ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ
Автор: Терлецкая Л. И. (Ангарское Опытно Конструкторское Бюро Автоматики) Редакция текста: Шереметьев А. Н. (Ангарская Государственная Технологическая Академия) E–mail: andsh@mail. amursk. ru Введение
Электроника представляет собой бурноразвивающуюся отрасль науки и техники. Она изучает физические основы и практическое применение различных электронных приборов. К физической электронике относят: электронные и ионные процессы в газах и проводниках. На поверхности раздела между вакуумом и газом, твердыми и жидкими телами. К технической электронике относят изучение устройства электронных приборов и их применение. Область посвященная применению электронных приборов в промышленности называетсяПромышленной Электроникой. Успехи электроники в значительной степени стимулированы развитием радиотехники. Электроника и радиотехника настолько тесно связаны, что в 50–е годы их объединяют и эту область техники называют Радиоэлектроника. Радиоэлектроника сегодня это комплекс областей науки и техники, связанных с проблемой передачи, приема и преобразования информации при помощи эл. /магнитных колебаний и волн в радио и оптическом диапазоне частот. Электронные приборы служат основными элементами радиотехнических устройств и определяют важнейшие показатели радиоаппаратуры. С другой стороны многие проблемы в радиотехнике привели к изобретению новых и совершенствованию действующих электронных приборов. Эти приборы применяются в радиосвязи, телевидении, при записи и воспроизведении звука, в радиолакации, в радионавигации, в радиотелеуправлении, радиоизмерении и других областях радиотехники.
Современный этап развития техники характеризуется все возрастающим проникновении электроники во все сферы жизни и деятельности людей. По данным американской статистики до 80% от объема всей промышленности занимает электроника. Достижения в области электроники способствуют успешному решению сложнейших научно–технических проблем. Повышению эффективности научных исследований, созданию новых видов машин и оборудования. Разработке эффективных технологий и систем управления: получению материала с уникальными свойствами, совершенствованию процессов сбора и обработки информации. Охватывая широкий круг научно–технических и производственных проблем, электроника опирается на достижения в различных областях знаний. При этом с одной стороны электроника ставит задачи перед другими науками и производством, стимулируя их дальнейшее развитие, и с другой стороны вооружает их качественно новыми техническими средствами и методами исследования. Предметами научных исследований в электронике являются: Изучение законов взаимодействия электронов и других заряженных частиц с эл. /магнитными полями.
Разработка методов создания электронных приборов в которых это взаимодействие используется для преобразования энергии с целью передачи, обработки и хранения информации, автоматизации производственных процессов, создания энергетических устройств, создания контрольно–измерительной аппаратуры, средств научного эксперимента и других целей. Исключительно малая инерционность электрона позволяет эффективно использовать взаимодействие электронов, как с макрополями внутри прибора, так и микрополями внутри атома, молекулы и кристаллической решетки, для генерирования преобразования и приема эл. /магнитных колебаний с частотой до 1000ГГц. А также инфракрасного, видимого, рентгеновского и гамма излучения. Последовательное практическое освоение спектра эл. /магнитных колебаний является характерной чертой развития электроники. Фундамент развития электроники
2. 1 Фундамент электроники был заложен трудами физиков в XVIII–XIX в. Первые в мире исследования электрических разрядов в воздухе осуществили академики Ломоносов и Рихман в России и независимо от них американский ученый Франкель. В 1743 г. Ломоносов в оде "Вечерние размышления о божьем величие" изложил идею об электрической природе молнии и северного сияния. Уже в 1752 году Франкель и Ломоносов показали на опыте с помощью "громовой машины", что гром и молния представляют собой мощные электрические разряды в воздухе. Ломоносов установил также, что электрические разряды имеются в воздухе и при отсутствии грозы, т. к. и в этом случае из "громовой машины" можно было извлекать искры. "Громовая машина" представляла собой Лейденскую банку установленную в жилом помещении. Одна из обкладок которой была соединена проводом с металлической гребенкой или острием укрепленным на шесте во дворе. В 1753 г. во время опытов был убит молнией, попавшей в шест, профессор Рихман, проводивший исследования. Ломоносов создал и общую теорию грозовых явлений, представляющую собой прообраз современной теории гроз. Ломоносов исследовал также свечение разряженного воздуха под действием машины с трением. В 1802 году профессор физики Петербургской медико-хирургической академии –Василий Владимирович Петров впервые, за несколько лет до английского физика Дэви, обнаружил и описал явление электрической дуги в воздухе между двумя угольными электродами. Кроме этого фундаментального открытия, Петрову принадлежит описание разнообразных видов свечения разряженного воздуха при прохождении через него электрического тока. Свое открытие Петров описывает так: "Если на стеклянную плитку или скамеечку со стеклянными ножками будут положены 2 или 3 древесных угля, и если металлическими изолированными направителями, сообщенными с обоими полюсами огромной батареи, приближать оные один к другому на расстоянии от одной до трех линий, то является между ними весьма яркий белого цвета свет или пламя, от которого оные угли скорее или медлительнее разгораются, и от которого темный покой освещен быть может. " Работы Петрова были истолкованы только на русском языке, зарубежным ученым они были не доступны. В России значимость работ не было понято и они были забыты. Поэтому открытие дугового разряда было приписано английскому физику Дэви.
Начавшееся изучение спектров поглощения и излучения различных тел привело немецкого ученого Плюккера к созданию Гейслеровых трубок. В 1857 году Плюккер установил, что спектр Гейслеровой трубки, вытянутой в капилляр и помещенной перед щелью спектроскопа, однозначно характеризует природу заключенного в ней газа и открыл первые три линии так называемой Бальмеровской спектральной серии водорода. Ученик Плюккера Гитторф изучал тлеющий разряд и в 1869 году опубликовал серию исследований эл. /проводимости газов. Ему совместно с Плюккером принадлежат первые исследования катодных лучей, которые продолжил англичанин Крукс.
Существенный сдвиг в понимании явления газового разряда был вызван работами английского ученого Томсона, открывшего существование электронов и ионов. Томсон создал Кавендишскую лабораторию откуда вышел ряд физиков исследователей электрических зарядов газов(Таундсен, Астон, Резерфорд, Крукс, Ричардсон). В дальнейшем эта школа внесла крупный вклад в развитие электроники. Из русских физиков над исследованием дуги и практическим ее применением для освещения работали: Яблочков (1847–1894), Чиколев (1845–1898), Славянов(сварка, переплавка металлов дугой), Бернардос(применение дуги для освещения). Несколько позднее исследованием дуги занимались Лачинов и Миткевич. В 1905 году Миткевич установил природу процессов на катоде дугового разряда. Не самостоятельным разрядом воздуха занимался Столетов (1881–1891). Во время его классического исследования фотоэффекта в Московском университете Столетов для эксперимента построил "воздушный элемент" (В. Э. ) с двумя электродами в воздухе, дающим электрический ток без включения в цепь посторонних ЭДС только при внешнем освещении катода. Столетов назвал этот эффект актиноэлектрическим. Он изучал этот эффект как при повышенном атмосферном давлении, так и при пониженном. Специально построенная Столетовым аппаратура давала возможность создавать пониженное давление до 0, 002 мм. рт. столба. В этих условиях актиноэлектрический эффект представлял собой не только фототок, но и фототок усиленный самостоятельным газовым разрядом. Свою статью об открытии этого эффекта Столетов закончил так: "Как бы ни пришлось окончательно сформулировать объяснение актиноэлектрических разрядов, нельзя не признать некоторые своеобразные аналогии между этими явлениями и давно знакомыми, но до сих пор малопонятными, разрядами Гейслеровых и Круксовых трубок. Желая при моих первых опытах ориентироваться среди явлений представляемых моим сетчатым конденсатором я невольно говорил себе, что перед мной Гейслеровая трубка, могущая действовать и без разряжения воздуха с посторонним светом. Там и здесь явления электрические тесно связанны со световыми явлениями. Там и здесь катод играет особую роль и по-видимому распыляется. Изучение актиноэлектрических разрядов обещает пролить свет на процессы распространения электричества в газах вообще…" Эти слова Столетова всецело оправдались. В 1905 году Эйнштейн дал толкование фотоэффекту, связанного со световыми квантами и установил закон названный его именем. Таким образом фотоэффект, открытый Столетовым, характеризует следующие законы:
Закон Столетова –количество имитируемых в единицу времени электронов пропорционально, при прочих равных условиях, интенсивности падающего на поверхность катода света. Равные условия здесь надо понимать как освещение поверхности катода монохраматическим светом одной и той же длины волны. Или светом одного и того же спектрального состава.
Максимальная скорость электронов покидающих поверхность катода при внешнем фотоэффекте определяется соотношением:
величина кванта энергии монохроматического излучения падающего на поверхность катода. Работа выхода электрона из металла.
Скорость фотоэлектронов покидающих поверхность катодов не зависит от интенсивности падающего на катод излучения.
Впервые обнаружил внешний фотоэффект немецкий физик Герц(1887г. ). Экспериментируя с открытым им электромагнитным полем. Герц заметил, что в искровом промежутке приемного контура искра, обнаруживающая наличие электрических колебаний в контуре проскакивает при прочих равных условиях легче в том случае если на искровой промежуток падает свет от искрового разряда в генераторном контуре.
В 1881 году Эдисон впервые обнаружил явление термоэлектронной эмиссии. Проводя различные эксперименты с угольными лампами накаливания, он построил лампу содержащую в вакууме, кроме угольной нити, еще металлическую пластинку А от которой был выведен проводник Р. Если соединить провод через гальванометр с положительным концом нити, то через гальванометр идет ток, если соединить с отрицательным, то ток не обнаруживается. Это явление было названо эффектом Эдисона. Явление испускания электронов раскаленными металлами и другими телами в вакууме или в газе было названотермоэлектронной эмиссией. 3. Этапы развития электроники
1 этап. К первому этапу относится изобретение в 1809 году русским инженером Ладыгиным лампы накаливания.
Открытие в 1874 году немецким ученым Брауном выпрямительного эффекта в контакте металл–полупроводник. Использование этого эффекта русским изобретателем Поповым для детектирования радиосигнала позволило создать ему первый радиоприемник. Датой изобретения радио принято считать 7 мая 1895 г. когда Попов выступил с докладом и демонстрацией на заседании физического отделения русского физико–химического общества в Петербурге. А 24 марта 1896 г. Попов передал первое радиосообщение на расстояние 350м. Успехи электроники в этот период ее развития способствовали развитию радиотелеграфии. Одновременно разрабатывали научные основы радиотехники с целью упрощения устройства радиоприемника и повышения его чувствительности. В разных странах велись разработки и исследования различных типов простых и надежных обнаружителей высокочастотных колебаний– детекторов. 2 этап.
Второй этап развития электроники начался с 1904 г. когда английский ученый Флеминг сконструировал электровакуумный диод. Основными частями диода (рис. 2) являются два электрода находящиеся в вакууме. Металлический анод (А) и металлический катод (К) нагреваемый электрическим током до температуры при которой возникает термоэлектронная эмиссия.
При высоком вакууме разряжение газа между электродами таково, что длина свободного пробега электронов значительно превосходит расстояние между электродами, поэтому при положительном, относительно катода напряжении на аноде Va электроны движутся к аноду, вызывая ток Ia в анодной цепи. При отрицательном напряжении анода Vaэмитируемые электроны возвращаются на катод и ток в анодной цепи равен нулю. Таким образом электровакуумный диод обладает односторонней проводимостью, что используется при выпрямлении переменного тока. В 1907 г. американский инженер Ли де Форест установил, что поместив между катодом (К) и анодом (А) металлическую сетку (с) и подавая на нее напряжение Vc можно управлять анодным током Iaпрактически без инерционно и с малой затратой энергии. Так появилась первая электронная усилительная лампа–триод(рис. 3). Ее свойства как прибора для усиления и генерирования высокочастотных колебаний обусловили быстрое развитие радиосвязи. Если плотность газа наполняющего баллон настолько высока, что длина свободного пробега электронов оказывается меньше расстояния между электродами, то электронный поток, проходя через межэлектродное расстояние взаимодействует с газовой средой в результате чего свойства среды резко изменяются. Газовая среда ионизируется и переходит в состояние плазмы, характеризующееся высокой электропроводностью. Это свойство плазмы было использовано американским ученым Хеллом в разработанном им в 1905 г. газотроне–мощном выпрямительном диоде наполненном газом. Изобретение газотрона положило начало развитию газоразрядных электровакуумных приборов. В разных странах стало быстро развиваться производство электронных ламп. Особенно сильно это развитие стимулировалось военным значением радиосвязи. Поэтому 1913– 1919 годы –период резкого развития электронной техники. В 1913 г. немецкий инженер Мейснер разработал схему лампового регенеративного приемника и с помощью триода получил незатухающие гармонические колебания. Новые электронные генераторы позволили заменить искровые и дуговые радиостанции на ламповые, что практически решило проблему радиотелефонии. С этого времени радиотехника становится ламповой. В России первые радиолампы были изготовлены в 1914 году в Санкт–Петербурге консультантом русского общества беспроволочного телеграфирования Николаем Дмитриевичем Папалекси, будущим академиком АН СССР. Папалекси окончил Страсбургский университет, где работал под руководством Брауна. Первые радиолампы Папалекси из–за отсутствия совершенной откачки были не вакуумными, а газонаполненными(ртутными). С 1914–1916 гг. Папалекси проводил опыты по радиотелеграфии. Работал в области радиосвязи с подводными лодками. Руководил разработкой первых образцов отечественных радиоламп. С 1923–1935 гг. совместно с Мандельштамом руководил научным отделом центральной радиолаборатории в Ленинграде. С 1935 года работал председателем научного совета по радиофизике и радиотехнике при академии наук СССР. Первые в России электровакуумные приемо–усилительные радиолампы были изготовлены Бонч –Бруевичем. Он родился в г. Орле (1888 г. ). В 1909 году окончил инженерное училище в Петербурге. В 1914 г. окончил офицерскую электротехническую школу. С 1916 по 1918 г. занимался созданием электронных ламп и организовал их производство. В 1918 году возглавил Нижегородскую радиолабораторию, объединив лучших радиоспециалистов того времени(Остряков, Пистолькорс, Шорин, Лосев). В марте 1919 года в нижегородской радиолаборатории началось серийное производство электровакуумной лампы РП–1. В 1920 году Бонч–Бруевич закончил разработку первых в мире генераторных ламп с медным анодом и водяным охлаждением, мощностью до 1 кВт. Видные немецкие ученые, ознакомившись с достижениями Нижегородской лаборатории признали приоритет России в создании мощных генераторных ламп. Большие работы по созданию электровакуумных приборов развернулись в Петрограде. Здесь работали Чернышев, Богословский, Векшинский, Оболенский, Шапошников, Зусмановский, Александров. Важное значение для развития электровакуумной техники имело изобретение нагреваемого катода. В 1922 году в Петрограде был создан электровакуумный завод, который слился с электроламповым заводом "Светлана". В научно–исследовательской лаборатории этого завода, Векшинским были проведены многосторонние исследования в области физики и технологии электронных приборов (по эмиссионным свойствам катодов, газовыделению металла и стекла и другие). Переход от длинных волн к коротким и средним, и изобретение супергетеродина и развитие радиовещания потребовали разработки более совершенных ламп, чем триоды. Разработанная в 1924 г. и усовершенствованная в 1926 г. американцем Хеллом экранированная лампа с двумя сетками (тетрод), и предложенная им же 1930 г. электровакуумная лампа с тремя сетками (пентод), решили задачу повышения рабочих частот радиовещания. Пентоды стали самыми распространенными радиолампами. Развитие специальных методов радиоприема вызвало в 1934–1935 годах появления новых типов многосеточных частотопреобразовательных радиоламп. Появились также разнообразные комбинированные радиолампы, применение которых позволило значительно уменьшить число радиоламп в приемнике. Особенно наглядно взаимосвязь между электровакуумной и радиотехникой проявилась в период, когда радиотехника перешла к освоению и использованию диапазона УКВ (ультракороткие волны–метровые, дециметровые, сантиметровые и миллиметровые диапазоны). Для этой цели, во–первых, были значительно усовершенствованы уже известные радиолампы. Во–вторых, были разработаны электровакуумные приборы с новыми принципами управления электронными потоками. Сюда относятся многорезонаторные магнетроны(1938г), клистроны(1942г), лампы обратной волны ЛОВ (1953г). Такие приборы могли генерировать и усиливать колебания очень высоких частот, включая миллиметровый диапазон волн. Эти достижения электровакуумной техники обусловили развитие таких отраслей как радионавигация, радиолакация, импульсная многоканальная связь.
Советский радиофизик Рожанский в 1932 г. предложил создать приборы с модуляцией электронного потока по скорости. По его идее Арсеньев и Хейль в 1939 г. построили первые приборы для усиления и генерации колебаний СВЧ (сверх высокие частоты). Большое значение для техники дециметровых волн имели работы Девяткова, Хохлова, Гуревича, которые в 1938–1941 годах сконструировали триоды с плоскими дисковыми электродами. По этому же принципу в Германии были изготовлены металлокерамические лампы, а в США маячковые лампы.
Созданные в 1943г. Компфнером лампы бегущей волны(ЛБВ) обеспечили дальнейшее развитие СВЧ систем радиорелейной связи. Для генерации мощных СВЧ колебаний в 1921 г. был предложен магнетрон, его автор Хелл. По магнетрону исследования проводили русские ученые– Слуцкий, Грехова, Штейнберг, Калинин, Зусмановский, Брауде, в японии – Яги, Окабе. Современные магнетроны берут свое начало в 1936 – 1937 годах, когда по идее Бонч–Бруевича его сотрудники, Алексеев и Моляров, разработали многорезонаторные магнетроны.
В 1934 году сотрудники центральной радиолаборатории, Коровин и Румянцев, провели первый эксперимент по применению радиолакации и определению летящего самолета. В 1935 г. теоретические основы радиолакации были разработаны в Ленинградском физико–техническом институте Кобзаревым. Одновременно с разработкой вакуумных электроприборов, на втором этапе развития электроники, создавались и совершенствовались газоразрядные приборы.
В 1918 г. в результате исследовательской работы доктора Шретера немецкая фирма "Пинтш" выпустила первые промышленные лампы тлеющего разряда на 220 В. начиная с 1921 года голландская фирма Philips выпустила первые неоновые лампы тлеющего разряда на 110 В. В США первые миниатюрные неоновые лампы появились в 1929 г. В 1930 году Ноулз впервые опубликовал описание неоновой лампы тлеющего разряда, в которой возникновение разряда между анодом и катодом вызывается третьим электродом. Первый тиратрон тлеющего разряда (рис. 4), который нашел широкое применение, сконструировал в 1936 году изобретатель фирмы "Белл Телефон". В то время он именовался "Лампа– 313А". В этом же году другой изобретатель – Витли, предложил свою конструкцию тиратрона. Где с помощью тока ( Ic ) управляющего электрода (с) создается необходимый начальный уровень концентрации электронов и ионов, в вакуумном промежутке анод–катод. Этот уровень обеспечивает появление тлеющего разряда. Этот же эффект используется в декатроне, предложенном фирмой "Эриксон". Декатрон представляет собой десятикатодный переключатель(рис. 5), состоящий из одного анода (А) и десяти катодов (К1, К2, К3…, К10) и расположенных между катодами подкатодов (1, 2). Заряд переносится с одного катода на другой путем последовательной подачи пар управляющих импульсов на подкатоды. Пусть существует тлеющий заряд между катодом К1 и анодом А, если потенциал подкатода1 будет ниже, чем К1 заряд перекинется на подкатод 1. Подавая отрицательный импульс на подкатод 1 и следом на 2, переносят заряд на К1 и К2.
Первый советский тиратрон тлеющего разряда был разработан в 1940 году в лаборатории завода "Светлана". По своим параметрам он был близок к параметрам фирмы "RCA". Свечение, сопровождающее газовый разряд, стали использовать в знаковых газоразрядных индикаторах: при подаче напряжения на тот или иной катод (знак) возникает светящееся изображение.
В 30–е годы были заложены основы радиотелевидения. Первые предложения о специальных передающих трубках сделали независимо друг от друга Константинов и Катаев. Подобные же трубки названные иконоскопами построил в США Владимир Константинович Зворыкин. В 1912 г. он окончил Петербургский экономический институт. В 1914 г. колледж "Де Франс" в Париже. В 1917 эмигрировал в США. В 1920 г. поступил в фирму "Вестингаус Электрик". В 1929 г. возглавил лабораторию американской радиокорпорации "Камдем и Пристон". В 1931 г. Зворыкин создал первый иконоскоп–передающую трубку, которая сделала возможным развитие электронных телевизионных систем. В 1933 г. Шмаков и Тимофеев предложили более чувствительные передающие трубки–супериконоскоп. Позволивший вести телевизионные передачи без сильного искусственного освещения. Шмаков родился в 1885 г. , в 1912 г. закончил МГУ, работал (1924–30 гг. ) в МВТУ, (1930–32 гг. ) работал в МЭИ, в 1933 изобрел супериконоскоп, (1935 –37 гг. ) заведовал лабораторией в Всесоюзном НИИ телевидения в Ленинграде. Тимофеев родился в 1902 г. , в 1925 г. закончил МГУ, (1925–28 гг. ) работал в МВТУ, в 1933 г. вместе со Шмаковым изобрел иконоскоп. Остальные труды относились к области: фотоэффекта, вторичной электронной эмиссии, разрядов в газах, электронной оптики. Разработал конструкции электронных умножителей, электронно–оптических преобразователей. В 1939 г. советский ученый Брауде предложил идею создания еще более чувствительной передающей трубки названной суперортикон. К 1930 годам относятся первые эксперименты с очень простыми передающими устройствами получившими название видикон. Идея создания видикона была выдвинута Чернышевым в 1925 году. Первые практические образцы видиконов появились в США в 1946 г. Иконоскоп (рис. 7) представляет собой электроннолучевую трубку в которой с помощью электронного луча и светочувствительной мозаики происходит преобразование световой энергии в электрические видеоимпульсы. Иконоскоп имеет стеклянный баллон (4) в котором находится светочувствительная мозаика (6), состоящая из нескольких миллионов изолированных друг от друга зерен серебра (Ag) покрытых цезием (Cs). Мозаика наносится на тонкую слюдяную пластинку размером 100х100 мм. На обратной стороне слюдяной пластины находится сигнальная пластина (5), представляющая собой миниатюрный фотокатод, излучающий свободные электроны под действием света. Каждое зерно светочувствительной мозаики совместно с сигнальной пластиной можно рассматривать как элементарный конденсатор со слюдяным диэлектриком. При освещении мозаики через линзу (2) светом отраженным от передаваемого изображения (1), мозаика превращается в систему конденсаторов заряд которых пропорционален освещенности соответствующих зерен. Свободные электроны эмитируемые фотокатодом (5) собираются коллектором (3) на который падает положительное по отношению к сигнальной пластине напряжение. Коллектором служит проводящий слой нанесенный на внутреннюю стенку иконоскопа. Электронный прожектор (8) создает луч, который с помощью отклоняющей системы (7) построчно обегает все зерна мозаики и снимает с них положительный заряд. Свободные электроны электронного луча занимают место электронов вылетевших из мозаики в результате фотоэлектронной эмиссии. Разряд микроскопических конденсаторов вызывает прохождение токов через резистор нагрузки (Rн) и цепь катода (К) электронного прожектора. Падение напряжения на резисторе (Rн) пропорционально освещенности элементарных участков мозаики с которых в данный момент электронный луч снимает положительный заряд. Недостатком иконоскопа является малый КПД и низкая чувствительность. Для работы такого иконоскопа требуется очень большая освещенность передаваемого объекта. На (рис. 8) приведена принципиальная схема видикона. На внутреннюю торцевую поверхность баллона видикона наносится полупрозрачный слой золота, исполняющего роль сигнальной пластины (9). На этот слой наносится фоторезист (8)–это кристаллический Селен или трехсернистая Сурьма. Свободные электроны, излучаемые катодом (К), формируются в электронный луч с помощью управляющего электрода (11) и двух ускоряющих анодов (5 и 6). Фокусировка луча осуществляется с помощью фокусирующей катушки (3). Сетка (7) расположенная перед фоторезистом создает однородное тормозящее поле, которое препятствует к образованию ионного пятна и обеспечивает нормальное падение электронного луча. Отклоняющие катушки (4) питаются пилообразными токами и заставляют электронный луч построчно обегать рабочий участок фоторезиста(8). Корректирующие (1) и центрирующие (2) катушки дают возможность перемещать электронный луч в 2–х взаимно перпендикулярных областях. Электропроводность фоторезиста зависит от его освещенности. Электронный луч, попадая на поверхность мишени, выбивает вторичные электроны, число которых больше, чем первичных, потому поверхность мишени, обращенная к электронному прожектору, заряжается положительно до потенциала, близкого потенциалу ускоряющего анода (5). Потенциалы другой стороны мишени, обращенной к передаваемому изображению, близки к потенциалу сигнальной пластины. Каждый элемент мишени можно рассматривать как конденсатор с потерями, электропроводность, которого зависит от интенсивности освещения. Изменение потенциала элементов мишени электронным лучом и является видеосигналом снимаемым с резистора нагрузки Rн. Напряжение снимаемое с резистора Rн пропорционально освещенности того элемента на котором в данный момент находится электронный луч. 4. Третий период развития электроники 4. 1 Изобретение точечного транзистора.
Третий период развития электроники –это период создания и внедрения дискретных полупроводниковых приборов, начавшийся с изобретения точечного транзистора. В 1946 году при лаборатории "Белл Телефон" была создана группа во главе с Уильямом Шокли, проводившая исследования свойств полупроводников на Кремнии (Sc) и Германии (Ge) [Литература: Дж. Грик "Физика XX в. Ключевые эксперименты", М. 1978 г. ] Группа проводила как теоретические, так и экспериментальные исследования физических процессов на границе раздела двух полупроводников с различными типами электрической проводимости. В итоге были изобретены: трехэлектродные полупроводниковые приборы–транзисторы. В зависимости от количества носителей заряда транзисторы были разделены на:
униполярные (полевые), где использовались однополярные носители. биполярные, где использовались разнополярные носители(электроны и дырки). Идеи создания полевых транзисторов появились раньше, чем биполярных, но практически реализовать эти идеи не удавалось. Успех был достигнут 23 декабря 1947 г. сотрудниками лаборатории "Белл Телефон"–Бардиным и Браттейном, под руководством Шокли. Бардин и Браттейн в результате многочисленных вариантов получили работающий полупроводниковый прибор. Информация об этом изобретении появилась в журнале "The Physical Review" в июле 1948 года. Вот как об этом изобретении писали сами авторы: "Приводится описание трехэлементного электронного устройства, использующего вновь открытый принцип, который основан на применение полупроводника в качестве основного элемента. Устройство может быть использовано, как усилитель, генератор и в других целях, для которых обычно применяются вакуумные электронные лампы. Устройство состоит из трех электродов размещенных на германиевом блоке, как показано наРис. 4. 1
Два из этих электродов называющиеся, эмиттером (Э) и коллектором (К), являются выпрямителями с точечным контактом и располагаются в непосредственной близости друг от друга на верхней поверхности. Третий электрод, большой площади и маленького радиуса, нанесен на основание– базу (Б). Использовался Ge n–типа. Точечные контакты изготовлялись как из Вольфрама так и из фосфористой бронзы. Каждый точечный контакт в отдельности вместе с электродом базы образует выпрямитель с высоким обратным сопротивлением. Ток, направление которого по отношению ко всему объему кристалла является прямым, создается дырками т. е. носителями, имеющими противоположный знак по отношению к носителям обычно присутствующим в избытке внутри объема Ge. Когда два точечных контакта расположены очень близко друг к другу и к ним приложено постоянное напряжение, контакты оказывают взаимное влияние друг на друга. Благодаря этому влиянию возможно использовать данное устройство для усиления сигнала переменного тока. Электрическая цепь с помощью которой можно этого добиться показана наРис. 4. 1К эмиттеру приложено небольшое положительное напряжение в прямом направлении, которое вызывает ток в несколько миллиампер через поверхность. К коллектору прикладывается обратное напряжение, достаточно большое для того чтобы ток коллектора был равным или больше тока эмиттера(Ik ? Iэ). Знак напряжения на коллекторе таков, что он притягивает дырки идущие от эмиттера. В результате большая часть тока эмиттера проходит через коллектор. Коллектор создает большое сопротивление для электронов текущих в полупроводник, и почти не препятствует потоку дырок в точечный. Если ток эмиттера модулировать напряжением сигнала, то это приводит к соответствующему изменению тока коллектора. Была получена большая величина отношения выходного напряжения к входному, такого же порядка, что и отношение импедансов, выпрямляющего точечного контакта в обратном и прямом направлении. Таким образом возникает соответствующее усиление мощности выходного сигнала. Получили выигрыш в мощности в 100 раз. Подобные устройства работали как усилители при частотах вплоть до 10 МГц(мегагерц). "
Устройство изобретенное Бардиным и Браттейном было названо точечным транзистором типа А и представлял собой конструкцию представленную на Рис. 4. 2 Где (1) кристалл Германия, (2) вывод эмиттера, (3) вывод базы. Усиление сигнала осуществлялось за счет большого различия в величинах сопротивления, низкоомного входного и высокоомного выходного. Поэтому создатели нового прибора назвали его сокращенно– транзистором (в пер. с английского – "преобразователь сопротивления"). 4. 2 Изобретение плоскостного биполярного транзистора.
Одновременно, в период апрель 1947 –январь 1948 г. , Шокли опубликовал теорию плоскостных биполярных транзисторов. Рассмотрев полупроводниковые выпрямительные устройства из кристаллов полупроводника, имеющего переход между областями p- и n- типа. (Рис. 4. 3) Такое устройство, называемое плоскостным полупроводниковым выпрямителем, обладает малым сопротивлением, когда р-область–положительна по отношению к n-области. Характеристики плоскостного выпрямителя можно точно определить теоретически. По сравнению с точечным, плоскостной выпрямитель допускает большую нагрузку т. к. площадь контакта можно сделать достаточно большой. С другой стороны с увеличением площади растет шунтирующая контактная емкость. Далее Шокли рассмотрел теорию плоскостного транзистора из кристалла полупроводника, содержащего два p-n перехода (Рис. 4. 4) Положительная р-область является эмиттером, отрицательная р-область коллектором, n-область представляет собой базу. Таким образом вместо металлических точечных контактов используются две p-n области. В точечном транзисторе два металлических точечных контакта необходимо было располагать очень близко друг к другу, и в плоскостном транзисторе оба перехода должны располагаться очень близко друг к другу. Область базы очень тонкая–менее 25 мкм. Плоскостные транзисторы обладают рядом преимуществ перед точечными: они более доступны теоретическому анализу, обладают более низким уровнем шумов, обеспечивают большую мощность. Для нормальной работы транзистора, как усилителя, необходимо чтобы на эмиттер было подано прямое, а на коллектор обратное смещение, по отношению к базе. Для p-n-p транзистора условие соответствует– положительному эмиттеру и отрицательному коллектору. Для n-p-n – обратные полярности т. е. отрицательный эмиттер и положительный коллектор. Изобретение транзисторов явилось знаменательной вехой в истории развития электроники и поэтому его авторы Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли были удостоины нобелевской премии по физике за 1956 г. 4. 3 Предпосылки появления транзисторов.
Появление транзисторов –это результат кропотливой работы десятков выдающихся ученых и сотен виднейших специалистов, которые в течении предшествующих десятилетий развивали науку о полупроводниках. Среди них были не только физики, но и специалисты по электронике, физхимии, материаловедению.
Начало серьезных исследований относится к 1833 году, когда Майкл Фарадей работая с сульфидом серебра обнаружил, что проводимость полупроводников растет с повышением температуры, в противоположность проводимости металлов, которая в этом случае уменьшается.
В конце XIX века были установлены три важнейших свойства полупроводников: Появление ЭДС при освещении полупроводника.
Рост электрической проводимости полупроводника при освещении. Выпрямляющее свойство контакта полупроводника с металлом.
В 20-е годы ХХ в. выпрямляющие свойства контакта полупроводников с металлом начали практически использовать в радиотехнике. Радиоспециалисту из Нижегородской радиотехнической лаборатории Олегу Лосеву в 1922 году удалось применить выпрямляющее устройство на контакте стали с кристаллом цинкита в качестве детектора, в детекторном приемнике под названием "Кристадин". Схема кристадина (Рис. 4. 5) содержит входной настраиваемый контур L1C1к которому подключена внешняя антенна А и заземление. С помощью переключателя П1 параллельно входному контуру подключается детектор Д1. Такой детектор может не только детектировать, но и предварительно усиливать сигнал, когда его рабочая точка находится на падающем участке ВАХ (Рис. 4. 5(б)). На этом участке ВАХ сопротивление детектора становится отрицательным, что приводит к частичной компенсации потерь в контуре L1C1 и тогда приемник становится генератором.
Потенциометр R1регулирует ток детектора. Прослушивание сигналов принятых радиостанцией осуществляется на низкоуровневый телефон, катушки которого включены последовательно с источником питания через дроссель Др 1 и катушку L2. Первый образец кристадина был изготовлен Лосевым в 1923 году. В это время в Москве начала работать центральная радиотелефонная станция, передачи которой можно было принимать на простые детекторные приемники только вблизи столицы. Кристадин Лосева позволял не только увеличить дальность приема радиостанции, но был проще и дешевле. Интерес к кристадину в то время был огромный. "Сенсационное изобретение"–под таким заголовком американский журнал "Radio News" напечатал в сентябре 1924 г. редакционную статью посвященную работе Лосева. "Открытие Лосева делает эпоху", –писал журнал, выражая надежду, что сложную электровакуумную лампу вскоре заменит кусочек цинкита или другого вещества простого в изготовлении и применении.
Продолжая исследование кристаллических детекторов, Лосев открыл свечение карборунда при прохождении через него электрического тока. Спустя 20 лет это же явление было открыто американским физиком Дестрио и получило название электролюминесценции. Важную роль в развитии теории полупроводников в начале 30-х годов сыграли работы проводимые в России под руководством академика А. Ф. Иоффе. В 1931 году он опубликовал статью с пророческим названием: "Полупроводники–новые материалы электроники". Немалую заслугу в исследование полупроводников внесли советские ученые– Б. В. Курчатов, В. П. Жузе и др. В своей работе –"К вопросу об электропроводности закиси меди", опубликованной в 1932 году, они показали, что величина и тип электрической проводимости определяется концентрацией и природой примеси. Немного позднее, советский физик–Я. Н. Френкель создал теорию возбуждения в полупроводниках парных носителей заряда: электронов и дырок. В 1931 г. англичанину Уилсону удалось создать теоретическую модель полупроводника, основанную на том факте, что в твердом теле дискретные энергетические уровни электронов отдельных атомов размываются в непрерывные зоны, разделенные запрещенными зонами (значениями энергии, которые электроны не могут принимать)– "зонная теория полупроводников". В 1938 г. Мотт в Англии, Давыдов в СССР, Вальтер Шоттки в Германии сформулировали, независимо, теорию выпрямляющего действия контакта металл-полупроводник. Эта обширная программа исследований, выполняемая учеными разных стран и привела к экспериментальному созданию сначала точечного, а затем и плоскостного транзистора. 4. 4 История развития полевых транзисторов.
4. 4. 1Первый полевой транзистор был запатентован в США в 1926/30гг. , 1928/32гг. и 1928/33гг. Лилиенфельд–автор этих потентов. Он родился в 1882 году в Польше. С 1910 по 1926 г. был профессором Лейпцигского университета. В 1926 г. иммигрировал в США и подал заявку на патент.
Предложенные Лилиенфельдом транзисторы не были внедрены в производство. Транзистор по одному из первых патентов № 1900018 представлен на Рис. 4. 6
Наиболее важная особенность изобретения Лилиенфельда заключается в том, что он понимал работу транзистора на принципе модуляции проводимости исходя из электростатики. В описании к патенту формулируется, что проводимость тонкой области полупроводникового канала модулируется входным сигналом, поступающим на затвор через входной трансформатор. 4. 4. 2
В 1935 году в Англии получил патент на полевой транзистор немецкий изобретатель О. Хейл Схема из патента № 439457 представлена на Рис. 4. 7 где: 1 – управляющий электрод
2 – тонкий слой полупроводника(теллур, йод, окись меди, пятиокись ванадия) 3, 4 – омические контакты к полупроводнику 5 – источник постоянного тока 6 – источник переменного напряжения 7 – амперметр
Управляющий электрод (1) выполняет роль затвора, электрод (3) выполняет роль стока, электрод (4) роль истока. Подавая переменный сигнал на затвор, расположенный очень близко к проводнику, получаем изменение сопротивления полупроводника (2) между стоком и истоком. При низкой частоте можно наблюдать колебание стрелки амперметра (7). Данное изобретение является прототипом полевого транзистора с изолированным затвором. 4. 4. 3
Следующий период волны изобретений по транзисторам наступил в 1939 году, когда после трехлетних изысканий по твердотельному усилителю в фирме "BTL" (Bell Telephone Laboratories) Шокли был приглашен включиться в исследование Браттейна по медноокисному выпрямителю. Работа была прервана второй мировой войной, но уже перед отъездом на фронт Шокли предложил два транзистора. Исследования по транзисторам возобновились после войны, когда в середине 1945 г. Шокли вернулся в "BTL", а в 1946 г. туда же пришел Бардин.
В 1952 г. Шокли описал униполярный(полевой) транзистор с управляющим электродом, состоящим, как показано на рис. 4. 8, из обратно смещенного p-n–перехода. Предложенный Шокли полевой транзистор состоит из полупроводникового стержня n-типа (канал n-типа) с омическими выводами на торцах. В качестве полупроводника использован кремний(Si). На поверхности канала с противоположных сторон формируется p-n-переход, таким образом, чтобы он был параллелен направлению тока в канале. Рассмотрим как течет ток между омическими контактами истока и стока. Проводимость канала определяют основные носители заряда для данного канала. В нашем случае электроны в канале n-типа. Вывод, от которого носители начинают свой путь, называется истоком. На рис. 4. 8–это отрицательный электрод. Второй омический электрод, к которому подходят электроны, – сток. Третий вывод от p-n-перехода называют затвор. Точное описание процессов в полевом транзисторе представляет определенные трудности. Поэтому, Шокли предложил упрощенную теорию униполярного транзистора в основном объясняющую свойства этого прибора. При изменении входного напряжения (исток-затвор) изменяется обратное напряжение на p-n-переходе, что приводит к изменению толщины запирающего слоя. Соответственно изменяется площадь поперечного сечения n-канала, через который проходит поток основных носителей заряда, т. е. выходной ток. При высоком напряжении затвора запирающий слой становится все толще и площадь поперечного сечения уменьшается до нуля, а сопротивление канала увеличивается до бесконечности и транзистор запирается. 4. 4. 4
В 1963 г. Хофштейн и Хайман описали другую конструкцию полевого транзистора, где используется поле в диэлектрике, расположенном между пластиной полупроводника и металлической пленкой. Такие транзисторы со структурой металл-диэлектрик-полупроводник называются МДП-транзисторы. В период с 1952 по 1970 гг. полевые транзисторы оставались на лабораторной стадии развития. Три фактора способствовали стремительному развитию полевых транзисторов в 70-е годы:
1) Развитие физики полупроводников и прогресс в технологии полупроводников, что позволило получить приборы с заданными характеристиками.
2) Создание новых технологических методов, таких как тонкопленочные технологии для получения структуры с изолированным затвором.
3) Широкое внедрение транзисторов в электрическое оборудование.
4. 5 История развития серийного производства транзисторов в США и СССР 4. 5. 1
Ускоренная разработка и производство транзисторов развернулись в США в кремниевой долине, расположенной в 80-ти км от Сан-Франциско. Возникновение кремниевой долины связывают с именем Ф. Термена–декана инженерного факультета Стенфордского университета, когда его студенты Хьюлетт, Паккард и братья Вариан создали фирмы, прославившие их имена во время второй мировой войны.
Бурное развитие кремниевой долины началось, когда Шокли покинул "BTL" и основал собственную фирму по производству кремниевых транзисторов при финансовой помощи питомца Калифорнийского политехнического института А. Беккмана. Его фирма начала работу осенью 1955 г. , как отделение фирмы "Beckman Instruments" в армейских казармах Паоло-Алто. Шокли пригласил 12 специалистов (Хорсли, Нойс, Мур, Гринич, Робертс, Хорни, Ласт, Джонс, Клейнер, Блэнк, Нэпик, Са). В 1957 г. фирма изменила свое название на "Shockly Transistor Corporation". Вскоре 8 специалистов (Нойс, Мур, Гринич, Робертс, Хорни, Ласт, Клейнер, Блэнк) договорились с Беккманом и создали отдельную самостоятельную фирму "Fairchild Semiconductor Corporation" в основе деятельности, которой лежало массовое производство высококачественных кремниевых биполярных транзисторов. В качестве первого изделия был выбран в 1957 г. кремниевый n-p-n мезатранзистор с двойной диффузией типа 2N696. Он требовал всего лишь два процесса фотолитографии для создания эмиттера и металлических контактов. Термин мезатранзистор был предложен Эрли из "BTL". Введя дополнительную операцию фотолитографии, Хорни заменил мезаструктуру коллектора диффузионным карманом и закрыл место пересечения эмиторного и коллекторного переходов с поверхностью термическим оксидом(1000oС). Технологию таких транзисторов Хорни назвал планарным процессом. В 1961 г. был начат крупносерийный выпуск двух планарных кремниевых биполярных транзисторов 2N613(n-p-n), 2N869(p-n-p)
Институт полупроводниковых материалов и оборудования (США) составил генеалогическое дерево и первые ветви отпочкованные от фирмы Shockley выглядят так: Ласт и Хорни в 1961 году основали Amelco, которая позже превратилась в Teledyne Semiconductor. Хорни в 1964 году создал Union Corbide Electronics, в 1967 году–Intersil. Ежегодно создавалось по четыре фирмы, и за период с 1957 по 1983 г. в кремниевой долине было создано более 100 фирм. Рост продолжается и сейчас. Он стимулируется близостью Стенфордского и Калифорнийского университета и активным участием их сотрудников в деле организации фирм (Рис. 4. 9). Рис. 4. 9 Динамика развития кремниевой долины. 1914–1920 гг 1955 – 57 гг 1960 г 1961 г 1968 г Хьюлетт-Пакард (два друга и братья Вариан) BTL Shockley Semiconductor Laboratory (Beckman Instruments) Паоло Алто(военные казармы). Са Хорсли Джонс 12 чел. Нэпик Нойс Мур Гринич Робертс Хорни Ласт Клейнер Блэнк Fairchild Semiconductor Corporation 8 чел. Amelco + Уэнлесс Сноу Эндрю Гроув Дил Intel(Интергрейтед электроникс) 12 чел. (Маунтин Вью) 4. 5. 2
Первыми транзисторами выпущенными отечественной промышленностью были точечные транзисторы, которые предназначались для усиления и генерирования колебаний частотой до 5 МГц. В процессе производства первых в мире транзисторов были отработаны отдельные технологические процессы и разработаны методы контроля параметров. Накопленный опыт позволил перейти к выпуску более совершенных приборов, которые уже могли работать на частотах до 10 МГц. В дальнейшем на смену точечным транзисторам пришли плоскостные, обладающие более высокими электрическими и эксплуатационными качествами. Первые транзисторы типа П1 и П2 предназначались для усиления и генерирования электрических колебаний с частотой до 100 кГц. Затем появились более мощные низкочастотные транзисторы П3 и П4 применение которых в 2-х тактных усилителях позволяло получить выходную мощность до нескольких десятков ватт. По мере развития полупроводниковой промышленности происходило освоение новых типов транзисторов, в том числе П5 и П6, которые по сравнению со своими предшественниками обладали улучшенными характеристиками. Шло время, осваивались новые методы изготовления транзисторов, и транзисторы П1–П6 уже не удовлетворяли действующим требованиям и были сняты с производства. Вместо них появились транзисторы типа П13– П16, П201 –П203, которые тоже относились к низкочастотным непревышающим 100 кГц. Столь низкий частотный предел объясняется способом изготовления этих транзисторов, осуществляемым методом сплавления. Поэтому транзисторы П1– П6, П13 – П16, П201 –П203 называют сплавными. Транзисторы способные генерировать и усиливать электрические колебания с частотой в десятки и сотни МГц появились значительно позже– это были транзисторы типа П401 –П403, которые положили начало применению нового диффузионного метода изготовления полупроводниковых приборов. Такие транзисторы называют диффузионными. Дальнейшее развитие шло по пути совершенствования как сплавных, так и диффузионных транзисторов, а так же созданию и освоению новых методов их изготовления. 5. Предпосылки появления микроэлектроники
5. 1 Требования миниатюризации электрорадиоэлементов со стороны разработчиков радиоаппаратуры.
С появлением биполярных полевых транзисторов начали воплощаться идеи разработки малогабаритных ЭВМ. На их основе стали создавать бортовые электронные системы для авиационной и космической техники. Так как эти устройства содержали тысячи отдельных ЭРЭ(электрорадиоэлементов) и постоянно требовалось все большее и большее их увеличение, появились и технические трудности. С увеличением числа элементов электронных систем практически не удавалось обеспечить их работоспособность сразу же после сборки, и обеспечить, в дальнейшем, надежность функционирования систем. Даже опытные сборщики и наладчики ЭВМ допускали несколько ошибок на 1000 спаек. Разработчики предполагали новые перспективные схемы, а изготовители не могли запустить эти схемы сразу после сборки т. к. при монтаже не удавалось избежать ошибок, обрывов в цепи за счет не пропаев, и коротких замыканий. Требовалась длинная и кропотливая наладка. Проблема качества монтажно-сборочных работ стало основной проблемой изготовителей при обеспечении работоспособности и надежности радиоэлектронных устройств. Решение проблемы межсоединений и явилось предпосылкой к появлению микроэлектроники. Прообразом будущих микросхем послужила печатная плата, в которой все одиночные проводники объединены в единое целое и изготавливаются одновременно групповым методом путем стравливания медной фольги с плоскостью фольгированного диэлектрика. Единственным видом интеграции в этом случае являются проводники. Применение печатных плат хотя и не решает проблемы миниатюризации, однако решает проблему повышения надежности межсоединений. Технология изготовления печатных плат не дает возможности изготовить одновременно другие пассивные элементы кроме проводников. Именно поэтому печатные платы не превратились в интегральные микросхемы в современном понимании. Первыми были разработаны в конце 40-х годов толстопленочные гибридные схемы, в основу их изготовления была положена уже отработанная технология изготовления керамических конденсаторов, использующая метод нанесения на керамическую подложку через трафареты паст, содержащих порошок серебра и стекла. Переход к изготовлению на одной подложке нескольких соединенных между собой конденсаторов, а затем соединение их с композиционными резисторами, наносимыми также с помощью трафарета, с последующим вжиганием привело к созданию гибридных схем, состоящих из конденсаторов и резисторов. Вскоре в состав гибридных схем были включены и дискретные активные и пассивные компоненты: навесные конденсаторы, диоды и транзисторы. В дальнейшем развитии гибридных схем навесным монтажем были включены сверхминиатюрные электровакуумные лампы. Такие схемы получили название толстопленочные гибридные интегральные микросхемы (ГИС). Тонкопленочная технология производства интегральных микросхем включает в себя нанесение в вакууме на гладкую поверхность диэлектрических подложек тонких пленок различных материалов(проводящих, диэлектрических, резистивных).
В 60-е годы огромные усилия исследователей были направлены на создание тонкопленочных активных элементов. Однако надежно работающих транзисторов с воспроизводимыми характеристиками никак не удавалось получить, поэтому в тонкопленочных ГИС продолжают использовать активные навесные элементы. К моменту изобретения интегральных микросхем из полупроводниковых материалов уже научились изготавливать дискретные транзисторы и резисторы. Для изготовления конденсатора уже использовали емкость обратно смещенного p-n перехода. Для изготовления резисторов использовались омические свойства кристалла полупроводника. На очереди стояла задача объединить все эти элементы в одном устройстве. 5. 2 Основы развития технологии микроэлектроники. 5. 2. 1
Развитие микроэлектроники определяется уровнем достигнутой микротехнологии. Планарная технология. При планарной технологии требуется обеспечить возможность создания рисунка тонких слоев из материала с различными электрическими характеристиками, чтобы получить электронную схему. Важная особенность планарной технологии заключается в ее групповом характере: все интегральные схемы (ИС) на пластине изготавливают в одном технологическом цикле, что позволяет одновременно получать несколько полупроводниковых схем. 5. 2. 1. 1 Технологические процессы получения тонких пленок.
1) Эпитаксия (упорядочение) –процесс наращивания на кристаллической подложке атомов упорядоченных в монокристаллическую структуру. с тем чтобы структура наращиваемой пленки полностью повторила кристаллическую ориентацию подложки. Основное достоинство техники эпитаксии состоит в возможности получения чрезвычайно чистых пленок при сохранении возможности регулирования уровня легирования. Применяют три типа эпитаксиального наращивания: газовую, жидкостную и молекулярную.
При газовой эпитаксии водород с примесью четырех хлористого кремния (SiCl4 + H2) с контролируемой концентрацией пропускают через реактор (Рис. 5. 1), в котором на графитовом основании (1) расположены кремниевые пластины (2). С помощью индукционного нагревателя графит прогревается выше 10000С эта температура необходима для обеспечения правильной ориентации осаждаемых атомов в решетке и получении монокристаллической пленки. В основе процесса лежит обратимая реакция: SiCl4 + 2H2 - Si + 4HCl –прямая реакция соответствует получению эпитаксиальной пленки, обратная реакция травлению подложки. Для легирования эпитаксиальной пленки в газовый поток добавляют примесные атомы. Фосфорит (PH3) используют в качестве донорной примеси, а диборан (B2 H3) в качестве акцепторной примеси. При жидкостной эпитаксии получают многочисленные структуры из разных материалов. На Рис. 5. 2: 1, 2, 3, 4 – растворы 5 – скользящий графитовый держатель растворов 6 – подложка 7 – основной графитовый держатель 8 – толкатель 9 – электрическая печь 10 – кварцевая труба 11 – термофара
Подвижная конструкция с различными растворами последовательно подводит растворы к подложке. Таким образом получают гетеропереходы с различными материалами толщиной менее 1 мкм (Ge– Si, GaAs – GaP)
Молекулярно-лучевая эпитаксия проводится в сверхвысоком вакууме и основана на взаимодействии нескольких молекулярных пучков с нагретой монокристаллической подложкой. На Рис. 5. 3 иллюстрируется процесс получения соединения AlxGa1–xAs. Каждый нагреватель содержит тигель, являющимся источником молекулярного пучка одного из основных элементов пленки. Температура каждого нагревателя выбирается таким образом, чтобы давление паров, испаренных материалов, было достаточно для образования молекулярных пучков. Подбором температуры нагревателя и подложки получают пленки со сложным химическим составом. Дополнительное управление процессом выращивания осуществляется с помощью специальных заслонок, расположенных между нагревателем и подложкой. Метод молекулярно-лучевой эпитаксии наиболее перспективен для твердотельной электроники в которой существенную роль играют слоистые структуры субмикронных размеров.
2) Окисление. Слой двуокиси кремния формируется обычно на подложке за счет химического соединения атомов кремния с кислородом, который подается к поверхности кремниевой подложки нагретой технической печи до температуры 900-1200оС. Рис. 5. 4 : 1 – подложка 2 – кварцевая лодочка 3 – нагреватель 4 – кварцевая труба
Окислительной средой может быть сухой или влажный кислород. Окисление происходит быстрее в атмосфере влажного кислорода, поэтому оно используется для получения толстых пленок SiO2. Наиболее часто используется толщина окисла составляющая десятые доли мкм, а верхний практический предел 1–2 мкм.
5. 2. 2 Литографические процессы используемые для формирования токологии микросхем. 5. 2. 2. 1 Фотолитография.
Фотолитография является основным технологическим процессом в микроэлектронике при получении линий шириной до 1 мкм и его долей. Сначала изготавливают оригинал топологии микросхемы в сильноувеличенном размере (до 500 раз). Затем делают фотографию с уменьшением в 100 раз, затем в 10 раз и т. д. пока окончательное изображение на пластине не будет точно соответствовать требуемой схеме. Полученная фотопластина используется в качестве маски для передачи рисунка на поверхность подложки. Рассмотрим фотолитографический процесс для получения отверстия в слое двуокиси кремния расположенном на подложке. Рис. 5. 5 1 – стеклянный фотошаблон 2 – фоторезист 3 – SiO2 (окись кремния) 4 – кремниевая подложка 5 – светонепроницаемый рисунок на фотоэмульсии 6 – ультрафиолетовое излучение Этапы: а) Первичное покрытие б) Контактная печать в) После проявления г) После травления д) После удаления фоторезиста
Сначала на окисный слой наносят фоторезист (2), затем к фоторезисту прикладывают стеклянный фотошаблон (1) с рисунком соответствующим той части окисла, которая должна быть удалена (5). Экспонируют фотошаблон в ультрафиолетовых лучах (6). Проявляют. В процессе проявления не экспонированные участки фоторезиста (2) растворяются. Окисный слой в окне стравливают кислотным раствором и удаляют оставшийся слой фоторезиста–такой метод называется методом контактной печати. Кроме того используют проекционную печать, когда между фотошаблоном и подложкой располагают оптические линзы. 5. 2. 2. 2 Электронно-лучевая литография.
Для получения рисунка методом электронной литографии применяют два способа: Электронный луч, управляемый ЭВМ, перемещается заданным образом по поверхности подложки. Электронный пучок проходит через специальные маски.
В первом случае применяют два типа сканирующих систем –растровую и векторную. В растровой системе электронный луч модулируется по интенсивности и построчно проходит по всей поверхности подложки. В векторной системе электронный луч отклоняется таким образом, что его след на резисте точно соответствует необходимому рисунку.
Во втором варианте фотокатод располагают на поверхности оптической маски с заданным рисунком. Ультрафиолетовые лучи облучают фотокатод сквозь маску, что приводит к эмиссии электронов с фотокатода в соответствующих рисунку областях. Эти электроны проецируются на поверхность резиста с помощью однородных совпадающих по направлению электростатических и магнитных полей. Разрешающая способность такой системы соответствует субмикронным размерам по всей площади подложки. 5. 2. 2. 3 Рентгеновская литография.
Метод рентгеновской литографии иллюстрируется на Рис. 5. 6 : 1а – электронный луч 2а – мишень 3а – рентгеновские лучи 1 – прозрачный материал 2 – поглотитель 3 – прокладка 4 – полимерная пленка (резист) 5 – подложка
Маска состоит из мембраны (4) прозрачной для рентгеновских лучей, поддерживающей пленку, которая имеет заданный рисунок и сделана из материала сильно поглощающего рентгеновские лучи. Эта маска располагается на подложке покрытой радиационно чувствительным резистом. На расстоянии Д от маски находится точечный источник рентгеновского излучения, которое возникает при взаимодействии сфокусированного электронного луча с мишенью. Рентгеновские лучи облучают маску, создавая проекционные тени от поглотителя рентгеновских лучей на полимерные пленки. После экспонирования удаляют либо облученные области при позитивном резисте, либо не облученные при негативном резисте. При этом на поверхности резиста создается рельеф, соответствующий рисунку. После получения рельефа на резисте подложка обрабатывается травлением, наращиванием дополнительных материалов, легированием, нанесением материала через окна в рисунке резиста. 5. 2. 2. 4 Ионно-лучевая литография.
Появилась как результат поиска путей преодоления ограничений электронной и рентгеновской литографии. Возможны два способа формирования изображения на ионорезисте: сканирование с фокусированным лучом и проецирование топологии с шаблона в плоскость подложки. Сканирующая электронно-лучевая литография аналогична сканирующей электронной литографии. Ионы He+, H+, Ar+образуемые в источнике ионов вытягиваются из источника, ускоряются и фокусируются в плоскость подложки электронно-оптической системы. Сканирование выполняют кадрами площадью 1 мм2с пошаговым перемещением столика с подложкой и совмещением на каждом кадре. Сканирование с фокусированным ионным лучом предназначено для получения топологии с размерами элементов от 0, 03–0, 3 мкм. Проекционная ионно-лучевая литография выполняется широким коллимированным ионным пучком площадью 1 см2. 5. 2. 3
Перспективы развития планарной технологии в США изложены в "Национальной технологической маршрутной карте полупроводниковой электроники" отражающей развитие микроэлектроники до 2010 года. По прогнозам этой работы основным материалом в производстве массовых СБИС будет служить по прежнему кремний. В производстве СБИС предусматривается использовать усовершенствованные процессы микролитографии с применением резистивных масок формируемых при ультрафиолетовом или рентгеновском облучении для создания токологических рисунков на полупроводниковые пластины.
К 2010 году планируется увеличить диаметр пластин до 400 мм, уменьшить критический размер элемента микросхем (например: ширину затвора) до 70 нм. Уменьшить шаг разводки до 0, 3 мкм. Оптическая литография сохраняет лидирующее положение в производстве СБИС (сверхбольших интегральных схем) вплоть до размеров 150 нм, которые прогнозируется достичь уже в 2003 г. IV период развития электроники Изобретение первой интегральной микросхемы
В 1960 году Роберт Нойс из фирмы Fairchild предложил и запатентовал идею монолитной интегральной схемы (Патент США 2981877) и применив планарную технологию изготовил первые кремниевые монолитные интегральные схемы. В монолитной интегральной схеме планарные диффузионные биполярные кремниевые транзисторы и резисторы соединены между собой тонкими и узкими полосками алюминия, лежащими на пассивирующем оксиде. Алюминиевые соединительные дорожки изготавливаются методом фотолитографии, путем травления слоя алюминия напыленного на всю поверхность оксида. Такая технология получила название–технология монолитных интегральных схем. Одновременно Килби из фирмы Texas Instruments изготовил триггер на одном кристалле германия, выполнив соединения золотыми проволочками. Такая технология получила название–технология гибридных интегральных схем. Апелляционный суд США отклонил заявку Килби и признал Нойса изобретателем монолитной технологии с оксидом на поверхности, изолированными переходами и соединительными дорожками на оксиде, вытравленными из осажденного слоя алюминия методом фотолитографии. Хотя очевидно, что и триггер Килби является аналогом монолитной ИМС. Семейство монолитных транзисторно-транзисторных логических элементов с четырьмя и более биполярными транзисторами на одном кристалле кремния было выпущено фирмой Fairchild уже в феврале 1960 года и получило название "микрологика". Планарная технология Хорни и монолитная технология Нойса заложили в 1960 году фундамент развития интегральных микросхем, сначала на биполярных транзисторах, а затем 1965–85 гг. на полевых транзисторах и комбинациях тех и других. Малый разрыв во времени между идеей и серийным производством интегральных микросхем объясняется оперативностью разработчиков. Так в 1959 году Хорни проводя многочисленные опыты, сам отрабатывал технологию окисления и диффузии кремниевых пластин, чтобы найти оптимальную глубину диффузии бора и фосфора, и условия маскирования оксидом. Одновременно Нойс в темной комнате, по вечерам, в выходные дни упорно наносит и экспонирует фоторезист на множестве кремниевых пластин с оксидом и алюминием в поисках оптимальных режимов травления алюминия. Гринич лично работает с приборами, снимая характеристики транзисторов и интегральных микросхем. Когда нет прецедента и опытных данных кратчайших путь к практической реализации– "сделай сам". Путь, который и выбрала четверка пионеров – Гринич, Хорни, Мур, Нойс. Развитие серийного производства интегральных микросхем. 6. 2. 1
Два директивных решения принятых в 1961–1962 гг. повлияли на развитие производства кремниевых транзисторов и ИС. Решение фирмы IBM(Нью-Йорк) по разработке для перспективной ЭВМ не ферромагнитных запоминающих устройств, а электронных ЗУ(запоминающих устройств) на базе n-канальных полевых транзисторов(металл-окисел-полупроводник–МОП). Результатом успешного выполнения этого плана был выпуск в 1973 г. универсальной ЭВМ с МОП ЗУ– IBM- 370/158.
Директивные решения фирмы Fairchild предусматривающие расширение работ в полупроводниковой научно-исследовательской лаборатории по исследованию кремниевых приборов и материалов для них. 6. 2. 2
Мур, Нойс и Гринич из фирмы Fairchild привлекли в 1961 г. для вербовки молодых специалистов преподавателя Иллинойского университета–Са, который читал там курс физики полупроводников Бардина. Са завербовал специалистов, только что, закончивших асперантуру(см. Рис. 4. 9). Это были Уэнлесс, Сноу– специалисты по физике твердого тела, Эндрю Гроув – химик, окончивший университет в Беркли, Дил – химик-практик. Проект по физике приборов и материалам ввели Дил, Гроув и Сноу. Проект по схемным применениям ввел Уэнлесс. Результаты исследований этой четверки до сих пор используются в технологии СБИС.
В июле 1968 г. Гордон Мур и Роберт Нойс уходят из отделения полупроводников фирмы Fairchild и 28 июня 1968 года организуют крохотную фирму Intel из двенадцати человек, которые арендуют комнатку в Калифорнийском городе Маунтин Вью. Задача, которую поставили перед собой Мур, Нойс и примкнувший к ним специалист по химической технологии–Эндрю Гроув, использовать огромный потенциал интеграции большого числа электронных компонентов на одном полупроводниковом кристалле для создания новых видов электронных приборов.
В 1997 году Эндрю Гроув стал "человеком года", а возглавляемая им компания Intel, ставшая одной из ведущих в силиконовой долине в Калифорнии, стала производить микропроцессоры для 90% всех персональных компьютеров планеты. По состоянию на 1 января 1998 г. стоимость фирмы– 15 млрд. $, ежегодный доход –5, 1 млрд. $. Гроув исполняет обязанности председателя совета директоров. В 1999 г. ежемесячно фирма производит–4 квадриллиона транзисторов т. е. более полумиллиона на каждого жителя планеты. Умельцы с Intel создают знаменитые чипы Pemtium I, II, III. Андрю Гроув родился 2 сентября 1936 года в Венгрии, его тогда звали Андрош Гроф. Когда советские танки вошли в 1956 г. в Будапешт, Андрош бежал в Австрию и от туда в Нью-Йорк. Закончил с отличием Сити-колледж, защитил докторскую диссертацию в калифорнийском университете Беркли. Многие крупные корпорации хотели заполучить молодого ученого специалиста и инженера. Гроув достался, благодаря Са, фирме Fairchild. ( "Современные технологии автоматизации(СТА)" 1/99г. – статья о фирме Intel. ) 6. 2. 3
История создания электронных запоминающих устройств берет начало с изобретения в 1967 г. Диннардом из IBM однотранзисторной динамической запоминающей ячейки для ЗУ с произвольной выборкой(ДЗУПВ). Это изобретение оказало сильное и длительное влияние на электронную промышленность текущего времени и отдаленного будущего. Его влияние по общему признанию сравнимо с изобретением самого транзистора. В ячейке объединены один ключ на МОППТ и один конденсатор. МОППТ служит переключателем для заряда(записи) и разряда(считывания). К 1988 г. выпуск таких ячеек занял первое место по количеству из всех искусственных объектов на нашей планете. Са прогнозировал на начало XXI века годовой выпуск этих ячеек 1020 шт.
На Рис. 6. 1 показано поперечное сечение ячейки одного из первых серийных ДЗУПВ(Динамическое Запоминающее Устройство Произвольной Выборки) (емкость 256 кбит). Накопительный конденсатор имеет двухслойный диэлектрик из нитрида кремния на тонком слое термически выращенного оксида кремния. Диэлектрическая постоянная у нитридае = 7, 5 больше, чем у оксида е = 3, 9 , что обеспечивает получение большей емкости на единицу площади. Накопление большего заряда на меньшей площади и более высокую плотность информации. На Рис. 6. 1: 1 – алюминиевая разрядная шина 2 – словарные шины из силицида тугоплавкого металла 3 – обкладка конденсатора из поликремния 4 – подзатворный диэлектрик из диоксида кремния
Записанная на эту ячейку информация теряется при отключении источника питания(энергозависимая ПЗУ). В 1971 году сотрудник фирмы Intel Фроман-Бенчковски предложил и запустил в серийное производство энергонезависимое стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство. Снятие заряда на плавающих затворах этих ПЗУ производилось ультрафиолетовым светом. Позже инженеры фирмы Intel предложили быстродействующие электрические стираемые ПЗУ.
Появление интегральных микросхем сыграла решающую роль в развитие электроники положив начало новому этапу микроэлектроники. Микроэлектронику четвертого периода называют схематической, потому что в составе основных базовых элементов можно выделить элементы эквивалентные дискретным электро-радиоэлементам и каждой интегральной микросхеме соответствует определенная принципиальная электрическая схема, как и для электронных узлов аппаратуры предыдущих поколений. 6. 2. 4
Особое значение для массового производства микросхем представляет метод проектирования микросхем, разработанный Деннардом из фирмы IBM. В 1973 г. Деннард и его коллеги показали, что размеры транзистора можно уменьшать без ухудшения его ВАХ(вольт-амперных характеристик). Этот метод проектирования получил название закон масштабирования. 6. 3 Этапы развития микроэлектроники 6. 3. 1
Интегральные микросхемы стали называться микроэлектронные устройства, рассматриваемые как единое изделие, имеющее высокую плотность расположения элементов эквивалентных элементам обычной схемы. Усложнение, выполняемых микросхемами функций, достигается повышением степени интеграции. 6. 3. 2
Развитие серийного производства интегральных микросхем шло ступенями: 1960 – 1969гг. – интегральные схемы малой степени интеграции, 102 транзисторов на кристалле размером 0, 25 x 0, 5 мм (МИС). 1969 – 1975гг. – интегральные схемы средней степени интеграций, 103 транзисторов на кристалле (СИС). 1975 – 1980гг. – интегральные схемы с большой степенью интеграции, 104 транзисторов на кристалле (БИС). 1980 – 1985гг. – интегральные микросхемы со сверх большой степенью интеграции, 105 транзисторов на кристалле (СБИС). С 1985г. – интегральные микросхемы с ультрабольшой степенью интеграции, 107 и более транзисторов на кристалле (УБИС). 6. 3. 3
Переход от МИС до УБИС происходил на протяжении четверти века. В качестве параметра количественно иллюстрирующего этот процесс используют ежегодное изменение числа элементов n размещаемых на одном кристалле, что соответствует степени интеграции. По закону Мура число элементов на одной ИС каждые три года возрастает в 4 раза. Наиболее популярны и прибыльны оказались логические кристаллы высокой плотности– микропроцессоры фирмы Intel и Motorolla. В 1981–1982 годах прогресс интегральных микросхем СБИС стимулировался наличием технологии литографии(электронно-лучевая, рентгеновская и на глубоком ультрафиолете от эксимерного лазера) и наличием производственного оборудования. Уже в 1983 г. как отметил Мур(на международной конференции) ввиду образования излишних производственных мощностей, как в США так и в Азии, прогресс в развитии микроэлектроники стал определяться только ситуацией на рынке. Так уже в 1985–1987 годах 80% всех ДЗУПВ в США поставляет уже Япония, так как им удалось усовершенствовать технологию и снизить цены.
6. 4 История создания микроэлектроники в СССР ("Вестник Дальневосточного отделения РАН", 1993г. , 1 номер)
По данным опубликованным в вестнике основателем микроэлектроники в СССР был Старос Филипп Георгиевич. Он родился в 1918 г. в пригорода Нью-Йорка, в семье выходца из Греции Саранта. Закончил в 1941 г. колледж, получил диплом инженера-электрика, работал в оборонных исследовательских центрах, а вечерами учился, чтобы сдать экзамен на степень магистра технических наук. В студенческие годы он участвовал в антифашистском движении, вступил в компартию США, был дружен с Розенбергами. Когда Розенбергов арестовали, ФБР вызвал и Саранта. После первого же допроса в ФБР Сарант иммигрировал в СССР сменив имя и фамилию. Так у нас появился специалист–Старос Ф. Г. , которого коммандировали в Чехославакию главным конструктором военно-технического института. Когда в 1955 г. Хрущев взял курс на научно-техническую революцию, Староса пригласили в СССР и предложили возглавить специальную лабораторию, созданную в Ленинграде под эгидой комитета авиационной техники. Уже в 1958 году Старос выступил на закрытом совещании ведущих работников электронной промышленности с докладом, содержавшим предложение по развитию новой элементной базы, а фактически с программой создания новой отрасли науки и техники–микроэлектроники. Эти идеи нашли поддержку в верхних эшелонах власти, и уже в 1959 г. Старос получил возможность создать свое конструкторско-технологическое бюро (АКТБ). В начале 60-х годов там, под руководством Староса, была разработана цифровая управляющая машина (УМ–1) с быстродействием 8 тыс. опер/сек. и продолжительностью безотказной работы 250 часов. В ней еще не использовались микросхемы(т. к. их надежнось в то время была очень низкой) и активными элементами служили германиевые транзисторы П15. Однако благодаря страничному монтажу получилась компактная дешевая машина. В 1960 году за создание этой машины Старос получил государственную премию. Ближайший помощник Староса–Иосив Виниаминович Берг(в прошлом Джоэль Берр). Берг после внезапной иммиграции Саранта поехал искать его в Европу и нашел в Москве, когда тот готовился к отъезду в Прагу. Берр сделался Бергом.
В 1962 году АКТБ посетил Хрущев. Ему показали машины УМ–1 и Электроника-200. Позднее американские специалисты отмечали, что Электроника-200 была первым компьютером советского производства, который можно считать хорошо разработанным и удивительно современным. Эта машина, на первых советских интегральных схемах, была способна выполнять 40 тыс. операций в секунду. Хрущев остался доволен.
В это время уже существовал госкомитет электронной промышленности работавший на оборону и возглавлял его Александр Шокин–человек прогрессивных взглядов. Он предложил Старосу создать научно-технический центр электронного профиля в подмосковье (г. Зеленоград). Старос с жаром взялся за исполнение и в считанные недели подготовил детальный план организации комплекса из нескольких институтов и опытного завода. План получил одобрение в верхах и Старос был назначен научным руководителем будущего центра.