Реферат: История развития электроники
Автор: ТерлецкаяЛ.И. (Ангарское Опытно Конструкторское Бюро Автоматики)
Редакция текста:Шереметьев А.Н.(Ангарская Государственная Технологическая Академия)
E–mail: andsh@mail.amursk.ru
1. Введение
Электроника представляет собой бурноразвивающуюсяотрасль науки и техники. Она изучает физические основы и практическоеприменение различных электронных приборов. К физической электронике относят:электронные и ионные процессы в газах и проводниках. На поверхности разделамежду вакуумом и газом, твердыми и жидкими телами. К технической электроникеотносят изучение устройства электронных приборов и их применение. Областьпосвященная применению электронных приборов в промышленности называется ПромышленнойЭлектроникой.
Успехи электроники в значительной степенистимулированы развитием радиотехники. Электроника и радиотехника настолькотесно связаны, что в 50–е годы их объединяют и эту область техники называют Радиоэлектроника.Радиоэлектроника сегодня это комплекс областей науки и техники, связанных с проблемойпередачи, приема и преобразования информации при помощи эл./магнитных колебанийи волн в радио и оптическом диапазоне частот. Электронные приборы служат основнымиэлементами радиотехнических устройств и определяют важнейшие показателирадиоаппаратуры. С другой стороны многие проблемы в радиотехнике привели кизобретению новых и совершенствованию действующих электронных приборов. Этиприборы применяются в радиосвязи, телевидении, при записи и воспроизведениизвука, в радиолакации, в радионавигации, в радиотелеуправлении, радиоизмерениии других областях радиотехники.
Современный этап развития техники характеризуется всевозрастающим проникновении электроники во все сферы жизни и деятельности людей.По данным американской статистики до 80% от объема всей промышленности занимаетэлектроника. Достижения в области электроники способствуют успешному решениюсложнейших научно–технических проблем. Повышению эффективности научных исследований,созданию новых видов машин и оборудования. Разработке эффективных технологий исистем управления: получению материала с уникальными свойствами,совершенствованию процессов сбора и обработки информации. Охватывая широкийкруг научно–технических и производственных проблем, электроника опирается надостижения в различных областях знаний. При этом с одной стороны электроникаставит задачи перед другими науками и производством, стимулируя их дальнейшееразвитие, и с другой стороны вооружает их качественно новыми техническимисредствами и методами исследования. Предметами научных исследований вэлектронике являются:
1. Изучение законов взаимодействияэлектронов и других заряженных частиц с эл./магнитными полями.
2. Разработка методов создания электронныхприборов в которых это взаимодействие используется для преобразования энергии сцелью передачи, обработки и хранения информации, автоматизации производственныхпроцессов, создания энергетических устройств, создания контрольно–измерительнойаппаратуры, средств научного эксперимента и других целей.
Исключительно малая инерционность электрона позволяетэффективно использовать взаимодействие электронов, как с макрополями внутриприбора, так и микрополями внутри атома, молекулы и кристаллической решетки,для генерирования преобразования и приема эл./магнитных колебаний с частотой до1000ГГц. А также инфракрасного, видимого, рентгеновского и гамма излучения.Последовательное практическое освоение спектра эл./магнитных колебаний являетсяхарактерной чертой развития электроники.
2. Фундамент развития электроники
2.1Фундамент электроники был заложен трудами физиков в XVIII– XIXв. Первые в мире исследования электрических разрядов в воздухе осуществилиакадемики Ломоносов и Рихман в России и независимо от них американский ученыйФранкель. В 1743 г. Ломоносов в оде «Вечерние размышления о божьемвеличие» изложил идею об электрической природе молнии и северного сияния.Уже в 1752 году Франкель и Ломоносов показали на опыте с помощью «громовоймашины», что гром и молния представляют собой мощные электрические разрядыв воздухе. Ломоносов установил также, что электрические разряды имеются ввоздухе и при отсутствии грозы, т.к. и в этом случае из «громовоймашины» можно было извлекать искры. «Громовая машина» представляласобой Лейденскую банку установленную в жилом помещении. Одна из обкладоккоторой была соединена проводом с металлической гребенкой или острием укрепленнымна шесте во дворе.
В 1753 г. во время опытов был убит молнией, попавшейв шест, профессор Рихман, проводивший исследования. Ломоносов создал и общуютеорию грозовых явлений, представляющую собой прообраз современной теории гроз.Ломоносов исследовал также свечение разряженного воздуха под действием машины стрением.
В 1802 году профессор физики Петербургскоймедико-хирургической академии – Василий Владимирович Петров впервые, занесколько лет до английского физика Дэви, обнаружил и описал явление электрическойдуги в воздухе между двумя угольными электродами. Кроме этого фундаментальногооткрытия, Петрову принадлежит описание разнообразных видов свеченияразряженного воздуха при прохождении через него электрического тока. Своеоткрытие Петров описывает так: "Если на стеклянную плитку или скамеечкусо стеклянными ножками будут положены 2 или 3 древесных угля, и если металлическимиизолированными направителями, сообщенными с обоими полюсами огромной батареи,приближать оные один к другому на расстоянии от одной до трех линий, тоявляется между ними весьма яркий белого цвета свет или пламя, от которого оныеугли скорее или медлительнее разгораются, и от которого темный покой освещенбыть может. " Работы Петрова были истолкованы только на русском языке,зарубежным ученым они были не доступны. В России значимость работ не былопонято и они были забыты. Поэтому открытие дугового разряда было приписаноанглийскому физику Дэви.
Начавшееся изучение спектров поглощения и излученияразличных тел привело немецкого ученого Плюккера к созданию Гейслеровых трубок.В 1857 году Плюккер установил, что спектр Гейслеровой трубки, вытянутой вкапилляр и помещенной перед щелью спектроскопа, однозначно характеризуетприроду заключенного в ней газа и открыл первые три линии так называемойБальмеровской спектральной серии водорода. Ученик Плюккера Гитторф изучалтлеющий разряд и в 1869 году опубликовал серию исследований эл./проводимостигазов. Ему совместно с Плюккером принадлежат первые исследования катодныхлучей, которые продолжил англичанин Крукс.
Существенный сдвиг в понимании явления газовогоразряда был вызван работами английского ученого Томсона, открывшегосуществование электронов и ионов. Томсон создал Кавендишскую лабораторию откудавышел ряд физиков исследователей электрических зарядов газов(Таундсен, Астон,Резерфорд, Крукс, Ричардсон). В дальнейшем эта школа внесла крупный вклад вразвитие электроники. Из русских физиков над исследованием дуги и практическимее применением для освещения работали: Яблочков (1847–1894), Чиколев(1845–1898), Славянов(сварка, переплавка металлов дугой), Бернардос(применениедуги для освещения). Несколько позднее исследованием дуги занимались Лачинов иМиткевич. В 1905 году Миткевич установил природу процессов на катоде дуговогоразряда. Не самостоятельным разрядом воздуха занимался Столетов (1881–1891). Вовремя его классического исследования фотоэффекта в Московском университетеСтолетов для эксперимента построил «воздушный элемент» (В.Э.) с двумяэлектродами в воздухе, дающим электрический ток без включения в цепьпосторонних ЭДС только при внешнем освещении катода. Столетов назвал этотэффект актиноэлектрическим. Он изучал этот эффект как при повышенноматмосферном давлении, так и при пониженном. Специально построенная Столетовымаппаратура давала возможность создавать пониженное давление до 0,002 мм. рт.столба. В этих условиях актиноэлектрический эффект представлял собой не толькофототок, но и фототок усиленный самостоятельным газовым разрядом. Свою статьюоб открытии этого эффекта Столетов закончил так: "Как бы ни пришлосьокончательно сформулировать объяснение актиноэлектрических разрядов, нельзя непризнать некоторые своеобразные аналогии между этими явлениями и давнознакомыми, но до сих пор малопонятными, разрядами Гейслеровых и Круксовыхтрубок. Желая при моих первых опытах ориентироваться среди явленийпредставляемых моим сетчатым конденсатором я невольно говорил себе, что передмной Гейслеровая трубка, могущая действовать и без разряжения воздуха спосторонним светом. Там и здесь явления электрические тесно связанны со световымиявлениями. Там и здесь катод играет особую роль и по-видимому распыляется.Изучение актиноэлектрических разрядов обещает пролить свет на процессыраспространения электричества в газах вообще…" Эти слова Столетовавсецело оправдались.
В 1905 году Эйнштейн дал толкование фотоэффекту,связанного со световыми квантами и установил закон названный его именем. Такимобразом фотоэффект, открытый Столетовым, характеризует следующие законы:
1) Закон Столетова – количествоимитируемых в единицу времени электронов пропорционально, при прочих равныхусловиях, интенсивности падающего на поверхность катода света. Равные условияздесь надо понимать как освещение поверхности катода монохраматическим светомодной и той же длины волны. Или светом одного и того же спектрального состава.
2) />
/> <td/> />Максимальная скорость электронов покидающихповерхность катода при внешнем фотоэффекте определяется соотношением:
/>
– />величина кванта энергии монохроматического излученияпадающего на поверхность катода.
– Работа выхода электрона изметалла.
3) Скорость фотоэлектронов покидающихповерхность катодов не зависит от интенсивности падающего на катод излучения.
Впервые обнаружил внешний фотоэффект немецкий физикГерц(1887г.). Экспериментируя с открытым им электромагнитным полем. Герцзаметил, что в искровом промежутке приемного контура искра, обнаруживающаяналичие электрических колебаний в контуре проскакивает при прочих равныхусловиях легче в том случае если на искровой промежуток падает свет от искровогоразряда в генераторном контуре.
/> В1881 году Эдисон впервые обнаружил явление термоэлектронной эмиссии. Проводяразличные эксперименты с угольными лампами накаливания, он построил лампусодержащую в вакууме, кроме угольной нити, еще металлическую пластинку А откоторой был выведен проводник Р. Если соединить провод через гальванометр сположительным концом нити, то через гальванометр идет ток, если соединить сотрицательным, то ток не обнаруживается. Это явление было названо эффектомЭдисона. Явление испускания электронов раскаленными металлами и другими теламив вакууме или в газе было названо термоэлектронной эмиссией.
3. Этапы развитияэлектроники
1 этап. К первому этапу относится изобретение в 1809 году русским инженеромЛадыгиным лампы накаливания.
Открытие в 1874 году немецким ученым Брауномвыпрямительного эффекта в контакте металл–полупроводник. Использование этогоэффекта русским изобретателем Поповым для детектирования радиосигнала позволилосоздать ему первый радиоприемник. Датой изобретения радио принято считать 7 мая1895 г. когда Попов выступил с докладом и демонстрацией на заседаниифизического отделения русского физико–химического общества в Петербурге. А 24марта 1896 г. Попов передал первое радиосообщение на расстояние 350м. Успехиэлектроники в этот период ее развития способствовали развитию радиотелеграфии.Одновременно разрабатывали научные основы радиотехники с целью упрощенияустройства радиоприемника и повышения его чувствительности. В разных странахвелись разработки и исследования различных типов простых и надежныхобнаружителей высокочастотных колебаний – детекторов.
2 этап.
/> <td/> />Второй этап развития электроники начался с 1904г. 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 электрическимтоком до температуры при которой возникает термоэлектронная эмиссия./> /> /> /> /> /> <td/> /> />
При высоком вакууме разряжение газа между электродамитаково, что длина свободного пробега электронов значительно превосходитрасстояние между электродами, поэтому при положительном, относительно катоданапряжении на аноде Va электроны движутся к аноду, вызывая ток Ia в анодной цепи. При отрицательном напряжении анода Va эмитируемые электроны возвращаются на катод и ток в анодной цепи равеннулю. Таким образом электровакуумный диод обладает односторонней проводимостью,что используется при выпрямлении переменного тока. В 1907 г. американскийинженер Ли де Форест установил, что поместив между катодом (К) и анодом (А)металлическую сетку (с) и подавая на нее напряжение Vcможно управлять анодным током Ia практически без инерционно и с малой затратойэнергии. Так появилась первая электронная усилительная лампа – триод(рис. 3).Ее свойства как прибора для усиления и генерирования высокочастотных колебанийобусловили быстрое развитие радиосвязи. Если плотность газа наполняющего баллоннастолько высока, что длина свободного пробега электронов оказывается меньшерасстояния между электродами, то электронный поток, проходя черезмежэлектродное расстояние взаимодействует с газовой средой в результате чегосвойства среды резко изменяются. Газовая среда ионизируется и переходит всостояние плазмы, характеризующееся высокой электропроводностью. Это свойствоплазмы было использовано американским ученым Хеллом в разработанном им в 1905г. газотроне – мощном выпрямительном диоде наполненном газом. Изобретениегазотрона положило начало развитию газоразрядных электровакуумных приборов. Вразных странах стало быстро развиваться производство электронных ламп. Особенносильно это развитие стимулировалось военным значением радиосвязи. Поэтому 1913– 1919 годы – период резкого развития электронной техники. В 1913 г. немецкийинженер Мейснер разработал схему лампового регенеративного приемника и спомощью триода получил незатухающие гармонические колебания. Новые электронныегенераторы позволили заменить искровые и дуговые радиостанции на ламповые, чтопрактически решило проблему радиотелефонии. С этого времени радиотехникастановится ламповой. В России первые радиолампы были изготовлены в 1914 году вСанкт–Петербурге консультантом русского общества беспроволочного телеграфированияНиколаем Дмитриевичем Папалекси, будущим академиком АН СССР. Папалекси окончилСтрасбургский университет, где работал под руководством Брауна. Первые радиолампыПапалекси из–за отсутствия совершенной откачки были не вакуумными, агазонаполненными(ртутными). С 1914 – 1916 гг. Папалекси проводил опыты по радиотелеграфии.Работал в области радиосвязи с подводными лодками. Руководил разработкой первыхобразцов отечественных радиоламп. С 1923 – 1935 гг. совместно с Мандельштамом руководилнаучным отделом центральной радиолаборатории в Ленинграде. С 1935 года работалпредседателем научного совета по радиофизике и радиотехнике при академии наукСССР.
Первые в России электровакуумные приемо–усилительныерадиолампы были изготовлены Бонч – Бруевичем. Он родился в г. Орле (1888 г.). В1909 году окончил инженерное училище в Петербурге. В 1914 г. окончил офицерскуюэлектротехническую школу. С 1916 по 1918 г. занимался созданием электронныхламп и организовал их производство. В 1918 году возглавил Нижегородскуюрадиолабораторию, объединив лучших радиоспециалистов того времени(Остряков,Пистолькорс, Шорин, Лосев). В марте 1919 года в нижегородской радиолабораторииначалось серийное производство электровакуумной лампы РП–1. В 1920 годуБонч–Бруевич закончил разработку первых в мире генераторных ламп с медныманодом и водяным охлаждением, мощностью до 1 кВт. Видные немецкие ученые,ознакомившись с достижениями Нижегородской лаборатории признали приоритетРоссии в создании мощных генераторных ламп. Большие работы по созданиюэлектровакуумных приборов развернулись в Петрограде. Здесь работали Чернышев,Богословский, Векшинский, Оболенский, Шапошников, Зусмановский, Александров. Важноезначение для развития электровакуумной техники имело изобретение нагреваемогокатода. В 1922 году в Петрограде был создан электровакуумный завод, которыйслился с электроламповым заводом «Светлана». Внаучно–исследовательской лаборатории этого завода, Векшинским были проведены многосторонниеисследования в области физики и технологии электронных приборов (по эмиссионнымсвойствам катодов, газовыделению металла и стекла и другие).
Переход от длинных волн к коротким и средним, иизобретение супергетеродина и развитие радиовещания потребовали разработкиболее совершенных ламп, чем триоды. Разработанная в 1924 г. и усовершенствованнаяв 1926 г. американцем Хеллом экранированная лампа с двумя сетками (тетрод), ипредложенная им же 1930 г. электровакуумная лампа с тремя сетками (пентод),решили задачу повышения рабочих частот радиовещания. Пентоды стали самыми распространеннымирадиолампами. Развитие специальных методов радиоприема вызвало в 1934–1935годах появления новых типов многосеточных частотопреобразовательных радиоламп.Появились также разнообразные комбинированные радиолампы, применение которыхпозволило значительно уменьшить число радиоламп в приемнике. Особенно наглядновзаимосвязь между электровакуумной и радиотехникой проявилась в период, когдарадиотехника перешла к освоению и использованию диапазона УКВ (ультракороткиеволны – метровые, дециметровые, сантиметровые и миллиметровые диапазоны). Дляэтой цели, во–первых, были значительно усовершенствованы уже известныерадиолампы. Во–вторых, были разработаны электровакуумные приборы с новымипринципами управления электронными потоками. Сюда относятся многорезонаторныемагнетроны(1938г), клистроны(1942г), лампы обратной волны ЛОВ (1953г). Такиеприборы могли генерировать и усиливать колебания очень высоких частот, включаямиллиметровый диапазон волн. Эти достижения электровакуумной техники обусловилиразвитие таких отраслей как радионавигация, радиолакация, импульснаямногоканальная связь.
Советский радиофизик Рожанский в 1932 г. предложилсоздать приборы с модуляцией электронного потока по скорости. По его идееАрсеньев и Хейль в 1939 г. построили первые приборы для усиления и генерацииколебаний СВЧ (сверх высокие частоты). Большое значение для техникидециметровых волн имели работы Девяткова, Хохлова, Гуревича, которые в 1938 –1941 годах сконструировали триоды с плоскими дисковыми электродами. По этому жепринципу в Германии были изготовлены металлокерамические лампы, а в СШАмаячковые лампы.
Созданные в 1943г. Компфнером лампы бегущейволны(ЛБВ) обеспечили дальнейшее развитие СВЧ систем радиорелейной связи. Длягенерации мощных СВЧ колебаний в 1921 г. был предложен магнетрон, его авторХелл. По магнетрону исследования проводили русские ученые – Слуцкий, Грехова,Штейнберг, Калинин, Зусмановский, Брауде, в японии – Яги, Окабе. Современныемагнетроны берут свое начало в 1936 – 1937 годах, когда по идее Бонч–Бруевичаего сотрудники, Алексеев и Моляров, разработали многорезонаторные магнетроны.
В 1934 году сотрудники центральной радиолаборатории,Коровин и Румянцев, провели первый эксперимент по применению радиолакации иопределению летящего самолета. В 1935 г. теоретические основы радиолакации былиразработаны в Ленинградском физико–техническом институте Кобзаревым. Одновременнос разработкой вакуумных электроприборов, на втором этапе развития электроники,создавались и совершенствовались газоразрядные приборы.
В 1918 г. в результате исследовательской работыдоктора Шретера немецкая фирма «Пинтш» выпустила первые промышленныелампы тлеющего разряда на 220 В. начиная с 1921 года голландская фирма Philipsвыпустила первые неоновые лампы тлеющего разряда на 110 В. В США первыеминиатюрные неоновые лампы появились в 1929 г.
В 1930 году Ноулз впервые опубликовал описаниенеоновой лампы тлеющего разряда, в которой возникновение разряда между анодом икатодом вызывается третьим электродом. Первый тиратрон тлеющего разряда (рис.4), который нашел широкое применение, сконструировал в 1936 году изобретательфирмы «Белл Телефон». В то время он именовался «Лампа –313А». В этом же году другой изобретатель – Витли, предложил своюконструкцию тиратрона. Где с помощью тока ( Ic<sub/>)управляющего электрода (с) создается необходимый начальный уровень концентрацииэлектронов и ионов, в вакуумном промежутке анод – катод. Этот уровень обеспечиваетпоявление тлеющего разряда. Этот же эффект используется в декатроне,предложенном фирмой «Эриксон». Декатрон представляет собойдесятикатодный переключатель(рис. 5), состоящий из одного анода (А) и десятикатодов (К1, К2, К3…, К10) и расположенных между катодами подкатодов (1, 2).Заряд переносится с одного катода на другой путем последовательной подачи паруправляющих импульсов на подкатоды. Пусть существует тлеющий заряд междукатодом К1 и анодом А, если потенциал подкатода 1 будет ниже, чем К1заряд перекинется на подкатод 1. Подавая отрицательный импульс наподкатод 1 и следом на 2, переносят заряд наК1 и К2.
/>/>
/>
Первый советский тиратрон тлеющего разряда былразработан в 1940 году в лаборатории завода «Светлана». По своимпараметрам он был близок к параметрам фирмы «RCA».Свечение, сопровождающее газовый разряд, стали использовать в знаковыхгазоразрядных 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 отдруга Константинов и Катаев. Подобные же трубки названные иконоскопами построилв США Владимир Константинович Зворыкин. В 1912 г. он окончил Петербургскийэкономический институт. В 1914 г. колледж «Де Франс» в Париже. В 1917эмигрировал в США. В 1920 г. поступил в фирму «Вестингаус Электрик».В 1929 г. возглавил лабораторию американской радиокорпорации «Камдем иПристон». 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 искусственногоосвещения. Шмаков родился в 1885 г., в 1912 г. закончил МГУ, работал (1924–30гг.) 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 вМВТУ, в 1933 г. вместе со Шмаковым изобрел иконоскоп. Остальные трудыотносились к области: фотоэффекта, вторичной электронной эмиссии, разрядов вгазах, электронной оптики. Разработал конструкции электронных умножителей, электронно–оптическихпреобразователей.
В 1939 г. советский ученый Брауде предложил идеюсоздания еще более чувствительной передающей трубки названной суперортикон. К1930 годам относятся первые эксперименты с очень простыми передающимиустройствами получившими название видикон. Идея создания видикона былавыдвинута Чернышевым в 1925 году. Первые практические образцы видиконов появилисьв США в 1946 г.
Иконоскоп (рис. 7) представляет собойэлектроннолучевую трубку в которой с помощью электронного луча исветочувствительной мозаики происходит преобразование световой энергии вэлектрические видеоимпульсы. Иконоскоп имеет стеклянный баллон (4) в которомнаходится светочувствительная мозаика (6), состоящая из нескольких миллионовизолированных друг от друга зерен серебра (Ag) покрытыхцезием (Cs). Мозаика наносится на тонкую слюдяную пластинкуразмером 100х100 мм. На обратной стороне слюдяной пластины находится сигнальнаяпластина (5), представляющая собой миниатюрный фотокатод, излучающий свободныеэлектроны под действием света. Каждое зерно светочувствительной мозаикисовместно с сигнальной пластиной можно рассматривать как элементарныйконденсатор со слюдяным диэлектриком. При освещении мозаики через линзу (2)светом отраженным от передаваемого изображения (1), мозаика превращается всистему конденсаторов заряд которых пропорционален освещенности соответствующихзерен. Свободные электроны эмитируемые фотокатодом (5) собираются коллектором(3) на который падает положительное по отношению к сигнальной пластиненапряжение. Коллектором служит проводящий слой нанесенный на внутреннюю стенкуиконоскопа. Электронный прожектор (8) создает луч, который с помощьюотклоняющей системы (7) построчно обегает все зерна мозаики и снимает с нихположительный заряд. Свободные электроны электронного луча занимают местоэлектронов вылетевших из мозаики в результате фотоэлектронной эмиссии. Разрядмикроскопических конденсаторов вызывает прохождение токов через резисторнагрузки (Rн) и цепькатода (К) электронного прожектора. Падение напряжения на резисторе (Rн) пропорционально освещенности элементарных участковмозаики с которых в данный момент электронный луч снимает положительный заряд.Недостатком иконоскопа является малый КПД и низкая чувствительность. Для работытакого иконоскопа требуется очень большая освещенность передаваемого объекта.
На (рис. 8) приведена принципиальная схема видикона.На внутреннюю торцевую поверхность баллона видикона наносится полупрозрачныйслой золота, исполняющего роль сигнальной пластины (9). На этот слой наноситсяфоторезист (8) – это кристаллический Селен или трехсернистая Сурьма. Свободныеэлектроны, излучаемые катодом (К), формируются в электронный луч с помощьюуправляющего электрода (11) и двух ускоряющих анодов (5 и 6). Фокусировка лучаосуществляется с помощью фокусирующей катушки (3). Сетка (7) расположеннаяперед фоторезистом создает однородное тормозящее поле, которое препятствует кобразованию ионного пятна и обеспечивает нормальное падение электронного луча.Отклоняющие катушки (4) питаются пилообразными токами и заставляют электронныйлуч построчно обегать рабочий участок фоторезиста(8). Корректирующие (1) ицентрирующие (2) катушки дают возможность перемещать электронный луч в 2–хвзаимно перпендикулярных областях. Электропроводность фоторезиста зависит отего освещенности. Электронный луч, попадая на поверхность мишени, выбиваетвторичные 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 сигнальнойпластины. Каждый элемент мишени можно рассматривать как конденсатор с потерями,электропроводность, которого зависит от интенсивности освещения. Изменениепотенциала элементов мишени электронным лучом и является видеосигналомснимаемым с резистора нагрузки Rн. Напряжениеснимаемое с резистора Rн пропорциональноосвещенности того элемента на котором в данный момент находится электронныйлуч.
/>
/> /> /> /> /> /> <td/> /> />/>
4. Третий период развитияэлектроники
4.1 Изобретениеточечного транзистора.
Третий период развития электроники – это периодсоздания и внедрения дискретных полупроводниковых приборов, начавшийся сизобретения точечного транзистора. В 1946 году при лаборатории «БеллТелефон» была создана группа во главе с Уильямом Шокли, проводившая исследованиясвойств полупроводников на Кремнии (Sc) и Германии (Ge)[Литература: Дж. Грик «Физика XX в. Ключевые эксперименты»,М. 1978 г.] Группа проводила как теоретические, так и экспериментальныеисследования физических процессов на границе раздела двух полупроводников сразличными типами электрической проводимости. В итоге были изобретены: трехэлектродныеполупроводниковые приборы – транзисторы. В зависимости от количества носителейзаряда транзисторы были разделены на:
– униполярные (полевые), гдеиспользовались однополярные носители.
– биполярные, где использовалисьразнополярные носители(электроны и дырки).
Идеи создания полевых транзисторов появились раньше,чем биполярных, но практически реализовать эти идеи не удавалось. Успех былдостигнут 23 декабря 1947 г. сотрудниками лаборатории «Белл Телефон»–Бардиным и Браттейном, под руководством Шокли. Бардин и Браттейн в результатемногочисленных 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 описаниетрехэлементного 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 состоитиз трех электродов размещенных на германиевом блоке, как показано на Рис.4.1
Два из этих электродов называющиеся, эмиттером (Э) и коллектором (К),являются выпрямителямис точечным контактом и располагаются в непосредственной близости друг от другана верхней поверхности. Третий электрод, большой площади и маленького радиуса,нанесен на основание – базу (Б).Использовался Gen–типа. Точечные контакты изготовлялись как изВольфрама так и из фосфористой бронзы. Каждый точечный контакт в отдельностивместе с электродом базы образует выпрямитель с высоким обратнымсопротивлением. Ток, направление которого по отношению ко всему объему кристаллаявляется прямым, создается дырками т.е. носителями, имеющими противоположныйзнак по отношению к носителям обычно присутствующим в избытке внутри объема Ge. Когда два точечных контакта расположены очень близко друг к другу и кним приложено постоянное напряжение, контакты оказывают взаимное влияние другна друга. Благодаря этому влиянию возможно использовать данное устройство дляусиления сигнала переменного тока. Электрическая цепь с помощью которой можноэтого добиться показана на Рис. 4.1К эмиттеру приложено небольшое положительное напряжение в прямом направлении,которое вызывает ток в несколько миллиампер через поверхность. К коллекторуприкладывается обратное напряжение, достаточно большое для того чтобы токколлектора был равным или больше тока эмиттера(Ik≥ Iэ). Знакнапряжения на коллекторе таков, что он притягивает дырки идущие от эмиттера. Врезультате большая часть тока эмиттера проходит через коллектор. Коллекторсоздает большое сопротивление для электронов текущих в полупроводник, и почтине препятствует потоку дырок в точечный. Если ток эмиттера модулироватьнапряжением сигнала, то это приводит к соответствующему изменению токаколлектора. Была получена большая величина отношения выходного напряжения квходному, такого же порядка, что и отношение импедансов, выпрямляющего точечногоконтакта в обратном и прямом направлении. Таким образом возникает соответствующееусиление мощности выходного сигнала. Получили выигрыш в мощности в 100 раз. Подобныеустройства работали как усилители при частотах вплоть до 10МГц(мегагерц)."
Устройство изобретенное Бардиным и Браттейном былоназвано точечным транзистором типа А и представлял собой конструкциюпредставленную на Рис. 4.2 Где (1) кристалл Германия, (2) вывод эмиттера, (3)вывод базы. Усиление сигнала осуществлялось за счет большого различия ввеличинах сопротивления, низкоомного входного и высокоомного выходного. Поэтомусоздатели нового прибора назвали его сокращенно – транзистором (в пер. санглийского – «преобразователь сопротивления»).
/>
/>
/> /> /> /> /> /> <td/> /> />/>
4.2 Изобретениеплоскостного биполярного транзистора.
Одновременно, в период апрель 1947 – январь 1948 г.,Шокли опубликовал теорию плоскостных биполярных транзисторов. Рассмотревполупроводниковые выпрямительные устройства из кристаллов полупроводника,имеющего переход между областями p- и n- типа.(Рис. 4.3)
Такое устройство, называемое плоскостнымполупроводниковым выпрямителем, обладает малым сопротивлением, когда р-область– положительна по отношению к n-области. Характеристики плоскостного выпрямителяможно точно определить теоретически. По сравнению с точечным, плоскостной выпрямительдопускает большую нагрузку т.к. площадь контакта можно сделать достаточнобольшой. С другой стороны с увеличением площади растет шунтирующая контактнаяемкость. Далее Шокли рассмотрел теорию плоскостного транзистора из кристаллаполупроводника, содержащего два p-n перехода (Рис. 4.4) Положительная р-область являетсяэмиттером, отрицательная р-область коллектором, n-областьпредставляет собой базу. Таким образом вместо металлических точечных контактовиспользуются две p-n области. В точечном транзисторе два металлическихточечных контакта необходимо было располагать очень близко друг к другу, и вплоскостном транзисторе оба перехода должны располагаться очень близко друг кдругу. Область базы очень тонкая – менее 25 мкм. Плоскостные транзисторыобладают рядом преимуществ перед точечными: они более доступны теоретическомуанализу, обладают более низким уровнем шумов, обеспечивают большую мощность.Для нормальной работы транзистора, как усилителя, необходимо чтобы на эмиттербыло подано прямое, а на коллектор обратное смещение, по отношению к базе. Для p-n-pтранзистора условие соответствует – положительному эмиттеру и отрицательному коллектору.Для n-p-n – обратные полярности т.е. отрицательный эмиттер иположительный коллектор.
Изобретение транзисторов явилось знаменательной вехойв истории развития электроники и поэтому его авторы Джон Бардин, УолтерБраттейн и Уильям Шокли были удостоины нобелевской премии по физике за 1956 г.
/>
/>
4.3 Предпосылки появления транзисторов.
Появление транзисторов – это результат кропотливойработы десятков выдающихся ученых и сотен виднейших специалистов, которые втечении предшествующих десятилетий развивали науку о полупроводниках. Среди нихбыли 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 проводимостьполупроводников растет с повышением температуры, в противоположностьпроводимости металлов, которая в этом случае уменьшается.
В конце XIX века были установлены триважнейших свойства полупроводников:
1.Появление ЭДС при освещенииполупроводника.
2.Рост электрической проводимостиполупроводника при освещении.
3.Выпрямляющее свойство контакта полупроводникас металлом.
В 20-е годы ХХ в. выпрямляющие свойства контактаполупроводников с металлом начали практически использовать в радиотехнике.Радиоспециалисту из Нижегородской радиотехнической лаборатории Олегу Лосеву в1922 году удалось применить выпрямляющее устройство на контакте стали скристаллом цинкита в качестве детектора, в детекторном приемнике под названием«Кристадин». Схема кристадина (Рис. 4.5) содержит входнойнастраиваемый контур L1C1 ккоторому подключена внешняя антенна А и заземление. С помощью переключателя П1параллельно входному контуру подключается детектор Д1. Такойдетектор может не только детектировать, но и предварительно усиливать сигнал,когда его рабочая точка находится на падающем участке ВАХ (Рис. 4.5(б)). Наэтом участке ВАХ сопротивление детектора становится отрицательным, что приводитк частичной компенсации потерь в контуре L1C1и тогда приемник становитсягенератором.
/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /><td/>
<td/>
/> /> <td/> />
/>
Потенциометр R1 регулирует ток детектора. Прослушивание сигналов принятыхрадиостанцией осуществляется на низкоуровневый телефон, катушки котороговключены последовательно с источником питания через дроссель Др 1 и катушку L2.
Первый образец кристадина был изготовлен Лосевым в1923 году. В это время в Москве начала работать центральная радиотелефоннаястанция, передачи которой можно было принимать на простые детекторные приемникитолько вблизи столицы. Кристадин Лосева позволял не только увеличить дальностьприема радиостанции, но был проще и дешевле. Интерес к кристадину в то времябыл огромный. «Сенсационное изобретение» – под таким заголовкомамериканский журнал «Radio News» напечатал в сентябре1924 г. редакционную статью посвященную работе Лосева. «Открытие Лосеваделает эпоху», – писал журнал, выражая надежду, что сложную электровакуумнуюлампу вскоре заменит кусочек цинкита или другого вещества простого в изготовлениии применении.
Продолжая исследование кристаллических детекторов,Лосев открыл свечение карборунда при прохождении через него электрическоготока. Спустя 20 лет это же явление было открыто американским физиком Дестрио иполучило название электролюминесценции. Важную роль в развитии теории полупроводниковв начале 30-х годов сыграли работы проводимые в России под руководствомакадемика А.Ф. Иоффе. В 1931 году он опубликовал статью с пророческим названием:«Полупроводники – новые материалы электроники». Немалую заслугу висследование полупроводников внесли советские ученые – Б.В. Курчатов, В.П. Жузеи др. В своей работе – «К вопросу об электропроводности закиси меди»,опубликованной в 1932 году, они показали, что величина и тип электрическойпроводимости определяется концентрацией и природой примеси. Немного позднее,советский физик – Я.Н. Френкель создал теорию возбуждения в полупроводникахпарных носителей заряда: электронов и дырок. В 1931 г. англичанину Уилсонуудалось создать теоретическую модель полупроводника, основанную на том факте,что в твердом теле дискретные энергетические уровни электронов отдельных атомовразмываются в непрерывные зоны, разделенные запрещенными зонами (значениямиэнергии, которые электроны не могут принимать) – «зонная теорияполупроводников».
В 1938 г. Мотт в Англии, Давыдов в СССР, ВальтерШоттки в Германии сформулировали, независимо, теорию выпрямляющего действияконтакта металл-полупроводник. Эта обширная программа исследований, выполняемаяучеными разных стран и привела к экспериментальному созданию сначала точечного,а затем и плоскостного транзистора.
4.4 История развитияполевых транзисторов.
4.4.1 Первыйполевой 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 по1926 г. был профессором Лейпцигского университета. В 1926 г. иммигрировал в СШАи подал заявку на патент.
Предложенные Лилиенфельдом транзисторы не быливнедрены в производство. Транзистор по одному из первых патентов № 1900018представлен на Рис. 4.6
/>
/> <td/> />/>
/>
Наиболее важная особенность изобретения Лилиенфельдазаключается в том, что он понимал работу транзистора на принципе модуляциипроводимости исходя из электростатики. В описании к патенту формулируется, чтопроводимость тонкой области полупроводникового канала модулируется входнымсигналом, поступающим на затвор через входной трансформатор.
4.4.2
В 1935 году в Англии получил патент на полевойтранзистор немецкий изобретатель О. Хейл
Схема из патента № 439457 представлена на Рис. 4.7где:
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
/> <td/> />7 – амперметр
/>
/>
/>
Управляющий электрод (1) выполняет роль затвора,электрод (3) выполняет роль стока, электрод (4) роль истока. Подавая переменныйсигнал на затвор, расположенный очень близко к проводнику, получаем изменениесопротивления полупроводника (2) между стоком и истоком. При низкой частотеможно наблюдать колебание стрелки амперметра (7). Данное изобретение являетсяпрототипом полевого транзистора с изолированным затвором.
4.4.3
Следующий период волны изобретений по транзисторамнаступил в 1939 году, когда после трехлетних изысканий по твердотельномуусилителю в фирме «BTL» (Bell Telephone Laboratories) Шокли был приглашен включиться в исследование Браттейна помедноокисному выпрямителю. Работа была прервана второй мировой войной, но ужеперед отъездом на фронт Шокли предложил два транзистора. Исследования потранзисторам возобновились после войны, когда в середине 1945 г. Шокли вернулсяв «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, изобратно смещенного p-n – перехода. Предложенный Шокли полевой транзистор состоитиз полупроводникового стержня n-типа (канал n-типа) с омическими выводами наторцах. В качестве полупроводника использован кремний(Si). На поверхностиканала с противоположных сторон формируется p-n-переход,таким образом, чтобы он был параллелен направлению тока в канале. Рассмотримкак течет ток между омическими контактами истока и стока. Проводимость каналаопределяют основные носители заряда для данного канала. В нашем случаеэлектроны в канале n-типа. Вывод, от которого носители начинают свой путь,называется истоком. На рис. 4.8 – это отрицательный электрод. Второй омическийэлектрод, к которому подходят электроны, – сток. Третий вывод от p-n-переходаназывают затвор.
Точное описание процессов в полевом транзисторепредставляет определенные трудности. Поэтому, Шокли предложил упрощенную теориюуниполярного транзистора в основном объясняющую свойства этого прибора. Приизменении входного напряжения (исток-затвор) изменяется обратное напряжение на p-n-переходе,что приводит к изменению толщины запирающего слоя. Соответственно изменяется площадьпоперечного сечения n-канала, через который проходит поток основныхносителей заряда, т.е. выходной ток. При высоком напряжении затвора запирающийслой становится все толще и площадь поперечного сечения уменьшается до нуля, асопротивление канала увеличивается до бесконечности и транзистор запирается.
4.4.4
В 1963 г. Хофштейн и Хайман описали другуюконструкцию полевого транзистора, где используется поле в диэлектрике,расположенном между пластиной полупроводника и металлической пленкой. Такиетранзисторы со структурой металл-диэлектрик-полупроводник называютсяМДП-транзисторы. В период с 1952 по 1970 гг. полевые транзисторы оставались налабораторной стадии развития. Три фактора способствовали стремительномуразвитию полевых транзисторов в 70-е годы:
1) Развитие физики полупроводников и прогресс втехнологии полупроводников, что позволило получить приборы с заданнымихарактеристиками.
2) Создание новых технологических методов,таких как тонкопленочные технологии для получения структуры с изолированнымзатвором.
3) Широкое внедрение транзисторов вэлектрическое оборудование.
4.5 История развитиясерийного производства транзисторов в США и СССР
4.5.1
Ускоренная разработка и производство транзисторовразвернулись в США в кремниевой долине, расположенной в 80-ти км отСан-Франциско. Возникновение кремниевой долины связывают с именем Ф. Термена –декана инженерного факультета Стенфордского университета, когда его студентыХьюлетт, Паккард и братья Вариан создали фирмы, прославившие их имена во времявторой мировой войны.
Бурное развитие кремниевой долины началось, когдаШокли покинул «BTL» и основал собственную фирму по производствукремниевых транзисторов при финансовой помощи питомца Калифорнийского политехническогоинститута А. Беккмана. Его фирма начала работу осенью 1955 г., как отделение фирмы«Beckman Instruments» в армейскихказармах 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 создалиотдельную самостоятельную фирму «Fairchild Semiconductor Corporation» в основе деятельности, которой лежало массовоепроизводство высококачественных кремниевых биполярных транзисторов. В качествепервого изделия был выбран в 1957 г. кремниевый n-p-nмезатранзистор с двойной диффузией типа 2N696. Онтребовал всего лишь два процесса фотолитографии для создания эмиттера иметаллических контактов. Термин мезатранзистор был предложен Эрли из «BTL».Введя дополнительную операцию фотолитографии, Хорни заменил мезаструктуруколлектора диффузионным карманом и закрыл место пересечения эмиторного иколлекторного переходов с поверхностью термическим оксидом(1000 oС).Технологию таких транзисторов Хорни назвал планарным процессом. В 1961 г. былначат 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 Shockleyвыглядят так: Ласт и Хорни в 1961 году основали Amelco, котораяпозже превратилась в Teledyne Semiconductor. Хорни в 1964 годусоздал Union Corbide Electronics, в 1967 году – Intersil. Ежегодно создавалось по четыре фирмы, и за период с1957 по 1983 г. в кремниевой долине было создано более 100 фирм. Ростпродолжается и сейчас. Он стимулируется близостью Стенфордского иКалифорнийского университета и активным участием их сотрудников в деле организациифирм (Рис. 4.9).
Рис. 4.9 Динамика развитиякремниевой 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).
СаХорсли
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 отечественнойпромышленностью были точечные транзисторы, которые предназначались для усиленияи генерирования колебаний частотой до 5 МГц. В процессе производства первых вмире транзисторов были отработаны отдельные технологические процессы и разработаныметоды контроля параметров. Накопленный опыт позволил перейти к выпуску болеесовершенных приборов, которые уже могли работать на частотах до 10 МГц. Вдальнейшем на смену точечным транзисторам пришли плоскостные, обладающие болеевысокими электрическими и эксплуатационными качествами. Первые транзисторы типаП1 и П2 предназначались для усиления и генерирования электрических колебаний счастотой до 100 кГц. Затем появились более мощные низкочастотные транзисторы П3и П4 применение которых в 2-х тактных усилителях позволяло получить выходнуюмощность до нескольких десятков ватт. По мере развития полупроводниковойпромышленности происходило освоение новых типов транзисторов, в том числе П5 иП6, которые по сравнению со своими предшественниками обладали улучшеннымихарактеристиками. Шло время, осваивались новые методы изготовлениятранзисторов, и транзисторы П1 – П6 уже не удовлетворяли действующим требованиями 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 этихтранзисторов, осуществляемым методом сплавления. Поэтому транзисторы П1 – П6,П13 – П16, П201 – П203 называют сплавными. Транзисторы способные генерировать иусиливать электрические колебания с частотой в десятки и сотни МГц появилисьзначительно позже – это были транзисторы типа П401 – П403, которые положилиначало применению нового диффузионного метода изготовления полупроводниковыхприборов. Такие транзисторы называют диффузионными. Дальнейшее развитие шло попути совершенствования как сплавных, так и диффузионных транзисторов, а так жесозданию и освоению новых методов их изготовления.
5. Предпосылки появлениямикроэлектроники
5.1 Требованияминиатюризации электрорадиоэлементов со стороны разработчиков радиоаппаратуры.
С появлением биполярных полевых транзисторов началивоплощаться идеи разработки малогабаритных ЭВМ. На их основе стали создаватьбортовые электронные системы для авиационной и космической техники. Так как этиустройства содержали тысячи отдельных ЭРЭ(электрорадиоэлементов) и постояннотребовалось все большее и большее их увеличение, появились и техническиетрудности. С увеличением числа элементов электронных систем практически неудавалось обеспечить их работоспособность сразу же после сборки, и обеспечить,в дальнейшем, надежность функционирования систем. Даже опытные сборщики иналадчики ЭВМ допускали несколько ошибок на 1000 спаек. Разработчикипредполагали новые перспективные схемы, а изготовители не могли запустить этисхемы сразу после сборки т.к. при монтаже не удавалось избежать ошибок, обрывовв цепи за счет не пропаев, и коротких замыканий. Требовалась длинная икропотливая наладка. Проблема качества монтажно-сборочных работ стало основнойпроблемой изготовителей при обеспечении работоспособности и надежностирадиоэлектронных устройств. Решение проблемы межсоединений и явилосьпредпосылкой к появлению микроэлектроники. Прообразом будущих микросхемпослужила печатная плата, в которой все одиночные проводники объединены вединое целое и изготавливаются одновременно групповым методом путемстравливания медной фольги с плоскостью фольгированного диэлектрика.Единственным видом интеграции в этом случае являются проводники. Применениепечатных плат хотя и не решает проблемы миниатюризации, однако решает проблемуповышения надежности межсоединений. Технология изготовления печатных плат недает возможности изготовить одновременно другие пассивные элементы кромепроводников. Именно поэтому печатные платы не превратились в интегральныемикросхемы в современном понимании. Первыми были разработаны в конце 40-х годовтолстопленочные гибридные схемы, в основу их изготовления была положена ужеотработанная технология изготовления керамических конденсаторов, использующаяметод нанесения на керамическую подложку через трафареты паст, содержащихпорошок серебра и стекла. Переход к изготовлению на одной подложке несколькихсоединенных между собой конденсаторов, а затем соединение их с композиционнымирезисторами, наносимыми также с помощью трафарета, с последующим вжиганиемпривело к созданию гибридных схем, состоящих из конденсаторов и резисторов.Вскоре в состав гибридных схем были включены и дискретные активные и пассивныекомпоненты: навесные конденсаторы, диоды и транзисторы. В дальнейшем развитиигибридных схем навесным монтажем были включены сверхминиатюрныеэлектровакуумные лампы. Такие схемы получили название толстопленочные гибридныеинтегральные микросхемы (ГИС). Тонкопленочная технология производства интегральныхмикросхем включает в себя нанесение в вакууме на гладкую поверхностьдиэлектрических подложек тонких пленок различных материалов(проводящих, диэлектрических,резистивных).
В 60-е годы огромные усилия исследователей былинаправлены на создание тонкопленочных активных элементов. Однако надежноработающих транзисторов с воспроизводимыми характеристиками никак не удавалосьполучить, поэтому в тонкопленочных ГИС продолжают использовать активныенавесные элементы. К моменту изобретения интегральных микросхем из полупроводниковыхматериалов уже научились изготавливать дискретные транзисторы и резисторы. Дляизготовления конденсатора уже использовали емкость обратно смещенного p-nперехода. Для изготовления резисторов использовались омические свойства кристаллаполупроводника. На очереди стояла задача объединить все эти элементы в одномустройстве.
5.2 Основы развитиятехнологии микроэлектроники.
5.2.1
Развитие микроэлектроники определяется уровнемдостигнутой микротехнологии.
Планарная технология. При планарной технологиитребуется обеспечить возможность создания рисунка тонких слоев из материала сразличными электрическими характеристиками, чтобы получить электронную схему.Важная особенность планарной технологии заключается в ее групповом характере: всеинтегральные схемы (ИС) на пластине изготавливают в одном технологическомцикле, что позволяет одновременно получать несколько полупроводниковых схем.
5.2.1.1
Технологические процессы получения тонких пленок.
/>
/> <td/> />1) Эпитаксия (упорядочение) – процесснаращивания на кристаллической подложке атомов упорядоченных вмонокристаллическую структуру. с тем чтобы структура наращиваемой пленкиполностью повторила кристаллическую ориентацию подложки. Основное достоинствотехники эпитаксии состоит в возможности получения чрезвычайно чистых пленок присохранении возможности регулирования уровня легирования. Применяют три типаэпитаксиального наращивания: газовую, жидкостную и молекулярную.
/>
/> <td/> />При газовой эпитаксии водород с примесьючетырех хлористого кремния (SiCl4 + H2) с контролируемой концентрацией пропускают черезреактор (Рис. 5.1), в котором на графитовом основании (1) расположеныкремниевые пластины (2). С помощью индукционного нагревателя графитпрогревается выше 1000 0С эта температура необходима для обеспеченияправильной ориентации осаждаемых атомов в решетке и получениимонокристаллической пленки. В основе процесса лежит обратимая реакция: SiCl4 + 2H2 ↔ Si + 4HCl – прямаяреакция соответствует получению эпитаксиальной пленки, обратная реакция травлениюподложки. Для легирования эпитаксиальной пленки в газовый поток добавляютпримесные атомы. Фосфорит (PH3) используютв качестве донорной примеси, а диборан (B2 H3) в качестве акцепторной примеси.
При жидкостной эпитаксии получают многочисленныеструктуры из разных материалов. На Рис. 5.2: 1, 2, 3, 4 – растворы
5 – скользящий графитовый держательрастворов
6 – подложка
7 – основной графитовый держатель
8 – толкатель
9 – электрическая печь
10 – кварцевая труба
11 – термофара
Подвижная конструкция с различными растворамипоследовательно подводит растворы к подложке. Таким образом получаютгетеропереходы с различными материалами толщиной менее 1 мкм (Ge – Si, GaAs– GaP)
/>
/>
Молекулярно-лучевая эпитаксия проводится всверхвысоком вакууме и основана на взаимодействии нескольких молекулярныхпучков с нагретой монокристаллической подложкой. На Рис. 5.3 иллюстрируетсяпроцесс получения соединения AlxGa1–xAs. Каждый нагреватель содержит тигель, являющимсяисточником молекулярного пучка одного из основных элементов пленки. Температуракаждого нагревателя выбирается таким образом, чтобы давление паров, испаренныхматериалов, было достаточно для образования молекулярных пучков. Подборомтемпературы нагревателя и подложки получают пленки со сложным химическимсоставом. Дополнительное управление процессом выращивания осуществляется спомощью специальных заслонок, расположенных между нагревателем и подложкой.Метод молекулярно-лучевой эпитаксии наиболее перспективен для твердотельнойэлектроники в которой существенную роль играют слоистые структуры субмикронныхразмеров.
2) Окисление. Слой двуокиси кремния формируетсяобычно на подложке за счет химического соединения атомов кремния с кислородом,который подается к поверхности кремниевой подложки нагретой технической печи дотемпературы 900-1200 оС.
/>/> Рис. 5.4: 1 – подложка
2 – кварцевая лодочка
3 – нагреватель
4 – кварцевая труба
Окислительной средой может быть сухой или влажныйкислород. Окисление происходит быстрее в атмосфере влажного кислорода, поэтомуоно используется для получения толстых пленок SiO2. Наиболее часто используется толщина окисласоставляющая десятые доли мкм, а верхний практический предел 1–2 мкм.
5.2.2Литографические процессы используемые для формирования токологии микросхем.
5.2.2.1 Фотолитография.
/>Фотолитография является основнымтехнологическим процессом в микроэлектронике при получении линий шириной до 1мкм и его долей. Сначала изготавливают оригинал топологии микросхемы в сильноувеличенномразмере (до 500 раз). Затем делают фотографию с уменьшением в 100 раз, затем в10 раз и т.д. пока окончательное изображение на пластине не будет точносоответствовать требуемой схеме. Полученная фотопластина используется вкачестве маски для передачи рисунка на поверхность подложки. Рассмотрим фотолитографическийпроцесс для получения отверстия в слое двуокиси кремния расположенном наподложке. Рис. 5.5
/>
1 – стеклянный фотошаблон
2 – фоторезист
3 – SiO2 (окиськремния)
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), затемк фоторезисту прикладывают стеклянный фотошаблон (1) с рисунком соответствующимтой части окисла, которая должна быть удалена (5). Экспонируют фотошаблон вультрафиолетовых лучах (6). Проявляют. В процессе проявления не экспонированныеучастки фоторезиста (2) растворяются. Окисный слой в окне стравливают кислотнымраствором и удаляют оставшийся слой фоторезиста – такой метод называетсяметодом контактной печати. Кроме того используют проекционную печать, когдамежду фотошаблоном и подложкой располагают оптические линзы.
5.2.2.2Электронно-лучевая литография.
Для получения рисунка методом электронной литографииприменяют два способа:
1) Электронный луч, управляемый ЭВМ,перемещается заданным образом по поверхности подложки.
2) Электронный пучок проходит черезспециальные маски.
В первом случае применяют два типа сканирующих систем– растровую и векторную. В растровой системе электронный луч модулируется поинтенсивности и построчно проходит по всей поверхности подложки. В векторнойсистеме электронный луч отклоняется таким образом, что его след на резистеточно соответствует необходимому рисунку.
Во втором варианте фотокатод располагают наповерхности оптической маски с заданным рисунком. Ультрафиолетовые лучиоблучают фотокатод сквозь маску, что приводит к эмиссии электронов с фотокатодав соответствующих рисунку областях. Эти электроны проецируются на поверхностьрезиста с помощью однородных совпадающих по направлению электростатических имагнитных полей. Разрешающая способность такой системы соответствует субмикроннымразмерам по всей площади подложки.
5.2.2.3 Рентгеновскаялитография.
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 длярентгеновских лучей, поддерживающей пленку, которая имеет заданный рисунок исделана из материала сильно поглощающего рентгеновские лучи. Эта маскарасполагается на подложке покрытой радиационно чувствительным резистом. Нарасстоянии Д от маски находится точечный источник рентгеновского излучения,которое возникает при взаимодействии сфокусированного электронного луча смишенью. Рентгеновские лучи облучают маску, создавая проекционные тени отпоглотителя рентгеновских лучей на полимерные пленки. После экспонированияудаляют либо облученные области при позитивном резисте, либо не облученные принегативном резисте. При этом на поверхности резиста создается рельеф,соответствующий рисунку. После получения рельефа на резисте подложкаобрабатывается травлением, наращиванием дополнительных материалов,легированием, нанесением материала через окна в рисунке резиста.
5.2.2.4 Ионно-лучеваялитография.
Появилась как результат поиска путей преодоленияограничений электронной и рентгеновской литографии. Возможны два способаформирования изображения на ионорезисте: сканирование с фокусированным лучом ипроецирование топологии с шаблона в плоскость подложки. Сканирующаяэлектронно-лучевая литография аналогична сканирующей электронной литографии.Ионы He+, H+, Ar+образуемые в источнике ионов вытягиваются из источника, ускоряются ифокусируются в плоскость подложки электронно-оптической системы. Сканированиевыполняют кадрами площадью 1 мм2 с пошаговым перемещением столика сподложкой и совмещением на каждом кадре. Сканирование с фокусированным ионнымлучом предназначено для получения топологии с размерами элементов от 0,03–0,3мкм. Проекционная ионно-лучевая литография выполняется широким коллимированнымионным пучком площадью 1 см2.
5.2.3
Перспективы развития планарной технологии в СШАизложены в «Национальной технологической маршрутной картеполупроводниковой электроники» отражающей развитие микроэлектроники до2010 года. По прогнозам этой работы основным материалом в производстве массовыхСБИС будет служить по прежнему кремний. В производстве СБИС предусматривается использоватьусовершенствованные процессы микролитографии с применением резистивных масокформируемых при ультрафиолетовом или рентгеновском облучении для создания токологическихрисунков на полупроводниковые пластины.
К 2010 году планируется увеличить диаметр пластин до400 мм, уменьшить критический размер элемента микросхем (например: ширинузатвора) до 70 нм. Уменьшить шаг разводки до 0,3 мкм. Оптическая литографиясохраняет лидирующее положение в производстве СБИС (сверхбольших интегральныхсхем) вплоть до размеров 150 нм, которые прогнозируется достичь уже в 2003 г.
6. IV период развития электроники
6.1 Изобретение первойинтегральной микросхемы
В 1960 году Роберт Нойс из фирмы Fairchild предложил и запатентовал идею монолитной интегральной схемы (ПатентСША 2981877) и применив планарную технологию изготовил первые кремниевые монолитныеинтегральные схемы. В монолитной интегральной схеме планарные диффузионные биполярныекремниевые транзисторы и резисторы соединены между собой тонкими и узкимиполосками алюминия, лежащими на пассивирующем оксиде. Алюминиевыесоединительные дорожки изготавливаются методом фотолитографии, путем травленияслоя алюминия напыленного на всю поверхность оксида. Такая технология получиланазвание – технология монолитных интегральных схем. Одновременно Килби из фирмыTexas Instruments изготовил триггер на одном кристалле германия,выполнив соединения золотыми проволочками. Такая технология получила название –технология гибридных интегральных схем. Апелляционный суд США отклонил заявкуКилби и признал Нойса изобретателем монолитной технологии с оксидом наповерхности, 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-транзисторныхлогических элементов с четырьмя и более биполярными транзисторами на одномкристалле кремния было выпущено фирмой Fairchild уже вфеврале 1960 года и получило название «микрологика». Планарнаятехнология Хорни и монолитная технология Нойса заложили в 1960 году фундаментразвития интегральных микросхем, сначала на биполярных транзисторах, а затем1965–85 гг. на полевых транзисторах и комбинациях тех и других. Малый разрыв вовремени между идеей и серийным производством интегральных микросхем объясняетсяоперативностью разработчиков. Так в 1959 году Хорни проводя многочисленныеопыты, сам отрабатывал технологию окисления и диффузии кремниевых пластин,чтобы найти оптимальную глубину диффузии бора и фосфора, и условия маскированияоксидом. Одновременно Нойс в темной комнате, по вечерам, в выходные дни упорнонаносит и экспонирует фоторезист на множестве кремниевых пластин с оксидом иалюминием в поисках оптимальных режимов травления алюминия. Гринич личноработает с приборами, снимая характеристики транзисторов и интегральныхмикросхем. Когда нет прецедента и опытных данных кратчайших путь к практическойреализации – «сделай сам». Путь, который и выбрала четверка пионеров– Гринич, Хорни, Мур, Нойс.
6.2 Развитие серийногопроизводства интегральных микросхем.
6.2.1
Два директивных решения принятых в 1961–1962 гг.повлияли на развитие производства кремниевых транзисторов и ИС.
1) Решение фирмы IBM(Нью-Йорк)по разработке для перспективной ЭВМ не ферромагнитных запоминающих устройств, аэлектронных ЗУ(запоминающих устройств) на базе n-канальныхполевых транзисторов(металл-окисел-полупроводник – МОП). Результатом успешноговыполнения этого плана был выпуск в 1973 г. универсальной ЭВМ с МОП ЗУ – IBM-370/158.
2) Директивные решения фирмы Fairchild предусматривающие расширение работ в полупроводниковойнаучно-исследовательской лаборатории по исследованию кремниевых приборов иматериалов для них.
6.2.2
Мур, Нойс и Гринич из фирмы Fairchildпривлекли в 1961 г. для вербовки молодых специалистов преподавателяИллинойского университета – Са, который читал там курс физики полупроводниковБардина. Са завербовал специалистов, только что, закончивших асперантуру(см.Рис. 4.9). Это были Уэнлесс, Сноу – специалисты по физике твердого тела, ЭндрюГроув – химик, окончивший университет в Беркли, Дил – химик-практик.
Проект по физике приборов и материалам ввели Дил, Гроуви Сноу. Проект по схемным применениям ввел Уэнлесс. Результаты исследованийэтой четверки до сих пор используются в технологии СБИС.
В июле 1968 г. Гордон Мур и Роберт Нойс уходят изотделения полупроводников фирмы Fairchild и 28 июня 1968 года организуют крохотную фирму Intelиз двенадцати человек, которые арендуют комнатку в Калифорнийском городеМаунтин Вью. Задача, которую поставили перед собой Мур, Нойс и примкнувший кним специалист по химической технологии – Эндрю Гроув, использовать огромный потенциалинтеграции большого числа электронных компонентов на одном полупроводниковомкристалле для создания новых видов электронных приборов.
В 1997 году Эндрю Гроув стал «человекомгода», а возглавляемая им компания Intel, ставшаяодной из ведущих в силиконовой долине в Калифорнии, стала производитьмикропроцессоры для 90% всех персональных компьютеров планеты. По состоянию на1 января 1998 г. стоимость фирмы – 15 млрд.$, ежегодный доход – 5,1 млрд.$.Гроув исполняет обязанности председателя совета директоров. В 1999 г. ежемесячнофирма производит – 4 квадриллиона транзисторов т.е. более полумиллиона накаждого 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. Многиекрупные корпорации хотели заполучить молодого ученого специалиста и инженера.Гроув достался, благодаря Са, фирме Fairchild.( «Современныетехнологии автоматизации(СТА)» 1/99г. – статья о фирме Intel.)
6.2.3
История создания электронных запоминающих устройствберет начало с изобретения в 1967 г. Диннардом из IBMоднотранзисторной динамической запоминающей ячейки для ЗУ с произвольной выборкой(ДЗУПВ).Это изобретение оказало сильное и длительное влияние на электроннуюпромышленность текущего времени и отдаленного будущего. Его влияние по общемупризнанию сравнимо с изобретением самого транзистора. В ячейке объединены одинключ на МОППТ и один конденсатор. МОППТ служит переключателем длязаряда(записи) и разряда(считывания). К 1988 г. выпуск таких ячеек занял первоеместо по количеству из всех искусственных объектов на нашей планете. Сапрогнозировал на начало XXI века годовой выпуск этих ячеек 1020 шт.
/>/>
На Рис. 6.1 показано поперечное сечение ячейки одногоиз первых серийных ДЗУПВ(Динамическое Запоминающее Устройство ПроизвольнойВыборки) (емкость 256 кбит). Накопительный конденсатор имеет двухслойныйдиэлектрик из нитрида кремния на тонком слое термически выращенного оксидакремния. Диэлектрическая постоянная у нитрида ε = 7,5 больше, чем у оксидаε = 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 – алюминиеваяразрядная шина
2 – словарные шиныиз силицида тугоплавкого металла
3 – обкладкаконденсатора из поликремния
4 – подзатворныйдиэлектрик из диоксида кремния
Записанная на эту ячейку информация теряется приотключении источника питания(энергозависимая ПЗУ). В 1971 году сотрудник фирмы IntelФроман-Бенчковски предложил и запустил в серийное производство энергонезависимоестираемое программируемое постоянное запоминающее устройство. Снятие заряда наплавающих затворах этих ПЗУ производилось ультрафиолетовым светом. Позжеинженеры фирмы Intel предложили быстродействующие электрические стираемыеПЗУ.
Появление интегральных микросхем сыграла решающуюроль в развитие электроники положив начало новому этапу микроэлектроники.Микроэлектронику четвертого периода называют схематической, потому что всоставе основных базовых элементов можно выделить элементы эквивалентныедискретным электро-радиоэлементам и каждой интегральной микросхеме соответствуетопределенная принципиальная электрическая схема, как и для электронных узловаппаратуры предыдущих поколений.
6.2.4
Особое значение для массового производства микросхемпредставляет метод проектирования микросхем, разработанный Деннардом из фирмы IBM.В 1973 г. Деннард и его коллеги показали, что размеры транзистора можноуменьшать без ухудшения его ВАХ(вольт-амперных характеристик). Этот метод проектированияполучил название закон масштабирования.
6.3 Этапы развития микроэлектроники6.3.1
Интегральные микросхемы стали называтьсямикроэлектронные устройства, рассматриваемые как единое изделие, имеющеевысокую плотность расположения элементов эквивалентных элементам обычной схемы.Усложнение, выполняемых микросхемами функций, достигается повышением степениинтеграции.
6.3.2
Развитие серийного производства интегральныхмикросхем шло ступенями:
1) 1960 – 1969гг. – интегральныесхемы малой степени интеграции, 102 транзисторов на кристалле размером0,25 x 0,5 мм (МИС).
2) 1969 – 1975гг. – интегральныесхемы средней степени интеграций, 103 транзисторов на кристалле(СИС).
3) 1975 – 1980гг. – интегральныесхемы с большой степенью интеграции, 104 транзисторов на кристалле(БИС).
4) 1980 – 1985гг. – интегральныемикросхемы со сверх большой степенью интеграции, 105 транзисторов накристалле (СБИС).
5) С 1985г. – интегральные микросхемыс ультрабольшой степенью интеграции, 107 и более транзисторов накристалле (УБИС).
6.3.3
Переход от МИС до УБИС происходил на протяжениичетверти века. В качестве параметра количественно иллюстрирующего этот процессиспользуют ежегодное изменение числа элементов n размещаемых наодном кристалле, что соответствует степени интеграции. По закону Мура числоэлементов на одной ИС каждые три года возрастает в 4 раза. Наиболее популярны иприбыльны оказались логические кристаллы высокой плотности – микропроцессорыфирмы Intel и Motorolla.
В 1981– 1982 годах прогресс интегральных микросхемСБИС стимулировался наличием технологии литографии(электронно-лучевая,рентгеновская и на глубоком ультрафиолете от эксимерного лазера) и наличиемпроизводственного оборудования. Уже в 1983 г. как отметил Мур(на международнойконференции) ввиду образования излишних производственных мощностей, как в СШАтак и в Азии, прогресс в развитии микроэлектроники стал определяться толькоситуацией на рынке. Так уже в 1985 – 1987 годах 80% всех ДЗУПВ в США поставляетуже 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 основателеммикроэлектроники в СССР был Старос Филипп Георгиевич. Он родился в 1918 г. впригорода Нью-Йорка, в семье выходца из Греции Саранта. Закончил в 1941 г.колледж, получил диплом инженера-электрика, работал в оборонныхисследовательских центрах, а вечерами учился, чтобы сдать экзамен на степеньмагистра технических наук. В студенческие годы он участвовал в антифашистскомдвижении, вступил в компартию США, был дружен с Розенбергами. Когда Розенберговарестовали, ФБР вызвал и Саранта. После первого же допроса в ФБР Сарантиммигрировал в СССР сменив имя и фамилию. Так у нас появился специалист –Старос Ф.Г., которого коммандировали в Чехославакию главным конструкторомвоенно-технического института. Когда в 1955 г. Хрущев взял курс нанаучно-техническую революцию, Староса пригласили в СССР и предложили возглавитьспециальную лабораторию, созданную в Ленинграде под эгидой комитета авиационнойтехники. Уже в 1958 году Старос выступил на закрытом совещании ведущихработников электронной промышленности с докладом, содержавшим предложение поразвитию новой элементной базы, а фактически с программой создания новой отраслинауки и техники – микроэлектроники. Эти идеи нашли поддержку в верхних эшелонахвласти, и уже в 1959 г. Старос получил возможность создать свое конструкторско-технологическоебюро (АКТБ). В начале 60-х годов там, под руководством Староса, была разработанацифровая управляющая машина (УМ–1) с быстродействием 8 тыс. опер/сек. ипродолжительностью безотказной работы 250 часов. В ней еще не использовалисьмикросхемы(т.к. их надежнось в то время была очень низкой) и активнымиэлементами служили германиевые транзисторы П15. Однако благодаря страничномумонтажу получилась компактная дешевая машина. В 1960 году за создание этоймашины Старос получил государственную премию. Ближайший помощник Староса –Иосив Виниаминович Берг(в прошлом Джоэль Берр). Берг после внезапной иммиграцииСаранта поехал искать его в Европу и нашел в Москве, когда тот готовился котъезду в Прагу. Берр сделался Бергом.
В 1962 году АКТБ посетил Хрущев. Ему показали машиныУМ–1 и Электроника-200. Позднее американские специалисты отмечали, чтоЭлектроника-200 была первым компьютером советского производства, который можносчитать хорошо разработанным и удивительно современным. Эта машина, на первыхсоветских интегральных схемах, была способна выполнять 40 тыс. операций всекунду. Хрущев остался доволен.
В это время уже существовал госкомитет электроннойпромышленности работавший на оборону и возглавлял его Александр Шокин – человекпрогрессивных взглядов. Он предложил Старосу создать научно-технический центрэлектронного профиля в подмосковье (г. Зеленоград). Старос с жаром взялся заисполнение и в считанные недели подготовил детальный план организации комплексаиз нескольких институтов и опытного завода. План получил одобрение в верхах иСтарос был назначен научным руководителем будущего центра.