ПОЛИТ.РУ: Повелители света – нобелевские лауреаты по физике 2009 г.

Нобелевскую премию по физике 2009 г. комментируют зав. лабораторией оптоэлектроники и голографии Физико-технического института им. А.Ф.Иоффе РАН, доктор физ.-мат наук Борис Георгиевич Подласкин и старший научный сотрудник, кандидат физ.-мат. наук Галина Юрьевна Сотникова. Фотографии лауреатов и картинка с сайта Нобелевской премии.

Лауреатами Нобелевской премии по физике за 2009 год стали англичанин китайского происхождения Чарльз Као (Charles Kuen Kao, род. 1933 г.), гражданин Канады и США Уиллард Бойл (Willard Sterling Boyle, род. 1924 г.) и американец Джордж Смит (George Elwood Smith, род. 1930 г.). Премия присуждена «за выдающийся вклад в технологию волоконной оптики и преобразования изображения в цифру». Ч. Као получит половину премии, а У. Бойл и Дж. Смит – по одной четверти каждый.

Открытие Као, сделанное им в 1966 году, «проложило дорогу» оптико-волоконным технологиям. Сегодня они используются во всех областях, связанных с передачей информации – телефонии, телевидении и интернет-связи. Ему удалось разработать метод производства сверхчистого оптического волокна, благодаря чему световые сигналы стало возможным передавать без искажений на расстояние до 100 км, по сравнению всего лишь с десятками метров – пределом на тот момент. Бойл и Смит в 1969 году изобрели устройство преобразования оптических изображений в электрический сигнал – прибор с зарядовой связью (сокращенно ПЗС, в оригинале charge-coupled device, CCD).

Пресс-релиз и информация для общественности, распространенные Нобелевским комитетом, озаглавлены «Повелители света» (The masters of light). Последний текст начинается словами: «Когда в Стокгольме объявляют имена лауреатов Нобелевской премии по физике, большинство людей на планете узнают об этом буквально в ту же секунду. Новость о премии облетает земной шар практически со скоростью света, самой высокой скоростью, которая существует во Вселенной. Тексты, изображения, речь и видео текут по оптическим волокнам и беспроводной среде и тотчас регистрируются миниатюрными и удобными детекторами»… В конечном итоге, именно этот факт и является результатом исследований ученых, которым в этом году вручается Нобелевская премия по физике.

Масштабность события состоит в том, что техническое достижение переросло в уникальное явление, преобразившее все сферы человеческой деятельности, сделав людей практически соучастниками событий, происходящих в любой точке нашей планеты и за ее пределами.

Использование новых прикладных технологий позволило создать целую индустрию методов познания, открывающих новые возможности и пути исследования фундаментальных основ нашего мира. Сам принцип считывания информации с множества фоточувствительных элементов матрицы, реализованный в ПЗС-структурах, весьма символичен для нашего времени – перенос зарядовых пакетов (т.е. зарядов, образованных и накопленных в элементах ПЗС под воздействием падающего света) происходит так, как будто множество людей, взявшись за руки, передают друг другу драгоценные плоды своих знаний.

В материале Нобелевского комитета, отражающем научный вклад лауреатов, основной акцент делается на тот факт, что Бойл и Смит изобрели устройство преобразования изображений в цифровую форму, ставшее «электронным глазом» фотоаппарата, тем самым произвели революцию в фотографии, позволив фиксировать световые сигналы в электронной форме, а не на фотопленке. За заслуги перед фотографией Бойл и Смит в 2006 году были удостоены премии Национальной академии наук США.

Нам бы хотелось подойти к изобретению ПЗС несколько с иных позиций, рассмотрев его как удивительный образец стремительного (всего-то 40 лет!) продвижения научной мысли от идеи, возникшей «на кончике пера», до миллионов (а может, и миллиардов!) приборов, без которых уже немыслима современная фото, кино и телевизионная техника в космосе и на дне океана, в научных лабораториях и на производстве, в потребительской электронике и в высокоточных медицинских приборах.

С чего все начиналось…

Вскоре после того, как был изобретен полевой транзистор (У. Шокли, Нобелевская премия по физике, 1956 г.) и, впоследствии, планарная технология (1960 год, Texas Instruments), полупроводниковые приборы заменили вакуумные почти во всех областях электроники, за исключением трех, еще долго не поддававшихся «кремнизации» – генераторные лампы для мощных передатчиков, высоковольтные приборы, и приборы для ТВ – кинескопы и передающие трубки. Ничего удивительного, что попытки создать твердотельный аналог передающей трубки не заставили себя ждать.

Все такие разработки без исключения представляли собой матрицу фоточувствительных элементов (как правило, фоторезисторов или фототранзисторов) и схемы сканирования по вертикали и горизонтали. Число элементов этих датчиков не превышало 256*256, а качество изображения в них было удручающим из-за низкой чувствительности и из-за большого числа дефектов, свойственных тогдашнему уровню технологии. Глаз раздражала и структурная неоднородность, связанная с разбросом параметров выходных емкостей шин считывания разных строк и столбцов.

Луч света забрезжил, как это часто бывает, с неожиданной стороны. В 1969 году сотрудники фирмы Bell Laboratories У. Бойл и Дж. Смит в поисках электрического аналога элементов памяти на цилиндрических магнитных доменах предложили принцип зарядовой связи. Он заключался в том, что если на поверхности кремния достаточно близко друг от друга расположить электроды (назовем их затворами), отделенные от кремния слоем диэлектрика (такая структура называется МОП-конденсатор, сокращение от термина металл-окисел-полупроводник), то при подаче на них напряжения, возникающие под ними потенциальные ямы объединяются. В свою очередь, электроны, находящиеся в одной потенциальной яме, перемещаются в соседнюю, если ее потенциал выше (т.е. она глубже).

Руководству Bell Lab. понадобилась всего одна (!) неделя, чтобы проверить эту идею на практике. Результатом явилось открытие основополагающего принципа ПЗС – свойства самосканирования, то есть возможности передавать локализованный зарядовый пакет вдоль структуры из близко расположенных электродов. Самое замечательное в этом состояло в возможности управления цепочкой затворов любой длины с помощью всего 3 тактовых шин! Действительно, для передачи зарядовых пакетов необходимо и достаточно всего 3 электродов: одного передающего, одного принимающего и одного изолирующего, причем одноименные электроды таких «троек» могут быть соединены друг с другом в единую тактовую шину, требующую лишь одного внешнего вывода.

Такая структура и представляет собой простейший трехфазный регистр сдвига в приборе с зарядовой связью (ПЗС). Осталось соединить его с фотоэлектрическим эффектом в полупроводниках, который теоретически обосновал еще Альберт Эйнштейн, (Нобелевская премия, 1921 г.) и как элемент памяти ПЗС-регистр сдвига был надолго забыт, а устройство преобразования двумерного оптического изображения в последовательный (одномерный) электрический сигнал, или «электронный глаз», стало центром большинства методов регистрации, передачи и обработки изображений.

1970 год – прошел всего год с момента изобретения, а Бойл и Смит уже демонстрируют первую ПЗС-видеокамеру (на линейном фотоприемнике)
1972 год – американская компания Fairchild разрабатывает первый матричный 100*100 элементов (10000 pixel) ПЗС-сенсор изображения, который вскоре начинает выпускаться серийно.
1975 год – Бойл и Смит демонстрируют первую цифровую видеокамеру с разрешением, достаточным для бытовых телевизионных видеокамер.
1981 год – первые видеокамеры появляются на рынке бытовой видеоаппаратуры, и хотя их характеристики пока уступают существующим пленочным камерам, но они инициируют многие коммерческие фирмы ориентироваться на цифровые методы видео и фотосъемки.

Не удивительно, что в стремительном завоевании мира ПЗС-фотоприемниками Россия (тогда еще Советский Союз) очень быстро подхватили эту идею и к концу 70-х годов у нас в стране уже выпускались собственные линейные и матричные ПЗС-сенсоры в НПО «Пульсар» (Москва) и НПО «Электрон» (Ленинград). На основе отечественных разработок было спроектировано большое число современной аппаратуры военного, космического и медицинского применения.

В это же время разрабатываются системы астроориентации и астронавигации искусственных спутников Земли и орбитальных космических станций (звездные датчики). Разрабатываются твердотельные передающие устройства на ФППЗ, обеспечивающие межпланетные полеты к комете Галлея (проект «Венера») и к Марсу (проект «Фобос»), и именно на них в 1986 году было получено детальное изображение кометы Галлея.

В этом месте нельзя не упомянуть имена инженеров и ученых, заложивших основы технологии производства ПЗС-фотоприемников в нашей стране и воспитавших поколение российских разработчиков ПЗС-структур и специалистов по созданию новых устройств и методов регистрации, обработки и передачи изображений на основе ПЗС-фотоприемников. Среди них Б.А. Котов, Ю.Р. Носов, Ф.П. Пресс, В.Я. Стенин, Р.А. Сурис, И.А. Хромов, В.А. Шилин, А.К. Цыцулин и многие другие.

К сожалению, за пределы специализированных разработок наши технологии не вышли и в дальнейшем мы «сошли с дистанции». Основные причины этого – отсутствие необходимых государственных инвестиций на начальном этапе развития ПЗС-технологии, и сильнейшая конкуренция со стороны таких мощных зарубежных компаний как Sony, Sharp, Toshiba, Dalsa, Hamamatsu и др.

Плеяда молодых и талантливых ребят, стоявших у истоков отечественных разработок, продолжают работать на крупных зарубежных фирмах-производителях ПЗС, а многие в сложных экономических условиях организовали в России собственные небольшие фирмы, в основном торгующие зарубежными ПЗС-камерами и/или, в лучшем случае, разрабатывающие «под заказ» системы или специализированные устройства на их основе.

Покорив первые рубежи, человечество идет дальше и дальше:

1986 год – появился первый 1.4 мегапиксельный сенсор (1.4 million pixels )
1995 год – создан первый цифровой фотоаппарат и вскоре мировой рынок заполнился малогабаритными и дешевыми фотоаппаратами.
2005 год – преодолен рубеж в создании 100 мегапиксельного ПЗС. Канадская компания Dalsa Semiconductor изготовила светочувствительную цифровую матрицу на 111,5 мегапикселей, впервые в мире преодолев тем самым 100-мегапиксельный барьер. Сенсор с размерами примерно 10,2 х 10,2 сантиметра обеспечивает разрешение изображения в 10,56 тысячи на10,56 тысячи точек. Он был изготовлен по заказу и проекту калифорнийской корпорации Semiconductor Technology Associates для обсерватории ВМС США (US Naval Observatory).

Как они устроены, и чем они хороши.

Основным элементом ПЗС-структуры является МОП-конденсатор, в котором происходит детектирование света (разделение электронно-дырочных пар под воздействием падающего света), накопление заряда (носителей заряда, скапливающихся в потенциальной яме под системой электродов) и направленный перенос зарядового пакета к единому выходному устройству (принцип самосканирования в ПЗС-регистре сдвига, образованного цепочкой близко расположенных друг к другу МОП-емкостей).

Теоретически неограниченное число переносов в ПЗС-регистре сдвига на самом деле ограничено неэффективностью переноса зарядов, что было особенно заметно в первых приборах, в которых перенос осуществлялся вблизи поверхности полупроводника, «богатой» дефектами – так называемые ПЗС с поверхностным каналом переноса.

Эти неприятности достаточно быстро были устранены инженерами фирмы Philips, уже в 1972 году предложившими ПЗС с объемным (скрытым) каналом переноса, образованным за счет тонкого.(0.3-0.5 мкм) обедненного слоя полупроводника. Это решение, разом убившее нескольких зайцев, оказалось настолько удачным, что с тех пор все ПЗС выпускаются только со скрытым каналом. Степень совершенства кристаллической решетки в современных материалах весьма высока и ныне эффективность переноса в ПЗС со скрытым каналом достигает 99,9999% .

В первых матрицах электроды МОП-конденсаторов были сформированы из металла, поэтому почти вся площадь элемента оказывалась закрытой от света. Радикальным выходом стало предложенное в 1974 году К.Секеном и М. Томпсетом использование электродов из поликристаллического кремния, прозрачного почти во всем видимом диапазоне. Первые же приборы с поликремниевыми затворами превзошли по чувствительности вакуумные трубки и даже фотоэмульсию.

Каковы же основные преимущества ПЗС сенсоров изображения, кроме, разумеется, очевидных, связанных с переходом к интегральным схемам с высокой степенью интеграции? Среди них:

жесткий растр и связанные с ним такие достоинства как нечувствительность к магнитным полям, отсутствие микрофонного эффекта и возможность четкой и стабильной привязки координат в измерительной аппаратуре
малая величина емкости преобразования,
максимально возможное заполнение прибора фоточувствительной площадью.

Кому это нужно

Астрономы были одними из первых, кто распознал экстраординарные способности ПЗС для исследования небесных объектов. В 1972 году группа американских ученых из Лаборатории реактивного движения NASA основала программу развития этих приемников света для астрономии и космических исследований. Три года спустя совместно с учеными Аризонского университета эта команда получила первое ПЗС-изображение астрономического объекта.

В последующие два десятилетия ПЗС совершили настоящий переворот в наблюдательной астрономии и радиоастрономии. Сегодня этими приборами оснащены все профессиональные обсерватории как наземные, так и космические, в частности, Космический телескоп Хаббла (HST) . Его отражающее зеркало, имеющее диаметр 2.4 метра, и высота полета над земной атмосферой позволили получать и передавать на землю исключительно четкие изображения астрономических объектов.

Телескоп был запущен в 1990 г., и одним из основных научных приборов на нем являлись широкоугольная и планетарная камеры, содержащие по 4 х 0.64 мегапиксельных сенсора, которые при стыковке составляют так называемый мозаичный 2.56 мегапиксельный сенсор (самое большее что можно было обеспечить в 80-е годы, когда Хаббл проектировался).

Новая космическая обсерватория Кеплера (Kepler Telescope, NASA, 2009 год), главной миссией которой является поиск экзопланет, схожих с Землей, оснащена 95 мегапиксельным мозаичным ПЗС сенсором, с помощью которого надеются открыть планеты, подобные Земле вокруг далеких звезд.

Телевидение являлось (и является) основным потребителем и основной «движущей силой», способствовавшей стремительному развитию матричных ПЗС-фотоприемников. ПЗС, по сути, заполнили вакуум (в прямом и переносном смысле!) в такой важной области науки и техники, как телевидение.

Развитие цифрового телевизионного вещания, повышение его четкости, переход к передаче трехмерных изображений непосредственно связан с развитием и совершенствованием твердотельных преобразователей изображений.

Для специалистов в области обработки изображений изобретение ПЗС можно сравнить лишь с изобретением «колеса». На основе ПЗС было разработано огромное количество прецизионной оптико-электронной аппаратуры. Это высокоточные спектрометры в различных диапазонах спектра, в том числе, акустооптические спектроанализаторы, нашедшие широкое распространение в радиоастрономии, устройства для исследования быстропротекающих процессов, в том числе, для диагностики плазмы, специализированные контрольно-измерительные комплексы.

Ну и, наконец, микроскопия в медицине и биологии, компьютерное зрение и видеоконференции, системы ориентации космических аппаратов и считыватели штрих-кодов в магазинах, телефакс и сканер…. – все это стало возможным и доступным благодаря ПЗС.

Как видим, вклад Ч. Као, У. Бойла и Джорджа Смита, получивших в этом году Нобелевскую премию по физике и названных в информационных сообщениях «повелителями света», поистине огромен. Предложенные ими технические решения позволили существенно изменить многие сферы деятельности людей, позволяя им почти мгновенно становиться свидетелями событий происходящих за сотни и тысячи километров.

Являясь чисто прикладными изобретениями, оптико-волоконные и ПЗС-технологии оказали столь мощное влияние на познавательные, коммуникационные и производительные возможности человека, что позволяет поставить их в один ряд с выдающимися фундаментальными открытиями, расширяющими и обогащающими физическую картину мира.