Транзистору - пятьдесят


История
Что у компьютера внутри
Как это делается
Рождение микропроцессора

Как быть с электроникой в России?


23 декабря 1947 года произошло важное для Bell Telephone Laboratories событие. В этот день Джон Бардин и Уолтер Бретен демонстрировали свое изобретение. Небольшое устройство на крошечной полупроводниковой пластинке усиливало входной электрический сигнал в 100 раз. До этого функции усилителя в различных электронных устройствах выполняли громоздкие вакуумные трубки. Миниатюрные размеры "твердотельного" усилителя сулили большие перспективы. Но никто не мог даже предположить, что это изобретение открывает новую эру не только в технике, но и в жизни всего общества. Транзистор - такое название получил этот полупроводниковый усилитель - "нерв" эпохи информации.

История

Толчком к развитию электроники как таковой послужило изобретение в 1906 году электронной вакуумной трубки. Молодой американский инженер-электротехник Ли де Форест обнаружил, что потоком электронов в вакууме можно управлять, если разместить на пути электронов заряженную сетку. В частности, электрический ток на входном конце трубки может быть значительно усилен на выходном конце. На основе электронных ламп были созданы первые радиоприемники, телевизоры, электронные микроскопы, первые роботы, наконец, первые электронно-вычислительные машины. Однако размеры электронной лампы измерялись в сантиметрах, и системы, построенные с их помощью, были весьма громоздкими. Знаменитая ENIAC, например, включала 18 тыс. ламп и занимала целую комнату. Кроме того, ламповые устройства расходовали огромное количество энергии.

Изобретенный в Bell Labs твердотельный усилитель реализовывал метод управления электронным потоком не в вакууме, а в твердом полупроводниковом кристалле. По сути, транзистор (transistor), то есть сопротивление (resistor), которое усиливает электрические сигналы, когда они передаются (transfer) через него, выполнял те же функции, что и вакуумная трубка, но гораздо эффективнее. Вместо достаточно сложного устройства - маленький кристалл с двумя присоединенными проводками. Даже самые первые модели по размерам не превышали нескольких миллиметров. Вакуума не нужно. Не нужно нагревания, как для электронной лампы, поэтому транзистор может работать постоянно. Расход энергии минимальный. Изобретение сулило сокращение размеров и повышение эффективности электронных устройств, обещало упростить их производство, продлить срок службы и снизить цену.

Транзисторы появились на свет благодаря интенсивным исследованиям свойств полупроводников, которые велись в Bell Labs еще в начале 30-х годов.

Работа всех полупроводниковых приборов основана на комбинации полупроводников с разной проводимостью. Существует два типа полупроводников. Первый - с проводимостью, основанной на наличии свободных электронов в материале n-типа (negative). Второй тип - это полупроводники p-типа (positive), проводимость которых связана с недостатком электронов (наличием виртуальной "дырки" - области с положительным зарядом, эквивалентным заряду электрона). Как раз на границе этих двух типов и происходят эффекты, определяющие все полезные свойства полупроводниковых приборов.

Уильям Шокли еще до войны начал поиск возможностей создания компактного усилителя электрического тока на базе полупроводника, способного заменить электронную лампу. В 1939 году он предпринял оказавшуюся неудачной попытку создать подобное устройство. Война прервала работу Шокли, однако в США активные научные исследования в военный период обусловили послевоенный бум в развитии электроники и средств связи. На этой волне в Bell Labs была создана группа по исследованиям в области физики твердого тела, в которую вошел (а затем и возглавил ее) Шокли. В 1945 году он предложил еще один принцип создания полупроводникового усилителя, который снова оказался неработоспособным. Разочарованный неудачами, Шокли на время оставил эту область деятельности. Его работу продолжили и довели до успешного завершения коллеги. Напряженные усилия двух ученых на протяжении почти двух лет позволили обнаружить новые свойства проводимости в различных областях (граничных и внутренних) полупроводниковых материалов. На основании этих открытий удалось найти способ управления электронами, или "дырками" в кристалле и в конце концов определить совсем другой - на этот раз успешный - путь построения полупроводникового усилителя.

Рождение транзистора побудило Шокли вернуться к столь интересовавшей его теме, и он с энтузиазмом занялся усовершенствованием предложенной его коллегами конструкции, стремясь сделать ее более изящной, надежной и более пригодной для массового производства. В 1951 году он предложил конструкцию транзистора, свободную от точечных контактов. В ней все физические процессы происходили в монолитном полупроводниковом кристалле (германия или кремния) с необходимыми изменениями проводимости соответствующих областей. Впоследствии транзистор, предложенный Шокли, получил название плоскостного, в противоположность точечному устройству Бардина и Бретена. В дальнейшем пути трех замечательных ученых разошлись, и пересеклись вновь уже в 1956 году в Стокгольме, на церемонии вручения им Нобелевской премии в области физики за изобретение транзистора.

Транзистор конца 40-х годов состоял из двух тонких вольфрамовых проводков, эмиттера и коллектора, подсоединенных к миниатюрной германиевой пластине, в свою очередь припаянной к металлическому диску. Все элементы были заключены в металлический цилиндр. Правильное включение устройства в электрическую цепь позволяло получить стократное усиление тока, проходящего через эмиттер. В 1948-м инженеры из Bell Laboratories предложили использовать новое изобретение в качестве усилителя аудиосигналов, построив радиоприемник целиком на базе транзисторов, без единой вакуумной лампы. Однако, как часто бывает с большими открытиями, которым отведена особая роль в развитии науки и техники, момент рождения транзистора остается почти незамеченным широкой общественностью. Сообщение о маленьком электронном устройстве заняло в газетах очень скромное место по сравнению с публикациями о текущих событиях бурного послевоенного мира. Но и к началу 50-х значение транзисторов оценили только физики и инженеры-электротехники. Новые устройства использовались в дорогостоящих лабораторных исследованиях, проводимых, как правило, для оборонных целей. Крупнейшие американские компании продолжали выпускать громоздкие радиоприемники и телевизоры, начиненные электронными лампами, которые, прежде чем обрести работоспособное состояние, нагревались не менее минуты.

Ситуация кардинально изменилась в 1954 году, когда маленькая компания из Далласа Texas Instruments начала производить транзисторы для недорогих портативных радиоприемников, которые вскоре захватили американский рынок и завоевали огромную популярность среди молодых американцев. На тот момент такие приемники выпускала только крошечная и мало кому известная японская фирма Sony. В 60-х, когда появились первые телевизоры Sony на базе транзисторов, Соединенные Штаты начали сдавать свои лидирующие позиции в области потребительской электроники.

Важное событие призошло в 1955 году, когда Уильям Шокли покинул Bell Laboratories с целью создать свою собственную компанию по производству полупроводниковых устройств на севере Калифорнии. Многие талантливые ученые и инженеры из Bell Labs и других компаний изъявили желание работать под его началом. С Shockley Semiconductor Laboratory началась история знаменитой Кремниевой Долины. Компания, основанная одним из изобретателей транзисторов, стала прародительницей сотни других фирм, многие из которых добились большого успеха.

Сегодня практически ни одно электронное устройство не может быть создано без использования транзисторов. Компьютерный бум был бы невозможен без изобретения, сделанного 23 декабря 1947 года. Первые электронные цифровые машины занимали большие помещения и обслуживались целой армией специально подготовленного персонала. Такое дорогое удовольствие могли позволить себе только военные, госструктуры и крупные корпорации. Сегодня персональный компьютер постепенно становится предметом домашнего обихода даже в России. Непрерывная передача информации происходит благодаря многочисленным устройствам, основанным все на тех же транзисторах. В конечном итоге именно благодаря скромному усилителю электрического сигнала Бардина, Бритена и Шокли большой мир стал ближе к нам, и люди обрели возможность прикоснуться к накопленному в нем информационному богатству.

Что у компьютера внутри

Персональный компьютер, с помощью которого пишется эта статья, содержит порядка 10 млн. транзисторов. Транзистор в современной вычислительной машине совершенно не похож на устройство конца 40-х годов. Сегодня это микронный кристалл кремния с различными областями проводимости, которые получаются путем добавления к полупроводнику тех или иных примесей.

Чтобы электронная вычислительная машина могла работать, устройства представления единиц информации необходимо каким-то образом соединить между собой и заставить выполнять различные функции. Именно эта проблема в конце 50-х годов встала серьезной преградой на пути дальнейшего развития электроники. Изобретение транзисторов, казалось, открывало путь к созданию вычислительных устройств размером с наручные часы, однако никто не знал, каким образом связать между собой огромное число необходимых компонентов. Сборка с помощью ручной спайки бесчисленного числа соединений приводила к появлению грмоздких устройств с ограниченными возможностями. Скорость вычислений замедляли задержки при передаче электронных сигналов по многочисленным проводам электрической схемы. Необходимо было учитывать и практически неизбежный выход из строя отдельных проводов, поэтому инженерам приходилось разрабатывать избыточные маршруты соединений.

Летом 1958 года проблема была решена. Несколько месяцев напряженных исследований и экспериментов, проведенных 34-летним инженером-электротехником Джеком Килби, работавшим тогда в полупроводниковой лаборатории компании Texas Instruments, в сентябре 1958 года завершились созданием интегральной схемы. Идея Килби заключалась в том, чтобы строить все элементы электрической схемы на основе единого блока полупроводникового материала.

Несколько месяцев спустя аналогичную мысль высказал Роберт Нойс, инженер одной из созданных незадолго до этого компаний Кремниевой Долины Fairchild Semiconductor Corporation. Оба ученых оспаривали свое право на авторство. Килби имел опубликованную работу, подтверждавшую его первенство, но она не была лишена пробелов и неясностей. В конце концов официально автором изобретения был признан Нойс, однако в научной среде все же принято считать и Нойса и Килби изобретателями интегральной схемы. В дальнейшем Роберт Нойс стал одним из основателей знаменитой Intel.

Как это делается

Фундамент современного мира вычислительной техники - интегральная схема - представляет собой маленькую кремниевую пластинку, на которой могут быть размещены тысячи или миллионы транзисторов. Плоская на первый взгляд интегральная схема фактически является трехмерной структурой и получается путем тщательного нанесения на кремниевую основу тончайших слоев материалов, которые в конечном итоге формируют транзисторы.

Возможно, интегральная схема - самый сложный из созданных человеком продуктов. Реализация микропроцессора требует выполнения сотен производственных шагов. При этом к каждому шагу предъявляются высочайшие требования качества и соблюдения жестких условий производства. Мельчайшая частичка пыли может свести на нет все усилия, поэтому производство интегральных схем осуществляется в стерильных помещениях, где на кубический сантиметр приходится менее одного субмикрона частиц пыли (для сравнения, в обычной жилой комнате на ту же единицу объема приходится от 100 тыс. до 1 млн. пылинок). Оборудование для создания чипов основано на технологиях высочайшего уровня. Понятно, что такое производство является одним из самых дорогостоящих.

Рождение микропроцессора

Как известно, любая вычислительная машина способна выполнять только элементарные логические действия и операцию запоминания. Все остальное реализуется последовательностью множества базовых операций. Первые интегральные схемы выполняли основные логические функций или простейшие их сочетания. Дальнейшее развитие производства микропроцессоров позволило начать выпуск схем, реализующих на одном кристалле сложные преобразования. Количество схемных элементов, которое вначале исчислялось единицами, возросло до десятков, сотен, а затем и до многих тысяч.

Весной 1965 года Гордон Мур, возглавлявший в то время исследовательские работы в компании Fairchild Semiconductor, рискнул сделать прогноз дальнейшего развития индустрии интегральных схем. В своей статье в журнале Electronics он отмечал, что с начала промышленного производства чипов в 1959 году их сложность ежегодно возрастала почти в два раза - в момент написания материала выпускались процессоры с 50 транзисторами на кристалле. При такой скорости развития производства интегральных схем в 1975 году процессоры должны были включать 65 тыс. транзисторов при весьма незначительном росте их стоимости. И тогда, предсказывал Мур, появятся такие чудесные вещи, как домашний компьютер, автоматический контроль за автомобилем и личные портативные средства связи.

Хотя кристаллы с 65 тыс. транзисторов не выпускались до 1981 года, в принципе Мур оказался провидцем. Усложнение микроэлектроники в геометрической прогрессии не только оказалось возможно, но и принесло небывалые результаты, и мы имеем сейчас все то, о чем говорил Мур. Его прогноз даже стали называть законом Мура, причем производители микропроцессоров фактически становятся его заложниками. Чтобы удержаться на плаву в условиях жесточайшей конкурентной борьбы, они вынуждены, затрачивая огромные средства на научные исследования, следовать открытой Муром формуле движения вперед.

Сам Мур начинал свою научную карьеру в 50-х годах как специалист по физической химии, и именно в этом качестве был приглашен Шокли в созданную им компанию. При участии Мура, Роберта Нойса и еще нескольких коллег Шокли вскоре основал новую фирму, Fairchild Semiconductor, в которой и появилась первая коммерческая реализация интегральной схемы. Несмотря на то что дела Fairchild Semiconductor шли вполне успешно, в 1968 году Мур и Нойс решили покинуть ее. Ими овладела другая идея - создание универсального микропроцессора. До этого Fairchild и ее конкуренты настраивали схемы для определенных систем. Новая компания (а это была знаменитая ныне Intel) ориентировалась на производство процессоров общего назначения - памяти для хранения данных и вычислительного устройства.

Небольшая японская компания Busicom сделала заказ на реализацию 13 микросхем с целью создания вычислителя для научных задач. Разработчики Intel под руководством Мура взялись за решение этой проблемы и смогли за девять месяцев создать компьютер на одном универсальном кристалле, который был способен реализовать все необходимые 13 функций и множество других. Так в 1971 году на свет появился микропроцессор.

Интегральные схемы становятся все сложнее, увеличивается и число входящих в них транзисторов. Сегодня Гордон Мур предсказывает, что этот процесс прекратится тогда, когда стоимость размещения огромного количества элементов на одной схеме перекроет ту прибыль, которую способно обеспечить использование таких схем. Транзистор 1959 года имел в диаметре 764 мк и его можно было видеть невооруженным глазом. Современный транзистор имеет в сечении порядка 2 мк и содержит элементы размером около 0,4 мк. В недалеком будущем появятся микропроцессоры с элементами размером 0,25 мк. Роботы и ультрафиолетовые лазеры, используемые в производстве интегральных схем, позволят создать кристаллы с элементами в 0,18 и даже 0,13 мк. Но на этом современные оптические методы исчерпают себя и придется искать новые возможности для усовершенствования производства.

Такие исследования ведутся уже сейчас. Об этом мы поговорим в следующем номере.


Проводимость базы транзистора обусловлена наличием атомов с незаполненными связями, то есть положительно заряженными "дырками" - это р-область (от слова positive - положительный). Проводимость граничных областей базы зависит от свободных, отрицательно заряженных электронов - это n-области (от слова negative - отрицательный), исток (source) и сток (drain). Над базой между n-областями полупроводника располагается слой изолятора, а над ним - область проводника (металла), так называемый затвор (gate). Положительный заряд, приложенный к затвору, образует электрическое поле, создающее проводящий канал между истоком и стоком. В этом режиме транзистор находится во включенном состоянии (on). Отрицательный заряд на затворе транзистора приведет к исчезновению канала в базе, и электрический ток в полупроводнике не появится. Транзистор будет в выключенном состоянии (off). Этот тип получил название "полевой транзистор", поскольку его действие управляется электрическим полем. Переключение состояний транзистора позволяет реализовать последовательность 0 и 1, то есть внутренний язык цифровой вычислительной машины, которая, как известно, манипулирует только двоичными кодами.


Как быть с электроникой в России?

Давно известно, что с электроникой в России хуже некуда. Но было ли так всегда? И как было, и что произошло? Есть ли в наше трудное время надежда достичь уровня передовых стран? Если есть, то что для этого надо делать? Вопросы болезненные, но было бы грешно не попытаться ответить на них хотя бы потому, что Россия без современной отечественной электроники не может сохраниться как великая держава.

Первоначально развитие электроники в России шло наравне с другими странами: А. С. Попов и Г. Маркони осуществили радиосвязь в 1895-1996 гг.; и русские и японские крейсера в 1904 году имели радиопередатчики и приемники; Ли де Форест в США придумал триод в 1906 году, а Б. Л. Розинг в России в 1907 году описал электронно-лучевую трубку с электростатическим отклонением луча; в 1918 году М. А. Бонч-Бруевич опубликовал работу по триггеру с перекрестными анодно-сеточными связями (опередив Дж. Рейха на 11 лет), а затем в 1922 году построил мощнейшую в мире радиостанцию имени Коминтерна, - его дело в 30-х годах продолжил А.Л. Минц, создав длинноволновую станцию с мощностью излучения 500 кВт.

В это предвоенное десятилетие еще работали ученые и инженеры, начинавшие в начале века на основе фундаментальных наук, полагаясь на свои знания и избегая пагубного соблазна копирования...

В первые годы Великой Отечественной войны производство вооружений обеспечивалось на основе довоенных научно-технических заделов, а в последние военные годы государство было вынуждено направить основные научно-технические ресурсы на разработку атомного оружия. В те же годы США преуспели в разработках трех новых электронных систем: наземных и бортовых радиолокационных станций, электронных взрывателей в снарядах и, наконец, электронного цифрового компьютера ENIAC. Впервые в истории государство сконцентрировало при одном вузе - Массачусетсском технологическом институте - более 2 тыс. научных работников и инженеров. По окончании войны ведущих разработчиков сразу же усадили за отчеты. Так появилась знаменитая Массачусетсская серия из 27 томов с изложением накопленных знаний и технологий во всех областях электроники и автоматики.

Советский Союз, направляя ресурсы на создание и производство безусловно необходимых механических вооружений - артиллерии, танков и самолетов, - впервые отстал на этом этапе в развитии электроники. На долю послевоенных российских инженеров-электронщиков выпало освоение прошлых разработок, выполненных американцами. Исключением была лишь ядерная электроника - технология и аппаратура для регистрации и измерений ядерных излучений и частиц. В этой области наши инженеры работали самостоятельно и инициативно.

Холодная война и гонка вооружений с конца 40-х годов привели в СССР к ужесточению командно-бюрократической регламентации прикладных наук, а планирование разработок ограничивало конкуренцию изделий даже на примитивном внутреннем рынке. Технические задания, конечно, обсуждались, но главной целью было обеспечить "высокий качественный уровень" изделий, причем за эталон принимали уже давно производимый иностранный прототип. Ясно, что о самостоятельности разработок и создании новых качеств не было и речи.

С появлением плоскостного транзистора в 1951 году началась новая эпоха в электронике. Это событие с опозданием отозвалось в России строительством Зеленограда сразу с несколькими НИИ и заводами. Предполагалось, что такое масштабное мероприятие позволит подтянуться до уровня передовых стран. Желаемого не получилось и не могло получиться просто потому, что инженерное творчество, как и творчество в искусстве, может существовать только в условиях свободы духа. Чтобы создать новое и ценное, необязательно строить город, но нужно обеспечить условия для свободного обсуждения... А целый комплекс институтов за 35 лет не смог создать микропроцессор широкого применения.

Командно-бюрократическое правление нанесло и второй, сокрушительный удар по отечественной электронике и вычислительной технике. Благие намерения, направленные на повышение научно-технического уровня советской техники, в конце 70-х годов обернулись решением образовать в Академии наук СССР Отделение информатики и вычислительной техники под руководством Е.П. Велихова. С десяток НИИ и КБ, разрабатывавших и выпускавших отечественные вычислительные машины, были причислены к Академии, после этого открытые два десятка новых вакансий академиков и членов-корреспондентов были заняты директорами НИИ и главными конструкторами КБ. Поскольку основной задачей академических институтов является совершенствование фундаментальных наук, инженерные разработки деградировали. Открытий не наблюдалось просто потому, что после работ Неймана, Винера и Шеннона информатика и вычислительная техника стали прикладной технической отраслью, а методы алгоритмизации и программирования развивались в сфере вычислительной математики.

Наиболее ярко трудности проявляются в микроэлектронике. Если механическую конструкцию можно разглядеть простым глазом и относительно легко измерить ее детали, то в СБИС не все можно увидеть даже через электронный микроскоп и тем более нельзя рассмотреть токи и потенциалы, а часто невозможно их и непосредственно измерить. Кроме того, полупроводниковый кристалл настолько мал в сравнении с самолетом, что казался советским администраторам несущественной деталью. Электронщиков у нас и сегодня не уважают и часто держат за радиолюбителей на подхвате. Вот почему мы можем делать прекрасные самолеты, но испытываем трудности при создании для них приличной авионики.

Переход к субмикронным технологиям с увеличением числа транзисторов в одном кристалле до нескольких миллионов и более потребовал от инженеров глубоких теоретических знаний из области физики твердого тела в сочетании с пониманием структуры и логики работы процессоров, а также владения методами измерения явлений продолжительностью несколько наносекунд и даже пикосекунд. И не только знаний, но и необходимого высокого умения, которое может быть воспитано лишь при выполнении практических разработок на пределе возможностей...

- Кронид Эрглис,
из статьи с одноименным названием,
опубликованной в жуpнале "Открытые системы" #5 1997.

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями