(495) 234-36-61
На главную страницу блога Почта

Блог «Умные мелочи»

Полупроводники

Рубрика: (Как рождались технологии) | Автор: moderator | Дата: 24-10-2013

Метки: , , , , ,

У вакуумной электронной лампы есть множество неустранимых недостатков. Во-первых, это хрупкий стеклянный прибор, который плохо подходит для применения в портативной и военной технике. Резкое движение или случайный удар приводит к повреждению ламп. Во-вторых, катод лампы в результате термоэлектронной эмиссии истощается, поэтому лампа имеет ограниченный срок службы. В-третьих, катод, выполненный в виде нити накала, потребляет значительное количество электроэнергии. Это приходится учитывать при создании тех же портативных радиоприемников и военных радиостанций, снабжая их емкими и оттого тяжелыми элементами питания. Наконец, электронная лампа имеет слишком большой разброс параметров. Создать серию ламп с одинаковыми характеристиками довольно сложно, что сказывается на стоимости её производства.

К середине сороковых годов прошлого века конструкторам электронной аппаратуры стало ясно – нужен принципиально иной электронный прибор, способный заменить и вакуумную лампу, и электромеханическое реле. Именно этой проблемой в конце 1945 года и занимались сотрудники американской компании «Белл Телефон Лабораториз». Руководил изысканиями американский физик Уильям Брэдфорд Шокли (годы жизни 1910-1989). Работы основывались на открытом еще в 19 веке эффекте полупроводимости, который наблюдается у некоторых материалов (например, у кристаллов кремния и германия). Суть этого эффекта заключается в том, что в обычных условиях (при комнатной температуре) эти материалы обладают свойствами и проводников, и диэлектриков. С ростом температуры растет и их электропроводность. Электрические свойства изменяются и под воздействием других факторов – света, магнитного поля, потоков быстрых частиц. Носителями заряда в полупроводниковых материалах являются электроны проводимости и носители положительного заряда – дырки.

16 декабря 1947 года учеными был создан первый полупроводниковый транзистор с точечными контактами на основе кристалла германия (руководству компании работа была продемонстрирована неделей позже, поэтому официальной датой считается 23 декабря). Общая схема работы транзистора выглядит следующим образом. Электрический ток протекает по пластинке от эмиттера к коллектору. К поверхности  германиевой пластинки припаян электрод, который является базой. При подаче положительного потенциала на базу ток на коллекторе усиливается, при подаче отрицательного потенциала транзистор запирается. И течение тока прекращается.

В 1951 году Шокли разработал первый трехслойный германиевый транзистор, который, к сожалению, был очень дорог в производстве. Но в 1954 году физику Томасу Хиллу удается изготовить транзистор на основе дешевого кремния. С этого момента начинается повсеместное внедрение транзисторов, и к началу 70-х годов электронные лампы выходят из употребления.

За изобретение полупроводникового транзистора Уильяму Шокли и его коллегам по «Белл Телефон Лабораториз» Джону Бардину (годы жизни 1908-1991) и Уолтеру Браттейну (годы жизни 1902-1987) была присуждена  Нобелевская премия за 1956 год.

Но изобретение полупроводников было только первой вехой в принципиально иной технологии – полупроводниковой электроники. Не меньшее значение имеет и изобретение интегральных микросхем (ИС), микроминиатюрных электронных устройств, элементы которых неразрывно связаны и конструктивно (располагаются на одном кристалле и в одном корпусе), и электрически (проводники соединяют элементы в единую электрическую схему).

Необходимость в интегральных (объединённых) решениях была обусловлена массовым производством электронной аппаратуры. Дело в том, что до начала 60 годов прошлого века сборка электронных компонентов любого устройства производилось вручную. Пайка электронных компонентов была частично автоматизирована, но всё же количество деталей, наладка готовых плат и схем, и усложняло производство, и делало его слишком дорогим. Но именно на 50-60 годы пришёлся бурный рост производства потребительской электроники — телевизоров и радиоприёмников, а также вычислительной техники. Сложность сборочного процесса хорошо иллюстрирует такой факт – американский компьютер CD1604, выпущенный в 1960 году, содержал около 100 тысяч диодов и 25 тысяч транзисторов. При этом время наработки на отказ не превышало 2–3 часов.

Впервые идея интегральной схемы была высказана в 1952 году на конференции по электронным компонентам, проходившей в Вашингтоне, сотрудником Британского королевского радиолокационного управления в Малверне Джеффри Даммером. В его докладе о надёжности элементов радиолокационной аппаратуры говорилось: «С появлением транзистора и работ в области полупроводниковой техники вообще можно себе представить электронное оборудование в виде твёрдого блока, не содержащего соединительных проводов. Он может состоять из слоёв изолирующих, проводящих, выпрямляющих и усиливающих материалов, в которых определённые участки вырезаны таким образом, чтобы они могли непосредственно выполнять электрические функции». Поистине пророческое предсказание!

Джек Сент-Клер Килби

Позже была освоена технология групповой обработки полупроводников. Диоды и транзисторы изготавливались из одной общей кремниевой пластины-заготовки, что прямо указывало на то, чтобы на такой же пластине вытравливать не набор одинаковых элементов, а целые схемы из разных элементов. И в 1959 году, независимо друг от друга, два американских инженера-электронщика — Джек Сент-Клер Килби (родился в 1923 году), сотрудник компании Texas Instruments, и Роберт Нойс (годы жизни 1927-1990), сотрудник Fairchild Semiconductor – сконструировали и изготовили первые в мире интегральные схемы.

К моменту изобретения Килби был в Texas Instruments новичком, он пришёл в эту компанию лишь в мае 1958 года из фирмы Centralab, в которой возглавлял отделение по разработке слуховых аппаратов. У Centralab было небольшое собственное предприятие по производству транзисторов, поэтому Килби имел немалый опыт по работе с полупроводниками. Идея создания интегральной схемы пришла к нему в июле того же 1958 года. Килби работал с германиевой пластинкой, пять элементов которой соединялись проводником – тонкой золотой проволочкой (следует заметить, что мы сознательно упрощаем описание, дабы не утомлять внимание читателя техническими подробностями). В начале 1959 года первая интегральная схема была изготовлена, а в марте 1960 года представлена на выставке американского Института радиоинженеров. Килби подал заявку на выдачу патента.

В 2000 году Джек Килби был удостоен Нобелевской премии.

Однако технология изготовления интегральных схем Килби оказалась слишком трудоёмкой, а выход исправных схем – слишком низким (всего около 10 процентов). И со временем метод Килби был вытеснен более технологичным и дешёвым методом Нойса. Роберт Нойс предложил соединять элементы интегральной схемы металлическими проводниками, создаваемыми методом напыления.

Любопытно, что именно Роберт Нойс и его товарищ Гордон Мур (вскоре к ним присоединился и Эндрю Гроув) в 1968 году создали компанию Intel — ту самую, имя которой сегодня знает едва ли не каждый житель нашей планеты. Создатели компании ставили своей целью разработку электронного запоминающего устройства, взамен дорогим и ненадёжным магнитным носителям. В конце 1970 по заказу японской фирмы Busicom инженер компании Intel Тед Хофф сконструировал объединенную микросхему, универсальное логическое устройство, которое отыскивало и отбирало прикладные команды из полупроводниковой памяти. Этот центральный вычислительный блок работал в составе набора из четырёх микросхем и не только соответствовал требованиям заказа японцев, но годился для создания множества электронных устройств – от часов, до калькулятора… Так появился микропроцессор марки 4004.

Но это уже другая история.

 
По всем вопросам, связанным с работой сайта, обращайтесь по адресу: webmaster@elcode.ru