ข่าวสาร

แสงกับรางวัลโนเบล ตอนที่ 26 | ค.ศ.2000 สำหรับการพัฒนาโครงสร้างสารกึ่งตัวนำแบบหลายชั้นสำหรับใช้ในการสื่อสารความเร็วสูง

Facebook
Twitter
การสื่อสารความเร็วสูง
บทความ | ดร.ศรัณย์ สัมฤทธิ์เดชขจร
นักวิจัยอาวุโส ศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ (เนคเทค-สวทช.)

สารกึ่งตัวนำที่เรียงตัวในโครงสร้างที่เรียกว่า Heterostructure จะช่วยให้ประสิทธิภาพในการทำงานของอุปกรณ์ที่สร้างขึ้นมาสูงขึ้น เช่น ถ้าใช้เป็นตัวขยายสัญญาณไฟฟ้าหรือสัญญาณแสงจะช่วยให้อัตราการขยายสูงขึ้น ถ้าใช้ทำเป็นแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์จะได้แสงเซอร์ที่มีความยาวคลื่นที่ต้องการและสามารถใช้ได้ที่อุณหภูมิห้อง และถ้าใช้ทำตัวรับแสงก็จะได้ตัวรับแสงที่มีความไวสูงเหมาะสำหรับตรวจจับสัญญาณความถี่สูงระดับ GHz หรือแปลงพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟ้าด้วยประสิทธิภาพที่สูงขึ้นได้

สารกึ่งตัวนำที่เรียงตัวในโครงสร้าง Heterostructure นี้จะประกอบด้วยสารกึ่งตัวนำสองชนิดที่มีคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่ต่างกันมาเรียงซ้อนกันอยู่โดยที่โครงสร้างของอะตอมของสารกึ่งตัวนำชนิดแรกสามารถเชื่อมต่อกับโครงสร้างของอะตอมของสารกึ่งตัวนำอีกชนิดหนึ่งได้พอดี

สารกึ่งตัวนำที่นิยมนำมาใช้คู่กันคือสารกึ่งตัวนำที่อยู่ในตารางธาตุหมู่ที่สามกับหมู่ที่ห้า และสารกึ่งตัวนำที่อยู่ในตารางธาตุหมู่ที่สองและหมู่ที่หก โครงสร้างสารกึ่งตัวนำชนิดใหม่นี้เสนอขึ้นโดย Herbert Kroemer ในปี ค.ศ. 1957

ในปี ค.ศ. 1963 ทั้ง Herbert Kroemer และ Zhores Alferov ยังได้เสนออีกว่าความหนาแน่นของอิเล็กตรอน โฮล (Holes) และ โฟทอน สามารถเพิ่มขึ้นได้ถ้าถูกจำกัดอยู่ในพื้นที่บางๆ ของสารกึ่งตัวนำที่แทรกอยู่ตรงกลางของสารกึ่งตัวนำสองชนิดที่ใช้ในโครงสร้างของ Heterostructure ทำให้ได้ชั้นเชื่อมต่อสองชั้น ซึ่งทั้งสองเรียกจุดเชื่อมต่อใหม่นี้ว่า Double heterojunction

โครงสร้างดังกล่าวช่วยให้กระแสไฟฟ้าที่จะทำให้อุปกรณ์นั้นเริ่มต้นทำงาน (Threshold current) ต่ำลงจากเดิมที่อยู่ในหลักหมื่นแอมแปร์ต่อตารางเซนติเมตรในช่วงของการพัฒนาทรานซิสเตอร์เหลือเพียง 19 แอมแปร์ต่อตารางเซนติเมตร โดยเฉพาะเมื่อมีโครงสร้างแบบบ่อควอนตัม (Quantum Well) เส้นควอนตัม (Quantum Wires) และ จุดควอนตัม (Quantum Dots) เข้ามาช่วยเสริม

โครงสร้างแบบ Heterostructure
ภาพหน้าตัดกำลังขยายสูงของโครงสร้างแบบ Heterostructure (ภาพจาก Materials Science, V. 32, Iss 3-4, July 2007.)

ผลที่ได้ตามมา คือ ทำให้ได้แหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ชนิดสารกึ่งตัวนำที่ทำงานแบบต่อเนื่องและไม่ต้องการระบบหล่อเย็นเหมือนกับเลเซอร์ไดโอดรุ่นแรกๆ ที่ทำขึ้นในปี ค.ศ. 1962 โดย Robert Hall ที่ทำงานแบบพัลส์เท่านั้นและต้องการระบบหล่อเย็นด้วย

โครงสร้างของเลเซอร์ที่ใช้หลักการ Heterostructure
โครงสร้างของเลเซอร์ที่ใช้หลักการ Heterostructure และผลิตภัณฑ์เลเซอร์ที่มีโครงสร้างลักษณะดังกล่าว
ประวัติย่อ : Zhores I. Alferov
Zhores I. Alferov
Zhores I. Alferov นักฟิสิกส์ชาวรัสเซีย และเป็นผู้สร้างทรานซิสเตอร์ตัวแรกของรัสเซีย

Zhores I. Alferov เกิดเมื่อวันที่ 15 มีนาคม ค.ศ. 1930 และเข้าเรียนระดับมัธยมศึกษาในเมือง Minsk ซึ่งที่นี่เองที่เขาได้เจอกับครูที่ทุ่มเทใจในการสอนฟิสิกส์และได้แนะนำเขาให้เรียนที่ Ulyanov Electrotechnical Institute ในเมือง Leningrad เขาจบการศึกษาในปี ค.ศ. 1952 และเข้าทำงานที่ Physio Technical Institute ในปี ค.ศ. 1953 โดยงานแรกที่ทำเกี่ยวกับไดโอดและทรานซิสเตอร์ที่ทำจากเจอร์เมเนียม และเขาสามารถสร้างทรานซิสเตอร์ตัวแรกของรัสเซียได้ Zhores Alferov เป็นคนที่สามารถสร้างแรงบันดาลใจให้กับทีมงานของเขาโดยเฉพาะในเรื่องการกระตุ้นให้สามารถแข่งขันกับทีมวิจัยอื่นในโลกได้ เขาเป็นเพื่อนสนิทกับศาสตราจารย์ Nick Holonyak (ผู้สร้างเลเซอร์และหลอดไฟ LED ในย่านที่ตามองเห็นได้สำเร็จและเป็นลูกศิษย์ของ John Bardeen ผู้คิดค้นทรานซิสเตอร์และผู้วางรากฐานสำคัญในเรื่องตัวนำยิ่งยวด)

ประวัติย่อ : Herbert Kroemer
Herbert Kroemer
Herbert Kroemer นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน

Herbert Kroemer เกิดเมื่อวันที่ 25 สิงหาคม ค.ศ. 1928 ใน Weimar เยอรมัน ถึงแม้ว่าบิดาและมารดามีวุฒิการศึกษาต่ำกว่าระดับมัธยม แต่ทั้งสองก็ส่งเสริมให้ลูกทุกคนสนใจเรื่องการเรียน Herbert Kroemer เป็นเด็กที่เรียนเก่งและชอบวิชาคณิตศาสตร์ ฟิสิกส์ และเคมี และจากความเก่งนี้เองทำให้รู้สึกเบื่อขณะเรียนในชั้นเรียนเนื่องจากรู้เรื่องหมดแล้ว ครูฟิสิกส์คนหนึ่งเคยให้ช่วยเตรียมงานสอนและขึ้นสอนแทนครูด้วยซ้ำ ชีวิตมหาวิทยาลัยเริ่มต้นที่ University of Jena ในปี ค.ศ. 1947 และในช่วงปิดภาคฤดูร้อนหนึ่งได้ใช้เวลาทำงานที่บริษัท Siemens และถือโอกาสหลบเข้าไปที่เยอรมันตะวันตก จากนั้นเขาเข้าศึกษาต่อที่ University of Göttingen และได้ใช้เวลาทำวิจัยโดยต่อยอดงานของ William Shockley ที่เผยแพร่ในปี ค.ศ. 1939 ช่วงเวลานี้เองที่ทำให้เขาเริ่มสนใจ Heterostructure เขาได้รับปริญญาเอกในปี ค.ศ. 1952 จากการผลักดันของอาจารย์ที่ปรึกษาที่เห็นความสามารถและความเก่งของเขา จึงต้องการให้เขาสามารถสร้างสรรค์ผลงานด้วยตัวเองโดยไม่ต้องมีอาจารย์ที่ปรึกษาคอยหนุน หลังจากจบการศึกษาได้เข้าทำงานในทีมวิจัยของ Central Telecommunications Lab ขององค์การไปรษณีย์ของเยอรมัน ในปี ค.ศ. 1954 ได้เข้าร่วมงานกับบริษัท RCA ในสหรัฐฯ จากนั้นเข้าทำงานที่ Varian Associates จนกระทั่งถึงปี ค.ศ. 1966 จึงย้ายไปเป็นศาสตราจารย์ที่ University of Colorado ในปี ค.ศ. 1968

แหล่งข้อมูล
  • G. Ekspong Ed., Nobel Lectures in Physics 1996-2000, World Scientific Publishing, January 2003.
  • https://nobelprize.org , accessed Feb 2019.
  • https://en.wikipedia.org , accessed Feb 2019.
  • ศรัณย์ สัมฤทธิ์เดชขจร, โฟโทนิกส์ มหัศจรรย์แห่งแสง, นานมีบุ๊คพับลิเคชัน, กรุงเทพฯ, กุมภาพันธ์ 2549.

บทความที่เกี่ยวข้อง