включая ИК- и УФ-диапазоны, начнется и проведение научно обоснованных исследований и развитие прикладной НИЛТ (а все предшествующее отнесут к предыстории.) А возможности ее воздействия как на ткани человеческого организма, так и на микроорганизмы неисчерпаемы.73
Телевидение (см. разд. 6) стало той первой реальностью, которая продемонстрировала огромные возможности электроники в формировании психофизического состояния общества. Сейчас оптоэлектроника вступает в дисплейную революцию, отличительными чертами которой являются: многообразие привлекаемых физических эффектов (не менее 5-6 принципиально разных «проектов», таких как светодиодный, жидкокристаллический, плазменный, эмиссионный, полимерный и др.); широчайший диапазон размеров экранов от единиц кв. сантиметров до сотен кв. метров; приближение к функциональной полноте по каждому из направлений (цветность, соответствие ТВ-стандартам, компьютеризованность, плоскостность конструкций, экономичность, долговечность и т.п.). Дисплейные технологии уже стали угрозой существованию ряда искусств – шоу для массовой аудитории на большом экране качественнее идет в записи, «под фанеру», чем вживую, и речь не о звуке, а обо всем действе в целом; художник, артист уже не нужны, их заменяет дизайнер, мультипликатор. Все увереннее уличные дисплеи превращаются в средство манипулирования сознанием и поведением людей.74
Оптоэлектроника – оптоволоконная связь Интернета, телевидение, дисплеи – играет все более решающую роль в формировании виртуального информационного пространства – среды обитания будущего человека. Подчеркнем, что развитие оптоэлектроники по всем трем представленным направлениям решает не частные, а общие для всего человечества задачи, тем самым оптоэлектроника (как часть электроники) расширяет и углубляет всемирную глобализацию.