Беседы о физике и технике

8. Полупроводниковая техника

Стоит ли здесь говорить о том, что в целом ряде электрических приборов теперь применяют полупроводники?

Едва ли для кого-нибудь это является открытием.

С первых шагов изучения электрических явлений и применения их на практике использовали материалы двух категорий: проводники и изоляторы.

Были известны и такие материалы, которые по своим свойствам не подходили ни к той, ни к другой категории. Их назвали полупроводниками, хотя с таким же успехом могли назвать и полуизоляторами. Подобными свойствами обладают чистые элементы: кремний, селен, германий, теллур. Такие же свойства имеют оксиды и сплавы некоторых металлов.

Свойства полупроводников были известны давно. Но ни электротехника, ни электроника долгое время не проявляли к ним интереса.

РАССКАЖИТЕ О ПЕРВЫХ ПРИМЕНЕНИЯХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Сначала нашли себе применение некоторые оксиды, в частности два кристалла: цинкит и халькопирит. Было обнаружено (1874), что эти кристаллы обладают чудесным качеством — они могут выпрямлять переменный электрический ток.

В самых первых радиоприемниках для детектирования использовали настоящие полупроводники. Так, А.С.Поповым в 1895 г. был применен порошковый когерер, в котором использовались нелинейные свойства зернистых систем. Однако объяснить, почему только отдельные точки кристалла могли выделять звуковые сигналы и вообще почему эти кристаллы детектировали сигналы, долгое время не удавалось.

В этот период успешно развивалась техника электровакуумных приборов, которые позволяли выпрямлять и усиливать электрические сигналы.

Очень долго ламповые диоды и триоды удовлетворяли запросы всех областей техники. Но по мере перехода в высокочастотный диапазон так называемая паразитная емкость, существующая между катодом и анодом и другими составными элементами вакуумных ламп, оказывала все большее и большее влияние на их работу. Вот тут и вспомнили о кристаллах.

Впрочем, был еще один эпизод, когда кристаллы нашли практическое применение. В 1922 г. сотрудник Нижегородской лаборатории Бонч-Бруевича О. В. Лосев впервые в истории электроники получил усиление без применения ламп. Основой прибора, который Лосев назвал кристодином, был полупроводниковый кристалл.

Американский журнал «Радио Ньюс» и другие называли кристодин «изобретением, делающим эпоху», и предрекали, что кристаллы со временем займут место вакуумных ламп.

Но в те годы этого не случилось. Электронная лампа удовлетворяла запросы, период расцвета вакуумной техники еще только начинался.

Что касается полупроводниковых кристаллов, то наука в то время только приступала к изучению их структуры, а техника еще не могла создать для нужд электроники чистые, лишенные примесей кристаллы.

СНАЧАЛА СТАЛИ ИСПОЛЬЗОВАТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ?

В годы Великой Отечественной войны были разработаны точечные высококачественные и сверхвысококачественные германиевые и кремниевые диоды. Это позволило значительно повысить качество работы радиолокационных станций. В 1942 г. в СССР был начат выпуск полупроводниковых термоэлектрических генераторов для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую. Термогенераторы использовали для питания переносных радиостанций партизанских отрядов.

Создание и производство этих и многих других приборов стало возможным благодаря фундаментальным теоретическим и экспериментальным исследованиям свойств полупроводников, проведенным группой ученых под руководством академика А. Ф. Иоффе, а также учеными Ториката и Йокояма (Япония), К.Брауном (Германия) и Иклзом (Англия). Физики уже понимали, что в кристаллах можно создать ток разной природы: либо поток отрицательных электронов, либо движение «положительных зарядов».

Техники научились получать чистые кристаллы кремния и германия, а затем добавлять в них нужные примеси, создающие n- и р-проводимости.

Чтобы представить себе, чего стоила эта победа, достаточно привести следующие цифры: в кристаллах, употребляемых для создания полупроводниковых приборов, допускается лишь один атом примесей на один миллиард атомов германия или один атом примесей на 1000 миллиардов атомов кремния!

ПОТОМ ПРИШЛА ОЧЕРЕДЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ТРИОДА?

Первый полупроводниковый триод был создан в 1948 г. американскими учеными Д. Бардином и В. Браттейном. В кристалл германия, обладающий n-проводимостью, были впаяны два точечных контакта с р-проводимостью. Впоследствии такие триоды получили название точечных. Первый образец плоскостного триода был создан В. Шокли в 1951 г. (рис. 36).

Рис. 36. Плоскостной (а) и точечный (б) полупроводниковые триоды

Мир оценил значение этих открытий. Нобелевская премия, выданная создателям первых полупроводниковых триодов, ознаменовала этот важный этап. В 50-х годах были разработаны разнообразные типы транзисторов, мощных германиевых и кремниевых выпрямительных диодов, тиристоров, фотодиодов, кремниевых фотоэлементов, туннельных диодов и других полупроводниковых приборов.

Полупроводниковые приборы нашли широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. В настоящее время трудно представить жизнь современного человека без телевидения, радио. В телевизорах, радиоприемниках, магнитофонах и других бытовых приборах нашли широкое применение полупроводниковые приборы.

ГДЕ ПРИМЕНЯЮТ ФОТОДИОДЫ?

Полупроводниковый диод нашел себе применение во множестве областей. Так, фотодиоды используют для преобразования световой энергии в электрический ток. На многих установках и обрабатывающих станках стоят фотодиоды, обеспечивающие безопасность рабочего: стоит лишь по рассеянности протянуть руку в опасную зону, как световой луч прерывается и сигнал фотодиода мгновенно останавливает станок.

Фотодиоды в сочетании с электрическими счетчиками ведут учет изготовленной продукции или количества пассажиров в метро. Они могут вести контроль за некоторыми параметрами изготовляемой продукции. С помощью полупроводниковой техники в настоящее время электроэнергию можно получать непосредственно из различных форм лучистой энергии — радиоактивной или тепловой. Солнечные батареи очень удобны для спутников: в космосе никогда не бывает пасмурно. Если полупроводниковый диод расположить рядом с радиоактивными материалом, получим атомную батарею, которая способна давать электрическую энергию в течение многих лет.

НЕТ ТАКОГО МЕСТА, ГДЕ НЕ ИСПОЛЬЗУЮТ ПОЛУПРОПРОВОДНИКИ?

До изобретения полупроводникового триода физика твердого тела была главным образом теоретической университетской наукой и являлась областью исследований специализированных институтов и лабораторий. На примере стремительного развития исследований полупроводников видно, как могут взаимно обогатить друг друга «чистая» наука и практические разработки. Областей применения полупроводников существует сейчас так много, что даже простой перечень их занял бы много страниц.

Полупроводниками интересуются специалисты множества областей. И не только специалисты. Полупроводники нужны всем. Научно-технический прогресс немыслим без электроники, использующей полупроводниковые приборы. В свою очередь, интенсивное развитие электроники связано с появлением новых разнообразных полупроводниковых приборов и интегральных схем, которые находят широкое применение в автоматике, радиотехнике, телевидении, в измерительной технике, биологии, в вычислительной технике и т. д.

ЧЕМ ЖЕ ОБУСЛОВЛЕН ТАКОЙ ИНТЕРЕС К ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ТЕХНИКЕ?

Главным достоинством полупроводниковых устройств, вызвавшим такой большой интерес практиков, является возможность создания в малом пространстве многофункциональных элементов и целых схем, работающих практически безынерционно. Компактность и быстродействие полупроводников позволили перейти на качественно новый уровень исследований и работы, просто невозможный до «полупроводниковой эры». Яркий тому пример — ЭВМ. Только с использованием в них элементной базы на полупроводниках стали они тем, чем являются сейчас, — подлинным катализатором научно-технического прогресса.

Использование полупроводников позволило уменьшить размеры, а также вес радиоэлектронной аппаратуры в десятки и сотни раз, резко увеличить ее надежность.

При создании полупроводниковых устройств с заданными свойствами можно управлять распределением электроактивных примесей (мышьяка, бора, алюминия и т. д.) в кристаллических решетках чистых кристаллов и тем самым создавать в них микрозоны, выполняющие роль диодов, триодов, конденсаторов, сопротивлений, т. е. размещать всю сложнейшую радиоэлектронную схему в одном миниатюрном кристалле. Когда эта задача будет осуществлена полностью, представится возможность не собирать из отдельных деталей, а, что называется, выращивать целиком электронно-вычислительные машины, телевизоры и средства связи.

Влияние, которое оказала полупроводниковая электроника на столь многие отрасли науки и техники, явилось, как мы уже говорили, прямым результатом появления возможности обработки с ее помощью огромного количества информации любого сорта. На первых этапах автоматизация производства и процессов контроля развивалась медленно из-за опасения, что производство окажется в зависимости от центральной ЭВМ, и из-за высокой стоимости управляющих звеньев.

И ЭТУ СТОИМОСТЬ УДАЕТСЯ ПОНИЗИТЬ?

Непрерывное понижение стоимости одной вычислительной операции достигается путем размещения на одной пластинке кремния все большего числа компонентов — диодов, транзисторов, конденсаторов и резисторов. Этому способствуют развитие физики твердого тела и совершенстование технологических процессов изготовления кремниевых пластин, на некоторых из них сейчас можно разместить больше действующих элементов, чем их содержало самое сложное электронное устройство в 60-е годы. Так, если в 1960 г. монокристалл кремния содержал одну деталь схемы, в 1965 г. — 10, в 1970 г. — 1000, то к 1975 г. — уже 32 000. И если нынешние темпы повышения сложности схем будут сохраняться, то через 20–30 лет могут появиться схемы (из называют интегральными) с числом элементов порядка 10⁹.

При этом стоимость одного монокристалла повышалась весьма умеренно и стоимость одного элемента резко упала. Поэтому легко понять, почему полупроводниковая электроника не только сделала возможным создание очень больших вычислительных машин, но и проникла во многие отрасли народного хозяйства. Это позволило контролировать и собирать информацию даже от отдельных небольших этапов технологического процесса.

ЭТИМ ЗАНИМАЮТСЯ МАЛЫЕ И ПЕРСОНАЛЬНЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ?

Малые компьютеры, скомпонованные, приспособленные и запрограмированные для выполнения конкретных задач, стали теперь повсеместной принадлежностью лабораторий, промышленных предприятий. Однако возможности одного персонального компьютера ограничены. В инженерной практике существуют задачи различной, в том числе и большой, сложности.

Персональный компьютер можно сделать частью вычислительной системы (сети), включающей в себя много компьютеров. Каждый из них будет что-то делать сам, а другие данные получать от других частей системы.

Компьютеризация большинства сфер нашей деятельности — необходимейшая и неотложная задача. Для ее решения нам предстоит ликвидировать так называемую компьютерную неграмотность и научить практически все население страны пользоваться вычислительной техникой.

КАКОВЫ ОСОБЕННОСТИ СОВРЕМЕННОГО ЭТАПА РАЗВИТИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ТЕХНИКИ?

Этот этап характеризуется в нашей стране большим объемом научно-исследовательских и технологических работ, направленных на дальнейшее совершенствование имеющихся и создание новых полупроводниковых приборов.

В последние десятилетия были проведены фундаментальные исследования тонких поликристаллических полупроводниковых пленок. Особенно обещающим является внедрение полупроводниковых пленок, созданных методом облучения подложки в высоком вакууме раздельными атомными и молекулярными пучками от нескольких источников, интенсивность которых позволяет выращивать пленки с заданным составом и свойством.

Такой метод нашел широкое применение при изготовлении полупроводникового материала для специальных диодов — полевых транзисторов, лазеров и интегральных оптических схем.

Современные интегральные схемы отличаются весьма незначительными размерами составных элементов. Дальнейшая миниатюризация включает в себя уменьшение линейных размеров размещенных на пластинке элементов, ширины соединительных линий и диаметров отверстий. Для размещения всех составных элементов на пленке применяют литографический способ. Наиболее употребительная форма литографии — фотолитография, при которой фотоэкспозиция меняет свойств, а светочувствительного вещества пленки. Световая экспозиция, естественно, не может передавать изображение, размеры которого меньше, чем длина волны используемого света. Поэтому еще недавно размеры порядка 1 или 0,5 мкм были крайним пределом размеров микроструктуры интегральной схемы.

В настоящее время в качестве метода, обеспечивающего создание значительно более тонкой структуры схемы, используют электронный или протонно-ионный пучки.

Увеличение плотности элементов на единичной площади монокристаллов приводит к уменьшению времени, необходимого для распространения сигнала от одной цепи к другой. Однако при этом возникают новые сложности. Известно, что каждая схема превращает определенное количество энергии в теплоту. Теплота в конечном итоге должна быть передана какому-то потоку, обычно воде или воздуху, которые выносят ее из системы. При миниатюризации процесс теплоотвода усложняется. Для обеспечения нормального охлаждения монокристаллы должны быть разнесены, но это увеличивает время прохождения сигнала от одного кристалла к другому.

А КАКОВЫ ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЭТОЙ ОТРАСЛИ?

Существует несколько интересных предложений для устранения вышеуказанных проблем. Среди них — переход от полупроводниковой к сверхпроводящей электронике, предполагающий, что работа кремниевых устройств будет происходить при низких температурах (обычно при 77 К), т. е. при температуре кипения жидкого азота.

При низких температурах прежде всего возрастает проводимость. Понижение сопротивления металлов позволит сделать более узкими соединительные линии и снизит, таким образом, пространственные требования.

При низких температурах уменьшается мощность рассеяния энергии. А это значит, что для обеспечения тепло- отвода потребуется меньшая площадь. Еще над одним направлением в совершенствовании полупроводниковой техники работают физики. Это замена кремния и германия полупроводниковыми элементами III и V групп таблицы Менделеева. Подвижность электронов в полупроводниковых элементах этих групп значительно выше, чем в других. Так, в сравнении с кремнием подвижность электронов в них в 20 раз больше. В настоящее время арсенид галлия и фосфид индия уже применяют в микроволновых транзисторах и интегральных микроволновых схемах.

Полупроводниковую технику все шире и шире внедряют во все отрасли народного хозяйства. Особенно это показательно для развития микропроцессорной техники и ЭВМ, которые стали важным и надежным инструментом в организации производства, технологических процессов и в конструировании. Это обусловливает необходимость ускоренного развития малых ЭВМ высокой производительности, а также персональных ЭВМ, которые призваны автоматизировать не только производственные процессы, но сделать более производительными и инженерный труд, и учебный процесс на всех уровнях, и быт людей.