信息技术的基石——2000年诺贝尔物理学奖，本文主要内容关键词为：诺贝尔论文,信息技术论文,基石论文,物理学奖论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
2000年10月10日，瑞典皇家科学院决定将今年诺贝尔物理学奖的一半颁发给俄罗斯约费物理技术研究所的科学家若列斯·阿尔费罗夫和美国加州大学圣芭芭拉分校的科学家赫伯特·克勒默，因为他们研究开发出了在高速电子器件和光电子器件中广为采用的异质结技术，另一半颁发给美国得克萨斯仪器公司的科学家杰克·基尔比，因为他发明了集成电路。这两项开拓性的工作为信息和通讯技术的飞速发展奠定了坚实的基础。
阿尔费罗夫，1930年3月15日出生于白俄罗斯的维捷布斯克， 1952年毕业于列宁格勒电子技术学院，从1953年起一直在约费物理技术研究所工作，1970年他在那里获得了数学和物理博士学位。
克勒默，1928年出生于德国，1952年在德国哥廷根大学获得物理博士学位，1954～1957年曾受雇于美国普林斯顿的RCA 实验室， 1968 ～1976年担任美国科罗拉多大学物理教授，之后到加州大学圣芭芭拉分校任职。
基尔比，1923年出生于美国密苏里的杰佛逊城，从1958年开始受雇于得克萨斯仪器公司，1978～1985年，担任得克萨斯A＆M大学教授。
高楼大厦平地起
现在，我们只要花几十元钱就能买到一只走时极为精确的电子手表，在不到一寸见方的金属表壳里有几千只晶体管在工作，这几千只晶体管所占据的总面积还不到表壳面积的百分之一。如果回到几十年前晶体管还未出现时，那你只好用电子管来组成手表，这样的手表且不说价钱昂贵，而且还得配备一台几十千瓦的专用发电机。如果用分立的晶体管来组装电子手表，无论是表的重量还是表的体积都不能让你把它戴在手腕上，而只能背在背上了。
世界上公认的第1台电子计算机“埃尼阿克”， 是美国宾夕法尼亚大学在1945年底制造的。整个计算机用了18000只电子管、6000 个继电器、7000个电阻、10000个电容，总重量30吨，机房面积170平方米，耗电150千瓦，其笨重程度可想而知。
1947年，贝尔实验室的肖克莱、巴丁、布莱顿研制成功了晶体管。为此，他们获得了1956年的诺贝尔物理学奖。
晶体管的出现大大改善了计算机的性能。与电子管相比，晶体管具有体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点。用晶体管制造的计算机，不但体积大大减少，而且运算速度也大大加快。
晶体管虽然促进了电子技术的蓬勃发展，但是随着科学技术的发展，新的问题又出现了。人们发现，即使是一台中型的电子计算机也需要上百万个晶体管，于是设备的重量、可靠性和成本等再次成为迫切需要解决的问题。此外，火箭、导弹和人造卫星迫切需要小巧可靠的电子设备来装备。
于是，人们开始寻找新的出路。早在1952年，英国科学家达米尔就提出了新的设想，运用晶体管及半导体方面的相关技术，有可能研制出不需要连线的单块形式的电子器件。这种器件由多层绝缘材料、导电材料、半导体材料制成，在各层中去掉某些部分就能执行设定的电学功能。
按照上述设想，美国得克萨斯仪器公司的工程师基尔比制成了世界上第一块集成电路。他使用一根半导体单晶硅制成了相移振荡器，这个振荡器所包含的4个元器件已不需要用金属导线相连， 硅棒本身既作为电子元件的材料，又构成使它们之间相连的通路。
同年，另一家美国公司——仙童半导体公司也宣称研制成功集成电路。由该公司赫尔尼等人发明的一整套制作微型晶体管的新工艺——“平面工艺”被移用到集成电路的制作中，使集成电路很快从实验室试验阶段转入工业化生产阶段。
1959年底。得克萨斯仪器公司首先宣布建成世界上第一条集成电路生产线，1960年该公司开始供应51个系列的固体电路，虽然这些电路上只有若干个晶体管和电阻。不久，每个硅片上的元件数就达到了100 个左右，1967年的芯片已包含了1000个晶体管，70年代初又达到数千个，进入80年代以来，一块硅片上有几万个晶体管的大规模集成电路已经很普遍，90年代的硅芯片上集成的晶体管数激增到百万甚至千万左右。
基尔比说：“能够获奖真是出乎预料，42年前我开发集成电路时，只知道微芯片对电子器件来说非常重要，没想到它会成为现代信息技术的先驱。”
更小更快
从1962年开始，俄罗斯科学家若列斯·阿尔费罗夫就从事半导体掺杂结构的研究。他的主要研究对象是元素周期表中的Ⅲ族及Ⅴ族元素，即硼、铝、镓、铟、磷、砷、锑等，这些元素被掺入硅、锗之中后，就成为“杂质”。既然称为杂质，也就是说，它们与晶体中硅（或者锗）原子的数量比是微乎其微的。虽然如此，但这些杂质对半导体的导电能力却有惊人的影响。
阿尔费罗夫的杰出贡献是对半导体掺杂中的注入特性的研究。掺杂技术在半导体器件和大规模集成电路制造中的作用是非常巨大的，它已成为优质半导体器件生产过程中不可缺少的工序。
在1966年10月举行的电子器件会议上，将注入掺杂技术应用到场效应晶体管的生产工艺中首次被论及。这种技术的使用不仅改进了半导体器件的性能，同样也改进了集成电路的性能，使用它可以制造出优良的移位寄存器、放大器、存储器和电路调制器。
克勒默很早就关注元器件的基础性研究，他的博士论文就是关于半导体管的热电子效应。他先后在德国和美国的实验室中从事半导体物理和半导体器件的研究工作，而并没有参加那些很多人都热衷的有关硅技术的主流工作，他选择了比较小但是却很关键的项目，这些项目对于整体技术的建立非常重要。
20世纪50年代中期，他首先发现了许多能应用在各种半导体器件中的重要特性，例如双极场效应晶体管的特性等。把两种不同的半导体组合在一起就会得到新的电学效应，这种效应能够提高电子器件的性能，制造出新的半导体器件，这就是克勒默提出的异质结理论。
第一本有关异质结晶体管构想的专著出版于1957年，作者就是赫伯特·克勒默。他的理论工作显示，异质结晶体管远远优越于传统的晶体管，特别是在通用放大和高频应用方面。在一个异质结晶体管中曾经测到了高达600GHz的频率，比一般最好的晶体管约高100倍。此外， 基于这种晶体管的放大器的噪声也很低。
异质结在半导体激光领域也大有用武之地。俄罗斯的阿尔费罗夫和克勒默在1963年各自独立地提出了异质结激光原理，这个发明可能与异质结晶体管同样意义重大。
1969年，阿尔费罗夫第一个用AlGaAs／GaAs成功地制作出异质结，层与层界面处的异质结很清晰。阿尔费罗夫领导的研究小组成功地开发出许多包含异质结的器件，包括他于1963年获得专利的注入激光。在1970年代，一个技术上的难题被突破，异质结激光可以连续地工作在室温下，这使得光纤通讯的实用化成为可能。
用异质结晶体管制作的低噪声高频率放大器应用于卫星通讯中，另外它还可以提高移动通讯技术中的信噪比。基于异质结技术的半导体激光被用在光纤通讯、光数据储存器中。此外，异质结技术也应用在CD播放机、条码扫描仪和激光指示器中。依赖于异质结技术，正在制作中的功能强大的光发射二极管可用作轿车的刹车灯、交通灯和别的警示灯，在不久的将来还可能代替电灯泡。
场效应晶体管的研制成功，使得大规模和超大规模集成电路的生产成为现实。1962年，根据克勒默提出的原理，制作出了金属——氧化物一半导体（MOS）结构的新型晶体管， 它与过去的晶体管工作机理完全不同。
MOS晶体管属于所谓“场效应”半导体器件。 场效应是指利用电场来调制（控制）半导体中运动的载流子（电子或空穴）。用这种原理制成的晶体管有很多优点。首先，其结构非常简单，制作时只要通过一次扩散工序和一次蒸发金属膜就能制成；其次，单个晶体管所占的面积非常小，是以前用的晶体管的1／5，大大提高了集成度。此外，还有一些结构上的优点，能使芯片的利用率提高，耗电量减少。
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