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

электронной лампы до температуры около 1000°. Незначш тельное уменьшение толщины нити накала в одном из сече­ ний приведет к повышенному разогреву. При повышенной температуре металл нити будет Испаряться в этом месте бо­ лее интенсивно. Сечение нити еще более уменьшится, распы­ ление металла станет еще более интенсивным. В результате

Есть, правда, электронные приборы с холодным катодом. Они не используют нить накала. Однако и эти приборы по надежности не превосходят обычных радиоламп и, кроме Того, имеют довольно ограниченные области применения.

Проблема надежности очень важна не только для вы­ числительной техники, но и для бортового оборудования са­ молетов или ракет. Возможность ремонта там практически исключается, а отказ в полете, например, навигационного оборудования может привести к катастрофе ... Бортовое оборудование работает в тяжелых условиях механических нагрузок (удары, вибрации, ускорения) и при резких измене­ ниях температуры (вспомните, что за бортом самолета, летя­ щего на высоте 10 км, температура даже летом составляет около —50°С!).

Огромное значение для бортового оборудования имеют его размеры, масса, количество потребляемой электроэнергии. Каждый лишний килограмм оборудования увеличивает полет­ ную массу самолета приблизительно на 5 кг, а массу ракеты даже на 40—50 кг! Это происходит из-за необходимости брать дополнительный запас горючего, усиливать конструк­ цию.

Что это такое, можно понять, если прочесть книгу «Цель жизни» знаменитого авиаконструктора А. С. Яковлева. Во

10

время Великой Отечественной войны борьба шла буквально за каждый килограмм полетной массы истребителя. Полетная

с самолетом Як-1, А. С. Яковлев добился с новым мотором ВК-107 скорости, превышающей 700 км/ч. (Эта скорость является практическим пределом винтовых самолетов, так как

В результате Як-3 массой 2,65 тонн легко бил немецкие истребители Ме-109 массой более 3 тонн и ФВ-190 массой около 4 тонн.

Еще один пример. В конце войны США имели самолет-

и полетную массу около 54 тонн. На этом самолете разме­ щалось около 1000 кг электронного оборудования. Уменьшив массу этого оборудования в 10 раз (именно такие результаты дает транзисторизация), полетную массу можно было бы уменьшить на 4500 кг.

Если безопасность полетов самолета еще как-то можно было обеспечивать перегрузкой его оборудованием, надеж­ ность— дублированием наиболее важных устройств, то с ра­ кетной техникой все оказывается значительно сложнее. Так как каждый килограмм оборудования увеличивает массу ра­ кеты на 50 кг, то в ламповом варианте на ракете нельзя было бы разместить весь комплекс телеметрической, управ­ ляющей' и связной электронной аппаратуры, не говоря уже о бортовых ЭВМ, рассчитывающих траекторию и дающих команду на ее коррекцию. Представить себе, сколько элек­ тронного оборудования размещено на ракете, можно, если учесть, что стоимость электронного оборудования составляет до 70% стоимости ракеты.

11

Только появление транзистора с его высокой надежно­ стью, малой потребляемой мощностью, малыми размерами по­ зволило решить те задачи, которые не решались с помощью электронных ламп.

На фирме «Сименс »(ФРГ) более 5 лет назад создана Э'ВМ, предназначенная для работы приблизительно со 100 абонентами, расположенными в самых различных горо­ дах, удаленных даже на несколько тысяч километров. Вся машина занимает зал площадью около 200 м2. Однако боль­ шая часть этой площади отведена под устройства долговре­

и вывода информации и т. д. Что же касается «электронного мозга» системы, т. е. собственно вычислительного устройства, то оно занимает объем около двух платяных шкафов и со­ держит свыше полумиллиона (!) полупроводниковых прибо­ ров— диодов и транзисторов.

В качестве другого примера можно привести созданную в Советском Союзе настольную клавишную вычислительную машину «Электроника-70», которая имеет размеры пишущей машинки и включает 2900 диодов и транзисторов, т. е. в тричетыре раза больше числа ламп в обычных стационарных ЭВМ первого поколения.

Карманная электронная клавишная машина «Электрони­ ка БЗ-04» имеет уже размеры портсигара и насчитывает 6000 транзисторов. В электронных наручных часах работает свыше 1000 транзисторов, т. е. больше, чем было ламп в пер­ вых ЭВМ «Урал», требовавших для своего размещения не один десяток квадратных метров ...

Можно уверенно сказать, что космические исследования и ракетная техника стоят на трех китах: ракетное горючее, жаростойкие сплавы, полупроводниковая электроника.

Итак, полупроводниковая электроника открыла нам две­ ри в вычислительную технику, двери в космос, дала возмож­ ность создавать сложнейшее электронное оборудование. Вот где корни современной электроники.

12

Что такое электронная техника!

Инженер электронной техники ... А что такое «электронная техника»? Какие задачи будут стоять перед специалистом этой квалификации? Ни в одном словаре мы не найдем определения этого понятия. Квалификация, специа­ лизация, специальность — все это зачастую термины, связан­ ные со структурой тех или иных отраслей промышленности, их ведомственной подчиненностью и т. д.

В широком смысле под электронной техникой можно было бы понимать всю технику, в основе принципов действия которой лежат электронные процессы. С этой точки зрения электронная вычислительная техника должна бы быть отне­ сена к категории электронной техники. Но будет ли в дей­ ствительности инженер электронной техники создавать вычис­ лительные машины? Вероятно, нет ... А радиоприемники? Телевизоры? Радиостанции? Устройства автоматики? Вероят­ но, тоже нет ... Для этих целей вузы готовят инженеров других специальностей.

В задачу инженера электронной техники входит созда­ ние тех изделий, из к о т о р ы х создаются электронная аппаратура, устройства, системы. К ним относятся: электрон­ ные лампы, электронно-лучевые приборы (кинескопы, осциллографические трубки и т. п.), сверхвысокочастотные элек­ тровакуумные приборы (магнетроны, клистроны и т. д.), ре­ зисторы (раньше их называли сопротивлениями), конденса­ торы, полупроводниковые приборы (диоды, транзисторы, раз­ личные датчики и т. д., включая сюда, в первую очередь, изделия микроэлектроники).

То, что у нас сейчас принято понимать под электронной техникой, представляет собой своеобразную промышленность «электронных строительных материалов». Электронная про­ мышленность создает те «кирпичи», из которых будут соби­ раться самые различные электронные устройства.

13

переходим к панелям и блокам. На улицах городов можно видеть машины, везущие целые стены с окнами и дверями, со стеклами и замками и даже целые блоки и узлы с труба­ ми, оборудованием и облицовкой.

Аналогичная тенденция наблюдается и в электронике. «Кирпичи», из которых строят электронные устройства, тоже становятся все крупнее. «Безликий» кирпич, из которого строили жилой дом, и печь, и уникальные сооружения, усту­ пает место блоку, имеющему конкретное и часто очень узкое назначение. Аналогичным образом «укрупняются» и приоб­ ретают узкое конкретное назначение и элементы электронной техники. Мы еще вернемся к этому вопросу, рассматривая проблемы интегральной электроники и микроэлектроники.

Сейчас же для нас важно установить, что электронная техника, в первую очередь, занимается так называемыми не­ делимыми элементами, из которых состоит любое электрон­ ное оборудование.

«Атомос» ■— по-гречески «неделимый», «нераздробимый». С этой точки зрения изделия электронной техники можно считать атомами электроники. Мы знаем, что атом неисчер­ паем, что так же, как атом, неисчерпаем и электрон. Неде­ лимый элемент электронной техники может состоять и из тысяч транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов и т. д.; он может представлять собой и одиночный диод или транзистор.

Главное, и в том и в другом случае, будет состоять в том, что для потребителя изделий электронной техники они не расчленяются на отдельные детали, не ремонтируются, не переделываются. Он использует их такими, какими получил от поставщика, с предприятия электронной промышленности.

;В какой-то степени работникам электронной промышлен­ ности приходится заниматься и некоторыми специальными материалами. Перечень материалов электронной техники исключительно широк. Сюда входят, например, различные металлы и сплавы (вольфрам, молибден, ковар, платинит, медь, алюминий и др.), полупроводниковые материалы, элек-

14

tpoeaKyysiHtfe стекла различием Состава, СяецНалыШе АИДУ керамики, магнитные материалы, включая .и ферриты, диэлек­ трические материалы, органические и неорганические, люми­ нофоры, технологические материалы, т. е. материалы, исполь­ зуемые в технологических процессах, но не входящие в гото­ вое изделие (кислоты, щелочи, фоточувствительные материалы и т. д.), лаки, смолы и пластмассы, используемые для за­ щиты изделий от внешней среды. Полупроводниковые мате­ риалы представляют для нас наибольший интерес, ибо это

ос н о в н ы е материалы полупроводниковой электроники.

Вотрасли полупроводниковой электроники инженер

электронной техники — это специалист, имеющий хорошую подготовку в области электронных процессов в твердом теле и в области физического материаловедения. Комплекс этих знаний дает ему возможность создавать и исследовать слож­ нейшие изделия современной полупроводниковой электроники, являющиеся краеугольным камнем практически каждого электронного устройства.

Задача создания современного сложного полупроводни­ кового устройства состоит из двух частей. Сначала необхо­ димо понять, к а к б у д е т р а б о т а т ь то или иное устрой­ ство, тот или иной прибор, а затем представить себе, как он будет выглядеть, какую иметь структуру.

Полупроводниковые структуры отличаются крайней сложностью. Зачастую проходит не один год, пока появляют­ ся технические средства, позволяющие реализовать задуман­ ную структуру в объеме кристалла полупроводника. Поэтому, предлагая, ч то надо сделать, приходится одновременно да­

только, что в полупроводниковой электронике речь всегда «дет о комплексе знаний.

Итак, знать, что делать, т. е. видеть всю задачу в це­ лом, и знать, как делать — обязательное условие подготовки инженера электроной техники вообще и специалиста в области полупроводниковой электроники в особенности.

15

Без мелкоскопа...

Вы помните, конечно, сказ Лескова о том, как туль­ ские оружейники подковали блоху из «чистой аглицкой ста­ ли». Вот что говорил об этом «руководитель группы», туль­

—И твое имя тут есть?— спросил государь.

—Никак нет-, — отвечает Левша, •— моего одного и нет.

—Почему же?

—А потому, — говорит, — что я мельче этих подковок

Государь спросил:

— Где же ваш мелкоскоп, с которым вы могли произ­ вести это удивление?

А Левша ответил:

— Мы люди бедные и по бедности своей мелкоскопа не имеем, а у нас так глаз пристрелявши.

Надо сказать, что если отвлечься от очень конкретной цифры '«пять миллионов», то мы сейчас находимся приблизи­ тельно в положении Левши. В полупроводниковой электрони­ ке под «мелкоскопом» выполняется, пожалуй, наиболее гру­ бая часть работы, например присоединение выводов к гото­ вым структурам. Выводы эти (проволочки из алюминия или золота толщиной от 20—30 до 8 мкм) привариваются к кон­ тактным площадкам — тонким металлическим пленкам, нане­ сенным на поверхность полупроводника. Толщина этих пленок обычно не более 1 мкм, а площадь 20X20 мкм или 40X40 мкм. Это контакты к микрообластям. Сами же микрообласти, со­ ставляющие полупроводниковые структуры, представляют собой области с сильно отличающимися электрофизическими

окземпллр

ЧИТАЛЬНОГО ЗАЛА

Изменение Свойств полупроводника достигается обычно

введением в его кристаллическую решетку на место «собст­ венных» атомов полупроводника строго контролируемых ко­ личеств тех или иных примесных атомов: бора, фосфора, сурьмы, мышьяка и т. д. При этом количество посторонних, случайных, неконтролируемых примесей должно быть менее не только тысячных, но и стотысячных долей процента. Впро­ чем, о количествах и процентах позже мы поговорим более подробно.

Каковы же форма и размеры этих областей с перестроен­ ной кристаллической структурой? На поверхности кристалла эти области могут иметь вид, например, чередующихся полос шириной в 1—3 мкм и длиной до 100—150 мкм. В то же время глубина этих полос, образующих своеобразную гребен­ ку, измеряется десятыми и даже сотыми долями микрона. Такие толщины невозможно ни наблюдать, ни контролировать непосредственно, тем более без разрушения структуры. Основ­ ным средством контроля является здесь измерение электро­ физических параметров структур, по которым делают заклю­ чение о толщинах тех или иных слоев.

В этом случае мы вынуждены работать «без мелкоскопа». Точность получения слоев той или иной величины дости­ гается при точности соблюдения технологических режимов: точности установки и поддержания температуры, точности шлифовки и полировки полупроводниковых пластин, точности механической установки и перемещения подвижных частей тех или иных механизмов и т. д.

Ниже мы еще вернемся к этому вопросу и рассмотрим конкретные цифры, характеризующие точность работы обо­ рудования в полупроводниковой электронике. Сейчас же оце­ ним лишь общие размеры транзисторной структуры, или активной области транзистора.

Активная область транзистора (транзисторная структура) представляет собой тот объем полупроводникового материала, в котором осуществляются все основные физические процес­ сы, определяющие работу транзистора. Обычно размеры

18

активной области составляют проценты или даже доли про­ цента от объема кристалла, на котором она выполнена. Сам кристалл имеет форму квадрата со стороной 0,5—1,0 мм. Бы­ вают, конечно, кристаллы и другой формы, например прямо­ угольные, треугольные или круглые.

Размеры кристаллов в большинстве случаев (не считая кристаллов для достаточно мощных приборов) определяются удобством обращения с ними. Кристаллы со стороной менее 0,5 мм было бы трудно захватывать с помощью пинцета или вакуумного присоса, переносить, устанавливать в машинах, механизмах и приспособлениях при технологической обра­ ботке.

В принципе же размеры активных областей современных,

80 мкм). Это не фантастика и даже не взгляд в будущее. Транзисторы с такими размерами активных структур нахо­ дятся в серийном производстве.

Что же касается взгляда в ближайшее будущее, то со­ шлемся на рекламную информацию одной из зарубежных фирм. На полупроводниковой пластине размером в один квадратный дюйм было нарисовано около 12 млн. транзи­ сторных структур. Это составляет около 2 млн. транзисторных структур на 1 см2. Инструментом в данном случае являлся электронный луч — тонкий (менее 1 мкм в диаметре) пучок электронов, разогнанных в электрическом поле до высоких энергий. Обращаем внимание на то, что при этом структуры были всего лишь нарисованы электронным лучом на спе­ циальном чувствительном лаке, которым была покрыта поверхность пластины.

Сегодня плотность размещения диодов и транзисторов на