Кристаллик детектора это, пожалуй, самый первый полупроводник, нашедший
широкое практическое применение. В ту пору, когда появились первые
детекторы, они были еще очень несовершенны. Подчас больших трудов
стоило найти чувствительную точку. Пружинка с нее то и дело
соскакивала. Приходилось снова и снова налаживать приемник. Много
изобретательности приложили инженеры, чтобы улучшить детектор.
Рождение полупроводникового диода.
Важными явились работы немецкого физика К.Ф.Брауна по исследованию
проводимости целого ряда полупроводников, сернистого цинка, перекиси
свинца, карборунда и других, проведенные в течении 1906г. В результате
исследований была обнаружена односторонняя проводимость
полупроводников. Это послужило толчком к созданию кристаллического
детектора только не К.Ф. Брауном, а американским генералом Х.Дамвуди
(H.H.Dunwody) в том же 1906 г. Нобелевская речь К.Ф.Брауна называлась
"Мои работы по беспроволочной телеграфии и электрооптике”. Впоследствии
она была издана отдельной книгой в России, в Одессе в 1910г.
На некоторое время кристаллический детектор уступил свое место в
радиоприемнике электронной лампе. Двухэлектродная лампа, используемая
для преобразования токов высокой частоты в токи звуковой (низкой)
частоты, в радиоприемной и измерительной аппаратуре носит название
диод-детектор. Широкое внедрение в радиотехнику электронных ламп не
остановило исследований по совершенствованию кристаллических
детекторов. В 1919 году совершенствованием детектора увлекся молодой
радиолюбитель Олег Владимирович Лосев. Мечтая посвятить жизнь
радиотехнике, он начал с того, что еще совсем юным поступил рассыльным
на первую в нашей стране Нижегородскую радиолабораторию. Здесь заметили
любознательного и талантливого юношу. Сотрудники лаборатории помогли
ему пополнить образование, и вскоре Лосев приступил к самостоятельной
научной работе. В феврале 1922 г. 19-летний научный сотрудник
Нижегородской лаборатории Олег Лосев результате целенаправленного
исследования обнаружил короткий подающий участок вольтамперной
характеристики кристаллического детектора, используя который, можно
приводить к самовозбуждению колебательный контур. Он сконструировал
радиоприемник с генерирующим кристаллом, названный 'Кристадином', что
означало кристаллический гетеродин. В детекторе этого приемника
использовалось пара 'цинкит - угольная нить', на которую подавалось
постоянное напряжение порядка 10В. Он установил, что основным условием
генерирования и усиления такой пары есть отрицательное сопротивление
контактной пары детектора. Позже вместо цинкита стали использовать
галенит. Для того времени открытие Лосева было очень важным. Ведь
обычный детекторный приемник давал возможность слушать лишь близкие
станции. Дальний прием, особенно в городах, где много помех и трудно
устроить высокую и длинную антенну, оказывался практически невозможным.
Лосев сразу же опубликовал свои открытия, не запатентовав их, не требуя
за них никакого денежного вознаграждения. Во многих странах
радиолюбители принялись строить приемники по его схемам.
9 марта 1927 г. О.Лосев сообщил о результатах исследований детекторной
пары «карборунд-стальная игла». Он обнаружил слабое свечение на стыке
исследуемой поры разнородных материалов при прохождении через нее тока.
Характеристики свечения, отмеченные им в то время, сегодня являются
важнейшими для современных светодиодов, индикаторов, оптронов и
излучателей инфракрасного света. Только после освоения производство
полупроводников началось использование эффекта свечения О.Лосева.
Прошло более 30 лет, прежде чем кристаллический детектор вернулся на
свое место. За это время были выяснены принципы работы полупроводников
и наложено их производство. Сейчас промышленность выпускает большой
ассортимент кристаллических детекторов, по современной классификации
они носят название полупроводниковых точечных диодов. При их
изготовлении используют метод электрической формовки, т.е. мощные
кратковременные импульсы токов пропускают через точечный контакт. При
этом контакт разогревается, о кончик иглы сплавляется с
полупроводником, обеспечивая механическую прочность. В области контакта
образуется маленький полусферический р-п-переход. Такие диоды имеют
устойчивые электрические параметры. Так как в настоящее время ламповые
диоды используются очень редко и наибольшее распространение получили
полупроводники, то полупроводниковые диоды называют просто диодами.
Сравнение вольтамперных характеристик вакуумного и полупроводникового
диодов показывает, что в области прямого напряжения характеристика
полупроводникового диода напоминает ламповую. Разница лишь в том, что
один и тот же ток для полупроводникового диода получается при
значительно меньших напряжениях. Это и является преимуществом
полупроводниковых диодов при использовании их в выпрямителях.
Недостаток полупроводникового диода - наличие обратного тока, хотя и
небольшого по сравнению с прямым током. Диоды, используемые в схемах
выпрямления, называют также вентилями. В 1926 г. был предложен
полупроводниковый выпрямитель переменного тока из закиси меди. Позднее
появились выпрямители из селена и сернистой меди.
1947 год. В современном понимании полупроводниковая техника стала
бурно развиваться в середине XX века.
Многие выдающиеся ученые внесли свой вклад в данное направление, однако
создателями первого транзистоа, в 1947 году,
стали американцы Дж. Бардин, У. Бреттейн и У. Шокли. Их открытие стало
началом полупроводниковой эры, родившей огромное количество типов
диодов и транзисторов, а позднее - интегральных микросхем.
1948-1950 годы. Не только в США, но и в других странах шли научные
исследования в области полупроводников. Так физик В.Е.Лошкарев еще в
1946 году открыл
биполярную диффузию неравновесных носителей тока в
полупроводниках.Разработка инженером А.В.Красиловым и его группой
германиевых диодов для
радиолокационных станций. Во Фрязино (Моск. обл.) в НИИ-160 (НИИ
"Исток"). А.В.Красиловым и С.Г.Мадоян впервые наблюдался транзисторный
эффект. Создатели
отечественного транзистора А.В.Красилов и С.Г.Мадоян опубликовали
первую в СССР статью о транзисторах под названием "Кристаллический
триод". Лабораторные
образцы германиевых транзисторов были разработаны Б.М.Вулом,
А.В.Ржановым, В.С.Вавиловым и др. (ФИАН), В.М.Тучкевичем,
Д.Н.Наследовым (ЛФТИ),
С.Г.Калашниковым, Н.А.Пениным и др. (ИРЭ АН СССР).
1955 год. Изобретатель транзистора Уильям Шокли (William Shockley)
основал в Санта–Кларе компанию Shockley Semiconductor Laboratories и
привлек
в нее 12 молодых ученых, занимавшихся в разных фирмах германиевыми и
кремниевыми транзисторами. К сожалению коллектив просуществовал не
долго, буквально
через два года 8 ученых покинули компанию.
1956 год.
Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн были удостоены Нобелевской
премии по физике "за исследования полупроводников и открытие
транзисторного эффекта". На церемонии презентации Э.Г. Рудберг, член
Шведской королевской академии наук, назвал их достижение "образцом
предвидения,
остроумия и настойчивости в достижении цели".
1957 год. Ученые, покинувшие компанию Shockley Semiconductor
Laboratories, объединяют личные средства и приступают к разработке
технологии массового
производства кремниевых транзисторов по методу двойной диффузии и
химического травления. Эта технология позволяла одновременно получать
на одной пластине
сразу сотни транзисторов. Имена большинства этих людей стали в
дальнейшем знаковыми для электронной отрасли: Гордон Мур (Gordon E.
Moore),
Шелдон Робертс (C.Sheldon Roberts), Евгений Клайнер (Eugene Kleiner),
Роберт Нойс (Robert N. Noyce), Виктор Гринич (Victor H. Grinich),
Джулиус Бланк (Julius Blank), Джин Хоерни (Jean A. Hoerni) и Джей Ласт
(Jay T. Last). Для серьезной работы собранных средств было совершенно
недостаточно
и тогда в качестве инвестора выступила компания Fairchild Camera and
Instrument и 1 октября 1957 года была основана компания FAIRCHILD
SEMICONDUCTOR.
А уже через полгода FAIRCHILD SEMICONDUCTOR получила первую прибыль -
компания IBM закупила 100 транзисторов по цене $150 за штуку.
1958 год. К тому времени разработками полупроводников независимо
занимались несколько компаний. Ученых объединял один вопрос: "Как в
минимум места
вместить максимум компонентов?". Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor
Corporation и Джек Килби, работающий в Texas Instruments изобрели
практически
идентичную модель интегральной схемы. Разница состояла в том, что Килби
воспользовался германием, а Нойс предпочёл кремний.
1959 год. Роберт Нойс и Джек Килби отдельно друг от друга получили
патенты на свои изобретения — началось противостояние двух компаний,
которое закончилось мирным договором и созданием совместной лицензии на
производство чипов.
60-е годы. Fairchild Semiconductor Corporation пустила чипы в свободную
продажу, их сразу стали использовать в производстве калькуляторов и
компьютеров вместо отдельных транзисторов, что позволило значительно
уменьшить размер и увеличить производительность. Вообще, начало 60-х
это сильный
подъем в полупроводниковой отрасли. Многие инженеры и ученые, стоявшие
у истоков создания полупроводников начинают основывать собственные
фирмы.
Так Джин Хоерни, Евгений Клайнер, Джей Ласт и Шелдон Робертс в 1961
году основали компанию Amelco, из которой в последствии «выросли»
Intersil, Maxim
и Ixys. В 1967 Чарли Спорк уходит в National Semiconductor. В 1968 году
Гордон Мур и Роберт Нойс основали Intel. В том же году Виктор Гринич
основывает
собственную компанию Escort Memory Systems.
В СССР в 1963 году создан Центр микроэлектроники в г. Зеленограде.
Инженер Ф.А.Щиголь разработал планарный транзистор 2Т312 и его
бескорпусной аналог 2Т319,
ставший основным активным элементом гибридных схем. В 1964 году на
заводе "Ангстрем" при НИИ точной технологии созданы первые интегральные
схемы ИС-"Тропа"
с 20 элементами на кристалле, выполняющие функцию транзисторной логики
с резистивными связями. В НИИМЭ в Зеленограде создана технология и
начат выпуск
первых планарных транзисторов "Плоскость". Под руководством Б.В.Малина
в НИИ-35 (ныне НИИ "Пульсар") была создана первая серия кремниевых
интегральных
схем ТС-100 (степень интеграции - 37 элементов на кристалле). В 1966
году в НИИ "Пульсар" начал работать первый экспериментальный цех по
производству
планарных интегральных схем. В НИИМЭ под руководством доктора наук
К.А.Валиева начат выпуск логических и линейных интегральных схем. В
1968 НИИ "Пульсар"
выпустил партию первых гибридных тонкопленочных ИС с планарными
бескорпусными транзисторами типов КД910, КД911, КТ318, предназначенных
для телевидения,
радиовещания и связи. В НИИ МЭ разработаны цифровые и линейные ИС
массового применения (серия 155). В 1969 году физик Ж.И.Алферов
сформулировал и
практически реализовал свои идеи управления электронными и световыми
потоками в классических гетероструктурах на основе системы арсенид
галлия-арсенид
алюминия.
70-е годы.
Последующее десятилетие отметилось дальнейшим ростом рынка электронных
компонентов.
Строились заводы по производству микросхем,
образовывались новые компании. Старые компании постепенно
перепрофилировались в соответствии с новыми требованиями времени,
переходя от производства
ламп к производству полупроводников, номенклатура которых постоянно
расширяется - это аналоговые и цифровые микросхемы, диоды, ВЧ
транзисторы и тиристоры.
Так например, кампания ANALOG DEVICES, начав в 1965 году со штатом в 45
человек, активно развиваясь, к 1974 году увеличила число сотрудников до
894,
а в 1979 году стала публичной, выпустив на рынок свои акции. Компания
MOTOROLA, начиная свой бизнес в 30-х годах с производство автомобильных
радиоприемников, в 1974 году выпускает на рынок микроконтроллер MC6800,
который на долгие годы становится №1 в автомобильной и бытовой
электронике.
Что касается СССР, к сожалению не было развития в сторну массового
производства, однако наука на месте не стояла и к началу 1970 года в
стране насчитывалось
69 серий интегральных схем, из которых 7 серий – по МОП технологии, 32
серии – по биполярной технологии. В 1973 – созданы интегральные схемы
для наручных
часов со степенью интеграции 1500 транзисторов на кристалл размером 2x2
мм2. Под руководством Э.Е Иванова на заводе "Ангстрем" за пять месяцев
был
разработан и выпущен калькулятор на основе собственных БИС, а в 1974
году в научном центре на заводе "Ангстрем" под руководством В.Л.
Дшхуняна созданы
первые отечественные микропроцессоры. В 1975 году организован
промышленный выпуск цифровых ИС серий 100 и 500 с быстродействием 2 нс
для ЭВМ "Эльбрус-2",
создана БИС ЗУ динамического типа емкостью 4 Кбит.К середине 70-х была
достигнута степень интеграции 20 000 транзисторов на кристалл, а к
концу десятилетия
создана первая однокристальная микро-ЭВМ, эквивалентная мини-ЭВМ.
70-е годы были отмечены еще одним знаковым событием. К тому времени
стало очевидно, что при постоянном росте сложности интегральных схем
задача их
промышленной разработки без создания средств компьютерной автоматизации
будет попросту нереализуема. Появились инструменты автоматизации,
которые сейчас
объединены в рамках EDA (Electronic Design Automation). Поначалу они
были представлены средствами CAE (Computer Aided Engineering) - для
разработчика
принципиальных схем и средствами CAD (Computer Aided Design) - для
инженера-конструктора. Самой серьезной проблемой для разработчиков
ранних ИС было
отсутствие возможности создания физического прототипа разрабатываемого
устройства. Ошибки, допущенные при проектировании принципиальной схемы
устройства,
обнаруживались только после изготовления интегральной схемы. При
обнаружении ошибки нужно было менять проект, заново создавать комплект
фотошаблонов и
повторять весь производственный цикл. Для решения этой проблемы в 70-е
годы в университете Беркли (Berkeley), который входил в число лидеров
разработки
средств компьютерного инжиниринга (CAE), была разработана программа
SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis).
Предназначалась она для
моделирования ИС на электрическом уровне и позволяла проверять
правильность работы схемы на уровне виртуальной компьютерной модели.
Эта программа и по сей
день используется для моделирования аналоговых схем. По мере
распространения цифровых схем, для проверки правильности
функционирования стали разрабатывать
и использовать средства логического моделирования. Одной из первых
таких программ была система Hi-Lo.
80 годы. Десятилетие 80-х, несмотря на спад в электронной
промышленности США, также отмечены успехами в этой области. Под
руководством Гордона
Кэмпбелла создается первая 64k (8096х8) EEPROM с единственным
напряжением питания +5 В. 80-е годы стали временем "второй волны" в
мировой электронной
промышленности. Именно тогда появились такие компании как Cypress,
Seeq, Sierra, Maxim, Atmel, Xilinx, Linear Technology "вышедшие" в
большинстве своем
из компаний "первой волны" - NatSemi, Intel, Signetics, AMD.
В Советском Союзе в 1980 году заводом "Микрон" изготовлена 100 000 000
интегральная схема. В 1983 году в НИИМЭ организован промышленный выпуск
базовых
матричных кристаллов БМК И-200 и БМК И-300 для отечественных ЭВМ. В
1984 в НИИТТ был разработан первый персональный компьютер ДВК-1, а на
заводе "Ангстрем"
он стал выпускаться серийно. В 1985 году в НИИМЭ получены тестовые
образцы кристаллов ИС с топологической нормой 0,5 мкм. с использованием
электронно-лучевой литографии. Во второй половине 80-х годов создан
первый 32-разрядный микропроцессор и налажен выпуск СБИС памяти
емкостью 1 М.
Что каксается САПР, то в начале 80-х годов компании Daisy, Valid и
Mentor Graphics разработали свои системы на базе рабочих станций (Sun,
Apollo),
в рамках которых объединялись ввод принципиальной схемы, система
моделирования и средства конструкторского проектирования. Таким
образом,
произошло объединение средств САЕ и CAD. В 1985 году эти фирмы с
большим успехом вышли на мировой рынок. Это и было рождением индустрии
EDA.
90 годы. Это десятилетие характеризуется дальнейшим наращиванием
объемов производства полупроводников, происходит все большая степень
интеграции
микросхем. Бурный рост персональной компьютерной техники приводит к
разработкам сложных специализированных устройств. Крупные корпорации
выводят свое
производство в Китай и страны Юго-Восточной Азии. Совсем по-другому
обстоят дела в нашей стране.
Государственное финансирование снизилось до минимума.
Ряд ведущих предприятий электроники - на грани закрытия, другие после
акционирования утратили производственный профиль деятельности.
Эффективно работающие
предприятия составляют всего несколько процентов от общего количества.
К середине 90-х годов российская электроника имела годовые объемы
вложений 150 млн.
долларов, а мировой рынок оценивается в 210 млрд. долларов. В России
только на заводах "Ангстрем" и "Микрон" в Зеленограде можно производить
СБИС с
топологической нормой 1,2 мкм. В 1997 Правительством создана
холдинговая компания "Российская электроника", в которую вошли 32
предприятия и
научно-исследовательских институтов бывшей электронной промышленности.
На заводе "Микрон" введена производственная линия по выпуску СБИС с
проектными
нормами 0,8 мкм. на пластинах 150 мм. В НИИМЭ разработана элементная
база БиКМОП ИС на основе самосовмещенной технологии. В 1998 году на СП
"Корона" начато
промышленное производство СБИС на пластинах кремния диаметром 150 мм с
топологическими нормами 0,8 мкм. И пожалуй самое замечательное событие
произошло
на порого нового тысячелетия. В 2000 году академик Ж.И.Алферов удостоен
Нобелевской премии, за исследования начатые еще в 1970 году - за
основополагающие
работы в области информационных и коммуникационных технологий, в
частности за открытие явления суперинжекции в гетероструктурах,
открытие идеальных
гетероструктур арсенид алюминия-арсенид галлия, создание
полупроводниковых лазеров на двойных гетероструктурах, создание первых
биполярных
гетеротранзисторов, солнечных батарей на гетероструктурах.
В настоящее время главенствует направление микроминиатюризации
полупроводниковых приборов. Последние достижения таковы: в США, в 2006
году
создан транзистор из одиночной молекулы углерода. И уже в том же, 2006
году, ученым из IBM удалось впервые в мире создать полнофункциональную
интегральную микросхему на основе углеродной нанотрубки, способную
работать на терагерцевых частотах. Вполне вероятно, что развитие
наноэлектроники будет
сваязано с сопоставимой по масштабу оптимизацией, аналогичной
уменьшению микроэлектронной компонентной базы в 60-е годы минувшего
столетия. В будущем, на основе интегрированных наноэлектронных чипов возникнет
совершенно новая элементная база, которая будет отличаться высокой
компактностью,
низким энергопотреблением и невиданным ранее быстродействием.
|