Уиллард Бойл

Уиллард Бойл (англ. Willard Sterling Boyle; 19 августа 1924, Амхерст, Новая Шотландия, Канада — 7 мая 2011, Уоллес, Новая Шотландия, Канада) — канадский и американский физик, лауреат Нобелевской премии по физике 2009 года (совместно с Чарльзом Смитом) за изобретение прибора с зарядовой связью (ПЗС-матрицы, CCD).

Биография

Уиллард Стерлинг Бойл родился 19 августа 1924 года в городе Амхерст (провинция Новая Шотландия, Канада). Его отец был врачом, а мать — домохозяйкой. Детство будущего учёного прошло в семье, где поощрялся интерес к науке и технике.

Во время Второй мировой войны Бойл служил в Королевском военно-морском флоте Канады. После демобилизации в 1946 году он поступил в Университет Макгилла в Монреале. В 1947 году получил степень бакалавра наук, в 1949 году — магистра, а в 1950 году защитил докторскую диссертацию (Ph.D.) по физике.

После защиты диссертации Бойл год преподавал в Университете Макгилла, а затем в 1951 году переехал в США, где присоединился к Bell Laboratories (Мюррей-Хилл, штат Нью-Джерси). В этой научно-исследовательской организации он проработал до выхода на пенсию в 1979 году. В разное время Бойл занимал должности руководителя ряда научных отделов Bell Labs, включая отдел космических исследований.

После ухода из Bell Labs Бойл вернулся в Канаду и обосновался в Новой Шотландии, где совместно с женой занимался развитием образования и сохранением культурного наследия региона. Он был членом правления ряда образовательных учреждений и активно участвовал в благотворительной деятельности. Умер 7 мая 2011 года в возрасте 86 лет.

Изобретение ПЗС-матрицы

Предпосылки и ход работы

В конце 1960-х годов в Bell Laboratories велись интенсивные исследования в области полупроводниковых устройств, в частности, работы над «пузырьковой памятью» и технологией интегральных схем. В 1969 году Уиллард Бойл и его коллега Чарльз Смит получили задание от руководства компании создать новый тип твердотельной памяти по образцу «пузырьковой», но более простой в производстве. В ходе работы над этой задачей учёные разработали идею о том, что заряд, хранящийся в полупроводниковом конденсаторе, можно перемещать с помощью последовательности управляющих электрических импульсов. Механизм получил название «перенос зарядовой связи» (charge-coupled device).

Принцип действия

Прибор с зарядовой связью представляет собой полупроводниковую структуру, состоящую из множества ячеек (пикселей). Каждая ячейка представляет собой металл-оксид-полупроводниковый (МОП) конденсатор. Под воздействием света в области полупроводника генерируются электронно-дырочные пары. Электроны накапливаются в потенциальной яме (ближе к поверхности под изолирующим слоем). Последовательно подавая напряжения на электроды (затворы), можно переносить эти пакеты заряда к выходному устройству, где они преобразуются в аналоговый электрический сигнал. Таким образом, ПЗС-матрицы выполняют функцию как фотодетекторов, так и устройств считывания.

Публикация и патент

Первая статья Бойла и Смита, описывающая принцип прибора с зарядовой связью, была опубликована в журнале Bell System Technical Journal в апреле 1970 года. В том же году они получили патент США № 3,911,465. Это изобретение заложило основу для всей современной цифровой фотографии и видеозаписи, а также для широкого спектра научных приборов, включая космические телескопы и микроскопы.

Научная и административная деятельность

Уиллард Бойл внёс значительный вклад в развитие лазеров и волоконной оптики. В период работы в Bell Labs он участвовал в создании первого непрерывного рубинового лазера (совместно с Дональдом Нильсеном). Кроме того, Бойл занимался исследованиями в области полупроводниковых устройств — гетероструктур, используемых в оптоэлектронике.

В 1960-е годы он сыграл ключевую роль в организации проекта «Telstar» — первого коммерческого спутника связи, который передавал телевизионные сигналы и телефонные звонки между Европой и Северной Америкой. Бойл также принимал участие в разработках систем навигации для космических аппаратов.

После выхода на пенсию Бойл продолжал интересоваться наукой и образованием. Он выступал с лекциями, поддерживал научные программы в канадских университетах и был членом ряда общественных организаций, включая Королевское общество Канады.

Награды и признание

Основной научной наградой для Уилларда Бойла стала Нобелевская премия по физике (2009), присуждённая за «изобретение прибора с зарядовой связью». Поскольку премия присуждается не за коммерческий продукт, а за фундаментальное научное открытие, нобелевский комитет отметил именно концепцию CCD.

Кроме того, Бойл удостоен ряда других престижных наград:

• Премия имени Эдвина Лэнга (1972) за выдающиеся достижения в области фотоники.
• Премия «Стюарт Баллентайн» (1973) от Института Франклина.
• Национальная медаль США в области технологий и инноваций (1973).
• Премия IEEE имени Джека А. Мортона (1976).
• Кавалер ордена Новой Шотландии (1999).
• Лауреат премии Чарльза Старка Дрейпера (2006).

Влияние на науку и технику

Изобретение ПЗС-матрицы произвело революцию в средствах получения и обработки изображений. CCD-матрицы стали основой:

• Цифровых фотоаппаратов и видеокамер: от компактных камер до профессиональной студийной и кинематографической техники.
• Сканеров (планшетные, барабанные, медицинские).
• Спутниковых и астрономических приборов: ПЗС-матрицы используются в космических телескопах (например, в телескопе «Хаббл») и наземных обсерваториях.
• Медицинского оборудования: эндоскопия, микроскопия, рентгеновские детекторы.
• Промышленного контроля и научных измерений.

Несмотря на появление более дешёвых и энергоэффективных полупроводниковых матриц на технологии КМОП (CMOS), ПЗС-матрицы сохраняют преимущества в области высокочувствительных и низкошумных приложений, особенно в астрономии и спектроскопии.

Источники

1. Nobel Foundation. The Nobel Prize in Physics 2009: Willard S. Boyle, Charles K. Kao, George E. Smith. — Nobelprize.org, 2009.
2. Amelio, G. F., Tompsett, M. F., Smith, G. E. (1970). Experimental verification of the charge-coupled device concept. Bell System Technical Journal, 49(4), 593–600.
3. Willard Boyle. Biographical // Nobel Lectures, Physics 2006–2010. — World Scientific, 2013.
4. Boyle, W. S. (1970). Charge-coupled devices. Physics Today, 23(11), 17–25.
5. Обзорная статья: Tompsett, M. F. (1995). The origins of the charge-coupled device. Journal of Chemical Education, 72(12), 1084–1086.