История развития электроники

Появление транзисторов – это результат кропотливой работы десятков

выдающихся ученых и сотен виднейших специалистов, которые в течении

предшествующих десятилетий развивали науку о полупроводниках. Среди них

были не только физики, но и специалисты по электронике, физхимии,

материаловедению.

Начало серьезных исследований относится к 1833 году, когда Майкл Фарадей

работая с сульфидом серебра обнаружил, что проводимость полупроводников

растет с повышением температуры, в противоположность проводимости металлов,

которая в этом случае уменьшается.

В конце XIX века были установлены три важнейших свойства полупроводников:

1. Появление ЭДС при освещении полупроводника.

2. Рост электрической проводимости полупроводника при освещении.

3. Выпрямляющее свойство контакта полупроводника с металлом.

В 20-е годы ХХ в. выпрямляющие свойства контакта полупроводников с металлом

начали практически использовать в радиотехнике. Радиоспециалисту из

Нижегородской радиотехнической лаборатории Олегу Лосеву в 1922 году удалось

применить выпрямляющее устройство на контакте стали с кристаллом цинкита в

качестве детектора, в детекторном приемнике под названием "Кристадин".

Схема кристадина (Рис. 4.5) содержит входной настраиваемый контур L1C1 к

которому подключена внешняя антенна А и заземление. С помощью переключателя

П1 параллельно входному контуру подключается детектор Д1. Такой детектор

может не только детектировать, но и предварительно усиливать сигнал, когда

его рабочая точка находится на падающем участке ВАХ (Рис. 4.5(б)). На этом

участке ВАХ сопротивление детектора становится отрицательным, что приводит

к частичной компенсации потерь в контуре L1C1 и тогда приемник становится

генератором.

Потенциометр R1 регулирует ток детектора. Прослушивание сигналов принятых

радиостанцией осуществляется на низкоуровневый телефон, катушки которого

включены последовательно с источником питания через дроссель Др 1 и катушку

L2.

Первый образец кристадина был изготовлен Лосевым в 1923 году. В это время

в Москве начала работать центральная радиотелефонная станция, передачи

которой можно было принимать на простые детекторные приемники только вблизи

столицы. Кристадин Лосева позволял не только увеличить дальность приема

радиостанции, но был проще и дешевле. Интерес к кристадину в то время был

огромный. "Сенсационное изобретение" – под таким заголовком американский

журнал "Radio News" напечатал в сентябре 1924 г. редакционную статью

посвященную работе Лосева. "Открытие Лосева делает эпоху", – писал журнал,

выражая надежду, что сложную электровакуумную лампу вскоре заменит кусочек

цинкита или другого вещества простого в изготовлении и применении.

Продолжая исследование кристаллических детекторов, Лосев открыл свечение

карборунда при прохождении через него электрического тока. Спустя 20 лет

это же явление было открыто американским физиком Дестрио и получило

название электролюминесценции. Важную роль в развитии теории

полупроводников в начале 30-х годов сыграли работы проводимые в России под

руководством академика А.Ф. Иоффе. В 1931 году он опубликовал статью с

пророческим названием: "Полупроводники – новые материалы электроники".

Немалую заслугу в исследование полупроводников внесли советские ученые –

Б.В. Курчатов, В.П. Жузе и др. В своей работе – "К вопросу об

электропроводности закиси меди", опубликованной в 1932 году, они показали,

что величина и тип электрической проводимости определяется концентрацией и

природой примеси. Немного позднее, советский физик – Я.Н. Френкель создал

теорию возбуждения в полупроводниках парных носителей заряда: электронов и

дырок. В 1931 г. англичанину Уилсону удалось создать теоретическую модель

полупроводника, основанную на том факте, что в твердом теле дискретные

энергетические уровни электронов отдельных атомов размываются в непрерывные

зоны, разделенные запрещенными зонами (значениями энергии, которые

электроны не могут принимать) – "зонная теория полупроводников".

В 1938 г. Мотт в Англии, Давыдов в СССР, Вальтер Шоттки в Германии

сформулировали, независимо, теорию выпрямляющего действия контакта металл-

полупроводник. Эта обширная программа исследований, выполняемая учеными

разных стран и привела к экспериментальному созданию сначала точечного, а

затем и плоскостного транзистора.

4.4 История развития полевых транзисторов.

4.4.1 Первый полевой транзистор был запатентован в США в 1926/30гг.,

1928/32гг. и 1928/33гг. Лилиенфельд – автор этих потентов. Он родился в

1882 году в Польше. С 1910 по 1926 г. был профессором Лейпцигского

университета. В 1926 г. иммигрировал в США и подал заявку на патент.

Предложенные Лилиенфельдом транзисторы не были внедрены в производство.

Транзистор по одному из первых патентов № 1900018 представлен на Рис. 4.6

Наиболее важная особенность изобретения Лилиенфельда заключается в том,

что он понимал работу транзистора на принципе модуляции проводимости исходя

из электростатики. В описании к патенту формулируется, что проводимость

тонкой области полупроводникового канала модулируется входным сигналом,

поступающим на затвор через входной трансформатор.

4.4.2

В 1935 году в Англии получил патент на полевой транзистор немецкий

изобретатель О. Хейл

Схема из патента № 439457 представлена на Рис. 4.7 где:

1 – управляющий электрод

2 – тонкий слой полупроводника(теллур, йод, окись меди, пятиокись

ванадия)

3,4 – омические контакты к полупроводнику

5 – источник постоянного тока

6 – источник переменного напряжения

7 – амперметр

Управляющий электрод (1) выполняет роль затвора, электрод (3) выполняет

роль стока, электрод (4) роль истока. Подавая переменный сигнал на затвор,

расположенный очень близко к проводнику, получаем изменение сопротивления

полупроводника (2) между стоком и истоком. При низкой частоте можно

наблюдать колебание стрелки амперметра (7). Данное изобретение является

прототипом полевого транзистора с изолированным затвором.

4.4.3

Следующий период волны изобретений по транзисторам наступил в 1939 году,

когда после трехлетних изысканий по твердотельному усилителю в фирме "BTL"

(Bell Telephone Laboratories) Шокли был приглашен включиться в исследование

Браттейна по медноокисному выпрямителю. Работа была прервана второй мировой

войной, но уже перед отъездом на фронт Шокли предложил два транзистора.

Исследования по транзисторам возобновились после войны, когда в середине

1945 г. Шокли вернулся в "BTL", а в 1946 г. туда же пришел Бардин.

В 1952 г. Шокли описал униполярный(полевой) транзистор с управляющим

электродом, состоящим, как показано на рис. 4.8, из обратно смещенного p-n

– перехода. Предложенный Шокли полевой транзистор состоит из

полупроводникового стержня n-типа (канал n-типа) с омическими выводами на

торцах. В качестве полупроводника использован кремний(Si). На поверхности

канала с противоположных сторон формируется p-n-переход, таким образом,

чтобы он был параллелен направлению тока в канале. Рассмотрим как течет ток

между омическими контактами истока и стока. Проводимость канала определяют

основные носители заряда для данного канала. В нашем случае электроны в

канале n-типа. Вывод, от которого носители начинают свой путь, называется

истоком. На рис. 4.8 – это отрицательный электрод. Второй омический

электрод, к которому подходят электроны, – сток. Третий вывод от p-n-

перехода называют затвор.

Точное описание процессов в полевом транзисторе представляет определенные

трудности. Поэтому, Шокли предложил упрощенную теорию униполярного

транзистора в основном объясняющую свойства этого прибора. При изменении

входного напряжения (исток-затвор) изменяется обратное напряжение на p-n-

переходе, что приводит к изменению толщины запирающего слоя. Соответственно

изменяется площадь поперечного сечения n-канала, через который проходит

поток основных носителей заряда, т.е. выходной ток. При высоком напряжении

затвора запирающий слой становится все толще и площадь поперечного сечения

уменьшается до нуля, а сопротивление канала увеличивается до бесконечности

и транзистор запирается.

4.4.4

В 1963 г. Хофштейн и Хайман описали другую конструкцию полевого

транзистора, где используется поле в диэлектрике, расположенном между

пластиной полупроводника и металлической пленкой. Такие транзисторы со

структурой металл-диэлектрик-полупроводник называются МДП-транзисторы. В

период с 1952 по 1970 гг. полевые транзисторы оставались на лабораторной

стадии развития. Три фактора способствовали стремительному развитию полевых

транзисторов в 70-е годы:

1) Развитие физики полупроводников и прогресс в технологии

полупроводников, что позволило получить приборы с заданными

характеристиками.

2) Создание новых технологических методов, таких как

тонкопленочные технологии для получения структуры с

изолированным затвором.

3) Широкое внедрение транзисторов в электрическое

оборудование.

4.5 История развития серийного производства транзисторов в США и СССР

4.5.1

Ускоренная разработка и производство транзисторов развернулись в США в

кремниевой долине, расположенной в 80-ти км от Сан-Франциско. Возникновение

кремниевой долины связывают с именем Ф. Термена – декана инженерного

факультета Стенфордского университета, когда его студенты Хьюлетт, Паккард

и братья Вариан создали фирмы, прославившие их имена во время второй

мировой войны.

Бурное развитие кремниевой долины началось, когда Шокли покинул "BTL" и

основал собственную фирму по производству кремниевых транзисторов при

финансовой помощи питомца Калифорнийского политехнического института А.

Беккмана. Его фирма начала работу осенью 1955 г., как отделение фирмы

"Beckman Instruments" в армейских казармах Паоло-Алто. Шокли пригласил 12

специалистов (Хорсли, Нойс, Мур, Гринич, Робертс, Хорни, Ласт, Джонс,

Клейнер, Блэнк, Нэпик, Са). В 1957 г. фирма изменила свое название на

"Shockly Transistor Corporation". Вскоре 8 специалистов (Нойс, Мур, Гринич,

Робертс, Хорни, Ласт, Клейнер, Блэнк) договорились с Беккманом и создали

отдельную самостоятельную фирму "Fairchild Semiconductor Corporation" в

основе деятельности, которой лежало массовое производство

высококачественных кремниевых биполярных транзисторов. В качестве первого

изделия был выбран в 1957 г. кремниевый n-p-n мезатранзистор с двойной

диффузией типа 2N696. Он требовал всего лишь два процесса фотолитографии

для создания эмиттера и металлических контактов. Термин мезатранзистор был

предложен Эрли из "BTL". Введя дополнительную операцию фотолитографии,

Хорни заменил мезаструктуру коллектора диффузионным карманом и закрыл место

пересечения эмиторного и коллекторного переходов с поверхностью термическим

оксидом(1000 oС). Технологию таких транзисторов Хорни назвал планарным

процессом. В 1961 г. был начат крупносерийный выпуск двух планарных

кремниевых биполярных транзисторов 2N613(n-p-n), 2N869(p-n-p)

Институт полупроводниковых материалов и оборудования (США) составил

генеалогическое дерево и первые ветви отпочкованные от фирмы Shockley

выглядят так: Ласт и Хорни в 1961 году основали Amelco, которая позже

превратилась в Teledyne Semiconductor. Хорни в 1964 году создал Union

Corbide Electronics, в 1967 году – Intersil. Ежегодно создавалось по четыре

фирмы, и за период с 1957 по 1983 г. в кремниевой долине было создано более

100 фирм. Рост продолжается и сейчас. Он стимулируется близостью

Стенфордского и Калифорнийского университета и активным участием их

сотрудников в деле организации фирм (Рис. 4.9).

Рис. 4.9 Динамика развития кремниевой долины.

|1914–1920 гг |1955 – 57 гг |1960 г |1961 г |1968 г |

|Хьюлетт-Пакар|BTL | | | |

|д (два друга | | | | |

|и братья |Shockley | | | |

|Вариан) |Semiconductor | | | |

| |Laboratory | | | |

| |(Beckman | | | |

| |Instruments) Паоло| | | |

| |Алто(военные | | | |

| |казармы). | | | |

| |Са | | | |

| |Хорсли | | | |

| |Джонс 12 чел. | | |Intel(Интергр|

| |Нэпик | | |ейтед |

| |Нойс |Fairchild | |электроникс) |

| |Мур |Semiconductor | |12 чел. |

| |Гринич |Corporation |Amelco + |(Маунтин Вью)|

| |Робертс | |Уэнлесс | |

| |Хорни |8 чел. |Сноу | |

| |Ласт | |Эндрю Гроув | |

| |Клейнер | |Дил | |

| |Блэнк | | | |

4.5.2

Первыми транзисторами выпущенными отечественной промышленностью были

точечные транзисторы, которые предназначались для усиления и генерирования

колебаний частотой до 5 МГц. В процессе производства первых в мире

транзисторов были отработаны отдельные технологические процессы и

разработаны методы контроля параметров. Накопленный опыт позволил перейти к

выпуску более совершенных приборов, которые уже могли работать на частотах

до 10 МГц. В дальнейшем на смену точечным транзисторам пришли плоскостные,

обладающие более высокими электрическими и эксплуатационными качествами.

Первые транзисторы типа П1 и П2 предназначались для усиления и

генерирования электрических колебаний с частотой до 100 кГц. Затем

появились более мощные низкочастотные транзисторы П3 и П4 применение

которых в 2-х тактных усилителях позволяло получить выходную мощность до

нескольких десятков ватт. По мере развития полупроводниковой промышленности

происходило освоение новых типов транзисторов, в том числе П5 и П6, которые

по сравнению со своими предшественниками обладали улучшенными

характеристиками. Шло время, осваивались новые методы изготовления

транзисторов, и транзисторы П1 – П6 уже не удовлетворяли действующим

требованиям и были сняты с производства. Вместо них появились транзисторы

типа П13 – П16, П201 – П203, которые тоже относились к низкочастотным

непревышающим 100 кГц. Столь низкий частотный предел объясняется способом

изготовления этих транзисторов, осуществляемым методом сплавления. Поэтому

транзисторы П1 – П6, П13 – П16, П201 – П203 называют сплавными. Транзисторы

способные генерировать и усиливать электрические колебания с частотой в

десятки и сотни МГц появились значительно позже – это были транзисторы типа

П401 – П403, которые положили начало применению нового диффузионного метода

изготовления полупроводниковых приборов. Такие транзисторы называют

диффузионными. Дальнейшее развитие шло по пути совершенствования как

сплавных, так и диффузионных транзисторов, а так же созданию и освоению

новых методов их изготовления.

5. Предпосылки появления микроэлектроники

5.1 Требования миниатюризации электрорадиоэлементов со стороны

разработчиков радиоаппаратуры.

С появлением биполярных полевых транзисторов начали воплощаться идеи

разработки малогабаритных ЭВМ. На их основе стали создавать бортовые

электронные системы для авиационной и космической техники. Так как эти

устройства содержали тысячи отдельных ЭРЭ(электрорадиоэлементов) и

постоянно требовалось все большее и большее их увеличение, появились и

технические трудности. С увеличением числа элементов электронных систем

практически не удавалось обеспечить их работоспособность сразу же после

сборки, и обеспечить, в дальнейшем, надежность функционирования систем.

Даже опытные сборщики и наладчики ЭВМ допускали несколько ошибок на 1000

спаек. Разработчики предполагали новые перспективные схемы, а изготовители

не могли запустить эти схемы сразу после сборки т.к. при монтаже не

удавалось избежать ошибок, обрывов в цепи за счет не пропаев, и коротких

замыканий. Требовалась длинная и кропотливая наладка. Проблема качества

монтажно-сборочных работ стало основной проблемой изготовителей при

обеспечении работоспособности и надежности радиоэлектронных устройств.

Решение проблемы межсоединений и явилось предпосылкой к появлению

микроэлектроники. Прообразом будущих микросхем послужила печатная плата, в

которой все одиночные проводники объединены в единое целое и

изготавливаются одновременно групповым методом путем стравливания медной

фольги с плоскостью фольгированного диэлектрика. Единственным видом

Страницы: 1, 2, 3, 4