научно-популярное приложение к газете "Голос Армении"
Menu

НОТЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Лампа может быть не только газовой

Нобелевская премия по физике за 2007 год была присуждена французскому физику Альберу Феру  и его немецкому коллеге Петеру Грюнбергу, которые в 1988 г. независимо друг от друга открыли эффект гигантского магнетосопротивления.

В сообщении Нобелевского комитета отмечалось, что это открытие отнесено к сфере нанотехнологии и нашло практическое применение при разработке компьютерных жестких дисков, что позволило в последние годы значительно уменьшить их размеры и увеличить емкость. Это была уже вторая Нобелевская премия, присужденная за работы по физике наноструктур (в 2000г. премии были удостоены Жорес Алферов и Герберт Кремер) в первом десятилетии ХХI в. Уже сам по себе этот факт свидетельствовал об исключительной важности и высочайшем уровне тех результатов, которые получали и получают специалисты, работающие в области физики и технологии наноструктур. И, как было завещано самим Нобелем, премии были вручены в связи с тем существенным влиянием, которое оказали полученные результаты на прогресс, а также ознаменовали факт признания на самом высоком уровне успехов, достигнутых в современной наноэлектронике, пришедшей на смену микроэлектронике.

ЕСЛИ БРОСИТЬ РЕТРОСПЕКТИВНЫЙ ВЗГЛЯД НА ИСТОРИЮ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ начиная от открытия электронной лампы и заканчивая  гетероструктурными лазерами на квантовых ямах, то можно выделить три основных этапа развития: первая электронная революция – создание электронных ламп – диода и триода, вторая – изобретение полупроводникового биполярного транзистора и, наконец, третья электронная революция, связанная с реализацией гетеропереходов и созданием на их основе наноразмерных полупроводниковых систем с управляемыми физическими характеристиками. При этом следует отметить, что как и в основе любого выдающегося произведения Баха, Грига или Бетховена лежат всего семь нот, так и в основе внушительного здания современной электроники лежат всего несколько базовых элементов: электронная лампа, полупроводниковый транзистор, гетеропереход.

В этой статье речь пойдет об основных этапах прогресса электроники и о том, как этот прогресс изменил жизнь человека. А началось все с того, что сын священника Первой конгрегационной церкви в городе Каунсил Блафс (штат Айова, США) Ли де Форест отказался продолжить дело отца и принять духовный сан, а вместо этого в 1893г. поступил в Шеффилдскую научную школу Йельского университета. Это было одно из немногих учебных заведений США, дающих первоклассное научное образование. Молодой исследователь был скромным, трудолюбивым и очень способным к наукам студентом, и именно ему суждено было сделать одно из выдающихся открытий начала XX века, когда он понял, что…

1. Лампа может быть не только газовой

Есть научные открытия, ценность которых с годами все более возрастает и  приобретает настолько глобальный характер, что их без преувеличения можно назвать эпохальными. Действительно, благодаря таким открытиям, как колесо, паровой двигатель, электрический двигатель и т.д., человечество вступало в новую эпоху своего развития. Общество постепенно становилось все более технократичным, и цивилизационные процессы были тесно связаны с достижениями в области науки и техники. К разряду таких открытий относится предсказание существования электромагнитных волн Максвеллом.

СТОИТ ОТМЕТИТЬ, ЧТО НА ЗАРЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ ВСЕ ВОСПРИНИМАЛОСЬ ПРЕДЕЛЬНО СЛОЖНО и было очень запутанным. Достаточно вспомнить, что в те времена преобладала гипотеза о существовании особой светопроводящей среды - эфира, и Максвелл, выводя свои знаменитые уравнения, исходил из модели колебания упругой среды. Только впоследствии благодаря работам Герца и известного английского математика Хевисайда удалось представить эти уравнения в сравнительно ясной форме. Изначально выводы о существовании электромагнитных волн воспринимались как констатация научного факта, имеющего скорее академический  интерес. Однако, как это бывает часто в науке, все же находились ученые, которые еще тогда смогли по достоинству оценить наличие электромагнитных волн с точки зрения технического применения свойств этой разновидности материи.

После опытов Герца стало ясно, что электромагнитные волны можно генерировать и принимать на значительных расстояниях. Эта идея легла в основу создания Г. Маркони и А. Поповым первых приборов беспроволочной связи. Средства радиосвязи вначале воспринимались как экзотика, нежели как серьезное средство коммуникации. Однако ситуация резко изменилась после истории спасения гибнущего броненосца "Генерал-адмирал Апраскин".

В 1900 году близ острова Гогланд в Балтийском море потерпел аварию и сел на мель броненосец "Генерал-адмирал Апраскин". Это был один из редких кораблей русского флота, на котором была установлена радиосвязь. Наличие этой связи и сыграло решающую роль в деле спасения экипажа броненосца. Была установлена связь с финским городом Кутсали, который находился на расстоянии 47 км от места аварии, и организована спасательная операция. Этот яркий эпизод в истории флота сыграл принципиальную роль в начале организации крупных исследований, связанных с созданием прибора, способного усиливать электрические сигналы и, следовательно, увеличивать дальность радиосвязи.

И вот 25 октября 1906 года Ли де Форест подал заявку на изобретенную им конструкцию электронной лампы – вакуумного триода. В результате исследований Ли де Фореста была создана электровакуумная усилительная радиолампа, содержащая три электрода: анод, сетку и катод. Другими словами, в попытке обеспечить потребность беспроволочной телеграфии иметь после приема более сильный сигнал радиостанций в сравнении с существовавшими тогда конструкциями детекторов ученый изобрел трехэлектродную лампу, в которой управление анодного тока осуществлялось с помощью изменения электрического потенциала сетки.

15 ЯНВАРЯ СЛЕДУЮЩЕГО, 1907 ГОДА ФОРЕСТ ПОЛУЧИЛ ПАТЕНТ США ЗА № 841387 на "устройство для усиления слабых электрических токов". Автор назвал свое изобретение "аудион" (от латинского слова "аудио" - "слушаю"). В № 1665 журнала Scientific American Supplement за ноябрь того же года была опубликована его статья "Аудион - новый приемник беспроволочной телеграфии" ("The audion - a new receiver for wireless telegraphy"). Именно электронной лампе суждено было стать основной элементной базой первой электронной революции, и не случайно, что в начале XX века ее начали называть "королевой электроники". Это изобретение действительно было достойно своего имени. Усилители и генераторы на электронных лампах все шире использовались в различных областях человеческой деятельности. Они опускались на дно океанов вместе с трансатлантическим телефонным кабелем и взлетали в небо с самолетными радиостанциями. А уже к середине 30-х годов миллионы зрителей смотрели на телевизионных экранах Олимпиаду в Берлине.

Роль электронной лампы становилась все более принципиальной и важной в таких областях человеческой  деятельности, как медицина, криминалистика, мореплавание, связь и т.д. С другой стороны, было ясно, что с каждым новым прорывом в электронике перед электронной лампой ставились более серьезные и многогранные задачи. Это естественным образом вызывало необходимость усовершенствования электронной лампы. Лампы становились миниатюрнее, экономичнее, надежнее и, что очень важно,  более дешевыми. Однако задачи радиоэлектроники уже были настолько масштабными, что очень часто в одном радиоэлектронном устройстве могли размещаться десятки тысяч ламп, и отказ даже одной из них мог повлечь за собой выход из строя всего устройства. При этом срок службы электронных ламп, будучи ограниченным, приводил к необходимости регулярного мониторинга активных частей (раскаленного катода и анода), а при необходимости и к замене изношенных ламп в устройствах.

Другой проблемой являлось время, необходимое для приведения устройства в рабочее состояние. Между тем именно эти секунды могли сыграть роковую роль в деле спасения тонущего корабля или потерявшего управление самолета. Иначе говоря, становилось ясно, что нужно находить коренное решение этой проблемы, при этом не улучшая сам элемент, а создавая другой, основанный на иной физической базе. Данную задачу удалось решить группе ученых из "Белл телефон лабораториз". В 1947г. Джон Бардин, Уолкер Браттейн и Уильям Шокли предложили схему твердотельного полупроводникового усилителя электрических сигналов -биполярного транзистора.

2. В космос удобнее с транзистором

1 июля 1948г. в газете "Нью-Йорк таймс" вышла краткая заметка, в которой говорилось: "Вчера фирма "Белл телефон лабораториз" впервые продемонстрировала изобретенный ею прибор "транзистор", который в отдельных случаях можно использовать в области радиотехники вместо электронных ламп…

ОН НАЧИНАЕТ РАБОТУ МГНОВЕННО, БЕЗ ЗАДЕРЖКИ НА РАЗОГРЕВ, так как в отличие от радиолампы в нем нет накала. Рабочие элементы прибора состоят всего из двух тонких проволочек, подходящих к кусочку твердого полупроводникового материала величиной с булавочную головку, приплавленного к металлическому основанию. Вещество, помещенное на металлическом основании, усиливает ток, подводимый к ней по одной проволочке, а другая проволочка отводит усиленный ток". В те годы никто не  предполагал, что эта неказистая заметка знаменовала начало новой – второй электронной революции, благодаря которой человечество сумело сделать гигантский рывок в деле технического прогресса - начиная от полета в космос и кончая созданием быстродействующих ЭВМ.

Несмотря на то что твердотельный усилитель был создан,  на заре полупроводниковой электроники такой "гадкий утенок" не мог тягаться с царствующей "королевой электроники" – вакуумной лампой. И действительно, конструкция первого биполярного транзистора была настолько хрупкой и ненадежной, что достаточно было сильно встряхнуть такой "прибор" – и его коэффициент усиления мог претерпеть изменения в разы. Транзистор был предельно чувствителен к температурным колебаниям и при резком нагреве или же охлаждении попросту выходил из строя. Однако время шло, а пионеры-первопроходцы полупроводниковой микроэлектроники продолжали целенаправленно осуществлять свои идеи на практике. И вот уже к началу 50-х гг. были продемонстрированы первые образцы транзисторных радиоприемников и телевизоров.

Здесь особо следует отметить, что будущее транзистора казалось настолько бесперспективным, что даже военные, курировавшие важнейшие исследования в "Белл телефон лабораториз", без колебаний позволили публиковать результаты исследований в открытой научной печати. Однако у биполярного транзистора было одно безусловное достоинство – он позволял конструировать чрезвычайно миниатюрные схемы, которые питались источниками очень низкого (2–3 В) напряжения.

ИМЕННО ЭТИ ОБСТОЯТЕЛЬСТВА И СТАЛИ ОСНОВОЙ ДЛЯ ПЕРВОГО КОММЕРЧЕСКОГО использования транзисторов в промышленности. На их основе началось производство  слуховых аппаратов  для людей с пониженным слухом. Как ни странно, но вторыми потребителями транзисторов стали военные. Ведь именно в эти годы началась космическая гонка между США и СССР, а для пуска ракеты необходимо было экономить буквально каждый грамм. В этом контексте миниатюрный транзистор был очень кстати. Ясно, что исследователи параллельно с этим все время улучшали параметры транзисторов. Ведя разработки для космоса, ученые создали сплавные транзисторы – достаточно надежные, с воспроизводимыми параметрами и устойчивые к внешним воздействиям. Постепенно производство транзисторов и приборов на их основе становилось рентабельным, и часть прибыли теперь уже можно было направить на разработку новых технологических процессов и создание новых поколений транзисторов.

Становилось очевидным, что "гадкий утенок", перевоплощаясь в прекрасного лебедя, постепенно начинает смещать с трона "великую королеву" первой электронной революции, символизируя тем самым начало второй. Теперь уже транзисторные усилители и генераторы составляли элементную базу новых поколений телевизоров, радиоприемников и магнитофонов.

Говоря об электронике и ее заслугах в деле прогресса, следует помнить, что другая сфера человеческой деятельности, также фундаментально изменившая цивилизационные процессы на планете Земля, неразрывно связана с успехами электроники. Разумеется, речь идет о вычислительных машинах. Уже на заре создания электронно-вычислительных машин стало ясно, что опять возникает проблема надежности теперь уже полупроводниковых приборов. Действительно, в схемах ЭВМ содержалось несколько сот тысяч транзисторов и диодов. Достаточно было оборваться хотя бы одному контакту диода или же транзистора, и система, состоящая из такого колоссального числа активных элементов, выходила из строя. Возникала та же проблема, что и в случае с электронной лампой. Улучшение параметров транзисторов или диодов не решало этой проблемы. Надо было искать совершенно новое решение. И это решение было найдено в виде интегральной схемы, но обо всем по порядку.

В 1952г. НА КОНФЕРЕНЦИИ ПО ЭЛЕМЕНТАМ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ, проходившей в Вашингтоне, инженер из Великобритании Джеффри Даммер выступил с довольно странным, на первый взгляд, докладом. Даммер утверждал: "…с появлением транзистора и полупроводниковой техники вообще можно представить себе электронное оборудование в виде твердого блока, не содержащего соединительных проводов". Тогда, в далеком 1952 году, никто не обратил внимания на пионерские идеи Даммера. С "гадким утенком" никто особо не желал связываться, и уж тем более мало кого интересовала проблема надежности транзисторных схем.

Но время сделало свое дело, и уже через 10  лет, когда сборка компьютеров занимала месяцы, а один ненадежный контакт мог вывести сложнейшую систему из строя, специалисты независимым образом пришли к тем же идеям, что и Даммер. При этом надо отметить, что доклад Даммера историки науки обнаружили только 25 лет спустя, когда  интегральные схемы уже получили широкое распространение. В чем же заключалась основополагающая идея, лежащая в основе конструирования интегральной схемы? В начале 60-х годов большинство транзисторов изготавливалось на основе методов диффузии и вплавления, по планарной технологии. В этом случае все транзисторы на полупроводниковой пластине изготавливаются одновременно. Возникал вполне резонный вопрос: зачем, сделав транзисторные структуры, резать пластину на отдельные элементы, монтировать их в корпуса, приваривать проволочные выводы и т.д., если можно сразу на этой же пластине создать между транзисторами все необходимые соединения и  получить готовую схему?

Интегральную схему!

Первые интегральные схемы содержали несколько десятков элементов.

НАПРИМЕР, ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА ВЫПУСКА 1961 ГОДА представляла собой транзисторный переключатель и содержала всего 6 элементов: 4 биполярных транзистора и 2 резистора. Уже через 5 лет число элементов на интегральной схеме стало порядка 100, а в 1982 году это число достигло 300000. Иначе говоря, на небольшом полупроводниковом кристаллике площадью в несколько квадратных миллиметров  размещалась схема, по сложности значительно превосходящая схемы ламповых ЭВМ.

Параллельно с увеличением числа элементов и соответственно с увеличением интегральных схем обозначения интегральных схем становились лаконичнее и проще. Эта разница в обозначениях отражала то принципиальное изменение в мышлении инженеров, ученых и производственников, которое было обусловлено пониманием того, что уже отдельно взятый транзистор перестал быть базовым элементом – на его место пришла интегральная схема. Можно возразить, что в конечном счете в основе работы интегральной схемы опять-таки лежит транзистор, однако теперь уже ученые не мыслили в рамках одного отдельно взятого транзистора, а использовали в качестве базового элемента приборов новых поколений именно интегральные схемы. Их теперь уже интересовала только роль интегральной схемы в качестве базовой единицы: какие функции выполняет данная интегральная схема, какие напряжения следует подавать на ее выходы, каково быстродействие интегральной схемы и т.д. Как было очень точно подмечено в книге  М.Е. Левинштейна и Г.С. Симина "Барьеры":  "…король, пришедший на смену королеве-лампе, не сошел с трона, а, в соответствии с лучшими традициями демократии, стал одним из сотен тысяч граждан". И все-таки в основе любой интегральной схемы лежит транзистор, улучшение параметров которого и играет основную роль в развитии микроэлектроники.

С течением времени дальнейшая разработка новых типов транзисторов перед учеными все чаще ставила вопрос о поиске таких полупроводниковых материалов, благодаря которым увеличивалось бы их быстродействие. Как показало время, для нахождения решения этой проблемы ученым придется вторгнуться в мир квантовых законов, знаменуя тем самым эпоху наноэлектроники, но об этом отдельный разговор... 

Эдуард КАЗАРЯН, академик НАН РА;

Айк САРКИСЯН, доктор физ.-мат. наук

Опубликовано в Инновации
Прочитано 1540 раз
Оцените материал
(0 голосов)

Последнее от Айк САРКИСЯН

Другие материалы в этой категории: « ПАРОВОЙ ПРОРЫВ АВТОНОМНАЯ ЭНЕРГОСИСТЕМА »

Оставить комментарий

Убедитесь, что вы вводите (*) необходимую информацию, где нужно
HTML-коды запрещены

Наверх