Развитие полупроводниковой электроники
Корни полупроводниковой электроники уходят в середину XIX века, когда были разработаны основы термодинамики, изучающей свойства макроскопических физических систем без обращения к атомно-молекулярному строению, вещества. Вслед за этим были открыты эффекты, которые в дальнейшем легли в основу создания фоторезисторов, ламп, диодов (детекторов), транзисторов и других элементов.
В 1821 году немецкий физик Т. Зеебек (1770-1831), увлеченный опытами Эрстеда и Ампера, припаяв друг к другу два разнородных металла, соединил их медным проводником и поместил внутри петли. образованной проводником, магнитную стрелку. Нагревая место спая свечкой, Зеебек обнаружил отклонение магнитной стрелки. Это означало, что при нагревании в цепи возникал электрический ток. Зеебек открыл термоэлектрический эффект. При этом обнаружилось, что когда одним из элементов спая служили теллур, сульфид свинца или некоторые другие материалы, которые через 100 лет назовут полупроводниками, электрический ток не возникал. Но в то время на факт существования класса веществ с необычными свойствами не обратили внимания.
Чуть позже великий английский физик М. Фарадей (1791-1867), исследуя температурную зависимость электропроводности сернистого серебра, которое в его время считали металлом, установил, что его электропроводность не падает, как у металлов, а возрастает, что характерно как раз для полупроводников. Фарадей предсказал возможное существования веществ с необычными электрическими свойствами, но и тогда никто не занялся исследованием таких веществ, поскольку потребность в полупроводниках тогда еще не сформировалась.
|
|
В 1873 году инженер-электрик из Лондона У. Смит занимался испытаниями подводного телеграфного кабеля. Для изоляции кабеля он решил использовать селен. Селен, открытый в начале века шведским химиком Берцелиусом (1779-1848), будучи расплавленным, а затем быстро охлажденным, застывает в стекловидную массу с очень большим сопротивлением. Эта масса и использовалась в качестве изоляции для кабеля. Наблюдательный помощник Смита Мей заметил, что на свету сопротивление селена. становится значительно меньше, чем в темноте. Селен оказался чувствителен даже к слабому свету Луны. Изменение сопротивления селенового столбика под воздействием света почти немедленно стали использовать для изготовления фотосопротивлений.
В этом же году англичанин Ф. Браун обнаружил, что контакт сернистого свинца с металлом имеет малое сопротивление при одном направлении протекающего через него тока и очень большое - при противоположном.
" Эффект Эдисона"
Только на рубеже XX столетия физики начали специально изучать материалы, которые были ни металлами, ни диэлектриками и за изучение полупроводников взялись всерьез.
Но электроника начиналась не с полупроводников, а с электронных ламп, фундамент которых заложил великий американский изобретатель Т. А. Эдисон (1847-1931). В 1883 году, пытаясь продлить срок службы лампы с угольной нитью введением в ее вакуумный баллон металлического стержня, он обнаружил между этим стержнем-электродом и нитью ток. В условиях вакуума ток возникал при подаче положительного потенциала на электрод. Это явление, получившее название " эффект Эдисона ", а впоследствии - " термоэлектронная эмиссия "; оказалось единственным фундаментальным открытием изобретателя, на которое он сам не обратил серьезного внимания. Оно-то и лежит в основе всех электронных ламп, а следовательно, и в основе всей электроники первого периода ее развития, называемого эрой электронных ламп. Но тем не менее несколько десятков лет ни сам Эдисон, ни другие ученые не могли найти применения этому явлению. Изобретение в 1895 году радио А. С. Поповым привлекло внимание к указанному эффекту тем, что он мог быть, использован для создания прибора, пропускающего ток в одном направлении, т. е. выпрямителя.
|
|
Первые электронные лампы
Через четырнадцать лет, в 1897 году, открытие электрона навело англичанина Джона Эмброуза Флеминга (1849-1945), который работал консультантом в фирме Эдисона в Лондоне Edison Electric Light Co., на мысль о том, что полузабытое явление, которое наблюдал Эдисон, объяснялось тем, что раскаленная нить лампы испускала электроны, которые притягивались к положительно заряженному электроду. Когда электрод заряжен отрицательно, электроны отталкиваются от него.
В 1904 году Флеминг сконструировал лампу, в которой металлическая сетка, заряженная положительно, окружала нить накаливания. Лампа пропускала только положительную полуволну переменного тока и была первым в мире электронным выпрямителем, или диодом.
Многочисленные опыты с диодами привели к новым открытиям. В 1906 году Ли де Форест (1873-1961) открыл, что потоком электронов можно управлять при помощи третьего электрода (сетки), подавая на него положительный, или отрицательный потенциал, т. е. изобрел трехэлектродную лампу-триод. 25 октября 1906 года Ли де Форест подал заявку на выдачу патента на трехэлектродную вакуумную лампу.
|
|
Родился Ли де Форест в семье священника в штате Айова, США, обучался в Мельском университете. Работал в области телефонии, затем занялся изобретениями в области "беспроволочного телеграфа" – радио. Пытаясь улучшить прием радиоволн, он непрестанно совершенствовал различные виды детекторов, бывших тогда в употреблении. Устройство триода, которое де Форест в конце концов создал, и было результатом последовательного поиска, продолжавшегося с 1900 года. Свое изобретение он назвал "аудионом" и в течение последующих лет аудионные усилители в телефонной и радиосвязи вытеснили прежние устройства. Де Форест прожил долгую жизнь, не зная "недостатка" в патентах – он их получил несколько сотен. Многие из изобретений имели коммерческий успех, но ни одно не приблизилось по важности к чудесному триоду.
К концу 40-х годов, когда вступили и действие первые большие электронные компьютеры, специалисты по технике связи начали искать замену громоздким и хрупким лампам, служившим усилителями. В центре внимания оказались кристаллические минералы под названием "полупроводники".
На рубеже XIX-XX веков один из таких минералов, галенид (или сульфид свинца) играл ключевую роль в радиоприемниках. Контакт между кристаллом галенида и тончайшей металлической проволочкой действовал как выпрямитель обеспечивая прием радиосигналов. Еще в 1906 году его предложил француз Ж. Пикар. В 1906 и 1914 годах выходят работы немецкого электрохимика И. Кенигсбергера, в которых, обобщив результаты сотен работ, проделанных исследователями разных стран, ученый ввел понятие "класса полупроводников" и укачал их основные отличительные признаки.
В начале 20-х годов советский радиофизик О. В. Лосев (1903-1942) сконструировал кристаллические полупроводниковые детекторы, показал возможность усиления и генерирования колебаний с помощью таких детекторов. Журнал "Radio", издававшийся в Берлине, в №12 за 1925 год писал: " Представлено несколько 25-киловаттных генераторных ламп, построенных профессором Бонч-Бруевичем в Радноинституте в Нижнем Новгороде, и много генераторных и усилительных ламп, показывающих развитие высокой техники радиоиндустрии в России по сравнению с остальными европейскими странами. Картина эта дополняется еще некоторыми конструкциями приемников профессора Лосева ".
В то время "профессору Лосеву", создателю прославленного кристадина - детекторного приемника с кристаллом цинкита, было 22 года. Он был студентом-заочником и скромным сотрудником Нижегородской радполаборагорни возглавляемой ученым с мировым именем – М. А. Бонч-Бруевичем. Олегу Лосеву повезло: прирожденный исследователь, он имел прекрасных учителей. "Самоучка", не имевший даже вузовского диплома, очень рано сложился как оригинальный ученый, восемнадцати лет от роду он сделал первое свое открытие, давшее право впоследствии назвать его "пионером полупроводниковой техники". К двадцати пяти он имел десяток патентов, иные из них и сегодня являются перспективными.
К сожалению, имя О. В. Лосева не получило той известности, которой оно заслуживает. Его кристадин, после бурного взлета популярности в 20-х годах, стал достоянием музеев, а открытое им тогда явление катодной люминесценции - "свечение Лосева" нашло применение в светодиодах через много лет после его смерти, и развитие этого направления связывалось уже с другими именами. Умер ученый в 1942 году от истощения в блокадном Ленинграде, где до последних дней продолжат научную paботу, преподавал в медицинском институте и отдавал свою кровь, пока совсем не иссякли силы.
Основы физики полупроводников закладывались в 20-30-е годы XX века трудами отечественных и зарубежных ученых: А. Ф. Иоффе, Я. И. Френкеля. Б. И. Давыдова, А. Вильсона, В. Шоттки, М. Моотта и многих других.
А. Ф. Иоффе (1880-1960) родился в г. Ромны Полтавской губернии. После окончания Петербургского технологического института специализировался в Мюнхене у великого В. К. Рентгена в экспериментальной физике. Там ученый удостоился "высших похвал" и предложения места профессора, однако А. Ф. Иоффе вернулся на родину.
С 1916 года его усилиями в Петрограде организуется знаменитый впоследствии семинар, который посещали будущие лауреаты Нобелевской премии П. Л. Капица, Н. Н. Семенов, а также многие, впоследствии ставшие известными, наши физики.
По инициативе А. Ф. Иоффе организуется Физико-технический институт, знаменитый "Физтех", который воспитал десятки ученых. Усилиями ученых физтеха аналогичные институты впоследствии были организованы в других городах страны. В 1920 году А. Ф. Иоффе избирается академиком. Монография, посвященная полупроводникам, вышла в 1933 году. Но вклад его в другие разделы современной физики значителен. Он был дружен с великими учеными: Эйнштейном, Бором, Лоренцем. О встречах с ними он написал очень интересную книгу "Встречи с физиками". А. Ф. Иоффе был вице-президентом АН СССР, удостоен Ленинской и Государственной премий, звания Героя Социалистического труда и трех орденов Ленина.
Я. И. Френкель (1894-1952) родился в Ростове-на-Дону. Шестнадцати лет написал работу " Электродинамика Солнечной системы ", показал ее А. Ф. Иоффе и получил приглашение сначала работать в семинаре по новой (квантовой) физике, а затем в самом физтехе. Круг интересов Я. И. Френкеля был необычайно широк: физика твердого тела, физика жидкостей, физика атомного ядра, астрофизика, био- и геофизика. Труды Я. И. Френкеля переведены на многие языки. Ученый был и художественно одаренной натурой - профессионально рисовал, прекрасно играл на скрипке.
Между тем потребность в знаниях о полупроводниках с течением времени становилась все более настоятельной. В конце 30-х годов появилась радиолокация и. оказалось что германиевые и кремниевые точечные детекторы способны преобразовывать сигналы сверхвысоких частот, с которыми лампы того, времени справиться не могли. Однако пока во время войны не начались интенсивные исследования, связанные с радиолокационной техникой, никто не понимал, что благодаря своим свойствам полупроводники могут служить надежными и эффективными переключателями и усилителями. В военный период исследователи разработали новые методы внесения примесей в кристаллы германия и кремния, что позволило создать полупроводниковые материалы с желаемыми электрическими свойствами (n-тип, р-тип).
Ученые "Bell telephone laboratories" (научно-исследовательской фирмы, входящей в компанию "American Telephone and Telegraphe" ATT), как и дpyгиx научных центров, принимавших участие в разработках военного времени, остро нуждались в новых приборах, способных заменить радиоволны и электромеханические реле в усилителях и переключателях в системах телефонной связи. Летом 1945 года, незадолго до конца войны фирма, мобилизовав свои огромные ресурсы, повела мощное наступление в области физики твердого тела. Ключевыми фигурами в группе физиков были У. Браттейн (1902-1987), экспериментатор, имевший 16-летний стаж работы в фирме, и Д. Бардин (1908-1978), молодой талантливый теоретик, лишь недавно пришедший в фирму.
Руководителем и признанным лидером группы был 35-летний У. Шокли (1910-1989), Сын горного инженера, Шокли родился в Лондоне, но вырос в Калифорнии, Несмотря на некоторую склонность к богеме, в работе он был предельно серьезен и «результативен».
После почти трехлетних исследований, потребовавших около миллиона долларов, 23 декабря 1947 года Д. Бардин, У. Шокли, У. Браттейн получили полупроводниковый усилитель. В 1948 голу фирма "Bell Telephone" впервые публично продемонстрировала твердотельный усилитель - точечный транзистор. Названные ученые были удостоены в 1956 году Нобелевской премии по физике за открытие транзисторного эффекта. Первый транзистор повторял по внешнему виду электронную лампу. Так, конструкции автомобилей в течение первых 15-20 лет повторяли по форме кареты и дилижансы. Но транзисторы уже через два года начали выпускаться в специальных корпусах,. ничем не напоминающих вакуумные лампы.
В 1951 году У. Шокли продемонстрировал миру первый надежный транзистор, представлявший собой трехслойный германиевый "сэндвич" толщиной около 1 см, заключенный в металлический корпус. Это была модель n-р-n, впоследствии наиболее распространенная. Плоскостная модель Шокли в конце концов восторжествовала над точечной моделью.
Выполняя те же функции, что и электронная лампа транзистор имел значительно меньшие размеры, у него не было хрупкого стеклянного корпуса и тонкой нити накаливание он не перегревался и потреблял гораздо меньше электроэнергии, Но транзистор не сразу завоевал достойное место. Из-за трудностей в производстве цена прибора оставалась высокой: до 8 долларов за штуку, при цене на лампу - 75 центов.
Однако в середине 50-х годов стоимость транзисторов резко снизилась. В 1954 году Гордон Тил, физик из компании "Texas Instruments", новичок в электронной промышленности, изготовил транзистор из кремниевого кристалла вместо германиевого. Кремний, основной компонент обычного песка, самый распространенный после кислорода элемент на Земле.
Усовершенствование технологии производства транзисторов еще больше снизило их стоимость. Были разработаны, например, методы выращивания больших кристаллов. Кристаллы кремния "растут" подобно твердым кристаллам сахара, которые образуются на ниточках, опущенных В насыщенный сахарный раствор. При новом, диффузионном, методе примеси стали вводить в кристалл путем напыления. Это настолько тонкий метод, что его можно сравнить с добавлением крупинки соли к 38 железнодорожным вагонам, сахара.
Снижение стоимости транзистора способствовало ускорению процесса миниатюризации в электронике. Эту тенденцию всячески поощряли военные, заинтересованные в аппаратуре для ракет и других видов вооружения, а также разработчики космических программ. Стали использовать транзисторы величиной с булавочную головку. Создали резисторы и конденсаторы, меньшие по объему в 50-75 раз, проводники толщиной с человеческий волос, что позволило перейти на плотные и компактные методы монтажа этих элементов. Так, если первая самолетная ЭВМ имела массу более 200 кг, и потребляемую мощность 3 кВт, то ЭBM, в которой часть ламп была заменена на диоды, имела соответственно 100 кг и 1 кВт, а ЭВМ на транзисторах - 50 кг и 0,42 кВт.
Планарная технология и итегральные схемы
Однако этот второй период развития электроники продлился недолго. Как и электронные лампы, транзисторы, изготовленные существовавшими тогда методами, приходилось при сборке схем вручную соединять и припаивать. Работа была трудоемкой, а схемы занимали значительное место. Кроме того, все компоненты схемы образовали хаотическое нагромождение, подверженное загрязнению и механическим повреждениям, что снижало надежность устройств, их экономичность.
Еще в 1952 году Г. У. Даммер, английский специалист в области радиолокации, выдвинул смелое предложение размещать всю схему целиком - транзисторы, резисторы и другие компоненты – в сплошном блоке полупроводникового материала. Однако свою идею он реализовать не мог.
Третий период развития электроники начался в 1957 году, когда была предложена планарная технология. Под планарной технологией понимают совокупность операций, позволяющих создавать в полупроводниковой пластине набор р-n-переходов, границы которого выходят на одну и ту же плоскую поверхность. Такое расположение значительно упрощает их формирование, соединение в соответствии с заданной электрической схемой и защиту от внешних воздействий. В сочетании с пленочной технологией планарная технология позволила перейти к изготовлению принципиально новых электронных изделий - интегральных микросхем, составляющих основу современной электроники.
Опыт создания первой в мире интегральной схемы принадлежит Д. Килби, инженеру фирмы "Texas Instruments", США, май 1958 года. Интегральная схема (ИС) представляла собой тонкую германиевую пластинку длиной 1 см. Пять компонентов схемы были изолированны друг от друга благодаря своей форме в виде букв U, I и т. д. Крошечные проволочки, соединявшие компоненты схемы друг с другом и с источником питания, просто припаивались. Вся конструкция скреплялась воском. Тем не менее схема работала. Фирма сообщила о рождении нового устройства в январе 1959 года и построила для ВВС США компьютер из 587 ИС, объем которого уменьшился в 150 раз по сравнению с аналогичным компьютером старого образца. Килби получил патент, но его ИС быстро вытеснила другая модель, технология изготовления которой оказалась проще.
Путь для изготовления ИС планарной технологией увидел также в 1959 году Р. Нойс, американец, сын священника из небольшого городка в штате Айова. - Он был директором и научным руководителем компании 'Fairchild Semiconductors", которую создали бывшие сотрудники У. Шокли "Я ленив, - говорил Нойс впоследствии. - Интегральную схему я придумал потому, что видел, как люди трудились в поте лица, припаивая проволочки к этим штукам, и мне показалось, что это ужасное расточительство". Его модель 1959 года обладила рядом важных преимуществ по сравнению со схемой Килби, и даже фирма, где работал Килби, приняла ее на вооружение. В 1962 году обе фирмы начали массовое производство ИС, вскоре прозваны "чипами".
Количество отдельных компонентов на одном чипе возрастало с головокружительной быстротой, примерно удваиваясь каждый год. Например, в 1964 году на кристалле размером 7 см^2 умещалось 10 транзисторов и других- компонентов, а к 1970 году в кристалле того же размера содержалось уже не менее 100 элементов.
ИС значительно сократили габариты изделий, устранили необходимость Трудоемкого процесса пайки соединений между компонентами, повысили надежность устройств и их быстродействие. Электрическим импульсам, распространяющимся от одного переключателя к другому со скоростью, приблизительно равной половине скорости света, теперь приходилось преодолевать расстояние всего лишь в сотые доли сантиметра.
Показателем сложности ИС является степень интеграции, т. е. число элементов и компонентoв в ней. В большой интегральной схеме (БИС) число их может достигать 10000, в сверхбольшой ИС (СБИС) - более 10 000. Процесс столь поразительной миниатюризации электронных компонентов пока продолжается. По мнению специалистов, прежде чем будут исчерпаны все возможности в микроэлектронике, плотность интеграции будет порядка 10 миллионов компонентов на кристалле размером с ноготь.
Однако уже в 80-е годы ученые начали сталкиваться с проблемами, свидетельствующими, что миниатюризация не беспредельна. Одна из проблем - это всевозрастающая сложность проектирования микросхемы. Несмотря на помощь компьютеров, для составления карты микропроцессора требуется год-полтора работы большой группы специалистов. И по мере того как размеры транзистора постоянно уменьшаются, приближаясь чуть. ли не к длине световой полны, гравировка поверхности кристаллов даже при самых современных методах, например с использованием лазеров, наталкивается на все большие трудности.
Самые крошечные транзисторы, иногда по размерам меньше бактерий, потребляют так мало энергии, что становятся уязвимыми для случайных микроскопических воздействий, например воздействий космических лучей или разрушения материалов при колебаниях температуры.
Чтобы обойти эти трудности, исследователи стали использовать новые принципы построения электронных устройств. Так возникла функциональная микроэлектроника – четвертый период развития электроники. Она основана не на стандартных базовых элементах (диодах, резисторах, конденсаторах и др.), а на применении физических явлений в объеме или на поверхности твердых тел. В таких изделиях применяются не только полупроводники, но и сверхпроводники, материалы с фотопроводящими и магнитными свойствами. Помимо электропроводности используют ультразвуковые колебания, оптические и магнитные явления в диэлектриках.
Заглядывая в будущее, исследователи предполагают, в частности, что новые керамические материалы дадут жизнь оптическим компьютерам, где вместо электронов будут "работать" фотоны Другие ученые мечтают о том, что средствами генной инженерии удастся вырастить "биочип" - комок органического материала, состоящий из миллиарда "транзисторов, каждый из которых будет представлять собой одну единствнную белковую молекулу.
Большое значение для развития электроники имело создание квантовых усилителей и генераторов. В основе принципа действия этих приборов лежит особый тип взаимодействия – излучения с веществом, открытый Эйнштейном в 1917 году — вынужденное излучение.
Чрезвычайно важным свойством квантовых усилителей и генераторов является почти полное отсутствие угловой расходимости потока фотонов, выходящих из прибора. Поэтому интенсивность потока (количество энергии, проходящей в секунду через единичную площадку, ориентированную перпендикулярно лучу) почти не изменяется с пройденным расстоянием. Это связано с идентичностью фотонов, стимулирующих акт вынужденного излучения, и фотонов, родившихся в результате этого акта.
Квантовые усилители и генераторы, особенно квантовый генератор оптического диапазона волн – “лазер”, получили широкое практическое распространение в технике (в обработке металлов, в частности их сварке, резке, сверлении), в медицине (в хирургии, офтальмологии - области медицины, назначением которой является излечение глазных болезней), в различных научных исследованиях. Перечисленное применение лазеров является, несомненно, только началом. Известные советские ученые, лауреаты Нобелевской премии Н. Г. Басов и A. M. Прохоров являются одними из основоположников теории и создания квантовых генераторов.
Создание квантовых генераторов стало началом развития нового направления электроники – квантовой электроники – науки, которая занимается теорией и техникой различных устройств, действие которых основано на вынужденном излучении и на нелинейном взаимодействии излучения с веществом. К таким устройствам, кроме квантовых генераторов (в том числе лазеров), относятся усилители и преобразователи частоты электромагнитного излучения, а также квантовые усилители СВЧ (сверхвысокой частоты), квантовые магнитометры и стандарты частоты, лазерные гироскопы (лазерные приборы, свойство которых – неизменное сохранение оси вращения в пространстве позволяет использовать их для управления cамолетами, ракетами, морскими судами и т. д. Электронные приборы и устройства нашли широкое применение, стали незаменимыми в аппаратуре связи, автоматике, измерительной технике, электронных вычислительных машинах и во многих других очень важных случаях.
Радиоэлектроника, широко вошедшая в производственные машины и оборудование, в науку, быт людей, является одним из самых главных направлений технического прогресса, научным средством повышения производительности труда