книги из ГПНТБ / Федотов, Я. А. Инженер электронной техники

«Meet физико-химической подготовки, не владёеФ ФекниЧёСкНми средствами... Короче говоря, он знает, что блоху надо подковать, но не знает, как к этому делу подступиться. Инже­ неру же электронной техники, овладевшему н а ч а л а м и вычислительной техники, эта задача не готовит неразрешимых трудностей, особенно если он будет работать в тесном кон­ такте со специалистом по вычислительной технике.

Аналогичное положение складывается не только в вычис­ лительной технике, которую мы использовали в качестве наи­ более типичного примера, но и в радиолокации, связи, авто­ матике, бытовой электронике и т. д. Везде мало-помалу начи­ нают разрабатываться типовые решения, позволяющие осу­ ществить переход к интегральной электронике.

Создание сложного радиоэлектронного комплекса вклю­ чает сегодня следующий круг задач:

—задачи системотехники (разработка функциональной схемы комплекса вплоть до неделимого элемента; постановка задачи создания комплекса неделимых элементов, если нет возможности использовать уже имеющиеся типовые решения);

—задачи схемотехники (разработка схемы неделимого элемента и увязка этой схемы с технологическими и физиче­ скими возможностями);

—разработка конструкции (топологии) и принципов изготовления (технологии) неделимого элемента;

—сборка узлов комплекса из неделимых элементов. Получается, что для создания любого электронного ком­

плекса третьего поколения в принципе необходимы (но не достаточны, естественно) специалисты двух профилей:

1.Специалисты с хорошей подготовкой в области радио­ электроники, промэлектроники, автоматики, вычислительной техники, способные решать задачи системотехники и схемо­ техники, имеющие общее представление о технологических средствах микроэлектроники.

2.Специалисты с хорошей подготовкой в области физики полупроводников, теории полупроводниковых приборов, физи­ ческой химии, кристаллографии, методов создания и иссле­

50

дования полупроводниковых структур, имеющие достаточно хорошее представление о схемотехнике, по крайней мере на уровне неделимого элемента. Это и есть инженеры электрон­ ной техники.

На неделимом элементе эти две группы специалистов «стыкуются»: одни его создают, другие используют. Таковы пути, ведущие нас в глубь автоматики, радиоэлектроники, ки­ бернетики ...

Фундамент современной кибернетики

и красная. Нажатием на зеленую кнопку система включалась, нажатием на белую кнопку переводилась в режим поиска неприятельской ракеты, нажатием на красную кнопку ракета уничтожалась на расстоянии. Когда же изобретателя спроси­ ли, а каким образом это все осуществляется, он ответил, по­ жав плечами: «Это уже дело техники. А мое дело было пред­ ложить идею...».

Емкость неделимого элемента с каждым днем увеличи­ вается: он принимает на себя все большее количество функ­ ций. Вероятно, и дальше все новый и новый круг задач будет уходить из сферы системотехники и переходить в сферу не­ делимого элемента. В конечном итоге можно себе предста­ вить, что к трем кнопкам присоединено три неделимых эле­ мента. И тогда «дело техники» — это дело создания соответ­ ствующих неделимых элементов ...

Естественно, три кнопки — это утрировано. В схемотех­ нике, например, в методах и принципах обработки информа­ ции много своих сложных и интересных задач. Однако утри­ ровать, гиперболизировать можно лишь нечто реальное...

Нуль, ведь, во сколько раз ни увеличивай, больше нуля не получишь...

Перейдем к цифрам. Еще и сейчас в эксплуатации нахо­ дятся ламповые ЭВМ с числом ламп меньше тысячи (700—900). Это наиболее типичные представители ЭВМ пер­ вого поколения. Большие электронные счетные машины пер­ вого поколения насчитывали несколько тысяч ламп. Первые неделимые элементы третьего поколения ЭВМ насчитывают от 10 до 50 эквивалентных лампе элементов. Число этих экви­ валентов лампы в неделимом элементе непрерывно растет и начинает исчисляться уже сотнями и даже тысячами.

Заговорили о четвертом поколении ЭВМ как о поколении высокой степени интеграции, о сверхбольших интегральных схемах. Уже сегодня имеются неделимые элементы с числом «ламп», не только превышающим число ламп в типичной ЭВМ первого поколения, но и приближающимся к их числу в уникальных ЭВМ первого поколения.

Наращивая плотность элементов в неделимом элементе, интегральная электроника переходит к «симбиозу» гибридных и монолитных схем, к сложным гибридным схемам, в которых в один корпус запаиваются не несколько кристалликов дис­ кретных диодов и транзисторов, а несколько кристаллов мо­ нолитных схем. Получаются многокристальные гибридные БИС и СБИС.

В нормальных технологических процессах изготовления дискретных приборов (при малых коэффициентах использо­ вания!) на одной пластине диаметром 35 мм сегодня выпол­ няется около 1500 дискретных транзисторов. В принципе же на пластине этого диаметра имеющимися в настоящее время наиболее точными методами можно создать до миллиона дио­ дов и транзисторов.

Сейчас еще трудно говорить о том, что все эти диоды и транзисторы образуют единую интегральную схему. Этого пока не допускают современные оптические системы. Высокую разрешающую способность в 1—2 мкм удается пока получать на полях диаметром не более 5—8 мм. В результате на кри­

52

сталле площадью в 30—36 мм2 можно создавать интегральные схемы с 10—20 тысячами транзисторов.

держащих 65 000 элементов на одном кристалле.

Вычертить схему — это значит нанести на лист бумаги ряд точек, соединенных между собой отрезками прямых или дуг. Каждая точка должна иметь на чертеже вполне опреде­ ленные координаты. Число координатных точек на больших интегральных схемах составляет несколько сотен тысяч и начинает приближаться к миллиону. Спроектировать такую схему вручную становится просто невозможно: слишком ве­ лика вероятность ошибки и слишком сложно ее обнаружить. Проектирование таких систем ведется с помощью ЭВМ, в памяти которых хранится набор самых различных типовых решений отдельных узлов схемы, транзисторов, проверенных «на технологическую совместимость», и т. д. Результаты рас­ четов, проведенных ЭВМ, передаются на фотонаборную ма­ шину, «комплектующую» прототип того или иного фотошабло­ на. «Продукцией» цикла машинного проектирования является комплект фотошаблонов и технологических режимов. Так создаются БИС.

Если предположить, что в одном корпусе гибридной схе­ мы можно разместить несколько интегральных монолитных схем, то мы получим неделимый элемент, содержащий не­ сколько тысяч диодов, транзисторов и т. д. Этот неделимый элемент по «насыщенности» оставляет далеко позади даже многие ЭВМ второго поколения. В пересчете же к обычным ЭВМ первого поколения неделимый элемент третьего поколе­ ния уже сегодня свободно вмещает в себя одну-две ЭВМ первого поколения.

У истоков технических основ кибернетики стоят, таким образом, создатели неделимого элемента — основы основ лю­

53

бого электронного комплекса — инженеры электронной тех­ ники.

Итак, когда на землю падают спелые желуди кибернети­ ки, то мы знаем, что выросли они на корнях полупроводнико­ вой электроники.

Кибернетика, физика или технология!

Мы, пожалуй, немного увлеклись проблемами разви­ тия вычислительной техники и кибернетики. Может создаться впечатление, что это-то и есть основное содержание профес­ сии инженера электронной техники. Отнюдь нет... Мы хотели всего лишь показать, насколько широкий кругозор требуется инженеру электронной техники, особенно если он хочет стать исследователем, создателем новых приборов и элементов.

Вернемся к -неделимому элементу — дискретному полупро­ водниковому прибору второго поколения и интегральной схе­ ме третьего (или четвертого) поколения. Мы установили сле­ дующее:

—без развития электронной техники, и особенно без быстрого развития полупроводниковой техники, невозможен прогресс в науке и технике вообще;

—это очень сложная техника, техника микроразмеров и микроколичеств;

—это техника, базирующаяся на структурообразовании.. требующая хорошего знания физико-химических основ структурообразования: физической химии, кристаллографии, физи­ ческого материаловедения и т. д.;

—это техника, требующая широкого кругозора и осо­ бенно знаний в области электроники.

Мы еще ничего не сказали о физике — не всегда о самом важном говорят вначале. Иногда целесообразно самое важное оставить и на конец. Мы рассмотрели проблемы структурообразования с точки зрения точности и сложности методов

получения микроструктур в объеме кристалла полупроводника. Л что представляют собой эти структуры? Какие процессы происходят в них? Почему они должны быть такими, а не

64

иными? И вообще, какими должны быть структуры^ Ответы на эти вопросы дает теория полупроводниковых приборов. Поскольку полупроводниковый прибор — сложная полупро­ водниковая структура, то теория прибора — это теория физи­ ческих процессов в сложных полупроводниковых структурах.

Если в основе принципов действия предшественников по­ лупроводниковых приборов — электровакуумных приборов — лежало взаимодействие электронов с электрическими и маг­ нитными полями в вакууме, то в основе принципа действия полупроводниковых приборов лежит взаимодействие электро­ нов с электрическими и магнитными полями в твердом теле.

Физически это более сложная задача, поскольку заряды взаимодействуют не только с наложенными извне полями, но и с кристаллической решеткой вещества, характеризующейся периодическим потенциалом, с атомами примесей, с другими дефектами кристаллической решетки. Особенно сложными, интересными и важными являются физические процессы на границе раздела двух сред: полупроводника и диэлектрика, полупроводника и металла, металла и диэлектрика, а также на границе «встречи» двух кристаллических решеток двух различных полупроводников.

Физика полупроводников, основанная на теоретической физике, физике твердого тела и квантовой механике, рассма­ тривает в основном все виды физических процессов в одно­ родных объемах полупроводника и частично процессы на пло­ ских бесконечных границах раздела двух полубесконечных объемов разных сред.

Она подводит нас, таким образом, вплотную к изучению физических процессов в сложных полупроводниковых струк­ турах, образованных неоднородными по свойствам и конеч­ ными по размерам объемами крайне малой величины.

Естественно, что не любая сложная структура будет обладать свойствами, которые можно будет практически использовать. Теория полупроводниковых приборов из всех видов физических процессов в полупроводниках и из всех возможных видов полупроводниковых структур выбирает для

55

йзученйя в первую очередь te, которые уже сегодня находят или могут найти практическое применение.

Таким образом, физика полупроводников и ее естествен­ ное развитие — теория полупроводниковых приборов — и со­ ставляют, собственно говоря, физико-теоретические основы полупроводниковой электроники. Их задачей является изуче­ ние электрических, магнитных, тепловых, механических и оптических эффектов, возникающих в результате взаимодей­ ствия электрических зарядов, перемещающихся в твердом теле, с периодическим потенциалом кристаллической решетки и с приложенными извне электрическими и магнитными поля­ ми, механическими нагрузками, излучениями всех видов и гра­ диентами температуры.

На базе названных выше эффектов создается огромное количество самых различных по принципам действия и назна­ чению полупроводниковых приборов. Самый широкий класс среди них представляют полупроводниковые приборы, преоб­ разующие одни электрические сигналы в другие электрические сигналы. В эту группу входят, например, сотни разновидно­ стей диодов и транзисторов, объединяющих около 100 000 про­ мышленных типов приборов мировой номенклатуры. На этих приборах, образно говоря, держится вся электроника, авто­ матика, вычислительная техника, связь и т. д.

Трудно выбрать то, что необходимо сказать об этом клас­

много места. Тем не менее, попытаемся кратко охарактеризо­ вать этот класс приборов.

Прежде всего разделим приборы по назначению и выпол­ няемым ими функциям:

1. Приборы для усиления электрических колебаний; ш рокая номенклатура диодов и транзисторов, отличающихся по принципу действия (полевые и биполярные транзисторы), кон­ струкции и технологии (сплавные, мезапланарные, планарные, эпипланарные и т. д.), материалам (германий, кремний, арсе­ нид галлия), частотному диапазону (от единиц герц до

56

единиц и десятков гигагерц, т. е. 109 Гц), по чувствительно­ сти, входным сопротивлениям, отдаваемой мощности, линей­ ности характеристик, и многим другим свойствам и пара­ метрам.

2. Приборы для генерирования электрических колебаний различной формы, мощности и частоты; тоже множество дио­ дов и транзисторов и тоже различающихся по принципам действия (диод Ганна, лавинно-пролетный диод, туннельный диод, биполярный транзистор, полевой транзистор), по кон­ струкции, технологии, материалам и параметрам.

3. Приборы для преобразования электрических сигналов; в первую очередь выпрямительные приборы — от сверхвысоко­ частотного диода до силового выпрямителя, приборы, выпрям­ ляющие колебания электромагнитного поля частотой от 50 до 50-109 Гц и выше и мощностью сигналов от 10-12 до 104 Вт и выше.

Все эти типы приборов разделяются по материалам: от наиболее старого полупроводникового материала селена до наиболее новых и наименее изученных многочисленных соеди­ нений, двойных и тройных, состоящих из элементов II, III, IV, V и VI групп периодической системы Менделеева. Самым распространенным полупроводниковым материалом (как по числу изготавливаемых из него приборов, так и по количеству тонн его, потребляемому в мировой практике) является сегод­ ня кремний. Вторым за ним идет германий.

Этот самый большой класс (первые три пункта) полупро­ водниковых приборов вмещает в себя по грубой оценке около 98% всего количества полупроводниковых приборов, посту­ пающих на мировой рынок. Приблизительно то же получится,

Оптоэлектроникой называют область электроники, занимаю­ щуюся преобразованием световых сигналов, несущих инфор­ мацию, в электрические и наоборот. Сюда не следовало бы включать солнечные батареи — важнейшие устройства, пре­

57

образующие непосредственно солнечную энергию в электриче­ скую и наоборот с коэффициентом преобразования практиче­ ски от 7 до 15%. Солнечные батареи успешно снабжали энергией электронное оборудование ряда искусственных спут­ ников Земли и межпланетных станций, приводили в действие ходовую часть «Лунохода-1», обеспечивали энергией передачу информации на миллионы километров с автоматических стан­ ций, исследовавших Венеру. Чтобы не выделять эти приборы в особый класс и учитывая общность принципов действия, мы их также введем в класс оптоэлектрониых приборов наряду с фоторезисторами, фотодиодами и фототранзисторами.

Названные выше типы приборов принадлежат к катего­ рии фотоприемников. К оптоэлектронным устройствам отно­ сятся также и самые разнообразные виды излучателей: свето­ диоды, индикаторы на светодиодном принципе и источники

которые виды фотоприемников, регистрирующих наличие или отсутствие освещения или реагирующих на его заданный уровень, следовало бы отнести к этой категории. Сюда войдут датчики излучений, датчики температуры, датчики магнитных

непосредственно в электрическую, и полупроводниковые холо­ дильники.

7. Нам осталось назвать последний и самый широкий класс изделий полупроводниковой электроники, достаточно подробно рассмотренный нами выше, — интегральные полу­ проводниковые приборы, или приборы микроэлектроники.

Таким образом, «полупроводниковая электроника» — это очень емкое понятие. В него входят и основы всей современ­ ной электроники, и основы оптоэлектроники, в том числе по­ лупроводниковые лазеры, и очень многое другое. И все это

53