Исторический обзор развития электроники

Исторический обзор развития электроники

Что такое электроника? — Это передача, приём, обработка и хранение информации с помощью электрических зарядов. Это наука, технические приёмы, промышленность.

Что касается информации, то всегда, когда было человечество, это всё было. Человеческое мышление, разговорная речь, узелки на память, сигнальные костры, семафорный телеграф и т. д. — это приём, передача, обработка и хранение информации. И это было не меньше чем 5000 лет. Но только недавно, в конце 18 века, были изобретены телефон и телеграф — устройства для передачи и приёма информации с помощью электрических сигналов. Это — начало электроники, как она сейчас называется.

рис. 1.

Дальше электроника довольно быстро развивается. В 1895 г. Попов изобрёл и построил действующую модель радиоэлектронное устройство для беспроводной передачи информации — грозоотметчик. Герц провёл опыты по распространению радиоволн, Маркони развил и применил эти опыты для построения радио с выбором передающей радиостанции по длине волны излучения.

Но в начале не было хорошего усилительного элемента для электрических устройств. Поэтому настоящее развитие электроники началось с 1904 г., когда была изобретена радиолампа — диод, а в 1907 г. — триод. Они выглядят так, как показано на рис. 1. Слева изображена радиолампа — диод, которая состоит из герметичного баллона, а внутри баллона — вакуум и несколько металлических конструкций с выведенными наружу электродами. Одна из них — нить накала, по ней пропускается электрический ток, который нагревает её до температуры в 700−2300 ^оС. Эта нить разогревает катод, к которому подводится отрицательное напряжение, и катод испускает электроны. К аноду подводится положительное напряжение, разность потенциалов довольно высокая (100−300 В), и поэтому электроны, вылетевшие из катода, полетят к аноду, и следовательно, в лампе потечёт ток. При смене знака напряжения электроны из холодного анода вылетать не будут, не будет и тока. Поэтому диод может исполнять роль выпрямителя переменного напряжения.

На правом рис. 1. изображена радиолампа — триод. В ней всё тоже, что и у диода, но есть дополнительный электрод — управляющая сетка. Обычно на сетку подаётся отрицательный потенциал, и она отталкивает вылетевшие из катода электроны. Поэтому чем более отрицательный потенциал сетки, тем меньше электронов протечёт от катода к аноду. Таким образом, потенциал сетки служит для управления током в радиолампе. Обычно сетка в лампе расположена к катоду гораздо ближе, чем анод, поэтому малыми потенциалами сетки можно управлять большими токами лампы. Если напряжение к аноду подаётся через большое сопротивление, то и потенциалы на аноде будут меняться сильнее, чем на сетке. Это хороший электронный усилитель напряжений.

Радиолампы прошли очень большой путь развития. Появились более совершенные тетроды и пентоды — лампы с четырьмя и пятью электродами, обладающие большими коэффициентами усиления. Стали делать более сложные радиолампы: с более чем пятью электродами. Из них наибольшее распространение получили сдвоенные радиолампы: сдвоенные диоды, триоды, диод-триоды и т. д. Появились газонаполненные лампы — газотроны. В них есть газ, правда, находящийся под небольшим давлением. Обычно он ионизируется, появляются ионы — атомы без электрона, т. е. имеющие положительный заряд.

Протекание тока в таких лампах более сложное: он может быть как электронным, так и ионным. Размеры радиоламп были очень разными: от миниатюрных пальчиковых до громадных в рост человека.

Изобретение триода открыло большие возможности развития электроники. Мировое количество выпускаемых радиоламп выросло ко второй мировой войне до многих миллионов штук в год. Были изобретены и созданы многие устройства по приёму и передаче информации. Телефон и телеграф, радиоприёмники и радиопередатчики. Вместо патефонов появились проигрыватели пластинок, появились магнитофоны. Начали разрабатываться телевизоры.

Но это всё только часть задач электроники — приём, передача и хранение информации. А где же обработка информации, наиболее важная, сложная и интересная её часть? Очевидно, что её может делать только вычислительное устройство.

К началу Второй мировой войны уже появились электронные арифмометры — обработчики цифровой информации. Но настоящее развитие этой области электроники началось с возникновения электронных вычислительных машин (ЭВМ). Оно началось в 1948 году — в США была сделана первая ЭВМ на радиолампах — ЭНИАК. Вот некоторые её параметры:

Как видно из этой таблицы — это грандиозное сооружение. И оно обладало всеми характерными чертами современной ЭВМ: память, которая содержала данные и программу их обработки, арифметическое-логическое устройство, связь с внешними устройствами. Но, конечно, у неё ещё было и много недостатков. По сравнению с современным уровнем техники, эта ЭВМ менее сложная, чем простой калькулятор, особенно если он может программироваться. Но по весу (30 т по сравнению с 50 г), по занимаемой площади, по рассеиваемой мощности современные калькуляторы её существенно превосходят. Особенно важно, что их быстродействие никак не меньше 1 МГц, т. е. в сто раз больше, чем у первой ЭВМ.

Но гораздо более существенным является срок службы первой ЭВМ. В основном он определялся сроком службы радиолампы. А он определяется интенсивностью отказов.

= 10^-5 ч^-1

Т.е. из 100 000 радиоламп одна откажет за время 1 час. Или другими словами, срок службы одной радиолампы равен.

Т = 1/ = 10⁵ ч Это много. Действительно, если считать, что в сутках примерно по 25 ч, то это 4 000 дней, или примерно 12 лет работы до отказа. Это неплохо.

Но когда вместо 5−20 радиоламп одновременно должны работать 18 000 радиоламп, ситуация резко меняется. Все радиолампы служат 12 лет, но выходят из строя случайно, в любой момент времени. И выход хоть одной радиолампы из строя приводит к выходу всего устройства. В этом случае для всего устройства можно записать:

_общ = N * = 18 000 * 10^-5 = 0,18 ч^-1

А срок службы всего устройства равен Т _общ = 5 ч Т. е. срок службы ЭНИАКа всего 5 ч! В среднем через каждые 5 ч какая-то радиолампа выходила из строя. Найти из 18 000 радиоламп неработающую не так-то просто. А после того, как она найдена, надо её заменить, и провести проверку ЭВМ на работоспособность. На всё это уходило ещё около 5 ч.

Но нам надо делать более сложные ЭВМ. Если мы усложним её так, что в ней будет в 10 раз больше радиоламп, срок службы уменьшится в 10 раз, т. е. будет равен 0,5 ч. А на ремонт будет уходить ещё больше времени. Это — катастрофа количеств.

Всё дальнейшее развитие электроники связано с борьбой с катастрофой количеств. Для этого надо было понизить интенсивность отказов радиолампы. Но радиолампа — сложное устройство. Во-первых, внутри неё глубокий вакуум, если он потеряется, анодный ток радиолампы понизится из-за соударений электронов с атомами воздуха и с ионами, получившимися в результате этих столкновений. Сетка лампы — это проволочная спираль, которая намотана вокруг катода. Она слабая, не выдерживает перегрузок, вибраций. Нить накала нагрета до высокой температуры, поэтому испускает не только электроны, но и довольно много атомов, т. е. нить всё время испаряется. Устранить все эти недостатки и повысить срок службы не удалось.

И вот в 1948 г. изобрели транзистор. Он выглядел так, как показано на рис. 2.

Рис. 2.

Он намного лучше радиолампы: меньше, легче, нет нити накала. Размеры его не больше одного миллиметра. Это цельный кусок полупроводника, весьма прочного кристалла, по прочности не уступающего стали или чугуну. Поэтому у транзистора интенсивность отказов меньше, примерно = 10^-7 ч ^-1 .

Транзисторы очень быстро завоевали рынок сбыта. Уже в 1949 г. в США сделали первую транзисторную ЭВМ, аналогичную ЭНИАКу — т. е. через год после изобретения транзистора. Для иллюстрации этого приведём цитату из журнала.

" Наука и жизнь", 1986, № 2, с. 90:

" … если вести отсчёт от первых машин, то сегодня объёмы внутренней памяти ЭВМ увеличились в сотни раз, а быстродействие — в сотни тысяч раз, в тысячи раз уменьшилось потребление энергии, и снизилась стоимость. Специалисты прикинули, что если бы такими темпами прогрессировало автомобилестроение, то машина класса «Волги» двигалась бы чуть ли не со скоростью света, потребляла бы несколько граммов бензина на сотню километров и стоила бы несколько рублей" .

А ведь это было 15 лет назад!

Посмотрим подробнее, как же был изобретён транзистор? Оказывается, его изобрели, исследуя влияние двух р-п переходов (полупроводниковых диодов) друг на друга, расположенных на очень малом расстоянии. (Это показано на рис. 3).

Две металлические очень острые иглы помещались на поверхности германия (полупроводник) на малом расстоянии друг от друга, и затем прижигались (пропускался сильный ток на короткое время). При этом происходил разогрев полупроводника, металл частично растворялся в полупроводнике, и также диффундировал внутрь его. Металл подбирался таким образом, что его атомы создавали электронный полупроводник (п-тип). Таким образом получались два р-п перехода. А так как они были очень близки, то вступали во взаимодействие, и получался транзистор.

Первые транзисторы так и изготовлялись, и эта технология называлась точечной. Очевидны недостатки её. Дело в том, что по теории транзисторов расстояние между р-п переходами должно быть намного меньше диффузионной длины (что это такое, мы скажем в следующих лекциях), а она очень маленькая, лежит в пределах от единиц до десятков микрометров (обычно говорят микронов). Расположить две иголочки так близко невозможно — микрон значительно меньше толщины человеческого волоса (примерно 50 мкм).

Можно предположить, что расстояние между иголками сравнимо с толщиной человеческого волоса и примерно равно 0,1 мм, или 100 мкм. Далее нужно пропустить искру электрического разряда через иголочки, так, чтобы произошли плавление, растворение и диффузия металла. Процесс трудно воспроизводимый. Поэтому многие транзисторы, изготовленные по этой технологии, оказывались бракованными: то р-п переходы сливались, то расстояние между ними было слишком большим. А сам коэффициент усиления транзистора был вообще случайной величиной.

Требовалось совершенствование технологии изготовления транзисторов. Первый шаг в этом направлении был получен, когда точечную технологию заменили на сплавную (см. рис. 3).

Рис. 3.

Здесь изображена основная конструкция, применяемая в этом методе: две графитовые пластины с небольшими ямками для алюминия окружают с двух сторон пластину германия с электронной электропроводностью (п-типа). Эта конструкция помещается в печь с высокой температурой (600−800^оС). Аллюминий расплавляется и диффундирует в германий. Когда диффузия прошла на достаточно большую глубину, процесс прекращают. Аллюминий является акцептором, т. е. там, где прошла диффузия, германий стал полупроводником с дырочной электропроводностью (р-типа). Выглядит это так:

Рис. 4.

Рис. 5.

радиолампа транзистор фотолитография микросхема Теперь надо только разрезать полученную пластину на кусочки, содержащие по три разных типа электропроводности (транзисторы), посадить в корпус и припаять кристалл к ножкам — транзистор готов.

Сплавные транзисторы намного лучше точечных: более управляемый процесс диффузии, просто поддерживается постоянная температура в печи и регулируется время диффузии. Точечная технология была вытеснена сплавной.

Однако у сплавной технологии есть определённые недостатки, к основным из них относится то, что диффузия проводится с разных сторон. Толщина пластины не может быть меньше 0,5…1 мм, так как иначе она станет гибкой, будет сворачиваться, и нельзя будет считать, что пластина плоская. Значит, толщина, на которую нужно провести диффузию, как минимум 250 мкм, толщина базы 1…5 мкм, и её надо сделать точно (с точностью не хуже 1 мкм). В итоге надо сделать диффузию на глубину 250 мкм с точностью не хуже 1 мкм. Это трудно осуществимо.

Постепенно в ходе разработки технологии изготовления транзисторов пришли к диффузионной технологии, в основе которой лежит фотолитография.

Кратко опишем фотолитографию. Её задачей является создание на поверхности кремния (он лучше всего подходит для фотолитографии) маски для диффузии, которая потом будет производиться локально. Эта маска должна выдерживать очень высокие температуры (1200…1300⁰С). Для этой цели годится оксид кремния, который получается очень просто путём окисления самого кремния при высоких температурах в парах воды и в кислороде. Его толщина порядки 1 мкм, но этого достаточно, чтобы не дать атомам примеси продиффундировать в полупроводник. Но в нужных местах в диоксиде кремния делают отверстия (окна), которые и будут определять, где пройдёт локальная диффузия.

Для изготовления окон обычно используют фоторезист — это практически фотоэмульсия, которая обладает особыми свойствами:

Она должна выдерживать травление плавиковой кислотой (обычная фотоэмульсия не выдерживает), что необходимо при вытравливании окон в диоксиде кремния.

Она обладает высоким разрешением (более 1000 линий на мм, или менее 1 мкм).

Она обладает низкой вязкостью, для того, чтобы могла растечься до слоя толщиной в 1 мкм (иначе столь высокого разрешения не получить).

Она чувствительна к облучению светом в ультрафиолетовой области (длина волны света составляет 0,3 мкм).

Так много особых свойств может иметь только особое вещество. Это пластмасса, которая под действием света разрушается, или, наоборот, под действием света образуется. Таких веществ найдено много. Это — фоторезисты.

Итак, в процессе фотолитографии, мы можем создать тонкий слой диоксида кремния (на кремнии, полупроводнике), затем нанести очень тонкий слой фоторезиста, далее через фотошаблон (особая фотопластинка, на которой есть много заранее рассчитанных и изготовленных тёмных и светлых мест) осветить её ультрафиолетовым светом, затем проявить, то есть удалить освещённые места (или наоборот неосвещённые), далее можно удалить через окна в фоторезисте диоксид кремния (травление в плавиковой кислоте) и удалить сам фоторезист, так как его остатки могут помешать при высокотемпературном процессе диффузии.

Рис. 6.

Теперь можно производить диффузию с одной стороны:

А значит, легче сделать точно регулируемый тонкий базовый слой: делаем диффузию на глубину примерно 5…6 мкм, затем вторую диффузию на 3.4 мкм. База будет примерно 2 мкм. Глубина диффузии и толщина базы соразмерны, значит, можно их сделать точно (а общая толщина пластины может быть любой, например 1 мм). Пластину (как принято называть в электронике «чип») можно разрезать на отдельные транзисторы, проверить каждый транзистор, и хорошие транзисторы можно посадить в корпус.

Почему же только фотолитография позволила решить проблему точного задания толщины базы? Дело в том, что если толщина базы меньше 5 мкм (0,1 толщины волоса), то просто невозможно создать контакт к такой области. А в случае изготовления локальных эмиттерных областей этот контакт можно делать сверху там, где нет эмиттера — это может быть намного большая площадь.

Поэтому развитие фотолитографии и локальной диффузии привело к всеобщему признанию диффузионной технологии изготовления транзисторов.

В 60−70 гг. получила распространение транзисторная ЭВМ БЭСМ-6. Но она тоже работала примерно 1−2 суток, и выходила из строя. Надо было 1−2 суток ремонтировать. Что же дальше? Надо повышать надёжность транзистора. И эта проблема была решена!

У каждого транзистора три контакта, которые осуществляются припайкой золотых проволочек. 3 пайки к кристаллу, 3 пайки к ножкам корпуса, 3 пайки в схеме, где транзистор используется — всего 9. У МДП-транзисторов 4 контакта, значит всего 12 паек.

А что, если не разрезать пластину на отдельные транзисторы, а сразу использовать их в схеме? Идея заманчива, можно, по крайней мере, в 3 раза сократить количество контактов.

Однако есть проблема — все транзисторы будут закорочены по коллектору и базе. Значит, их надо изолировать друг от друга. И эта проблема была решена, и не одним способом!

Рассмотрим изоляцию р-п переходом. Сначала делают карманы: например в р-типе создают диффузией п-области:

Рис. 7.

Предположим, что между карманами есть напряжение, например, такое, что правый карман имеет положительный потенциал. Тогда правый р-п переход смещён в обратном направлении, и тока нет. Пусть, наоборот, правый карман имеет отрицательный потенциал — тогда левый карман смещён в обратном направлении, и тока снова нет.

Теперь в каждом кармане можно сделать свой транзистор, и он будет изолирован от других.

Есть ещё одна проблема. При каждой диффузии нужно передиффундировать тот слой, который был — то есть концентрация носителей оказывается больше, чем в предыдущем слое. Значит, самая малая концентрация должна быть в пластине, в карманах она больше, карманы могут исполнять роль коллекторов, далее создаётся базовая область, в ней концентрация носителей ещё больше, чем в коллекторной области, потом мы делаем эмиттерную область, и в ней самая большая концентрация носителей заряда. Но это значит, что сопротивление коллекторной области самое большое, и поэтому очень велико RC — велика постоянная времени, транзисторы работают слишком медленно. Для повышения быстродействия транзисторов надо сделать на дне кармана тонкий слой с высокой концентрацией носителей заряда. Эта проблема тоже была решена с помощью эпитаксиального наращивания слоёв — наращивания слоёв с той же кристаллической ориентацией, что и у подложки. Это — эпитаксия. Можем нарастить тонкий слой монокристалла, но с другой концентрацией носителей заряда.

Теперь полный цикл изготовления микросхемы (интегральной схемы) выглядит так, как показано на рис. 8 ниже.

На первом этапе делают локальную диффузию доноров, причём сильную — для создания скрытого слоя.

На втором этапе делают эпитаксию — наращивают эпитаксиальный слой с низкой концентрацией электронов (электронов больше, чем дырок).

На третьем этапе проводят локальную диффузию акцепторов для разделения на карманы.

Далее снова проводят диффузию акцепторов для создания базовых областей.

Теперь надо сделать эмиттеры, значит локальная диффузия доноров. Заодно делают подготовку для хорошего контакта к коллекторной области — внутри коллектора сильно легированная область.

И наконец, защищают всю поверхность кремния оксидом кремния, делают в нём окна для контактов к транзисторам, затем напыляют металл. Далее лишний металл удаляют.

Рис. 8.

Далее нужно разделить пластину на отдельные микросхемы, укрепить в корпус, припаять контакты.

Оказывается, интенсивность отказов микросхемы не определяется полупроводниковой структурой, а в основном зависит от числа контактов. Поэтому интенсивность отказов микросхемы тоже примерно 10^-7 ч^-1. На одной микросхеме можно сделать много транзисторов. В настоящее время их количество может превышать миллион.

В схемах обычно много других элементов. Как их сделать?

В качестве диода обычно используют транзистор, у которого нет эмиттерной области, или у обычного транзистора закорачивают один р-п переход.

В качестве резистора используют базовую или коллекторную область, но её нужно сделать нужной длины и ширины, и к ней делают 2 контакта В качестве конденсатора используют паразитную ёмкость р-п перехода, или делают конденсатор с диоксидом кремния в качестве диэлектрика.

Индуктивности, как правило, в микроэлектронной технологии не делают.

Однако есть пределы у микроэлектроники. Не очень-то удаётся увеличивать число транзисторов, так как они имеют ограничение по уменьшению размеров. Площадь кристалла тоже не удаётся увеличивать.

В этом случае есть надежда, что перспективу даст функциональная электроника — это электроника, в которой простые функции транзистора заменяются более сложными функциями, имеющими наличие в различных кристаллах — полупроводниковых, сегнетоэлетрических, магнето-электрических и так далее.