Історія розвитку електроніки

Автор: Терлецька Л.І. (Ангарський Дослідно Конструкторське Бюро Автоматики)

Редакція тексту: Шереметьєв А.Н. (Ангарська Державна Технологічна Академія)

E-mail: andsh@mail.amursk.ru

1. Введення

Електроніка являє собою бурноразвивающихся галузь науки і техніки. Вона вивчає фізичні основи і практичне застосування різних електронних приладів. До фізичної електроніки відносять: електронні і іонні процеси в газах і провідниках. На поверхні розділу між вакуумом і газом, твердими і рідкими тілами. До технічної електроніці відносять вивчення будови електронних приладів та їх застосування. Область присвячена застосуванню електронних приладів у промисловості називається Промисловій Електронікою.

Успіхи електроніки в значній мірі стимульовані розвитком радіотехніки. Електроніка та радіотехніка настільки тісно пов'язані, що в 50-і роки їх об'єднують і цю область техніки називають Радіоелектроніка. Радіоелектроніка сьогодні це комплекс галузей науки і техніки, пов'язаних з проблемою передачі, прийому і перетворення інформації за допомогою ел. / Магнітних коливань і хвиль в радіо і оптичному діапазоні частот. Електронні прилади служать основними елементами радіотехнічних пристроїв і визначають найважливіші показники радіоапаратури. З іншого боку багато проблем в радіотехніці привели до винаходу нових і вдосконалення діючих електронних приладів. Ці прилади застосовуються в радіозв'язку, телебаченні, під час запису і відтворення звуку, в радиолакации, в радіонавігації, в радіотелеуправленіі, Радіовимірювань та інших областях радіотехніки.

Сучасний етап розвитку техніки характеризується все зростаючим проникненні електроніки в усі сфери життя і діяльності людей. За даними американської статистики до 80% від обсягу всієї промисловості займає електроніка. Досягнення в галузі електроніки сприяють успішному вирішенню найскладніших науково-технічних проблем. Підвищенню ефективності наукових досліджень, створенню нових видів машин і устаткування. Розробці ефективних технологій і систем управління: отриманню матеріалу з унікальними властивостями, удосконалення процесів збору та обробки інформації. Охоплюючи широке коло науково-технічних і виробничих проблем, електроніка спирається на досягнення в різних областях знань. При цьому з одного боку електроніка ставить завдання перед іншими науками і виробництвом, стимулюючи їх подальший розвиток, і з іншого боку озброює їх якісно новими технічними засобами і методами дослідження. Предметами наукових досліджень в електроніці є:

1. Вивчення законів взаємодії електронів та інших заряджених частинок з ел. / Магнітними полями.

2. Розробка методів створення електронних приладів в яких це взаємодія використовується для перетворення енергії з метою передачі, обробки та зберігання інформації, автоматизації виробничих процесів, створення енергетичних пристроїв, створення контрольно-вимірювальної апаратури, засобів наукового експерименту і інших цілей.

Виключно мала інерційність електрона дозволяє ефективно використовувати взаємодію електронів, як з макрополями всередині приладу, так і мікрополями всередині атома, молекули і кристалічної решітки, для генерування перетворення і прийому ел. / Магнітних коливань з частотою до 1000ГГц. А також інфрачервоного, видимого, рентгенівського і гамма випромінювання. Послідовне практичне освоєння спектру ел. / Магнітних коливань є характерною рисою розвитку електроніки.

2. Фундамент розвитку електроніки

2.1 Фундамент електроніки був закладений працями фізиків у XVIII- XIX ст. Перші в світі дослідження електричних розрядів в повітрі здійснили академіки Ломоносов і Рихман в Росії і незалежно від них американський вчений Франкель. У 1743 р Ломоносов в оді "Вечірні роздуми про божому велич" виклав ідею про електричну природу блискавки і північного сяйва. Уже в 1752 році Франкель і Ломоносов показали на досвіді з допомогою "громовий машини", що грім і блискавка є потужні електричні розряди в повітрі. Ломоносов встановив також, що електричні розряди маються на повітрі і при відсутності грози, тому що і в цьому випадку з "громовий машини" можна було витягувати іскри. "Громова машина" представляла собою Лейденську банку встановлену в житловому приміщенні. Одна з обкладок якої була з'єднана проводом з металевою гребінкою або вістрям укріпленим на жердині у дворі.

У 1753 р під час дослідів був убитий блискавкою, яка потрапила в жердину, професор Рихман, який проводив дослідження. Ломоносов створив і загальну теорію грозових явищ, що представляє собою прообраз сучасної теорії гроз. Ломоносов досліджував також світіння розрідженого повітря під дією машини з тертям.

У 1802 році професор фізики Петербурзької медико-хірургічної академії - Василь Володимирович Петров вперше, за кілька років до англійського фізика Деві, виявив і описав явище електричної дуги в повітрі між двома вугільними електродами. Крім цього фундаментального відкриття, Петрову належить опис різноманітних видів світіння розрідженого повітря при проходженні через нього електричного струму. Своє відкриття Петров описує так: "Якщо на скляну плитку або лавочку зі скляними ніжками будуть покладені 2 або 3 деревних вугілля, і якщо металевими ізольованими направітелямі, повідомленими з обома полюсами величезної батареї, наближати оні один до іншого на відстані від однієї до трьох ліній, то є між ними дуже яскравий білого кольору світло або полум'я, від якого оні вугілля швидше або повільніше розпалюються, і від якого темний спокій освітлений можливо. "Роботи Петрова були витлумачені тільки російською мовою, закордон им вченим вони були не доступні. У Росії значимість робіт не було зрозуміле і вони були забуті. Тому відкриття дугового розряду було приписано англійському фізику Деві.

Започаткували вивчення спектрів поглинання і випромінювання різних тіл привело німецького вченого Плюккера до створення Гейслерова трубок. У 1857 році Плюккер встановив, що спектр Гейслерова трубки, витягнутої в капіляр і вміщеній перед щілиною спектроскопа, однозначно характеризує природу укладеного в ній газу і відкрив перші три лінії так званої бальмеровской спектральної серії водню. Учень Плюккера Гитторф вивчав тліючий розряд і в 1869 році опублікував серію досліджень ел. / Провідності газів. Йому спільно з Плюккера належать перші дослідження катодних променів, які продовжив англієць Крукс.

Істотне зрушення в розумінні явища газового розряду був викликаний роботами англійського вченого Томсона, який відкрив існування електронів та іонів. Томсон створив Кавендішської лабораторію звідки вийшов ряд фізиків дослідників електричних зарядів газів (Таундсен, Астон, Резерфорд, Крукс, Річардсон). Надалі ця школа внесла великий внесок у розвиток електроніки. З російських фізиків над дослідженням дуги і практичним її застосуванням для освітлення працювали: Яблочков (1847-1894), Чиколев (1845-1898), Славянов (зварювання, переплавлення металів дугою), Бернардос (застосування дуги для освітлення). Дещо пізніше дослідженням дуги займалися Лачинов і Міткевич. У 1905 році Міткевич встановив природу процесів на катоді дугового розряду. Чи не самостійним розрядом повітря займався Столєтов (1881-1891). Під час його класичного дослідження фотоефекту в Московському університеті Столетов для експерименту побудував "повітряний елемент" (В.) з двома електродами в повітрі, що дає електричний струм без включення в ланцюг сторонніх ЕРС тільки при зовнішньому освітленні катода. Столетов назвав цей ефект актіноелектріческім. Він вивчав цей ефект як при підвищеному атмосферному тиску, так і при зниженому. Спеціально побудована Столєтова апаратура давала можливість створювати знижений тиск до 0,002 мм. рт. стовпа. У цих умовах актіноелектріческій ефект був не тільки фототок, але і фототок посилений самостійним газовим розрядом. Свою статтю про відкриття цього ефекту Столетов закінчив так: "Як би не довелося остаточно сформулювати пояснення актіноелектріческіх розрядів, не можна не визнати деякі своєрідні аналогії між цими явищами і давно знайомими, але до сих пір малозрозумілими, розрядами Гейслерова і круксової трубок. Бажаючи при моїх перших дослідах орієнтуватися серед явищ представляються моїм сітчастим конденсатором я мимоволі говорив собі, що перед мною Гейслерова трубка, яка може діяти і без розрядження повітря зі стороннім світло ом. Там і тут явища електричні тісно пов'язані зі світловими явищами. Там і тут катод відіграє особливу роль і очевидно розпорошується. Вивчення актіноелектріческіх розрядів обіцяє пролити світло на процеси поширення електрики в газах взагалі ... "Ці слова Столєтова цілком виправдалися.

У 1905 році Ейнштейн дав тлумачення фотоефекту, пов'язаного зі світловими квантами і встановив закон названий його ім'ям. Таким чином фотоефект, відкритий Столєтова, характеризує такі закони:

1) Закон Столєтова - кількість імітованих в одиницю часу електронів пропорційно, при інших рівних умовах, інтенсивності падаючого на поверхню катода світла. Рівні умови тут треба розуміти як освітлення поверхні катода монохраматіческім світлом однієї і тієї ж довжини хвилі. Або світлом одного і того ж спектрального складу.

2)

- величина кванта енергії монохроматичного випромінювання падаючого на поверхню катода.

- Робота виходу електрона з металу.

3) Швидкість фотоелектронів покидають поверхню катодів не залежить від інтенсивності падаючого на катод випромінювання.

Вперше виявив зовнішній фотоефект німецький фізик Герц (1887р.). Експериментуючи з відкритим їм електромагнітним полем. Герц помітив, що в искровом проміжку приймального контуру іскра, що виявляє наявність електричних коливань в контурі проскакує при інших рівних умовах легше в тому випадку якщо на іскровий проміжок падає світло від іскрового розряду в генераторному контурі.

У 1881 році Едісон вперше виявив явище термоелектронної емісії. Проводячи різні експерименти з вугільними лампами розжарювання, він побудував лампу містить у вакуумі, крім вугільної нитки, ще металеву пластинку А від якої був виведений провідник Р. Якщо з'єднати провід через гальванометр з позитивним кінцем нитки, то через гальванометр йде струм, якщо з'єднати з негативним , то струм не виявляється. Це явище було названо ефектом Едісона. Явище випускання електронів розпеченими металами та іншими тілами у вакуумі або в газі було названо термоелектронної емісією.

3. Етапи розвитку електроніки

1 етап. До першого етапу належить винахід в 1809 році російським інженером Ладигін лампи розжарювання.

Відкриття в 1874 році німецьким вченим Брауном випрямного ефекту в контакті метал-напівпровідник. Використання цього ефекту російським винахідником Поповим для детектування радіосигналу дозволило створити йому перший радіоприймач. Датою винаходу радіо прийнято вважати 7 травня 1895 р коли Попов виступив з доповіддю і демонстрацією на засіданні фізичного відділення російського фізико-хімічного товариства в Петербурзі. А 24 березня 1896 Попов передав перший радіоповідомлення на відстань 350м. Успіхи електроніки в цей період її розвитку сприяли розвитку радіотелеграфії. Одночасно розробляли наукові основи радіотехніки з метою спрощення пристрою радіоприймача і підвищення його чутливості. У різних країнах велися розробки і дослідження різних типів простих і надійних обнаружителей високочастотних коливань - детекторів.

2 етап.

При високому вакуумі розрядження газу між електродами таке, що довжина вільного пробігу електронів значно перевершує відстань між електродами, тому при позитивному, щодо катода напрузі на аноді V _a електрони рухаються до анода, викликаючи струм I _a в анодному ланцюзі. При негативному напрузі анода V _a емітуються електрони повертаються на катод і струм в анодному ланцюзі дорівнює нулю. Таким чином електровакуумний діод має однобічну провідність, що використовується при випрямленні змінного струму. У 1907 році американський інженер Лі де Форест встановив, що помістивши між катодом (К) і анодом (А) металеву сітку (с) і подаючи на неї напругу V _c можна керувати анодним струмом I _a практично без інерційно і з малою витратою енергії. Так з'явилася перша електронна підсилювальна лампа - тріод (рис. 3). Її властивості як приладу для посилення і генерування високочастотних коливань обумовили швидкий розвиток радіозв'язку. Якщо щільність газу наповнює балон настільки висока, що довжина вільного пробігу електронів виявляється менше відстані між електродами, то електронний потік, проходячи через межелектродное відстань взаємодіє з газовим середовищем в результаті чого властивості середовища різко змінюються. Газове середовище іонізується і переходить в стан плазми, що характеризується високою електропровідністю. Це властивість плазми було використано американським вченим Хеллом в розробленому ним в 1905 р газотроні - потужному випрямному діоді наповненому газом. Винахід газотрона поклало початок розвитку газорозрядних електровакуумних приладів. У різних країнах стало швидко розвиватися виробництво електронних ламп. Особливо сильно це розвиток стимулювався військовим значенням радіозв'язку. Тому 1913 - 1919 роки - період різкого розвитку електронної техніки. У 1913 р німецький інженер Мейснер розробив схему лампового регенеративного приймача і за допомогою тріода отримав незгасаючі гармонійні коливання. Нові електронні генератори дозволили замінити іскрові і дугові радіостанції на лампові, що практично вирішило проблему радіотелефонії. З цього часу радіотехніка стає лампової. У Росії перші радіолампи були виготовлені в 1914 році в Санкт-Петербурзі консультантом російського суспільства бездротового телеграфування Миколою Дмитровичем Папалексі, майбутнім академіком АН СРСР. Папалексі закінчив Страсбурзький університет, де працював під керівництвом Брауна. Перші радіолампи Папалексі через відсутність досконалої відкачування були вакуумними, а газонаповненими (ртутними). З 1914 - 1916 рр. Папалексі проводив досліди з радіотелеграфії. Працював в області радіозв'язку з підводними човнами. Керував розробкою перших зразків вітчизняних радіоламп. З 1923 - 1935 рр. спільно з Мандельштамом керував науковим відділом центральної радіолабораторії в Ленінграді. З 1935 року працював головою наукової ради з радіофізики і радіотехніки при академії наук СРСР.

Перші в Росії електровакуумні приймально-підсилювальні радіолампи були виготовлені Бонч - Бруєвич. Він народився в м Орлі (1888 р). У 1909 році закінчив інженерне училище в Петербурзі. У 1914 році закінчив офіцерську електротехнічну школу. З 1916 по 1918 р займався створенням електронних ламп і організував їх виробництво. У 1918 році очолив Нижегородську радіолабораторію, об'єднавши кращих радиоспециалистов того часу (Остряков, Пістолькорс, Шорін, Лосєв). У березні 1919 року в нижегородської радіолабораторії почалося серійне виробництво електровакуумної лампи РП-1. У 1920 році Бонч-Бруєвич закінчив розробку перших у світі генераторних ламп з мідним анодом і водяним охолодженням, потужністю до 1 кВт. Видатні німецькі вчені, ознайомившись з досягненнями Нижегородської лабораторії визнали пріоритет Росії в створенні могутніх генераторних ламп. Великі роботи по створенню електровакуумних приладів розгорнулися в Петрограді. Тут працювали Чернишов, Богословський, Векшинський, Оболенський, Шапошников, Зусмановського, Александров. Важливе значення для розвитку електровакуумної техніки мало винахід нагрівається катода. У 1922 році в Петрограді був створений електровакуумний завод, який злився з електроламповим заводом "Світлана". У науково-дослідній лабораторії цього заводу, Векшинський були проведені багатосторонні дослідження в галузі фізики і технології електронних приладів (по емісійним властивостям катодів, газовиділення металу і скла та інші).

Перехід від довгих хвиль до коротких і середнім, і винахід супергетеродина і розвиток радіомовлення зажадали розробки досконаліших ламп, ніж тріоди. Розроблена в 1924 р і вдосконалена в 1926 році американець Хеллом екранована лампа з двома сітками (тетрод), і запропонована їм ж 1930 р електровакуумна лампа з трьома сітками (пентод), вирішили задачу підвищення робочих частот радіомовлення. Пентоди стали найпоширенішими радиолампами. Розвиток спеціальних методів радіоприйому викликало в 1934-1935 роках появи нових типів многосеточних частотопреобразовательних радіоламп. З'явилися також різноманітні комбіновані радіолампи, застосування яких дозволило значно зменшити число радіоламп в приймальнику. Особливо наочно взаємозв'язок між електровакуумної і радіотехнікою проявилася в період, коли радіотехніка перейшла до освоєння та використання діапазону УКВ (ультракороткі хвилі - метрові, дециметрові, сантиметрові і міліметрові діапазони). Для цієї мети, по-перше, були значно удосконалені вже відомі радіолампи. По-друге, були розроблені електровакуумні прилади з новими принципами управління електронними потоками. Сюди відносяться багаторезонаторні магнетрони (1938р), клістрони (1942р), лампи зворотної хвилі ЛОВ (1953р). Такі прилади могли генерувати і підсилювати коливання дуже високих частот, включаючи міліметровий діапазон хвиль. Ці досягнення електровакуумної техніки зумовили розвиток таких галузей як радіонавігація, радиолакации, імпульсна багатоканальний зв'язок.

Радянський радіофізик Рожанський в 1932 році запропонував створити прилади з модуляцією електронного потоку по швидкості. За його ідеї Арсеньєв і Хейль в 1939 р побудували перші прилади для посилення і генерації коливань НВЧ (понад високі частоти). Велике значення для техніки дециметрових хвиль мали роботи Девяткова, Хохлова, Гуревича, які в 1938 - 1941 роках сконструювали тріоди з плоскими дисковими електродами. За цим же принципом у Німеччині були виготовлені металокерамічні лампи, а в США маячкові лампи.

Створені в 1943р. Компфнер лампи біжучої хвилі (ЛБХ) забезпечили подальший розвиток СВЧ систем радіорелейного зв'язку. Для генерації потужних НВЧ коливань в 1921 був запропонований магнетрон, його автор Хелл. За магнетрону дослідження проводили російські вчені - Слуцький, Грехова, Штейнберг, Калінін, Зусмановського, Брауде, в Японії - Яги, Окабе. Сучасні магнетрони беруть свій початок в 1936 - 1937 роках, коли по ідеї Бонч-Бруєвича його співробітники, Алексєєв і молярів, розробили багаторезонаторні магнетрони.

У 1934 році співробітники центральної радіолабораторії, Коровін і Румянцев, провели перший експеримент по застосуванню радиолакации і визначенню літака. У 1935 р теоретичні основи радиолакации були розроблені в Ленінградському фізико-технічному інституті Кобзаревим. Одночасно з розробкою вакуумних електроприладів, на другому етапі розвитку електроніки, створювалися й удосконалювалися газорозрядні прилади.

У 1918 р в результаті дослідницької роботи доктора Шретера німецька фірма "Пінтш" випустила перші промислові лампи тліючого розряду на 220 В. починаючи з 1921 року голландська фірма Philips випустила перші неонові лампи тліючого розряду на 110 В. У США перші мініатюрні неонові лампи з'явилися в 1929 р

У 1930 році Ноулз вперше опублікував опис неонової лампи тліючого розряду, в якій виникнення розряду між анодом і катодом викликається третім електродом. Перший тиратрон тліючого розряду (рис. 4), який знайшов широке застосування, сконструював в 1936 році винахідник фірми "Белл Телефон". У той час він іменувався "Лампа - 313А". В цьому ж році інший винахідник - Вітлі, запропонував свою конструкцію тиратрона. Де за допомогою струму (I _c) керуючого електрода (с) створюється необхідний початковий рівень концентрації електронів та іонів, у вакуумному проміжку анод - катод. Цей рівень забезпечує поява тліючого розряду. Цей же ефект використовується в декатроне, запропонованому фірмою "Еріксон". Декатрон є десятікатодний перемикач (рис. 5), що складається з одного анода (А) і десяти катодів (К1, К2, К3 ..., К10) і розташованих між катодом подкатодов (1, 2). Заряд переноситься з одного катода на інший шляхом послідовної подачі пар керуючих імпульсів на подкатоди. Нехай існує тліючий заряд між катодом К1 і анодом А, якщо потенціал подкатода 1 буде нижче, ніж К1 заряд перекинеться на подкатод 1. Подаючи негативний імпульс на подкатод 1 і слідом на 2, переносять заряд наК1 і К2.

Перший радянський тиратрон тліючого розряду був розроблений в 1940 році в лабораторії заводу "Світлана". За своїми параметрами він був близький до параметрів фірми "RCA". Світіння, що супроводжує газовий розряд, стали використовувати в знакових газорозрядних індикаторах: при подачі напруги на той чи інший катод (знак) виникає світиться зображення.

У 30-ті роки були закладені основи радіотелевіденія. Перші пропозиції про спеціальні передавальних трубках зробили незалежно один від одного Константинов і Катаєв. Подібні ж трубки названі іконоскопа побудував в США Володимир Костянтинович Зворикін. У 1912 р він закінчив Петербурзький економічний інститут. У 1914 р коледж "Де Франс" в Парижі. У 1917 емігрував до США. У 1920 році вступив в фірму "Вестінгаус Електрик". У 1929 р очолив лабораторію американської радіокорпорації "Камдем і Прістон". У 1931 р Зворикін створив перший іконоскоп - передавальну трубку, яка уможливила розвиток електронних телевізійних систем. У 1933 р Шмаков і Тимофєєв запропонували більш чутливі передають трубки - суперіконоскоп. Що дозволив вести телевізійні передачі без сильного штучного освітлення. Шмаков народився в 1885 р, в 1912 році закінчив МДУ, працював (1924-30 рр.) В МВТУ, (1930-32 рр.) Працював в МЕІ, в 1933 винайшов суперіконоскоп, (1935 - 37 рр.) Завідував лабораторією в Всесоюзному НДІ телебачення в Ленінграді. Тимофєєв народився в 1902 р, в 1925 році закінчив МДУ, (1925-28 рр.) Працював в МВТУ, в 1933 році разом зі Шмаковим винайшов іконоскоп. Решта праці відносилися до області: фотоефекту, вторинної електронної емісії, розрядів в газах, електронної оптики. Розробив конструкції електронних помножувачів, електронно-оптичних перетворювачів.

У 1939 ррадянський вчений Брауде запропонував ідею створення ще більш чутливою передавальної трубки названої суперортикон. До 1930 років відносяться перші експерименти з дуже простими передавальними пристроями які отримали назву видикон. Ідея створення видикона була висунута Чернишовим в 1925 році. Перші практичні зразки відіконов з'явилися в США в 1946 р

Іконоскоп (рис. 7) являє собою електронно-променеву трубку в якій за допомогою електронного променя і світлочутливої ​​мозаїки відбувається перетворення світлової енергії в електричні відеоімпульси. Іконоскоп має скляний балон (4) в якому знаходиться світлочутлива мозаїка (6), що складається з декількох мільйонів ізольованих друг від друга зерен срібла (Ag) покритих цезієм (Cs). Мозаїка наноситься на тонку слюдяну пластинку розміром 100х100 мм. На зворотному боці слюдяною пластини знаходиться сигнальна пластина (5), що представляє собою мініатюрний фотокатод, що випромінює вільні електрони під дією світла. Кожне зерно світлочутливої ​​мозаїки разом із сигнальною пластиною можна розглядати як елементарний конденсатор зі слюдяним діелектриком. При висвітленні мозаїки через лінзу (2) світлом відбитим від переданого зображення (1), мозаїка перетворюється в систему конденсаторів заряд яких пропорційний освітленості відповідних зерен. Вільні електрони емітуються фотокатодом (5) збираються колектором (3) на який падає позитивне стосовно сигнальної пластини напруга. Колектором служить провідний шар нанесений на внутрішню стінку іконоскопа. Електронний прожектор (8) створює промінь, який за допомогою системи, що відхиляє (7) підрядник оббігає все зерна мозаїки і знімає з них позитивний заряд. Вільні електрони електронного променя займають місце електронів, що вилетіли з мозаїки в результаті фотоелектронної емісії. Розряд мікроскопічних конденсаторів викликає проходження струмів через резистор навантаження (R _н) і ланцюг катода (К) електронного прожектора. Падіння напруги на резисторі (R _н) пропорційно освітленості елементарних ділянок мозаїки з яких в даний момент електронний промінь знімає позитивний заряд. Недоліком іконоскопа є малий ККД і низька чутливість. Для роботи такого іконоскопа потрібно дуже велика освітленість переданого об'єкта.

На (рис. 8) приведена принципова схема видикона. На внутрішню торцеву поверхню балона видикона наноситься напівпрозорий шар золота, виконуючого роль сигнальної пластини (9). На цей шар наноситься фоторезист (8) - це кристалічний Селен або трехсерністая Сурма. Вільні електрони, які випромінюються катодом (К), формуються в електронний промінь за допомогою керуючого електрода (11) і двох прискорюють анодів (5 і 6). Фокусування променя здійснюється за допомогою котра фокусує котушки (3). Сітка (7) розташована перед фоторезистом створює однорідне гальмує полі, яке перешкоджає до утворення іонного плями і забезпечує нормальне падіння електронного променя. Котушки, що відхиляють (4) харчуються пилкоподібними струмами і змушують електронний промінь через підрядник оббігати робочий ділянку фоторезиста (8). Коригувальні (1) і центруючі (2) котушки дають можливість переміщати електронний промінь в 2-х взаємно перпендикулярних областях. Електропровідність фоторезиста залежить від його освітленості. Електронний промінь, потрапляючи на поверхню мішені, вибиває вторинні електрони, число яких більше, ніж первинних, тому поверхня мішені, звернена до електронного прожектора, заряджається позитивно до потенціалу, близького потенціалу прискорює анода (5). Потенціали іншого боку мішені, зверненої до переданому зображенню, близькі до потенціалу сигнальної пластини. Кожен елемент мішені можна розглядати як конденсатор з втратами, електропровідність, якого залежить від інтенсивності освітлення. Зміна потенціалу елементів мішені електронним променем і є відеосигналом знімається з резистора навантаження R _н. Напруга знімається з резистора R _н пропорційно освітленості того елемента на якому в даний момент знаходиться електронний промінь.

4. Третій період розвитку електроніки

4.1 Винахід точкового транзистора.

Третій період розвитку електроніки - це період створення і впровадження дискретних напівпровідникових приладів, що почався з винаходу крапкового транзистора. У 1946 році при лабораторії "Белл Телефон" була створена група на чолі з Вільямом Шоклі, яка проводила дослідження властивостей напівпровідників на Кремнии (Sc) та Німеччини (Ge) [Література: Дж. Грік "Фізика XX ст. Ключові експерименти", М. 1978 м] Група проводила як теоретичні, так і експериментальні дослідження фізичних процесів на межі поділу двох напівпровідників з різними типами електричної провідності. В результаті були винайдені: трьохелектродні напівпровідникові прилади - транзистори. Залежно від кількості носіїв заряду транзистори були розділені на:

- уніполярні (польові), де використовувалися однополярні носії.

- біполярні, де використовувалися різнополярні носії (електрони і дірки).

Ідеї ​​створення польових транзисторів з'явилися раніше, ніж біполярних, але практично реалізувати ці ідеї не вдавалося. Успіх був досягнутий 23 грудня 1947 р співробітниками лабораторії "Белл Телефон" - Бардін і Браттейном, під керівництвом Шоклі. Бардін і Браттейн в результаті численних варіантів отримали працюючий напівпровідниковий прилад. Інформація про цей винахід з'явилася в журналі "ThePhysicalReview" в липні 1948 року. Ось як про цей винахід писали самі автори: "Наводиться опис Трьохелементний електронного пристрою, що використовує знову відкритий принцип, який заснований на застосування напівпровідника в якості основного елемента. Пристрій може бути використано, як підсилювач, генератор і в інших цілях, для яких зазвичай застосовуються вакуумні електронні лампи. Пристрій складається з трьох електродів розміщених на германієвих блоці, як показано на Рис. 4.1

Два з цих електродів називаються, емітером (Е) і колектором (К), є випрямлячами з точковим контактом і розташовуються в безпосередній близькості один від одного на верхній поверхні. Третій електрод, великої площі і маленького радіуса, нанесений на підставу - базу (Б). Використовувався Ge n-типу. Точкові контакти виготовлялися як з Вольфрама так і з фосфористої бронзи. Кожен точковий контакт окремо разом з електродом бази утворює випрямляч з високим зворотним опором. Струм, напрямок якого по відношенню до всього обсягу кристала є прямим, створюється дірками тобто носіями, мають протилежний знак по відношенню до носіїв зазвичай присутнім в надлишку усередині обсягу Ge. Коли два точкових контакту розташовані дуже близько один до одного і до них докладено постійна напруга, контакти роблять взаємний вплив один на одного. Завдяки цьому впливу можливо використовувати даний пристрій для посилення сигналу змінного струму. Електричне коло за допомогою якої можна цього домогтися показана на Рис. 4.1 До емітера докладено невелике позитивне напруга в прямому напрямку, яке викликає струм в кілька міліампер через поверхню. До колектора прикладається зворотна напруга, достатньо велике для того щоб струм колектора був рівним або більше струму емітера (I _k ≥ I _е). Знак напруги на колекторі такий, що він притягує дірки йдуть від емітера. В результаті велика частина струму емітера проходить через колектор. Колектор створює великий опір для електронів поточних в напівпровідник, і майже не перешкоджає потоку дірок в точковий. Якщо струм емітера модулювати напругою сигналу, то це призводить до відповідної зміни струму колектора. Була отримана велика величина відносини вихідної напруги до вхідного, такого ж порядку, що і відношення імпедансів, що випрямляє точкового контакту в зворотному і прямому напрямку. Таким чином виникає відповідне посилення потужності вихідного сигналу. Отримали виграш в потужності в 100 разів. Подібні пристрої працювали як підсилювачі при частотах аж до 10 МГц (мегагерц). "

Пристрій винайдене Бардін і Браттейном було названо точковим транзистором типу А і представляв собою конструкцію представлену на Рис. 4.2 Де (1) кристал Німеччина, (2) висновок емітера, (3) висновок бази. Посилення сигналу здійснювалося за рахунок великої різниці в величинах опору, низкоомного вхідного і високоомного вихідного. Тому творці нового приладу назвали його скорочено - транзистором (в пер. З англійської - "перетворювач опору").

4.2 Винахід площинного біполярного транзистора.

Одночасно, в період квітень 1947 - січень 1948 року, Шоклі опублікував теорію площинних біполярних транзисторів. Розглянувши напівпровідникові випрямні пристрої з кристалів напівпровідника, що має перехід між областями p- і n- типу. (Рис. 4.3)

Такий пристрій, зване площинним напівпровідниковим випрямлячем, володіє малим опором, коли р-область - позитивна по відношенню до n-області. Характеристики площинного випрямляча можна точно визначити теоретично. У порівнянні з точковим, площинний випрямляч допускає велике навантаження тому площа контакту можна зробити досить великий. З іншого боку зі збільшенням площі зростає шунтирующая контактна ємність. Далі Шоклі розглянув теорію площинного транзистора з кристала напівпровідника, що містить два pn переходу (Рис. 4.4) Позитивна р-область є емітером, негативна р-область колектором, n-область являє собою базу. Таким чином замість металевих точкових контактів використовуються дві pn області. У точковому транзисторі два металевих точкових контакту необхідно було мати у своєму розпорядженні дуже близько один до одного, і в площинному транзисторі обидва переходу повинні розташовуватися дуже близько один до одного. Область бази дуже тонка - менше 25 мкм. Площинні транзистори мають ряд переваг перед точковими: вони більш доступні теоретичному аналізу, мають більш низьким рівнем шумів, забезпечують більшу потужність. Для нормальної роботи транзистора, як підсилювача, необхідно щоб на емітер було подано пряме, а на колектор зворотне зміщення, по відношенню до бази. Для pnp транзистора умова відповідає - позитивного емітера і негативного колектору. Для npn - зворотні полярності тобто негативний емітер і позитивний колектор.

Винахід транзисторів стало знаменною віхою в історії розвитку електроніки і тому його автори Джон Бардін, Уолтер Браттейн і Вільям Шоклі були удостоєний Нобелівської премії з фізики за 1956 р

4.3 Причини виникнення транзисторів.

Поява транзисторів - це результат копіткої роботи десятків видатних вчених і сотень найвизначніших фахівців, які протягом попередніх десятиліть розвивали науку про напівпровідниках. Серед них були не тільки фізики, а й фахівці з електроніки, физхимии, матеріалознавства.

Початок серйозних досліджень відноситься до 1833 році, коли Майкл Фарадей працюючи з сульфідом срібла виявив, що провідність напівпровідників зростає з підвищенням температури, на противагу провідності металів, яка в цьому випадку зменшується.

В кінці XIX століття були встановлені три найважливіших властивості напівпровідників:

1. Поява ЕРС при висвітленні напівпровідника.

2. Зростання електричної провідності напівпровідника при освітленні.

3. випрямляти властивість контакту напівпровідника з металом.

У 20-ті роки ХХ ст. випрямляють властивості контакту напівпровідників з металом почали практично використовувати в радіотехніці. Радіоспеціалістів з Нижегородської радіотехнічної лабораторії Олегу Лосєву в 1922 році вдалося застосувати випрямляючий пристрій на контакті сталі з кристалом цинкита в якості детектора, в детекторному приймачі під назвою "Кристадин". Схема крістадіна (Рис. 4.5) містить вхідний настроюється контур L ₁ C ₁ до якого підключена зовнішня антена А і заземлення. За допомогою перемикача П ₁ паралельно вхідному контуру підключається детектор Д _1. Такий детектор може не тільки детектувати, але і попередньо посилювати сигнал, коли його робоча точка знаходиться на падаючому ділянці ВАХ (Рис. 4.5 (б)). На цій ділянці ВАХ опір детектора стає негативним, що призводить до часткової компенсації втрат в контурі L ₁ C ₁ і тоді приймач стає генератором.

Потенціометр R ₁ регулює струм детектора. Прослуховування сигналів прийнятих радіостанцією здійснюється на низькорівневий телефон, котушки якого включені послідовно з джерелом харчування через дросель Др 1 і котушку L _2.

Перший зразок крістадіна був виготовлений Лосєвим в 1923 році. В цей час в Москві почала працювати центральна радіотелефон, передачі якої можна було приймати на прості детекторні приймачі тільки поблизу столиці. Кристадин Лосєва дозволяв не тільки збільшити дальність прийому радіостанції, але був простіше і дешевше. Інтерес до крістадіна в той час був величезний. "Сенсаційний винахід" - під таким заголовком американський журнал "RadioNews" надрукував у вересні 1924 р редакційну статтю присвячену роботі Лосєва. "Відкриття Лосєва робить епоху", - писав журнал, висловлюючи надію, що складну електровакуумні лампу незабаром замінить шматочок цинкита або іншої речовини простого у виготовленні і застосуванні.

Продовжуючи дослідження кристалічних детекторів, Лосєв відкрив світіння карборунда при проходженні через нього електричного струму. Через 20 років це ж явище було відкрито американським фізиком Дестріо і отримало назву електролюмінесценції. Важливу роль у розвитку теорії напівпровідників на початку 30-х років зіграли роботи проводяться в Росії під керівництвом академіка А.Ф. Іоффе. У 1931 році він опублікував статтю з пророчим назвою: "Напівпровідники - нові матеріали електроніки". Чималу заслугу в дослідження напівпровідників внесли радянські вчені - Б.В. Курчатов, В.П. Жузе і ін. У своїй роботі - "До питання про електропровідності закису міді", опублікованій в 1932 році, вони показали, що величина і тип електричної провідності визначається концентрацією і природою домішки. Трохи пізніше, радянський фізик - Я.М. Френкель створив теорію збудження в напівпровідниках парних носіїв заряду: електронів і дірок. У 1931 р англійцю Уілсона вдалося створити теоретичну модель напівпровідника, засновану на тому факті, що в твердому тілі дискретні енергетичні рівні електронів окремих атомів розмиваються в безперервні зони, розділені забороненими зонами (значеннями енергії, які електрони не можуть приймати) - "зонна теорія напівпровідників ".

У 1938 р Мотт в Англії, Давидов в СРСР, Вальтер Шоттки в Німеччині сформулювали, незалежно, теорію випрямляє дії контакту метал-напівпровідник. Ця велика програма досліджень, яка виконується вченими різних країн і призвела до експериментального створення спочатку точкового, а потім і площинного транзистора.

4.4 Історія розвитку польових транзисторів.

4.4.1 Перший польовий транзистор був запатентований в США в 1926 / 30гг., 1928 / 32гг. і 1928 / 33рр. Лилиенфельд - автор цих Потенте. Він народився в 1882 році в Польщі. З 1910 по 1926 рік був професором Лейпцизького університету. У 1926 р іммігрував в США і подав заявку на патент.

Запропоновані Лилиенфельд транзистори ми були впроваджені у виробництво. Транзистор по одному з перших патентів № 1900018 представлений на Рис. 4.6

Найбільш важлива особливість винаходу Лілієнфельда полягає в тому, що він розумів роботу транзистора на принципі модуляції провідності виходячи з електростатики. В описі до патенту формулюється, що провідність тонкої області напівпровідникового каналу модулюється вхідним сигналом, що надходять на затвор через вхідний трансформатор.

4.4.2

У 1935 році в Англії отримав патент на польовий транзистор німецький винахідник О. Хейл

Схема з патенту № 439457 представлена ​​на Рис. 4.7 де:

1 - керуючий електрод

2 - тонкий шар напівпровідника (телур, йод, окис міді, пятиокись ванадію)

3,4 - омические контакти до напівпровідника

5 - джерело постійного струму

6 - джерело змінної напруги

Керуючий електрод (1) виконує роль затвора, електрод (3) виконує роль стоку, електрод (4) роль витоку. Подаючи змінний сигнал на затвор, розташований дуже близько до провідника, отримуємо зміну опору напівпровідника (2) між стоком і витоком. При низькій частоті можна спостерігати коливання стрілки амперметра (7). Винахід є прототипом польового транзистора з ізольованим затвором.

4.4.3

Наступний період хвилі винаходів з транзисторів настав в 1939 році, коли після трирічних пошуків по твердотельному підсилювача в фірмі "BTL" (BellTelephoneLaboratories) Шоклі був запрошений включитися в дослідження Браттейн по медноокісному випрямителю. Робота була перервана другою світовою війною, але вже перед від'їздом на фронт Шоклі запропонував два транзистора. Дослідження з транзисторів поновилися після війни, коли в середині 1945 р Шоклі повернувся в "BTL", а в 1946 р туди ж прийшов Бардин.

У 1952 р Шоклі описав уніполярний (польовий) транзистор з керуючим електродом, що складається, як показано на рис. 4.8, з назад зміщеного pn - переходу. Запропонований Шоклі польовий транзистор складається з напівпровідникового стрижня n-типу (канал n-типу) з омічними висновками на торцях. Як напівпровідника використаний кремній (Si). На поверхні каналу з протилежних сторін формується pn-перехід, таким чином, щоб він був паралельний напрямку струму в каналі. Розглянемо як тече струм між омічними контактами витоку і стоку. Провідність каналу визначають основні носії заряду для даного каналу. У нашому випадку електрони в каналі n-типу. Висновок, від якого носії починають свій шлях, називається витоком. На рис. 4.8 - це негативний електрод. Другий омічний електрод, до якого підходять електрони, - стік. Третій висновок від pn-переходу називають затвор.

Точний опис процесів в польовому транзисторі представляє певні труднощі. Тому, Шоклі запропонував спрощену теорію униполярного транзистора в основному пояснює властивості цього приладу. При зміні вхідної напруги (витік-затвор) змінюється зворотна напруга на pn-переході, що призводить до зміни товщини замикаючого шару. Відповідно змінюється площа поперечного перерізу n-каналу, через який проходить потік основних носіїв заряду, тобто вихідний струм. При високій напрузі затвора замикаючий шар стає все товщі і площа поперечного перерізу зменшується до нуля, а опір каналу збільшується до нескінченності і транзистор закривається.

4.4.4

У 1963 р Хофштейн і Хайман описали іншу конструкцію польового транзистора, де використовується поле в діелектрику, розташованому між пластиною напівпровідника і металевої плівкою. Такі транзистори із структурою метал-діелектрик-напівпровідник називаються МДП-транзистори. У період з 1952 по 1970 рр. польові транзистори залишалися на лабораторної стадії розвитку. Три фактори сприяли стрімкому розвитку польових транзисторів в 70-і роки:

1) Розвиток фізики напівпровідників і прогрес в технології напівпровідників, що дозволило отримати прилади з заданими характеристиками.

2) Створення нових технологічних методів, таких як тонкоплівкові технології для отримання структури з ізольованим затвором.

3) Широке впровадження транзисторів в електричне обладнання.

4.5 Історія розвитку серійного виробництва транзисторів в США і СРСР

4.5.1

Прискорена розробка і виробництво транзисторів розгорнулися в США в кремнієвої долини, розташованої в 80-ти км від Сан-Франциско. Виникнення кремнієвої долини пов'язують з ім'ям Ф. Термена - декана інженерного факультету Стенфордського університету, коли його студенти Хьюлетт, Паккард і брати Варіан створили фірми, які уславили їхні імена під час другої світової війни.

Бурхливий розвиток кремнієвої долини почалося, коли Шоклі покинув "BTL" і заснував власну фірму з виробництва кремнієвих транзисторів за фінансової допомоги вихованця Каліфорнійського політехнічного інституту А. Беккмана. Його фірма розпочала роботу восени 1955 р як відділення фірми "BeckmanInstruments" в армійських казармах Паоло-Алто. Шоклі запросив 12 фахівців (Хорслі, Нойс, Мур, Гринич, Робертс, Хорні, Ласт, Джонс, Клейнер, Бленк, Непік, Са). У 1957 р фірма змінила свою назву на "ShocklyTransistorCorporation". Незабаром 8 фахівців (Нойс, Мур, Гринич, Робертс, Хорні, Ласт, Клейнер, Бленк) домовилися з Беккманом і створили окрему самостійну фірму "FairchildSemiconductorCorporation" в основі діяльності, якій лежало масове виробництво високоякісних кремнієвих біполярних транзисторів. В якості першого вироби був обраний в 1957 р кремнієвий npn мезатранзістор з подвійною дифузією типу 2N696. Він вимагав всього лише два процеси фотолитографии для створення емітера і металевих контактів. Термін мезатранзістор був запропонований Ерлі з "BTL". Ввівши додаткову операцію фотолітографії, Хорні замінив мезаструктур колектора дифузійним кишенею і закрив місце перетину еміторного і колекторного переходів з поверхнею термічним оксидом (1000 ^o С).Технологію таких транзисторів Хорні назвав планарним процесом. У 1961 р було розпочато крупносерійним випуск двох планарних кремнієвих біполярних транзисторів 2N613 (npn), 2N869 (pnp)

Інститут напівпровідникових матеріалів і устаткування (США) склав генеалогічне дерево і перші гілки відбрунькувалися від фірми Shockley виглядають так: Ласт і Хорні в 1961 році заснували Amelco, яка пізніше перетворилася в TeledyneSemiconductor. Хорні в 1964 році створив UnionCorbideElectronics, в 1967 році - Intersil. Щорічно створювалося по чотири фірми, і за період з 1957 по 1983 р в кремнієвої долини було створено понад 100 фірм. Зростання триває і зараз. Він стимулюється близькістю Стенфордського і Каліфорнійського університету і активною участю їх співробітників в справі організації фірм (Рис. 4.9).

Мал. 4.9 Динаміка розвитку кремнієвої долини.

1914-1920 рр	1955 - 57 рр	1960 р	1961 р	1968 р
Хьюлетт-Пакард (двоє друзів і брати Варіан)	BTL Shockley Semiconductor Laboratory (BeckmanInstruments) Паоло Алто (військові казарми). Са Хорслі Джонс 12 чол. Непік Нойс Мур Гринич Робертс Хорні ласт Клейнер Бленк	Fairchild Semiconductor Corporation 8 чол.	Amelco + Уенлесс Сноу Ендрю Гроув Діл	Intel (Інтергрейтед електронікс) 12 чол. (Маунтін В'ю)

4.5.2

Першими транзисторами випущеними вітчизняною промисловістю були точкові транзистори, які призначалися для посилення і генерування коливань частотою до 5 МГц. В процесі виробництва перших в світі транзисторів були відпрацьовані окремі технологічні процеси та розроблені методи контролю параметрів. Накопичений досвід дозволив перейти до випуску більш досконалих приладів, які вже могли працювати на частотах до 10 МГц. Надалі на зміну точковим транзисторам прийшли площинні, що володіють більш високими електричними і експлуатаційними якостями. Перші транзистори типу П1 і П2 призначалися для посилення і генерування електричних коливань з частотою до 100 кГц. Потім з'явилися більш потужні низькочастотні транзистори П3 і П4 застосування яких в 2-х тактних підсилювачах дозволяло отримати вихідну потужність до декількох десятків ват. У міру розвитку напівпровідникової промисловості відбувалося освоєння нових типів транзисторів, в тому числі П5 і П6, які в порівнянні зі своїми попередниками володіли поліпшеними характеристиками. Йшов час, освоювалися нові методи виготовлення транзисторів, і транзистори П1 - П6 вже не задовольняли чинним вимогам і були зняті з виробництва. Замість них з'явилися транзистори типу П13 - П16, П201 - П203, які теж ставилися до низькочастотних неперевищує 100 кГц. Такий низький частотний межа пояснюється способом виготовлення цих транзисторів, здійснюваним методом сплаву. Тому транзистори П1 - П6, П13 - П16, П201 - П203 називають сплавними. Транзистори здатні генерувати і підсилювати електричні коливання з частотою в десятки і сотні МГц з'явилися значно пізніше - це були транзистори типу П401 - П403, які поклали початок застосуванню нового дифузійного методу виготовлення напівпровідникових приладів. Такі транзистори називають дифузійними. Подальший розвиток йшло шляхом удосконалення як сплавних, так і дифузійних транзисторів, а так само створення і освоєння нових методів їх виготовлення.

5. Причини виникнення мікроелектроніки

5.1 Вимоги мініатюризації електрорадіоелементів з боку розробників радіоапаратури.

З появою біполярних польових транзисторів почали втілюватися ідеї розробки малогабаритних ЕОМ. На їх основі стали створювати бортові електронні системи для авіаційної і космічної техніки. Так як ці пристрої містили тисячі окремих ЕРЕ (електрорадіоелементів) і постійно потрібно все більше і більше їх збільшення, з'явилися і технічні труднощі. Зі збільшенням числа елементів електронних систем практично не вдавалося забезпечити їх працездатність відразу ж після збирання, і забезпечити, в подальшому, надійність функціонування систем. Навіть досвідчені збирачі і наладчики ЕОМ допускали кілька помилок на 1000 спайок. Розробники припускали нові перспективні схеми, а виробники не могли запустити ці схеми відразу після збирання тому при монтажі не вдавалося уникнути помилок, обривів в ланцюзі за рахунок не пропало, і коротких замикань. Була потрібна довга і копітка налагодження. Проблема якості монтажно-складальних робіт стало основною проблемою виробників при забезпеченні працездатності і надійності радіоелектронних пристроїв. Рішення проблеми межсоединений і стало передумовою до появи мікроелектроніки. Прообразом майбутніх мікросхем послужила друкована плата, в якій всі поодинокі провідники об'єднані в єдине ціле і виготовляються одночасно груповим методом шляхом підбурювання мідної фольги з площиною фольгированного діелектрика. Єдиним видом інтеграції в цьому випадку є провідники. Застосування друкованих плат хоча і не вирішує проблеми мініатюризації, проте вирішує проблему підвищення надійності межсоединений. Технологія виготовлення друкованих плат не дає можливості виготовити одночасно інші пасивні елементи крім провідників. Саме тому друковані плати не перетворилися в інтегральні мікросхеми в сучасному розумінні. Першими були розроблені в кінці 40-х років товстоплівкові гібридні схеми, в основу їх виготовлення була покладена вже відпрацьована технологія виготовлення керамічних конденсаторів, що використовує метод нанесення на керамічну підкладку через трафарети паст, що містять порошок срібла і скла. Перехід до виготовлення на одній підкладці кількох з'єднаних між собою конденсаторів, а потім з'єднання їх з композиційними резисторами, що наносяться також за допомогою трафарету, з подальшим вжіганіем призвело до створення гібридних схем, що складаються з конденсаторів і резисторів. Незабаром до складу гібридних схем були включені і дискретні активні і пасивні компоненти: навісні конденсатори, діоди і транзистори. В подальшому розвитку гібридних схем навісним монтажем були включені надмініатюрні електровакуумні лампи. Такі схеми отримали назву товстоплівкові гібридні інтегральні мікросхеми (ГІС). Тонкоплівкова технологія виробництва інтегральних мікросхем включає в себе нанесення в вакуумі на гладку поверхню діелектричних підкладок тонких плівок різних матеріалів (які проводять, діелектричних, резистивних).

У 60-ті роки величезні зусилля дослідників були спрямовані на створення тонкоплівкових активних елементів. Однак надійно працюють транзисторів з відтвореними характеристиками ніяк не вдавалося отримати, тому в тонкоплівкових ГІС продовжують використовувати активні навісні елементи. До моменту винаходу інтегральних мікросхем з напівпровідникових матеріалів вже навчилися виготовляти дискретні транзистори і резистори. Для виготовлення конденсатора вже використовували ємність назад зміщеного pn переходу. Для виготовлення резисторів використовувалися омические властивості кристала напівпровідника. На черзі стояло завдання об'єднати всі ці елементи в одному пристрої.

5.2 Основи розвитку технології мікроелектроніки.

5.2.1

Розвиток мікроелектроніки визначається рівнем досягнутої мікротехнології.

Планарная технологія. При планарной технології потрібно забезпечити можливість створення малюнка тонких шарів з матеріалу з різними електричними характеристиками, щоб отримати електронну схему. Важлива особливість планарной технології полягає в її груповий характер: все інтегральні схеми (ІС) на пластині виготовляють в одному технологічному циклі, що дозволяє одночасно отримувати кілька напівпровідникових схем.

5.2.1.1

Технологічні процеси отримання тонких плівок.

При рідинної епітаксії отримують численні структури з різних матеріалів. На Рис. 5.2: 1, 2, 3, 4 - розчини

5 - ковзний графітовий тримач розчинів

6 - підкладка

7 - основний графітовий тримач

8 - штовхач

9 - електрична піч

10 - кварцова труба

11 - термофара

Рухома конструкція з різними розчинами послідовно підводить розчини до підкладки.Таким чином отримують гетеропереходи з різними матеріалами товщиною менше 1 мкм (Ge - Si, GaAs - GaP)

Молекулярно-променева епітаксії проводиться в надвисокому вакуумі і заснована на взаємодії декількох молекулярних пучків з нагрітою монокристаллической підкладкою. На Рис. 5.3 ілюструється процес отримання з'єднання Al _x Ga _1-x As. Кожен нагрівач містить тигель, що є джерелом молекулярного пучка одного з основних елементів плівки. Температура кожного нагрівача вибирається таким чином, щоб тиск парів, випаровування матеріалів, було досить для утворення молекулярних пучків. Підбором температури нагрівача і підкладки отримують плівки зі складним хімічним складом. Додаткове управління процесом вирощування здійснюється за допомогою спеціальних заслінок, розташованих між нагрівачем і підкладкою. Метод молекулярно-променевої епітаксії найбільш перспективний для твердотільної електроніки в якій істотну роль грають шаруваті структури субмікронних розмірів.

2) Окислення. Шар двоокису кремнію формується зазвичай на підкладці за рахунок хімічної сполуки атомів кремнію з киснем, який подається до поверхні кремнієвої підкладки нагрітої технічної печі до температури 900-1200 ^о С.

Мал. 5.4: 1 - підкладка

2 - кварцова човник

3 - нагрівач

4 - кварцова труба

Окислювальним середовищем може бути сухою або вологий кисень. Окислення відбувається швидше в атмосфері вологого кисню, тому воно використовується для отримання товстих плівок SiO _2. Найбільш часто використовується товщина окисла складова десяті частки мкм, а верхній практична межа 1-2 мкм.

5.2.2 Літографічні процеси використовуються для формування токологіі мікросхем.

5.2.2.1 Фотолітографія.

Фотолітографія є основним технологічним процесом в мікроелектроніці при отриманні ліній шириною до 1 мкм і його часткою. Спочатку виготовляють оригінал топології мікросхеми в сільноувеліченном розмірі (до 500 разів). Потім роблять фотографію зі зменшенням в 100 раз, потім в 10 разів і т.д. поки остаточне зображення на пластині не буде точно відповідати необхідній схемою. Отримана фотопластина використовується в якості маски для передачі малюнка на поверхню підкладки. Розглянемо фотолітографічний процес для отримання отвори в шарі двоокису кремнію розташованому на підкладці. Мал. 5.5

1 - скляний фотошаблон

2 - фоторезист

3 - SiO ₂ (окис кремнію)

4 - кремнієва підкладка

5 - світлонепроникний малюнок на фотоемульсії

6 - ультрафіолетове випромінювання

етапи:

а) Первинне покриття

б) Контактна друк

в) Після прояви

г) Після травлення

д) Після видалення фоторезиста

Спочатку на окисний шар наносять фоторезист (2), потім до фоторезистом прикладають скляний фотошаблон (1) з малюнком відповідним тієї частини оксиду, яка повинна бути видалена (5). Експонують фотошаблон в ультрафіолетових променях (6). Виявляють. В процесі прояви не експоновані ділянки фоторезиста (2) розчиняються. Окисний шар у вікні стравлюють кислотним розчином і видаляють залишився шар фоторезиста - такий метод називається методом контактного друку. Крім того використовують проекційну друк, коли між фотошаблоном і підкладкою розташовують оптичні лінзи.

5.2.2.2 Електронно-променева літографія.

Для отримання малюнка методом електронної літографії застосовують два способи:

1) Електронний промінь, керований ЕОМ, переміщається заданим чином по поверхні підкладки.

2) Електронний пучок проходить через спеціальні маски.

У першому випадку застосовують два типи скануючих систем - растрову і векторну. У растровій системі електронний промінь модулюється по інтенсивності і через підрядник проходить по всій поверхні підкладки. У векторній системі електронний промінь відхиляється таким чином, що його слід на резисте точно відповідає необхідному малюнку.

У другому варіанті фотокатод розташовують на поверхні оптичної маски із заданим малюнком. Ультрафіолетові промені опромінюють фотокатод крізь маску, що призводить до емісії електронів з фотокатода у відповідних малюнку областях. Ці електрони проектуються на поверхню резисту за допомогою однорідних співпадаючих по напрямку електростатичних і магнітних полів. Роздільна здатність такої системи відповідає субмікронних розмірах по всій площі підкладки.

5.2.2.3 Рентгенівська літографія.

Метод рентгенівської літографії ілюструється на Рис. 5.6:

1а - електронний промінь

2а - мішень

3а - рентгенівські промені

1 - прозорий матеріал

2 - поглинач

3 - прокладка

4 - полімерна плівка (резист)

5 - підкладка

Маска складається з мембрани (4) прозорою для рентгенівських променів, що підтримує плівку, яка має заданий малюнок і зроблена з матеріалу сильно поглинає рентгенівські промені. Ця маска розташовується на підкладці покритою радіаційно чутливим резистом. На відстані Д від маски знаходиться точкове джерело рентгенівського випромінювання, яке виникає при взаємодії сфокусованого електронного променя з мішенню. Рентгенівські промені опромінюють маску, створюючи проекційні тіні від поглинача рентгенівських променів на полімерні плівки. Після експонування видаляють або опромінені області при позитивному резисте, або не опромінені при негативному резисте. При цьому на поверхні резисту створюється рельєф, відповідний малюнку. Після отримання рельєфу на резисте підкладка обробляється травленням, нарощуванням додаткових матеріалів, легированием, нанесенням матеріалу через вікна в малюнку резисту.

5.2.2.4 Іонно-променева літографія.

З'явилася як результат пошуку шляхів подолання обмежень електронної та рентгенівської літографії. Можливі два способи формування зображення на іонорезісте: сканування з фокусованим променем і проектування топології з шаблону в площину підкладки. Сканирующая електронно-променева літографія аналогічна скануючої електронної літографії. Іони He ^+, H ^+, Ar ⁺ утворені в джерелі іонів витягуються із джерела, прискорюються і фокусуються в площину підкладки електронно-оптичної системи. Сканування виконують кадрами площею 1 мм ² з покроковим переміщенням столика з підкладкою і суміщенням на кожному кадрі. Сканування з фокусованим іонним променем призначене для отримання топології з розмірами елементів від 0,03-0,3 мкм. Проекційна іонно-променева літографія виконується широким коллімірованним іонним пучком площею 1 см ^2.

5.2.3

Перспективи розвитку планарной технології в США викладені в "Національної технологічної маршрутної карті напівпровідникової електроніки" відбиває розвиток мікроелектроніки до 2010 року. За прогнозами цієї роботи основним матеріалом у виробництві масових НВІС буде служити як і раніше кремній. У виробництві НВІС передбачається використовувати вдосконалені процеси мікролітографії із застосуванням резистивних масок формованих при ультрафіолетовому або рентгенівському опроміненні для створення токологіческіх малюнків на напівпровідникові пластини.

До 2010 року планується збільшити діаметр пластин до 400 мм, зменшити критичний розмір елемента мікросхем (наприклад: ширину затвора) до 70 нм. Зменшити крок розводки до 0,3 мкм. Оптична літографія зберігає лідируюче положення у виробництві НВІС (надвеликих інтегральних схем) аж до розмірів 150 нм, які прогнозується досягти вже в 2003 р

6. IV період розвитку електроніки

6.1 Винахід першої інтегральної мікросхеми

У 1960 році Роберт Нойс з фірми Fairchild запропонував і запатентував ідею монолітної інтегральної схеми (Патент США 2981877) і застосувавши планарную технологію виготовив перші кремнієві монолітні інтегральні схеми. У монолітної інтегральної схемою планарниє дифузійні біполярні кремнієві транзистори і резистори з'єднані між собою тонкими і вузькими смужками алюмінію, що лежать на пасивуються оксиді. Алюмінієві сполучні доріжки виготовляються методом фотолітографії, шляхом травлення шару алюмінію напиляного на всю поверхню оксиду. Така технологія отримала назву - технологія монолітних інтегральних схем. Одночасно Кілбі з фірми TexasInstruments виготовив тригер на одному кристалі германію, виконавши сполуки золотими нитками. Така технологія отримала назву - технологія гібридних інтегральних схем. Апеляційний суд США відхилив заявку Кілбі і визнав Нойса винахідником монолітною технологією з оксидом на поверхні, ізольованими переходами і сполучними доріжками на оксиді, витравленими з обложеного шару алюмінію методом фотолітографії. Хоча очевидно, що і тригер Кілбі є аналогом монолітною ІМС.

Сімейство монолітних транзисторних-транзисторних логічних елементів з чотирма і більше біполярними транзисторами на одному кристалі кремнію було випущено фірмою Fairchild вже в лютому 1960 року і отримало назву "мікрологіка". Планарная технологія Хорні і монолітна технологія Нойса заклали в 1960 році фундамент розвитку інтегральних мікросхем, спочатку на біполярних транзисторах, а потім 1965-85 рр. на польових транзисторах і комбінаціях тих і інших. Малий розрив у часі між ідеєю і серійним виробництвом інтегральних мікросхем пояснюється оперативністю розробників. Так в 1959 році Хорні проводячи численні досліди, сам відпрацьовував технологію окислення і дифузії кремнієвих пластин, щоб знайти оптимальну глибину дифузії бору і фосфору, і умови маскування оксидом. Одночасно Нойс в темній кімнаті, вечорами, у вихідні дні наполегливо завдає і експонує фоторезист на безлічі кремнієвих пластин з оксидом і алюмінієм в пошуках оптимальних режимів травлення алюмінію. Гринич особисто працює з приладами, знімаючи характеристики транзисторів і інтегральних мікросхем. Коли немає прецеденту і досвідчених даних найкоротших шлях до практичної реалізації - "зроби сам". Шлях, який і вибрала четвірка піонерів - Гринич, Хорні, Мур, Нойс.

6.2 Розвиток серійного виробництва інтегральних мікросхем.

6.2.1

Два директивних рішення прийнятих в 1961-1962 рр. вплинули на розвиток виробництва кремнієвих транзисторів і ІС.

1) Рішення фірми IBM (Нью-Йорк) з розробки для перспективної ЕОМне феромагнітних запам'ятовуючих пристроїв, а електронних ЗУ (запам'ятовуючих пристроїв) на базі n-канальних польових транзисторів (метал-окисел-напівпровідник - МОП). Результатом успішного виконання цього плану був випуск в 1973 р універсальної ЕОМ з МОП ЗУ - IBM- 370/158.

2) Директивні рішення фірми Fairchild передбачають розширення робіт в напівпровідникової науково-дослідної лабораторії з дослідження кремнієвих приладів і матеріалів для них.

6.2.2

Мур, Нойс і Гринич з фірми Fairchild залучили в 1961 р для вербування молодих фахівців викладача Іллінойського університету - Са, який читав там курс фізики напівпровідників Бардіна. Са завербував фахівців, тільки що, закінчили асперантуру (див. Рис. 4.9). Це були Уенлесс, Сноу - фахівці з фізики твердого тіла, Ендрю Гроув - хімік, який закінчив університет в Берклі, Діл - хімік-практик.

Проект з фізики приладів і матеріалами ввели Діл, Гроув і Сноу.Проект по схемним застосуванням ввів Уенлесс. Результати досліджень цієї четвірки досі використовуються в технології НВІС.

У липні 1968 р Гордон Мур і Роберт Нойс йдуть з відділення напівпровідників фірми Fairchild і 28 червня 1968 року організовують крихітну фірму Intel з дванадцяти чоловік, які орендують кімнатку в Каліфорнійському місті Маунтін-В'ю. Завдання, яке поставили перед собою Мур, Нойс і примкнув до них фахівець з хімічної технології - Ендрю Гроув, використовувати величезний потенціал інтеграції великого числа електронних компонентів на одному напівпровідниковому кристалі для створення нових видів електронних приладів.

У 1997 році Ендрю Гроув став "людиною року", а очолювана ним компанія Intel, яка стала однією з провідних в силіконової долини в Каліфорнії, стала виробляти мікропроцесори для 90% всіх персональних комп'ютерів планети. Станом на 1 січня 1998 року вартість фірми - 15 млрд. $, Щорічний дохід - 5,1 млрд. $. Гроув виконує обов'язки голови ради директорів. У 1999 р щомісяця фірма виробляє - 4 квадрильйона транзисторів тобто понад півмільйона на кожного жителя планети. Умільці з Intel створюють знамениті чіпи PemtiumI, II, III.

Андрю Гроув народився 2 вересня 1936 року в Угорщині, його тоді звали Андрош Гроф. Коли радянські танки увійшли в 1956 р в Будапешт, Андрош втік до Австрії і звідти в Нью-Йорк. Закінчив з відзнакою Сіті-коледж, захистив докторську дисертацію в каліфорнійському університеті Берклі. Багато великих корпорацій хотіли отримати молодого вченого фахівця і інженера. Гроув дістався, завдяки Са, фірмі Fairchild. ( "Сучасні технології автоматизації (СТА)" 1 / 99г. - стаття про фірму Intel.)

6.2.3

Історія створення електронних запам'ятовуючих пристроїв бере початок з винаходу в 1967 р Діннардом з IBM однотранзісторний динамічної пам'ятною осередки для ЗУ з довільною вибіркою (ДЗУПВ). Цей винахід зробило сильний і тривалий вплив на електронну промисловість поточного часу і віддаленого майбутнього. Його вплив за загальним визнанням порівняти з винаходом самого транзистора. В осередку об'єднані один ключ на МОППТ і один конденсатор. МОППТ служить перемикачем для заряду (записи) і розряду (зчитування). У 1988 р випуск таких осередків зайняв перше місце за кількістю з усіх штучних об'єктів на нашій планеті. Са прогнозував на початок XXI століття річний випуск цих осередків 10 ²⁰ шт.

На Рис. 6.1 показано поперечний переріз осередку одного з перших серійних ДЗУПВ (Динамічне запам'ятовуючий пристрій Довільної Вибірки) (ємність 256 кбіт). Накопичувальний конденсатор має двошаровий діелектрик з нітриду кремнію на тонкому шарі термічно вирощеного оксиду кремнію. Діелектрична постійна у нітриду ε = 7,5 більше, ніж у оксиду ε = 3,9, що забезпечує отримання більшої місткості на одиницю площі. Накопичення більшого заряду на меншій площі і більш високу щільність інформації. На Рис. 6.1:

1 - алюмінієва розрядна шина

2 - словникові шини з силіциду тугоплавкого металу

3 - обкладка конденсатора з полікремнію

4 - подзатворного діелектрик з діоксиду кремнію

Записана на цей осередок інформація втрачається при відключенні джерела живлення (енергозалежна ПЗУ). У 1971 році співробітник фірми Intel Фроман-Бенчковскі запропонував і запустив в серійне виробництво незалежне стирані програмований постійний запам'ятовуючий пристрій. Зняття заряду на плаваючих затворах цих ПЗУ вироблялося ультрафіолетовим світлом. Пізніше інженери фірми Intel запропонували швидкодіючі електричні прані ПЗУ.

Поява інтегральних мікросхем зіграла вирішальну роль в розвиток електроніки поклавши початок новому етапу мікроелектроніки. Мікроелектроніку четвертого періоду називають схематичної, тому що в складі основних базових елементів можна виділити елементи еквівалентні дискретним електро-радіоелементів і кожної інтегральної мікросхеми відповідає певна принципова електрична схема, як і для електронних вузлів апаратури попередніх поколінь.

6.2.4

Особливе значення для масового виробництва мікросхем представляє метод проектування мікросхем, розроблений Деннардом з фірми IBM. У 1973 р Деннард і його колеги показали, що розміри транзистора можна зменшувати без погіршення його ВАХ (вольт-амперних характеристик). Цей метод проектування отримав назву закон масштабування.

6.3 Етапи розвитку мікроелектроніки

6.3.1

Інтегральні мікросхеми стали називатися мікроелектронні пристрої, що розглядаються як єдиний виріб, що має високу щільність розташування елементів еквівалентних елементів звичайної схеми. Ускладнення, які виконуються мікросхемами функцій, досягається підвищенням ступеня інтеграції.

6.3.2

Розвиток серійного виробництва інтегральних мікросхем йшло ступенями:

1) 1960 - 1969рр. - інтегральні схеми малому ступені інтеграції, 10 ² транзисторів на кристалі розміром 0,25 x 0,5 мм (МІС).

2) 1969 - 1975гг. - інтегральні схеми середнього ступеня інтеграцій, 10 ³ транзисторів на кристалі (СІС).

3) 1975 - 1980рр. - інтегральні схеми з великим ступенем інтеграції, 10 ⁴ транзисторів на кристалі (БІС).

4) 1980 - 1985рр. - інтегральні мікросхеми з понад великим ступенем інтеграції, 10 ⁵ транзисторів на кристалі (НВІС).

5) З 1985р. - інтегральні мікросхеми з ультрабольшой ступенем інтеграції, 10 ⁷ і більше транзисторів на кристалі (УБИС).

6.3.3

Перехід від МІС до УБИС відбувався протягом чверті століття. Як параметр кількісно ілюструє цей процес використовують щорічна зміна числа елементів n розміщуваних на одному кристалі, що відповідає ступеню інтеграції. Згідно із законом Мура число елементів на одній ІС кожні три роки зростає в 4 рази. Найбільш популярні і прибуткові виявилися логічні кристали високої щільності - мікропроцесори фірми Intel і Motorolla.

У 1981- 1982 роках прогрес інтегральних мікросхем НВІС стимулювався наявністю технології літографії (електронно-променева, рентгенівська і на глибокому ультрафіолеті від ексимерного лазера) і наявністю виробничого обладнання. Уже в 1983 р як зазначив Мур (на міжнародній конференції) з огляду на утворення зайвих виробничих потужностей, як в США так і в Азії, прогрес у розвитку мікроелектроніки став визначатися тільки ситуацією на ринку. Так вже в 1985 - 1987 роках 80% всіх ДЗУПВ в США постачає вже Японія, так як їм вдалося вдосконалити технологію і знизити ціни.

6.4 Історія створення мікроелектроніки в СРСР ( "Вісник Далекосхідного відділення РАН", 1993р., 1 номер)

За даними опублікованими в віснику засновником мікроелектроніки в СРСР був Старос Філіп Георгійович. Він народився в 1918 р в передмістя Нью-Йорка, в родині вихідця з Греції Саранта. Закінчив в 1941 р коледж, отримав диплом інженера-електрика, працював в оборонних дослідницьких центрах, а вечорами навчався, щоб здати іспит на ступінь магістра технічних наук. У студентські роки він брав участь в антифашистському русі, вступив в компартію США, був дружний з Розенберг. Коли Розенбергом заарештували, ФБР викликав і Саранта. Після першого ж допиту в ФБР Саранта іммігрував в СРСР змінивши ім'я і прізвище. Так у нас з'явився фахівець - Старос Ф.Г., якого коммандіровалі в Чехославакию головним конструктором військово-технічного інституту. Коли в 1955 р Хрущов взяв курс на науково-технічну революцію, Староса запросили в СРСР і запропонували очолити спеціальну лабораторію, створену в Ленінграді під егідою комітету авіаційної техніки. Уже в 1958 році Старос виступив на закритій нараді провідних працівників електронної промисловості з доповіддю, що містив пропозицію щодо розвитку нової елементної бази, а фактично з програмою створення нової галузі науки і техніки - мікроелектроніки. Ці ідеї знайшли підтримку в верхніх ешелонах влади, і вже в 1959 р Старос отримав можливість створити своє конструкторсько-технологічне бюро (АКТБ). На початку 60-х років там, під керівництвом Староса, була розроблена цифрова керуюча машина (УМ-1) з швидкодією 8 тис. Опер / сек. і тривалістю безвідмовної роботи 250 годин. У ній ще не використовувалися мікросхеми (т.к. Їх надійності в той час була дуже низькою) і активними елементами служили германієві транзистори П15. Однак завдяки сторінкового монтажу вийшла компактна дешева машина. У 1960 році за створення цієї машини Старос отримав державну премію. Найближчий помічник Староса - Іосів Вініаміновіч Берг (в минулому Джоель Берр). Берг після раптової імміграції Саранта поїхав шукати його в Європу і знайшов в Москві, коли той готувався до від'їзду в Прагу. Берр став Бергом.

У 1962 році АКТБ відвідав Хрущов. Йому показали машини УМ-1 і Електроніка-200. Пізніше американські фахівці відзначали, що Електроніка-200 була першим комп'ютером радянського виробництва, який можна вважати добре розробленим і дивно сучасним. Ця машина, на перших радянських інтегральних схемах, була здатна виконувати 40 тис. Операцій в секунду. Хрущов залишився задоволений.

У цей час уже існував держкомітет електронній промисловості працював на оборону і очолював його Олександр Шокін - людина прогресивних поглядів. Він запропонував Староса створити науково-технічний центр електронного профілю в Підмосков'ї (Зеленоград). Старос з жаром узявся за виконання і в лічені тижні підготував детальний план організації комплексу з декількох інститутів і дослідного заводу. План отримав схвалення в верхах і Старос був призначений науковим керівником майбутнього центру.