Polovodiče a jejich uplatnění

1954: Látky dělíme podle toho, jak vedou elektrický proud, do tří skupin. První skupinu, do níž patří zejména kovy a jejich slitiny, tvoří t. zv. vodiče elektrického proudu. […] Do druhé skupiny patří t. zv. isolátory. […] Teprve mnohem později se počaly zkoumat vlastnosti látek patřících do třetí skupiny, které označujeme jako polovodiče. Jsou to látky, které nejsou ani dobrými vodiči, ani dobrými isolátory. Zato mají řadu zajímavých vlastností, které nemají ani kovy, ani isolátory a které už nyní v tomto poměrně mladém oboru vedly k řadě důležitých technických užití. Mezi polovodiče, které už našly praktické uplatnění, patří některé prvky jako selén, tellur, germanium, křemík, některé kysličníky jako kysličník měďnatý, sirníky jako sirník olovnatý a j.

Základní vlastností polovodičů je, že množství elektronů, které obsahují, lze měnit vnějšími podmínkami, v nichž polovodič je. Vnějšími podmínkami při tom rozumíme teplotu polovodiče, jeho osvětlení, elektrické napětí na polovodiči a pod. Změna množství elektronů v polovodičích se silně projevuje na jeho elektrických vlastnostech. […]

Ukázalo se, že na styku polovodiče s kovem, na styku různých polovodičů anebo na styku dvou polovodičů stejných, ale s různým obsahem příměsí, vzniká jakási vrstva, která vede proud dobře v jednom směru, ale velmi špatně v druhém. Její vodivost závisí ve směru proudu. Ve vhodném zapojení lze tohoto zjevu využít k přeměně střídavého proudu (který teče v obou směrech) na stejnosměrný. Říkáme proto přístrojům využívajícím tento jev usměrňovače. […]

Zajímavé je uplatnění polovodivých usměrňovačů v radiotechnice. Všichni známe t. zv. krystalové přijímače, kde místo elektronky usměrňoval vysokofrekventní proud polovodivý krystal ze sirníku olovnatého. Tento druh přijímačů byl vytlačen příchodem dokonalých elektronek. Ukázalo se však, že pro velmi vysoké frekvence, na jakých pracují na př. letecké zaměřovací stanice (t. zv. radiolokační nebo radarové), je výhodné užít místo první elektronky zdokonaleného krystalového usměrňovače. […]

K celé řadě nových možností dalšího vývoje otevřel cestu poznatek, že v některých polovodičích je elektrický proud nesen nejen elektrony, které si můžeme zhruba představit jako záporně nabité částice, ale současně i částicemi kladně nabitými, které podle představ kvantové fysiky se označují poněkud podivným názvem »díry«. Bylo shledáno, že oba druhy nositelů proudu se mohou vzájemně ovlivňovat, takže na př. změnou proudu »děr« můžeme změnit proud elektronů. Při tom na ovládání potřebujeme mnohem menší energii, než je energie ovládaná. To je podstata elektrického zesilovače: polovodivé přístroje založené na tomto principu se nazývají transistory. […]

Transistory jsou ve své funkci úplně obdobné vakuovým elektronkám; proto jsou často také nazývány krystalovými triodami. Mají proti nynějším elektronkám některé zásadní výhody: nemají žhavení, což vede k levnému provozu, mají malé rozměry, nenastává opotřebení časem, takže je možno předpokládat velmi dlouhou životnost; jsou mechanicky velmi pevné a výroba ve srovnání s elektronkami může býti levnější. Nesmíme ovšem zapomenout, že bude trvat určitou dobu, než se odstraní dětské nemoci polovodičových elektronek. Je však oprávněná naděje, že pro četné aplikace se ukáží výhodnějšími než dosavadní elektronky a umožní pronikavý pokrok v radiotechnice. Velmi slibné začátky s četnými úspěchy opravňují k velkým nadějím, které ospravedlňují úsilí, jež se dnes vynakládá ve fysikálních i technických laboratořích po celém světě na zvládnutí četných problémů tohoto oboru.

Ing. Dr Jan Tauc

Vesmír 33, 261, 1954/8

2021: Polovodičový výzkum urychlila 2. světová válka, jako mnoho dalších oborů. Všeobecně se málo ví, že jedním z center tohoto výzkumu se stala Praha – konkrétně Fyzikální ústav německé Karlovy univerzity (pod vedením prof. Bernharda Guddena), sídlící ve Viničné ulici a v zabrané budově české univerzity u Karlova. Mezi jinými úkoly se zde úspěšně vyvíjely přístroje pro noční vidění (noktovizory) a infračervené naváděcí systémy pro rakety. Jedním z mladých asistentů zde byl Dr. Helmar Frank (1919–2015), československý Němec narozený na Moravě. Po válce byl vyjmut z odsunu a „vytěžen“ ve Vojenském technickém ústavu. Později hrál významnou roli při vývoji československého elektrotechnického průmyslu a vzdělávání.

Jen o tři roky mladší byl Jan Tauc (1922–2010). Ukončil ČVUT v roce 1949 a byl zaměstnán v Tesle Pardubice. Shodou okolností se tam dostal k zbytkům z německého výzkumu radarových součástek v Tanvaldu. Mezi nimi byly i vzácné krystaly germania, které se jen náhodou nedostaly do rukou ruských či amerických agentů. Po příchodu zpráv o vynálezu tranzistoru Tauc poskytl germanium Frankovi, který pak se spolupracovníky vyrobil různé funkční prototypy diod a tranzistorů – zřejmě první na evropském kontinentu. Zanedlouho se podařilo zavést výrobu polovodičových diod a tranzistorů v Tesle Rožnov. Zhmotněním významu nových součástek se stal pro veřejnost první tranzistorový přijímač Tesla T58 s krásným designem, který slavil úspěch i na Expo 1958 v Bruselu.

Na přelomu padesátých let Jan Tauc pochopil, jak zajímavé možnosti v elektrotechnice polovodiče nabízejí, a rozhodl se jim nadále věnovat – byla to skvělá volba. Po vzniku Ústavu technické fyziky ČSAV mu ředitel Jindřich Bačkovský nabídl místo, a tak vznikla úspěšná skupina kombinující technologii, výzkum i teorii. Zkoumali třeba strukturu energetických pásů a optické přechody v polovodičích a později se Tauc stal průkopníkem oboru amorfních polovodičů. Roku 1969 však „přesídlil“ do USA.

Pokud snad komunistický režim z ideových důvodů bránil rozvoji některých disciplín, tak se to netýkalo polovodičové techniky. Náhled mocných na vědecké novinky byl spíše pragmatický: pokud byla naděje na pozitivní dopad na národní hospodářství, tak nové směry podporovali nebo alespoň nepotírali. Úspěchy však vyvěraly spíše ze snahy vynikajících jedinců, než ze systematického řízení a podpory shora. Tak to bylo i s polovodičovou technikou. Režim se rád pochlubil úspěchy a oceňoval je udělováním vyznamenání (Frank a kol. 1954, Tauc 1955).

Důkazem kreditu, který získal Jan Tauc v mezinárodním měřítku, bylo přidělení organizace 5. mezinárodní konference o polovodičích do Prahy. Uskutečnila se v Praze roku 1960 a stala první opravdu významnou konferencí, která se konala za železnou oponou. Účastnilo se jí mnoho špičkových vědců z obou stran rozděleného světa.

Zkrátka padesátá léta byla období, kdy naše polovodičová věda a technika byly na světové úrovni. V dalších obdobích se postupně projevily nedostatky socialistického plánovaného hospodářství a zpoždění za světovou špičkou narůstalo.

Dnešní schopnosti polovodičového průmyslu jsou fantastické – právě se mluví o zavádění technologie s detaily o rozměrech 10 nm i menšími. Tato výroba je souhrou mnoha technických oborů – neobešla by se bez laserů, chemické depozice a leptání, výroby dokonale čistých materiálů, složité diagnostiky obvodů, pokročilé informatiky atd.

Tauc v uvedeném textu prozíravě nastínil možnosti polovodičové techniky, ale i on by byl nejspíš překvapen dnešní situací, kdy výpadek části výroby integrovaných obvodů v Asii znamená, že spousta dalších výrobků se nemůže zkompletovat, např. automobily se musejí odkládat na letišti, kde čekají, dokud do nich někdo nevloží „kouzelný šém“, aby mohly oživnout. Zřejmě byla chyba podporovat u nás montovny automobilů místo high-tech výroby třeba těch polovodičových čipů.