2013. július 30., kedd

Egy Csodálatos Anyag: A Homok

A homok, az üveg és a számítógép chipje között első pillantásra mintha nem létezne semmiféle összefüggés. Ám kapcsolatuk jóval szorosabban, mint azt gondolnánk. Bármily meglepő is, az alapanyag mindegyikük esetében ugyanaz.


Ha annak idején az alkimisták jövedelmező bevételi forrás után kutatva nem rossz lóra, értsd az aranyra, valamint annak a mesterséges előállítására tettek volna, az emberiség története minden bizonnyal más irányt vett volna. Ahelyett ugyanis, hogy valami teljességgel lehetetlennek a megvalósításán fáradoztak, jobban tették volna, ha mindjárt a „homokra építenek”. Pontosabban a kvarchomokra, amely tiszta formában nem más, mint szilícium és az oxigén vegyülete. Csakhogy a kvarchomok túlságosan is jelentéktelennek tűnt az aranycsinálók szemében, hiszen – ellentétben a rendkívül ritka és nehezen fellelhető arannyal – a természetben szinte korlátlan mennyiségben előfordul.

A homok története azonban természetesen nem volt teljesen ismeretlen az alkimisták előtt. Utóvégre már a Kr. e. 17. században állítottak elő üveget Mezopotámiában. Egyiptomban már Kr. e. 3000 táján is üvegszerű fénymázzal vonták be a kőgyöngyöket; az első üvegedényeket pedig nagyjából Kr. e. 1500 táján készítették. Az első ismert üvegkohót szintén Egyiptomban, Kr. e. 1350 táján építették.

Az üvegkészítés legkorábbi épségben fennmaradt leírása Assur-bán-apli (más írásmóddal II. Assurbanipal) asszír király (Kr. e. 668-626) agyagtáblakönyvtárából való. A dokumentumban a következőket olvashatjuk: „Végy 60 rész homokot, 180 rész tengeri növények elégetéséből származó hamut, öt rész krétakövet, és máris kész az üveg.” Ez az eljárás lényegében napjainkig nem változott. Az üveg igen sokoldalúan felhasználható anyag: az egyszerű üvegablaktól a biztonsági üvegen át egészen az ékszerekig sok minden készíthető belőle.

Arany helyett pénz

Csak éppen igazi aranyat nem lehetetett belőle nyerni, amire az alkimisták vágytak. Nagyon is lehetett azonban, „aranyat – vagyis sok pénzt – csinálni” a szilíciumból, amely megtalálható a homokban – erre jöttek rá a 20. század tudósai, műszaki szakemberei és kereskedői. A szilikonról, szilicidről és a sok más egyéb szerkezeti anyagról ezúttal nem kívánunk szólni. Mindenekelőtt a tiszta szilíciumra gondolunk, amely – ellentétben a szilícium-oxiddal, azaz a kvarccal és a kvarchomokkal – nem található meg a természetben.

Homokból készült A homok rendkívül sokrétű alapanyag. A gyerekek is kedvelik: számukra
eszményi építőanyag. Homokból azonban nemcsak várat lehet építeni. Kialakíthatók belőle
olyan üvegcsodák is, mint a képen látható prizma, amely a fényt valamennyi színtartományban 
megtörni.
A szilíciummal nyilvánvalóan ráleltek a „bölcsek kövére”. Puszta, többé-kevésbé vak kísérletezéssel persze aligha bukkanhattak a nyomára. Ellenkezőleg: elméleti megfontolások vezethettek erre az eredményre, pontosabban jó adag kvantumelmélet volt szükséges hozzá, amiről így bebizonyosodott, hogy nem puszta képzelgés – pedig sokan előszeretettel állították be annak.

Csak a korszerű fizikai ismeretek segítségével vált ugyanis egyáltalán lehetségessé a tranzisztorok kifejlesztése. Ahhoz, hogy a tranzisztorok – amelyek lényegében nem egyebek, mint kapcsolók – működhessenek, szükség volt a félvezetőkre. Ezek pedig  olyan anyagok, amelyek elektromos tulajdonságaik alapján a vezető fémek és a nem vezető (szigetelő) nemfémek közé sorolhatók.

Eszményi félvezető

Ezenkívül egy félvezető elektromos tulajdonságait irányítani kell tudnunk. Márpedig a tiszt szilícium egyenesen eszményi félvezetőnek bizonyult. Az első, szilíciumból (eleinte olykor még germániumból) készült tranzisztorok az 1944-46 közötti időszakban születtek. Az első szériában gyártott tranzisztoros rádiók pedig már az 1950-es évek vége felé megszólalhattak.

Üvegkészítés hatszáz esztendővel ezelőtt A képen látható 15. századi
flamand könyvillusztráció azt mutatja be, miként készítették és fújták
az üveget Csehországban (Sir John Mandeville utazásai)
Az immár elképesztő ütemben fejlődésnek indult mikro-elektrotechnikában egyre jobb és egyre nagyobb szilíciumkristályok kinyerésére kerülhetett sor. Igaz, mindehhez szükségesnek bizonyult az is, hogy a szilíciumkristályok meghatározott részeibe foszfor- vagy bóratomokat is beépítsenek. E fejlődés eredményeképpen végül is az 1960-as években jutottunk el oda, hogy megalkothattuk az első mikrocsipeket.

Csip, avagy kis korong

A csip (angol helyesírással „chip”) eredetileg olyasvalamit jelentett, mint „lemetszett kis darabka) vagy „kis korong”. Napjainkban már mindenképpen egy elektronikus félvezető mikro építőelemet értünk alatta., rendszerint épp egy 1-2 cm2 felületű szilíciumlapocskát, amely közel tízmilliárd aprócska kapcsolóelemet – mindenekelőtt tranzisztorokat  de emellett kondenzátorokat és egyéb elektronikus építőelemet is – foglal egybe, vagyis integrál. Ezek egészen finom, rövid áramkörökkel kapcsolódhatnak össze egymással.

Egyetlen ilyen piciny csip már önmagában lehet egy parányi komputer. Ezt mikroprocesszornak nevezzük. De a csip arra is alkalmas lehet, hogy elektromos töltések formájában információkat tároljon. Ez esetben memóriacsipnek nevezzük őket. A csipek tulajdonképpen a számítógépek lelkei, a bonyolult digitális rendszerek építőköveiként szolgálnak.

Kisebb, egyre kisebb…

Az már önmagában is egészen különleges teljesítmény, hogy az ember egy ilyen csipet képes megalkotni. (Összehasonlításképpen: nagyjából olyan feladatról van szó, mintha egy nagyváros valamennyi épületét és utcáját kellene megtervezni, majd ezt követően egy körülbelül akkor felületen megvalósítani, mint hüvelykujjunk körme.) Ennek fényében a mikroelektronika elképesztő sebességű fejlődése még lélegzetelállítóbb. A jövőt illetően a kutatók eltökélt célja az építőelemek további miniatürizálása, valamint összetettségük megsokszorozása.

Csipkészítés szupertiszta térben Mikroszkóppal felügyelik a csip áramkörének előállítását.
A csip később autókban , az iparban vagy személyi számítógépekben lát majd el vezérlési
feladatokat.
A mikrocsipek egyre növekvő funkcionalitása a tét, ezzel egyidejűleg pedig mind gyorsabban működő számítógépek megalkotása. Ennek a folyamatnak a vége egyelőre beláthatatlan. És mindennek az alapját a szilícium jelenti. 1960-bann a szilíciumkristályok még szinte ismeretlenek voltak, és egészen aprócskák. Csipek sem léteztek még akkoriban. Napjainkban a csipekkel folytatott kereskedelem az egész világon eléri az évi 150 milliárd euró (mintegy 39 billió Ft) körüli forgalmat. Ha ehhez hozzászámítjuk még azt is, hogy az ipari termékek sorában mi minden függ össze a csipekkel, akkor napjainkban az éves forgalom kereken 2500 milliárd eurót (kb. 624 billió Ft-ot) tesz ki – azaz a világ ipari termelésének egynegyedét

Hogyan működnek a félvezetők?

A félvezetők elektromos vezetőképessége sokkal kisebb, mint a fémeké, de a hőmérséklet emelkedésével erősen növekszik. A szilícium mellett idetartozik a szelén, a germánium vagy a réz-oxid. A félvezetők tulajdonságait más elemek hozzáadásával célzottan megváltoztathatjuk. Ha a rendszerint négy vegyértékű a alapanyaghoz (például a germániumhoz) donorként egy öt vegyértékű elem kapcsolódik, úgy ez elektronokat ad le, amelyek most már vándorolni tudnak az elektromos mezőben, és áramot képeznek.

A félvezetők előállítása során a szilíciumlemezeket légpárnán juttatják tovább a folyamat
egyik állomásától a másikig.
Ez esetben n-típusú vezetőkről beszélünk. A p-típusú vezetők esetében egy három vegyértékű elem felveszi az alapanyag elektronjait, s az így létrejövő lyukak pozitív töltésű elektronként viselkednek. A félvezető építőelemek sok modern technológia alapját képezik, így például az elektronikus adatfeldolgozásét, a mikrorendszerű technikáét vagy a fotovoltaikáét (a fényenergia közvetlen átalakítása elektromos energiává

0 komment:

Megjegyzés küldése