Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Karpenkov / Карпенков, Степан - Концепции современного естествознания

.pdf
Скачиваний:
309
Добавлен:
11.03.2016
Размер:
4.89 Mб
Скачать

бы отнести к промышленным, а не к лабораторным, до сих пор нет. В чем же дело? Все тот же известный диссонанс идейных концепций и элементной базы. Транзистор, интегральная схема, микропроцессор — элементы, в свое время определявшие лицо вычислительной техники и не только параметры конкретных ЭВМ, но и идеологию научно-технического прогресса. Появился лазер — и возникли новые отрасли естествознания: квантовая радиофизика, топография, нелинейная оптика. Хотя идейные основы данных отраслей предложены гораздо раньше, но только лазер дал им жизнь. С применением полупроводниковых лазеров созданы оптические дисковые накопители.

С голографической памятью ситуация, увы, иная. Используемые в лабораторных разработках ее элементы — газовые лазеры, разнообразные оптические затворы и др. — пока еще несовершенны: как правило, они громоздки, недолговечны, сложны в изготовлении и эксплуатации, в них используются разнородные материалы. Приходится констатировать, что элементная база голографической памяти для промышленного производства еще не создана.

Правда, в последнее десятилетие в развитии ряда направлений оптоэлектроники достигнуты определенные успехи, которые косвенно, а иногда и прямо способствуют решению рассмотренной проблемы. Созданы полупроводниковые лазеры с высокой степенью когерентности излучения, позволяющие записывать качественные голограммы. Развивается интегральная оптика, в рамках которой традиционные объемные оптические элементы заменяются тонкопленочными. Например, тонкопленочные оптические затворы могут переключаться напряжением всего в несколько вольт, при этом время переключения менее 1 нс.

Нейронные сети. В 80—90-е годы XX в. прогресс в развитии вычислительной техники многие связывают с созданием искусственных нейронных сетей. Успехи в разработке и использовании нейрокомпьютеров определяются их принципиально новым свойством — возможностью эффективного самообучения в ходе решения наиболее сложных задач. По своей сути нейрокомпьютер является имитацией нейронной сети мозга человека.

Используя терминологию вычислительной техники, можно сказать, что нейрон является бинарной ячейкой. Он может находиться либо в возбужденном, либо в невозбужденном состоянии, которое изменяется в результате взаимодействия с другими нейронами. В нейронной сети полезная информация запоминается не отдельными нейронами, а группами нейронов, их взаимным состоянием. Каждый нейрон в большей или меньшей степени связан примерно с 104 нейронами. Принимая внешнюю информацию и обмениваясь внутри головного мозга, каждый отдельный нейрон имеет возможность последовательно приближаться к принятию в

341

сложной внешней обстановке решения и переходу в нужный момент в нужное (возбужденное либо невозбужденное) состояние. Чем больше объем нейронной сети, тем более сложную задачу можно решить с ее помощью.

К настоящему времени производится моделирование нейронных сетей. Магнитооптические управляемые устройства уже сегодня позволяют сформировать высококачественный массив информации, скорость обработки которого по алгоритму нейронной сети существенно превосходит возможности человеческого мозга.

8.3. МУЛЬТИМЕДИЙНЫЕ СИСТЕМЫ И ВИРТУАЛЬНЫЙ МИР

Мультимедиа — это объединение нескольких каналов передачи информации от машины к человеку: звук, изображение, реже — движение реальных предметов. Подразумевается и обратная связь — действия человека должны напрямую и существенно влиять на ход событий в системе. Разработчики современных мультимедийных систем стремятся к возможно более точному моделированию реальности, созданию виртуального мира, в котором человек мог бы совершать то, что недоступно ему в реальности, и в котором он занимал бы ведущее место. Для этого прилагаются всевозможные усилия. Так, создан специальный шлем, позволяющий улучшить стереофоническое восприятие звука и изображения.

А теперь попытаемся разобраться в диалектике двуединого начала мультимедийной системы. Но прежде вспомним, чем люди занимались долгие тысячелетия по изгнании их за грехи из рая. Они создавали все необходимое для защиты от холода и жары, изобретали средства передвижения по земле, в воде и в воздухе и т.п. В результате вокруг человека формировалась искусственная среда, отделяющая его от реальной природы. Люди стали пренебрегать естественной средой обитания, активно вторгаясь в нее и засоряя ее бытовыми и промышленными отходами. Плата за все это — приближение глобальной экологической катастрофы, предотвращение которой требует региональных и глобальных мер экологической защиты.

Создание искусственной мультимедийной среды с ее альтернативной реальностью — виртуальным миром — влечет за собой подобные последствия. Основная функция искусственной среды, как изначально предполагалось, заключалась в повышении эффективности автоматического управления машинами. Усложнялась конструкция машин, и вместе с этим становились все сложнее устройства управления. В настоящее время создаются устройства управления микроклиматом жилища, различными средствами транспорта и технологическими процессами. Программирование их работы требует знания не только возможностей технических

342

средств управления, их структуры и специфики, но и свойств рецепторного и рефлекторного аппаратов человека, а также психологии восприятия визуальных и акустических образов. Конечно, развитие работ в данном направлении вполне органично вписывается в более общую проблему совершенствования мультимедийных систем — именно в этом их положительное качество.

Стремительный рост информационного потока активизирует защитную реакцию человека, и неосознанно начинает появляться желание избавиться от внешнего информационного воздействия. Люди нашего поколения, как никогда ранее, почувствовали усталость от различного рода политической информации и прежде всего от явных идеологических спекуляций. В этом заключается одна из причин чрезвычайно большой популярности современной аудио- и видеотехники, позволяющей в определенной степени изолироваться от внешнего информационного потока. Не нужно забывать, что многие видео- и аудиосюжеты выбираются из общего идеологического «корыта», заполняемого чаще всего зарубежными «доброжелателями», преследующими вполне определенные политические цели. При этом наиболее удобны мультимедийные игры.

Сущность их заключается в создании для играющего искусственного информационного пространства — от несложных операций укладки кубиков или сбора яиц в лукошко до почти натуральных вылетов на боевых машинах, когда пробуждается присущее каждому человеку естественное желание обогнать, поразить, победить и т.п. Монотонные и однообразные движения и ритмы усыпляют человека, позволяют легко воздействовать на него, гипнотизировать, парализовать его волю и подспудно вдалбливать в его сознание любую (в том числе вредную и опасную!) информацию. Что-то подобное происходит на некоторых кино- и телепредставлениях, дискотеках и концертах с чрезмерно шумной, одурманивающей музыкой.

Отгораживаясь таким образом от реальной жизни людей с ее голодом, холодом, болезнями, войнами, страданиями и оказавшись в виртуальном пространстве, где нажатием кнопки можно взорвать инопланетный космический корабль, сжечь город, наслать повальные болезни, насладиться интимом с «любимым человеком», наконец, быть «убитому» самому игроку в этих виртуальных видео-аудиотактических мирах, человек теряет ощущение реальности жизни. Он начинает пренебрегать реальными информационными потоками, жить своими интересами в выдуманном мире, где ему хорошо и удобно только одному. Такой человек вряд ли сможет восхищаться ранним восходом солнца с его золотистыми, скользящими по земле лучами. Для него окажутся ненужными ни классическая музыка, ни классические произведения искусства и литературы, на кото-

343

рых воспитывались многие поколения людей с высокими нравственными качествами.

В той или иной мере всем понятна опасность и страшная губительная сила ядерного, химического и бактериологического оружия, поражающего тело, но остается пока незамеченным другое оружие также массового поражения, которое поражает душу человека, делая его одиноким и беззащитным в придуманном им виртуальном мире. Следует ли ограничивать новые возможности мультимедийных систем? Конечно, нет. Известно, что нож в руках хирурга — добро, а в руках бандита — зло. Полезно помнить, что мультимедийные системы только при разумном их использовании могут непременно способствовать развитию личности и общества. Наиболее полезное использование мультимедийных систем будет не игровым и развлекательным, а научным и учебным, способствующим упрощению и облегчению сложного процесса познания окружающего мира.

8.4. МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОННАЯ ТЕХНОЛОГИИ

Общие сведения. Характерная особенность современного естествознания — рождение новых, быстро развивающихся наук на базе фундаментальных знаний. К одной из них относится сформировавшаяся в недрах физики микроэлектроника, перерастающая в последнее время в наноэлектронику. У микроэлектроники и наноэлектроники один общий корень — электроника. В современном представлении электроника — наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов и устройств (вакуумных, газоразрядных, полупроводниковых), используемых для передачи, обработки и хранения информации. Возникла она в начале XX в. На ее основе были созданы электровакуумные приборы, в том числе и электронные лампы (диод, триод и т.д.). В 50-х годов XX в. родилась твердотельная электроника, прежде всего полупроводниковая, а в следующем десятилетии родилась микроэлектроника — наиболее перспективное направление электроники, связанное с созданием приборов и устройств в миниатюрном исполнении с использованием групповой (интегральной) технологии.

Основу элементной базы микроэлектроники составляют интегральные схемы, выполняющие заданные функции блоков и узлов электронной аппаратуры, в которых объединено большое число миниатюрных связанных между собой элементов. По мере развития микроэлектроники уменьшаются размеры содержащихся в интегральной схеме элементов, повышается степень интеграции. В последнее время разрабатываются интегральные схемы, размеры элементов которых определяются нанометрами (10-9 м), т.е. зарождается наноэлектроника.

344

Разнообразные микроэлеюронные приборы и устройства находят широкое применение во многих технических средствах. Достижения в микроэлектронике способствовали созданию космических кораблей и управляемых ядерных реакторов. Современная аудио- и видеоаппаратура с достаточно высоким качеством звучания и изображения — это тоже продукция микроэлектроники. На промышленной микроэлектронике базируется автоматизированное производство изделий, узлов, механизмов и машин. Элементная база многочисленных и разнообразных ЭВМ, включающих и персональные компьютеры, также основана на микроэлектронике.

Едва ли можно встретить такого человека, который не был бы прямо или косвенно связан с микроэлектронной аппаратурой, прежде всего как пользователь. Вполне очевидно, что от степени внедрения микроэлектронных средств зависит не только качество производимой продукции, но и темпы развития той или иной промышленной отрасли и государства в целом.

Развитие твердотельной электроники. История развития твердотельной электроники начиналась с возникших и долгое время необъяснимых физических загадок, так называемых «плохих» проводников. Еще в XIX в. выдающийся физик М. Фарадей столкнулся с первой загадкой — с повышением температуры электропроводность исследуемого образца возрастала по экспоненциальному закону, что противоречило известному к тому времени представлению: электрическое сопротивление многих проводников линейно увеличивается с ростом температуры. Спустя некоторое время французский физик А.С. Беккерель обнаружил, что при освещении «плохого» проводника светом возникает электродвижущая сила — фотоЭДС. Так появилась вторая загадка. В 1906 г. немецкий физик К.Ф. Браун (1850—1918) сделал важное открытие: переменный ток, пропущенный через контакт свинца и пирита, не подчиняется закону Ома; более того, свойства контакта определяются величиной и знаком приложенного напряжения. Это была третья физическая загадка.

В дальнейшем к плохим проводникам были отнесены сульфиды и оксиды металлов, кремний, оксид меди и т.п. — вещества, получившие название полупроводников. Выпрямление электрического тока с помощью полупроводников и их фотопроводимость нашли практическое применение: были созданы соответственно твердотельный выпрямитель электрического тока и фотоэлемент. В 1879 г. американский физик Э. Холл (1855—1938) обнаружил новое явление — возникновение электрического поля в тонкой пластине золота с током, помещенной в магнитное поле, — названное эффектом Холла. Такой эффект наблюдается и в полупроводниках. Предполагалось, что направление электрического поля определяют электроны и какие-то неизвестные положительно заря-

345

женные частицы. Эффект Холла — четвертая загадка «плохих» проводников.

Известная к тому времени теория электромагнитного поля Максвелла не смогла объяснить ни одну из четырех загадок. Пока физики искали отгадки, полупроводники находили применение. Так, контакты из полупроводниковых материалов и металла использовались в первых приемниках радиоволн. Кристаллические полупроводниковые детекторы позволяли выпрямлять радиочастотные сигналы, но усиливать их не удавалось.

Изучая свойства кристаллического детектора, наш соотечественник, выдающийся радиоинженер О.В Лосев (1903—1942) обнаружил на вольтамперной характеристике кристалла участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, на основе чего он создал в 1922 г. генерирующий детектор. Это был первый детектор, способный генерировать и усиливать электромагнитные колебания. В нем использовалась контактная пара металлическое острие — полупроводник (кристалл цинкита). Однако хотя открытие О.В. Лосева и вызвало большой интерес, оно не нашло промышленного внедрения, так как 30—40-е годы XX в. были порой расцвета электровакуумных ламп, нашедших широкое применение в различных устройствах радиосвязи. Ненадежные в то время полупроводниковые приборы не могли конкурировать с ними.

Тем не менее исследование свойств полупроводников продолжалось. Предпринимались поиски природных и синтезированных полупроводников. Исследования существенно активизировались после создания зонной теории полупроводников, в соответствии с которой в твердом теле энергетическое состояние электронов характеризуется зонами. В верхней зоне находятся свободные заряды, она названа зоной проводимости. Нижняя зона, в которой заряды связаны, получила название валентной зоны. Между ними расположена запрещенная зона. Если ее ширина велика, то в твердом теле электропроводность отсутствует и оно относится к диэлектрикам. Если же она невелика, то электроны могут возбуждаться различными способами и переходить из валентной зоны в более высокоэнергетическую. Например, при нагревании твердого тела происходит тепловое возбуждение электронов, повышается их энергия и они переходят в зону проводимости; при этом повышается электропроводность твердого тела, а значит, уменьшается его сопротивление. С ростом температуры число возбужденных электронов увеличивается, и как следствие, сопротивление полупроводника падает. Возможен и другой механизм возбуждения электронов и перевод их из валентной зоны в зону проводимости, при котором они становятся свободными под действием света. Таким образом, зонная теория объяснила две первые загадки: почему сопротивление полупроводников падает при нагревании и при освещении.

346

Из анализа электропроводимости полупроводников следовало, что на освободившихся от электронов местах в процессе их перехода в зону проводимости образуются вакансии или дырки, эквивалентные носителям положительного заряда, обладающим подвижностью, эффективной массой и способностью давать вклад в электрический ток с направлением, противоположным току электронов. Выяснилось, что существуют полупроводники с электронным типом проводимости (п-тип), для которых эффект Холла отрицателен, и полупроводники с положительным эффектом Холла, имеющие дырочный тип проводимости (р-тип). Первые названы донорными, вторые — акцепторными.

Вконце 30-х годов XX в. трое ученых-физиков — А. Давыдов (СССР), Н. Мотт (Англия) и В. Шоттки (Германия) — независимо друг от друга предложили теорию контактных явлений, согласно которой в полупроводниках на границе дырочного и электронного типов полупроводников возникает эффективный электронно-дырочный барьер, препятствующий свободному передвижению электронов и дырок. Через такую границу ток проходит только в одном направлении, а ее электрическое сопротивление зависит от величины и направления приложенного напряжения. Если электрическое поле приложено в прямом направлении, высота барьера уменьшается, и наоборот; при этом неосновные носители тока (дырки

вэлектронном полупроводнике и электроны в дырочном) играют определяющую роль.

Врезультате многочисленных экспериментов удалось изготовить образец, включающий границу перехода между двумя типами проводимости. Так впервые был создан p-n-переход, ставший важнейшим элементом современной полупроводниковой электроники, и к сороковым годам удалось разгадать все четыре загадки «плохих» проводников.

Первым твердотельным прибором, для усиления электрического тока, способным работать в устройствах вместо незаменимой в те времена лампы, стал точечный транзистор, в котором два точечных контакта расположены в непосредственной близости друг от друга на верхней поверхности небольшой пластинки кремния n-типа. В конце 1947 г. был испытан первый транзистор. Он позволял усиливать сигнал вплоть до верхней границы звуковых частот более чем в сто раз. В 1956 г. за разработку транзисторов американские физики Д. Бардин (1908—1991), У. Браттейн (1902—1987) и У. Шокли (1910—1989) получили Нобелевскую премию.

Истоки современной микроэлектронной технологии. Совершенствование различных полупроводниковых приборов способствовало развитию микроэлектронных технологий, позволивших создать не только превосходные по качеству и надежности транзисторы, но и интегральные схемы, а затем большие и сверхбольшие интегральные схемы, на базе ко-

347

торых производится разнообразная электронная техника, включая современную аудио- и видеоаппаратуру, быстродействующие ЭВМ и т.п.

Первое промышленное производство полупроводниковых приборов освоено в середине 50-х годов XX в. после разработки технологии зонной очистки для равномерного распределения примесей в кристаллах. В 1955 г. созданы транзисторы со сплавными и p-n-переходами, а затем — дрейфовые и сплавные с диффузией.

Самая первая модификация транзистора — биполярный транзистор — имел форму цилиндра с тремя выводами соответственно от эмиттера (т.е. части транзистора, из которой поступает ток), коллектора (пункта назначения электронов) и от регулирующей части — базы. Будучи своеобразной «заслонкой», база либо способствовала, либо препятствовала потоку электронов.

В1957 г. американский инженер Г. Кремер изобрел и запатентовал гетероструктурный транзистор, состоящий из нескольких слоев полупроводникового материала — соединения галлия с различными присадками. Такой транзистор отличался от биполярного гораздо более высоким быстродействием. Позднее тот же автор предложил идею гетероструктурного лазера. Одновременно и независимо от Г. Кремера эту же идею запатентовали российские ученые Ж. Алферов и Р. Казаринов из Физико-тех- нического института им. А.Ф. Иоффе. В 1970 г. в этом же институте был создан гетероструктурный лазер, способный (в отличие от его аналогов) непрерывно работать при комнатной температуре.

В1958 г. американский инженер Д. Килби предложил конструкцию микросхемы, в которой весь набор электронных элементов в виде слоев различных материалов располагался на одной пластине из германия. Эта конструкция оказалась основополагающей для изготовления интегральных схем с многослойной структурой, включающей множество транзисторов и других элементов, которые компонуются на одной пластине с применением тонкопленочной групповой технологии, заключающейся в последовательном формировании элементов. Интегральные схемы составляют техническую базу информационных технологий. За их разработку группа ученых — Ж.И. Алферов, Г. Кремер и Д. Килби — удостоена Нобелевской премии по физике 2000 г.

По мере освоения тонкопленочной технологии осаждались тонкие пленки не только полупроводниковых, но и других материалов: диэлектриков, магнетиков и т.д. Особенно широко развернулась тонкопленочная индустрия тонких ферромагнитных пленок, позволившая создать многие высокочувствительные преобразователи и приборы. В нашей стране напыление тонких магнитных пленок и их экспериментальное исследование впервые производились в начале 60-х годов XX в. на физическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова в лаборатории известного

348

магнитолога Р.В. Телеснина (1905—1985). Эти первые работы послужили активным началом для многих перспективных направлений исследования физических свойств тонкопленочных ферромагнитных материалов.

При создании современной электронной аппаратуры различного назначения — от аудио- и видеоаппаратуры до сложнейших компьютерных, космических и других систем возникают непростые задачи измерений и контроля. Для решения таких задач на основании предложенных российскими учеными С.Х. Карпенковым и Н.И. Яковлевым магниторезистивных методов измерений созданы принципиально новые высокочувствительные преобразователи и приборы, позволяющие измерять магнитные параметры образцов толщиной до 0,01 мкм и массой менее 0,01 мг, контролировать биотоки в живых тканях и регистрировать сверхбольшие токи — до 300 000 А. За эту работу С.Х. Карпенков и Н.И. Яковлев удостоены Государственной премии Российской Федерации 1998 г. в области науки и техники. Дальнейшая модернизация различных микроэлектронных средств связана с освоением и внедрением нанотехнологий.

Развитие нанотехнологий. В результате совершенствования тонкопленочной технологии в течение последних десятилетий удавалось размещать все большее число элементов на меньшей площади кристал- ла-подложки интегральной схемы, т.е. удавалось постоянно повышать степень интеграции. Еще в 1960 г., вскоре после изобретения микросхемы, американский инженер Гордон Мур предсказал темп роста числа компонентов интегральной схемы, сформулировав закономерность: число элементов интегральной схемы будет удваиваться каждые 1,5 года.

Специалисты часто называют эту закономерность законом Мура. В течение последних сорока лет прогнозы Мура оправдывались. Например, в 1970 г. число компонентов в микросхеме модуля памяти составляло 103, в 2000 г. — 109. Действительно, темпы роста степени интеграции впечатляют.

Известны три пути повышения степени интеграции. Первый из них связан с уменьшением топологического размера и соответственно повышением плотности упаковки элементов на кристалле. Совершенствование технологических процессов, особенно литографии, а также процессов травления позволяло ежегодно уменьшать размер элемента примерно на 11 %. В настоящее время достигнут топологический размер 0,3—0,5 мкм, а

в ряде экспериментальных работ используется топографический рисунок

сеще меньшими размерами элементов. Дальнейшее уменьшение топологических размеров требует разработки новых технологических приемов. Увеличение площади кристалла — второй путь повышения степени интеграции. Однако получение бездефектных кристаллов больших размеров — весьма сложная технологическая задача: наличие дефектов резко

349

снижает процент выхода годных и увеличивает стоимость интегральной схемы. Третий путь заключается в оптимизации компоновки элементов.

Тенденция к усложнению интегральных схем — от больших (БИС) в 70-х годах до ультрабольших (УБИС) в 90-х годах XX в. и гигантских (ГИС) после 2000 г. — выражается прежде всего в увеличении числа транзисторов на кристалле.

При разработке транзисторов открывались новые направления в полупроводниковой электронике. Одно из них связано с разработкой полевого транзистора, выполняющего функцию резистора, управляемого напряжением. Типичный полевой транзистор имеет структуру ме- талл—окисел—полупроводник и носит название МОП-транзистор. Предполагается, что модифицированная технология МОП-транзистор- ных схем будет применяться для создания гигантских интегральных схем.

Переход к сравнительно малым размерам элементов требует принципиально нового подхода. С уменьшением размеров элементов приходится отказаться от традиционных технологических операций. Так как длина волны света препятствует миниатюризации, фотолитография заменяется электронной, ионной и рентгеновской литографией. На смену диффузионных процессов приходят ионная и электронно-стимулированная имплантация. Термическое испарение и отжиг материала вытесняются ион- но-лучевой, ионно-плазменной, электронно-лучевой обработкой. Появилась возможность локального воздействия на поверхность полупроводникового кристалла.

Технологический процесс создания современного нанотранзистора весьма сложен: он начинается с операции осаждения тонкопленочных слоев кремния на изоляторе (КНИ), кремния и двуокиси кремния (рис. 8.1, а) и заканчивается формированием многослойной структуры (рис. 8.1, е).

Цр недавнего времени технология основывалась на удалении лишнего материала из заготовки, подобно тому как скульптор удаляет куски мрамора, создавая задуманный образ. На смену ей постепенно приходит

молекулярно-инженерная технология, позволяющая создавать электронные схемы из отдельных атомов по аналогии с тем, как дом складывают из кирпичиков. Уже сейчас такая технология применяется в производстве приборов на молекулярных пленках, в молекулярно-лучевой эпитаксии, ионно-зондовой, электронно-стимулированной управляемой имплантации и т.п. Использование лучевых методов (электронно-лучевого, ион- но-лучевого, рентгеновского) позволяет получать элементы с размерами до 10—25 нм. Переход в нанометровый диапазон требует решения фундаментальных вопросов, связанных с новыми физическими принципами работы приборов и ограничениями, свойственными планарным процес350

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.