anlazz (anlazz) wrote,
anlazz
anlazz

Микроэлектроника: взгляд из 1963 года.


Продолжаем листать старые журналы. Вот еще одна статья, из 1963 года. Посвящена, как не странно, тому явлению, которое большинство считает присущим исключительно современности - микроэлектронике. На самом деле, это, как и большинство подобных взглядов, является заблуждением, что и показывает данная статья. Еще раз напомню - в 1963 году с момента изобретения транзистора прошло всего 15 лет. Но полупроводниковая техника не только прочно вошла в жизнь (в том же журнале "Радио" на начало 1960 уже довольно много схем на транзисторах), но и перешла к следующему этапу - переходу от навесного монтажа к микросхемотехнике.

На самом деле в 1962 году уже была выпущена опытная партия первых советских твердотельных микросхем - элемент 2НЕ-ИЛИ. Еще раньше советская промышленность освоила производство так называемых микромодулей - родоначальников будущих гибридных ИС. Так что многое из описываемого в статье являлось в 1963 году уже реальностью. При этом разрыва между Западом и СССР в этой области практически не было - первые ИС появились в США в конце 1961 - начале 1962 года. То есть пресловутая "технологическая отсталость" СССР в области микроэлектроники была мифом. Применение электронных ламп в ряде конструкций (в том числе и ракетно-космической технике) объясняется не "отсталостью", а особенностью условий эксплуатации этого оборудования, в частности, воздействию температур и электромагнитных излучений. В таком случае именно ламповая техника давала лучшие параметры. 

Наконец,  в статье показаны и будущие направления развития полупроводниковой техники, в частности и то, что сейчас называют модным словом "нанотехнологии" и считают прерогативой нынешнего времени. На самом деле еще в 1963 году было понимание, что развитие микроминиатюризации приведет к тому, что оперировать придется, буквально, отдельными атомами. Забавно тут то, что в в 1963 году было понимание, что:
"Роль деталей и даже функциональных элементов в молекулярной электронике будут выполнять квантовомеханические процессы в твердом теле"  Это удивительным образом контрастирует с современным "перенесением" макроскопических конструкций на наноразмеры, с твердой уверенностью в том, что красивые 3D картинки с экранов мониторов могут быть однозначно реализованы в реальных конструкциях.  Кроме того, интересно, что предполагалось и развитие оптоэлектроники, которая потенциально может решать многие задачи гораздо эффективнее электроники обычной.

В общем, статья показывает, что в СССР 1963 года не только успешно развивалась самая современная на тот момент техника, но и делались задумки на еще более высокий уровень, который, во многом, не достигнут даже сейчас.


ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ТЕХНИКА И МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

НАДЕЖНОСТЬ И МИНИАТЮРИЗАЦИЯ.
В 1948 г. был создан первый полупроводниковый прибор – транзистор, способный усиливать и генерировать электрические колебания. Принципы работы полупроводниковых приборов (диода, транзистора) в корне отличаются от принципов работы электровакуумных приборов.

В физической основе работы электровакуумных приборов лежит взаимодействие свободных электронов в вакууме с электрическим и магнитным полями. Для этих приборов является характерным дрейф электронов в сильных электрических полях. Именно поэтому радиолампы требуют подачи на их электроды напряжений в десятки, сотни и даже тысячи вольт. Для обеспечения выхода электронов в вакуум катод обычных радиоламп необходимо нагреть до температуры 700—800 С, затрачивая на это значительную электрическую мощность.

В полупроводниковых приборах используются носители заряда двух знаков: отрицательные (электроны) и положительные (дырки). Распространение этих носителей осуществляется в основном диффузионным путем за счет использования сил хаотического теплового движения зарядов в твердом теле. Носители заряда в полупроводниках имеются в свободном состоянии не только при комнатной температуре, но и при отрицательных температурах до — 100 С и ниже. Поэтому полупроводниковые приборы могут работать без подогрева в широком диапазоне практически встречающихся температур. Эти свойства полупроводниковых приборов дают возможность использовать их при напряжениях в единицы и даже доли вольт при токах в тысячные и миллионные доли ампера. Как прямое следствие снижения токов и напряжений, уменьшаются размеры всех радиодеталей. Отсутствие перегрева позволяет сделать монтаж максимально компактным. Таким образом, появление полупроводниковых приборов открыло возможность миниатюризации радиоэлектронной аппаратуры (рис. 1).

Миниатюризация радиоэлектронной аппаратуры является очень важным, но отнюдь не единственным преимуществом использования полупроводниковых приборов в радиоэлектронной технике. Вторым, крайне важным, преимуществом является и то, что аппаратура на полупроводниковых приборах принципиально более надежна, чем аппаратура на электровакуумных приборах. Повышенная надежность полупроводниковых приборов объясняется те ми же самыми физическими особенностями: использование физических процессов в твердом теле вместо физических процессов в вакууме, отсутствие нити накала и работа при более низких температурах, работа при значительно меньших напря-жениях и токах.

Безусловно, что наряду с крупными преимуществами полупроводниковые приборы обладают и определенными недостатками. К числу этих недостатков относятся ограниченный диапазон рабочих температур: +70 С для германиевых приборов и +120 С для кремниевых приборов и изменение параметров полупроводниковых приборов с изменением температуры окружающей среды. Учитывая, что основная масса полупроводниковых приборов будет использоваться в оборудовании, работающем при относительно невысоких ( +50—60 С) температурах, германий и кремний будут оставаться длительное время основными материалами полупроводниковой техники. Использование новых высокотемпературных материалов (арсенид галлия, карбид кремния и т. п.) позволяет расширить температурный диапазон работы полупроводниковых приборов до 250 —350 С. Однако изменение параметров с изменением температуры остается характерным также и для высокотемпературных приборов.

Эти недостатки полупроводниковых приборов органически связаны с их основными преимуществами. Действительно, поскольку полупроводниковые приборы являются при борами, работающими на «естественном подогреве», изменение температуры окружающей среды неизбежно будет сказываться и на количестве носителей заряда, участвующих в основных физических процессах, и на скорости их передвижения. Однако этот недостаток нельзя считать существенным и серьезно ограничивающим возможности использования полупроводниковых приборов в радиоэлектронике, так как он может быть в значительной степени устранен путем правильного выбора схем применения и использования схемных методов температурной компенсации. К сожалению, следует отметить, что еще далеко не все конструкторы радиоэлектронной аппаратуры полностью и правильно оценивают основные физические особенности полупроводниковых приборов и не реализуют полностью их основных преимуществ. В результате часто остается нереализованным одно из ценнейших свойств полупроводниковых приборов — их способность работать при очень низких напряжениях источников питания. Использование полупроводниковых приборов при повышенных напряжениях, близких к физическим пределам их возможностей, неприятно не только с точки зрения ухудшения энергетических показателей аппаратуры. При этом резко (в десять, сто и более раз) снижается надежность радиоэлектронного оборудования.

Опыт создания электронных управляющих машин на полупроводниковых приборах, работающих при резко пониженном напряжении источников питания, показывает, что можно создавать многоэлементные управляющие машины, период безотказной работы которых исчисляется сотнями часов. В то же время эти же самые полупроводниковые приборы, использованные в режимах, близких к предельно допустимым, с трудом обеспечивают период безотказной работы электронной вычислительной машины порядка 10—20 часов.

Таким образом, полупроводниковые приборы при их правильном использовании дают возможность создавать надежное экономичное малогабаритное электронное оборудование. размещать сложное электронное оборудование на борту космических ракет и космических кораблей.

ТВЕРДЫЕ СХЕМЫ И МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА.

В настоящее время как для схем с электронными лампами, так и для схем с полупроводниковыми приборами наиболее распространенным принципом конструирования является принцип так называемого навесного монтажа. При навесном монтаже схема собирается путем пайки или сварки из отдельных элементов, имеющих проволочные выводы. Резкое уменьшение размеров деталей делает крайне неудобным обращение с ними, вызывает большие сложности при сборке аппаратуры, особенно при компактном монтаже. Возрастают ошибки при сборке и дефекты паяных соединений, что не дает возможности повышать надежность аппаратуры. Возрастает так же и трудоемкость изготовления аппаратуры. С целью упростить сборочные процессы и обеспечить возможность их автоматизации разрабатываются специальные конструкции полупроводниковых приборов, деталей и компонентов: микромодульные, таблеточные и т. д.

Во всех этих случаях мы имеем схемы со сосредоточенными параметрами. Электрическая емкость, сопротивление, диод, транзистор и т. д. выполняются в виде отдельных деталей и элементов.

В ходе развития полупроводниковой техники появилась возможность изготавливать целые схемы (функциональные элементы), равноценные функциональному элементу, собранному из отдельных детален, на одном кристалле полупроводникового вещества. Так, например, в одном кристалле кремния, размерами 4,5 х2х0,3мм можно изготовить функциональный элемент, эквивалентный схеме, содержащей 30-40 деталей: сопротивлении, конденсаторов, диодов и транзисторов. Такие функциональные элементы называются «твердыми схемами». Твердые схемы являются переходными от радиотехнических систем с сосредоточенными параметрами к системам с распределенными параметрами.

Дальнейшей научной проблемой на этом пути является переход к молекулярной электронике или, как ее сокращенно называют, молектронике. В этом случае уже не представляется возможным отобразить устройство молекулярной электроники с помощью эквивалентных радиотехнических схем с сосредоточенными параметрами. Роль деталей и даже функциональных элементов в молекулярной электронике будут выполнять квантовомеханические процессы в твердом теле. Сегодня еще трудно определить более конкретно, какие именно функции будут осуществляться с помощью тех или иных квантовомеханических процессов. Ясно только, что молекулярная электроника — это электроника систем с распределенными параметрами. Привычные для конструктора радиоэлектронной аппаратуры понятия элементов сопротивлений, конденсаторов, транзисторов и т. д., при этом исчезают.

Разработка устройств молекулярной электроники будет начинаться с определения функциональных задач устройства, включать в себя решение ряда задач в области квантовой физики, логики, кристаллографии. химии, полупроводниковой металлургии и заканчиваться созданием устройства, представляющего собой пластинку полупроводникового вещества с перестроенной кристаллической структурой. Решение этих задач связано с проникновением в атомную структуру полупроводникового вещества, с «организованным» размещением в кристаллической решетке отдельных атомов полупроводникового вещества и специальных примесей в том порядке, который обеспечивал бы «координирование» взаимодействия электронных оболочек, отдельных квантов энергии н зарядов.

В молекулярной электронике должен осуществиться переход от использования суммарных, статистических процессов в твердом теле, определяемых результирующим действием несколько упорядоченного потока многих зарядов, к использованию дискретных процессов, одиночных зарядов н квантов энергии.

ТВЕРДЫЕ СХЕМЫ: ПЕРВЫЙ ШАГ В МОЛЕКТРОНИКУ.

Если молекулярную электронику в целом можно назвать техникой будущего, то техника твердых схем это уже техника данной семилетки. Для изготовления твердых схем должны быть использованы наиболее прогрессивные технологические процессы и наиболее чистые материалы, разрабатываемые сегодня для полупроводниковой промышленности.

Все трудности, которые приходится преодолевать при организации серийного производства полупроводниковых приборов, возрастают во много раз при организации производства твердых схем. Действительно. если сегодня при изготовлении сложных полупроводниковых приборов иногда 70 80 процентов приборов имеют отклонение от заданных параметров, то при изготовлении 30—40 элементов (30 40 приборов) на одном кристаллике полупроводника, достаточно испортить часть элементов, чтобы вся твердая схема была погублена. В связи с этим качество исходных материалов, скрупулезное соблюдение технологических процессов, высокая точность поддержания технологических режимов, соблюдение высочайшей гигиены полупроводникового производства, приобретает во много раз большее значение, чем при обычном производстве полупроводниковых приборов.

В то же время для разработки и организации производства современных полупроводниковых приборов требуются исключительно чистые материалы и высокоточные технологические процессы. Для того, чтобы дать самое общее представление о современной полупроводниковой промышленности, приведем следующие примеры.

Чистые полупроводниковые материалы должны иметь не более одного грамма посторонних (случайных) примесей на 10 тысяч тонн основного вещества. Это приблизительно одна капля примеси, растворенная в десяти железнодорожных цистернах воды (рис. 2).

Очень высокие требования предъявляются и к точности построения кристаллической решетки полупроводника. Высококачественные полупроводниковые материалы должны иметь не более одного дефекта кристаллической решетки на 1013 атомов вещества (рис. 5).

Исключительное значение приобретает точность поддержания температуры при термических процессах (десятые доли градуса при температурах 800 1200 С).

Очень чистыми должны быть и газы, применяемые к производстве полупроводниковых приборов. Так, например, в обычном техническом водороде на 5 тонн водорода приходится около 50-70 литров воды. Полупроводниковая техника требует, чтобы влаги было не более наперстка! (рис. 3). Строго регламентируете» также и содержание кислорода в водороде. Оно не должно превышать одной-двух десятитысячных долей процента.

Таких примеров можно привести много, ибо полупроводниковая техника— это техника микроскопических размеров, не имеющих аналогов и механике, и количеств, не имеющих аналогов в аналитической химии.

ОТ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ К МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ.

 Возникает вопрос: является ли целесообразным проведение этих работ, если они связаны со столь значительными трудностями? Безусловно, да. Во-первых, техника твердых схем позволяет резко снизить габариты электронного оборудования по сравнению с тем, что достигнуто в обычной аппаратуре на полупроводниковых приборах. Для сравнения укажем, что в схемах на обычных электровакуумных лампах, типичными представителями которых являются схемы приемников и телевизоров, на сто кубических сантиметров объема приходится приблизительно одна деталь. В аппаратуре на полупроводниковых приборах в обычном конструктивном исполнении, предназначенном для навесного монтажа, одна деталь приходится приблизительно на один кубический сантиметр объема аппаратуры (рис. 4). Многомодульная система монтажа позволяет повысить плотность монтажа приблизительно до 10-20 деталей на кубический сантиметр. Используя твердые схемы, можно довести плотность монтажа до 200-300 деталей на кубический сантиметр и более.

Таким образом, техника твердых схем дает возможность уменьшить габариты электронной аппаратуры в 20-30 тысяч раз по сравнению с обычными ламповыми схемами и в 200-300 раз по сравнению с обычными схемами на полупроводниковых приборах.

Вторым серьезным преимуществом твердых схем является возможность сохранения высокой надежности при увеличении плотности монтажа. Это объясняется тем, что при изготовлении функционального элемента, эквивалентного схеме в 30-40 деталей, отпадает необходимость в большом количестве соединительных элементов и паек.

Безусловно, техника твердых схем должна сегодня считаться основной перспективой развития радиоэлектроники и электронной техники. Однако, вставая на путь развития техники твердых схем нельзя забывать и о дальнейшем развитии тех направлений электронной техники, которые уже стали обычными. С каждым днем перед радиоэлектроникой встают все новые н новые задачи, для решения которых будет необходимо создавать самые различные варианты схем. Эти задачи будут решаться с помощью схем, собираемых из отдельных элементов. В то же время, уже сейчас можно назвать ряд устройств (в первую очередь это относится к вычислительной технике), которые состоят из большого количества однотипных элементов. Такие устройства являются наиболее перспективными для применения твердых схем. Расчеты показывают, что с учетом быстрого развития вычислительной техники, до 75 процентов радиоэлектронной техники может быть выполнено в виде твердых схем.

В связи с этим огромное значение приобретает проведение работ по унификации функциональных элементов с целью выбора минимального их числа при максимальном количестве выполняемых этими элементами функций. Таким образом, в технике твердых схем происходит слияние схемотехники с электронной техникой. Это приводит к появлению нового направления — микроэлектроники и молекулярной электроники. Решение функциональных задач объединяется с решением технологических проблем создания твердой схемы или молектронного устройства. Один и тот же коллектив разработчиков должен решать задачу в комплексе от определения основных функций, выполняемых устройством в целом до конкретных технологических приемов изготовления функциональных элементов. Специалисты в области полупроводниковой технологии должны освоить принципы создания схем и стать специалистами в этой новой области электроники.

Говоря о путях создания микросхем, часто упоминают и такое направление, как пленочная электроника. Иногда даже противопоставляют  технику твердых схем пленочной электронике. В чем же разница между этими двумя направлениями и почему мы выше говорили только о твердых схемах?

Можно сказать, что это два технологических пути решения одной и той же проблемы. В первом случае микросхема создается на базе маленькой  пластинки полупроводникового вещества. Используя ряд таких технологических приемов, как фотолитография, диффузия различных примесей в полупроводник через «окна» в защитных окисных слоях, вплавленне легирующих сплавов и т.д., на кристалле создают ряд электронно-дырочных переходов, представляющих собой диоды и транзисторы. Отдельные объемы кристалла обеспечивают электрическую связь между диодами и транзисторами. Вводя в них локально определенное количество примесей и придавая им ту или иную конфигурацию путем вытравливания в кристалле канавок или сквозных отверстий, можно изменять их электрическое сопротивление в довольно широких пределах. Часть электрических связей, не играющих роли сопротивлений, может выполняться с помощью тонких проволочек, укрепляемых методом термокомпрессии на соединяемых элементах. В качестве связей так же можно использовать и тонкие металлические пленки, напыленные на предварительно нанесенный защитный диэлектрический слой, контактирующий со связываемыми элементами. Роль конденсаторов могут выполнять электронно-дырочные переходы или такие же металлические пленки, напыленные на слой диэлектрика. Таким образом, в технике твердых схем уже сейчас используются элементы пленочной электроники.

В пленочной электронике элементы микросхемы создаются напылением пленок заданной конфигурации на «нейтральную» (диэлектрическую) подложку. Поочередным напылением проводящих, полупроводящих и диэлектрических пленок получают необходимые элементы схемы (конденсаторы, сопротивления и т. д.) и связи между ними.

Наиболее сложной проблемой является при этом создание активных элементов схем: диодов и, особенно, транзисторов. Вследствие этого при изготовлении микросхем часто методами пленочной электроники изготовляют «пассивные» элементы (конденсаторы, сопротивления) и подпаивают к ним диоды и транзисторы, изготовленные обычными методами.

Так как в первом случае вся микросхема представляет собой «кусочек» твердого тела, а во втором случае используют «навесные» активные элементы, только первую микросхему можно назвать «твердой схемой».

Два этих направления в значительной степени перекрываются уже сейчас. Исследования в области пленочных активных элементов, работающих на самых различных принципах, все больше сближают два этих направления. В очень недалеком будущем эти два направления сольются, и микросхема будет представлять собой твердую схему, полученную комбинацией самых различных технологических процессов.

Можно предполагать, что в микросхемотехнике найдут применение не только электрические, но и оптические процессы. Здесь могут быть использованы такие эффекты, как электролюминесценция — способность полупроводниковых кристаллов преобразовывать электрические сигналы в световые, и фотоэффекты, позволяющие преобразовать световые сигналы обратно в электрические. Для связи между излучателем и приемником может быть использована волоконная оптика, основанная на распространении световых колебаний вдоль тонких прозрачных волокон. Эффект полного внутреннего отражения не допускает излучения световой энергии с боковых поверхностей образца. Световой поток оказывается как бы заключенным в своеобразную «трубку» и «течет» по ней, следуя всем ее изгибам.

Применение оптических процессов в электронике получило сейчас название «оптоэлектроники». В качестве одного из ожидаемых преимуществ применения оптоэлектроники в микросхемотехнике укажем нечувствительность оптических связей к электрическим помехам. При крайне малых рабочих уровнях мощности это преимущество может оказаться очень существенным.

Отсюда можно сделать заключение, что микроэлектроника и молекулярная электроника развиваются на базе последних открытий в области физики твердого тела и полупроводниковой электроники и используют для создания микросхем самые совершенные и самые точные технологические приемы и процессы. Именно это направление является будущим, ближайшей перспективой развития электронной техники и радиоэлектроники.

Tags: СССР, листая старые журналы, наука, техника
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 0 comments