14 сентября 2008
4412

Александр Асеев: Достижения и современные проблемы физики полупроводников (Часть третья)

Лекция Асеева Александра Леонидовича
Директор института физики полупроводников. Чл.-корр. РАН.

Часть третья
"Дерево полупроводниковой микроэлектроники"

Теперь, поскольку время идёт, я хочу перейти непосредственно к теме доклада. Я специально ради этого приготовил такую картинку, которую давно мечтал создать, но вот первый раз её представляю слушателям. Проблема состоит в том, чтобы пояснить взаимосвязь физики полупроводников, микроэлектроники, электроники в целом, показать как можно более наглядно, как это всё связано. Это вопрос, который трудно пояснить даже для академиков, и вот для этого мы в институте сделали такую картинку, она прямо так и называется "Дерево полупроводниковой микроэлектроники", в виде дерева с роскошной кроной. Дерево растёт на почве естественных и технических наук. Главными науками являются: физика, химия, математика, кибернетика, и даже бионика. Из технических наук, питающих это дерево, отметим радиотехнику и электротехнику.

Ствол образуют три дисциплины, центральной из которых является физика полупроводников и диэлектриков вместе с физикой твёрдого тела, которая по новой классификации называется физикой конденсированного состояния. Квантовая механика чрезвычайно важна как для классической микроэлектроники, так и, в особенности, для наноэлектроники — это уже следующий этап развития полупроводниковой электроники.

Вначале, на этом дереве выросла та часть кроны, которая обозначена как дискретные полупроводниковые приборы и транзисторы. Следующий этап, который революционизировал процесс вычислений и нашу жизнь, это микропроцессоры, схемы оперативной и постоянной памяти и интегральные схемы. Вместе с Жоресом Ивановичем нобелевскую премию получил американский физик Джек Килби. Он сейчас работает в Техасе, и в свое время он придумал, как делать не дискретные приборы, а целиком электронные схемы на полупроводниковых пластинах, в едином цикле штамповать целую схему. Сейчас эти схемы составляют миллион, миллиард элементов это громадная область деятельности, она составляет базу для информационных технологий, о которых так много сейчас говорится.

Свежие побеги, мы об этом немного поговорим, элементы наноэлектроники. Дело в том, что размеры микроэлектронных приборов подходят к своему естественному пределу, и составляют по размерам несколько десятков или сотен межатомных расстояний. В этом случае в электронных элементах преобладают принципиально другие процессы идут по сравнению с классической микроэлектроникой — это всё называется наноэлектроникой. По многим прогнозам прогресс в наноэлектронике и в нанотехнологиях обеспечит такой же прорыв в 21 веке, как изобретение транзистора в 20-м веке определило облик уходящего века. Самый свежий побег на дереве это, так называемые, квантовые биты — это особая тема, поэтому я говорить о ней не буду, но это уже самый передовой край исследований. По многим прогнозам квантовый компьютер по сравнению с обычным современным компьютером будет представлять собой нечто вроде гоночного автомобиля по сравнению с телегой, поскольку у него будут громадные возможности. Процесс квантовых вычислений основан на совершенно новой идеологии - используются не классические биты 0, 1, а квантовые состояния, которые на самом деле содержат информацию обо всех битах, которые заложены в систему. Это примерно эквивалентно тому, что вы в классическом случае кидаете монетку 0, 1, меряете 0, 1, а в квантовом случае монета видна насквозь, вы видите и 0 и 1 одновременно - это тема специального сообщения. Вот ветви, которые здесь показаны — это электроника для электротехники, силовые приборы, то, что широко используется в энергетике - тут электровозы не указаны, их работа во многом основана на использовании полупроводниковых тиристоров. С энергетикой связаны также солнечные элементы земного и космического базирования, это тоже громадная область деятельности. Здесь показана панель фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии на космическом аппарате. В развитие этой области большой вклад также внесен работами под руководством Жореса Ивановича. Те батареи, которые летают на отечественных космических объектах, разработаны в Физтехе (Физико-технический институт РАН им А.Ф.Иоффе) под его руководством. По многим прогнозам в связи с кризисом энергетики и экологическими проблемами солнечная энергетика в следующем веке будет основной, по крайней мере, во всех развитых странах существуют правительственные программы по созданию дешёвых солнечных элементов и по их массовому внедрению, проводятся гигантские конференции и выходят ежегодно горы статей. Существуют летающие самолёты без двигателей — энергию дают солнечные элементы, автомобили и т. д. СВЧ техника, радиолокационные системы, понятно, что здесь мы имеем всю связь, которая в последнее время трансформировалась во всем хорошо известные мобильные телефоны. В народе, принято считать, что Алфёров мобильник и изобрёл. Это не совсем так — если будет время мы об этом, потом поговорим. Следующая ветвь — оптоэлектронные лазерные светодиоды, фототранзисторы и т. д. Здесь новые побеги: сенсорика и микромеханика — это тоже очень интересное направление, где можно использовать возможности полупроводниковой технологии для создания микромеханических устройств. В идеале существует проект умных микромашин, осуществляющих своевременную инъекцию инсулина больным диабетом, или при необходимости решения каких-либо проблем с деятельностью сердца будет использоваться микромашинка, движущуюся вместе с кровью по венам и съедающая холестерин, не надо будет мучаться диетой и лекарствами, и т. д. Это отдельная интересная тема. Фотоприёмные устройства теплового видения, т. е. регистрация собственного излучения нагретых тел. Ночное видение основано на том, что с помощью полупроводников можно получить усиление слабого сигнала в 1000, 10000 раз. Про дерево, по-моему, я всё рассказал. http://psj.nsu.ru/lector/aseev/partthree.html
Рейтинг всех персональных страниц

Избранные публикации

Как стать нашим автором?
Прислать нам свою биографию или статью

Присылайте нам любой материал и, если он не содержит сведений запрещенных к публикации
в СМИ законом и соответствует политике нашего портала, он будет опубликован