Je leest:

Nobelprijs natuurkunde 2000 voor vaders van de micro-electronica

Nobelprijs natuurkunde 2000 voor vaders van de micro-electronica

Auteur:

Voor de uitvinding van de chip en de elektronica voor (optische) telecommunicatie zijn dit jaar drie onderzoekers bekroond met de Nobelprijs voor natuurkunde: de Amerikaan Jack Kilby, de Duitser Herbert Kroemer en de Rus Zhores Alferov. Eén naam ontbreekt in dit rijtje.

Op donderdag 24 juli 1958 opent Jack Kilby (1923), kersvers elektrotechnisch ingenieur bij een klein elektronicabedrijf in Texas, zijn laboratoriumlogboek en schrijft daarin zijn Monolytisch Idee: “De volgende componenten kunnen gemaakt worden op een enkel stuk silicium: weerstanden, condensator, gedistribueerde condensator, transistor”. Hij zet er een paar ruwe schetsen bij hoe de verschillende elektrische onderdelen gemaakt kunnen worden met N-type en P-type halfgeleidermateriaal (silicium met een teveel, respectievelijk een tekort aan vrije elektronen) en begint over zijn plannen na te denken.

Binnenkant van de eerste elektronische pocketcomputer. De eerste elektronische pocketcalculator werd in 1967 door Jack Kilby, Jerry Merryman en James Van Tassel uitgevonden bij Texas Instruments. Het hart van de eerste pocketcalculator was een geïntegreerd halfgeleidercircuit dat alle noodzakelijke elektronica bevatte voor optellen, aftrekken, vermenigvuldigen en delen. (Texas Instruments)

Het idee om weerstanden en condensatoren uit halfgeleidermateriaal te maken, is eind jaren vijftig eigenlijk belachelijk: weerstanden presteren stukken beter als ze van koolstof zijn gemaakt en een condensator die is opgebouwd uit silicium levert schandalig slechte prestaties vergeleken bij een condensator die is gemaakt van metaal en keramiek. Bovendien is het maken van dit soort passieve componenten uit duur halfgeleidermateriaal pure geldverspilling; het is zoiets als bierblikjes van goud willen maken.

Ondanks de nadelen van zijn idee, houdt Kilby er toch aan vast. Het plan om allerlei elektrische onderdelen te integreren op een enkel stuk silicium heeft namelijk een belangrijk voordeel: elektronische schakelingen hebben veel minder losse onderdelen nodig. Precies dat voordeel zou wel eens kunnen opwegen tegen alle nadelen, want het groeiende aantal onderdelen van elektronische schakelingen is, tien jaar na de uitvinding van de transistor, het grootste struikelblok in de elektronica.

Duizenden soldeerverbindingen

Het transistortijdperk beloofde ongekende mogelijkheden: ten opzichte van radiobuizen waren transistoren klein, duurzaam en zuinig. Maar als er voor een simpele transistorradio, met niet meer dan een stuk of vijf transistoren en nog eens een paar dozijn andere componenten, al honderden verbindingen (handmatig) gesoldeerd moesten worden, dan zag het er voor vrijwel elk ander elektronisch apparaat niet best uit. De kans op storingen zou bij duizenden door mensenhanden gesoldeerde verbindingen onacceptabel hoog zijn en de kosten zouden bij complexe apparatuur zoals computers de pan uit rijzen.

Voor het plan om een complete elektronische schakeling uit één stuk halfgeleider te maken, waren twee fundamenteel nieuwe ideeën nodig. Allereerst het idee van ‘integratie’: de opvatting dat weerstanden, condensatoren, dioden en transistoren allemaal gemaakt kunnen worden uit hetzelfde basismateriaal, namelijk silicium. En ten tweede het idee van de ‘interconnectie’: de notie dat de verschillende onderdelen op een schijfje silicium met elkaar verbonden konden worden via metalen verbindingen die men tijdens het productieproces van een geïntegreerde schakeling fabrieksmatig zou kunnen aanbrengen. Kilby had alleen voor het probleem van de integratie een oplossing gevonden, maar hoe het met de interconnectie zou moeten, daarop wist hij geen antwoord.

Robert Norton Noyce ontbreekt

In zijn proefmodel van een simpel oscillatorcircuit op een stukje silicium had Kilby nog moeizaam alle onderdelen met gouden draadjes handmatig aan elkaar moeten solderen. In de beroemd geworden tekening van zijn patentaanvraag voor een ‘Miniaturized Electronic Circuit’, schetst hij vaag hoe de verbindingen gemaakt kunnen worden. Maar van die tekening klopt geen snars; ze wordt tegenwoordig dan ook wel spottend de ‘flying wire picture’ genoemd.

Waar Kilby geen flauw benul had hoe hij de weerstanden, condensatoren en transistoren goed met elkaar zou kunnen verbinden op een schijfje silicium, daar wist Robert Norton Noyce (1927) een gebruiksklare oplossing. Noyce, werkzaam in het laboratorium van elektronicaproducent Fairchild, was het geïntegreerde circuit namelijk op het spoor gekomen vanuit een oplossing voor het probleem van de interconnectie. Bij Fairchild had men een manier gevonden om de kwetsbare structuren van transistoren te beschermen door er een laag siliciumoxide overheen te sproeien en Noyce was de eerste die zag dat die sproeitechniek ook gebruikt kon worden om dunne spoortjes koper of een ander metaal tussen de verschillende N-P-N-overgangen aan te brengen.

Van de interconnectie kwam Noyce al snel bij de integratie en zo wist hij niet alleen transistoren met elkaar te verbinden, maar ook weerstanden en condensatoren. Noyce richtte Intel op, begon met de productie van geheugenchips en raakte verzeild in een jarenlang juridisch gevecht met Kilby over wie nu de geïntegreerde chip had uitgevonden. In de wetenschappelijke wereld werden Kilby en Noyce gezien als de gezamenlijke uitvinders van de chip, en als Noyce niet in 1990 was overleden, dan had hij nu ook een Nobelprijs gekregen.

Optische telecom

De Nobelprijswinnaars die in 2000 samen met Jack Kilby de onderscheiding hebben gekregen, Herbert Kroemer (1928) en Zhores Alferov (1930), hebben niet zozeer met de ontwikkeling van de geïntegreerde circuits te maken, als wel met de verbetering van radiografische en optische telecommunicatie. Beiden hebben de theoretische basis gelegd voor het hoogfrequente veld-effect en hetero-bipolaire transistoren, die vooral in mobiele telefoons en in satellieten worden toegepast. Dit soort transistoren moet een hoog frequentiebereik bij een gering stroomverbruik en een zo laag mogelijke spanning leveren. Hiervoor wordt meestal geen silicium gebruikt maar een combinatie van metalen en niet-metalen uit de derde en vijfde kolom van het periodiek systeem (III-V-verbindingen).

Vooral voor het theoretische begrip van de vaak merkwaardige fenomenen in III-V-halfgeleiders is het werk van Kroemer en Alferov onmisbaar geweest. Een van de opmerkelijke verschijnselen van III-V-halfgeleiders is, dat ze onder bepaalde omstandigheden licht uitzenden. De vroege geschriften van Kroemer en Alferov waren gericht op de eigenschappen van galliumarseen. Later hebben ze zich ook met andere verbindingen zoals indiumfosfaat (InP) beziggehouden. Tegenwoordig zit er in iedere cd-speler een galliumarseen-laserdiode, en de optische datacommunicatie via glasvezelkabels zou zonder het werk van Alferov en Kroemer ondenkbaar zijn geweest.

Samen hebben de onderzoeken van Kilby, Kroemer en Alferov de weg vrijgemaakt voor het tijdperk van de (mobiele) datacommunicatie. Dat is de reden dat de Nobelprijs voor natuurkunde dit jaar voor het eerst in tien jaar niet naar fundamenteel onderzoek is gegaan, maar naar toegepast wetenschappelijk onderzoek. De invloed van deze ontwikkelingen op het leven van alledag is, zo oordeelde het Nobelprijscomité, kolossaal: “Microchips hebben ervoor gezorgd dat er overal om ons heen kleine elektronische apparaten, variërend van horloges tot videospelletjes, rekenmachines en computers zijn verschenen.” Ook het internet zou zonder chips, hoogfrequente transistoren, laserdioden en glasvezelkabel niet mogelijk zijn geweest.

Dit artikel is een publicatie van Natuurwetenschap & Techniek.
© Natuurwetenschap & Techniek, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 10 april 2004

Discussieer mee

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

LEES EN DRAAG BIJ AAN DE DISCUSSIE