1.2. Исторический обзор основных этапов развития электроники

Обобщённо в историческом плане элементная база электронной техники прошла несколько этапов в своём развитии:

Первое поколение (с начала столетия) - электронные лампы, электроваку­умные и ионные приборы.

Второе поколение (с 30-х годов и особенно с 1948 года, года изобретения транзистора) - эра дискретных полупроводниковых приборов.

Третье поколение (с первой половины 60-х годов) - интегральные микро­схемы, составляющие основу микроэлектроники.

Четвёртое поколение (с 70-х годов) - функциональные приборы и узлы (в частности, микропроцессор).

Несмотря на блестящие успехи, к 30-м годам нашего столетия вакуумная электроника начала себя исчерпывать, так как она уже не могла справиться с существенным усложнением требований и задач, стоящих перед наукой и тех­никой.

К тому времени развитие физической теории полупроводников давно уже подготовило бурный старт полупроводниковой электроники. Но этот скачок несколько задержался, так как ещё отставала, с одной стороны, технология по­лучения высокочистых материалов и сильна была, с другой стороны, инерция успехов вакуумной электроники, которая, однако, принципиально уже не могла

I

прогрессировать в направлении дальнейшей микроминитюаризации радиоэлек­тронной аппаратуры. К тому же, работы в области полупроводников надолго остановила вторая мировая война.

Ещё в 1922 году российский учёный О.В. Лосев обнаружил эффект уси­ления электрических сигналов на полупроводниках и изобрёл детектор (кри­стадин), используемый в радиоприемниках прямого усиления. В 1925 году в США Юлиус Лилиенфельд разработал серию патентов на конструкцию кри­сталлического усилителя.

В 1935 году Оскар Хейль (Англия) взял патент на полевой триод.

В 1938 году Р. Поль и Р. Хильш предложили способ усиления электриче­ских сигналов в полупроводнике. Эту же идею независимо от них высказал У.Шокли в 1939 году.

Но все эти устройства были лишь аналогами вакуумного триода (те же физические процессы, но перенесенные в твёрдое тело). Использовались ти­пичные для электронных ламп базовые элементы конструкции (анод, катод, сетка) с той лишь разницей, что сопротивление сетки зависело от напряжения смещения.

Лишь в 1948 году американские физики Дж. Бардин, У. Браттейн и У.Шокли предложили и сконструировали точечно-контактный германиевый транзистор.

Этот момент считается началом эры дискретных полупроводниковых приборов, возможности которых не исчерпали себя и поныне.

Все дискретные полупроводниковые приборы классифицируются по ос­новным группам:

• приборы на основе объёмных эффектов: резисторы, фоторезисторы, лазеры с оптической или электронно-лучевой накачкой, генераторы Ганна, дат­ чики Холла, терморезисторы, термоэлементы, тензорезисторы и т.д.

• приборы с одним переходом: диоды, выпрямители, варакторы, стаби­ литроны, туннельные и обращённые диоды, лавинно-пролётные диоды, гетеро­ переходы, однопереходные транзисторы, полевые диоды, диоды Шоттки, оп- троны, фотодиоды, солнечные элементы, инжекционные лазеры, варикапы, тензодиоды, детекторы излучений и проч.

• двух- и многопереходные приборы: транзисторы, диоды Шокли, управляемые диоды, тиристоры, полевые транзисторы, приборы с зарядовой связью, фототранзисторы и др.

Однако уже в 1952 году была высказана гениальная идея, предвещавшая создание интегральной микросхемы и зарождение микроэлектроники. Это сде­лал инженер из Великобритании Джеффри Даммер, который на ежегодной конференции по электронике в г. Вашингтоне сказал буквально следующее: "С появлением транзистора и полупроводниковой техники вообще можно пред­ставить себе электронное оборудование в виде твёрдого блока, не содержащего соединительных проводов. Блок может состоять из слоев изолирующих, прово­дящих, выпрямляющих и усиливающих материалов, в которых определённые участки изготовлены таким образом, чтобы они могли непосредственно выпол­нять электронные функции".

7

Первую в мире интегральную микросхему осенью 1958 года создал Джек Сент Клер Килби в лаборатории фирмы Техаз 1пзпч1тещ.з в процессе разработ­ки слухового аппарата в микромодульном исполнении. Ему и Роберту Нойсу был выдан патент США на изобретение микрочипа. Значимость этого новшест­ва подтвердилась в октябре 2000 года, когда работающим по сей день в США Джеку Килби и Герберту Кремеру, а также российскому учёному Ж.И. Алфёро­ву была присуждена Нобелевская премия.

Таков был старт продолжающегося и поныне третьего этапа развития электроники.

Сейчас под интегральной микросхемой (ИМС) понимают кристалл (обычно кремниевый), в структуре которого в едином технологическом цикле сформи­рованы области, эквивалентные элементам электрической схемы. ИМС пред­ставляет собой единое, конструктивно неразъёмное целое.

Эти элементы делятся на активные (транзисторы и диоды), функциони­рующие благодаря потреблению энергии от внешних источников и выполняю­щие функции усилителей или генераторов, и пассивные (резисторы, конденса­торы, индуктивности), функционирующие без внешних источников питания, сигнал через которые проходит без усиления.

Принципы работы активных и пассивных элементов не отличаются от принципов работы соответствующих дискретных элементов.

С этого момента началось становление и бурное развитие микроэлектро­ники - области электроники, связанной с созданием и эксплуатацией электрон­ных функциональных устройств в микроминиатюрном и интегральном испол­нении. Возникновение микроэлектроники во многом связано с непрерывно ус­ложняющимися функциями электронной аппаратуры, в частности, компьютер­ной, а также с необходимостью повышения её надёжности, уменьшения массы и габаритов.

Показателем сложности и плотности упаковки элементов ИМС является их степень интеграции, определяемая числом элементов (главным образом, транзисторов), входящих в её состав.

ИМС с числом элементов 10-100 условно называют малыми (МИС), 100-1000 - средними (СИС), 1000-10000 - большими (БИС), 10000-100000 - сверх­большими (СБИС), свыше 100000 - гигантскими (ГИС) или ультрасверхболь­шими (УСБИС).

Микроэлектроника прошла несколько последовательных этапов в своём развитии:

1. 50-е годы - уровень малой интеграции (МИС).

2. Первая половина 60-х годов - уровень средней интеграции (СИС) при толщине активной области порядка 100 мкм.

3. Вторая половина 60-х годов - уровень большой интеграции (БИС) при толщине активной области 3-100 мкм.

4. Вторая половина 70-х годов - уровень сверхбольшой интеграции (СБИС) при толщине активной области 1-3 мкм.

5. Современный этап - уровень гигантской интеграции (ГИС) от 100000 до нескольких миллионов транзисторов в одном кристалле при толщине активной области от 1 до 0,15мкм.

Последнее поколение микросхем стимулировано, в основном, развитием микропроцессорной техники. Первый кремниевый микропроцессор был создан в 1972 году Гордоном Муром и Эндрю Грувом, содержал 2300 транзисторов, выполнял 60 тысяч операций в секунду.

Основатель фирмы 1п1е1 Гордон Мур уже тогда предсказал, что каждые 1,5-2 года плотность транзисторов будет удваиваться и, соответственно, будет расти быстродействие компьютеров.

Приведу несколько примеров, которые читатель, безусловно, может по­полнить более свежей информацией.

Микропроцессор пятого поколения ЭВМ (Репйит) содержит 3 млн 300 тыс. транзисторов при быстродействии 166 млн операций в секунду.

Микропроцессор фирмы №х Сап шестого поколения, изготовленный по так называемой "0,35-микронной технологии" содержит уже 6 млн транзисто­ров и обладает быстродействием 250-300 млн. операций в секунду. Микропро­цессор Репйит III фирмы 1п1е1 содержит 7,5 млн транзисторов.

Как мы видим, "закон" Гордона Мура выполняется с поразительной точ­ностью. Согласно этому закону, ожидалось, что к 2000 году в кристалле будет размещаться 100 млн. транзисторов с быстродействием 10¹² команд в секунду.

Это в конечном итоге приведёт к созданию микросхем, позволяющих в несколько тысяч раз превысить плотность информации, используемой в ныне действующих ЭВМ. В частности, как утверждают американские специалисты, это может позволить собрать всю коллекцию Библиотеки Конгресса США (16 млн книг) на диске размером с однопенсовую монету. А главный исполнитель­ный директор компании ГВМ Луи Герстнер ещё в 1995 году сообщал, что по аналогичной технологии в одной из лабораторий МюгозоА разработан оптиче­ский микроскоп, позволяющий увидеть отдельный атом.

Интегральная микроэлектроника сохраняет принцип разработки электри­ческой схемы на основе стандартной теории цепей. А это означает, что дости­жение сверхвысокой степени интеграции ограничивается из-за снижения пока­зателей технологичности, надёжности и экономичности в силу возрастания числа внутренних межсоединений.

Поэтому на нынешнем этапе развития электроники на первый план вы­ступает принцип функциональной интеграции.

Он заключается в том, что необходимая функция микросхемы реализует­ся без применения стандартных активных и пассивных компонентов путём со­вмещения нескольких функций в одном элементе структуры микросхемы одно­временно.

Прогресс, связанный с уменьшением активной области интегральных микросхем, идёт семимильными шагами. В настоящее время уже освоен предел 0,15-0,18 мкм, что повышает ёмкость памяти и быстродействие микропроцес­соров в миллионы раз. К 2010-2012 годам ожидается уменьшение этого предела

до 0,05 мкм, после которого, как мы покажем ниже, должен последовать новый качественный скачок.

Анализируя исторические этапы развития электроники, необходимо иметь в виду, что этот процесс непрерывен и неостановим. Для иллюстрации хотелось бы представить несколько характерных цитат из американского жур­нала Еп§теег, отражающих общественную реакцию на успехи в развитии элек­тронных средств связи, которые приводит С. Зи в первом издании своей книги "Физика полупроводниковых приборов":

1. Вождь племени Белое облако: "Им никогда не заменить дымовые сигналы в качестве самого быстрого средства связи".

2. 50-е годы 19 века: "Телеграф - это последнее, что может быть дос­ тигнуто в области быстрой связи".

3. 20-е годы 20 века: "Получив вакуумную лампу, мы достигли зенита нашего потенциала в области связи".

4. 50-е годы: "Транзисторы - это последняя ступенька на пути к быст­ рым, надёжным средствам связи".

5. 60-е годы: "Интегральные микросхемы - это международная теле­ связь. Они, вероятно, уже не пойдут дальше этого революционирующего нового понятия".

Читатель без особого труда может продолжить этот список примерами достижений последующих этапов развития электроники, но вряд ли он должен быть столько же категоричным в утверждении, что они являются последним словом в этом развитии.