kolumn01.qxd

Postęp techniczny trwa od momentu pojawienia się człowie-

ka  na  Ziemi,  służąc  zaspokajaniu  ludzkich  potrzeb.  Jedną
z nich jest chęć przekazywania i zdobywania informacji i – zda-
niem  autora  –  ona  właśnie  spowodowała  rozwój  elektroniki.
Z uwagi  na  niezaprzeczalną  obecność  elektroniki  w codzien-
nym życiu, pojęcie to stało się słowem-kluczem, którego sens
jest zazwyczaj trudny do sprecyzowania. Z pewnością możemy
zaryzykować twierdzenie, że wiek XX to wiek elektroniki (specja-
liści  z innych  dziedzin  powiedzą,  że  nie  tylko  –  również  będą
mieli  rację).  Spróbujmy  zatem  w sposób  najprostszy  zdefinio-
wać tę elektronikę. Jest to dziedzina wiedzy i techniki wykorzy-
stująca  do  realizacji  swoich  celów  elektron,  jego  zachowanie
w próżni, gazach i ciałach stałych. Elektronika to zatem różno-
rodne  przyrządy  elektronowe:  lampy  próżniowe,  tranzystory,
układy  scalone,  fotodetektory,  diody  świecące,  lasery  itp.  Ale
elektronika  to  także  urządzenia  i systemy  elektroniczne,  które
bez tych przyrządów istnieć by nie mogły (radioodbiornik, tele-
wizor, komputer, Internet, telefonia komórkowa itd.).

W tabelach 1 i 2 podano niektóre (arbitralnie przez autorów

wybrane) ważniejsze wydarzenia z dziejów elektroniki (w tym
wiążące się z elektroniką – nagrody Nobla). Ma to na celu nie
tylko przypomnienie historii. Jednym bowiem z celów tego
opracowania jest pokazanie z okazji 75-lecia miesięcznika Prze-
gląd Telekomunikacyjny tego, co na świecie się działo i dzieje.

Zanim przejdziemy do historii, przyjrzyjmy się jednak bliżej

uproszczonej strukturze przemysłu elektronicznego, przedsta-
wionej na rys. 1.

Na szerokim szczycie tej struktury są, oczywiście, finalne pro-

dukty – systemy elektroniczne, poniżej układy i przyrządy pół-
przewodnikowe, bez których systemy te nie mogłyby być reali-
zowane, wreszcie aparatura technologiczna oraz kontrolno-po-
miarowa. Na samym dole znajdują się materiały, głównie krzem,
ale nie tylko.

Nie podajemy tutaj przykładów liczbowych, ale można zary-

zykować  twierdzenie,  że  udział  półprzewodników  w globalnej
sprzedaży  systemów  elektronicznych  wynosi  ok.  25%.  Udział
ten wciąż zresztą rośnie i w niektórych systemach komunikacji
ruchomej (przenośnej) sięga 50% ich wartości finalnej. Wydaje
się,  że  podział  „systemy  –  układy”  będzie  się  trochę  zacierał
w związku  z udanymi  próbami  realizacji  systemów  na  płytce
krzemowej (SOC – System On Chip). Jedną z sił napędowych
tego kierunku rozwoju jest chęć uzyskania dostępu do informa-
cji (w różnej postaci) w dowolnym miejscu i czasie. Wymaga to
dużej szybkości i funkcjonalności układów przy małych ich roz-
miarach i niskim poborze mocy. Sprzeczne wymagania stawia-
ne układom stosowanym do zaspokojenia tej potrzeby pokaza-
no na rys. 2. System na strukturze to jednak nie tylko coraz do-
skonalsze  i bardziej  funkcjonalne  układy,  ale  także  integracja
wiedzy, co schematycznie przedstawiono na rys. 3. Dalszą ewo-
lucję w tym zakresie może spowodować technologia SOI (Sili-

con-On-Insulator) stwarzająca szansę budowy układów (syste-
mów) „wielopiętrowych” (trójwymiarowych). Zademonstrowała
to w ostatnim okresie firma Intel.

Trudno jest określić, kiedy rozpoczęła się era elektroniki: po-

dobno  termin  elektron  wprowadził  w 1891  roku  irlandzki  na-
uczyciel George J.Stoney, a świat naukowy przyjął powszech-
nie  istnienie  elektronu  po  ukazaniu  się  pracy  Josepha J.
Thomsona opublikowanej w Philosophical Magazine w 1897 ro-
ku. Nie przypisujmy elektronice Guglielmo Marconiego, bo za-
raz  ogarnie  nas  pokusa  włączenia  do  tej  dziedziny  także  Ale-
xandra  G.  Bella,  Samuela  Morse’a  i Heinricha  Hertza.  Warto
przy tym pamiętać, że chociaż są oni uważani obecnie za wiel-
kich  wynalazców,  ich  osiągnięcia  nie  zawsze  były  doceniane
przez  współczesnych.

Genialny wynalazek A.G.Bella – tele-

fon  –  został  pogardliwie  określony  przez  szefa  firmy  Western
Union jako elektryczna zabawka. Odbiór naukowych osiągnięć
wśród szerokich warstw społeczeństwa też bywał różny. Znako-
micie  i wszechstronnie  wykształcony  Heinrich  Hertz  (Platona
i tragedie greckie czytywał w oryginale, chętnie recytował Ho-
mera  i Dantego)  sporo  czasu  poświęcał  także  innym,  jakże
praktycznym zajęciom: szkicował, modelował, był biegłym sto-
larzem  i tokarzem.  Kiedy  rzemieślnik,  który  go  tego  tokarstwa
kiedyś  nauczył,  usłyszał  o jego  profesorskiej  nominacji,  wy-
krzyknął: „Jaka wielka szkoda – przecież ten chłopak mógł zo-
stać tokarzem z prawdziwego zdarzenia”.

Uznajmy zatem z pokorą, że telegraf i telefon poprzedziły

elektronikę  i określmy  jej  początek  na  rok  1907,  kiedy  to  Lee
De Forest wynalazł triodę. Chwała nowej ery na tym nie ucier-
pi, możliwości powstałe bowiem w tej dziedzinie przez wprowa-
dzenie  lamp  elektronowych  były  i są  zbyt  oczywiste,  aby  je
przeoczyć  czy  też  zapomnieć  nawet  w wieku  nanoelektroniki.
Do tej pory mówiliśmy o tym, jak odbierali osiągnięcia naukowe
ludzie nie zajmujący się nauką. Dla porównania warto przypom-
nieć spojrzenie wielkich uczonych na możliwości rozwoju nauki
i techniki.  De  Forest  powiedział  kiedyś,  że  bez  względu  na
wszystkie przyszłe osiągnięcia nauki człowiek nigdy nie wylądu-
je  na  Księżycu.  Kontrowersje,  które  pojawiły  się  ostatnio
w związku z lądowaniem na Księżycu, świadczą być może nie

PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY

ROCZNIK LXXVI

nr 1/2003

Andrzej JAKUBOWSKI*, Lidia ŁUKASIAK*

O telekomunikacyjnych pożytkach

z elektroniki wynikających

* Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki

Warszawskiej, e-mail: lukasiak@imio.pw.edu.pl

Rys. 1. Struktura przemysłu elektronicznego

PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY

ROCZNIK LXXVI

nr 1/2003

1906

1909

1921

1923

1928

1932

1956

1964

1966

Joseph J. Thomson

Gugliemo Marconi,
Carl F. Braun

Albert Einstein

Robert A. Millikan

Owen W. Richardson

Irving Langmuir
(chemia)

Wiliam Shockley,
John Bardeen,
Walter H. Brattain

Charles H. Townes,
Nikołaj G. Basow
Alexander
M. Prochorov

Alfred Kastler

Za teoretyczne i doświadczalne
prace nad przewodnictwem
elektrycznym gazów

Za osiągnięcia w dziedzinie roz-
woju telegrafii bezprzewodowej

Za osiągnięcia w dziedzinie fizy-
ki  teoretycznej  oraz  odkrycie
praw  opisujących  efekty  foto-
elektryczne  (stworzył  teoretycz-
ne podstawy maserów i laserów)

Za pionierskie prace związane
z określaniem ładunku elektronu
oraz zaobserwowanie i wyjaśnie-
nie efektu fotoelektrycznego

Za  eksperymentalne  i teoretycz-
ne prace w dziedzinie termoemi-
sji,  a w szczególności  zapropo-
nowanie  formuły  opisującej  ten
efekt (prawo Richardsona wyko-
rzystywane  także  aktualnie  do
opisu  niektórych  przyrządów
półprzewodnikowych)

Za  wybitne  osiągnięcia  w dzie-
dzinie chemii powierzchni (a dla
elektroniki:  lampy  elektronowe,
wysoka  próżnia,  efekty  po-
wierzchniowe w ciałach stałych)

Za prace badawcze w dziedzinie
półprzewodników, a w szczegól-
ności odkrycie efektu tranzysto-
rowego (tranzystor ostrzowy, 16
grudnia 1947 r.), a także realiza-
cję i teorię złącza P-N i tranzysto-
ra złączowego (BJT)

Za fundamentalne prace w dzie-
dzinie elektroniki kwantowej
w szczególności zaś odkrycie
masera i lasera

M.in.  za  odkrycie  możliwości
optycznego pompowania pozio-
mów  energetycznych,  a w kon-
sekwencji  stworzenie  podstaw
do  uzyskiwania  inwersji  obsa-
dzeń  w ośrodkach  wzmacniają-
cych  promieniowanie  elektro-
magnetyczne (masery, lasery)

Tabela 1. Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki (elektronika)

1972

1973

1981

1985

1986

1987

1997

2000

John Bardeen,
Leon N. Cooper,
Robert J. Shrieffer

Leo Esaki,
Ivar Glaever,
Brian D. Josephson

Nicolas Bloembergen,
Artur L. Schawlow,
Kai M. Siegbahn

Klaus Von Klitzing

Ernst Ruska,
Gred Binnig,
Heinrich Rohrer

Georg Bednarz,
Alexander Müller

Steven Chu,
Claude
Cohen-Tannoudji,
William D. Philips

Zhores I. Alferov,
Herbert Kroemer,
Jack S. Kilby

Za opracowanie teorii nadprze-
wodnictwa

Za teoretyczne i doświadczalne
prace w dziedzinie efektów tune-
lowych w

półprzewodnikach

i nadprzewodnikach (dioda tu-
nelowa – dioda Esaki; złącze
Josephsona

Za osiągnięcia w dziedzinie
spektroskopii laserowej oraz
spektroskopii elektronowej o wy-
sokiej rozdzielczości

Za  odkrycie  kwantowego  efektu
Halla  (precyzyjny  wzorzec  rezy-
stancji,  być  może  zastosowanie
w nowych  generacjach  przyrzą-
dów półprzewodnikowych)

Za fundamentalne prace w dzie-
dzinie  optyki  elektronowej  oraz
realizację  pierwszego  mikrosko-
pu  elektronowego  (E.  Ruska),
także  za  opracowanie  pierwsze-
go mikroskopu tunelowego

Za odkrycie wyskotemperaturo-
wego nadprzewodnictwa w ma-
teriałach ceramicznych

Za  stwierdzenie  możliwości
schładzania i pułapkowania ato-
mów  promieniowaniem  lasero-
wym  (uzyskiwanie  ultraniskich
temperatur,  wzorzec  częstotli-
wości)

Za  pionierskie  prace  w dziedzi-
nie heterostruktur półprzewodni-
kowych wykorzystywanych w ul-
traszybkich  przyrządach  mikro-
elektronicznych  oraz  nowych
generacjach  przyrządów  opto-
elektronicznych  (Z.  I.  Alferov,  H.
Kroemer)

Za koncepcję i wytworzenie
pierwszego układu scalonego
(dzieliłby tę nagrodę z Robertem
N. Noycem, gdyby ten nie zmarł
w 1990 r.) (J. S. Kilby)

Rys. 2. Schematyczna ilustracja wymagań stawianych systemom przenośnym w dobie komunikacji

multimedialnej

tyle o braku wyobraźni, co o wiel-
kiej przenikliwości uczonego...

Jak już wspomnieliśmy wcze-

śniej,  De  Forest  wynalazł  triodę
próżniową.  Nazwał  on  (a  ściślej
zrobił  to  jego  asystent  Carl D.
Babcock)  swoje  cudowne  dziec-
ko audionem (z łac. audio, audire
– słyszeć; w owych czasach „sły-
szeć  poruszanie  się  elektryczno-
ści”).  Umawiamy  się  zatem,  że
audion  (trioda  próżniowa)  to  po-
czątek  elektroniki.  Warto  jednak
pamiętać, że nie byłoby elektroni-
ki  bez  dokonań  sprzed  1907  r.
Mamy  zatem  wiele  szacunku  dla
Karla F.Browna i G.

Marconiego,

dlatego otrzymane przez nich na-
grody Nobla (1909) wymieniliśmy
wśród tych, które przyczyniły się

PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY

ROCZNIK LXXVI

nr 1/2003

Rezystor

Fotorezystor

Lampa Brauna

Radio I (radiotelegrafia, radiotelefonia)

Lampy elektronowe

(Lee De Forest)

Metoda Czochralskiego (monokrystalizacja)

Radio II (Superheterodyna)

Pierwsza publiczna rozgłośnia radiowa

Ikonoskop

Emisja światła z SiC (węglika krzemu)

Kineskop

Powstaje IBM

Utworzone zostają Laboratoria Bella

Magnetron

Cienkowarstwowy MESFET (idea)

(J. E. Lilienfeld)

Pentoda

Cienkowarstwowy MOSFET (idea)

Orthicon

Magnetron wielownękowy

Klistron

Lampa z falą bieżącą

Komputer ENIAC

Tranzystor bipolarny

(J. Bardeen, W. Brattain, W. Shockley)

Monokryształy Ge

Vidicon

Monokryształy Si

Diody świecące (LED)

Tranzystor polowy złączowy (JFET)

Radio III (tranzystorowe)

TV kolorowa

Krzemowe ogniwo słoneczne

MASER (Ch. H. Townes, N. G. Basow,

A. M. Prochorow)

Monokryształy GaAs, InAs

Złącze P-N (GaAs)

Tyrystor

Tranzystor heterozłączowy (HBT)

Układ scalony (J. Kilby, R. N. Noyce)

Dioda tunelowa

MOSFET

Pierwszy komercyjny bipolarny układ

scalony (Fairchild)

Tranzystor cienkowarstwowy (TFT)

LASER

(T. Maiman) (A. Javan)

LASER PÓŁPRZEWODNIKOWY

(R. N. Hall, M. Nathan, N. Holonyak,

R. H Rediker)

Komercyjne układy scalone

1826

1876

1897

1887÷1901

Dioda (1904)

Trioda (1907)

1917

1918

1920

1923

1924

1925

1926

1928

1934÷1937

1939

1945

1946

Ostrzowy (1947)

Warstwowy (1948)

(BJT)

1949

1950

1951

1952

1953

1954

1955

1956

1957

1958÷1959

1958

1960

1961

rubin 1960

He-Ne 1961

GaAs

1962

GaAs P

bipolarne 1961

MOS 1964







Złącze Josephsona

C MOS

Koncepcja laserów heterozłączowych

(Z. A. Alfierow, H. Kroemer)

Pierwszy komercyjny układ scalony MOS

(RCA)

SOS (krzem na szafirze)

MESFET

Laser gazodynamiczny

1T DRAM (jednotranzystorowa komórka

pamięci DRAM)

Powstanie firmy INTEL

Laser heterozłączowy

Laser praca ciągła T = 300 K

CCD (Charge Coupled Devices)

Epitaksja z wiązki molekularnej (MBE)

ISFET (Ion Sensitive FET)

Lasery z nałożonym sprzężeniem

zwrotnym

Mikroprocesor

Dioda z rezonansem tunelowym (RTD)

Laser ekscimerowy

Ogniwo słoneczne (krzem amorficzny)

Gyrotron

Laser ze studnią kwantową

Laser na swobodnych elektronach

SOI (krzem na izolatorze)

Laser emitujący powierzchniowo

(VCSEL)

HEMT (High Electron Mobility Transistor)

Optoelektroniczne układy scalone (OEIC)

CD wchodzi na rynek – laser

λ = 780 nm

BJT (Diament)

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

MESFET (SiC)

Tranzystor 1-elektronowy (SET)

Laser – Promieniowanie X

Mikrosystemy (MEMS)

HBT (SiGe)

(hererozłączowy tranzystor bipolarny)

HEMT (Diament)

MOSFET (Diament)

BiCMOS (HBT – SiGe)

Laser plazmowy

DVD wchodzi na rynek – laser

λ = 635 nm

Niebieski laser (GaN)

Elektronika molekularna

SON Krzem na „niczym”

Krzem świeci!!!

Nowy tranzystor? – nanorurki węglowe

Krzemogerman – nowy SiGe HBT

max

≈ 400 GHz (laboratorium)

Terahercowy tranzystor MOS SOI

(laboratorium)

1962

1963

1964

1966

1967

1968

1969

1970

1971

1974

1975

1976

1977

1978

1979

1980

1982

1984

1985

1988

1991

1992

1993

1995

1996

1999

2001

2002

Tabela 2. Historia odkryć w dziedzinie elektroniki

do rozwoju elektroniki, choć ją, zgodnie z naszą definicją, po-
przedzały.

K.F.Braun skonstruował w 1897 roku lampę kato-

dową (zwaną także lampą Brauna). Każda lampa kineskopowa
(także oscyloskopowa) zawiera w sobie ślad działalności tego
wybitnego fizyka. Zasługi G. Marconiego jako twórcy radiofonii
i radiotelegrafii są ogólnie znane. Można wszakże zaryzykować
stwierdzenie, że jego genialny wynalazek – radio – rodził się
dwa razy. Drugi raz – dzięki triodzie De Foresta, heterodynie
Reginalda A.Fessendena, sprzężeniu zwrotnemu i superhete-
rodynie Edwina H.Armstronga oraz nadajnikom Ernesta F.

Alexandersona (przepraszamy tych, których pominęliśmy).
Zresztą i sporów o pierwszeństwo było niemało (m.in.: G. Mar-
coni, Leo Solari, Paolo Castelli, Olivier Lodge, Edouard Branly,
Jagadis Ch. Bose – detektor; De Forest, Armstrong – układ
sprzężenia zwrotnego).

I tak się to zaczęło. A kiedy „w szranki” wstąpił krzem (jego

nie zabraknie, Ziemia jest wszakże planetą krzemową), rozpo-
czął się szybki rozwój elektroniki półprzewodnikowej i mikro-
elektroniki. Jego rezultaty obserwujemy dziś i z nim wiążemy
nadzieje na przyszłość: 256 Gbit DRAM na powierzchni kilku (?)
– kilkunastu (?) cm

w 2018 roku? To byłoby dwa razy tyle, ile

„ciał niebieskich” zidentyfikowano w naszej galaktyce... No, ale
nie wybiegajmy jeszcze w przyszłość. Nie od razu tak się stało.
W lipcu 1958 roku John Kilby z firmy Texas Instruments,
a w styczniu 1959 roku Rober Noyce z firmy Fairchild, prezen-
tują niezależnie różne koncepcje realizacji układu scalonego
(spór prawny pomiędzy Texas Instruments i Fairchild zakończył
się w połowie lat 60. przyznaniem obu wynalazcom praw twór-
ców układu scalonego). Rok 1960 przynosi wreszcie praktycz-
ną, krzemową realizację tranzystora polowego typu MOS (zno-

PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY

ROCZNIK LXXVI

nr 1/2003

Rys. 3. System na strukturze – integracja układów i wiedzy

Tyle o zamierzchłej historii. Faktem jest, że bez lampy De Fo-

resta nie byłoby współczesnej (na owe czasy) radiotechniki i te-
lewizji. Wróćmy jednakże do głównego wątku tej wstępnej czę-
ści historycznej i postawmy, być może kontrowersyjną, tezę: by-
ły trzy kamienie milowe (na coś trzeba się zdecydować)
w rozwoju elektroniki wyznaczone przez lampę Lee De Foresta,
tranzystor Williama Shockleya, Johna Bardeena i Waltera H.
Brattaina oraz maser (laser) Charlesa Townesa, Nikołaja G. Ba-
sowa i Aleksandra M. Prochorowa (rys. 4).

Zatrzymajmy się na chwilę przy tranzystorze. J. Bardeen i W.

Brattain  zrobili  sobie  piękny  prezent  na  Święta  Bożego  Naro-
dzenia  1947  roku,  tranzystor  ostrzowy  urodził  się  bowiem  16
grudnia tegoż roku [2]. Już w następnym roku W. Shockley (23
stycznia 1948 r.; zgłoszenia patentowe 26 czerwca 1948 r.) za-
proponował  rewolucyjną  koncepcję  tranzystora  złączowego
(BJT – Bipolar Junction Transistor). W 1949 roku ukazała się je-
go fundamentalna, podstawowa do dziś dla elektroniki półprze-
wodnikowej, praca: The theory of p-n junctions in semiconduc-
tors and p-n junction transistors [3]. Ale nie tylko złącze p-n i bi-
polarny tranzystor złączowy zawdzięczamy Shockleyowi. To był
wielki przełom, ale pojawiły się potem dalsze idee. Powstały no-
we przyrządy (m. in.: złącze p-i-n, struktura p-n-p-n, tranzystor
polowy, złączowy JFET, koncepcja heterostruktur...), nowe tech-
nologie,  nowe  rozwiązania  układowe  –  w sumie  90  patentów.
Wielu badaczy wspominało potem ze smutkiem, że kiedy wyda-
wało im się, iż dokonali właśnie poważnego odkrycia, okazywa-
ło się, że Shockley, niestety, był pierwszy.

W tej samej instytucji badawczej (Laboratoria Bella), w rok po

tranzystorze, czyli w 1948 r., pojawiła się teoria informacji Clau-
de’a Shannona. Shannon, jako jeden z pierwszych, pojął donio-
słość kodu binarnego i proroczo twierdził, że ciągami zer i jedy-
nek da się opisać tekst, obraz i dźwięk. Twierdzenie o próbko-
waniu to fundament technik cyfrowych. Osiągnięcia Shannona
w niezwykle ciekawy i kompetentny sposób opisał niedawno
w PTiWT Jerzy Szabatin [4]. Wróćmy zatem do elektroniki.

Rys. 4. Kamienie milowe w rozwoju elektroniki XX wieku. Twórcy

rewolucji elektronicznej

wu Laboratoria Bella). Pojawiają się pierwsze komercyjne ukła-
dy scalone i bipolarne (1961) i MOS (1964).

W 1965 roku Gordon Moore [5] (jeden z założycieli firm Fair-

child – 1957 i Intel – 1968) formułuje pierwszą wersję swojego
„prawa” opisującego tempo wzrostu liczby elementów w ukła-
dach scalonych (podwojenie co 12 miesięcy) rewiduje je dzie-
sięć lat później [6]. W tej ostatecznej formie brzmi ono: liczba
elementów w układach scalonych podwaja się co 18 miesięcy.
Ilustrację tego prawa przedstawiamy na rys. 5.

zaś w roku 1933 Oskar Heil zgłosił patent na przyrząd będący
także pierwowzorem tranzystora MOSFET (ściślej biorąc tranzy-
stora TFT). Pomysły te, delikatnie mówiąc, nie wzbudziły entu-
zjazmu. O ile rozwiązania proponowane przez J. Lilienfelda by-
ły raczej nierealizowalne w owym czasie, o tyle pomysł O. He-
ila, jego propozycje materiałowe – chyba tak. Jakże inaczej
mogłaby się potoczyć historia elektroniki. Shockley dopiero po-
bierał wówczas nauki bądź w szkole średniej (pierwsze zgłosze-
nie patentowe Lilienfelda), bądź też w Massachusetts Institute
of Technology (zgłoszenie patentowe Heila).

Powróćmy jednakże do dnia dzisiejszego i popatrzmy nieco

w przyszłość. Dzień dzisiejszy mikroelektroniki to zdecydowana
dominacja krzemu i technologii CMOS. Przepowiednie rychłe-
go zmierzchu mikroelektroniki krzemowej wydają się mocno
przesadzone. Zdumiewające, że pomimo wszystkich sygnalizo-
wanych zagrożeń dla jej rozwoju, postęp odbywa się od wielu
lat w podobnym tempie [7, 8]:
M

co 3 lata pojawia się nowa generacja układów (technologii),

każda nowa generacja umożliwia 4-krotny wzrost pojemności

pamięci i 2–3-krotny wzrost liczby elementów w układach lo-
gicznych,
M

co dwie generacje technologii (6 lat) wymiar charakterystycz-

ny maleje dwukrotnie,
M

co dwie generacje technologii podwaja się między innymi

szybkość bramek logicznych, powierzchnia struktur, liczba wy-
prowadzeń sygnałowych.

Technologia ta „uruchomiła” swoje rezerwy: heterostruktury

z krzemogermanem  (może  także  SiC  i SiGeC)  i supersieci,
krzem na izolatorze (SOI), a ostatnio także krzem na „czymkol-
wiek”  (SOA  –  Silicon-On-Anything)  czy  też  krzem  na  „niczym”
(SON  –  Silicon-On-Nothing).  Rezerwy  „klasycznej”  technologii
krzemowej, jeśli nie wydarzy się nieszczęście, sięgają 2016 ro-
ku [9]. Jeżeli w dodatku krzem porządnie zaświeci (lasery krze-
mowe), powstanie realna szansa na wymarzoną od lat rzeczy-
wistą  integrację  mikroelektroniki  i optoelektroniki.  Już  dzisiaj
pojedyncze  krzemowe  tranzystory  MOS  osiągają  w laborato-
riach częstotliwości graniczne ponad 1 THz (tranzystory oparte
na związkach A

III

-B

, w szczególności struktury HEMT w obni-

żonych temperaturach to, być może, jeszcze większe częstotli-
wości,  ale  i znacznie  większe  koszty).  W układach  o większej
złożoności częstotliwości te są znacznie niższe (efekty pasożyt-
nicze, sieć połączeń). Optyczna sieć połączeń wewnątrz układu
byłaby nową rewolucją. Szybsze, złożone układy (systemy) to
perspektywa  realizacji  nowych  funkcji.  Może  wreszcie  da  się
z tym  komputerem  po  ludzku  pogadać...  Co  mogą  nam  przy-
nieść układy trójwymiarowe lub układy krzemowe z logiką wie-
lowartościową?  Nieunikniony  jest  także  marsz  w stronę  nano-
elektroniki [10]. Nie chodzi tu tylko o rozmiary struktur, one już
dzisiaj  są  niekiedy  nanometrowe  –  chodzi  o nową  generację
przyrządów, a wśród nich m. in. wykorzystanie elektroniki jed-
nego elektronu (tranzystor 1-elektronowy) i jego spinu (tranzy-
stor  spinowy),  tunelowania  (diody  i tranzystory  z rezonansem
tunelowym,  supersieci,  złącza  Josephsona,  magnetorezystan-
cja  tunelowa...),  a także  wykorzystanie  molekuł  chemicznych
(elektronika molekularna). Dzisiaj pracuje się nad tym w labora-
toriach, ale jutro...? Ostatnio koncern IBM doniósł o opracowa-
niu technologii nanorurek węglowych, stwarzających szansę na
realizację  struktur  tranzystorowych  o rozmiarach  atomowych,
kilkaset razy mniejszych od współczesnych tranzystorów krze-
mowych (Science, 27 kwietnia 2001).

Wspomnijmy jeszcze o drugim potężnym narzędziu elektro-

niki – optoelektronice. Maser (protoplasta lasera) urodził się
6 lat po tranzystorze, a jego „dziecko” – laser to druga po tran-
zystorze rewolucja w ostatnim 50-leciu.

Dysponowanie niszczącym promieniem światła było jednym

z najstarszych marzeń ludzkości. Mogło ono być podstawą sta-

PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY

ROCZNIK LXXVI

nr 1/2003

Wzrost ten zawdzięczamy maleniu wymiaru charakterystycz-

nego, wzrostowi powierzchni struktur oraz udoskonaleniom
(efektywności upakowania). Prawo to na trwałe wpisało się w hi-
storię rozwoju elektroniki i często jest przywoływane także w in-
nych sytuacjach (możliwości komputerów i Internetu podwajają
się odpowiednio co 18 i 12 miesięcy, od ponad 20 lat pojem-
ność sieci podwaja się co 18 miesięcy...).

Nie bez powodu krzem można nazwać nośnikiem informacji

obecnej epoki. Zróbmy takie, może ryzykowne, porównanie.
W dziedzinie nośników informacji wydarzyły się w odstępie 500
lat dwie rewolucje: Johan Gutenberg

→ William Shockley, drew-

→ piasek; kartka papieru → płytka krzemowa; ryza papieru

→ monokryształ krzemu; drukarnia → fabryka krzemowa;
korekta

→ testowanie; tekst, język → układy logiczne; wydaw-

nictwa artystyczne, niskonakładowe edycje

→ układy spec-

jalizowane; gazety, tanie książki wielkonakładowe

→ układy

standardowe itd.Może to przesada, ale coś w tym jest.

No i na dodatek ten cudowny dar natury, krzem, wspomagany
nauką i techniką, zaświecił (Nature, 8 marca 2001 r.). Nie popa-
dajmy jednak w zachwyt. W innych materiałach proces świece-
nia zachodzi w sposób naturalny, a różnorodność związków
półprzewodnikowych pierwiastków trzeciej i piątej grupy układu
okresowego stwarza (uwzględniając także azotki) możliwość re-
alizacji pełnej gamy kolorów. Tymczasem krzem, w celu uzyska-
nia świecenia, trzeba nieco zdeformować, a, jak wiadomo, po-
prawianie natury rzadko się opłaca.

W historii nauki i techniki często się zdarza, iż nowe wynalazki

powstają akurat wtedy, gdy stają się nieodzowne dla powstają-
cych właśnie nowych dziedzin techniki. Tak było z lampą De Fo-
resta, tak też było z tranzystorem Shockleya. Po nich zwykle na-
stępuje eksplozja nowych pomysłów i udoskonaleń. W przypad-
ku lampy De Foresta były to szybkie postępy w dziedzinie
techniki wysokiej próżni oraz katod lamp, w przypadku tranzysto-
ra Shockleya – nowe przyrządy, monokryształy, nowe procesy...

Bywało też inaczej. W latach 1926–1928 Julius E. Lilienfeld

(urodzony we Lwowie w 1882 roku) zgłosił 5 patentów, wśród
których były pierwowzory tranzystorów MESFET i MOSFET,

Rys. 5. Prawo Moore’a: liczba elementów w układach scalonych

podwaja się co 18 miesięcy. Oznaczenia: 1 – wzrost powierzchni
struktury, 2 – zmniejszenie szerokości linii, 3 – udoskonalenie obwo-
dów i pojedynczych przyrządów

rożytnej, prawdopodobnie apokryficznej legendy o tym, że Ar-
chimedes był w stanie podpalić okręty nieprzyjacielskie używa-
jąc dużych zwierciadeł do odbijania i ogniskowania światła sło-
necznego (była i szlachetniejsza, znakomita koncepcja Polbiu-
sza, dotycząca wykorzystania sygnałów ogniowych i dymnych
w telegrafii optycznej [11]). Marzenie to zostało spełnione (przy-
najmniej po części) dopiero w dwudziestym wieku. W 1917 ro-
ku  Albert  Einstein  odkrył  i opisał  zjawisko  emisji  wymuszonej.
Dzisiaj wiemy, że zjawisko to stało się podstawą działania gene-
ratorów spójnego promieniowania elektromagnetycznego. Jed-
nak  na  uruchomienie  pierwszego  masera  (generatora  promie-
niowania elektromagnetycznego z zakresu mikrofal) musieliśmy
jeszcze zaczekać około 35 lat. W 1954 r. niezależnie w Stanach
Zjednoczonych  (Charles  H.Townes  z Uniwersytetu  Columbia
i John  Weber  z Uniwersytetu  Maryland)  oraz  w Związku  Ra-
dzieckim (Nikołaj G. Basow i Aleksander M. Prochorow z Insty-
tutu  Fizyki  Akademii  Nauk  im.  Lebiediewa  w Moskwie)  został
uruchomiony  maser.  Byliśmy  świadkami  wielkiego  przełomu,

o mocach od pojedynczych mikrowatów do mocy przekracza-
jących  terawaty,  pracujących  w sposób  ciągły  lub  impulsowy,
gdy czasy trwania impulsu dochodzą do pojedynczych femto-
sekund (tzw. superkrótkie impulsy). Oczywiście w ramach tego
opracowania trudno byłoby choćby wspomnieć o reprezentan-
tach poszczególnych typów laserów. Zatrzymajmy się może na
chwilę  przy  półprzewodnikowym  laserze  złączowym  –  struktu-
rze bliskiej elektronikom i optoelektronikom. Laser taki powstał
jesienią 1962 roku prawie jednocześnie w trzech laboratoriach:
General  Electric  Co.,  International  Business  Machines  Corp.
oraz w Lincoln Laboratory w Massachusetts Institute of Techno-
logy. Pierwsze struktury laserowe, pracujące impulsowo w tem-
peraturze ciekłego azotu – żyjące kilkanaście minut, wymagają-
ce  prądów  zasilania  na  poziomie  kiloamperów  i generujące
wiązkę  o słabej  jakości  –  nie  wzbudziły  zachwytu  ekspertów.
Wręcz przeciwnie, sformułowali oni opinię, iż badania nad lase-
rami półprzewodnikowymi prowadzą w ślepy zaułek, nie wróżą-
cy sukcesu. Na szczęście słowa ekspertów nie osłabiły zapału

PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY

ROCZNIK LXXVI

nr 1/2003

Rys. 6. Malenie wymiaru charakterystycznego technologii mikroelektronicznych (nanoelektronicznych). Historia i przewidywania

który w gruncie rzeczy uzmysłowił nam, jak łatwo generować
silne, koherentne wiązki promieniowania elektromagnetyczne-
go (na razie w zakresie mikrofal).

Twórcy techniki maserowej, nie do końca usatysfakcjonowa-

ni swoim bezspornym sukcesem, postawili sobie następne za-
sadnicze  pytanie  –  czy  możliwe  jest  osiągnięcie  na  tej  drodze
podobnego efektu w optycznym zakresie fal, a więc czy możli-
wa  jest  budowa  „optycznego  masera” –  lasera.  Uruchomienie
akcji laserowej w zakresie optycznym przypadło w udziale Tho-
masowi  H.Maimanowi.

W 1960 roku w laboratorium Hughes

Aircraft Company uzyskał on efekt laserowy w krysztale synte-
tycznego rubinu. W ten sposób po raz pierwszy wykorzystano
zjawisko emisji wymuszonej do generacji fali świetlnej o niespo-
tykanej do tej pory spektralnej gęstości mocy oraz dużym stop-
niu spójności czasowej i przestrzennej.

Okres, który upłynął od uruchomienia pierwszego lasera po

dzień  dzisiejszy,  był  okresem  niezwykle  burzliwego  rozwoju
technik laserowych. Zbudowano setki typów laserów, w których
generację promieniowania uzyskano w ośrodkach o wszystkich
stanach skupienia (gazach, parach, cieczach, ciele stałym, ze-
stalonych  gazach).  Generują  one  promieniowanie  w zakresie
długości fal rozciągających się od dalekiej podczerwieni (tj. kil-
kuset  mikrometrów)  do  fal  rentgenowskich  (tj.  nanometrów),

badaczy  pracujących  nad  udoskonalaniem  laserów  złączo-
wych. Prace te rozwijały się równolegle i niemal w równym tem-
pie  w laboratoriach  amerykańskich  i laboratoriach  dawnego
Związku  Radzieckiego  (w  szczególności  Instytucie  Ioffego
w Sankt Petersburgu i Instytucie Lebedeva w Moskwie). Wspo-
mnina  o tym  jeden  z twórców  lasera  półprzewodnikowego
N.Holonyak w swojej obszernej pracy poświęconej 35-leciu na-
rodzin tego typu laserów [12]. Prace Alferova i Kroemera zosta-
ły w 2000 roku uhonorowane nagrodą Nobla. Rozwój technolo-
gii  materiałów  półprzewodnikowych  oraz  dynamiczny  rozwój
technologii  planarnych  zaowocował  pojawieniem  się  bihetero-
struktur i nieco później struktur ze studniami kwantowymi, cha-
rakteryzujących się bardzo dużą sprawnością działania i możli-
wością pracy ciągłej w temperaturze pokojowej. To triumf tech-
nologii związków półprzewodnikowych (jednak nie tylko krzem)
i inżynierii przerwy energetycznej. Dzisiaj lasery półprzewodni-
kowe  stanowią  największą  rodzinę  laserów  (ok.  70%  wartości
produkcji  wszystkich  laserów),  generujących  promieniowanie
o mocach od mikrowatów do kilku watów w zakresie długości
fal  obejmującym  przedział  od  głębokiej  podczerwieni  do  pro-
mieniowania  niebieskiego,  bez  których  bardzo  trudno  się
obejść zarówno w różnorodnych zastosowaniach specjalistycz-
nych, jak i komercyjnych. Trudno sobie wyobrazić współczesną

telekomunikację bez laserów półprzewodnikowych i światłowo-
dów.  Nie  czujemy  się  jednakże  dostatecznie  kompetentni,  by
opisywać  tę  dziedzinę  bardziej  szczegółowo.  Usprawiedliwia
nas również fakt, że niedawno w PTiWT ukazała się seria zna-
komitych artykułów przeglądowych Bogdana Mroziewicza, po-
święcona  półprzewodnikowym  laserom  telekomunikacyjnym
[13,14].

Uzyskanie wiązki laserowej, tj. strumienia światła o niespoty-

kanych do tej pory cechach, dało początek nowym dziedzinom
nauki, takim jak elektronika kwantowa, optyka nieliniowa, spek-
troskopia laserowa, chemia laserowa itd. Dało także początek
wielu  gałęziom  wiedzy  mającym  duże  znaczenie  dla  techniki,
w tym  holografii,  optyce  fourierowskiej,  optycznemu  przetwa-
rzaniu  informacji  (między  innymi  przy  użyciu  komputerów
kwantowych), optoelektronice zintegrowanej, fotonice, nowym
metodom tworzenia i obróbki materiałów, a także nowym tech-
nikom pomiarowym (zarówno na poziomie mikro-, jak i makro-
świata).  Lasery  zrewolucjonizowały  systemy  łączności,  oferu-
jąc  możliwości  tworzenia  kanałów  przesyłu  informacji  o nie-
osiągalnych  do  tej  pory  pojemnościach  (przekraczających
terabity)  zabezpieczonych  kryptografią  kwantową.  Technika
laserowa otworzyła nową epokę w biologii i medycynie, dając
diagnostyce  i terapii  niezwykle  wygodne  narzędzie.  Stała  się
też obecna w zastosowaniach o charakterze czysto komercyj-
nym (np. w tzw. show-biznesie). Nie sposób również pominąć
zastosowań specjalnych, w których techniki laserowe – zarów-
no na poziomie taktycznym, jak i strategicznym – stały się nie-
zastąpione w tworzeniu różnych systemów militarnych.

Dalszy rozwój technik laserowych jest związany z pokonywa-

niem barier mocy, tworzeniem systemów laserowych o wielkich
mocach  (między  innymi  na  potrzeby  syntezy  jądrowej),  jak
i wiarygodnych  źródeł  jednofotonowych  (kryptografia  kwanto-
wa, komputery kwantowe) oraz z pokonaniem bariery czasu –
wygenerowaniem  impulsów  attosekundowych,  uzyskaniem
spójnych  wiązek  twardego  promieniowania  rentgenowskiego
(i o krótszej długości fali), miniaturyzacją mikro- i nanostruktur
laserowych pracujących bezprogowo. Może w niedalekiej przy-
szłości będziemy świadkami powstania spójnych źródeł innego
rodzaju  promieniowania,  np.  fal  akustycznych  czy  fal  grawita-
cyjnych,  powodujących  podobne  przełomy,  do  dokonanych
przez laser w dwudziestym stuleciu.

Miniaturyzacja to wspólny mianownik tendencji rozwojo-

wych  mikroelektroniki  i optoelektroniki.  Małe  jest  nie  tylko
piękne.  Małe  jest  inne.  Dochodzimy  do  prób  wykorzystania
praw  podstawowych  rządzących  cząstkami  elementarnymi,
czyli  fotonem  i elektronem.  Chcemy  wykorzystać  zjawiska
kwantowe  do  realizacji  nowych  generacji  nanoprzyrządów
elektronicznych  i fotonowych.  Wróćmy  znowu  do  mikroelek-
troniki. Jeśli wymiar charakterystyczny (szerokość linii) będzie
malał  w dotychczasowym  tempie  (rys.  6),  to  ok.  2016  roku
wyczerpią  się  klasyczne  rozwiązania  przyrządowe  mikroelek-
troniki. Należy mieć nadzieję, że nowe przyrządy nanoelektro-
niki  będą  już  w „produkcyjnej  formie”,  a dalej...  przyrządy
kwantowe, przyrządy o rozmiarach atomowych. Mamy nadzie-
ję, że nowe generacje przyrządów będą zwiększać możliwości
przetwarzania i przesyłania informacji. Były lampy, były tranzy-
story,  jest  mikroelektronika  i laser,  zaczyna  się  era  nanoelek-
troniki i fotoniki. Co dalej? Nie umiemy na to pytanie odpowie-
dzieć.

Tym ogólnym, z pewnością niepełnym i ułomnym, tekstem

autorzy chcieli przypomnieć to, co wydarzyło się w wieku XX
w elektronice. Przegląd Telekomunikacyjny wiernie tym wyda-
rzeniom towarzyszył.

Przedstawione wydarzenia to arbitralny wybór autorów arty-

kułu, daty także mogą być dyskusyjne. Mam nadzieję, że
Czytelnik wybaczy nam błędy i usterki.

LITERATURA

[1] Jakubowski A.: Elektronika w R.Z.Morawski (red.

) „Wczoraj, dziś

i jutro Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechniki War-
szawskiej”, Warszawa 2001

[2] Bardeen J., Brattain W. H.: The transistor – a semiconductor triode,

Phys. Rev., vol. 74, 1948

[3] Shockley W.: The theory of p-n junctions in semiconductors and p-n

junction transistors, Bell Syst. Tech. J., vol. 28, 1949

[4] Szabatin J.: Era informacyjna a teoria Shannona, Przegląd Telekomu-

nikacyjny i Wiadomości Telekomunikacyjne, t. 73, nr 4, 2000

[5] Moore G.E.

: Cramming more components onto integrated circuits,

Electronics, vol. 38, no. 8, 1965

[6] Moore G.E.

: Progress in digital integrated electronics, IEDM Proc.,

1975

[7] Jakubowski A.: Mikroelektronika krzemowa – dokąd zmierzamy?,

Elektronika, t.36, nr 2, 1995

[8] Peercy P.S.

: The drive to miniaturization, Nature, vol.406, 2000

[9] Semiconductor Industry Association International Technology Road-

map for Semiconductors, San Jose, CA, SIA, 2001

[10] Majkusiak B.: Nanoelektronika, Elektronika, t.42, nr 1, 2001
[11] Lubacz J.: Telekomunikacja w R.Z.Morawski (red.

) „Wczoraj, dziś

i jutro Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechniki War-
szawskiej”, Warszawa, 2001

[12] Holonyak N.: The semiconductor laser: a thirty-five-year perspective,

Proc.

IEEE, vol.85, no.11, 1997

[13] Mroziewicz B.: Półprzewodnikowe lasery telekomunikacyjne, cz. I:

Lasery o stałej długości fali, Przegląd Telekomunikacyjny i Wiadomo-
ści Telekomunikacyjne, t.75, nr 4, 2002, cz. II: Lasery przestrajalne,
Przegląd Telekomunikacyjny i Wiadomości Telekomunikacyjne,
t.75, nr 5, 2002

[14] Mroziewicz B.: Lasery półprzewodnikowe o przestrajalnej długości

fali: perspektywy aplikacji w sieciach optycznych, Przegląd Teleko-
munikacyjny i Wiadomości Telekomunikacyjne, t.75, nr 3, 2002

(Artykuł nadesłano do red. – listopad 2002)

PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY

ROCZNIK LXXVI

nr 1/2003

W zeszycie

Przegl¹du Teletechnicznego

nr 4 z 1928 roku czytamy:

...